浅谈建筑地下结构地源热泵空调系统的应用处理

田卫平

摘要：地源热泵的能量是由各种资源结合所提供，其主要包括了地源、水源、空气源等。本文对某建筑工程地下结构设计采用地源热泵空调系统的应用处理进行了分析和探讨，以供参考。

关键词：建筑工程地下结构地源热泵空调系统应用处理

Abstract: the ground source heat pump is the energy by all sorts of resources provided by combining, its main includes ground source, water, air source. This paper of a building underground engineering structure design using ground source heat pump air conditioning system application processing are analyzed and discussed, for reference.

Keywords: building engineering underground structure ground source heat pump air conditioning system application processing

中图分类号：TU831.3+5文献标识码：A 文章编号：

引言

面对现代化经济不断发展，我国遇到的能源问题也更加严重，大自然资源在不断被人类所消耗。对浅层地热能资源开发处理，结合热泵技术对供暖、供热和制冷等问题加以处理，这是我国能源优化配置的一大趋势。最近几年调查显示，全世界每年能源消耗以递增 20％以上的速度在增长。暖通节能比其他常规供暖技术节能 50-60％，能够显着控制供暖制冷领域的节能问题，这种技术不仅投资成本低，还能以减少 30-70％的优点在同行市场上占据优势。

1. 地源热泵空调系统简介

地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种。 热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。 与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。因此，近十几年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。图1示出的是地源热泵原理。

某建筑大楼房内各种通信设备散热量大，对温度要求高，空调用电负荷较大。如果仅使用普通空调，能源消耗和碳排放较大，而地源热泵空调系统的应用能很好地解决这两个问题，实现节能减排目标。某建筑大楼，框架结构，地上8层，地下1层，建筑高度约为 28 m，建筑面积约为2万m2，轴网为8.4 m×8.4 m，采用井字梁结构。地上为通信机房和办公室，地下室为车库和机房。地下结构平面规整，基础采用钻孔灌注桩，桩径800 mm，桩长约34 m。 空调采用地源热泵系统，冬季最大设计吸热量为469.2 kW；土壤换热器采用水为循环介质，垂直钻孔埋管与工程桩内埋管相结合的方式，桩埋管充分利用地下结构的特点，利用桩作为土壤交换器的介质，减少了地埋管数量，同时也节约了工程费用。图2示出的是地源热泵桩埋管、地埋管平面布置。

2 结构处理措施

2.1 桩埋管构造措施

根据地源热泵空调工艺设计，地源热泵系统设置108根地埋管，88根桩埋管。桩埋管预埋在工程桩内，通过桩身与周围土壤进行热交换。每根桩内预埋桩埋管（Φ40 PVC 管）4 根，为防止灌注桩浇筑混凝土时损伤桩埋管，桩身纵筋螺旋加强筋改为沿纵筋外部设计。由于桩埋管直径较小，对桩截面抗压设计强度影响较小，设计时可以忽略，或在设计过程中充分考虑截面削弱影响，满足桩基的抗压强度。桩埋管在绑扎钢筋笼时预先在纵筋上绑扎定位。

2.2 地埋管防水处理

在地下室施工之前进行地埋管施工，在原土上钻直径400 mm的孔，钻孔深度为50 m，地埋管穿过地下室底板在地板垫层上水平布置。由于该工程地下水水位较高，地下室底板作为防水板使用，抗渗等级为P6。108根地埋管穿越地下室底板，破坏了底板的防水层，在此处形成了防水断层，因此地埋管穿越地下室底板要保证防水工程有效，须采用柔性和刚性2道防水做法。水平管穿出底板必须用Φ50 mm 的钢管做防水套管，长度为500 mm；在Φ50 mm 的钢管外侧用10 mm钢板做止水圈，高度在一端200 mm 处。将相邻2个地埋管的止水环上下交替安装，便于混凝土的浇筑；另外在 Φ50 mm 的钢管内做2层橡胶防水圈并用快速水泥塞密封即可。此做法对柔性防水套管作了改进，采用上下2道压环，确保地下水不会通过管道和套管内壁渗入地下室。上下两侧压环压紧后可承担8kg压力，管外壁防水做法如图3所示。

2.3 地下室底板开槽结构措施

该建筑地下室底板不作为筏板受力，仅作为防水板使用，由于地埋管穿出地下室底板，向楼上走线进入空调系统时，需要在地下室底板上开槽用于接管施工和后期檢修。由于开槽较多的地下室在荷载作用下容易形成应力集中。因此，为验证开槽后板在荷载作用下的应力分布规律，使用 SAP2000 v14.1有限元软件进行地下室底板开槽的有限元分析。壳单元介于板单元和膜单元之间，具有平面外和平面内刚度，较适宜用壳单元模拟地下室底板。 壳厚度为350 mm，厚宽比小于1/10的为薄壳，可以忽略横向剪应力的影响，厚宽比大于1/10的为厚壳，须考虑横向剪应力的影响。模型建立了一个xy方向均为8 m的壳，四周边界条件为简支，仅约束3个方向的位移。槽底板完全自由以及仅约束3轴位移来模拟槽底土的约束。平面内均布350 mm壳，壳分割为0.5 m以提高模拟精度。在离壳边2 m 位开槽，开槽尺寸为2 m宽4 m长，每个壳单元施加均布荷载 4 kN/m2，模拟分析开槽后地下室底板受力特点。图4和图5示出的是地下室板顶应力分布。

地下室底板在开槽后改变了单块板的受力特性，表现出地下室底板开槽侧板等同于弹性支座，弹性支座的弹性常数k等效于土的压缩系数。从而整块地下室底板在槽侧板的支撑作用下成为2段小跨度板，底板应力重分布。首先考虑槽底下卧土层为流塑性土时，相当于槽底板的位移约束很小接近无约束，此时开槽后的地下室底板可以近似为整块板在开槽位置设置了一块降板，混凝土处于双向应力状态，受力近似于双向板；其次当下卧土层为压缩性较低的土层时，弹性常数很大近似为简支，为简化建模，将槽底板施加位移约束，此时的地下室底板处于三向应力状态，板顶应力完全服从2段小跨度假定，支撑效应最大化。图4中槽侧板呈现明显的支撑作用，在侧板边缘形成压应力区，跨中拉应力减小幅度较大（从1.6MPa减小到0.8 MPa）。综合图4和图5，槽底板下卧土层都存在土的约束作用，槽的边缘始终对地下室底板有一定的支撑效应，支撑作用随着下卧土层压缩性的提高，弹性系数k降低接近无约束，底板最大应力区逐渐向槽侧板处靠拢，同时最大拉应力也随着土层压缩性的提高而增加，支撑效应最小。同时，不管土的压缩系数大小，开槽后的地下室底板最大应力相对不开槽的底板都有所减小，随着土的压缩系数降低，最大应力减小幅度增大。槽侧板应力集中，因此结构需要在此处进行局部构造加强。另外根据分析得出的位移等值线图，基本等同于应力分布图，槽底无约束底板相对于无槽底板最大位移1.27 mm，也有一定的减小（不开槽底板最大位移为1.8 mm）；开槽后的底板（槽底不加约束），在开槽处形成一定的抗弯刚度突变，位移等值线发生了转移。最大位移发生在最大拉应力区而不在跨中4 m处。位移分布图中，位移规律基本变化不大，此作法对位移的影响较小；但是对槽底板施加位移约束后，位移在支撑效应作用下，最大位移为 0.78 mm，而槽底板自由的板最大位移为1.27 mm。开槽后的混凝土底板，在槽边缘应力有突变，槽侧板起到一定的支撑效应，应力发生重分布。板顶应力和最大位移减小程度随着土的压缩性增大而减小，土的压缩性越小，相当于对槽底板约束越大，支撑效应越明显。对槽底板自由（流塑性土）的底板应力的变化较小。底板开槽处较常规的构造措施进行加强处理，如加设构造45° 钢筋，局部地板加厚适当增加配筋等做法，相当于增大了截面面积和抗弯刚度，对槽侧板有一定的构造加强作用，对减小槽侧板处的应力集中具有有利作用。

综上所述，地源热泵空调系统对地下结构有较多的工艺要求，结构设计师要对地源热泵工艺图纸有深入的解读，了解工艺对结构的设计要求并加强构造措施，同时结构施工和地源热泵施工2个工种较好的配合才能保证地源热泵空调系统顺利运行。

3.总结

地源热泵从浅层常温土壤中取热或向其排热，浅层土壤之热能来源于太阳能，它永无枯竭，是一种可再生能源。所以，当使用地源热泵时，其土壤热源可自行补充，持续使用，不存在资源枯竭问题。而且土壤有较好的蓄热性能，冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，保证了大地热量的平衡。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。