地源热泵地下换热器与建筑物桩基的嵌套工艺

    摘要：地源热泵垂直埋管方式具有换热效率高的优点，但由于钻孔施工费用较高而应用受到限制。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，大大减少地下换热器的施工费用而降低系统初投资。

    关键词：地源热泵；地下换热器；灌注桩；预制管桩；嵌套工艺

    地源热泵以其高效、环保、节能等诸多优势发展迅猛，代表着节能型中央空调的发展趋势。地源热泵有垂直埋管式、地表水式、地下水式等多种应用方式。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，但由于初投资较高而应用受到限制。钻孔施工费用居高不下是造成初投资较高的主要原因。

    地下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，省却钻孔工序，节约施工费用，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，地下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，适宜采用地下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，达到节省施工费用的目的。

    下管是地源热泵工程中关键之一，因为下管的深度决定采取热量的多少，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。在预制管桩口处放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性能下降。

    因为在做承台时，管桩内埋管要接出去承台，所以管子的长度应大于桩深度再加承台高度的长度。

    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高压从桩底向上封入,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使混合浆自下而上回灌封井，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，筑成一段钢筋骨混凝土墙段，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型管并在桩身内部可以并联汇聚（也可以适当串联）后再引出桩身，引出管要做好保护措施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，并做好对U型管的保护。

    垂直管水平连接工艺：将垂直管引出承台在桩口处弯曲垂直管使其从套管中穿过，在承台施工完毕后先进行压力试验再熔焊接入水平总管上，以确保接入总管上的热交换管（D32，HDPE）的完好，无渗漏；待每根总管上的孔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，用沙子或泥土在管道层面上覆盖15cm厚。

    二、工程应用实例

    采用桩基内敷设地耦管形式的地源换热系统，即在建筑物桩基（预制管桩、灌注桩和地下连续墙）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，达到为建筑物空调系统提供冷热源的目的。

    实例1：

    某办公楼地源热泵空调工程，总建筑面积为4300m2，空调面积为3500m2，总冷负荷为450KW。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型地耦管，所有的地耦管内地源水汇集到供水集管，通过循环泵送到室内的地源热泵机组，经能量交换后，回到地埋管路。

    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，本区域土壤传导率为1.6W/m.k，回填物选用细纱和饱和粘土（或膨胀水泥+粘土），属于重饱和潮湿性土壤，导热系数为1.9W/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（EER≥10或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

    根据宁波地区供暖期一般为60天，夏季制冷期120天，计算得出本工程土壤年度吸热量（制热工况）、年度散热量（制冷工况）为如下数据：

    Q年度吸热量=280*106BtuQ年度散热量=1512*106Btu

    再计算D32聚乙烯垂直式U环路地耦管道长度（插孔深度为40米）

    L总吸热长度=1440mL总散热长度=7212m

    从上得知总年度吸热长度（1440m）小于总年度散热长度（7271m），则以总年度散热长度作为本建筑土壤热交换器设计长度。

    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=1.6W/m.k

    扩散率=0.020～0.011m2/h

    回填料=1.9W/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个桩孔内地耦管路设计8个同程环路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型换热管的方式能大大满足该办公楼冷（热）负荷要求，因此不需要钻取地耦孔作为补充，初投资费用节省。

    实例2：

    德国波鸿市Stadtwerke(波鸿)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.

    三、结束语

    地下换热器与建筑物桩基嵌套工艺具有省却钻孔工艺而降低初投资，节省地下换热系统分布面积等优点，将为地源热泵空调系统的应用开辟更为广阔的前景。但是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，因此需要钻取地耦孔作为冷热源补充。嵌套工艺施工过程需要土建方密切配合。