地源熱泵地下?lián)Q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(yōu)點(diǎn)，但由于鉆孔施工費(fèi)用較高而應(yīng)用受到限制。充分利用建筑樁基，在預(yù)制管樁、灌注樁、地下連續(xù)墻內(nèi)敷設(shè)U型換熱管，可省卻鉆孔工序，大大減少地下?lián)Q熱器的施工費(fèi)用而降低系統(tǒng)初投資。
[關(guān)鍵詞]地源熱泵；地下?lián)Q熱器；灌注樁；預(yù)制管樁；嵌套工藝

地源熱泵以其高效、環(huán)保、節(jié)能等諸多優(yōu)勢(shì)發(fā)展迅猛，代表著節(jié)能型中央空調(diào)的發(fā)展趨勢(shì)。地源熱泵有垂直埋管式、地表水式、地下水式等多種應(yīng)用方式。其中垂直埋管方式具有換熱效率高、地下?lián)Q熱系統(tǒng)占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，但由于初投資較高而應(yīng)用受到限制。鉆孔施工費(fèi)用居高不下是造成初投資較高的主要原因。
地下?lián)Q熱器與建筑物樁基嵌套，即在預(yù)制管樁、混凝土灌注樁、地下連續(xù)墻內(nèi)敷設(shè)U型換熱管，省卻鉆孔工序，節(jié)約施工費(fèi)用，更能有效的利用建筑物底板下的面積。同時(shí)，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?lián)Q熱器的工況更為穩(wěn)定。這種技術(shù)的推廣將為綠地面積小、容積率高的建筑物提供新的應(yīng)用空間，必將成為垂直埋管方式新的應(yīng)用典范。
一、工藝介紹
寧波地區(qū)土壤垂直分布基本上可劃分為4層：粘土層、淤泥層、粉質(zhì)粘土層和粉沙層。該地區(qū)土層較軟且厚度大，故建筑物必須采用深基礎(chǔ)，建筑物基礎(chǔ)是以預(yù)制管樁和灌注樁為主，適宜采用地下?lián)Q熱器與建筑物樁基的嵌套工藝。
1、預(yù)制管樁內(nèi)U型換熱管敷設(shè)工藝
預(yù)制管樁主要是鋼筋混凝土實(shí)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(nèi)埋設(shè)單U型換熱管或雙U型換熱管，達(dá)到節(jié)省施工費(fèi)用的目的。
下管是地源熱泵工程中關(guān)鍵之一，因?yàn)橄鹿艿纳疃葲Q定采取熱量的多少，所以必須保證下管的深度。下管前應(yīng)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(yù)制管樁口處放置麻袋之類的襯墊物品,以防止下管過(guò)程中換熱管磨損而導(dǎo)致其耐壓等性能下降。
因?yàn)樵谧龀信_(tái)時(shí)，管樁內(nèi)埋管要接出去承臺(tái)，所以管子的長(zhǎng)度應(yīng)大于樁深度再加承臺(tái)高度的長(zhǎng)度。
回填工序也稱為灌漿封井，回填的目的是強(qiáng)化U型換熱管與預(yù)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(shí)必須根據(jù)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?；毓嗝軐?shí)，無(wú)空腔，減少傳熱熱阻。當(dāng)上返泥漿密度與灌注材料的密度相同時(shí)，回填過(guò)程結(jié)束。
2、灌注樁和地下連續(xù)墻內(nèi)U型換熱管敷設(shè)工藝
灌注樁是在鉆好的孔內(nèi)下入鋼筋籠并灌注混凝土而筑成的深基礎(chǔ)。地下連續(xù)墻是在泥漿護(hù)壁的條件下向地下鉆挖一段狹長(zhǎng)的深槽，在槽內(nèi)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(gè)連接起來(lái)形成一道連續(xù)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(nèi)部可以并聯(lián)匯聚（也可以適當(dāng)串聯(lián)）后再引出樁身，引出管要做好保護(hù)措施以防止土建方在對(duì)樁頭進(jìn)行處理時(shí)破壞到U型換熱管。U型換熱管可以放置在鋼筋籠的內(nèi)側(cè)，也可以放置在鋼筋籠的外側(cè)，用尼龍?jiān)鷰⑵涔潭ㄔ阡摻罨\上，并做好對(duì)U型管的保護(hù)。
垂直管水平連接工藝：將垂直管引出承臺(tái)在樁口處彎曲垂直管使其從套管中穿過(guò)，在承臺(tái)施工完畢后 行壓力試驗(yàn)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(wú)滲漏；待每根總管上的孔全部連接完畢后進(jìn)行壓力試驗(yàn)并觀察總管上與各個(gè)支管相連處的熔焊焊縫有無(wú)滲漏；然后將供回水分別接至相應(yīng)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(yīng)用實(shí)例
采用樁基內(nèi)敷設(shè)地耦管形式的地源換熱系統(tǒng)，即在建筑物樁基（預(yù)制管樁、灌注樁和地下連續(xù)墻）內(nèi)敷設(shè)U型換熱管，一定數(shù)量的U型換熱管水平集結(jié)，形成若干組同程（或異程）換熱回路，匯集至集、分水器，達(dá)到為建筑物空調(diào)系統(tǒng)提供冷熱源的目的。
實(shí)例1：
某辦公樓地源熱泵空調(diào)工程，總建筑面積為4300 m2，空調(diào)面積為3500 m2，總冷負(fù)荷為450 KW。采用空樁管雙U埋管式地源換熱系統(tǒng)，即在本工程241根預(yù)制管樁（400～500mm，其深度在41～45m之間）內(nèi)埋設(shè)雙U型地耦管，所有的地耦管內(nèi)地源水匯集到供水集管，通過(guò)循環(huán)泵送到室內(nèi)的地源熱泵機(jī)組，經(jīng)能量交換后，回到地埋管路。
圖1 空樁管內(nèi)敷設(shè)雙U型地耦管剖面圖
1、樁基概述
本工程采用預(yù)應(yīng)力混凝土Φ400，Φ500二種型號(hào)管樁，選用第8-2樁尖持力層有效樁長(zhǎng),共三個(gè)區(qū)，Ⅰ區(qū)為41米,Ⅱ區(qū)為43米,Ⅲ區(qū)為45米。Φ400預(yù)應(yīng)力管樁162根，Φ500預(yù)應(yīng)力管樁81根，共計(jì)：243根。柱為14×6枚，間距為9×9m。
2、土壤性質(zhì)及回填物熱工參數(shù)
根據(jù)本工程鉆孔勘察報(bào)告，分析得出，土壤在0—50米深范圍內(nèi)大致可分為如下幾層，具體見(jiàn)下表。
表1 土壤分布狀況
地層標(biāo)高（m） 主要土類
-2.17 粘土、淤泥
-21.27 淤泥、粉質(zhì)粘土
-33.87 粘土
-33.07 粉質(zhì)粘土
-43.77 粘土
-49.34 細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、圓礫

本區(qū)域主要以粘土、細(xì)砂、卵石為主，濕度以濕、飽和為主，本區(qū)域土壤傳導(dǎo)率為1.6 W/m.k，回填物選用細(xì)紗和飽和粘土（或膨脹水泥+粘土），屬于重飽和潮濕性土壤，導(dǎo)熱系數(shù)為1.9 W/m.k。
3、本工程其它熱工參數(shù)
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(jìn)水溫度最低為460F（8℃），最高為860F（30℃）。
4、地下熱交換器換熱量計(jì)算
根據(jù)寧波地區(qū)供暖期一般為60天，夏季制冷期120天，計(jì)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(shù)據(jù)：
Q年度吸熱量 =280*106Btu Q年度散熱量 =1512*106Btu
再計(jì)算D32聚乙烯垂直式U環(huán)路地耦管道長(zhǎng)度（插孔深度為40米）
L總吸熱長(zhǎng)度=1440m L總散熱長(zhǎng)度= 7212m
從上得知總年度吸熱長(zhǎng)度（1440m）小于總年度散熱長(zhǎng)度（7271m），則以總年度散熱長(zhǎng)度作為本建筑土壤熱交換器設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。
又根據(jù)土壤性質(zhì)表和熱工特性表，得知土壤熱工參數(shù)如下：
¨ 傳導(dǎo)率=1.6 W/m.k
¨ 擴(kuò)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(huán)路長(zhǎng)度修正系數(shù)表，得出土壤熱交換器長(zhǎng)度修正系數(shù)為2.4，則最后土壤熱交換器長(zhǎng)度修正為L(zhǎng)=7271*2.4=17450m
根據(jù)以上相關(guān)參數(shù)，知所需管樁個(gè)數(shù)：
N樁數(shù)=17450/（40*4）=218個(gè)
S柱距=9m* 9m
按照土建圖紙上240個(gè)樁位布置圖，將218個(gè)樁孔內(nèi)地耦管路設(shè)計(jì)8個(gè)同程環(huán)路通過(guò)同程水平集管連接集中到集、分水器。完全采用樁位內(nèi)敷設(shè)雙U型換熱管的方式能大大滿足該辦公樓冷（熱）負(fù)荷要求，因此不需要鉆取地耦孔作為補(bǔ)充，初投資費(fèi)用節(jié)省。
實(shí)例2：
德國(guó)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(nèi)嵌套地耦管的方式.

圖2 鋼筋籠內(nèi)嵌套地耦管完成圖片
三、結(jié)束語(yǔ)
地下?lián)Q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(jié)省地下?lián)Q熱系統(tǒng)分布面積等優(yōu)點(diǎn)，將為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)辟更為廣闊的前景。但是由于可利用的樁基個(gè)數(shù)有限，采用這種嵌套工藝往往只能承擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷，因此需要鉆取地耦孔作為冷熱源補(bǔ)充。嵌套工藝施工過(guò)程需要土建方密切配合。