能量桩温度及变形特性现场实测研究

尹可心，Roxana Vasilescu

(1. 南京航空航天大学土木与机场工程系，江苏 南京 211106；2. 南特中央理工学院土木工程系，大西洋卢瓦尔省 南特 44321；3. PINTO建筑工程公司特殊基础工程部，伊勒-维莱讷省 富热尔 35300)

瑞士和奥地利的岩土工程师在上世纪80年代开始尝试将地源热泵的换热管路埋置于建筑物桩基础之中[1-2]，以利用地热来满足上方建筑物的供热和制冷需求，这就是能量桩技术的雏形。能量桩基础在承受上部结构荷载的同时又是浅层地源热泵的地下换热载体[3-4]。相比于传统的钻孔埋换热管的方式，能量桩的桩体可作为地下换热器，节约钻孔费用和地下空间资源。此外由于桩身材料的热传导性能往往高于岩土体，加之桩身与其周围岩土体存在更大的热交换面积[5]，能量桩具有更好的换热性能[6-7]。作为一种利用浅层地热能的技术，与传统的建筑供暖与制冷方式相比，能量桩可以减少能源消耗、降低二氧化碳排放。在当前国内“碳达峰、碳中和”的大背景下，能量桩的研究及应用对于建筑行业节能减排，助力双碳目标的实现有着十分重要的意义。

近年来能量桩在国内外得到了越来越多的研究与应用[8-9]。英国、瑞士等欧洲国家在能量桩设计和应用方面起步较早有着较为成熟的经验，并制定了相关的设计和施工规范[10-11]，与能量桩相关的室内外试验研究成果也比较丰富。文献[12]长期监测了2根能量桩，建立了能量桩长期运行性能以及热特性的数据库，可用于设计方法的验证和优化。文献[13-14]研究了混凝土桩-土(枫丹白露砂和钙质砂)接触面在不同温度荷载下的力学特性，为能量桩设计以及运行提供了参考依据。文献[15-16]提供了用于室内能量桩-土接触面直剪试验所需的黏性土试样的制样方法，并在宏微观尺度上验证该方法的可行性[17]，并在此基础上研究了在单一温度(18.6℃)荷载下不同黏土含量对桩-土接触面力学性状的影响[18]。文献[19]总结了用来研究能源岩土结构的试验和数值方法，提供了相关的设计和评估建议。

现场监测试验是研究能量桩最可靠的方法[6]2，但存在测试成本高、时间跨度长以及场地限制因素多等缺点[20]，因此针对能量桩系统运营前后的长期原位监测研究目前还较为缺乏。为研究能量桩系统运行前后的桩身温度以及变形特征，本文对位于法国塞纳-马恩省(Seine-et-Marne)的Sept Sorts镇的某新建污水预处理厂的能量桩系统开展了现场监测试验。在能量桩启用前1a以及启用后1.5a，对换热管网进/出口液体温度、桩身温度以及桩身轴向应变进行监测。通过监测数据评估该能量桩系统的热交换能力，探索能量桩启用前后桩身温度沿深度的分布规律以及桩身轴向应变的变化范围，并对比分析由能量桩运行引起的桩身变形与由季节性土体温度变化引起的桩身变形，以期为国内能量桩设计和监测提供参考。

1 Sept Sorts场地概况

为更好地研究能量桩系统在运行前后的温度以及变形特征，选择某新建污水预处理厂的能量桩系统进行现场监测。该工程场地位于巴黎东北部的塞纳-马恩省(Seine-et-Marne)的Sept Sorts小镇。如图1所示，预处理厂房占地面积约为40m×15m，其基础筏板由100根桩支撑。均采用连续螺旋钻孔技术成桩，桩长9m，直径420mm。在建设初期设计了能量桩地热系统给预处理厂房的340m2办公区供热和制冷(见图1)。场地地基的岩土力学及热物性参数如表1所示。

图1 预处理厂房能量桩系统平面图及3根试验桩P15、P18和P29的位置

表1 场地地基岩土参数与热物性指标

该能量桩系统的设计和施工严格依据法国相关设计和施工规范[21]进行。在100根桩中，有45根被设计成能量桩。每根能量桩均配有6根φ14mm纵向钢筋和36根φ10mm箍筋，再由新拌C30混凝土浇筑而成。能量桩内置的换热管由2根高密度聚乙烯(PEHD)管组成，按W型固定在钢筋笼内部，如图2(a)和2(c)所示，换热管内充满液体以进行热量交换。

图2 P18、P29号能量桩和P15号传统桩剖面示意图

45根能量桩被分成15组，每组3根串联安装(见图1)，通过位于桩顶处的水平管网连接到集热器上。换热管中的传热流体为10%乙二醇和90%水的混合物，通过直径φ=40mm的PEHD管路输送到换热室中的热泵系统。能量桩系统中的主要换热装置为一台Daikin RWEYQ8T热泵，其加热和制冷功率分别为25.0kW和22.4kW，以满足340m2办公区的加热及制冷需求。文献[19]41指出，在通常情况下，地源热泵的性能系数(COP)在3.5～4之间，根据文献[1]84和文献[19]41，当COP≥4时，经济效益十分明显。本文所研究的能量桩系统采用的热泵性能系数COP=5.8，因此可知其节能效果显著，经济效益突出。

2 现场监测试验

为揭示能量桩启用前后的桩身温度以及轴向变形特征，选择3根桩作为监测对象，1根为传统桩(P15)，2根为能量桩(P18和P29)，其位置如图1所示。P15号传统桩作为2个能量桩的试验对照组。如图2(a)所示，在P18和P29号能量桩中各安装7个振弦式应变计(VWSG)监测桩身温度和轴向应变沿深度的分布，应变计纵向布置并固定到钢筋笼内的横向钢筋上，在成桩过程中浇筑在新拌混凝土中。此外，在P15号桩中安装5个振弦式应变计，如图2(b)所示。所用振弦式应变计型号为Glotzl公司的ECV150，长度为150mm，标准量程为3 000μm/m，测量精度为±1με。每个应变计都配备1个精度为±1℃的热敏电阻同步监测其安装位置处的温度变化。

在筏板浇筑之前，将从每个传感器引出的线缆集中布线到总换热管网歧管所处的检修孔之中。数据采集由2台Geokon公司的8002数据采集器来完成，在能量桩运行前后分别每1h和15min记录1次数据。每个数据采集器配备1个热敏电阻来记录检修孔中的温度， 用于代表基础温度(即地平面以下3m处)。 在2018a 4月将2个精度为±0.3℃的PT100温度传感器分别安装在靠近歧管的换热液体管路的进口和出口上，以监测记录管网进/出口处的换热液体温度，用以评估能量桩系统提取热量的能力。此外，在操作室的入口和出口管道上安装2个PT100传感器，测量操作室和能量桩系统之间的热损耗。办公楼前安装1个PT100传感器，测量并记录空气温度的变化，与此同时也参考当地气象部门记录的气温。

3 试验结果

3.1 进/出口液体温度

预处理厂房于2017a 10月建成并投入使用，而使用能量桩的办公区于2018a 12月完工。因此可以进行能量桩正式运行前1整年的温度监测，用于精确比较供热及制冷的效果。换热泵于2017a 11月28日投入使用，但由于连接管道需要维修，于2017a 12月10日停机。接下来由于其中1台循环泵反复出现故障，整个系统不得不多次停运检修直至2018a 7月初。从2018a 7月初开始，办公区的供暖和制冷全部由该能量桩系统提供。从2018a 4月开始，监测热泵运行期间进/出口换热流体的温度。整个基础中的换热管网中液体的温度随时间变化结果如图3所示。由于采集设备故障导致2018a 6月13日到2018a 8月30日这段时间内的数据缺失。

能量桩换热原理是在冬季将温度低于地温的传热液体注入地热管网，通过热交换来提取热量，进而在液体出口处获得更高的温度，夏季反之。能量桩的热交换能力可以根据流入和流出的换热流体的温度差进行评估，其换热功率如下

Q=mwCw(Tinlet-Toutlet)

(1)

式中：Q为能量桩换热功率，W；mw为换热液体质量流量，kg/s；Cw为换热液体的热容，J/(kg·℃)；Tinlet为换热管网入口处液体温度，℃；Toutlet为出口处液体温度，℃。由公式(1)可知，Tinlet和Toutlet之间的差值越大，提取的热量值越大。

在地温不发生显著变化的前提下，当进口和出口换热液体温差大于2℃就足以使地源热泵系统正常运行[1]119。由图3(b)可知，所测能量桩提取的平均温差约为5℃，表现出良好的热交换能力；此外，进/出口换热液体温差在极端气温期间更大。根据法国气象局(Météo France)数据显示，2018a 4月和5月巴黎地区出现较高的气温波动，与之相对应，能量桩系统也表现出经常在加热和冷却模式之间转换的现象。2018a 6月，为解决1个循环泵的故障，整个能量桩系统被临时关闭数次。如图3(b)所示，数据采集系统在2018a 6月13日到2018a 8月30日出现故障，造成在此期间进/出口处换热液体温差为0。

图3 换热管中液体温度随时间变化

3.2 桩身温度及轴向应变

能量桩在运行期间由于温度冷热交替变化会引起桩身轴向应力和变形的变化。温度导致的轴向应力会增加建筑对能量桩的荷载要求，而温度引起的轴向变形可能会导致建筑物的长期使用性能发生变化[22]。因此有必要在能量桩启用前后对桩身的温度和轴向变形进行监测。

温度变化会影响应变计测量结果，温度升高会引起应变计振弦伸长，从而得到比由实际外部应力引起的更低的频率读数，在这种情况下往往得出混凝土桩受压的错误结论[23]。可以用公式(2)对所测轴向应变进行校正，以排除温度的影响。

εobs=ε+αsΔT

(2)

式中：εobs是观察到的桩上产生的轴向应变，μm/m；ε是从数据采集器所记录的应变计频率的变化中获得的应变，μm/m；αs是钢的热膨胀系数(11.83μm/m°C)；ΔT是温度变化值，℃。此处应变正值表示桩伸长，负值对应桩压缩。

然后，通过从总轴向应变中减去由于上部结构自重引起的轴向应变，确定温度变化对桩变形的影响，公式如下

εTh=εobs-εM

(3)

式中：εTh代表由于温度变化引起的轴向应变，μm/m；εM是由结构自重引起的轴向应变，μm/m。

P18能量桩的桩身温度随季节和深度的变化情况如图4所示。如图4(a)所示，在启用地热系统的前1a内，明显的温度变化只出现在桩头以下5m(桩头位置距离地表水平为3m)的桩身深度范围之内，其变化幅度为-4.6℃～+1.5℃，该温度变化是由大气温度变化引起的。随桩体深度增加，桩身温度先减小然后趋于稳定，当桩体深度>5m (即相对于地表水平>8m)时，最终保持在13℃左右。能量桩启用前桩身温度的变化幅度和沿桩体深度的分布与文献[24]中的结果一致。

如图4(b)所示，在地热系统启用后P18号能量桩的桩身温度沿深度的分布呈现了不同的趋势，除2018a的夏季和秋季表现出略大的波动外，在内部安装有换热管的7m深度范围内温度基本保持恒定，这是由于换热液体在换热管中循环所致。换热泵运行之后桩身温度的变化范围为-3.9℃～+1.9℃，与运行之前的变化幅度(-4.6℃～+1.5℃)相比差别不大，且2种变化幅度均小于10℃。此外，在地热系统运行后温度波动范围比文献[25-26]中记录的范围要小，其原因是在监测期间热泵由于故障或按照建筑物的能源需求而没有连续运行，因此施加在能量桩上的热负荷的作用时间相对较短。

图4 P18能量桩桩身温度随桩体深度的变化情况

在能量桩投入使用前后的不同时间点，P18能量桩的轴向应变随深度的变化情况如图5所示。桩的轴向应变也存在类似图4中温度的变化趋势。在能量桩地热系统运营之前可以观察到由于季节性温度变化引起轴向应变随着深度增加而减小，其变化幅度为±40μm/m，图5(a)所示。而在换热泵开始工作后发现，装有换热管的桩长范围内产生了±25μm/m的轴向应变，如图5(b)所示。能量桩启用前后桩身的轴向变形值都非常小，远低于C30混凝土的弹性极限(约为460μm/m)。由能量桩运行引起的与由季节性岩土体温度变化引起的桩身轴向变形值具有相同的数量级，但前者在沿桩身上的区域分布更加均匀。在整个监测期内，桩身轴向变形范围在-50μm/m(压缩)和+30μm/m(伸长)之间，虽然变化很小但在设计中不应忽略。

图5 P18能量桩轴向应变随深度的变化情况

4 结论与展望

本文对某新建污水预处理厂房的能量桩系统进行了现场实测研究，监测其换热管网进出口液体温度、桩身温度以及桩身轴向变形，进而评价其换热能力并量化分析该地热系统运行对桩基的影响。主要结论为：

(1)进出口换热液体的平均温差约为5℃，具有良好的热交换能力，可满足建筑物的供热和制冷需求。

(2)在能量桩运行前，桩身温度随深度增加先减小后趋于稳定，最终保持在13℃左右。

(3)在监测期内，桩身轴向变形范围为-50～+30μm/m。

不同地区岩土体特性不同也可能导致本文监测到的桩身温度变化比以往文献中记录的要小。部分桩身轴向变形也可能是预处理厂房结构荷载的变化所致，例如储水罐中的水位会在厂房投入使用之后发生变化进而造成结构荷载的变化。长期的监测结果表明能量桩桩身温度和轴向应变的变化均在安全范围之内。

本文的现场试验结果对国内能量桩设计和监测提供了一定程度的参考，具有一定的借鉴意义。但该研究也存在不足之处，例如在能量桩投入使用后未对进/出口换热液体的流量和压力进行监测。现场布置的数据采集器耐久性不够导致监测期内出现故障，造成数据缺失，未来的监测有必要增加温度传感器和数据采集器的数量以避免类似情况的出现。桩身由于温度变化引起热胀冷缩，也将造成桩顶位移变化，有必要对其进行长期监测。此外，能量桩运行对桩-土接触面热力学响应特性以及桩基承载性状的影响也有待进一步研究。