浅析能量桩技术在地铁车辆段上盖开发中应用的可行性

浅析能量桩技术在地铁车辆段上盖开发中应用的可行性

邢玉奇

中铁华铁工程设计集团有限公司 北京 100071

摘要:目前很多地铁车辆段都在推广上盖开发模式，上盖开发使得城市中心用地得到了有效地利用，上盖开发项目中存在很多混凝土桩基础，而能量桩就是利用这些桩基础，在其内部设置热交换管道，提取地热能源。本文简单分析了能量桩在地铁车辆段中应用的可行性。

关键词:能量桩；地源热泵；地铁车辆段上盖开发

0、引言

能源是经济和社会发展的动力，人民对更高生活水平的追求导致能源消费需求的增加，然而我国资源总量和人均资源量都严重不足。我国的城镇化建设促进了建筑面积的快速增长，因此建筑的能源消耗量也增长迅速，目前建筑总能耗占全国能耗总量的三分之一，并对环境产生不利影响，发展绿色建筑刻不容缓。地源热泵就是利用了地表浅层的地热资源，进行能量转换的供暖空调系统，是可再生能源利用技术。

地源热泵机组的能耗，与空气源热泵相比也可以减少40%以上；与电供暖相比可以减少70%以上，它的制热系统比燃气锅炉的效率高出了75%。^[1]但是地源热泵系统通常需要足够大的室外面积来布置地埋管换热器，这是目前制约地源热泵系统推广应用的主要障碍。与传统空调系统相比，较高的钻孔费用也在一定程度上降低了地源热泵空调系统的经济适用性。能量桩地源热泵系统作为一种新的地源热泵系统形式，更以其节约钻孔费用、节省占地面积、提高换热效率及有效缩短施工工期等优势，越来越受到人们的关注。

1. 能量桩简介

能量桩是应用于地源热泵系统的一种新的热交换装置，是大型建筑用来进行供暖和制冷的预制部件，也是建筑物的基础部件。桩基在混凝土浇筑前，在基础桩体内配置有热交换管道，通过桩基与周围大地形成换热。对于必须建造基础部件的建筑物，地下热交换系统不需要额外凿建钻孔，而且回填材料为混凝土，密实性好，传热性能较传统钻孔埋管更好，因此能量桩的利用特别经济实惠。

2. 目前能量桩技术应用情况

（1）瑞士洛桑（Lausanne, Switzerland）的瑞士联邦技术研究所某栋建筑，其建筑面积3000 m²，建筑基础采用了97根桩长为25 m、桩径为0.88 m的钻孔灌注桩，将单U型传热管绑扎在钢筋笼上，埋设在钻孔灌注桩内。进行地热能源的利用。^[2]

（2）奥地利（Bad Schallerbach, Austria）的某康复中心建筑基础，建成于1995年，其建筑物荷载在500-900 kN之间，采用桩筏基础支撑；143根钻孔灌注桩中埋设了传热管，进行地热能源的利用。灌注桩的桩长为9 m、桩径为1.2 m。^[2]

（3）南京朗诗国际街区，总建筑面积91557.18 m²，地上建筑面积为68115.62 m²，基坑占地面积约2.5万m²，项目内1200根桩基础中埋设了U型或W型传热管，进行地热能源的利用，桩长约为30 m。^[3]

（4）2010年上海世博会城市最佳实践区北部区块，建筑面积3113 m²，建筑高度18 m，地上5层，地下1层。在43根工程桩中埋设了3U型传热管，进行地热能源的利用。灌注桩的桩长约为30 m，直径600 mm。^[2]

除此之外，能量桩（即桩埋管地源热泵）技术，在我国天津市梅江综合办公楼、同济大学旭日楼（钻孔灌注桩，桩长28 m）、天津市塘沽凯华商业广场、以及吴江中达电子营建处办公楼等项目中也得到应用。^[4]

3. 车辆段上盖开发项目的特点

以北京地铁某车辆段为研究对象，车辆段为综合利用车辆段，采用平台模式，通过对运用库、联检库、出入段线、咽喉区、试车线及部分功能用房的整合，形成一体的平台，作为上盖开发物业的建设用地。运用库上方规划预留为湿地公园，综合楼布置于运用库西侧落地区域，联合检修库盖上为住宅及小汽车库和楼座开发，咽喉区盖上为绿地公园，出入段线盖上为公共休闲绿地广场，南部为落地开发区。总建筑面积 43 万㎡。上盖开发平台面积 17.8 万㎡。整个车辆段各库区和八字线咽喉区均为桩基。其中：运用库有长度31米的桩689根，20米的桩1373根；联合检修库有长度32米的桩244根，22米的桩1445根；其他库区及八字线咽喉区有长度为20米的桩5180根。桩基规格均为直径800mm,C35混凝土，桩底及桩侧均注浆。

上盖开发车辆段布局图

4. 负荷计算分析

以车辆段办公楼为研究对象，办公楼为多层公共建筑，地下一层，地上四层，局部有设备层。总建筑面积28151.89m²。其中地上建筑面积18991.46m²，地下建筑面积9160.43m²。建筑高度23.8m。利用专业软件进行空调冷热负荷计算，其中夏季空调冷负荷为2850kw，冬季空调热负荷为2569kw。根据冷热负荷计算，选取2台制冷量Q_冷=1021KW，制热量Q_热

=1046KW，EER=7.4，COP=5.3和1台制冷量Q_冷=847KW, 制热量Q_热=872KW，EER=7.1，COP=5.2的地源热泵机组。通过软件对综合楼建模进行全年动态负荷计算，得到全年空调冷负荷为493MWh，全年供暖热负荷为1032MWh。因全年冷热负荷相差较大，为了地源热泵系统的热平衡，可利用厂区内用于厂房冬季供暖而设置的锅炉房辅助供热。通过以上数据，在忽略水泵影响的情况下，可近似得到地源热泵系统的最大释热量Q_释=Q_冷*(1+1/EER)=1021*2*(1+1/7.4)+847*(1+1/7.1)=3284.2KW。最大吸热量Q_吸=Q_热*（1-1/COP）=1046*2*(1-1/5.3)+(2569-1046*2)*(1-1/5.2)=2082.6KW。虽然最大释热量和最大吸热量相差较大，但采用能量桩形式时，可不考虑打井的费用，只考虑埋管的费用。并且在一定程度上增加地埋管换热器布置面积，可减小地埋管换热器单位深度承担的设计负荷，可以更好地缓解热平衡问题^[5]。故地埋管的换热计算可按照夏季冷负荷计算。同时也可考虑采用冷凝热回收机组，利用冷凝热加热生活热水，降低供冷季节的释热量。

5. 能量桩的换热计算

地埋管换热器设计计算是地源热泵系统设计所特有的内容，由于地埋管换热器换热效果受岩土体热物性及地下水流动情况等地质条件影响非常大，使得不同地区，甚至同一地区不同区域岩土体的换热特性差别都很大。为保证地埋管换热器设计符合实际，满足使用要求，通常设计前需要对现场岩土体热物性进行测定，并根据实测数据进行计算。考虑地埋管换热器设计计算的特殊性及复杂性，宜采用专用软件进行计算。^[6]

垂直地埋管换热的设计计算，也可参照《地源热泵系统工程技术规范》 GB 50366-2009附录B中方法进行计算：

1）传热介质与U形管内壁的对流换热热阻可按下式计算：

R_f = 1/(π·d_i·K)

式中 Rf——传热介质与u形管内壁的对流换热热阻（m·K／W）；

　 d_i——U形管的内径（m）；

　 K——传热介质与U形管内壁的对流换热系数[w／(m2·K)]。

2） U形管的管壁热阻可按下列公式计算：

式中　R_pe——U形管的管壁热阻（m·K／W）；

　 λ_p——U形管导热系数[w／(m·K)]；

　 d_o——U形管的外径（m）；

　 d_e——U形管的当量直径（m)；对单u形管，n=2；对双U形管，n=4。

3 ）　钻孔灌浆回填材料的热阻可按下式计算：

式中R_b——钻孔灌浆回填材料的热阻（m·K／w）；

λ_b——灌浆材料导热系数[w／(m·K)]；

d_b——（m）。

4）　地层热阻，即从孔壁到无穷远处的热阻可按下列公式计算：

　对于单个钻孔：

　对于多个钻孔：

式中　Rs——地层热阻（m·K／W）;

　I——指数积分公式

　λs——岩土体的平均导热系数[w／(m·K)]；

　a——岩土体的热扩散率（m2／s）；

　rb——钻孔的半径（m）；

　τ——运行时间（s）；

　xi——第i个钻孔与所计算钻孔之间的距离（m）。

　5）　短期连续脉冲负荷引起的附加热阻可按下式计算：

式中 ——短期连续脉冲负荷引起的附加热阻（m·K／W)；

　 ——短期脉冲负荷连续运行的时间，例如8h。

6）制冷工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下列公式计算：

式中Lc——制冷工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度 (m)；

Qc——水源热泵机组的额定冷负荷（kw)；

EER——水源热泵机组的制冷性能系数；

t_max——制冷工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取37℃；

t_∞——埋管区域岩土体的初始温度（℃）；

Fc——制冷运行份额；

T_c1——一个制冷季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取一个月时，Tc1为最热月份水源热泵机组的运行小时数；

T_c2——一个制冷季中的小时数，当运行时间取一个月时，Tc2为最热月份的小时数。

7） 供热工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下列公式计算：

式中L_h——制热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度 (m)：

Q_h——水源热泵机组的额定热负荷（kw）；

COP——水源热泵机组的供热性能系数；

T_min——制热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取－2~6℃；

t_∞——埋管区域岩土体的初始温度（℃）；

Fc——制热运行份额；

T_h1——一个供热季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取一个月时，T_h1为最冷月份水源热泵机组的运行小时数；

T_h2——一个供热季中的小时数，当运行时间取一个月时，T_h2为最冷月份的小时数。

利用常规数据对以上公式进行简化处理，利用excle程序进行计算，得出垂直单U形地埋管单位孔深换热量为：吸热量48W/m，放热量62W/m。

计算数据表格

根据负荷计算中的数据可得出需要的地埋管换热器钻孔的长度约为3284.2*1000/62=52890m。能量桩埋管的间距按照3~6米布置，综合楼附近咽喉区及运用库中的可利用的有效能量桩数量为31米桩459根，20米桩2413根，等效长度为L=31*459+20*2413=62489m。可以满足综合楼地埋管换热器钻孔长度的要求。

6. 目前还存在的问题

（1）车辆段内部铁轨较多，在地埋管换热器环路集管的设计布置中，需充分考虑铁轨的影响。

（2）对于各种建筑下的桩基础，桩体受到上部荷载作用，使桩、地基中产生应力场和位移场，而热交换过程中应力场和位移场会因温度场的变化而改变，同时，土体在附加应力的作用下会产生固结，使土体中的孔隙水排水，桩－土系统产生沉降，因此，能量桩的工作过程是一个应力场－位移场－温度场－渗流场－时间场相互耦合的问题，是一个复杂的热、力学过程。由于桩埋管对桩基的影响具有累积效应，实际工程中桩埋管系统长期的经济性及安全性仍需进一步观察研究。

7. 总结

地源热泵系统是一种节能、环保的空调系统。随着能量桩这种新的埋管换热形式技术的成熟应用，可以更加有效的节约项目用地面积、加快施工进度、提高能源利用效率，带来良好的环境、经济效益。地铁车辆段上盖开发项目自身拥有桩基数量较多的天然优势，利用能量桩技术可以获取相当可观的地热资源。这为车辆段空调系统冷热源又提供了一个经济、节能、环保的新方向。

参考文献：

[1] 尹航，丁雅靓.耦合热泵技术的地热能利用研究，建筑工程技术与设计，2014年，031期：1082-1082

[2] 杨凯. 能量桩传热性能数值模拟[D]. 2017.

[3] 罗强. 低碳建设项目规划情景分析法研究[D]. 华中科技大学， 2013.

[4] 陈雅涛 , 常虹 . 能量桩技术的工程应用研究[J]. 江西建材， 2018.

[5] 马福一， 刘业凤. 地埋管地源热泵系统的热平衡问题分析[R]. 上海市重点学科建设（S30503）,2010

[6] GB 50366-2009 地源热泵系统工程技术规范 [S]。