张方方 郭晓强 张圆圆 王志达 唐 帅

（1.山东方亚地源热泵空调技术有限公司 济南 250104；2.山东省建筑设计研究院 济南 250001；3.山东省水利勘测设计院 济南 250014；4.山东志合建筑设计院有限公司 济南 250101）

0 引言

目前，我国的城镇化建设促进了建筑面积的快速增长，因此建筑的能源消耗量也增长迅速，并对环境产生不利影响。我国资源总量和人均资源量都严重不足，在资源再生利用率上也远低于发达国家。在我国发展绿色建筑，提高建筑用能系统的能源利用效率，合理利用可再生能源降低建筑的能耗水平成为一项意义重大而又十分迫切的任务。地源热泵系统作为一种“绿色的可再生能源”，具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了广泛的应用。能量桩地源热泵系统作为一种新的地源热泵系统型式，更以其节约钻孔费用、节省占地面积、提高换热效率及有效缩短施工工期等优势，越来越受到人们的关注。

1 能量桩地热换热器简介

能量桩换热器是地源热泵的一种新的埋管方式，即把地热换热器的换热管与建筑结构相结合，埋于建筑物混凝土桩基中，通过桩基与周围大地形成换热。此种埋管方式可充分利用建筑物的地下面积，桩埋管的换热管被灌注在桩基内部，回填材料可理解为混凝土，密实性好，较钻孔埋管形式有较好的传热性能，可减少埋管的长度。能量桩地热换热器的形式有U型、W型及螺旋型[1]等多种，其中，U型和W型的埋管方式因顶部连接较多，安全隐患较大，而螺旋型桩基换热器以其桩基内可利用的埋管数量大，管件之间连接较少，使用更加安全等优势，成为首选的桩埋管型式。

2 能量桩换热器的传热计算模型

能量桩换热器以下简称桩埋管，与竖直埋管换热器相比桩的直径大大超过钻孔的直径，而桩的深度通常小于钻孔的深度，因此桩埋管换热器的传热模型不能采用传统的地埋管线热源模型和圆柱面热源模型[2,3]。由于桩埋管为设置在靠近桩基外侧的螺旋管，因此，在进行桩基螺旋埋管换热器的计算时一般采用线圈热源模型或螺旋线热源模型[4]。

桩埋管的有限长线圈热源模型方程为：

桩埋管的有限长螺旋线热源的温度响应为：

3 能量桩换热器设计

3.1 地埋管换热器设计

地埋管换热器是地源热泵系统的关键部分。其设计的合理与否直接影响到整个地源热泵系统的成败。地埋管设计时应注意以下问题：

（1）工程原始资料

工程原始资料对于地埋管地源热泵系统工程的设计具有很重要的作用，它的完整、准确与否直接关系到设计方案的优劣以及系统的经济有效性。在地埋管地源热泵的设计中，原始资料主要包括：建筑物的地理位置、建筑高度和使用功能、当地气候条件及土壤年平均温度、建筑物周围情况、地下埋管区岩土层的结构、水文地质条件等。

（2）空调负荷的计算

地埋管换热系统设计应进行全年供暖空调动态负荷计算，最小计算周期不小于1年[5]。还应计算地埋管地源热泵系统总释热量与总吸热量，这两个热量是否平衡，在一定程度上也影响着地热换热器性能的好坏。如果总释热量与总吸热量不平衡，则地热换热器长期运行会引起埋管区域地温的逐年上升或逐年下降，导致地热换热器性能的退化和使用寿命的缩短。

（3）地埋管换热器热响应试验

地下岩土体的导热系数是设计地源热泵系统地热换热器的重要参数，其大小直接影响到地下换热器与周围岩土的换热效果。然而地下地质结构构成复杂，其热物性参数相差也比较大。通过现场试验确定地下岩土的平均导热系数是国际上通行的做法。这种试验也被称作地热换热器的“热响应试验”。

3.2 桩埋管换热器设计

相比于钻孔地埋管换热器，桩埋管换热器不仅是用于与土壤之间进行热交换的换热元件，而且是用于支撑上部结构的受力构件。因此，桩埋管设计时除应考虑常规钻孔地埋管换热器应注意的问题外，还应考虑其自身的特点。桩埋管换热器的设计应在保证有效热交换的前提下，充分考虑桩基内埋管对桩基本身结构和承载力的影响，确保桩基换热器的实用性及安全性。

3.2.1 纵向埋管固定钢筋设计

实验证明[6]桩基埋管可造成钢筋和混凝土不能协同工作。桩构件混凝土与桩埋管结合面处是薄弱环节，桩构件破坏时一般是沿着桩埋管发生破坏。桩埋管换热器设计时宜采取增加固定地埋管的专用纵筋，以代替将地埋管直接捆扎在桩基主筋上。这样既不会破坏桩基主筋和混凝土的粘结性能，同时可以增强因埋管引起的桩基局部性能弱化。桩基结构图如图1所示。

图1 桩基结构图Fig.1 Structure diagram of pile foundation

3.2.2 桩埋管换热器循环水温

桩埋管换热器在正常使用时，其一方面承担结构正常使用荷载，另一方面还要承受因与周围岩土体换热而导致的自身温度变化引起的温度荷载。桩身所承受的温度附加应力与温差成正比，因此减小桩基自身温差能有效降低桩身所承受的温度附加应力，增加桩基的安全性。夏季运行期间，桩埋管换热器出口最高温度宜低于35℃。冬季运行期间，不添加防冻剂的桩埋管换热器进口最低温度宜高于4℃。合理的循环水温度既能保证桩基安全又有利于提高冬夏全年运行能效和节能量。当桩埋管不能满足设计要求时宜采用桩埋管与钻孔地埋管复合式系统，由钻孔地埋管负担多余冷热负荷，从而使进出桩埋管换热器水温稳定在适宜范围。

3.2.3 桩埋管换热器均匀布置

桩埋管换热器经过多年运行，会使桩基产生不可恢复的沉降。桩埋管在整个建筑底部宜均匀布置，否则，桩埋管换热器的运行将使得建筑产生不均匀沉降。不均匀沉降一是使上部结构产生过大附加应力，二是使建筑物底层层高减小，建筑物总高度减小。严重的会使建筑墙体开裂，建筑倾斜。对于多桩承台，宜将地埋管相对均匀、对称的置于承台下一半的桩基内，既可以减少单桩沉降对承台的影响，从而减小对整个建筑的影响，又可以减少个桩埋管之间的热影响，从而增加桩埋管的储热及取热[7]。多桩承台中桩埋管布置如图2所示。

图2 多桩承台桩埋管布置图Fig.2 Pile buried pipe arrangement plan for multiple pile caps

4 工程应用

4.1 项目基本概况

该工程为兖州人民医院（新院）项目，位于山东省兖州市，由门诊医技楼、1#、2#住院楼、3#感染楼及其他附属建筑组成，总建筑面积18.4万m2。建筑实景图如图3。

图3 兖州市人民医院建筑实景图Fig.3 Renderings of Yanzhou People's Hospital

4.2 空调冷热源

该工程空调冷热源设计采用地源热泵系统，系统埋管长度以满足供热要求来确定，地源热泵机组夏季供冷不足部分由电制冷离心式冷水机组提供。该工程选用三台地源热泵机组，单台制热容量为2298.6kW、制冷容量为2053kW的热泵机组，总制冷量为6159kW，夏季供冷不足部分由两台制冷容量为2462kW的离心式冷水机组提供。1#、2#病房楼四层以上及3#感染楼采用天棚辐射和置换式新风空调系统，夏季空调冷水设计供回水温度为18℃/21℃，冬季空调热水设计供回水温度为28℃/25℃。其余区域夏季空调冷水设计供回水温度为7/12℃，冬季空调热水设计供回水温度为45/40℃。门诊楼内区部分冬季采用冷却塔免费供冷。冷却塔免费供冷一次水温度7/12℃，经换热提供供回水温度为10/15℃的空调冷冻水。离心式冷水机组采用带热回收冷水机组，热回收用于预热卫生热水。

图4 机房管路流程图Fig.4 Pipeline flow chart of machine room

4.3 地埋管系统设计

根据前期现场热物性测试结果及建筑冷热负荷等情况，经计算确定采用竖直双U型地埋管地热换热器及桩基埋管地热换热器。地下U型埋管钻孔876个，桩基埋管440个。地下U型埋管钻孔深100m，钻孔直径150mm，间距6m，地埋管为双U型，选用HDPE管，管径为φ25；桩基埋管换热器长22m，采用双U型，埋管为HDPE管，管径为φ32。每个钻孔及桩基埋管为一个并联支路分别与设置在集分水器房内的集分水器连接，再由连管接入地源热泵机组。建筑周围共设7个集分水器房。地埋管循环液夏季设计温度35/30℃，冬季设计温度10/15℃。

4.4 工程设计总结

该工程空调系统已运行一个供冷季一个供暖季，运行状况良好。地源热泵复合冷热源系统结合温湿度独立控制空调末端，系统效率较高。冷却塔免费供冷及夏季余热回收预热卫生热水系统高效利用建筑余热，提高了整个系统的能效，大大降低了运行费用。

由于桩埋管对桩基的影响具有累积效应，实际工程中桩埋管系统长期的经济性及安全性仍需进一步观察研究。

图5 能量桩安装Fig.5 Installation of energy pile

5 结论

地源热泵中央空调系统是一种节能、环保、经济的中央空调系统。地源热泵在我国运行了二十多年，取得了良好的经济效益和社会效益。作为地源热泵一种较新的埋管形式，能量桩地源热泵系统综合了地源热泵系统的优势，无需耗费水资源、节省用地面积、提高换热效率，加快施工进度，具有良好的节能、节地和环境效益。示范工程的实施及应用为桩埋螺旋管式地源热泵系统的设计、施工及运行积累了宝贵的经验，有利于该项技术的进一步推广应用。另外，虽然桩埋管对于桩基的受力影响不大[8]，但桩埋管长期运行后对桩基本体及对整个建筑使用的影响，还有待深入研究及对示范项目的跟踪监测验证。由于，桩基础在建筑施工中作用大，但是数量少，常用于高层建筑中，单纯的使用能量桩地源热泵系统满足建筑供冷供热需要是不够的，能量桩与其他供热供冷技术的联合运行的设计和调试技术也是该项技术的研究应用方向。