(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)
由于我國人民生活水平的提高,供暖制冷方面能耗所占到社會總能耗的比重的25%~30%。而我國大部分供熱主要依靠煤炭,這也加劇了空氣污染問題[1]。能源樁是一種新型的樁埋管地源熱泵技術(shù)。它將通常意義上的樁基礎(chǔ)與熱交換器結(jié)合起來,具有造價低、占地小、污染低、效率高等特點[2]。能源樁技術(shù)的出現(xiàn),為解決這一難題提供了一個切實可行的思路。但是,值得說明的一點是,雖然能源樁技術(shù)在我國有很大的發(fā)展?jié)摿凸饷鲬?yīng)用前景,但是其也有諸多問題亟待有關(guān)研究人員去解決。
淺層的地熱能的溫度基本恒定,大約在15℃~20℃左右。在冬天,地表氣溫低而地下溫度高,從大地提取熱量,通過熱泵和壓縮機給建筑供暖;在夏天,地表氣溫高而地下溫度低,將建筑物的熱量轉(zhuǎn)移到地下,這樣就實現(xiàn)了夏天制冷而冬天供熱[3]。
能源樁由鋼筋混凝土樁和換熱管組成,通過換熱管連接地源熱泵機組,對地下土體抽取熱量或放出熱量。由于它將換熱器和建筑物中的混凝土樁基結(jié)合起來,把樁基作為結(jié)構(gòu)物和大地交換熱的媒介,利用樁身混凝土較好的熱傳導性能和樁土更大的接觸面,提高了換熱效率。
能源樁技術(shù)興起于上世紀80年代的歐洲,在2000年前后傳入我國后,國內(nèi)外的學者都對能源樁進行過研究,并取得了相應(yīng)的成果,但是至今為止,能源樁沒有形成一個完整的理論體系,不能完全滿足實際工程的需求,使得能源樁技術(shù)難以大規(guī)模推廣。目前存在的主要問題可分為以下幾方面:
能源樁既是結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件,又是換熱器,除了原來的上部荷載,還承受由于溫度變化產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力。
Bourne-Webb等在對能源樁進行原位試驗后提出,能源樁樁身溫度在下降19℃時,樁中下部會產(chǎn)生最大為2MPa的拉應(yīng)力[4]。桂樹強等在對一根12m能源樁進行實測后發(fā)現(xiàn),在冷熱循環(huán)后,樁身會產(chǎn)生不可恢復的沉降[5]。
拉應(yīng)力和不可恢復沉降的出現(xiàn)都表明,溫度變化對樁基承載力和沉降的影響不可忽視。
Yavari等改造盒式直剪儀,研究不同溫度下接觸面的性能變化,發(fā)現(xiàn)黏土-混凝土界面呈軟化狀態(tài)[6]。李春紅等通過室內(nèi)直剪試驗,發(fā)現(xiàn)溫度效應(yīng)最明顯的是能源樁-黏土界面[7]。
當熱荷載從樁身傳遞到土體時,熱荷載會引起土體的體積改變。因此土體溫度的變化會積極地或消極地影響樁-土接觸面的應(yīng)力狀態(tài),從而影響樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮,特別是對于軟土地區(qū)的摩擦樁來說。
現(xiàn)有關(guān)于能源樁的傳熱理論基本上是基于井埋管地源熱泵,但是由于能源樁的長徑比遠小于井埋管地源熱泵,所以能源樁的傳熱不但要考慮徑向傳熱,還應(yīng)考慮樁身尺寸、材料對傳熱的影響。
現(xiàn)有的線熱源、柱熱源、螺旋線熱源等模型雖然已用于工程設(shè)計,但是仍有不足之處[8]。部分理論計算所得的巖土熱物性參數(shù)有時與實際值相差較大,影響造價。
雖然仍有大量的問題有待深入研究,但是從國內(nèi)外能源樁實際工程使用效果來看,還是能夠基本達到預想的供熱量指標[9]。這說明雖然能源樁還未形成完整理論體系,但通過工程經(jīng)驗可以彌補其理論的不足。
隨著節(jié)能減排工作的不斷推進和城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴大,建筑節(jié)能越來越受人們重視。能源樁技術(shù)擁有的諸多特點,使其非常適合作為城市建筑節(jié)能的解決方案。但是由于能源樁將換熱器放置在樁基礎(chǔ)內(nèi),必須與地下結(jié)構(gòu)同時施工,一旦建筑建成就無法應(yīng)用該技術(shù)。因此應(yīng)該抓住大規(guī)模城市建設(shè)歷史機遇,推廣能源樁技術(shù)。