能量桩换热器对桩基性能影响的研究

能量桩换热器对桩基性能影响的研究

洪顺生

（浙江省地矿建设有限公司，上海 200000 ）

摘要：能量桩是一种将换热器与桩基相结合的技术。能够节约土地面积，缩短工期，同时具有较高的导热效率，近年来得到广泛地关注。由于工程条件的区域性和特殊性，推广应用能量桩技术需要开展换热器与桩基相互影响的研究。本文介绍国内外研究能量桩的试验与数值模拟方法，讨论了换热器对桩基性能的影响，为各地区的工程实践和试验研究提供参考。

关键词：能量桩换热器；桩基性能；温度周期变化；数值模拟

0 前言

能量桩是一种将换热器与桩基相结合的技术，具有经济、高效和节能的优点。换热管埋于桩中主要采用两种方式：一种是将换热管预先放置于桩基的钢筋框内部；另一种是先将换热管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[1]。

传统地源热泵技术需要在建筑场地外钻孔，不仅占用大量的场地且钻孔费用较高，导致初期投资大[2-4]。上世纪 80 年代，工程师们尝试将 U 形管置于建筑物的桩基、基础底板以及地下连续墙等结构内用来代替传统的地埋管换热器[5-6]。

1994年，日本的Morino[7]率先提出在钢管桩中埋设管状换热器，并进行了试验和数值模拟研究；1999年，Paul[8]运用PileSIM软件在慕尼黑机场大楼500多根桩基里设计了U型埋管换热器；2003年瑞士的Laloui[9-10]正式提出“地能转换桩”的概念，给出了施工工艺和现场试验结果，并于2006年进一步提出了地能转换桩的数值模型。能量桩技术研究在国内起步相对较晚，2006年天津大学赵军[11]等依托南京地区某一实际工程，对大面积密集型桩埋换热器管群周围土壤的换热特性进行了数值模拟，提出了“热屏障”概念；2008年同济大学Gao[12]通过现场试验和数值模拟的方法确定最优桩埋管形式为W型；河海大学刘汉龙[13]在2014提出了一种新型的PCC能量桩技术及其施工工艺。

能量桩技术由于节能环保将得到大力地发展和应用。目前，能量桩的研究还处于发展阶段，本文通过总结国内外对能量桩性能研究的典型试验及数值模拟方法，为能量桩的研究和推广提供参考。

1 换热器本身对桩基性能影响的室内模型试验

山东建筑大学土木工程学院通过室内模型试验对无埋管桩和螺旋埋管桩的抗弯、轴心抗压承载特性进行了研究[14]。试验设计桩长18m，桩径250mm。根据桩基规范[15]；通过计算取受力主筋为6Ф8，箍筋为Ф8@100，通长配筋；桩内螺旋埋管的直径为16mm，间距100mm。

抗压实验中，混凝土应变片采用120-100AA，钢筋应变片采用120-1A；在桩试件中截面和距离桩底和桩顶600mm的截面均按间隔90°各贴四片纵向及环向电阻应变片，总计12个混凝土应变片；钢筋应变片沿水平受力方向对称布置在钢筋笼的受拉和受压侧的各2根主筋上，从桩底每隔300mm取一测量截面，共有5个截面，需20个钢筋应变片。抗弯实验中，由于采用了分配梁，跨中纯弯段的弯矩最大，故在纯弯段内任选2个截面，沿梁截面高度分别布置4个混凝土应变测点；在桩构件中截面和分别距桩顶和桩底600mm的截面中布置钢筋应变片，每个截面布置4个。构件按规范制作、浇筑、养护后进行抗压、抗弯试验。

1.1 抗压实验结果

取无埋管桩构件和埋管桩构件的桩中截面进行分析，画出荷载-应变曲线，结果如图1所示；实验测得埋管桩的极限承载力为976kN，无埋管桩为1081kN。

（a） 无埋管桩                                   （b） 埋管桩

图1 桩中截面荷载-应变曲线

试验讨论：荷载作用下，无埋管桩中钢筋和混凝土变形发展趋势一致，两者协同作用效果好；而埋管桩中，埋管与混凝土之间的粘结强度低，易形成软弱结构面，构件破坏时一般沿着桩埋管发生破坏，埋管的存在也导致钢筋与混凝土之间的变形协调作用减弱，使桩构件极限承载力降低9.71%。

1.2 抗弯试验结果

抗弯构件参数同抗压构件。对无埋管桩构件和埋管桩构件进行分析，做出应变沿截面高度变化曲线，结果如图2和图3所示。无埋管桩极限承载力为68kN，埋管桩为60kN。

图2 不同加载阶段无埋管桩应变沿截面高度分布曲线

图3 不同加载阶段埋管桩应变沿截面高度分布曲线

试验讨论：在整个加载过程中，埋管桩构件和无埋管桩构件的平均应变基本符合平截面假定。混凝土抗拉强度低，当荷载超过开裂荷载后，受拉区混凝土逐渐退出工作，荷载由钢筋承担。埋管的存在削弱了混凝土和钢筋的粘结力，增大了桩沿截面高度的应变，导致裂缝发展较快。桩的极限抗弯承载力下降了8kN，达11.76%。

2 换热器温度循环对桩性能影响的现场试验

换热器在运行过程中通过钢筋混凝土与地层之间交换热量，热量的传递将改变钢筋混凝土中的温度场，桩基性能将受到影响。为建筑一栋服务于国家高层次表演艺术和创造性研究的5层楼，英国朗伯斯学院进行了为期7周的现场试验以探明荷载作用下冷热循环对桩性能的影响

[16]。

待建办公楼的设计荷载是1200kN，建筑基础采用钢筋混凝土灌注桩。设计桩长23m，桩径600mm，桩的全长用六根Ф32mm的钢筋加固，同时将Ф32mm的HDPE管和测量仪器固定在钢筋笼上。由于地质条件的原因，试验桩的上部5米桩径是610mm，下面桩径为550mm，上部有一长0.9m的桩帽，高出地平面250mm。试验平面布置如图4所示，包括6根桩（试验桩、散热桩和四根抗拔桩）、热泵、记录仪等。

图4 实验平面布置图

试验中，人工调节热泵（最大功率为8kW）来控制试验所需要的冷热循环液温度，温度变化范围-6℃~+40℃。试验利用振弦式应变仪（VWSG）和光纤传感器（OFS）测试仪对初始加载、放热阶段和吸热阶段三个阶段中桩的温度、位移、应变进行检测。光纤传感器沿桩身全长连续测量温度和应变，振弦式应变仪（VWSG）分别设置在距离桩顶1.5m、4m、6.5m、10.5m、16.5m、22.5m处，每个高度上均布三个应变仪，试验用48通道的记录仪对数据进行记录。

2.1 桩头位移结果

图5  桩头位移图

初始加载过程中，桩的沉降量为2.41mm，在冷循环结束时沉降量为4.76mm，增加了2.35mm；热循环结束时沉降量有所减小，沉降量为3.13mm。最后在3倍的设计荷载作用下，沉降量为10mm。试验表明冷热循环对桩的位移影响不大，桩基沉降远远满足设计要求。

2.2 桩身应变结果

由WVSG和OFS测得的应变沿桩身分布如下图所示:（a）初始加载；（b）冷循环结束；（c）热循环结束。

图6  不同阶段桩身应变分布图

实验中以残余应变为基准剖面，地下换热器冷循环吸热过程对桩身应变影响不大，在靠近桩身下端，桩身应变接近于零；热循环放热过程结束后，桩身整个部分应变都增大，最大应变发生在桩头下6-7m处。温度的变化引起桩身侧摩阻力的改变，使应变沿桩深度方向增大或减小，改变量都不大。

3 换热器对桩性能影响的数值模拟

由于钻孔埋管埋深通常为40-200m，径向尺寸跟埋深相比很小，传热可以简化为一维导热问题，现在主要有Kelvin的无限长线热源模型和无限长圆柱面热源模型。但桩基的径向尺度和热容量都不能忽略，针对钻孔埋管的传热模型，即线热源传热模型和空心圆柱面热源传热模型已不再适用[17]。

山东建筑大学、天津大学等对桩埋管模型做了一系列研究[18-21]。在孔埋管的基础上，根据桩埋管的特点，研究提出了实心介质中的圆柱面热源模型。此模型忽略深度方向上的传热，假设桩基与周围岩土有相同的热物性，采用积分分割近似求极限的思想，把圆柱面热源看作是沿圆周方向排列的无数线热源的集合，则圆柱面热源在离z轴的距离为r的点引起的过余温度为所有线热源在该点产生的过余温度的叠加，然后结合格林函数从而推导出温度响应函数；对模型进一步优化，考虑到深度对传热的影响，利用虚热源的方法，叠加推出有限长实心圆柱面模型。对于桩基螺旋埋管器，考虑到桩里面螺旋埋管的布置形式，为进一步拟合实际情况，又提出了线圈传热模型。后来，香港大学的李敏[22]基于Jaeger的瞬时线源解提出了新温度响应函数（G函数），用来分析热交换器短时间内的热交换性能和钻孔内外介质热物性差异对热交换器性能的影响，桩埋管模型得到了进一步的完善与发展。

数值模拟研究表明：桩埋管换热器换热能力始终优于钻孔埋管换热器；桩埋管换热器承担负荷的能力随着时间逐渐减弱。

4 结论及建议

(1)能量桩中换热器会一定程度地降低桩体抗压和抗弯承载力，分别减少9.71%和11.76%。由于桩埋管与混凝土为不同介质，易在接触面形成软弱结构面，混凝土与埋管之间的变形协调作用较差。实际工程中，为确保安全可适当提高桩体承载力的安全系数或者增加环向箍筋的强度、密度。

(2)在上部荷载作用下，能量桩中的温度循环影响桩体与地层之间的接触状态，桩体轴向应变沿深度方向发生改变，桩头位移也有轻微地增加，但都满足设计要求。

(3)能量桩相比地埋管具有更经济、高效等优点。在具有能量桩施工的条件下，推荐采用；当能量桩不能完全承担建筑物的冷/热负荷时，可结合地埋管一起使用。

(4)本文所阐述的能量桩的研究均为特定条件下得试验结果，建议考虑不同上部荷载、桩径以及桩周土性质对能量桩性能的影响。

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]汪训昌.评“浅层地热能”的资源观点与评价方法[J].制冷与空调,2008,增刊:119-124.

[3]李新.能量桩的传热研究和工程应用[D].济南:山东建筑大学,2008.

[4]余闯,潘林有,刘松玉,等.热交换桩的作用机制及其应用[J].岩土力学,2009,30(4): 933-938.

[5]Brandl H. Energy foundations and other thermo-active ground structures [J]. Geotechnique, 2006, 56(2): 81

-122.

[6]Moel M D,Bach P M , Bouazza A, et al.Technological advances and applications of geothermal energy pile foundations andtheir feasibility in Australia[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2010, 14: 2683-2696.

[7]Morino K, Oka T. Study on heat exchanged in soil by circulating water in a steel pile[J].Energy and Buildings，1994，21(1)：65-78.

[8]Pahud D, Fromentin A, Hubbuch M. Heat exchanger pile system for heating and cooling at Zürich airport[J]. IEA Heat Pump Centre Newsletter, 1999, 17(1): 15-16.

[9]Laloui L，Moreni M，Vulliet L. Behavior of a bi-functional pile foundation and heat exchanger[J].Canadian Geotechnical Journal，2003，40(2)：388-402.

[10]Laloui L，Nuth M，Vulliet L. Experimental and numerical investigations of the behavior of a heat exchanger pile[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2006，30(8)：763-781.

[11]赵军，王华军.密集型桩埋管换热器管群周围土壤换热特性的数值模拟[J].暖通空调，2006，36(2)：11-14.

[12]Gao J, Zhang X, Liu J, et al. Numerical and experimental assessment of thermal performance of vertical energy piles: an application[J]. Applied Energy, 2008, 85(10): 901-910.

[13]刘汉龙，孔纲强，吴宏伟.能量桩工程应用研究进展及PCC能量桩技术开发[J].岩土工程学报,2014, 36(1):176-182.

[14]王文.桩基埋管对桩承载特性的影响研究[D].济南，山东建筑大学，2010.

[15]JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[16]Bourne-Webb，P.J.,et al.Energy piletestat Lambeth College,London: geotechnical andthermodynamic aspects of pile response to heat cycles[J],Geotechnique,2009,59(3):237-248.

[17]Yi Man，at al. A new model and analytical solutions for borehole and pile ground heat exchangers[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2010，53:2593–2601.

[18]张文克.桩埋管地热换热器的传热模型研究[D].济南：山东建筑大学，2009.

[19]武丹.桩埋管换热器传热模型的研究[D].济南：山东建筑大学，2009.

[20]张春雷.U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究[D].天津：天津大学，2005.

[21]李新国.埋地换热器内热源理论与地源热泵运行特性研究[D].天津：天津大学，2004.

[22]Min Li, Alvin C.K. Lai. New temperature response functions (G functions) for pile and borehole groundheat exchangers based on composite-medium line-source theory[J].Energy, 2012，38 :255-263.

作者简介：洪顺生（1973-）男，高级工程师，浙江省地矿建设有限公司。主要从事地基基础工程设计、施工及管理工作。