地源熱泵地下換熱器與建筑物樁基的嵌套工藝|資料

[摘 要]地源熱泵垂直埋管方式具有換熱效率高的優點，但由于鉆孔施工費用較高而應用受到限制。充分利用建筑樁基，在預制管樁、灌注樁、地下連續墻內敷設U型換熱管，可省卻鉆孔工序，大大減少地下換熱器的施工費用而降低系統初投資。
[關鍵詞]地源熱泵；地下換熱器；灌注樁；預制管樁；嵌套工藝

地源熱泵以其高效、環保、節能等諸多優勢發展迅猛，代表著節能型中央空調的發展趨勢。地源熱泵有垂直埋管式、地表水式、地下水式等多種應用方式。其中垂直埋管方式具有換熱效率高、地下換熱系統占地面積小的優點，但由于初投資較高而應用受到限制。鉆孔施工費用居高不下是造成初投資較高的主要原因。
地下換熱器與建筑物樁基嵌套，即在預制管樁、混凝土灌注樁、地下連續墻內敷設U型換熱管，省卻鉆孔工序，節約施工費用，更能有效的利用建筑物底板下的面積。同時，由于樁基的間距較大，U型換熱管的相互熱影響幾乎為零，地下換熱器的工況更為穩定。這種技術的推廣將為綠地面積小、容積率高的建筑物提供新的應用空間，必將成為垂直埋管方式新的應用典范。
一、工藝介紹
寧波地區土壤垂直分布基本上可劃分為4層：粘土層、淤泥層、粉質粘土層和粉沙層。該地區土層較軟且厚度大，故建筑物必須采用深基礎，建筑物基礎是以預制管樁和灌注樁為主，適宜采用地下換熱器與建筑物樁基的嵌套工藝。
1、預制管樁內U型換熱管敷設工藝
預制管樁主要是鋼筋混凝土實心樁或空管樁，也有木樁或鋼樁。其中空管樁樁管直徑一般400mm、550mm，管壁厚為80mm，中間空腔直徑為240mm、390mm，可以在空腔內埋設單U型換熱管或雙U型換熱管，達到節省施工費用的目的。
下管是地源熱泵工程中關鍵之一，因為下管的深度決定采取熱量的多少，所以必須保證下管的深度。下管前應將U型換熱管與灌漿管捆綁在一起，并采取防止U型管上浮的措施。在預制管樁口處放置麻袋之類的襯墊物品,以防止下管過程中換熱管磨損而導致其耐壓等性能下降。
因為在做承臺時，管樁內埋管要接出去承臺，所以管子的長度應大于樁深度再加承臺高度的長度。
回填工序也稱為灌漿封井，回填的目的是強化U型換熱管與預制管樁壁之間的傳熱，用注漿泵或泥漿泵將回填物高壓從樁底向上封入,回填物中不得含有大粒徑的顆粒，回填時必須根據灌漿速度的快慢將灌漿管逐步抽出使混合漿自下而上回灌封井，確保回灌密實，無空腔，減少傳熱熱阻。當上返泥漿密度與灌注材料的密度相同時，回填過程結束。
2、灌注樁和地下連續墻內U型換熱管敷設工藝
灌注樁是在鉆好的孔內下入鋼筋籠并灌注混凝土而筑成的深基礎。地下連續墻是在泥漿護壁的條件下向地下鉆挖一段狹長的深槽，在槽內吊放入鋼筋籠，然后灌注混凝土，筑成一段鋼筋骨混凝土墻段，并把每一墻段逐個連接起來形成一道連續的地下墻壁。
由于灌注樁的孔徑較大，可以在鋼筋籠上放置多組U型管并在樁身內部可以并聯匯聚（也可以適當串聯）后再引出樁身，引出管要做好保護措施以防止土建方在對樁頭進行處理時破壞到U型換熱管。U型換熱管可以放置在鋼筋籠的內側，也可以放置在鋼筋籠的外側，用尼龍扎帶將其固定在鋼筋籠上，并做好對U型管的保護。
垂直管水平連接工藝：將垂直管引出承臺在樁口處彎曲垂直管使其從套管中穿過，在承臺施工完畢后 行壓力試驗再熔焊接入水平總管上，以確保接入總管上的熱交換管（D32，HDPE）的完好，無滲漏；待每根總管上的孔全部連接完畢后進行壓力試驗并觀察總管上與各個支管相連處的熔焊焊縫有無滲漏；然后將供回水分別接至相應的分集水器；回填水平管，用沙子或泥土在管道層面上覆蓋15cm厚。
二、工程應用實例
采用樁基內敷設地耦管形式的地源換熱系統，即在建筑物樁基（預制管樁、灌注樁和地下連續墻）內敷設U型換熱管，一定數量的U型換熱管水平集結，形成若干組同程（或異程）換熱回路，匯集至集、分水器，達到為建筑物空調系統提供冷熱源的目的。
實例1：
某辦公樓地源熱泵空調工程，總建筑面積為4300 m2，空調面積為3500 m2，總冷負荷為450 KW。采用空樁管雙U埋管式地源換熱系統，即在本工程241根預制管樁（400～500mm，其深度在41～45m之間）內埋設雙U型地耦管，所有的地耦管內地源水匯集到供水集管，通過循環泵送到室內的地源熱泵機組，經能量交換后，回到地埋管路。
圖1 空樁管內敷設雙U型地耦管剖面圖
1、樁基概述
本工程采用預應力混凝土Φ400，Φ500二種型號管樁，選用第8-2樁尖持力層有效樁長,共三個區，Ⅰ區為41米,Ⅱ區為43米,Ⅲ區為45米。Φ400預應力管樁162根，Φ500預應力管樁81根，共計：243根。柱為14×6枚，間距為9×9m。
2、土壤性質及回填物熱工參數
根據本工程鉆孔勘察報告，分析得出，土壤在0—50米深范圍內大致可分為如下幾層，具體見下表。
表1 土壤分布狀況
地層標高（m） 主要土類
-2.17 粘土、淤泥
-21.27 淤泥、粉質粘土
-33.87 粘土
-33.07 粉質粘土
-43.77 粘土
-49.34 細砂、粉質粘土、圓礫

本區域主要以粘土、細砂、卵石為主，濕度以濕、飽和為主，本區域土壤傳導率為1.6 W/m.k，回填物選用細紗和飽和粘土（或膨脹水泥+粘土），屬于重飽和潮濕性土壤，導熱系數為1.9 W/m.k。
3、本工程其它熱工參數
土壤平均溫度為660F（19℃）；為了保持熱泵高效率（EER≥10或COP≥3.4）則熱泵進水溫度最低為460F（8℃），最高為860F（30℃）。
4、地下熱交換器換熱量計算
根據寧波地區供暖期一般為60天，夏季制冷期120天，計算得出本工程土壤年度吸熱量（制熱工況）、年度散熱量（制冷工況）為如下數據：
Q年度吸熱量 =280*106Btu Q年度散熱量 =1512*106Btu
再計算D32聚乙烯垂直式U環路地耦管道長度（插孔深度為40米）
L總吸熱長度=1440m L總散熱長度= 7212m
從上得知總年度吸熱長度（1440m）小于總年度散熱長度（7271m），則以總年度散熱長度作為本建筑土壤熱交換器設計長度。
又根據土壤性質表和熱工特性表，得知土壤熱工參數如下：
¨ 傳導率=1.6 W/m.k
¨ 擴散率=0.020～0.011m2/h
¨ 回填料=1.9 W/m.k
¨ 覆蓋層厚度為100％
查垂直式U環路長度修正系數表，得出土壤熱交換器長度修正系數為2.4，則最后土壤熱交換器長度修正為L=7271*2.4=17450m
根據以上相關參數，知所需管樁個數：
N樁數=17450/（40*4）=218個
S柱距=9m* 9m
按照土建圖紙上240個樁位布置圖，將218個樁孔內地耦管路設計8個同程環路通過同程水平集管連接集中到集、分水器。完全采用樁位內敷設雙U型換熱管的方式能大大滿足該辦公樓冷（熱）負荷要求，因此不需要鉆取地耦孔作為補充，初投資費用節省。
實例2：
德國波鴻市Stadtwerke(波鴻)公司辦公樓,采用104組樁基埋管,在樁基鋼筋籠內嵌套地耦管的方式.

圖2 鋼筋籠內嵌套地耦管完成圖片
三、結束語
地下換熱器與建筑物樁基嵌套工藝具有省卻鉆孔工藝而降低初投資，節省地下換熱系統分布面積等優點，將為地源熱泵空調系統的應用開辟更為廣闊的前景。但是由于可利用的樁基個數有限，采用這種嵌套工藝往往只能承擔空調系統部分負荷，因此需要鉆取地耦孔作為冷熱源補充。嵌套工藝施工過程需要土建方密切配合。