地源热泵地埋管换热器与建筑物桩基的嵌套工艺

地源热泵地埋管换热器与建筑物桩基的嵌套工艺
李伟，唐彪锋
（埃美圣龙（宁波）机械有限公司，浙江 宁波 ）

[摘 要]地源热泵垂直埋管方式钻孔施工费用较高，而充分利用建筑桩基，在预制管桩、灌注桩、地下连续墙内敷设U型换热管，可省却钻孔工序，大大减少地埋管换热器的施工费用而降低系统初投资。
[关键词]地源热泵,地埋管换热器,桩基,嵌套工艺

The Embedding Technology of GSHP Ground Heat Exchanger and Building Piles

Li Wei, Tang Biaofeng
(IMI SHENG-LONG (NINGBO) MACHINERY CO.,LTD., Ningbo, Zhejiang)

[Abstract] the drilling cost of GSHP vertical loop is relatively high, but if we make full use of building piles, to embed U-tube heat exchanger into precast pipe piles, grouting piles and diaphragm wall, we can cancel the borehole drilling step, significantly reduce the construction cost of the ground heat exchanger, thus cut down the capital investment of the GSHP system.
[Keywords] GSHP, ground heat exchanger, pile, embedding technology

    地源热泵以其高效、环保、节能等诸多优势而迅猛发展，是节能型中央空调的代表。地源热泵有垂直埋管式、地表水式、地下水式等主要应用方式。其中垂直埋管方式具有换热效率高、地下换热系统占地面积小的优点，但系统初投资较高。钻孔施工费用居高不下是造成初投资较高的主要原因。
将地埋管换热器与建筑物桩基嵌套，即在预制管桩、混凝土灌注桩、地下连续墙内敷设U型换热管，一定数量的U型换热管水平集结，形成若干组同程（或异程）换热回路，汇集至集、分水器。既可省却钻孔工序和相应施工费用，更能有效的利用建筑物底板下的面积。同时，由于桩基的间距较大，U型换热管的相互热影响几乎为零，地埋管换热器的工况更为稳定。这种技术的推广将为绿地面积小、容积率高的建筑物提供新的应用空间，必将成为垂直埋管方式新的应用典范。

一、工艺介绍
    宁波地区土壤垂直分布基本上可划分为4层：粘土层、淤泥层、粉质粘土层和粉沙层。该地区土层较软且厚度大，故建筑物必须采用深基础，建筑物基础是以预制管桩和灌注桩为主，适宜采用地埋管换热器与建筑物桩基的嵌套工艺。
1、预制管桩内U型换热管敷设工艺
    预制管桩主要是钢筋混凝土实心桩或空管桩，也有木桩或钢桩。其中空管桩桩管直径一般400mm、550mm，管壁厚为80mm，中间空腔直径为240mm、390mm，可以在空腔内埋设单U型换热管或双U型换热管。
下管是地源热泵工程的关键之一，下管的深度决定了换热量的多少，所以必须保证下管的深度。下管前应将U型换热管与灌浆管捆绑在一起，并采取防止U型管上浮的措施。在预制管桩口处设置麻袋之类的衬垫物品,以防止下管过程中换热管磨损而导致其耐压等方面的性能下降。在做承台时，管桩内埋管要露出承台，所以管子的长度应大于桩深度再加承台高度。
回填工序也称为灌浆封井，回填的目的是强化U型换热管与预制管桩壁之间的传热，用注浆泵或泥浆泵将回填物从桩底高压注入，使之自下而上回灌封井,回填物中不得含有大粒径的颗粒，回填时必须根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出，确保回灌密实，无空腔，减少传热热阻。当上返泥浆密度与灌注材料的密度相同时，回填过程结束。
2、灌注桩和地下连续墙内U型换热管敷设工艺
    灌注桩是在钻好的孔内下入钢筋笼并灌注混凝土而筑成的深基础。地下连续墙是在泥浆护壁的条件下向地下钻挖一段狭长的深槽，在槽内吊放入钢筋笼，然后灌注混凝土，筑成一段钢筋混凝土墙段，并把每一墙段逐个连接起来形成一道连续的地下墙壁。
    由于灌注桩的孔径较大，可以在钢筋笼上放置多组U型管并可以在桩身内部并联汇聚（也可以适当串联）后再引出桩身，要保护好引出管以防止土建方在对桩头进行处理时破坏到U型换热管。U型换热管可以放置在钢筋笼的内侧，也可以放置在钢筋笼的外侧，用尼龙扎带将其固定在钢筋笼上，并做好保护。
垂直管水平连接工艺：将垂直管引出承台并在桩口处弯曲，使其从套管中穿过，在承台施工完毕后先进行压力试验，以确保接入总管上的热交换管（D32，HDPE）的完好无渗漏，再将其接入水平总管上；待每根总管上的桩基孔支管全部连接完毕后进行压力试验，并观察总管上与各个支管相连处的熔焊焊缝有无渗漏；然后将供回水分别接至相应的分集水器；回填水平管时，需要在管道上覆盖15cm厚的沙子或泥土。

二、工程应用实例
实例1：
    某办公楼地源热泵空调工程，总建筑面积为4300 m2，空调面积为3500 m2，总冷负荷为450 KW。采用空桩管双U埋管式地源换热系统，即在本工程241根预制管桩（400～500mm，其深度在41～45m之间）内埋设双U型管，再汇集到水平总管送到室内的地源热泵机组，经能量交换后，回到地埋管路。

 
图1 空桩管内敷设单U形管剖面图

1、桩基概述
本工程采用预应力混凝土Φ400，Φ500二种型号管桩，选用第8-2桩尖持力层有效桩长,共三个区，Ⅰ区为41米,Ⅱ区为43米,Ⅲ区为45米。Φ400预应力管桩162根，Φ500预应力管桩81根，共计：243根。柱为14×6枚，间距为9×9m。
2、土壤性质及回填物热工参数
根据本工程钻孔勘察报告，分析得出，土壤在0—50米深范围内大致可分为如下几层，具体见下表。

                            表1 土壤分布状况

    本区域主要以粘土、细砂、卵石为主，湿度以湿、饱和为主，本区域土壤导热率为1.6 W/m.k，回填物选用细沙和饱和粘土（或膨胀水泥+粘土），属于重饱和潮湿性土壤，导热系数为1.9 W/m.k。
3、本工程其它热工参数
土壤平均温度为660F（19℃）；为了保持热泵高效率（COP≥3.4），则热泵进水温度最低为460F（8℃），最高为860F（30℃）。
4、地下热交换器换热量计算
宁波地区供暖期一般为60天，夏季制冷期120天，计算每年地埋管系统的吸热量（制热工况）、散热量（制冷工况）如下：
Q年度吸热量 =280*106Btu                Q年度散热量 =1512*106Btu
再计算所需的De32聚乙烯垂直U形管道长度（钻孔深度为40米）
L吸热=1440m                     L散热= 7212m
从上得知年度吸热所需管道长度（1440m）小于年度散热所需管道长度（7271m），则以年度散热所需管道长度作为本建筑土壤热交换器的设计长度。
又根据土壤性质表和热工特性表，得知土壤热工参数如下：
• 传导率=1.6 W/m.k
• 扩散率=0.020～0.011m2/h
• 回填料=1.9 W/m.k
• 覆盖层厚度为100％
查垂直式U环路长度修正系数表，得出土壤热交换器长度修正系数为2.4，则最后土壤热交换器长度修正为L=7271*2.4=17450m
根据以上相关参数，知所需管桩个数：
N桩数=17450/（40*4）=218个
S柱距=9m* 9m
按照土建图纸上240个桩位布置图，将218个桩孔内的U形管，设计成8个同程环路，再通过同程水平集管连接集中到集、分水器。完全采用桩位内敷设双U型换热管的方式即可满足该办公楼冷（热）负荷要求，因此不需要再钻孔作为补充，节省初投资费用。
实例2：
德国波鸿市Stadtwerke公司办公楼,采用104组桩基埋管,在桩基钢筋笼内嵌套地耦管的方式.

 
图2 钢筋笼内嵌套U形管

三、结束语
    采用地埋管换热器与建筑物桩基嵌套工艺，无需钻孔而降低初投资及占地面积，将为地源热泵空调系统的应用开辟更为广阔的前景。但是嵌套施工过程需要土建方密切配合；另外由于可利用的桩基个数有限，采用这种嵌套工艺往往只能承担空调系统部分负荷，因此仍可能需要钻取地耦孔作为冷热源补充。

注：本文为《地源热泵》杂志专稿内容，转载请注明“中国地源热泵网”。