精彩信阳高铁站地埋管与桩埋管传热性能研究

1、信阳高铁站地埋管、桩埋管换热性能与桩基结构热响应研究目 录一、国内外地埋管及桩埋管应用现状和发展趋势2二、信阳高铁站应用地埋管与桩埋管的初步设计5三、信阳高铁站应用地埋管的研究方案53.1 研究目的53.2 热响应试验孔及测温点的布置63.3 热响应试验方法及测温方法73.4 数值模拟方法9四、信阳高铁站应用桩埋管的研究方案94.1 研究目的94.1 桩基埋管方法94.2 温度传感器的埋设方法114.3 螺旋型桩埋管桩身中应变计及土压力盒埋设方法114.4 桩埋管热响应试验124.5 桩埋管数值模拟12信阳高铁站地埋管、桩埋管换热性能与桩基结构热响应研究一、国内外地埋管及桩埋管应用现状和发展趋

2、势地源热泵（Ground-Source Heat Pump，简称GSHP）是利用地球表面浅层岩石、土壤、地下水或地表水中储藏的地温能作为冷、热源进行供热与制冷的空调系统。地表浅层的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的空调冷热源。国外资料表明：地源热泵比传统空调系统运行效率高40%60%，即可节省运行费用40%60%。冬天，从地表浅层取热，替代锅炉燃烧供热，没有排放物及废弃物，不需要堆放燃料和废弃物的场地；夏天将建筑空间的热量储存到地下，减小了城市中心用传统空调所产生的热岛效应，且储存的热量可供冬天使用，还可一年四季提供生活热水。由于其节能和环保的双重效益，

3、地源热泵成为真正的环保型空调。国际上将其列入21 世纪最有发展前途的50项新技术之一。信阳市位于河南省南部，东与安徽为邻，南与湖北接壤，左扼两淮，右控江汉，承东启西。 屏蔽中原，素有“三省通衢”之称，从古至今，是江淮河汉之间的战略要地，又是南北经济文化交流的重要通道。信阳历史悠久，人杰地灵。信阳是华夏文明的发祥地之一。信阳地区山水秀丽、气候宜人，素来有“江南北国、北国江南”、“豫南小苏州”之美誉。信阳的地理位置为32°N、115°E左右，地处亚热带向暖温带过渡区，属典型的季风气候。全年四季分明，四季主要特点是：春温多变、阴雨绵绵，夏热多雨、暴雨常现，秋凉晴和、降水适中，冬长

4、寒短、雨雪并降。年平均降水量1000-1200mm，但年际差异较大，最多可达1654.1mm（1956年），最少为493.0mm（2001年），季节分布不均，冬季最少，夏季最多，春雨多于秋雨。年平均气温12度左右，故信阳夏天需要制冷、冬天需要供暖。我国的基本国情是人口众多，资源相对贫乏。我国人口占世界总人口的20%，而煤炭储量只占世界总储量的11%，石油仅占2.4%，天然气仅占1.2%。当前，石油已超出每桶100多美元，资源和环境瓶颈约束已经上升为我国经济社会发展面临的突出矛盾之一。经济要发展，人们的工作和生活条件要改善，能源缺口不断增大。面对严峻的能源形势，国家总的能源政策是节能和新能源开发

5、、可再生能源利用并重，因此，地源热泵技术的开发和应用在我国，特别是在信阳市具有极大的现实意义和广阔的发展前景。按地源热泵空调系统取热（或取冷）介质的不同有水源热泵和土壤源热泵两种形式。水源热泵一般是以地下水或城市下水道中的废水（冬天水温高于室温，夏天水温低于室温）为冷、热源的空调系统。这种形式的地源热泵系统具有效率高、占地面积小、初期投资较低等优点。但它受当地水文地质条件和地理位置条件以及环境政策的限制，不是到处都有足量的可供使用的地下水或城市生活废水。土壤源热泵系统是以土壤、岩石等为冷、热源的空调系统，在此系统中，地下换热器通常采用承压性能高、耐腐蚀的PE管（聚乙烯管），在工程安装时人为地向

6、管内注入自来水（在寒冷地区需加入一定量的防冻剂），水在管内循环，通过管壁把地层中的热量与房间热量相互交换。夏天将房间的热量传入温度比室外温度低的地层，冬天将温度比室外温度高的地层中的热量带到房间。这种形式的地源热泵系统具有使用寿命长，不受水源地和地下水开采政策的限制等优点。目前国内外所谈及的一般均指土壤源地源热泵系统。20 世纪70 年代，由于发生了世界石油危机，地源热泵因此获得了飞速发展。据统计，在家用供热装置中，地源热泵所占的比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%；在加拿大，地源热泵以每年20的递增销量而处于各种热泵系统的首位；1998年美国能源部颁布法规，要求在全国联邦政府机构

7、的建筑中推广应用地源热泵供热空调系统。为了表示支持这种节能环保新技术，美国前总统布什在他的得克萨斯州的宅邸中，也安装了这种地源热泵空调系统。在美国全国已安装负荷量为480万kW，相当于安装12kW的机组40万台，约占世界总安装量的68。其中垂直式井下热交换器是最多的一种形式，占46，而水平式占其次约38。开放式换热器并不多，只占15。中国经济高速发展，但高能耗已成为我国可持续发展的重大威胁。中国80的建筑未采取节能设计。政府正制定各项节能政策和目标，尤其是2006年1月1日起施行的中华人民共和国可再生能源法将会极大地促进地源热泵系统的发展。目前，地源热泵空调在中国正处于快速起步阶段，1995年

8、至2000年全国地源热泵工程面积达100万m2，而2001年至2004年全国地源热泵工程面积超过达2000万m2。我国2010年前各地所竣工的地源热泵项目多为地下水源热泵系统，如沈阳、北京、武汉、重庆、杭州等城市，但利用地下水牵涉的问题较多：首先使用水源热泵的前提是必须有可供开采的充足的地下水源，其次有了水源以后，必须向水行政主管部门（水务局水资源管理处）申报，申报时还必须附上具有建设项目水资源论证资格的单位提供的取水井对邻近基础设施和建筑工程无影响的结论报告，申报成功得到批复后还必须缴纳水资源使用费，最后也是最重要的是地下水回灌比较困难，有的工程一口取水井要配套4口回灌井，且回灌井容易堵塞，

9、清理起来非常麻烦，只取水不进行有效回灌会造成附近地面沉降和地表塌陷，回灌不慎造成地下水污染后果也会非常严重，有关专家对发展地下水源热泵系统都持非常谨慎的态度。根据国内外大量的工程实例，闭式地源热泵系统，前期投资较高，但运行和维护费用较低，系统寿命很长（可长达50年），无产生环境污染的顾虑。我国河南、山西、山东、陕西、河北、上海、天津等省市，地表浅层覆盖土层较厚(约100-200米)， 2010年起开始较大规模地采用地埋管地源热泵系统,钻孔直径一般为150-200mm，钻孔深度一般为100-120m，取得了较好的社会效益和经济效益。 另外，我国每年都有大量的新建工程开工，这些工程的基础大量使用灌

10、注桩（钻孔灌注桩或人工挖孔桩），桩径一般大于或等于800-1000mm，桩长一般为10-50m，甚至更长。对于灌注桩基础在灌注混凝土之前，随钢筋笼一起下入W形或螺旋形PE管，不仅可以省掉较高的成孔费用，而且灌注桩内的W形管或螺旋管换热器与孔壁之间的回填材料全部是混凝土，混凝土的导热系数优于钻孔地埋管的黄砂和膨润土等回填材料，因此灌注桩W形管或螺旋管换热器的换热效果还会明显优于钻孔地埋管。国外，如奥地利，每年使用能量桩的根数都在逐年增加，到2004年使用了24000根。二、信阳高铁站应用地埋管与桩埋管的初步设计三、信阳高铁站应用地埋管的研究方案3.1 研究目的1）确定Dn25双U形埋管换热器单位

11、长度换热量；2）在地层条件、水文地质条件、钻孔回填条件完全相同的情况下，比较研究单U形管换热器和双U形管换热器的换热效果；3）研究PE管内不同流量条件下的换热效果；4）比较研究De25PE管与DePE32管的换热效果；5）研究扩散半径随热响应试验时间的增长规律，以确定合理的地埋管换热孔的中心距。3.2 热响应试验孔及测温点的布置图1. 信阳高铁站热响应试验孔及测温点布置示意图试验孔编号直径mm深度m钻孔类别埋设PE管情况埋设温度传感器情况钻孔回填K1130101热响应试验孔De25双U100m无原浆+中砂K2150101热响应试验孔/测温孔De25双U100m10、20、30、40、50、60

12、、70、80、90m各一个原浆+中砂K3150104热响应试验孔/测温孔De32双U100m10、20、30、40、50、60、70、80、90、103m各一个原浆+中砂K4130101地层描述孔/水位观测孔无无无在试验孔K2和试验孔K3之间每间隔0.5米布置一测温孔，用以测试热响应试验时的热影响半径，共布置四眼测温孔，分别用T1、T2、T3和T4表示，T1、T4：直径91mm，深度31m，埋设测温线1根，测温线封装在De32PE管内，分别在0.5、10、20、30m处布置温度传感器； T2、T3：直径91mm，深度31m，埋设测温线1根，测温线封装在De32PE管内，分别在10、20、30m

13、处布置温度传感器。3.3 热响应试验方法及测温方法1）热响应试验方法现场热响应试验采用中国地质大学（武汉）工程学院研制的GP-3型地埋管岩土热响应测试仪，其原理图见图2。测试仪由以下部分组成：膨胀补水排气水箱、循环水泵、流量控制阀、流量传感器、电加热器、进孔温度传感器、三通接头、回水温度传感器、阀门组、供电及数据采集系统等。测试前先排除管道系统中的空气，即关闭阀门1和阀门4，打开阀门2和阀门3，以最大的泵量排出仪器内部管道和U形管中的空气和杂质，一般需半个小时左右。然后测量埋管深度范围内地层平均初始温度，即在不打开电加热器的情况下，关闭阀门3和阀门4，打开阀门1和阀门2，水不通过水箱，在管路中

14、闭式循环半个小时以上，回水温度传感器测出的温度稳定值，即为埋管深度范围内地层原始温度平均值。最后进行正常测试，即打开阀门1和2，关闭球阀3，调节阀门4将循环于U形管中的循环水流量调节到需要值。打开加热器，加热48小时以上，U盘自动数据采集时间间隔为5分钟，手工数据采集间隔为20分钟。图2. GP-3热响应试验仪原理图2）地温测试方法采用中国地质大学（武汉）研制的DTC地温监测系统，可实时测量、显示和记录多点地温，测试精度达0.06，能每分钟自动记录一组（30点）地温数据。图3. DTC地温监测系统3）热响应试验及地温监测方案（0）在进行热响应试验前，利用K2或K3试验孔内埋设的温度传感器，在钻

15、孔回填2天后连续5天以上测量地温，确定埋管深度范围内的原始地温。（1）K1孔（25双U）流速0.6m/s，加热48小时；（2）K2孔（25单U）流速0.6m/s，加热48小时；（3）K3（32单U）流速0.6m/s，加热48小时；（4）K2（25双U）流速0.6m/s，加热48小时；（5）K3（32双U）流速0.6m/s，加热48小时；（6）K2（25双U）流速0.4m/s，加热48小时；（7）K2（25双U）流速0.8m/s(1809L/h)、 0.65m/s(1470L/h)、0.5m/s(1130L/h)，各加热试验2天；试验过程中每两小时测温一次。（8）K3（32双U）流速0.4m/s

16、(1650L/h)，加热1周；试验过程中每两小时测温一次。3.4 数值模拟方法四、信阳高铁站应用桩埋管的研究方案4.1 研究目的1）确定双W形桩埋管换热器与螺旋形桩埋管换热器的换热量；2）比较研究W形桩埋管换热器与螺旋形桩埋管换热器的换热效果；3）研究桩埋管换热器散热工况下的温度场、和应变场；4）研究桩基内埋PE管对下压荷载下桩基应变场的影响。4.1 桩基埋管方法1）双W型埋管(桩径800mm，钢筋笼长12m)双W型桩基埋管方法见图4。图4. 三U型桩基埋管螺旋型桩基埋管方法见图5。图5 螺旋型桩基埋管4.2 温度传感器的埋设方法温度传感器的埋设方法见图6。图6. 温度传感器的埋设方法Z1桩身内埋深设测温线2根，用Z11、Z13表示，测温线封装在直径25mm钢管内，分别在距桩顶1.5、6.0、10.5m处布置温度传感器；Z2桩身内埋深设测温线1根，用T12表示，测温线封装在直径25mm钢管内，分别在距桩顶1.5、6.0、10.5m处布置温度传感器；在桩外共布置测温孔8眼，分别用T14、T15、T16、T17、T21、T22、T23、T24表示。T14、T15、T16、T17、T21、T22、T23、T24:直径91mm，深度13m，埋设测