現(xiàn)澆大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁能量交換系統(tǒng)研究

胡莊，胡俊*，汪磊，夏京，王志鑫，曾東靈,佳琳

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，?？?570228；2.中鐵時(shí)代建筑設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 蕪湖 241001；3.海南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，?？?570206)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，建筑能源消耗巨大，資源量已明顯不足，且環(huán)保問題成為發(fā)展的一大阻礙。因此，發(fā)展綠色建筑、提高能源利用效率成為現(xiàn)代建筑的一大發(fā)展方向。能量樁地源熱泵系統(tǒng)作為集地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組以及建筑物系統(tǒng)于一體的能量交換系統(tǒng)，具有節(jié)約鉆孔費(fèi)用、節(jié)省占地面積、提高換熱效率及有效縮短施工工期，在橋梁工程中能夠有效防止橋面板結(jié)冰等優(yōu)勢(shì)，越來越多應(yīng)用到實(shí)際工程。

劉漢龍等[1]分析了基于地源熱泵技術(shù)的能量樁技術(shù)原理、樁型、埋管形式及技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，并提出一種新型 PCC 能量樁技術(shù)及其施工工藝；分析了能量樁技術(shù)在國家節(jié)能減排工程中的應(yīng)用前景。黃旭等[2]將 PCC 能量樁放置在砂土中，施加溫度場，模擬 PCC 能量樁在實(shí)際運(yùn)行過程中的承載力特性與受力機(jī)制，結(jié)果表明，能量樁換熱過程中，熱量更容易從樁體傳向土體；熱循環(huán)及制冷循環(huán)都明顯改變了樁頂位移值，且往復(fù)循環(huán)作用下產(chǎn)生的塑性變形不能完全恢復(fù)，其積累變形可能危害上部結(jié)構(gòu)安全；樁身受溫度場作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力相對(duì)較大，應(yīng)在設(shè)計(jì)中充分考慮塑性變形和溫度應(yīng)力。史曉冬等[3]對(duì)樁基埋管換熱器及埋管形式進(jìn)行研究，提出該技術(shù)在我國的應(yīng)用前景廣泛。張方方等[4]研究樁埋管換熱器的布置方法，介紹了以能量樁地源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)作為冷熱源的實(shí)際工程，結(jié)果表明，能量樁地源熱泵系統(tǒng)具有較好的節(jié)能效應(yīng)。但樁基埋管存在傳熱面積較小，易形成“熱短路”等缺點(diǎn)，而螺旋盤管避免了這一缺點(diǎn)。劉俊等[5]對(duì)深層地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，并建立數(shù)值模型，優(yōu)化深層地埋管管井結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，適當(dāng)增加外管徑，減小內(nèi)管徑有利于深層地埋管換熱器換熱，內(nèi)管敷設(shè)保溫層可有效地降低套管換熱器的換熱損失，但流量較大時(shí)，過長的保溫層對(duì)套管的換熱作用不明顯，研究結(jié)果對(duì)深層地源熱泵系統(tǒng)的推廣以及深層地埋管換熱器的設(shè)計(jì)具有重要的意義，但地埋管相較于螺旋盤管有鉆井費(fèi)用較高的缺點(diǎn)。陳燦等[6]探討了樁基埋管地源熱泵系統(tǒng)在大型公共建筑中的應(yīng)用方式，結(jié)果表明，地源熱泵承擔(dān)空調(diào)熱負(fù)荷的比例可達(dá)到20%，滿足江蘇省公建標(biāo)準(zhǔn)對(duì)甲類公建可再生能源利用量的要求，但樁基埋管本身存在著的缺點(diǎn)，并未得到解決。羅新立[7]探討了地源熱泵系統(tǒng)在建筑工程中的應(yīng)用價(jià)值，研究表明地源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能性、可再生性、易維護(hù)性及環(huán)境效益性等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于實(shí)際建筑工程中，可更加高效、安全、快速地完成建筑采暖任務(wù)，進(jìn)而從根本上推動(dòng)整體建筑領(lǐng)域未來發(fā)展的節(jié)能化、現(xiàn)代化與可持續(xù)化。

地表水源熱泵系統(tǒng)是利用地球表面水源，如河流、湖泊或水池中的低溫低位熱能資源, 并采用熱泵原理, 通過少量高位電能輸入, 實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。本文利用地源熱泵技術(shù)結(jié)合能量樁，組成地溫交換系統(tǒng)，利用地下淺層地溫能，用水作為載體進(jìn)行循環(huán)的溫度交換，從而對(duì)會(huì)議廳、餐廳和多功能廳等“大空間建筑功能分區(qū)”的建筑空間進(jìn)行供暖或制冷[8]。

1 技術(shù)特點(diǎn)

現(xiàn)澆大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁是一種新型的空心支護(hù)樁，它不同于常規(guī)的重力式水泥土墻、復(fù)合土釘墻等。重力式水泥土墻等存在適用范圍窄、變形大，只適用于安全等級(jí)低、變形要求低的基坑。空心支護(hù)樁改變了現(xiàn)有工法的局限性，其特點(diǎn)如下：

(1)把臨時(shí)工程的效益發(fā)揮到建筑的全生命周期。

(2)成為承載其他功能的載體(而不是僅僅承載荷載)。

(3)直接綜合造價(jià)沒有明顯提高，甚至有所下降。如同“智能穿戴設(shè)備”為每個(gè)人提供專屬的、個(gè)性化的服務(wù)，改變了載體的部分功能性質(zhì)。

空心支護(hù)樁為綠色建筑提供新方向，新建筑模式在新一代“海綿城市”理念中可以占據(jù)主導(dǎo)地位[9-10]。

此次現(xiàn)澆大直徑基坑支護(hù)管樁及地溫交換系統(tǒng)中，能量樁和海綿城市的功效主導(dǎo)都是空心樁，空心樁是本研究中最核心所在。

2 工作原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 地源熱泵與能量樁

地源熱泵技術(shù)，是利用地下的土壤、地表水、地下水溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，在夏天可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達(dá)到降溫或制冷的目的。地源熱泵原理圖如圖1所示。

圖1 地源熱泵原理圖

建筑物建造時(shí)，直接將地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的塑料換熱管埋設(shè)在建筑物的混凝土樁基中，使其與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，這樣就成為一種新型的地埋管換熱器，稱為樁基埋管地?zé)釗Q熱器，也稱作能量樁，如圖2所示。

圖2 能量樁原理圖

現(xiàn)澆大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁能量交換系統(tǒng)是將地源熱泵與能量樁的技術(shù)相結(jié)合，將現(xiàn)澆鋼筋混凝土大直徑支護(hù)管樁設(shè)計(jì)成空心管狀結(jié)構(gòu)，利用地下淺層地溫能，用水作為載體進(jìn)行循環(huán)的溫度交換，從而對(duì)會(huì)議廳、餐廳、多功能廳和辦公室等建筑空間進(jìn)行供暖或制冷[11-13]。

2.2 能量交換系統(tǒng)

現(xiàn)澆大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁能量交換系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備如圖3所示，主要包括管樁內(nèi)盤管、風(fēng)機(jī)和連接管。盤管高1 m置于樁底，用于吸收樁底低溫水冷量；連接管用于將盤管與風(fēng)機(jī)連接成一個(gè)循環(huán)回路運(yùn)輸能量，其外設(shè)置有保溫層防止冷量損失；風(fēng)機(jī)型號(hào)為HFCS04，輸入功率53 W，實(shí)現(xiàn)將地底低溫向室內(nèi)傳遞。

圖3 能量交換系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備示意圖

能量交換系統(tǒng)作業(yè)流程如圖4所示，首先進(jìn)行前期施工準(zhǔn)備，然后分別安裝能量交換系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)。安裝調(diào)試正常后，先后分別進(jìn)行：空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)、不加冰情況下能量交換系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)以及加冰情況下能量交換系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并用測溫儀分別對(duì)其做實(shí)時(shí)監(jiān)測。最后對(duì)比分析不同系統(tǒng)、不同條件下的制冷效果，以及對(duì)周圍土體溫度的影響。

圖4 能量交換系統(tǒng)作業(yè)流程圖

3 工程實(shí)例及制冷量計(jì)算

3.1 工程概況

擬建蕪湖市中醫(yī)院中醫(yī)傳承與創(chuàng)新研究中心綜合樓為 10 層建筑，建筑高度 42.6 m，建筑面積15 245.4 m2，擬采用框剪結(jié)構(gòu)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；培訓(xùn)考核用房為2層建筑，建筑高度9.3 m，建筑面積 3 242.0 m2，擬采用框架結(jié)構(gòu)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；規(guī)培宿舍為5層建筑，建筑高度20.0 m，建筑面積 3 876.5 m2，擬采用框架結(jié)構(gòu)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；地下車庫為2層，基坑長約100 m，寬約78 m，面積約7 800 m2，基坑開挖深度約9.4 m。

3.2 土層參數(shù)

能量樁埋深為9 m，根據(jù)勘測報(bào)告可知所在土層主要為粉質(zhì)黏土層和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，表1為能量樁所在土層與文獻(xiàn)[8]中同埋深土層主要力學(xué)參數(shù)。對(duì)比可知工程實(shí)例土層與文獻(xiàn)[8]中土層屬于同類型土，主要力學(xué)參數(shù)相近，文獻(xiàn)[8]中土層參數(shù)可供本文參考。

表1 土層主要力學(xué)參數(shù)

3.3 制冷量計(jì)算

結(jié)合工程實(shí)例，假設(shè)某工程場地長約110 m，寬約80 m，建筑基底占地面積約8 800 m2，利用樁內(nèi)部空間作為制冷制熱蓄熱空間，本工程末端實(shí)驗(yàn)集裝箱面積約15 m2，能量系統(tǒng)的樁所占面積為4 m×4 m(長×寬)，集裝箱內(nèi)溫度達(dá)到40 ℃，地埋管換熱器的塑料換熱管出水溫度初始約為20 ℃，回水溫度約為22.5 ℃。初步測試風(fēng)機(jī)盤管出口溫度可以達(dá)到26 ℃。循環(huán)水泵流量為1.9 m3/h。

15 m2集裝箱所需制冷量計(jì)算如下

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

式中：C為比熱容；m為水流質(zhì)量；Δt為塑料換熱管出水溫度與回水溫度之差

建筑基底面積理論可制冷總量：

Q=8 800/16×5.5=3 025 kW

按照風(fēng)機(jī)盤管出口溫度可以達(dá)到26 ℃計(jì)算，理論可以供末端使用面積為：

F=3 025/5.5×15=8 250 m2。

現(xiàn)澆大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁能量交換系統(tǒng)原理如圖5和圖6所示。

圖5 空調(diào)能量輸配系統(tǒng)簡圖

圖6 空調(diào)能量輸配平面圖

4 溫度場數(shù)值模型的建立

4.1 計(jì)算基本假定

數(shù)值模擬基本假設(shè)如下：

(1)假設(shè)實(shí)際工程中管樁位置附近土體為各土層皆水平分布。

(2)土層假設(shè)為均質(zhì)、熱各向同性材料。

(3)土層初始溫度場假設(shè)為均勻，初始溫度設(shè)為20.25 ℃(根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測情況擬合獲得，現(xiàn)場地溫如圖7所示)。

圖7 現(xiàn)場地溫實(shí)測圖

(4)將水循環(huán)溫度荷載沿管樁自上而下縱向分為6個(gè)等級(jí)，自上而下依次為1、2、3、4、5、6，每個(gè)等級(jí)縱向高度為1.5 m，溫度荷載直接加到管樁管壁上，如圖8所示。

圖8 溫度荷載布置圖

(5)計(jì)算區(qū)域內(nèi)邊界溫度為蓄水管樁內(nèi)水溫，計(jì)算區(qū)域外邊界處熱流密度始終為0，即為絕熱邊界。

(6)參考工程所在地的勘察報(bào)告[9]，工程所在地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較好，周圍環(huán)境沒有地表水和地下潛水，能量樁所在土層較為干燥，滲流對(duì)于其影響甚小，忽略地下滲流的影響[16-19]。

4.2 計(jì)算模型和參數(shù)選取

圖9為模型的幾何尺寸及網(wǎng)格劃分后示意圖。本文基于管樁深度長為9 m來建立三維溫度場數(shù)值模型，取土體幾何尺寸為：縱向長度(X軸方向)×橫向?qū)挾?Y軸方向)×垂直深度(Z軸方向)=6 m×6 m×12 m；能量樁頂面圓環(huán)面位于土體上表面，圓環(huán)外徑1.5 m、內(nèi)徑1 m、圓心為幾何原點(diǎn)，沿Z軸方向深度為9 m。

圖9 模型幾何尺寸及網(wǎng)格劃分示意圖

網(wǎng)格劃分為按長度劃分：外面土體單元邊長為0.25 m，里面管樁單元邊長為0.05 m。

土體和管樁材料參數(shù)見表2[14，20]。

表2 土體及管樁材料參數(shù)

原始地溫取20.25 ℃，計(jì)算的管樁殼體外邊界為熱荷載邊界，現(xiàn)場實(shí)測溫度做邊界溫度荷載，因不同深度實(shí)測溫度存在明顯差別，故將其簡化為自上而下6個(gè)等級(jí)，加冰(即降低盤管所處水位溫度至17 ℃)與不加冰(即盤管所處水位溫度為21 ℃)荷載亦有差別，具體邊界荷載見表3和表4。

表3 不加冰情況下邊界溫度荷載

表4 加冰情況下邊界溫度荷載

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測時(shí)間，取時(shí)間步為14 d，每一步時(shí)長為0.5 h；整個(gè)溫度場數(shù)值模型為帶相變的瞬態(tài)溫度場模型。

5 溫度場數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

5.1 能量交換系統(tǒng)溫度場發(fā)展情況

圖10(a)、圖10(b)分別為總時(shí)長為7 h，能量交換系統(tǒng)在加冰與不加冰情況下Y=0剖面溫度場分布云圖。

從圖10(a)可以看出：由于所加6個(gè)等級(jí)溫度荷載均大于原始地溫20.25 ℃，管樁自下而上對(duì)周圍土體溫度影響范圍逐漸增大；而通過圖10(b)可以看出，管樁對(duì)于土體的溫度影響分為2個(gè)部分，結(jié)合表2加冰情況下邊界溫度荷載分析可知，上半部分(即樁頂至樁深4.5 m部分)管樁溫度荷載高于原始地溫(20.25 ℃)，管樁對(duì)地溫釋放熱量，下半部分(即樁深4.5 m至樁底部分)管樁溫度荷載低于原始地溫，管樁吸收熱量，釋放冷量。

圖10 剖面 Y=0處溫度場云圖

由此看出加冰與不加冰情況下7 h內(nèi)管樁對(duì)土體的影響范圍在樁周圍1 m以內(nèi)。

選取了4個(gè)具有代表性的溫度并畫出其等溫線圖如圖11所示。18 ℃為地底(即樁底附近)平均溫度，20.25 ℃為設(shè)定的原始地溫(樁身周圍土平均溫度)，為了更好對(duì)比加冰和不加冰2種條件能量樁對(duì)于周圍土體影響，設(shè)置了26 ℃和30 ℃的等溫線。

圖11 4種不同溫度的等溫線圖

由圖11(a)可以看出：圖中并沒有18 ℃對(duì)應(yīng)的等溫線，即在不加冰的情況下，管樁周圍土體溫度不會(huì)低于18 ℃；20.25 ℃等溫線遍布整個(gè)樁身；26 ℃等溫線主要分布在管樁上半部分；而30 ℃等溫線則集中于樁頂部附近(即樁頂至樁深1.5 m處)。

由圖11(b)可看出：圖中沒有30 ℃對(duì)應(yīng)的等溫線，這表明在能量交換系統(tǒng)運(yùn)行7 h后，能量樁周圍附近土體溫度均在30 ℃以下。

實(shí)際情況是地表溫度在7 h后仍高于30 ℃，但本模型對(duì)土體邊界絕熱做了簡化處理，所以地面以上高溫影響不到模型土體的上表面。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)表明：簡化處理并不影響地面以下溫度場發(fā)展，故不考慮外界溫度影響。

圖11(b)中樁深6～9 m分布有18 ℃等溫線，這表明周圍土最低可達(dá)到18 ℃以下；20.25 ℃等溫線分布在能量樁下半部分；26 ℃等溫線分布在樁頂至樁深1.5 m處附近。

由于所加溫度荷載基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，所以等溫線圖直觀清晰地反映了能量交換系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)管樁中溫度交換對(duì)于周圍土體溫度的影響。

5.2 各影響因素對(duì)溫度場的影響

影響溫度場的因素眾多，選取土體導(dǎo)熱系數(shù)、相變潛熱和原始地溫這3個(gè)因素進(jìn)行分析。在分析各個(gè)因素變化對(duì)溫度場影響時(shí)，保持其余參數(shù)不變，采用前面不加冰情況下的溫度場數(shù)值計(jì)算模型，選取有代表性的1號(hào)和2號(hào)2個(gè)分析點(diǎn)的溫度變化情況來分析不同因素的影響規(guī)律。1號(hào)分析點(diǎn)坐標(biāo)為(-2，0，-0.75)，2號(hào)分析點(diǎn)坐標(biāo)為(2，0，-6.75)，其具體位置如圖12所示。

圖12 分析點(diǎn)位置

5.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)的影響

以表2中粉砂、細(xì)砂層的導(dǎo)熱系數(shù)為基數(shù)分別減小和增大20%和40%，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同導(dǎo)熱系數(shù)1號(hào)、2號(hào)分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

由圖13可見：1號(hào)分析點(diǎn)和2號(hào)分析點(diǎn)各個(gè)曲線幾乎重疊，表明不同導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于土體溫度變化影響幾乎無差別，這是由于溫度荷載所加時(shí)間較短，不同導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)土體溫度變化影響尚未體現(xiàn)出來。

5.2.2 比熱的影響

以表2中粉砂、細(xì)砂層的比熱為基數(shù)分別減小和增大20%和40%，計(jì)算結(jié)果如圖14所示。由圖14可知：不同比熱對(duì)于土體溫度變化影響幾乎沒有差別，對(duì)比圖13可以看出，2個(gè)分析點(diǎn)所在位置溫度變化不受比熱和導(dǎo)熱系數(shù)影響，原因也是因?yàn)闇囟群奢d所加時(shí)間僅為7 h，影響尚未體現(xiàn)。

圖14 不同比熱1號(hào)、2號(hào)分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

5.2.3 原始地溫的影響

原始地溫分別取5、10、20.25(不變)、30、40 ℃，計(jì)算結(jié)果如圖15所示。

由圖15可知：原始地溫變化對(duì)該溫度場有顯著的影響，當(dāng)原始地溫升高，土體周圍溫度顯著升高。原始地溫為5 ℃和10 ℃時(shí)，1號(hào)、2號(hào)分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間增加，且1號(hào)分析點(diǎn)溫度增加更明顯，這是由于1號(hào)點(diǎn)位置更接近管樁頂部，受到管樁頂部較高溫度的影響所致。

圖15 不同原始地溫1號(hào)、2號(hào)分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

6 結(jié)論

(1)現(xiàn)澆大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁能量交換系統(tǒng)是將地源熱泵與能量樁的技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，將現(xiàn)澆鋼筋混凝土大直徑支護(hù)管樁設(shè)計(jì)成空心管狀結(jié)構(gòu)，利用地下淺層地溫能，用水作為載體進(jìn)行循環(huán)的溫度交換，從而對(duì)會(huì)議廳、餐廳、多功能廳和辦公室等建筑空間進(jìn)行供暖或制冷。

(2)假設(shè)某工程場地長約110 m，寬約80 m，建筑基底占地面積約8 800 m2，使用面積環(huán)境溫度為40 ℃，風(fēng)機(jī)盤管出口溫度為26 ℃，則理論可以供末端使用面積為8 250 m2。

(3)管樁自下而上對(duì)周圍土體溫度影響范圍逐漸增大且分為2個(gè)部分，上半部分(即樁頂至樁深4.5 m部分)管樁溫度荷載高于原始地溫(20.25 ℃)，管樁對(duì)地溫釋放熱量；下半部分(即樁深4.5 m至樁底部分)管樁溫度荷載低于原始地溫，管樁吸收熱量，釋放冷量。

(4)加冰與不加冰情況下7 h內(nèi)管樁對(duì)土體的影響范圍在樁周圍1 m以內(nèi)；無論是加冰還是不加冰的情況下其樁身溫度均保持在16～36 ℃，對(duì)樁身鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無影響。因此可以推斷出現(xiàn)澆大直徑基坑支護(hù)能量蓄水管樁技術(shù)的應(yīng)用上，地下水溫對(duì)于能量樁樁身結(jié)構(gòu)無影響。

(5)不同導(dǎo)熱系數(shù)和比熱對(duì)于土體溫度變化幾乎無影響，這是由于溫度荷載所加時(shí)間較短，對(duì)土體溫度變化影響尚未體現(xiàn)出來。原始地溫變化對(duì)該溫度場有顯著的影響，當(dāng)原始地溫升高，土體周圍溫度顯著升高，地下水溫隨之升高，導(dǎo)致制冷效果降低。