地源熱泵地埋管換熱器與建筑物樁基的嵌套工藝
李偉，唐彪鋒
（埃美圣龍（寧波）機械有限公司，浙江 寧波 ）

[摘 要]地源熱泵垂直埋管方式鉆孔施工費用較高，而充分利用建筑樁基，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，大大減少地埋管換熱器的施工費用而降低系統(tǒng)初投資。
[關(guān)鍵詞]地源熱泵,地埋管換熱器,樁基,嵌套工藝

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

    地源熱泵以其高效、環(huán)保、節(jié)能等諸多優(yōu)勢而迅猛發(fā)展，是節(jié)能型中央空調(diào)的代表。地源熱泵有垂直埋管式、地表水式、地下水式等主要應(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，但系統(tǒng)初投資較高。鉆孔施工費用居高不下是造成初投資較高的主要原因。
將地埋管換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，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。既可省卻鉆孔工序和相應(yīng)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，地埋管換熱器的工況更為穩(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，適宜采用地埋管換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。
下管是地源熱泵工程的關(guān)鍵之一，下管的深度決定了換熱量的多少，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)制管樁口處設(shè)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(dǎo)致其耐壓等方面的性能下降。在做承臺時，管樁內(nèi)埋管要露出承臺，所以管子的長度應(yīng)大于樁深度再加承臺高度。
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(yù)制管樁壁之間的傳熱，用注漿泵或泥漿泵將回填物從樁底高壓注入，使之自下而上回灌封井,回填物中不得含有大粒徑的顆粒，回填時必須根據(jù)灌漿速度的快慢將灌漿管逐步抽出，確保回灌密實，無空腔，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，回填過程結(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)墻是在泥漿護壁的條件下向地下鉆挖一段狹長的深槽，在槽內(nèi)吊放入鋼筋籠，然后灌注混凝土，筑成一段鋼筋混凝土墻段，并把每一墻段逐個連接起來形成一道連續(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型管并可以在樁身內(nèi)部并聯(lián)匯聚（也可以適當(dāng)串聯(lián)）后再引出樁身，要保護好引出管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(nèi)側(cè)，也可以放置在鋼筋籠的外側(cè)，用尼龍扎帶將其固定在鋼筋籠上，并做好保護。
垂直管水平連接工藝：將垂直管引出承臺并在樁口處彎曲，使其從套管中穿過，在承臺施工完畢后先進行壓力試驗，以確保接入總管上的熱交換管（D32，HDPE）的完好無滲漏，再將其接入水平總管上；待每根總管上的樁基孔支管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(yīng)的分集水器；回填水平管時，需要在管道上覆蓋15cm厚的沙子或泥土。

二、工程應(yīng)用實例
實例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型管，再匯集到水平總管送到室內(nèi)的地源熱泵機組，經(jīng)能量交換后，回到地埋管路。

 
圖1 空樁管內(nèi)敷設(shè)單U形管剖面圖

1、樁基概述
本工程采用預(yù)應(yīng)力混凝土Φ400，Φ500二種型號管樁，選用第8-2樁尖持力層有效樁長,共三個區(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：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，具體見下表。

                            表1 土壤分布狀況

    本區(qū)域主要以粘土、細砂、卵石為主，濕度以濕、飽和為主，本區(qū)域土壤導(dǎo)熱率為1.6 W/m.k，回填物選用細沙和飽和粘土（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（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
寧波地區(qū)供暖期一般為60天，夏季制冷期120天，計算每年地埋管系統(tǒng)的吸熱量（制熱工況）、散熱量（制冷工況）如下：
Q年度吸熱量 =280*106Btu                Q年度散熱量 =1512*106Btu
再計算所需的De32聚乙烯垂直U形管道長度（鉆孔深度為40米）
L吸熱=1440m                     L散熱= 7212m
從上得知年度吸熱所需管道長度（1440m）小于年度散熱所需管道長度（7271m），則以年度散熱所需管道長度作為本建筑土壤熱交換器的設(shè)計長度。
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)路長度修正系數(shù)表，得出土壤熱交換器長度修正系數(shù)為2.4，則最后土壤熱交換器長度修正為L=7271*2.4=17450m
根據(jù)以上相關(guān)參數(shù)，知所需管樁個數(shù)：
N樁數(shù)=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(nèi)的U形管，設(shè)計成8個同程環(huán)路，再通過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型換熱管的方式即可滿足該辦公樓冷（熱）負荷要求，因此不需要再鉆孔作為補充，節(jié)省初投資費用。
實例2：
德國波鴻市Stadtwerke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U形管

三、結(jié)束語
    采用地埋管換熱器與建筑物樁基嵌套工藝，無需鉆孔而降低初投資及占地面積，將為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用開辟更為廣闊的前景。但是嵌套施工過程需要土建方密切配合；另外由于可利用的樁基個數(shù)有限，采用這種嵌套工藝往往只能承擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)部分負荷，因此仍可能需要鉆取地耦孔作為冷熱源補充。

注：本文為《地源熱泵》雜志專稿內(nèi)容，轉(zhuǎn)載請注明“中國地源熱泵網(wǎng)”。