桩基地热能利用技术规程

1、 室温（20摄氏度）下的表观固结压力； QUOTE 当前温度下的表观固结压力；C计算参数，可取为0.009/； QUOTE 计算参数，可取0.075。3 温度对软土蠕变行为的影响主要表现为：升温引起饱和黏性土的非等温固结（如图8），在实际工程中可表现为地基的附加沉降，这主要可能发生在正常固结或轻微超固结粘性中；4 温度变化对土体剪切强度的影响，这种影响在不排水条件下最为不利，对于正常固结或轻微超固结黏土通常引起不排水剪切强度的降低，如图8所示。及温度对不排水剪切应力-应变关系的影响（b）偏应力与轴向应变关系图图8 不同超固结比（OCR）黏性土非等温固结曲线8.3.3在温度荷载作用下，能源桩桩-

2、土相对变形和附加约束荷载很大程度上依赖于桩端的固定程度：1 对于桩底和桩顶位移均不受约束的桩，在温度荷载作用下桩头和桩底将分别产生向上和向下的运动（图9）。若假定桩的位移只在桩底处被完全约束，而在其他方向桩的热变形充分发展，则温度荷载引起的桩头位移等于热应变乘以桩长。上部结构荷载较小或者一个承台下所有桩均为地热桩时，桩头可近似视为无约束状态；对于软土或者软岩中的地热桩，其桩底也近似处于无约束状态。2上述无约束自由变形状态下，地热桩的温度变形最大，而温度约束荷载最小。对于上部建筑荷载较大（或者承台下连接有非地热桩）、桩底土体约束较强时，桩身较产生较大的附加温度荷载，而温度变形则较小。总体而言，在

3、温度荷载作用下，端部约束可导致桩身应力绝对值的增大（降温时为拉应力，升温时为压应力）和侧摩阻力的减小。图9 桩端约束的两种理想情况能源桩在温度荷载和结构荷载联合作用下的桩身应力（或内力），可根据线性叠加原理近似获得（如图10），即先分析仅结构荷载和仅温度荷载作用下的内力分布，再进行叠加求和。分析时需要注意以下几点：1在结构荷载和降温荷载共同作用下，桩上部轴向压应力减小，而下部可能出现轴向拉应力。相较于仅结构荷载作用的情况，上部侧摩阻力增大，而下部侧摩阻力减小。由于桩侧的摩擦约束，降温下桩内可能产生轴向拉应力。2在结构荷载和升温荷载作用下，桩轴向压应力增大，这可能导致桩身发生压缩破坏。相较于仅结

4、构荷载作用的情况，上部侧摩阻力减小，而下部侧摩阻力增大。在桩侧摩阻力的作用下，桩将产生上抬（加热工况）或者沉降（制冷工况），而桩头位移量的大小取决于桩-土相对位移极其对应的桩测约束作用的大小。3在加热和降温作用下，桩身将分别产生径向膨胀和收缩。对于大直径桩，其径向位移将更显著，使桩身受到的径向土压力发生改变，继而改变桩侧摩阻力的分布和大小。iv）升温荷载v）升温荷载+结构荷载ii）降温荷载+结构荷载ii）降温荷载i）结构荷载， p， p， p， piv）升温荷载v）升温荷载+结构荷载ii）降温荷载+结构荷载ii）降温荷载i）结构荷载， p， p， p， pqsqsqsqsqsqs - 桩身轴向

5、应变p - 桩身轴向应力qs 侧摩阻力图10 能源桩的传力机制示意图9 桩埋管换热器施工与检测9.2换热管路的安装与保护9.2.5 桩孔内换热管路的安装施工时应注意下列问题：1 换热管路应安装在钢筋笼上或者中心钢筋位置。使用塑料扎带将其固定在钢筋笼上。塑料扎带应定距绑扎，以保证换热管路紧紧绑扎在钢筋笼上，且在组装、搬运及混凝土浇筑过程中保持原位。换热管路的最佳安装位置为主筋之间但不紧靠主筋的螺纹钢筋上。2 换热管路按照适当的间距延伸到钢筋笼底部等位置，应该妥善分隔开，以实现向桩周土壤良好的热传递。换热管路沿竖向悬挂重物，以保证其垂直且位置稳定。3 利用水下浇筑技术浇筑混凝土（涉及混凝土的向上流

6、动）时，换热管路需附加支撑以避免循环管路可能发生的混凝土浇筑过程的扭曲问题。4 为了进行冲水试验，在管路安装之前或安装期间，循环管内应充填纯净水。循环管路不允许存在任何故障，如果出现或立即替换或维修。当充填水的清洁度存在问题或者成桩21d后循环管需要保持完全充填的情况下，在充填传热流体之前应按照制造商的建议添加杀菌剂。5 换热管路固定在钢筋笼上，在置入桩内之前应对其表面损伤进行外观检查。安装允许的壁厚划痕最大公差为10%。管材损坏部分应予以切除并按照本规范第6章管路连接相关条文进行连接。6 在桩的浇筑过程中，换热管路应根据额定压力充填水，以避免管路被液体混凝土损坏。7 完成浇筑以后，应尽早对桩

7、进行可逆流动测试及压力测试，用以确定循环管的适用性及整体性。上述测试应由业主代表或者主要承包商监督进行，并对测试结果进行记录。上述测试结果也可以用作与下一个施工承包方进行的责任转移的依据。8 虽然换热管路的最优安装位置为钢筋笼内侧，但有时实际条件并不允许。例如，对于有垂直搭接的钢筋笼，如果利用钢筋笼粘合剂或者垫片，换热管路就可以放置在钢筋笼的外侧。当循环管路安装在钢筋笼外侧时，还要保证钢筋保护层厚度。9.2.6 换热管路的保护指保证循环管入桩时不受损坏、弯折及过度磨损。需要注意下列问题：1 打桩尤其是浇筑混凝土的过程及管路工程之间的交叉作业需要着重考虑。应采用一定的方法防止管材的磨损，若划痕超

8、过管材壁厚的10%则不能继续使用，需要对可能受到影响的换热管路断面施加额外的保护。2 换热管路后插入新浇混凝土中，不宜采用中央钢筋振动辅助插入的方法。3 换热管路随钢筋笼子放置后，再开始浇筑混凝土，该过程通常需要借助混凝土下料管。换热管路不应放置在下料管的端头位置，而应放置在桩周。所有换热管路应保持竖直（除U型弯管以外）以减小混凝土可能产生的不良影响。熔接U型弯管由较厚塑料管材制成，相对自然弯管可以更好地防止磨损。也可以考虑使用PE-Xa管材以发挥更高的抗划能力。4 换热管路会不可避免地受到混凝土的影响而存在受磨损的风险，对于暴露部分的循环管，应该沿下料管方向施加额外的保护。有必要采取一定的试

9、验措施对管材的抗划保护效果进行验证。5 所有循环管不应存在尖锐或凸起边缘，这些危险边缘在换热管路的设计寿命中可能因与其他循环管材接触而产生管材损伤。6 换热管路一旦入桩，安全起见应再次安装保护帽且将桩孔覆盖保护以维持循环管的整体性，直至循环管接受流量及压力测试。7 为保护桩头部分的循环管在成桩过程尤其是桩头修整过程中免受损坏，可以采取以下措施：1）在桩头的修整区域，每个换热管管端都应根据桩的修整方法采取一定的保护措施以使其免受桩头修整工具的不良影响。保护区域应扩展至指定混凝土截面高度以下100mm。2）考虑到地基回填及相关操作、现场路面交通等情况，在桩修整区域其上应采取更多的保护措施。9.2.

10、8 截桩工作一旦开始，GSHP承包商即需现场监督暴露部分换热管路的压力测试。压力测试结果一旦满足要求，桩头至设备间之间包含换热管路的任何水平管沟回填工作都应根据GSHP设计者及管材制造商的要求，选取适当的回填材料。9.2.9 水平总管安装过程需注意下列问题：1 当开挖土石料不适合回填时，应当在水平总管道工程底部、周边、上部铺沙保护。2 管路工程不应在没有额外支撑及保护的情况下穿越坚硬地层地区。3 所有水平总管上方都应设置警示带。警示带应标明“下有换热管路”。理想情况下，该警示带可以使其保护区域的管道工程免受任何未来工程施工的损坏。4 水平总管最小放置深度应为1000mm以避开其他可能存在的服务

11、设施。热传递流体中可添加防冻剂以防止换热管路的冻裂损坏。5 进、回水管路应设置在同一个管沟内，且应保证进水和回水管路之间左右和上下的最小距离均为500mm。对于难以保证最小距离的过长管道，可在管道之间设置绝热材料。6 已完成部分的管路应进行充水加压测试。应在已完成部分设置压力表，在施工过程中定期监测管内压力，以确保系统未受损坏。7 换热管路安装工程一旦完成，系统应该保持加压状态直至与热泵连接。在施工过程中应定期监测管内压力，以确保系统未受损坏。8 在施工任何阶段遇到任何突然的压降，都应立即报告地源热泵设计者及工程师。9.3 换热管路的冲洗及压力测试9.3.2 换热管路现场压力测试时应注意下列问

12、题：1 应对关键控制点进行重点监测，以保证循环管不被施工过程损坏。地源热泵承包商、总承包商以及其他关键方应共同起草测试方案，以保证测试各方面、各阶段的可追溯性。2 在压力测试完成之前，至少应保证所有节点部位处可控状态。在冲洗测试阶段，应对所有节点进行外观检查。遇潮湿恶劣天气难以发现微小裂缝时，节点部位应当擦除雨水之后再进行外观检测。当天气条件不允许进行节点外观检测时，可使系统承压24h以上以完成测试。3 测试出现的任何问题都应及时向地源热泵设计者及工程师汇报，以便及时采取替换受损循环管等适当的补救措施。9.3.3 桩施工及修整过程中的测试应注意下列问题：1 应对换热管路工程进行一定的外观检测，

13、以确换热管路可以按照本规程第9章的相关条XX装。2 换热管路组装完毕进入现场之前，应对其加压150%工作压力进行A型水压测试。在工厂条件下，空气压力测试亦可。若换热管路现场组装，该测试可在组装完毕后立即进行。水压测试标准为测试过程中无压力损失，确保循环管路无泄漏。3 实施双向流动测试时，循环管内完全充水，且保证管内水为双向流动。该测试标准为测试过程中不出现可视的流动损失。4 实施B型水压测试时，循环管内完全充水，且管内水压为8个大气压，通过加水等方式维持该水压10min（塑料管路会随时间推移发生蠕变，若不加水管中压力将有所损失）。随后，水压降为4个大气压并维持30min。该测试标准为30min

14、期间不发生压力损失。当该测试在桩浇筑混凝土之前实施时，浇筑混凝土时应通过约束端头位置使循环管内保持名义水压力。必要情况下，浇筑混凝土时应对管内水压进行实时监测。该压力在混凝土浇筑过程中应有所提高，以使循环管免受流体混凝土的冲击损坏。若混凝土浇筑过程中未出现突然的压力降，则认为通过测试。5 实施C型水压测试时，循环管内完全充水，且管内水压为8大气压，通过加水等方式维持该水压10min（塑料管路会随时间推移发生蠕变，若不加水管中压力将有所损失）。随后，水压降为4大气压并维持24h。该测试标准为24h期间不发生压力损失（若在混凝土浇筑完成后立即实施测试，测试过程中应适当加压）。6 进行深度测试时，使

15、用探头（如带重卷尺等）确定热循环管安装深度符合指定要求。该测试方法需考虑探头被卡进循环管的风险。9.3.4 系统冲洗需注意下列问题：1 冲洗设备应提供足够的流速和压力，以实现在系统中每种直径的管路中流速均不小于0.61m/s。2 冲洗泵系统应当在不清除软管的情况下使水流方向逆转，实现双向流动压力监测，水流速度监测，并能从系统中过滤碎片等杂物。所有监测数据均需记录在系统操作维护手册中。3 通过视镜对回流水流进行实时外观检测，发现气泡一旦消失，即可保持最小流速0.61 m/s至少15min，对大型换热回路则需要更久的时间。9.3.5 修正测试分为预加载阶段和主测试阶段。主测试阶段必须在预测试阶段完

16、成压力值读取之后才能开始。加入测试部位的流体体积需要精确监控，加压及其时间也需要精确监控。测试设备需能够自动补水以确保每个测试的精度及可重复性。各个测试的压力需要尽可能地保持一致，并保持平稳线性增长。WRc测试的校正后结果可用对数图表示，从下图11中可以看出测试的通过与否，若结果为直线则说明测试通过，否则为不通过。图11 用以确定压力测试通过与否的压力-时间关系图测试不通过并不能直接说明存在泄露情况，因为不通过的原因还可能是管道系统内还存在过量未准确排除的残余空气。加入循环管中的水量应和管内压力分别作为横纵坐标绘图以确定测试期间管内是否存在过量空气，如图12所示。图12 用以确定管内是否存在过

17、量空气的压力-水量关系图上述测试程序可通过第三方数据记录设备予以简化。内置数据处理设施的设备可以实现早期泄露检测、更清晰地解释测试期间的压力降低、协助识别测试区域发生的任何泄露的原因。10 工程质量检查和验收10.1 一般规定10.1.1 能源桩不仅要有承担建筑上部荷载，还要承担冷热负荷的作用，需要同时满足常规结构桩基和桩埋管换热器的要求，应符合行业标准建筑桩基技术规范JGJ94对常规结构桩基质量检查和验收的相应规定，本规程针对常规结构桩基方面的检查和验收不另作要求。10.1.2影响桩埋管换热器质量的因素存在于桩埋管换热器施工全过程，考虑不同阶段桩埋管换热器施工内容、工艺方法不同划分为三个阶段

18、。10.2 施工前检验10.2.1 原材的质量、尺寸和外观满足要求是换热器质量保证的基础。检查数量可按批随机抽查，检查方法可采用观察检查、检查进场合格证、量测等。10.2.2 混凝土导热性对能源桩的换热效率有较大的影响，混凝土按照设计的材料和配合比是保证混凝土导热率在设计范围内的基础。由于大型能源桩工程能源桩的数量较大，混凝土导热率值与设计值较小的偏差会导致能源桩工程总换热量较大的偏差，因此建议对混凝土按批抽样测试导热率进行检验。10.2.3 换热器管材主要采用热熔连接方式，而热熔设备稳定性及合理参数备置是保证热熔质量的前提。换热器热熔质量不仅与热熔设备参数和稳定性相关，而且与管材材料、操作人

19、员习惯以及环境条件等相关，为保证换热器热熔连接质量建议进行现场热熔连接试验。10.3施工检验10.3.1本条款列出的检验内容是桩内埋管换热器安装的重要环节，应严格按照设计要求进行：1 检查数量可按10%抽查，可采用观察、检查进场合格证、量测等方法；2 宜全数检查，可采用图纸核对、量测、旁站检查等方法；3宜全数检查，可采用查阅试验记录、抽样旁站检查等方法。10.3.3 本条款列出的检验内容是水平管路安装的重要环节，应严格按照设计要求进行。可采用旁站检查、查阅施工记录、抽样图纸核对、抽样量测等方法。10.4 施工后检验10.4.1 通水流量检测主要是检测换热器通水情况，确保无泄露现象。可采用采用旁

20、站检查、查阅全数检查，抽样重复通水流量检测复核等方法，通水流量检测方法按照本规程第9.5.5条操作。10.4.2 岩土体的不均匀性以及热物参数的可靠性、桩内埋管换热器安装质量、桩内埋管换热器与水平管路连接等方面导致换热器换热量的设计值与实际值存在偏差，影响系统的经济成本和运行安全。通过桩埋管换热器支路换热功率检测可及时取得换热器的实际换热能力，优化后续系统设计和检验换热器施工质量。桩埋管换热器支路换热功率检测可按照本规程5.4节换热器换热功率测试方法进行。10.4.3 热负荷-结构载荷耦合测试是量测桩在热负荷-结构荷载耦合作用下的桩顶沉降或隆起，以及混凝土桩身的应力改变等信息，从而为评价桩的（

21、短期）岩土或结构工作性能提供必要依据。由于该测试较为复杂，需要时间和经费投入较大，本规程仅建议在特定的情况下进行测试，测试方法和操作要求按照本规程附录C。11 运行监测和管理11.1 一般规定11.1.1 研究结果表明能源桩换热系统的能效不仅与设计、施工因素有关，而且与后期运行控制和管理有密切关系，进行系统运行状态参数对掌握系统运行状态及时调整运行策略以及提高系统运行效率都具有重要的指导意义；能源桩通过与桩周岩土体进行热量交换达到制冷和供暖的目的，这种热交换一定程度上改变周围岩土原始地温场，当地温场持续升高或降低会换热效率降低，同时带来地质环境问题，依据地温监测结果，通过调整系统运行方式，控制

22、地温在可接受范围内实现能源桩换热系统长期稳定、高效运行和减轻/消除对地质环境影响的目的。11.1.2 监测数据是评判系统运行合理性和对地质环境影响程度的重要依据。为指导地源热泵系统合理运行，应定期对监测数据进行分析。监测数据分析的周期可根据工程的实际情况和运行管理需要确定。11.1.3 地质环境监测孔应具有代表性。在能源桩深度范围内，当土质类别不同，特别是当含水层的厚度、渗流速度存在显著差异时，或者能源桩的桩长、桩间距以及埋管数量不同时，应分别设置监测孔。能源桩群外围的地质环境监测孔应位于地下水径流的下游方向，用于热影响范围和程度的分析，以及地质环境变化的长期监测。根据模拟计算结果，能源桩连续

23、多年运行的显著影响半径一般不超过10m，因而外围监测孔可在10m范围内设置。11.2 运行监测11.2.1 本条规定监测内容是换热系统运行状态主要参数，监测数据能够反映换热系统运行状况和能效情况。水温度可采用在管道中迎着循环介质流动方向安装温度传感器进行监测；流量可采用回直管安装流量计进行监测；热泵机组和水泵功率可采用安装电流互感器或电表进行监测，热泵机组电耗与循环水泵分开监测。11.2.2 本条文是综合目前常用传感器的精度以及对换热量、能效结果计算结果的影响程度，参照住房和城乡建设部发布的可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则而提出的。11.2.3 地温监测一般采用两种方式：一种是将

24、温度传感器直接埋入地下；另一种是以成井方式设置监测孔，在孔内测温。工程实践表明，将温度传感器埋入地下测温的方法存在两个主要问题：1 成活率低。一些工程在埋设后不久即发现部分传感器无法使用，一些工程在监测运行一段时间后不断有新的传感器失效，直至所剩无几。造成这种现象的原因主要是施工方法不当或传感器密封性不能满足要求；2 随着时间的XX，传感器有数据漂移现象，不能准确反映测点温度，主要与传感器的物理性质有关。比较两种监测方式可以发现，成井方式设置监测孔具有以下优点：监测方式灵活，可以是人工方式，也可采用下入温度传感器进行自动监测；采用下入传感器方式时，传感器（或系统）损坏可以更换，也可以定期取出进

25、行标定，能够保证监测工作的长期进行。因此，地温监测建议采用成井方式设置监测孔。监测孔通常宜布置在埋管密集区，区外部的地温监测主要用于环境影响分析。11.2.4 自动监测系统具有准确、高效的特点，尤其适用于多要素同时监测的情况，故本规程建议采用自动监测系统。自动监测系统的数据采集频率可根据需要设置，通常热泵运行参数监测的数据采集频率宜不大于3min，换热区地温的数据采集频率不宜大于30min。11.3 运行管理11.3.1 管理制度建设的目的是为了保证系统安全、高效运行。日常管理工作包括：定期清洗除污器、过滤器、换热器及相关管路，设备保养，仪表及传感器校准，运行数据记录等。只有明确了人员职责，明

26、确日常操作与定期维护内容，才能确保系统持续、正常运行。11.3.2 岩土体热平衡是地埋管地源热泵系统的一个重要问题。除了在系统配置时要求提供岩土体热平衡调节手段外，更重要的是在运行过程中进行地层温度监测与控制调节。根据年运行测试结果（也可进行全年岩土体热平衡模拟计算结果），制定热泵系统全年运行预案，通过地温监测孔监测、记录岩土温度，运用计算机监控系统定期分析岩土温度变化，对地源热泵系统的运行策略进行调整，切实解决热平衡问题，提高系统运行效率。11.3.5 一般情况下，规模较大的桩埋管地源热泵系统应设置计算机集中监控系统。设置该系统的目的是能提供恰当、合理的运行策略，取得有效的节能效果。较大规模

27、的地源热泵系统往往是多能源复合系统，有了计算机集中监控系统可以把各种能源系统集合起来有效地进行控制，充分发挥各种能源系统的节能优势。11.3.6 节能不仅体现在系统设计中，也体现在运行管理中。气候、使用情况、设备性能等的变化会影响系统运行能耗，因此记录系统能耗与其他有关运行数据是分析与制定运行策略的基础，以此使设备、系统运行工况始终与负荷需求相匹配，使机组与系统获得最佳能效比。11.3.7 桩埋管地源热泵系统运行期间，如果长期提取和注入的热量不平衡，将会导致埋管桩所在区域地温的持续升高（降低），一方面会影响热泵系统的运行效率，另一方面也会因改变原生态土壤的温度分布而影响当地地表生态系统。过度的

28、地下水冷却会提高其pH 值，降低钙的溶解度，提高气相二氧化碳的溶解度；而过度的加热将导致相对较大的氧气溶解度，会加速含氮有机化合物的矿化和有机残体的分解，也会使地下水不适合饮用。温度是土中微生物最重要的环境因素之一，许多微生物的存活受到了温度的严格影响，尤其是在-10时，细菌微生物的活性将显著降低。当土壤温度高于30时，植物的根系生长会受到抑制，引起植物早衰。附录A 岩土体热物性参数参考值 以下关于岩土热物性参数取值的研究成果可以参考使用：1 Harland & Nixon（1978）给出了两种类型地基土（砂和砾石、粉土和黏土）的热导率与含水率、干密度的关系图（图13）。图13 地基土热导率与含水率、干密度关系（Harland & Nixon，1978）2 Solomone et al.（1984）给出了AMRL粉质黏土热导率与含水率、干密度关系图（图14）。图14AMRL粉质黏土热导