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热交换桩工艺及其应用问题的讨论点击：1796 日期：[ 2014-04-26 21:39:33 ] |
| 热交换桩工艺及其应用问题的讨论 张思渊 刘 皓 曹加乔 摘 要:对热交换桩的形式及原理进行了分析,并以钻孔灌注桩为例介绍其施工工艺,提出了热交换桩在实际应用中遇到问题的解决方法。 关键词:地热,地埋热交换器,热交换桩,钻孔灌注桩 中图分类号:TU472文献标识码:A 文章编号:1009-6825(2010)24-0148-02 1 热交换桩 1.1 热交换桩的概念 将常规建筑桩基础中的基桩和地热交换器结合起来,就产生了一种新型的基础桩形式,这就是热交换桩,也称之为能量桩,是一种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[1]预成孔直接埋设管状换热器的双重作用。它把地下U形管换热器埋于建筑物桩基中,使其与建筑结构相结合,充分地利用了建筑物的面积,通过桩基与周围大地形成换热,从而减少了钻孔和埋管费用。 1.2 热交换桩的基本形式 1.2.1 根据热交换器埋设方式划分 根据热交换桩其中换热器形式的不同,可分为单U形管式、双U形管式、多U形管式和W形管式[2]。 1.2.2 根据基桩性质的不同划分 根据基桩施工工艺的不同,热交换桩可分为预制桩和现浇桩两种形式。从以上的分析可以看出,在各种类型的预制桩中埋放地热交换器都可以作为热交换桩,如预制混凝土方桩、预应力管桩、钢管桩等等。 1.2.3 钻孔灌注桩形式的热交换桩 我国现在主要以钻孔灌注桩形式为主。此种方法是将换热管先固定在建筑物地基的预制空心钢筋笼中,然后随钢筋笼一起下到桩井中,再浇筑混凝土。通过管状换热器系统中的交换流体与混凝土桩体、桩周土———地基土及地下水系统进行热交换,形成封闭式地源热泵的地热能交换器,见图1。 2 钻孔灌注桩形式的热交换桩施工工艺 1)钢筋笼的制作。在整个制作过程中,保证PE管牢固地固定在笼中是最关键的,距底部应留有1 m~2 m的距离。钢筋笼的结构要坚固,以保护换热单元不受损坏。加固管的钢筋笼结构要足够的坚固,以保护换热单元不受损坏,由于在浇筑混凝土的过程中,很有可能是PE管在垂直方向上发生移动,所以需要在钢筋笼的底部焊接横向的支撑,最好是整个钢筋笼整体制作,PE管整体固定,当桩深过大使施工难度加大时,可分段下笼分步进行钢筋笼的固定。2)系统试压。在浇筑之前,应先进行压力测试。如果混凝土的灌注是分层进行,则需在每一个阶段进行压力测试。在每个换热单元管路的起始和末端应安装浮球阀和压力表,增大管路压力至测试压力,以检验管路的完整性。在整个浇灌过程以至混凝土达到坚固的几天后,都要保持这个压力,这样做是为了使PE管承受住浇灌混凝土时的压力,以免于压扁而影响整个管路的循环。在连接分集水器以及系统全部安装完毕后还要进行两次测压。3)桩施工及灌注。浇筑混凝土要格外谨慎,应使用导管将混凝土引至孔底。在导管的安置与提升过程中,要始终保持垂直和居中,这样才有利于导管周边阻力以及混凝土充实桩体时的流动压力相对均匀,不致挂笼或其他异常故障发生。在浇筑过程中,要防止露筋现象的出现。露筋不但会使钢筋笼生锈,也将会给建筑基础造成很大隐患。灌注前一定要用清水稀释泥浆,并掏出部分沉淀的泥石渣,使钢筋笼外侧的混凝土能正常顶升。有可能的话,应当采用受力面较大的混凝土弧形垫块装置,这样可以有效地防止露筋现象的出现。4)管道敷设。5)回填。 3 热交换桩的应用及其关键问题 3.1 热交换桩的应用和发展情况 热交换桩是一种经济、环保、节能的新技术。在欧洲和日本等发达国家有了一定的应用[4],例如,德国法兰克福机场大楼、奥地利某康复中心、瑞士苏黎世机场大楼、日本札幌市立大学护理学院新楼都成功地采用热交换桩系统,取得了良好的经济效益。Brandl总结了奥地利1984年~2004年间热交换桩的使用情况。合计约300幢建筑物采用了热交换桩系统,共2万多根。热交换桩系统在我国应用较少,目前在南京和温州有工程采用了类似的技术。 3.2 热交换桩应用中的关键问题 1)热交换桩的适用条件。从理论上来讲,热交换桩可以用于大多数采用桩基的建筑物中,但为保证地源热泵和空调系统的高效运转,通常要保证地面和地下温度差在15℃以上。在我国,热交换桩特别适用于夏热冬冷地区[5],该地区包括上海、重庆2个直辖市,湖北、湖南、江西、安徽、浙江5个省,四川、贵州两省东半部,江苏、河南两省南半部,福建省北半部,陕西、甘肃两省南端,广东、广西两省区北端,共涉及16个省、自治区、直辖市,面积约180万km2,居住人口5.5亿人,国民生产总值约占全国的48%。这些地区是我国人口最密集,经济、文化较为发达地区,政治、经济地位极为重要,非常适合热交换桩的使用和推广应用。2)热交换过程对桩周土体性状的影响。换热器的换热性能对热交换桩系统性能有决定性的作用,而岩土的热特性是决定热交换桩系统功能的主要因素之一,对岩土热特性的研究是地源热泵中换热器研究中必须首先解决的问题。土是一种多孔介质,含水多孔介质的传热和传湿是一种比较复杂的热湿传递现象。温度梯度的存在会引起岩土中水分的迁移,进而改变岩土的物性参数,包括岩土的力学特性和传热特性。当土体含水率增加时,密度相应提高,导热系数也相应增加。比热也是随着岩土含水率的提高而提高的。因此,开展温度对岩土力学性状的试验研究,并建立热—力耦合的本构关系,是分析热交换桩性状的基础。3)桩基沉降对热交换器的影响。不同于常规地源热泵中的埋管,热交换桩在进行地热交换的同时,需要承担建筑物上部的荷载,因此,桩基沉降是热交换桩系统中一个突出的问题。尤其对于较高层的建筑来说,由于桩的沉降比较大,将在换热器的管路中产生很大的张力,如果张力过大,将拉断管路,使整个系统瘫痪。因此,在使用和设计热交换桩系统时必须考虑到地基变形对其的影响。 对此我们进行了一些桩基沉降原因的分析:a.桩身压缩量;b.桩端荷载引起的桩底土体压缩;c.桩端平面所产生的沉降。而起主要作用的因素为a.,b.点。对于桩身的压缩,沉降是无法避免的,我们只能够尽量减弱其影响。对于PE管的选择我们一定要把好关,保证其能达到要求的承压值;在施工中,应该注意施工质量,合理的选择桩径,桩长和长径比;在下笼之前,可先进行桩底压浆,可以有效控制桩顶沉降,提高灌注桩承载力。而这样仍然不能完全消除沉降的影响,我们可以在垂直埋管和水平埋管的连接处使用一定长度的软接口(高度以桩沉降的计算值为准),当桩沉降时,可以将沉降的影响用软接口的伸长来抵消。 4 结语 地热是一种可再生能源,但是利用地埋热交换器技术开发土壤能源却受到了土地面积有限,成本过高等因素的影响。所以我们将建筑物的桩基础和地埋热交换器相结合,可以大大节约成本,提高效率。本文全面的介绍了热交换桩技术的工作原理及施工工艺,指出了实际应用中的关键技术问题及其研究的方向。从本文的分析可以看出,将地源热泵与桩基础相结合是一种经济、环保、节能的新技术,值得推广使用,但是由于目前热交换桩的理论远落后于实践,需要对此进行系统地研究和分析。 参考文献: [1]仲 智,唐志伟.桩埋管地源热泵系统及其应用[J].可再生能源,2007,25(2):94-96. [2]于 闯,潘林有,刘松玉,等.热交换桩作用机制及其应用[J].岩土力学专刊,2009,30(4):933-937. [3]陈海振.钻孔灌注桩内地源换热器埋管的桩基设计和埋管方式探讨[J].浙江建筑,2009,26(3):59-61. [4]胡鸣明,刘宪英.国外地源热泵的发展历史与设计方法[J].四川制冷,1999(2):20-23. [5]程群英,罗明智,孙纯武,等.地源热泵夏季研究[J].湖南大学学报,2004,27(2):62-64. |
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