济宁某桩埋管项目工程分析

第２４卷第３期　制冷与空调　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　、，ｏ１．２４　Ｎ０＿３　２０１０年６月　Ｊｕｎ．２０１０．５３～５６　文章编号：１６７１．６６１２（２０１０）０３—０５３—０４　济宁某桩埋管项目工程分析　石　磊　高　鹏　耿宴。　张兆清　刘玉旺　（１．山东建筑大学热能工程学院　济南　２５０１０１；２．山东亚特尔集团　济南　２５００１１；　３．山东烟建集团　烟台　２６４０００；４．济宁市建筑设计研究院济宁２７２０００）　【摘　要】　对桩埋管地源热泵系统做了简要的论述，并针对济宁某项目提出设计方案，确定了埋管的数量、采用桩基埋管时的初投资及运行费用等，对比了其他几种空调冷热源方式，得出采用桩基埋管经　济性较优。　【关键词】　桩埋管；地源热泵；面热源；经济分析　中图分类号　ＴＫ５２９　文献标识码Ｂ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｊｉｎｉｎｇ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｉｌｅｓ　Ｓｈｉ　Ｌｅｉ　Ｇａｏ　Ｐｅｎｇ　Ｇｅｎｇ　Ｙａｎ３　Ｚｈａｎｇ　Ｚｈａｏｑｉｎｇ４　Ｌｉｕ　Ｙｕｗａｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＴｈｅｒｍａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ　２５０１０１；　２．Ｙａｔｅｅｒ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｊｉｎａｎ，２５００１　１；３．Ｙａｎｊｉａｎ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｙａｎｍｉ，２６４０００；　４．Ｊｉｎｉｎｇｓｈｉ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉｎｉｎｇ，２７２０００）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｂｒｉｅｆ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｉｎｓｉｄｅ　ｈｅ　ｔｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｌｅｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｊｉｎｉｎｇ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｐｉｐｅ，ｉｎｉｔｉａｌ　ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｏｓｔｓ　ａｒｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｅｔｃ．Ａ　ｒｅｓｕｌｔ　ｔｈａｔ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｌｅ　ｉｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｏｔｈｅｒ　ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ’Ｓ　ｃｏｌｄ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｓ　ｄｅｒｉｖｅｄ．　［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｌｅ；Ｇｒｏｕｎｄ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ；Ｓｕｒｆａｃｅ　ｈｅａｔ　ｓｏｕｒｃｅ；Ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｎａａｌｙｓｉｓ　０　引言　地源热泵技术在我国正以突飞猛进的态势发　展，以往地热换热器以竖直埋管形式较多。虽然竖　直埋管形式的换热器较水平埋管形式可以节省大　量的埋管土地面积，但其所需的埋管面积依然很　Ｙａｓｕｈｉｒｏ教授等分别对地能转换桩进行了一系列　的实验，得出桩埋换热器效率高等系列结论［１－３］。　在国内，余乐渊、赵军、李新国等对竖埋螺旋埋管　地热换热器建立了传热模型，对一竖埋螺旋管地源　热泵系统进行了实验研究；龚宇烈、赵军等以实　大。在实际工程中为了能够进一步减少钻孔埋管用　地面积，可以采取另外一种地热换热器一桩基螺旋　埋管换热器。桩埋管换热器是将地源热泵系统地埋　际工程为背景，对竖直桩埋换热器进行了取热和　放热的试验研究，仅从工程的角度对Ｕ型桩埋管　进行了分析研究；毕月虹、陈林根等分析了双螺　管换热器的ＰＥ管埋于建筑物混凝土桩基中，使其　与建筑结构相结合，代替传统的地埋管换热器。关　于桩埋管的研究，国外开始的比较早，１９９４年日　旋盘管热交换器的地下温度场，并拟合了与试验　数据的吻合程度　Ｊ；同时，一些具有自主知识　产权的专利，如保温式多组管状换热器地能转换　预应力混凝土管桩、螺旋盘管浅层地热转换预成孔　本的Ｋ．Ｍｏｒｉｎｏ率先在钢管桩中埋设管状换热器并　提出桩埋管换热器的概念。１９９９年瑞士洛桑理工　ＥＰＩ　的Ｐａｈｕｄ博士提出混凝土桩中埋设Ｕ型管状　换热器；此后，瑞士的Ｌａｌｏｕｉ教授以及日本的　作者简介：石磊（１９８４一），男，在读研究生。　收稿日期：２００９—１１－０３　灌注型桩，桩埋螺旋式地源热泵系统及其地热换热　器的传热模型丰富和发展了桩埋管的理论模型和　现场制作施工技术。　・５４・　制冷与空调　２０１０钜　１　桩基埋管地源热泵概述　１．１桩基埋管地源热泵　采用桩埋管换热器可以省却钻孔工序，节约施　工费用，更能有效的利用建筑物的地下面积，不占　用地面。同时，由于桩基的间距较大，换热管的相　互热影响几乎为零，地下换热器的工况更为稳定，　此处的桩一般为灌注桩。　桩埋管与常规垂直埋管的主要区别在于埋管　回填材料的不同，桩埋管是在建筑物地基桩中植入　换热管，其回填材料完全是混凝土，混凝土的导热　性能要优于其他材料，因此可简单得到桩埋管的换　热效果要优于其他回填材料的埋管方式。另外由于　建筑物桩基的自有特点，使埋管与桩、桩与大地接　触紧密，可减少接触热阻，强化循环工质与大地土　壤的传热。和其他埋管方式相比，桩埋管地源热泵　系统可以充分利用建筑物的面积，通过桩基与周围　大地形成换热，可省去大量的钻孔和埋管费用，大　大提高施工效率，施工也极为方便快捷。这将为地　源热泵空调系统的应用开辟更为广阔的前景。但是　由于可利用的桩基个数有限，采用桩埋管可能只能　承担空调系统部分负荷，因此需要地埋管地热换热　器或其他方式作为冷热源补充。同时，桩埋管的施　工过程需要与土建密切配合。　１．２几种形式的桩基埋管　在目前已有的桩埋管工程中，桩基埋管主要采　用了四种形式：串联双Ｕ型（ｗ型）、单Ｕ型、并　联双ｕ型和并联三Ｕ型，如下图所示。　百可可（ａ）ｗ型　（ｂ）单Ｕ型　（ｃ）并联双ｕ型　　（ｄ）并联三ｕ型　图１四种桩埋管形式　Ｗ型管易在桩中最高端集气，且没有好的办法　能将管路中的集气排出，这将严重影响管路传热，甚　至会使管路形成“热短路”，造成系统运行的不稳定；　Ｕ型管施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头　少，不易泄漏，但是，在体积有限的桩中采用单Ｕ　型管，管的传热面积少，不能将桩基的传热性能发挥　到最佳；并联双ｕ和三Ｕ管虽然增加了管的传热面　积，但是存在桩基顶部的连接，如果连接处处理不好　会形成渗漏，对桩基产生一定的腐蚀，以至于降低桩　的使用寿命，危及建筑物。　鉴于实际情况和理论上的优越性，另一种形式　的桩埋管换热器形式正在被广泛的推广应用，这就　是桩基螺旋埋管地热换热器，其主要特点是桩基中　的埋管是以螺旋的形式布置的，如图２所示。　接　空’　———　调　建筑物　罾蔷水管—　’—　谩　＿　ｌ　１．桩埋螺旋管式换热器；２．循环泵；３．换热器；４．四通阀；　５．压缩机；６．换热器；７．节流装置；８．循环水泵　图２桩基螺旋管示意图　桩埋螺旋管式地源热泵空调系统主要由三部　分组成：桩埋螺旋管式换热器、机房以及末端系统。　桩埋螺旋管式换热器实现管内换热介质与土壤的　热交换，各桩埋螺旋管可以串联也可以并联。　１＿３桩螺旋埋管的优缺点分析　螺旋管的传热性能比竖直埋管要好（换热量），　在相同空间里可得到更大的传热面积，布置更长的　管道，具有更好的安全性。桩埋螺旋管不仅解决了　螺旋管施工上的困难（相对于垂直螺旋埋管而言），　而且增加了埋管的传热面积，充分利用数量有限的　桩基，不存在并联双Ｕ和三ｕ管在桩基顶部连接　形成“热短路”的缺陷。　综合说来桩埋管地热换热器优点可归纳为：　（１）以桩基埋管直接代替传统地源热泵中于　钻孔中埋设埋管换热器的形式，不需要钻孔，比竖　直埋管形式换热系统节省４０％一７０％的费用。　（２）ＰＥ管被灌注在桩的里面，回填材料可理　解为混凝土，密实性好，较竖直埋管形式有较好的　传热性能，可减少埋管的长度。　（３）桩基螺旋管直接埋设在建筑物的下面，　第２４卷第３期　石磊，等：济宁某桩埋管项目工程分析　・５５・　节省用地面积，且施工进度较一般的竖直埋管形式　要快。　经计算机模拟计算可得：　但在这种形式的换热器施工时，管材要根据实　际的情况特别定制，并不一定所有的厂家都能够加　工制作，同时对于小管径的桩也不适合，若管径较　小，则ＰＥ管可能弯曲不到所要求的半径。　咖１　壕　萋　２建筑冷热负荷确定（以万平方米为基准　涎　计算单位）　本工程中按照节能建筑计算（６５％的节能指　标），冬季热负荷取３５Ｗ／ｍ　，夏季冷负荷取为４０　｜　。　则建筑热负荷为：３５０ｋＷ，冷负荷为：４００ｋＷ。　机组的能效比在冬季运行时为３．５，夏季运行　时为４．０。　经过计算得到冬季运行时的最大吸热量为　２５０ｋＷ，夏季运行时的最大释热量为５００ｋＷ。　３桩基螺旋埋管换热量分析　根据以往经验和济宁大部分地区的地质情况，　各参数初定为：　导热系数为１．７Ｗ／ｍ．ｋ；　桩半径为０．５ｍ；　地下常年平均温度为１８℃；　夏季可利用温差为１２℃；　冬季可利用温差为１０℃。　与竖直埋管地热换热器相比，桩基螺旋管地热　换热器的结构特点是桩的直径大大超过钻孔的直　径，而桩的深度通常会小于钻孔的深度。此外，作　为传热元件的塑料管不是埋设在钻孔内部的Ｕ型　管，而是设置在靠近桩基外侧的螺旋管。根据桩螺　旋埋管的结构特点，在计算中采用实心圆柱面热源　模型　，　。具体计算如下：　。ｃ　ｚ—ｒｏ）　叫一　ｊ　　・［志　㈩　其中：Ｆｏ：　，Ｏ（Ｚ，Ｆｏ）：ａｏ，Ｈ：ｈ一，劝传　ｒ　ｑｆ　ｒ　热温差，ｑｌ为单位长度散热量，在计算过程中以桩壁　中点位置作为整棵桩的代表性位置（计算比较保守，　但可以使系统运行的可靠性提高），故取Ｚ：一／／－。　趟　：雹｝　运行时间（天）　图３桩螺旋埋管冬夏季换热性能示意图　图３表示的是在连续运行的状况下桩的换热　量情况，在间歇运行时其换热能力将更强。由上图　可以看出，在能源桩运行初期的换热能力相当强，　每米换热量大约能相当于传统竖直埋管５－６倍的　换热量，随着运行时间的增加，换热能力有所下降。　在一个运行季，运行时间也就在１２０天左右，故夏　季运行时，其单位桩长换热量取为８２Ｗ，冬季运　行时，单位桩长的换热量为６８Ｗ。　４桩基螺旋埋管经济性分析（以万平米为　基准单位）　４．１桩基螺旋埋管初投资分析　桩基中的ＰＥ管以螺旋状态埋设，螺距为ｌｍ，　则每米桩基中埋管的长度为５．１４ｍ。基于建筑负荷　的大小，所需的桩基的总长度为：５０００００／８２＝６１００　（ｍ），故桩基中埋管的总长度为：６１００￣５．１４＝３１３５４　（ｍ），桩基中需要的埋管费用为：２３．５万元。　４．２桩基螺旋埋管运行费用分析　在制冷季或供暖季都按１２０天的运行时问计　算，平均每天的运行时间为１２ｈ，电费按０．８元／ｋＷ．ｈ　计算。　夏季运行费用：　１２０￣１２￣０．８ｘ５００／（４．０×１００００）＝１４．４（万）　冬季运行费用：　１２０ｘ１２ｘＯ．８×２５０／（３．５×１００００）＝８．２３（万）　即年运行费用为：２２．６３万元。　４＿３与其他几种空调方式经济性对比　。５６。　制冷与空调　２０１０年　冷热源形式　地源热泵　桩埋＋地源热泵　冷水机组＋城市热力管网　初投资比　１．２４　１．０　１．１４　年运行费用比　１．０　１．０　ｌＩ２５　可省去锅炉房、冷却塔等设备：运行费可适当减少系统的初投资，冷热源两种方式，总初投资少，可靠　系统主要特点用低；节能、环保；维修量小。但初投降低运行费用，且可以解决性高，能够适应负荷急剧变化，节约　资较大，适应负荷急剧变化的能力较差埋管用地不足的问题。　地埋管用地，但运行费用较高。　５结论　Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，２００７，（３９）：５　１７－５２４．　由表１和表２可以看到：　Ｓｈｏｓｕｋｅ　Ｍｏｄｎｏ，Ｋｅｉｇｏ　Ｔｓｕｄａ．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　初投资方面：桩基螺旋埋管＜冷水机组＋热力　ｏｆ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ—Ｆｉｌｌｅｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｔｕｂｅ　Ｃｏｌｕｍｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｊａｐａｎ　管网系统＜垂直钻孔埋管；　【Ｊ］．Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｆｉｎｇ　ｎａｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｆｉｎｇ　Ｓｅｉｓｍ　ｏｌｏｇｙ，　运行费用方面：桩基螺旋埋管＝垂直钻孔埋管　１９９９，（７５）：６７—７４．　＜冷水机组＋热力管网系统。　余乐渊，赵军，李新国，等．竖埋螺旋管地热换热器理论　很显然，由于桩基螺旋埋管无论是在初投资还　模型及实验研究［Ｊ】．太阳能学报，２００４，２５（１５）：６９０—６９４．　是运行费用方面优势都很明显，采用地源热泵和桩　涂爱民，董华，杨卫波，等．基于圆柱源理论模型的ｕ型　螺旋埋管地源热泵系统是比较合理的选择；就桩基　埋管换热器的模拟研究［Ｊ】．太阳能学报，２００６，２７（３）：　埋管和地源热泵系统对比看来，虽然两者在运行费　２５９—２６４．　用方面基本相同，但桩基埋管在初投资方面就节省　毕月虹，陈林根．土壤热泵用立式双螺旋盘管地下温度　了相当一部分的费用，同时还可以解决埋管用地不　场数值分析于实验验证［Ｊ］．应用科学学报，２０００，１８（２）：　足的问题。　１６７—１７０．　李新国，赵军，朱强，等．垂直螺旋盘管地源热泵供暖制　参考文献：　冷实验研究［Ｊ１．太阳能学报，２００２，２３（１６）：６８４—６８６．　［１］Ｄ　Ｐａｈｕｄ，Ｂ　Ｍａｔｔｈｅｙ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　柳晓雷，王德林，方肇洪．垂直埋管地源热泵的圆柱面传热　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ　Ｕ—ｐｉｐｅ　ｂｏｒｅｈｏｌｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ　模型及简化计算［Ｊ］．山东建筑大学学报，２００１，１６（１）：４７—５１．　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｉｎ　ｓｉｔｕ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，２００１，（３３）：５０３－５０７．　Ｚ　Ｈ　Ｆａｎｇ，Ｎ　Ｒ　Ｄｉａｏ，Ｐ　Ｃｕｉ．Ｒ＆Ｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｇｒｏｕｎｄ—　【２］　Ｙａｓｕｈｉｒｏ　Ｈａｍａｄａ，Ｈｉｓａｓｈｉ　Ｓａｉｔｏｈ，Ｍａｋｏｔｏ　Ｎａｋａｍｕｒａ，　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄ・　Ｈｉｄｅｋｉ　Ｋｕｂｏｔａ，Ｋｉｙｏｓｈｉ　Ｏｃｈｉｆｕｊｉ．Ｆｉｅｌｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　８ｔｈ　Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｔｅｒ－　ａｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｐｉｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｓｐａｃｅ　ｈｅａｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｎａｔｉｏｎ—ａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ａａｃｈｅｎ，２００９．