尹可心，Roxana Vasilescu

(1. 南京航空航天大學(xué)土木與機(jī)場(chǎng)工程系，江蘇 南京 211106；2. 南特中央理工學(xué)院土木工程系，大西洋盧瓦爾省 南特 44321；3. PINTO建筑工程公司特殊基礎(chǔ)工程部，伊勒-維萊訥省 富熱爾 35300)

瑞士和奧地利的巖土工程師在上世紀(jì)80年代開始嘗試將地源熱泵的換熱管路埋置于建筑物樁基礎(chǔ)之中[1-2]，以利用地?zé)醽頋M足上方建筑物的供熱和制冷需求，這就是能量樁技術(shù)的雛形。能量樁基礎(chǔ)在承受上部結(jié)構(gòu)荷載的同時(shí)又是淺層地源熱泵的地下?lián)Q熱載體[3-4]。相比于傳統(tǒng)的鉆孔埋換熱管的方式，能量樁的樁體可作為地下?lián)Q熱器，節(jié)約鉆孔費(fèi)用和地下空間資源。此外由于樁身材料的熱傳導(dǎo)性能往往高于巖土體，加之樁身與其周圍巖土體存在更大的熱交換面積[5]，能量樁具有更好的換熱性能[6-7]。作為一種利用淺層地?zé)崮艿募夹g(shù)，與傳統(tǒng)的建筑供暖與制冷方式相比，能量樁可以減少能源消耗、降低二氧化碳排放。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)“碳達(dá)峰、碳中和”的大背景下，能量樁的研究及應(yīng)用對(duì)于建筑行業(yè)節(jié)能減排，助力雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著十分重要的意義。

近年來能量樁在國(guó)內(nèi)外得到了越來越多的研究與應(yīng)用[8-9]。英國(guó)、瑞士等歐洲國(guó)家在能量樁設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面起步較早有著較為成熟的經(jīng)驗(yàn)，并制定了相關(guān)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范[10-11]，與能量樁相關(guān)的室內(nèi)外試驗(yàn)研究成果也比較豐富。文獻(xiàn)[12]長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)了2根能量樁，建立了能量樁長(zhǎng)期運(yùn)行性能以及熱特性的數(shù)據(jù)庫(kù)，可用于設(shè)計(jì)方法的驗(yàn)證和優(yōu)化。文獻(xiàn)[13-14]研究了混凝土樁-土(楓丹白露砂和鈣質(zhì)砂)接觸面在不同溫度荷載下的力學(xué)特性，為能量樁設(shè)計(jì)以及運(yùn)行提供了參考依據(jù)。文獻(xiàn)[15-16]提供了用于室內(nèi)能量樁-土接觸面直剪試驗(yàn)所需的黏性土試樣的制樣方法，并在宏微觀尺度上驗(yàn)證該方法的可行性[17]，并在此基礎(chǔ)上研究了在單一溫度(18.6℃)荷載下不同黏土含量對(duì)樁-土接觸面力學(xué)性狀的影響[18]。文獻(xiàn)[19]總結(jié)了用來研究能源巖土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)和數(shù)值方法，提供了相關(guān)的設(shè)計(jì)和評(píng)估建議。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)是研究能量樁最可靠的方法[6]2，但存在測(cè)試成本高、時(shí)間跨度長(zhǎng)以及場(chǎng)地限制因素多等缺點(diǎn)[20]，因此針對(duì)能量樁系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)前后的長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)研究目前還較為缺乏。為研究能量樁系統(tǒng)運(yùn)行前后的樁身溫度以及變形特征，本文對(duì)位于法國(guó)塞納-馬恩省(Seine-et-Marne)的Sept Sorts鎮(zhèn)的某新建污水預(yù)處理廠的能量樁系統(tǒng)開展了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。在能量樁啟用前1a以及啟用后1.5a，對(duì)換熱管網(wǎng)進(jìn)/出口液體溫度、樁身溫度以及樁身軸向應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估該能量樁系統(tǒng)的熱交換能力，探索能量樁啟用前后樁身溫度沿深度的分布規(guī)律以及樁身軸向應(yīng)變的變化范圍，并對(duì)比分析由能量樁運(yùn)行引起的樁身變形與由季節(jié)性土體溫度變化引起的樁身變形，以期為國(guó)內(nèi)能量樁設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)提供參考。

1 Sept Sorts場(chǎng)地概況

為更好地研究能量樁系統(tǒng)在運(yùn)行前后的溫度以及變形特征，選擇某新建污水預(yù)處理廠的能量樁系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。該工程場(chǎng)地位于巴黎東北部的塞納-馬恩省(Seine-et-Marne)的Sept Sorts小鎮(zhèn)。如圖1所示，預(yù)處理廠房占地面積約為40m×15m，其基礎(chǔ)筏板由100根樁支撐。均采用連續(xù)螺旋鉆孔技術(shù)成樁，樁長(zhǎng)9m，直徑420mm。在建設(shè)初期設(shè)計(jì)了能量樁地?zé)嵯到y(tǒng)給預(yù)處理廠房的340m2辦公區(qū)供熱和制冷(見圖1)。場(chǎng)地地基的巖土力學(xué)及熱物性參數(shù)如表1所示。

圖1 預(yù)處理廠房能量樁系統(tǒng)平面圖及3根試驗(yàn)樁P15、P18和P29的位置

表1 場(chǎng)地地基巖土參數(shù)與熱物性指標(biāo)

該能量樁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工嚴(yán)格依據(jù)法國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)和施工規(guī)范[21]進(jìn)行。在100根樁中，有45根被設(shè)計(jì)成能量樁。每根能量樁均配有6根φ14mm縱向鋼筋和36根φ10mm箍筋，再由新拌C30混凝土澆筑而成。能量樁內(nèi)置的換熱管由2根高密度聚乙烯(PEHD)管組成，按W型固定在鋼筋籠內(nèi)部，如圖2(a)和2(c)所示，換熱管內(nèi)充滿液體以進(jìn)行熱量交換。

圖2 P18、P29號(hào)能量樁和P15號(hào)傳統(tǒng)樁剖面示意圖

45根能量樁被分成15組，每組3根串聯(lián)安裝(見圖1)，通過位于樁頂處的水平管網(wǎng)連接到集熱器上。換熱管中的傳熱流體為10%乙二醇和90%水的混合物，通過直徑φ=40mm的PEHD管路輸送到換熱室中的熱泵系統(tǒng)。能量樁系統(tǒng)中的主要換熱裝置為一臺(tái)Daikin RWEYQ8T熱泵，其加熱和制冷功率分別為25.0kW和22.4kW，以滿足340m2辦公區(qū)的加熱及制冷需求。文獻(xiàn)[19]41指出，在通常情況下，地源熱泵的性能系數(shù)(COP)在3.5～4之間，根據(jù)文獻(xiàn)[1]84和文獻(xiàn)[19]41，當(dāng)COP≥4時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。本文所研究的能量樁系統(tǒng)采用的熱泵性能系數(shù)COP=5.8，因此可知其節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益突出。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

為揭示能量樁啟用前后的樁身溫度以及軸向變形特征，選擇3根樁作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，1根為傳統(tǒng)樁(P15)，2根為能量樁(P18和P29)，其位置如圖1所示。P15號(hào)傳統(tǒng)樁作為2個(gè)能量樁的試驗(yàn)對(duì)照組。如圖2(a)所示，在P18和P29號(hào)能量樁中各安裝7個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)(VWSG)監(jiān)測(cè)樁身溫度和軸向應(yīng)變沿深度的分布，應(yīng)變計(jì)縱向布置并固定到鋼筋籠內(nèi)的橫向鋼筋上，在成樁過程中澆筑在新拌混凝土中。此外，在P15號(hào)樁中安裝5個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)，如圖2(b)所示。所用振弦式應(yīng)變計(jì)型號(hào)為Glotzl公司的ECV150，長(zhǎng)度為150mm，標(biāo)準(zhǔn)量程為3 000μm/m，測(cè)量精度為±1με。每個(gè)應(yīng)變計(jì)都配備1個(gè)精度為±1℃的熱敏電阻同步監(jiān)測(cè)其安裝位置處的溫度變化。

在筏板澆筑之前，將從每個(gè)傳感器引出的線纜集中布線到總換熱管網(wǎng)歧管所處的檢修孔之中。數(shù)據(jù)采集由2臺(tái)Geokon公司的8002數(shù)據(jù)采集器來完成，在能量樁運(yùn)行前后分別每1h和15min記錄1次數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)采集器配備1個(gè)熱敏電阻來記錄檢修孔中的溫度， 用于代表基礎(chǔ)溫度(即地平面以下3m處)。 在2018a 4月將2個(gè)精度為±0.3℃的PT100溫度傳感器分別安裝在靠近歧管的換熱液體管路的進(jìn)口和出口上，以監(jiān)測(cè)記錄管網(wǎng)進(jìn)/出口處的換熱液體溫度，用以評(píng)估能量樁系統(tǒng)提取熱量的能力。此外，在操作室的入口和出口管道上安裝2個(gè)PT100傳感器，測(cè)量操作室和能量樁系統(tǒng)之間的熱損耗。辦公樓前安裝1個(gè)PT100傳感器，測(cè)量并記錄空氣溫度的變化，與此同時(shí)也參考當(dāng)?shù)貧庀蟛块T記錄的氣溫。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 進(jìn)/出口液體溫度

預(yù)處理廠房于2017a 10月建成并投入使用，而使用能量樁的辦公區(qū)于2018a 12月完工。因此可以進(jìn)行能量樁正式運(yùn)行前1整年的溫度監(jiān)測(cè)，用于精確比較供熱及制冷的效果。換熱泵于2017a 11月28日投入使用，但由于連接管道需要維修，于2017a 12月10日停機(jī)。接下來由于其中1臺(tái)循環(huán)泵反復(fù)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)不得不多次停運(yùn)檢修直至2018a 7月初。從2018a 7月初開始，辦公區(qū)的供暖和制冷全部由該能量樁系統(tǒng)提供。從2018a 4月開始，監(jiān)測(cè)熱泵運(yùn)行期間進(jìn)/出口換熱流體的溫度。整個(gè)基礎(chǔ)中的換熱管網(wǎng)中液體的溫度隨時(shí)間變化結(jié)果如圖3所示。由于采集設(shè)備故障導(dǎo)致2018a 6月13日到2018a 8月30日這段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)缺失。

能量樁換熱原理是在冬季將溫度低于地溫的傳熱液體注入地?zé)峁芫W(wǎng)，通過熱交換來提取熱量，進(jìn)而在液體出口處獲得更高的溫度，夏季反之。能量樁的熱交換能力可以根據(jù)流入和流出的換熱流體的溫度差進(jìn)行評(píng)估，其換熱功率如下

Q=mwCw(Tinlet-Toutlet)

(1)

式中：Q為能量樁換熱功率，W；mw為換熱液體質(zhì)量流量，kg/s；Cw為換熱液體的熱容，J/(kg·℃)；Tinlet為換熱管網(wǎng)入口處液體溫度，℃；Toutlet為出口處液體溫度，℃。由公式(1)可知，Tinlet和Toutlet之間的差值越大，提取的熱量值越大。

在地溫不發(fā)生顯著變化的前提下，當(dāng)進(jìn)口和出口換熱液體溫差大于2℃就足以使地源熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行[1]119。由圖3(b)可知，所測(cè)能量樁提取的平均溫差約為5℃，表現(xiàn)出良好的熱交換能力；此外，進(jìn)/出口換熱液體溫差在極端氣溫期間更大。根據(jù)法國(guó)氣象局(Météo France)數(shù)據(jù)顯示，2018a 4月和5月巴黎地區(qū)出現(xiàn)較高的氣溫波動(dòng)，與之相對(duì)應(yīng)，能量樁系統(tǒng)也表現(xiàn)出經(jīng)常在加熱和冷卻模式之間轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。2018a 6月，為解決1個(gè)循環(huán)泵的故障，整個(gè)能量樁系統(tǒng)被臨時(shí)關(guān)閉數(shù)次。如圖3(b)所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在2018a 6月13日到2018a 8月30日出現(xiàn)故障，造成在此期間進(jìn)/出口處換熱液體溫差為0。

圖3 換熱管中液體溫度隨時(shí)間變化

3.2 樁身溫度及軸向應(yīng)變

能量樁在運(yùn)行期間由于溫度冷熱交替變化會(huì)引起樁身軸向應(yīng)力和變形的變化。溫度導(dǎo)致的軸向應(yīng)力會(huì)增加建筑對(duì)能量樁的荷載要求，而溫度引起的軸向變形可能會(huì)導(dǎo)致建筑物的長(zhǎng)期使用性能發(fā)生變化[22]。因此有必要在能量樁啟用前后對(duì)樁身的溫度和軸向變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

溫度變化會(huì)影響應(yīng)變計(jì)測(cè)量結(jié)果，溫度升高會(huì)引起應(yīng)變計(jì)振弦伸長(zhǎng)，從而得到比由實(shí)際外部應(yīng)力引起的更低的頻率讀數(shù)，在這種情況下往往得出混凝土樁受壓的錯(cuò)誤結(jié)論[23]?？梢杂霉?2)對(duì)所測(cè)軸向應(yīng)變進(jìn)行校正，以排除溫度的影響。

εobs=ε+αsΔT

(2)

式中：εobs是觀察到的樁上產(chǎn)生的軸向應(yīng)變，μm/m；ε是從數(shù)據(jù)采集器所記錄的應(yīng)變計(jì)頻率的變化中獲得的應(yīng)變，μm/m；αs是鋼的熱膨脹系數(shù)(11.83μm/m°C)；ΔT是溫度變化值，℃。此處應(yīng)變正值表示樁伸長(zhǎng)，負(fù)值對(duì)應(yīng)樁壓縮。

然后，通過從總軸向應(yīng)變中減去由于上部結(jié)構(gòu)自重引起的軸向應(yīng)變，確定溫度變化對(duì)樁變形的影響，公式如下

εTh=εobs-εM

(3)

式中：εTh代表由于溫度變化引起的軸向應(yīng)變，μm/m；εM是由結(jié)構(gòu)自重引起的軸向應(yīng)變，μm/m。

P18能量樁的樁身溫度隨季節(jié)和深度的變化情況如圖4所示。如圖4(a)所示，在啟用地?zé)嵯到y(tǒng)的前1a內(nèi)，明顯的溫度變化只出現(xiàn)在樁頭以下5m(樁頭位置距離地表水平為3m)的樁身深度范圍之內(nèi)，其變化幅度為-4.6℃～+1.5℃，該溫度變化是由大氣溫度變化引起的。隨樁體深度增加，樁身溫度先減小然后趨于穩(wěn)定，當(dāng)樁體深度>5m (即相對(duì)于地表水平>8m)時(shí)，最終保持在13℃左右。能量樁啟用前樁身溫度的變化幅度和沿樁體深度的分布與文獻(xiàn)[24]中的結(jié)果一致。

如圖4(b)所示，在地?zé)嵯到y(tǒng)啟用后P18號(hào)能量樁的樁身溫度沿深度的分布呈現(xiàn)了不同的趨勢(shì)，除2018a的夏季和秋季表現(xiàn)出略大的波動(dòng)外，在內(nèi)部安裝有換熱管的7m深度范圍內(nèi)溫度基本保持恒定，這是由于換熱液體在換熱管中循環(huán)所致。換熱泵運(yùn)行之后樁身溫度的變化范圍為-3.9℃～+1.9℃，與運(yùn)行之前的變化幅度(-4.6℃～+1.5℃)相比差別不大，且2種變化幅度均小于10℃。此外，在地?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行后溫度波動(dòng)范圍比文獻(xiàn)[25-26]中記錄的范圍要小，其原因是在監(jiān)測(cè)期間熱泵由于故障或按照建筑物的能源需求而沒有連續(xù)運(yùn)行，因此施加在能量樁上的熱負(fù)荷的作用時(shí)間相對(duì)較短。

圖4 P18能量樁樁身溫度隨樁體深度的變化情況

在能量樁投入使用前后的不同時(shí)間點(diǎn)，P18能量樁的軸向應(yīng)變隨深度的變化情況如圖5所示。樁的軸向應(yīng)變也存在類似圖4中溫度的變化趨勢(shì)。在能量樁地?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)營(yíng)之前可以觀察到由于季節(jié)性溫度變化引起軸向應(yīng)變隨著深度增加而減小，其變化幅度為±40μm/m，圖5(a)所示。而在換熱泵開始工作后發(fā)現(xiàn)，裝有換熱管的樁長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生了±25μm/m的軸向應(yīng)變，如圖5(b)所示。能量樁啟用前后樁身的軸向變形值都非常小，遠(yuǎn)低于C30混凝土的彈性極限(約為460μm/m)。由能量樁運(yùn)行引起的與由季節(jié)性巖土體溫度變化引起的樁身軸向變形值具有相同的數(shù)量級(jí)，但前者在沿樁身上的區(qū)域分布更加均勻。在整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)，樁身軸向變形范圍在-50μm/m(壓縮)和+30μm/m(伸長(zhǎng))之間，雖然變化很小但在設(shè)計(jì)中不應(yīng)忽略。

圖5 P18能量樁軸向應(yīng)變隨深度的變化情況

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)某新建污水預(yù)處理廠房的能量樁系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，監(jiān)測(cè)其換熱管網(wǎng)進(jìn)出口液體溫度、樁身溫度以及樁身軸向變形，進(jìn)而評(píng)價(jià)其換熱能力并量化分析該地?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行對(duì)樁基的影響。主要結(jié)論為：

(1)進(jìn)出口換熱液體的平均溫差約為5℃，具有良好的熱交換能力，可滿足建筑物的供熱和制冷需求。

(2)在能量樁運(yùn)行前，樁身溫度隨深度增加先減小后趨于穩(wěn)定，最終保持在13℃左右。

(3)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，樁身軸向變形范圍為-50～+30μm/m。

不同地區(qū)巖土體特性不同也可能導(dǎo)致本文監(jiān)測(cè)到的樁身溫度變化比以往文獻(xiàn)中記錄的要小。部分樁身軸向變形也可能是預(yù)處理廠房結(jié)構(gòu)荷載的變化所致，例如儲(chǔ)水罐中的水位會(huì)在廠房投入使用之后發(fā)生變化進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)荷載的變化。長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明能量樁樁身溫度和軸向應(yīng)變的變化均在安全范圍之內(nèi)。

本文的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)國(guó)內(nèi)能量樁設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)提供了一定程度的參考，具有一定的借鑒意義。但該研究也存在不足之處，例如在能量樁投入使用后未對(duì)進(jìn)/出口換熱液體的流量和壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)布置的數(shù)據(jù)采集器耐久性不夠?qū)е卤O(jiān)測(cè)期內(nèi)出現(xiàn)故障，造成數(shù)據(jù)缺失，未來的監(jiān)測(cè)有必要增加溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器的數(shù)量以避免類似情況的出現(xiàn)。樁身由于溫度變化引起熱脹冷縮，也將造成樁頂位移變化，有必要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。此外，能量樁運(yùn)行對(duì)樁-土接觸面熱力學(xué)響應(yīng)特性以及樁基承載性狀的影響也有待進(jìn)一步研究。