能量樁技術(shù)與其工程應(yīng)用研究進(jìn)展

能量樁技術(shù)與其工程應(yīng)用研究進(jìn)展第一頁，共38頁。劉漢龍，孔綱強*，吳宏偉江蘇省南京市西康路1號Tel.:+86+25-83787772CellPhonemail:第11屆全國樁基工程學(xué)術(shù)會議—江蘇宜興,

2013.10.16第二頁，共38頁。一、研究背景及意義二、地源熱泵技術(shù)概況三、能量樁的技術(shù)與應(yīng)用四、PCC能量樁技術(shù)開發(fā)五、結(jié)語第三頁，共38頁。中國目前的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主；發(fā)展節(jié)能減排的新能源技術(shù)是我國及世界各國追求的重要發(fā)展方向。圖1近3年各能源消耗比重各能源消耗比重圖22015年各能源消耗比重第四頁，共38頁。

隨著人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調(diào)系統(tǒng)已成為普遍的需求，而該部分能耗可占到社會總能耗的25%～30%。從降低運行費用、節(jié)省能源、減少排放CO2排放量來看,地源熱泵技術(shù)是一個不錯的選擇。圖3能源消耗分布圖第五頁，共38頁。2.1地源熱泵技術(shù)簡介地源熱泵技術(shù)，是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩(wěn)定的特性，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，在夏天還可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達(dá)到降溫或制冷的目的。室外地能換熱系統(tǒng)水源熱泵建筑物采暖或空調(diào)末端水循環(huán)水或空氣循環(huán)圖4地源熱泵能量轉(zhuǎn)換原理

第六頁，共38頁。2.1地源熱泵技術(shù)簡介地源熱泵技術(shù)，比傳統(tǒng)鍋爐技術(shù)節(jié)省70%以上的能源和40%-60%的運行費用；在制冷時，地?zé)岜眉夹g(shù)要比普通空調(diào)節(jié)能40%-50%，運行費用降低40%以上。第七頁，共38頁。2.2地源熱泵系統(tǒng)的分類地表水地源熱泵地埋管地源熱泵地下水地源熱泵地源熱泵圖5

地埋管地源熱泵系統(tǒng)第八頁，共38頁。2.3地埋管地源熱泵系統(tǒng)地埋管地源熱泵系統(tǒng)也稱地下耦合熱泵系統(tǒng)（Ground-coupleheatpumpsGCHPs）或土壤熱交換器地源熱泵（Groundheatexchangerheatpumps），包括一個土壤耦合地?zé)峤粨Q器，它或是水平地安裝在地溝中，或是以Ｕ形管狀垂直安裝在豎井之中。通過中間介質(zhì)（通常為水或者是加入防凍劑的水）作為熱載體，使中間介質(zhì)在土壤耦合地?zé)峤粨Q器的封閉環(huán)路中循環(huán)流動，從而實現(xiàn)與大地土壤進(jìn)行熱交換的目的。

第九頁，共38頁。2.3.1水平埋管地源熱泵系統(tǒng)(a)水平埋管地源熱泵系統(tǒng)

（b）

串聯(lián)式水平埋管(c)并聯(lián)式水平埋管

圖6

水平埋管形式第十頁，共38頁。2.3.2垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)圖7垂直埋管地源熱泵系統(tǒng):（a）換熱器并管路直接接入機房；（b）換熱器并管路匯集到集水器(a)(b)第十一頁，共38頁。3.1能量樁開發(fā)背景

豎直U型埋管地源熱泵在我國得到了極大的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)是成熟的技術(shù)；但是我們應(yīng)該正視地埋管地源熱泵技術(shù)所面臨的問題。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)通常需要足夠大的室外面積來設(shè)置地埋管換熱器，這成為制約地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在建筑容積率大的場合推廣應(yīng)用的主要障礙。同時，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，較高的鉆孔費用也在一定程度上降低了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)適用性。

為突破豎直鉆孔埋管的地源熱泵系統(tǒng)的這些障礙，函需找到一種新的可替代鉆孔埋管的地?zé)釗Q熱器。如果在建筑物建造時，直接將地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的塑料換熱管埋設(shè)在建筑物的混凝土樁基中，使其與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，這樣就成為一種新型的地埋管換熱器，稱為樁基埋管地?zé)釗Q熱器，也稱作能量樁。第十二頁，共38頁。3.2能量樁工作原理圖8能量樁工作原理第十三頁，共38頁。3.2能量樁工作原理圖9樁埋管形式示意圖第十四頁，共38頁。3.3能量樁的優(yōu)勢與傳統(tǒng)的豎向鉆孔埋管技術(shù)方案相比，樁埋管式能量樁系統(tǒng)具有如下幾點技術(shù)經(jīng)濟(jì)性特點：（1）傳統(tǒng)地源熱泵，在鉆孔中埋設(shè)埋管換熱器，需要經(jīng)過鉆孔、埋設(shè)以及回填等施工工藝；鉆孔施工費用高、施工工序多造成施工工期延長。能量樁系統(tǒng)，采用樁基埋管形式而不需要單獨鉆門鉆孔，比豎直埋管形式換熱系統(tǒng)節(jié)省約40%-70%的費用。（2）能量樁系統(tǒng)中傳熱管被澆注在樁體內(nèi)部，回填材料可理解為混凝土，密實性好；較豎直埋管形式有較好的傳熱性能，從而在等量熱傳遞情況下可以減少埋管的長度。（3）樁基埋管直接埋設(shè)在構(gòu)建物的下面，節(jié)省用地面積，且施工進(jìn)度較一般的豎直埋管形式要快。但是，由于傳熱管下端彎曲要求，樁埋式管不太適用于小直徑樁。第十五頁，共38頁。3.4能量樁的研究現(xiàn)狀（1）能量樁的熱傳遞特性研究能量樁的能量傳輸過程是一個復(fù)雜的熱傳遞過程。1994年日本的Morino首先在鋼管樁基中埋設(shè)管狀換熱器并提出樁埋管換熱器的概念，基于有限差分法對樁基內(nèi)兩個豎直U型埋管換熱器的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值分析，并進(jìn)行了試驗研究?；跀?shù)值分析方法，對慕尼黑機場大樓的500多根樁中設(shè)計的U型埋管換熱器進(jìn)行模擬分析（Pahudetal.,1996）；對樁埋管的施工工藝和現(xiàn)場熱交換溫度場進(jìn)行了分析（Lalouietal.,2006）。在總結(jié)能量樁技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對摩擦型樁地能轉(zhuǎn)換效率，及其建筑物的冷熱負(fù)荷進(jìn)行長期觀測試驗；研究結(jié)果表明，樁埋管換熱器的效率較高（Yasuhiroetal.,2007；Sekineetal.,2007）。2009年張文克等提出了一種適合于樁基螺旋埋管的傳熱模型，并給出了一維實心圓柱面熱源傳遞模型的解析解；通過搭建的實驗平臺，對數(shù)值模型和解析模型進(jìn)行驗證分析。第十六頁，共38頁。3.4能量樁的研究現(xiàn)狀（2）

能量樁的力學(xué)特性研究由于熱能的傳遞，使地基內(nèi)部溫度場發(fā)生變化，從而改變樁周土體的性質(zhì)，樁身混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力，最終影響樁-土荷載傳遞規(guī)律。相關(guān)學(xué)者開展了溫度對土體性質(zhì)影響的三軸試驗研究，得到了摩擦角、孔隙比和前期固結(jié)壓力等受溫度的影響特性，提出了一種各向同性的黏土熱力學(xué)模型；并對熱傳遞過程中能量樁的應(yīng)力變化進(jìn)行了研究分析（Cekerevac&Laloui2004）。對于各種建筑下的樁基礎(chǔ)，樁體受到上部荷載作用，使樁、地基中產(chǎn)生應(yīng)力場和位移場，而熱交換過程中應(yīng)力場和位移場會因溫度場的變化而改變，同時，土體在附加應(yīng)力的作用下會產(chǎn)生固結(jié)，使土體中的孔隙水排水，樁-土系統(tǒng)產(chǎn)生沉降，因此，能量樁的工作過程是一個應(yīng)力場-位移場-溫度場-滲流場-時間場相互耦合的問題，是一個復(fù)雜的熱、力學(xué)過程。第十七頁，共38頁。3.4能量樁的研究現(xiàn)狀（3）

能量樁的樁型及傳熱管型式研究能量樁的樁型目前國內(nèi)外采用的主要型式有：灌注樁、預(yù)制樁、鋼樁、以及攪拌樁等。相關(guān)研究表明，鋼筋混凝土樁具有較大的熱量存儲能力和較好的熱傳輸性能，因此在全世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣；預(yù)制樁由于在樁運輸、打入過程中可能會對傳熱系統(tǒng)造成損壞，因此應(yīng)用相對較少；鋼樁具有很好的熱傳導(dǎo)性能，因此在地?zé)崮芾梅矫婢哂休^大的優(yōu)勢，對于鋼管樁，可以直接通過液體的循環(huán)或采用導(dǎo)熱管道兩種方式進(jìn)行熱傳遞，但鋼管樁本身的造價很高，在建筑工程中應(yīng)用不多。此外，還有將傳熱管埋設(shè)在攪拌樁、漿固碎石樁中進(jìn)行熱交換的形式，水泥漿體能在一定程度上起到保護(hù)熱交換管的作用，但這種樁型的熱傳導(dǎo)效率不如鋼筋混凝土樁高。為了增加這種低強度水泥土樁的熱傳導(dǎo)性能，有學(xué)者考慮在樁體中摻入砂、石英等成分，使這種樁型的熱傳導(dǎo)差的缺點得到克服，對于上部承載力要求不高的情況下，利用水泥土樁作為地?zé)崮茉蠢玫姆绞骄哂懈蟮膬?yōu)勢。第十八頁，共38頁。3.4能量樁的研究現(xiàn)狀（4）能量樁的導(dǎo)熱管和導(dǎo)熱液體研究傳統(tǒng)傳熱管的材料一般采用高密度的聚乙烯，但過去也使用PVC管作為導(dǎo)熱管。用這種材料時，導(dǎo)熱管埋設(shè)混凝土?xí)r需要在管道內(nèi)部施加壓力，以抵消為凝固混凝土的壓力，防止管道產(chǎn)生變形，壓力要維持到混凝土凝固硬化，因此這種材料的施工比較復(fù)雜，發(fā)展到后來逐漸使用金屬材料作為導(dǎo)熱管，使施工更加方便。由于水價格低，無污染，因此能量樁一般采用水作為導(dǎo)熱流體，但水在嚴(yán)冬季節(jié)或在寒冷的北方容易結(jié)冰，結(jié)冰后體積膨脹容易造成管道破裂，因此在低溫環(huán)境下需要水中加入各種防凍液，例如可加入鹽、乙醇、鹵水、乙酸甲、甲醇等物質(zhì)。第十九頁，共38頁。3.5能量樁在國外的應(yīng)用（1）位于奧地利（BadSchallerbach,Austria）的某康復(fù)中心建筑基礎(chǔ)，建成于1995年，其建筑物荷載在500-900kN之間，采用樁筏基礎(chǔ)支撐；143根鉆孔灌注樁中埋設(shè)了傳熱管，灌注樁的樁長為9m、樁徑為1.2m，樁基礎(chǔ)所處的地層條件為含砂黏質(zhì)粉土。（2）位于瑞士洛桑（Lausanne,Switzerland）的瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所某棟建筑，其建筑面積3000m2，建筑基礎(chǔ)采用了97根樁長為25m、樁徑為0.88m的鉆孔灌注樁，將單U型傳熱管綁扎在鋼筋籠上，埋設(shè)在鉆孔灌注樁內(nèi)。所處的地質(zhì)情況從地表向下依次為沖積土、級配良好砂礫層、以及礫石層等，地下水位位于地表面處。第二十頁，共38頁。3.5能量樁在國外的應(yīng)用（3）位于奧地利（BadSchallerbach,Austria）的某康復(fù)中心建筑基礎(chǔ)，建成于1995年，其建筑物荷載在500-900kN之間，采用樁筏基礎(chǔ)支撐；143根鉆孔灌注樁中埋設(shè)了傳熱管，灌注樁的樁長為9m、樁徑為1.2m，樁基礎(chǔ)所處的地層條件為含砂黏質(zhì)粉土[19]。（4）位于日本北海道札晃（Sapporo）某辦公與住宅建筑，其建筑面積92.7m2。建筑基礎(chǔ)采用了預(yù)應(yīng)力管樁、木樁、以及鋼管樁，對26根預(yù)應(yīng)力管樁樁端密封，并在管空心中埋設(shè)傳熱管。預(yù)應(yīng)力管樁的樁長9m，外徑302mm、內(nèi)徑232mm，樁間距在1.2–1.5m之間。第二十一頁，共38頁。3.5能量樁在國外的應(yīng)用（5）建成于1999年的200m高德國法蘭克福主塔大廈（FrankfurtMainTower）30×50m2的基礎(chǔ)，采用112根樁長為30m、樁徑1.5m的鉆孔灌注樁支撐，鉆孔灌注樁中埋設(shè)了傳熱管。具體施工現(xiàn)場圖片見下。第二十二頁，共38頁。3.5能量樁在國外的應(yīng)用建筑高度198米，地面57層，地下5層，總建筑負(fù)荷為1900

MN。圖10

德國法蘭克福某建筑第二十三頁，共38頁。圖11

樁的平面布置圖第二十四頁，共38頁。圖12

熱管布置圖第二十五頁，共38頁。圖13系統(tǒng)在冬天的供熱過程第二十六頁，共38頁。圖14

現(xiàn)場施工圖第二十七頁，共38頁。3.6能量樁在國內(nèi)的應(yīng)用（1）浙江省溫州市雙井頭小區(qū)會所浙江省溫州市雙井頭小區(qū)會所，建筑面積2000m2，所處的地質(zhì)條件為第四代濱海相淤泥質(zhì)軟土，地質(zhì)情況從地表向下依次為雜填土層、淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、圓礫層、黏土等，其中淤泥層厚度達(dá)20m左右。建筑基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁；在92根工程樁中的72根樁中埋設(shè)了傳熱管，為了綜合考慮換熱需求，在建筑北側(cè)的空地處打設(shè)了20口深度為100m的換熱井，以提高換熱功率。為了研究鉆孔灌注樁在溫州地區(qū)該地層的傳熱效果，相關(guān)研究人員針對46m埋深的單U型管、46m埋深的雙U型管、63m埋深的單U型管樁埋管，以及70m埋深的單U型普通砂石回填井埋管進(jìn)行對比現(xiàn)場試驗研究。研究結(jié)果表明，樁埋管換熱器平均導(dǎo)熱系數(shù)是井埋管的2倍多，雙U型樁埋管比單U型樁埋管約提高了15%；樁埋管換單位管長換熱量比井埋管提高了約58%，雙U型樁埋管的單位管長換熱量比單U型樁埋管約降低了22%。第二十八頁，共38頁。3.6能量樁在國內(nèi)的應(yīng)用（2）南京朗詩國際街區(qū)南京朗詩國際街區(qū)，總建筑面積91557.18m2，地上建筑面積為68115.62m2，位于南京市廬山路與河西大街路口的東南角，其中一期工程由六幢住宅組成，地下一層。1#、3#、4#樓地面以上十八層，局部七層，總高54.60米。2#、5#、6#樓地面以上七層，總高度為21.6m，總建筑面積約10萬m2，基坑占地面積約2.5萬m2。地源熱泵系統(tǒng)是朗詩國際街區(qū)采用的最主要的節(jié)能技術(shù)；由于該項技術(shù)的應(yīng)用，使項目整體能耗節(jié)省達(dá)到40%以上。項目內(nèi)1200根樁基礎(chǔ)中埋設(shè)了U型或W型傳熱管，樁長約為30m；為了綜合考慮換熱需求，在建筑物的外圍空地處打設(shè)了302口深度為60m、間距為5m的換熱井，以提高換熱功率。第二十九頁，共38頁。3.6能量樁在國內(nèi)的應(yīng)用（3）上海世博會城市最佳實踐區(qū)漢堡館

2010年上海世博會城市最佳實踐區(qū)北部區(qū)塊，建筑面積3113m2，建筑高度18m，地上5層，地下1層。所處的地質(zhì)條件為上海黃浦江沿岸，地下水位高，土壤濕度大，土質(zhì)的傳熱、蓄熱性好。建筑基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁；在43根工程樁中埋設(shè)了3U型傳熱管，灌注樁的樁長約為30m，直徑600mm。另外，能量樁（即樁埋管地源熱泵）技術(shù)，在我國天津市梅江綜合辦公樓、同濟(jì)大學(xué)旭日樓（鉆孔灌注樁，樁長28m）、天津市塘沽凱華商業(yè)廣場、以及吳江中達(dá)電子營建處辦公樓等項目中也得到應(yīng)用。第三十頁，共38頁。P3四、PCC能量樁技術(shù)開發(fā)4.1PCC樁簡介

PCC樁，即現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁，英文全稱：LargeDiameterPipePilebyusingCast-in-placeConcrete，簡寫為PCC樁。圖15

PCC樁與實心混凝土樁第三十一頁，共38頁。市政港口公路鐵路四、PCC能量樁技術(shù)開發(fā)4.2PCC樁的應(yīng)用圖16

PCC樁應(yīng)用范圍第三十二頁，共38頁。四、PCC能量樁技術(shù)開發(fā)4.3PCC能量樁特點圖17

PCC能量樁示意圖第三十三頁，共38頁。四、PCC能量樁技術(shù)開發(fā)4.3PCC能量樁特點PCC能量樁熱交換器PCC樁PCC能量