底板下埋管地源热泵系统的应用研究

□文/周大智

底板下埋管地源热泵系统的应用研究

□文/周大智

以天津地区某建筑底板下埋管地源热泵系统为研究对象，考虑该地区地下土壤及地质情况与底板下桩间埋管的特殊性，论述了从设计到施工全过程中，底板下埋管对主体结构与地源换热器的影响及解决措施。最终通过该工程的实践，总结了底板下埋管地源热泵系统的应用应注意的问题并展望了更优的解决方案。

地源热泵；底板下；埋管

地源热泵系统正常持续运行的关键是全年从地源侧的吸热量与释热量基本相等。从我国气候分区来看，寒冷地区、夏热冬冷地区更适宜地源热泵系统的应用。研究表明，当土壤初始温度在16～20℃之间时，土壤源热泵系统冬夏季换热量大致相当比值为（1.41～0.81），能较好地实现热平衡。因此认为地源热系统在寒冷及夏热冬冷地区既能保证热泵的工作效率，又能兼顾土壤的换热平衡，较适合运行[1]。

1　工程概况

某项目位于天津市区，包含2个地块。地块1内拟建办公楼，地块2内拟建商务酒店；两地块之间范围内为城市规划的公共绿地，见图1。地块1、2界内用地线及公共绿地地下空间线范围内连通，为地下汽车库及附属设备用房。地块1办公建筑为单栋，地上11层，地下2层，建筑高度54.3m。地块2建筑由酒店和酒店式公寓两个不同功能的高层塔楼与裙房组合而成，两座塔楼分别为6层和15层，建筑高度分别为35.9、72.0m；裙房3层，建筑高度19.90m，地下2层。项目总建筑面积100 089.21m2，其中地块1建筑面积23 796.51m2，地块2建筑面积为36 304.4m2，地下总建筑面积为39 988.3m2。地源热泵系统用于地块1办公楼夏季供冷、冬季供暖。

图1　工程总平面

2　设计时期预见的问题及解决措施

2.1埋管形式的确定

目前地源换热器主要有水平和竖直两种埋管形式，其中开敞空地下竖直埋管的形式最为可靠，国内大部分工程也均采用这种形式。本项目由于地下室边线紧贴用地红线，绿地下为平战结合的地下室，没有场地埋管的条件。采用底板下埋管有水平埋管和竖直埋管两种形式可供选择，用地红线内面积为23 277.7m2，难以满足水平埋管对换热面积的需求，故考虑采用底板下竖直埋管的方式。

设计时考虑建筑主体下工程桩、承台等结构部件十分密集，埋管操作面小，埋管空间有限，故将埋管区域选择在主塔以外的地下室底板以下，即两建筑中间及1号地西侧区域，面积约7 520m2，经计算满足地源侧换热需求。为尽量减小对结构桩的扰动，将换热井均匀布置于承台间，间距4.2m，同时竖直及水平管躲避集水坑、支护桩，每6～10口井用水平管连接为一个同程环路接至集管室。由于地下2层为人防区，不容许穿管，选取四处非人防区域的楼梯间下部设置集管室。埋管形式见图2。

2.2底板下埋管对主体结构的影响及解决措施

施工工序为工程桩施工，基坑开挖，承台施工，地埋管施工，结构底板施工。地源换热井距离承台间距约0.5～1.5m，地源埋管系统施工及运行过程中是否会对整个建筑结构稳定性产生影响，是整个设计团队最为担心的问题。

2.2.1井壁坍塌对结构产生影响

埋管井井壁坍塌的主要原因是回填不实。回填不实不仅造成井壁坍塌的隐患，也会降低地源换热器的换热效果。影响回填的主要因素有回填材料的选择，成井效果和回填工艺。根据热响应试验报告，结合以往施工经验确定了以水泥、砂、膨润土、原浆按配比回填并加压注浆。一次回填后静置8h，用中砂人工补料回填，再次静置1d，用碎石封井。成井过程中，要求既要保证成井垂直度，又要控制泥浆护壁强度，成井后立即下管并回填。施工时，监理单位严格监督记录各井回填量，填料量不应小于计算填料量。

图2　底板下桩间埋管

2.2.2水平管沟对结构产生影响

水平管沟的开挖也会对基坑支护桩和止水帷幕产生影响。为此，在满足敷设要求的情况下尽量减少管沟的挖深，确定了地下室底板以下开挖600mm，同时水平管沟开挖一段，埋设一段，回填一段，尽量减少同时开挖面积，水平管沟尽量远离结构部件，尤其远离支护桩范围。回填后以适当的力度及时夯实。同时支护设计考虑水平埋管时的不利影响，适当加深支护桩长。施工时，实时监测支护位移。

2.2.3成井过程中导致的粉土层粉砂层流失对结构的影响

经过对施工过程及地质条件进行分析后认为，成井过程中63粉土层和82粉砂层易流失，为保证桩的承载力，考虑埋管区域的工程桩适当加长。

2.3底板下埋管对地源换热器的影响及解决措施

2.3.1建筑物沉降对地源侧换热器的影响

与传统场地埋管不同，建筑物底板下埋管需考虑建筑物沉降对管道的应力作用，避免因主体结构沉降造成对换热管道的破坏。首先，必须做好施工组织管理，严格把关进场管材的质量，选择高质量且延展性好的管材。施工过程中严格按照GB50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》的要求进行四次水压试验。其次，水平管道埋设时，在管道上下均敷设250mm厚黄砂，作为沉降形变的缓冲层。水平管道埋设时，减少人为应力的作用，不要将管道过于绷直，为形变预留补偿量。水平管道转向处，尽量增大转弯半径，减少应力集中的同时还减小了水流阻力。水平管道进入井室由水平变为垂直，该处最易受剪切作用，竖直管道安装乙字弯，用于吸收缓解剪切应力。

2.3.2集管室侧壁穿管处的防水做法

水平管需从地坪以下11.5m处穿入集管室。天津地区地下水位较高，侧壁穿管处会承受巨大水压，若不经特殊加强措施，后期运行容易导致漏水。穿管处预埋防水性能好的柔性防水套管，管道与套管间填充质量好且遇水膨胀的填料，套管接触土壤的部分外包防腐材料。穿井壁的防水加强做法见图3。

图3　集管室侧壁穿管防水做法

2.3.3长期运行的安全保障

设计初期，对全楼全年动态负荷和地源取热、排热做了详细计算，地源侧排热取热比为1.11，利用TRN SYS模拟软件对系统运行土壤温度场变化进行模拟，20 a后土壤温度趋于稳定，温度提升了6.15℃。近年来夏季高温天气频繁出现，冬季平均温度逐年上升，为保证土壤温度场变化在可控范围，设计考虑设置2口土壤温度监测井，裙房屋面安装1台闭式冷却塔，适时调节冷热平衡。另外，地下1层选定备用机房，作为应急热源机房，增加少量成本将系统管道接至应急机房，机房设备仅作设计，不采购安装。

3　施工过程遇见的问题及解决措施

尽管在设计时期充分考虑了各种可能出现的问题及解决方案，由于缺乏大面积底板下桩间埋管地源热泵的施工经验，施工过程中依然出现了若干问题。

3.1基础结构部件对打井位置的限制

设计时已与结构专业结合，竖直及水平埋管均躲避集水坑、支护桩等。但现场施工时，整个基坑结构部件密集，结构部件实施尺寸大于图纸上展现的设计尺寸，同时，临时使用的支护桩、降水井对埋管井的布置形成影响。在满足施工操作面的基础上，施工时对埋管井进行现场放线定位，当遇到局部结构构件密集区时，对井位进行适当调整，在保证打井数量不变，井间距离不得＜3.5m的原则下进行了局部不多于20%的井位调整并且通过Transys对减小井间距的工况进行了模拟，结果表明局部将井间距调整为3.5m后，连续工作20a土壤温度场变化不超过1℃，在可接受的范围。

3.2埋管施工过程中地下水的控制

埋管井采用设计回填料回填时，出现了水泥和膨润土混合回填料上涌现象，填料未及固化就随水涌出，经人工补料后，井口仍有清水流出，观测2d，有部分井口塌陷，埋管井周边降水井水位大幅上升，施工操作面泥泞不堪。

总结分析：第一，基坑地面泥泞，造成后期埋管施工和底板施工不具备施工条件，同时基坑降水不能得到有效控制，若随埋管井施工数量增加，可能导致地下水不能控制而引起泡槽；第二，埋管井回填不实，影响结构安全和地源换热器换热效果。

分析原因：天津地区地下水丰富且距离地块近40m处有河流通过；止水帷幕内外高差接近11m，地下水水压大；场地土层以粉砂土为主，成井过程中，井壁不能形成良好的泥浆护壁，在水压作用，会导致地下水层的贯穿流动；回填料中的水泥、膨润土、原浆中的粉砂，在水流作用下上涌不能有效固化，造成回填不实，同时不能有效止水。

分析决定，停止采用混合回填料注浆回填，尝试采用密度较大的中砂回填并严格控制填料量。经试验，中砂回填能有效‘压住’地下水上窜，井口封闭密实，降水井水位能得到有效控制。而中砂比例的增大对回填材料的传热系数影响很小。同时，在已施工渗水严重的井侧设置倒流盲沟至周围降水井，最终有效解决了井涌问题。

4　结论与思考

底板下埋管地源热泵系统在国内已有不少应用实例，但在天津地区且设置于深挖地下室以下的实践很少。在寸土寸金的城市，这种节地又节能的技术必将成为未来发展的趋势。该工程现已完成地源换热器的施工，地下室底板也已施工完毕。通过实践、反思，对未来类似项目的实施提出以下建议：

1）地质条件对埋管井做法及回填料选择有重要影响，回填料选择应根据热响应试验报告、地下水情况、地质报告综合分析选择；

2）当选择先开挖基坑，后打井埋管时，在打井前，应首先控制好基坑降水，为埋管施工创造良好的工作面；

3）基坑支护及止水帷幕设计，应考虑埋管施工对其影响；

4）地下水丰富地区，应优先考虑在场地地坪打井埋管，当采用先开挖后埋管方式时，中砂回填能有效控制地下水井涌。

[1]宋胡伟，刘金详，陈晓春，等.不同地区土壤温度及建筑负荷特性对地源热泵系统的影响[J].建筑科学，2010，26（8）：71-76.

□DOI编码：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，高级工程师，天津市安居工程办公室，从事大型工程实施组织管理工作。