底板下埋管地源熱泵系統的應用研究

□文/周大智

底板下埋管地源熱泵系統的應用研究

□文/周大智

以天津地區某建筑底板下埋管地源熱泵系統為研究對象，考慮該地區地下土壤及地質情況與底板下樁間埋管的特殊性，論述了從設計到施工全過程中，底板下埋管對主體結構與地源換熱器的影響及解決措施。最終通過該工程的實踐，總結了底板下埋管地源熱泵系統的應用應注意的問題并展望了更優的解決方案。

地源熱泵；底板下；埋管

地源熱泵系統正常持續運行的關鍵是全年從地源側的吸熱量與釋熱量基本相等。從我國氣候分區來看，寒冷地區、夏熱冬冷地區更適宜地源熱泵系統的應用。研究表明，當土壤初始溫度在16～20℃之間時，土壤源熱泵系統冬夏季換熱量大致相當比值為（1.41～0.81），能較好地實現熱平衡。因此認為地源熱系統在寒冷及夏熱冬冷地區既能保證熱泵的工作效率，又能兼顧土壤的換熱平衡，較適合運行[1]。

1　工程概況

某項目位于天津市區，包含2個地塊。地塊1內擬建辦公樓，地塊2內擬建商務酒店；兩地塊之間范圍內為城市規劃的公共綠地，見圖1。地塊1、2界內用地線及公共綠地地下空間線范圍內連通，為地下汽車庫及附屬設備用房。地塊1辦公建筑為單棟，地上11層，地下2層，建筑高度54.3m。地塊2建筑由酒店和酒店式公寓兩個不同功能的高層塔樓與裙房組合而成，兩座塔樓分別為6層和15層，建筑高度分別為35.9、72.0m；裙房3層，建筑高度19.90m，地下2層。項目總建筑面積100 089.21m2，其中地塊1建筑面積23 796.51m2，地塊2建筑面積為36 304.4m2，地下總建筑面積為39 988.3m2。地源熱泵系統用于地塊1辦公樓夏季供冷、冬季供暖。

圖1　工程總平面

2　設計時期預見的問題及解決措施

2.1埋管形式的確定

目前地源換熱器主要有水平和豎直兩種埋管形式，其中開敞空地下豎直埋管的形式最為可靠，國內大部分工程也均采用這種形式。本項目由于地下室邊線緊貼用地紅線，綠地下為平戰結合的地下室，沒有場地埋管的條件。采用底板下埋管有水平埋管和豎直埋管兩種形式可供選擇，用地紅線內面積為23 277.7m2，難以滿足水平埋管對換熱面積的需求，故考慮采用底板下豎直埋管的方式。

設計時考慮建筑主體下工程樁、承臺等結構部件十分密集，埋管操作面小，埋管空間有限，故將埋管區域選擇在主塔以外的地下室底板以下，即兩建筑中間及1號地西側區域，面積約7 520m2，經計算滿足地源側換熱需求。為盡量減小對結構樁的擾動，將換熱井均勻布置于承臺間，間距4.2m，同時豎直及水平管躲避集水坑、支護樁，每6～10口井用水平管連接為一個同程環路接至集管室。由于地下2層為人防區，不容許穿管，選取四處非人防區域的樓梯間下部設置集管室。埋管形式見圖2。

2.2底板下埋管對主體結構的影響及解決措施

施工工序為工程樁施工，基坑開挖，承臺施工，地埋管施工，結構底板施工。地源換熱井距離承臺間距約0.5～1.5m，地源埋管系統施工及運行過程中是否會對整個建筑結構穩定性產生影響，是整個設計團隊最為擔心的問題。

2.2.1井壁坍塌對結構產生影響

埋管井井壁坍塌的主要原因是回填不實。回填不實不僅造成井壁坍塌的隱患，也會降低地源換熱器的換熱效果。影響回填的主要因素有回填材料的選擇，成井效果和回填工藝。根據熱響應試驗報告，結合以往施工經驗確定了以水泥、砂、膨潤土、原漿按配比回填并加壓注漿。一次回填后靜置8h，用中砂人工補料回填，再次靜置1d，用碎石封井。成井過程中，要求既要保證成井垂直度，又要控制泥漿護壁強度，成井后立即下管并回填。施工時，監理單位嚴格監督記錄各井回填量，填料量不應小于計算填料量。

圖2　底板下樁間埋管

2.2.2水平管溝對結構產生影響

水平管溝的開挖也會對基坑支護樁和止水帷幕產生影響。為此，在滿足敷設要求的情況下盡量減少管溝的挖深，確定了地下室底板以下開挖600mm，同時水平管溝開挖一段，埋設一段，回填一段，盡量減少同時開挖面積，水平管溝盡量遠離結構部件，尤其遠離支護樁范圍。回填后以適當的力度及時夯實。同時支護設計考慮水平埋管時的不利影響，適當加深支護樁長。施工時，實時監測支護位移。

2.2.3成井過程中導致的粉土層粉砂層流失對結構的影響

經過對施工過程及地質條件進行分析后認為，成井過程中63粉土層和82粉砂層易流失，為保證樁的承載力，考慮埋管區域的工程樁適當加長。

2.3底板下埋管對地源換熱器的影響及解決措施

2.3.1建筑物沉降對地源側換熱器的影響

與傳統場地埋管不同，建筑物底板下埋管需考慮建筑物沉降對管道的應力作用，避免因主體結構沉降造成對換熱管道的破壞。首先，必須做好施工組織管理，嚴格把關進場管材的質量，選擇高質量且延展性好的管材。施工過程中嚴格按照GB50366—2005《地源熱泵系統工程技術規范》的要求進行四次水壓試驗。其次，水平管道埋設時，在管道上下均敷設250mm厚黃砂，作為沉降形變的緩沖層。水平管道埋設時，減少人為應力的作用，不要將管道過于繃直，為形變預留補償量。水平管道轉向處，盡量增大轉彎半徑，減少應力集中的同時還減小了水流阻力。水平管道進入井室由水平變為垂直，該處最易受剪切作用，豎直管道安裝乙字彎，用于吸收緩解剪切應力。

2.3.2集管室側壁穿管處的防水做法

水平管需從地坪以下11.5m處穿入集管室。天津地區地下水位較高，側壁穿管處會承受巨大水壓，若不經特殊加強措施，后期運行容易導致漏水。穿管處預埋防水性能好的柔性防水套管，管道與套管間填充質量好且遇水膨脹的填料，套管接觸土壤的部分外包防腐材料。穿井壁的防水加強做法見圖3。

圖3　集管室側壁穿管防水做法

2.3.3長期運行的安全保障

設計初期，對全樓全年動態負荷和地源取熱、排熱做了詳細計算，地源側排熱取熱比為1.11，利用TRN SYS模擬軟件對系統運行土壤溫度場變化進行模擬，20 a后土壤溫度趨于穩定，溫度提升了6.15℃。近年來夏季高溫天氣頻繁出現，冬季平均溫度逐年上升，為保證土壤溫度場變化在可控范圍，設計考慮設置2口土壤溫度監測井，裙房屋面安裝1臺閉式冷卻塔，適時調節冷熱平衡。另外，地下1層選定備用機房，作為應急熱源機房，增加少量成本將系統管道接至應急機房，機房設備僅作設計，不采購安裝。

3　施工過程遇見的問題及解決措施

盡管在設計時期充分考慮了各種可能出現的問題及解決方案，由于缺乏大面積底板下樁間埋管地源熱泵的施工經驗，施工過程中依然出現了若干問題。

3.1基礎結構部件對打井位置的限制

設計時已與結構專業結合，豎直及水平埋管均躲避集水坑、支護樁等。但現場施工時，整個基坑結構部件密集，結構部件實施尺寸大于圖紙上展現的設計尺寸，同時，臨時使用的支護樁、降水井對埋管井的布置形成影響。在滿足施工操作面的基礎上，施工時對埋管井進行現場放線定位，當遇到局部結構構件密集區時，對井位進行適當調整，在保證打井數量不變，井間距離不得＜3.5m的原則下進行了局部不多于20%的井位調整并且通過Transys對減小井間距的工況進行了模擬，結果表明局部將井間距調整為3.5m后，連續工作20a土壤溫度場變化不超過1℃，在可接受的范圍。

3.2埋管施工過程中地下水的控制

埋管井采用設計回填料回填時，出現了水泥和膨潤土混合回填料上涌現象，填料未及固化就隨水涌出，經人工補料后，井口仍有清水流出，觀測2d，有部分井口塌陷，埋管井周邊降水井水位大幅上升，施工操作面泥濘不堪。

總結分析：第一，基坑地面泥濘，造成后期埋管施工和底板施工不具備施工條件，同時基坑降水不能得到有效控制，若隨埋管井施工數量增加，可能導致地下水不能控制而引起泡槽；第二，埋管井回填不實，影響結構安全和地源換熱器換熱效果。

分析原因：天津地區地下水豐富且距離地塊近40m處有河流通過；止水帷幕內外高差接近11m，地下水水壓大；場地土層以粉砂土為主，成井過程中，井壁不能形成良好的泥漿護壁，在水壓作用，會導致地下水層的貫穿流動；回填料中的水泥、膨潤土、原漿中的粉砂，在水流作用下上涌不能有效固化，造成回填不實，同時不能有效止水。

分析決定，停止采用混合回填料注漿回填，嘗試采用密度較大的中砂回填并嚴格控制填料量。經試驗，中砂回填能有效‘壓住’地下水上竄，井口封閉密實，降水井水位能得到有效控制。而中砂比例的增大對回填材料的傳熱系數影響很小。同時，在已施工滲水嚴重的井側設置倒流盲溝至周圍降水井，最終有效解決了井涌問題。

4　結論與思考

底板下埋管地源熱泵系統在國內已有不少應用實例，但在天津地區且設置于深挖地下室以下的實踐很少。在寸土寸金的城市，這種節地又節能的技術必將成為未來發展的趨勢。該工程現已完成地源換熱器的施工，地下室底板也已施工完畢。通過實踐、反思，對未來類似項目的實施提出以下建議：

1）地質條件對埋管井做法及回填料選擇有重要影響，回填料選擇應根據熱響應試驗報告、地下水情況、地質報告綜合分析選擇；

2）當選擇先開挖基坑，后打井埋管時，在打井前，應首先控制好基坑降水，為埋管施工創造良好的工作面；

3）基坑支護及止水帷幕設計，應考慮埋管施工對其影響；

4）地下水豐富地區，應優先考慮在場地地坪打井埋管，當采用先開挖后埋管方式時，中砂回填能有效控制地下水井涌。

[1]宋胡偉，劉金詳，陳曉春，等.不同地區土壤溫度及建筑負荷特性對地源熱泵系統的影響[J].建筑科學，2010，26（8）：71-76.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.002

□TU831.3

□C

□1008-3197（2015）03-03-03

□2015-03-16

□周大智/男，1962年出生，高級工程師，天津市安居工程辦公室，從事大型工程實施組織管理工作。