能源樁技術的應用問題及展望

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

一、引言

由于我國人民生活水平的提高，供暖制冷方面能耗所占到社會總能耗的比重的25%～30%。而我國大部分供熱主要依靠煤炭，這也加劇了空氣污染問題[1]。能源樁是一種新型的樁埋管地源熱泵技術。它將通常意義上的樁基礎與熱交換器結合起來，具有造價低、占地小、污染低、效率高等特點[2]。能源樁技術的出現(xiàn)，為解決這一難題提供了一個切實可行的思路。但是，值得說明的一點是，雖然能源樁技術在我國有很大的發(fā)展?jié)摿凸饷鲬们熬?，但是其也有諸多問題亟待有關研究人員去解決。

二、能源樁的工作原理

淺層的地熱能的溫度基本恒定，大約在15℃～20℃左右。在冬天，地表氣溫低而地下溫度高，從大地提取熱量，通過熱泵和壓縮機給建筑供暖；在夏天，地表氣溫高而地下溫度低，將建筑物的熱量轉移到地下，這樣就實現(xiàn)了夏天制冷而冬天供熱[3]。

能源樁由鋼筋混凝土樁和換熱管組成，通過換熱管連接地源熱泵機組，對地下土體抽取熱量或放出熱量。由于它將換熱器和建筑物中的混凝土樁基結合起來，把樁基作為結構物和大地交換熱的媒介,利用樁身混凝土較好的熱傳導性能和樁土更大的接觸面，提高了換熱效率。

三、能源樁技術存在的問題

能源樁技術興起于上世紀80年代的歐洲，在2000年前后傳入我國后，國內外的學者都對能源樁進行過研究，并取得了相應的成果，但是至今為止，能源樁沒有形成一個完整的理論體系，不能完全滿足實際工程的需求，使得能源樁技術難以大規(guī)模推廣。目前存在的主要問題可分為以下幾方面：

(一)溫度效應下的能源樁熱-力學特性

能源樁既是結構承重構件，又是換熱器，除了原來的上部荷載，還承受由于溫度變化產生的附加溫度應力。

Bourne-Webb等在對能源樁進行原位試驗后提出，能源樁樁身溫度在下降19℃時，樁中下部會產生最大為2MPa的拉應力[4]。桂樹強等在對一根12m能源樁進行實測后發(fā)現(xiàn)，在冷熱循環(huán)后，樁身會產生不可恢復的沉降[5]。

拉應力和不可恢復沉降的出現(xiàn)都表明，溫度變化對樁基承載力和沉降的影響不可忽視。

(二)溫度效應下的能源樁樁-土界面特性

Yavari等改造盒式直剪儀，研究不同溫度下接觸面的性能變化，發(fā)現(xiàn)黏土-混凝土界面呈軟化狀態(tài)[6]。李春紅等通過室內直剪試驗，發(fā)現(xiàn)溫度效應最明顯的是能源樁-黏土界面[7]。

當熱荷載從樁身傳遞到土體時，熱荷載會引起土體的體積改變。因此土體溫度的變化會積極地或消極地影響樁-土接觸面的應力狀態(tài)，從而影響樁側摩阻力的發(fā)揮，特別是對于軟土地區(qū)的摩擦樁來說。

(三)能源樁的傳熱理論

現(xiàn)有關于能源樁的傳熱理論基本上是基于井埋管地源熱泵，但是由于能源樁的長徑比遠小于井埋管地源熱泵，所以能源樁的傳熱不但要考慮徑向傳熱，還應考慮樁身尺寸、材料對傳熱的影響。

現(xiàn)有的線熱源、柱熱源、螺旋線熱源等模型雖然已用于工程設計，但是仍有不足之處[8]。部分理論計算所得的巖土熱物性參數(shù)有時與實際值相差較大，影響造價。

四、能源樁技術存在的發(fā)展前景

雖然仍有大量的問題有待深入研究，但是從國內外能源樁實際工程使用效果來看，還是能夠基本達到預想的供熱量指標[9]。這說明雖然能源樁還未形成完整理論體系，但通過工程經驗可以彌補其理論的不足。

隨著節(jié)能減排工作的不斷推進和城市建設規(guī)模的不斷擴大，建筑節(jié)能越來越受人們重視。能源樁技術擁有的諸多特點，使其非常適合作為城市建筑節(jié)能的解決方案。但是由于能源樁將換熱器放置在樁基礎內，必須與地下結構同時施工，一旦建筑建成就無法應用該技術。因此應該抓住大規(guī)模城市建設歷史機遇，推廣能源樁技術。