现浇大直径基坑支护能量蓄水管桩能量交换系统研究

2022-09-25胡庄胡俊汪磊夏京王志鑫曾东灵佳琳

森林工程 2022年5期

胡庄，胡俊*，汪磊，夏京，王志鑫，曾东灵,佳琳

(1.海南大学土木建筑工程学院，海口 570228；2.中铁时代建筑设计院有限公司，安徽芜湖 241001；3.海南省水文地质工程地质勘察院，海口 570206)

0 引言

随着我国城镇化建设的发展，建筑能源消耗巨大，资源量已明显不足，且环保问题成为发展的一大阻碍。因此，发展绿色建筑、提高能源利用效率成为现代建筑的一大发展方向。能量桩地源热泵系统作为集地热能交换系统、水源热泵机组以及建筑物系统于一体的能量交换系统，具有节约钻孔费用、节省占地面积、提高换热效率及有效缩短施工工期，在桥梁工程中能够有效防止桥面板结冰等优势，越来越多应用到实际工程。

刘汉龙等[1]分析了基于地源热泵技术的能量桩技术原理、桩型、埋管形式及技术经济优势，并提出一种新型 PCC 能量桩技术及其施工工艺；分析了能量桩技术在国家节能减排工程中的应用前景。黄旭等[2]将 PCC 能量桩放置在砂土中，施加温度场，模拟 PCC 能量桩在实际运行过程中的承载力特性与受力机制，结果表明，能量桩换热过程中，热量更容易从桩体传向土体；热循环及制冷循环都明显改变了桩顶位移值，且往复循环作用下产生的塑性变形不能完全恢复，其积累变形可能危害上部结构安全；桩身受温度场作用产生的热应力相对较大，应在设计中充分考虑塑性变形和温度应力。史晓冬等[3]对桩基埋管换热器及埋管形式进行研究，提出该技术在我国的应用前景广泛。张方方等[4]研究桩埋管换热器的布置方法，介绍了以能量桩地源热泵复合式系统作为冷热源的实际工程，结果表明，能量桩地源热泵系统具有较好的节能效应。但桩基埋管存在传热面积较小，易形成“热短路”等缺点，而螺旋盘管避免了这一缺点。刘俊等[5]对深层地源热泵系统进行实验测试，并建立数值模型，优化深层地埋管管井结构，结果表明，适当增加外管径，减小内管径有利于深层地埋管换热器换热，内管敷设保温层可有效地降低套管换热器的换热损失，但流量较大时，过长的保温层对套管的换热作用不明显，研究结果对深层地源热泵系统的推广以及深层地埋管换热器的设计具有重要的意义，但地埋管相较于螺旋盘管有钻井费用较高的缺点。陈灿等[6]探讨了桩基埋管地源热泵系统在大型公共建筑中的应用方式，结果表明，地源热泵承担空调热负荷的比例可达到20%，满足江苏省公建标准对甲类公建可再生能源利用量的要求，但桩基埋管本身存在着的缺点，并未得到解决。罗新立[7]探讨了地源热泵系统在建筑工程中的应用价值，研究表明地源热泵系统具有节能性、可再生性、易维护性及环境效益性等特点，将其应用于实际建筑工程中，可更加高效、安全、快速地完成建筑采暖任务，进而从根本上推动整体建筑领域未来发展的节能化、现代化与可持续化。

地表水源热泵系统是利用地球表面水源，如河流、湖泊或水池中的低温低位热能资源, 并采用热泵原理, 通过少量高位电能输入, 实现低位热能向高位热能转移的一种技术。本文利用地源热泵技术结合能量桩，组成地温交换系统，利用地下浅层地温能，用水作为载体进行循环的温度交换，从而对会议厅、餐厅和多功能厅等“大空间建筑功能分区”的建筑空间进行供暖或制冷[8]。

1 技术特点

现浇大直径基坑支护能量蓄水管桩是一种新型的空心支护桩，它不同于常规的重力式水泥土墙、复合土钉墙等。重力式水泥土墙等存在适用范围窄、变形大，只适用于安全等级低、变形要求低的基坑。空心支护桩改变了现有工法的局限性，其特点如下：

(1)把临时工程的效益发挥到建筑的全生命周期。

(2)成为承载其他功能的载体(而不是仅仅承载荷载)。

(3)直接综合造价没有明显提高，甚至有所下降。如同“智能穿戴设备”为每个人提供专属的、个性化的服务，改变了载体的部分功能性质。

空心支护桩为绿色建筑提供新方向，新建筑模式在新一代“海绵城市”理念中可以占据主导地位[9-10]。

此次现浇大直径基坑支护管桩及地温交换系统中，能量桩和海绵城市的功效主导都是空心桩，空心桩是本研究中最核心所在。

2 工作原理及系统设计

2.1 地源热泵与能量桩

地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温度相对稳定的特性，通过消耗电能，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，在夏天可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵原理图如图1所示。

图1 地源热泵原理图

建筑物建造时，直接将地源热泵系统地埋管换热器的塑料换热管埋设在建筑物的混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，这样就成为一种新型的地埋管换热器，称为桩基埋管地热换热器，也称作能量桩，如图2所示。

图2 能量桩原理图

现浇大直径基坑支护能量蓄水管桩能量交换系统是将地源热泵与能量桩的技术相结合，将现浇钢筋混凝土大直径支护管桩设计成空心管状结构，利用地下浅层地温能，用水作为载体进行循环的温度交换，从而对会议厅、餐厅、多功能厅和办公室等建筑空间进行供暖或制冷[11-13]。

2.2 能量交换系统

现浇大直径基坑支护能量蓄水管桩能量交换系统现场设备如图3所示，主要包括管桩内盘管、风机和连接管。盘管高1 m置于桩底，用于吸收桩底低温水冷量；连接管用于将盘管与风机连接成一个循环回路运输能量，其外设置有保温层防止冷量损失；风机型号为HFCS04，输入功率53 W，实现将地底低温向室内传递。

图3 能量交换系统现场设备示意图

能量交换系统作业流程如图4所示，首先进行前期施工准备，然后分别安装能量交换系统、空调系统和监测系统。安装调试正常后，先后分别进行：空调系统运转、不加冰情况下能量交换系统运转以及加冰情况下能量交换系统运转，并用测温仪分别对其做实时监测。最后对比分析不同系统、不同条件下的制冷效果，以及对周围土体温度的影响。

图4 能量交换系统作业流程图

3 工程实例及制冷量计算

3.1 工程概况

拟建芜湖市中医院中医传承与创新研究中心综合楼为 10 层建筑，建筑高度 42.6 m，建筑面积15 245.4 m2，拟采用框剪结构、钻孔灌注桩基础；培训考核用房为2层建筑，建筑高度9.3 m，建筑面积 3 242.0 m2，拟采用框架结构、钻孔灌注桩基础；规培宿舍为5层建筑，建筑高度20.0 m，建筑面积 3 876.5 m2，拟采用框架结构、钻孔灌注桩基础；地下车库为2层，基坑长约100 m，宽约78 m，面积约7 800 m2，基坑开挖深度约9.4 m。

3.2 土层参数

能量桩埋深为9 m，根据勘测报告可知所在土层主要为粉质黏土层和淤泥质粉质黏土层，表1为能量桩所在土层与文献[8]中同埋深土层主要力学参数。对比可知工程实例土层与文献[8]中土层属于同类型土，主要力学参数相近，文献[8]中土层参数可供本文参考。

表1 土层主要力学参数

3.3 制冷量计算

结合工程实例，假设某工程场地长约110 m，宽约80 m，建筑基底占地面积约8 800 m2，利用桩内部空间作为制冷制热蓄热空间，本工程末端实验集装箱面积约15 m2，能量系统的桩所占面积为4 m×4 m(长×宽)，集装箱内温度达到40 ℃，地埋管换热器的塑料换热管出水温度初始约为20 ℃，回水温度约为22.5 ℃。初步测试风机盘管出口温度可以达到26 ℃。循环水泵流量为1.9 m3/h。

15 m2集装箱所需制冷量计算如下

Q=CmΔt=4.18×1.9×1 000/3 600×(22.5-20)=5.5 kW。

式中：C为比热容；m为水流质量；Δt为塑料换热管出水温度与回水温度之差

建筑基底面积理论可制冷总量：

Q=8 800/16×5.5=3 025 kW

按照风机盘管出口温度可以达到26 ℃计算，理论可以供末端使用面积为：

F=3 025/5.5×15=8 250 m2。

现浇大直径基坑支护能量蓄水管桩能量交换系统原理如图5和图6所示。

图5 空调能量输配系统简图

图6 空调能量输配平面图

4 温度场数值模型的建立

4.1 计算基本假定

数值模拟基本假设如下：

(1)假设实际工程中管桩位置附近土体为各土层皆水平分布。

(2)土层假设为均质、热各向同性材料。

(3)土层初始温度场假设为均匀，初始温度设为20.25 ℃(根据现场实测情况拟合获得，现场地温如图7所示)。

图7 现场地温实测图

(4)将水循环温度荷载沿管桩自上而下纵向分为6个等级，自上而下依次为1、2、3、4、5、6，每个等级纵向高度为1.5 m，温度荷载直接加到管桩管壁上，如图8所示。

图8 温度荷载布置图

(5)计算区域内边界温度为蓄水管桩内水温，计算区域外边界处热流密度始终为0，即为绝热边界。

(6)参考工程所在地的勘察报告[9]，工程所在地的工程地质和水文地质条件较好，周围环境没有地表水和地下潜水，能量桩所在土层较为干燥，渗流对于其影响甚小，忽略地下渗流的影响[16-19]。

4.2 计算模型和参数选取

图9为模型的几何尺寸及网格划分后示意图。本文基于管桩深度长为9 m来建立三维温度场数值模型，取土体几何尺寸为：纵向长度(X轴方向)×横向宽度(Y轴方向)×垂直深度(Z轴方向)=6 m×6 m×12 m；能量桩顶面圆环面位于土体上表面，圆环外径1.5 m、内径1 m、圆心为几何原点，沿Z轴方向深度为9 m。

图9 模型几何尺寸及网格划分示意图

网格划分为按长度划分：外面土体单元边长为0.25 m，里面管桩单元边长为0.05 m。

土体和管桩材料参数见表2[14，20]。

表2 土体及管桩材料参数

原始地温取20.25 ℃，计算的管桩壳体外边界为热荷载边界，现场实测温度做边界温度荷载，因不同深度实测温度存在明显差别，故将其简化为自上而下6个等级，加冰(即降低盘管所处水位温度至17 ℃)与不加冰(即盘管所处水位温度为21 ℃)荷载亦有差别，具体边界荷载见表3和表4。

表3 不加冰情况下边界温度荷载

表4 加冰情况下边界温度荷载

根据现场实测时间，取时间步为14 d，每一步时长为0.5 h；整个温度场数值模型为带相变的瞬态温度场模型。

5 温度场数值计算结果分析

5.1 能量交换系统温度场发展情况

图10(a)、图10(b)分别为总时长为7 h，能量交换系统在加冰与不加冰情况下Y=0剖面温度场分布云图。

从图10(a)可以看出：由于所加6个等级温度荷载均大于原始地温20.25 ℃，管桩自下而上对周围土体温度影响范围逐渐增大；而通过图10(b)可以看出，管桩对于土体的温度影响分为2个部分，结合表2加冰情况下边界温度荷载分析可知，上半部分(即桩顶至桩深4.5 m部分)管桩温度荷载高于原始地温(20.25 ℃)，管桩对地温释放热量，下半部分(即桩深4.5 m至桩底部分)管桩温度荷载低于原始地温，管桩吸收热量，释放冷量。

图10 剖面 Y=0处温度场云图

由此看出加冰与不加冰情况下7 h内管桩对土体的影响范围在桩周围1 m以内。

选取了4个具有代表性的温度并画出其等温线图如图11所示。18 ℃为地底(即桩底附近)平均温度，20.25 ℃为设定的原始地温(桩身周围土平均温度)，为了更好对比加冰和不加冰2种条件能量桩对于周围土体影响，设置了26 ℃和30 ℃的等温线。

图11 4种不同温度的等温线图

由图11(a)可以看出：图中并没有18 ℃对应的等温线，即在不加冰的情况下，管桩周围土体温度不会低于18 ℃；20.25 ℃等温线遍布整个桩身；26 ℃等温线主要分布在管桩上半部分；而30 ℃等温线则集中于桩顶部附近(即桩顶至桩深1.5 m处)。

由图11(b)可看出：图中没有30 ℃对应的等温线，这表明在能量交换系统运行7 h后，能量桩周围附近土体温度均在30 ℃以下。

实际情况是地表温度在7 h后仍高于30 ℃，但本模型对土体边界绝热做了简化处理，所以地面以上高温影响不到模型土体的上表面。根据经验及实验表明：简化处理并不影响地面以下温度场发展，故不考虑外界温度影响。

图11(b)中桩深6～9 m分布有18 ℃等温线，这表明周围土最低可达到18 ℃以下；20.25 ℃等温线分布在能量桩下半部分；26 ℃等温线分布在桩顶至桩深1.5 m处附近。

由于所加温度荷载基于现场实测数据，所以等温线图直观清晰地反映了能量交换系统运行时管桩中温度交换对于周围土体温度的影响。

5.2 各影响因素对温度场的影响

影响温度场的因素众多，选取土体导热系数、相变潜热和原始地温这3个因素进行分析。在分析各个因素变化对温度场影响时，保持其余参数不变，采用前面不加冰情况下的温度场数值计算模型，选取有代表性的1号和2号2个分析点的温度变化情况来分析不同因素的影响规律。1号分析点坐标为(-2，0，-0.75)，2号分析点坐标为(2，0，-6.75)，其具体位置如图12所示。