新型能量桩技术开发初探

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1、引言

地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，在夏天将室内的余热转移到低位热源中，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，达到降温或制冷的目的。地源热泵技术比传统锅炉技术节省70%以上的能源和40%～60%的运行费用；在制冷时，地热泵技术要比普通空调节能40%～50%，运行费用降低40%以上。

能量桩是一种桩埋管形式地源热泵技术与传统桩基础相结合的经济、高效、节能减排的新技术。通过在桩基础中埋设各种形状的换热器装置，进行浅层低温地热能转换，在满足常规桩基力学功能的同时还能通过桩体实现与浅层地能的热交换，起到桩基和地源热泵预成孔直接敷设埋管换热器的双重作用。工程桩埋管的使用，可减少建筑物周围钻孔的数量，缩短工期，降低成本，提高施工效率，节约建筑用地，减少埋管需要的地面面积，避免后期扩建工程对地下换热器的损坏。混凝土或者钢材料的桩体作为传热管的回填材料，密实性高、与大地的接触更好、接触热阻小、传传递与交换效率更高。能量桩系统中传热管被浇注在桩体内部，回填材料可理解为混凝土，密实性好；较竖直埋管形式有较好的传热性能，从而在等量热传递情况下可以减少埋管的长度。目前已有的桩基埋管换热器主要有单U型、W型、双U型和单螺旋形等形式。

2、能量桩研究进展与存在的主要问题

2.1、研究进展

在现场试验方面，相关研究人员开展了灌注桩、预制桩以及钢管桩中埋设换热管的现场静载荷试验研究，并测得现场数据，为分析能量桩热力学特性和传递机理提供第一手资料。基于现场所获得的数据以及传热模型，相关学者提出了一种适合于桩基螺旋埋管的传热模型，并给出了一维实心圆柱面热源传递模型的解析解；通过搭建的实验平台，对数值模型和解析模型进行验证分析。

与其他桩型相比，预制桩由于在桩运输、打入过程中可能会对传热系统造成损坏，因此应用相对较少；钢桩具有很好的热传导性能，但是钢管桩本身的造价很高，在建筑工程中应用不多；钢筋混凝土桩具有较大的热量存储能力和较好的热传输性能，因此在全世界范围内应用最广。

2.2、目前存在的主要问题

钢筋混凝土灌注桩需要将传热管道与钢筋笼一起绑扎，埋设在混凝土中，传热管道与混凝土模量相差较大，桩基受力变形时，在传热管道孔洞处容易产生应力集中，影响桩基的受力，且管道埋设于混凝土中，不能检修、维护和回收利用。灌注桩中在钢筋笼上绑扎传热管的埋设方式，不仅影响灌注桩中混凝土体积，而且增大了钢筋笼被腐蚀的风险，从而影响桩基承载力和耐久性。因此，在传统能量桩形式的基础上，开发出一种具有良好埋管形式的新型能量桩具有重要的意义。

3、新型桩埋管能量桩技术开发

为了克服灌注桩钢筋笼侧壁绑扎传热管影响混凝土振捣密实，传热管与钢筋笼之间容易留空隙而引起钢筋腐蚀，且绑扎在钢筋笼侧壁的传热管在混凝土振捣密实过程中存活率低等技术问题，开发一种施工干扰小、技术合理的地源热泵灌注桩钢筋笼内埋管的施工方法，有效解决传热管与钢筋笼之间的互相影响，避免传热管的埋设对减少桩基整体承载力影响等技术难题[9]。

由钢管替代传统的实心钢筋作为钢筋笼主筋，传热管埋设在钢管内；桩埋管形式可采用单U形埋管、双U形埋管和W形埋管形式。其特征在于：传热管埋设在钢管内，钢管替代传统实心钢筋作为钢筋笼主筋；当桩埋管为单U形时，联合钢管和实心钢筋作为主筋，钢管内的传热管用双接头聚乙烯弯管连接；当桩埋管为双U形时，全部用钢管替代实心钢筋，钢管内的传热管用双接头聚乙烯弯管连接；当桩埋管为W形时，全部用钢管替代实心钢筋，钢管内的传热管用一端双接头、一端三接头的聚乙烯弯管连接；传热管的上部设置开关，控制传热管内的传热液体的流量、流速以及流动方向等，其结构布置示意图如图1所示。

图中：1为混凝土桩，2为钢管主筋，3为传热管，4为箍筋，

5为传热管弯形接头，6为混凝土桩帽，7为桩帽构造钢筋网，

8为三通管接头，9为实心钢筋主筋，10为开关。

图1 新型能量桩传热系统布置示意图

一种地源热泵灌注桩钢筋笼内埋管的施工方法，包括以下技术步骤：

（1）探明拟打设桩基础和埋设地源热泵地下传热管的地层情况，包括施工范围内土层分布及力学特性、土层热能储存量等地层热特性等，设计桩埋管形式、桩埋管深度以及钢管直径、传热管直径等参数；

（2）根据设计要求，制作钢筋笼，并在钢筋笼钢管中预埋传热管；

（3）将传热管的下端通过传热管接头连接，并进行通水测试整体传热管的密封性；

（4）平整场地、测量放线，确定桩基础施工位置，桩基定位偏差不超过1%；

（5）开始钻孔沉管或者泥浆护壁沉孔，续而，下放带传热管的钢筋笼至设计深度；

（6）浇注混凝土完成灌注桩桩身施工，然后，在桩头上面布置桩帽构造钢筋网，并与灌注桩桩身的钢筋笼主筋绑扎连接；

（7）浇注混凝土桩帽，完成单根地源热泵灌注桩钢筋笼内埋管的能量桩的施工；

（8）重复（2）-（7）步骤，完成其它地源热泵灌注桩钢筋笼内埋管的能量桩的施工，并将传热管汇集连接在转换器上，与设置在上部建筑物内的空调传热系统连接；最后完成地源热泵灌注桩钢筋笼内埋管的整体施工。

4、结论

本文在总结了近年来国内外能量桩技术的研究进展与存在的一些主要问题的基础上，提出一种新型能量桩技术及其施工工艺为能量桩技术。

利用钢管替代实心钢筋作为灌注桩钢筋笼主筋，将传热管埋设在钢管内，从而解决传热管与钢筋笼绑扎埋设造成的相互干扰、钢筋腐蚀、以及影响桩基整体承载力等问题。与传统传热管与钢筋笼绑扎埋管方式相比，该技术提出的一种地源热泵灌注桩钢筋笼内埋管的施工方法，埋管存活率更高，钢筋笼周围混凝土密实度高，可以确保传热管埋设不降低桩基整体承载力；与传统钻孔埋管方式相比，该技术使桩基础施工和传热管埋设施工有机结合在一起，大大缩短了施工工期、节约了地下空间和工程造价。