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JGJT438-2018 桩基地热能利用技术标准.pdf

修，因此应采用使用寿命长的高质量管材作为能源桩。应符合国 家现行标准《给水用聚乙烯（PE）管材》GB/T13663和《地源 热泵系统用聚乙烯管材及管件》CJ/T317的相关规定，聚乙烯 管材的期望使用寿命为50年。 6.3.7桩身混凝土配合比需要综合考虑整体结构、施工能力以 及桩的换热需求。为提高导热性能，可选用导热系数比较高的骨 料，如石英砂代替普通砂等措施。

桩基地热能利用系统设计计算

7.1.1由于目前桩基地热能利用工程应用案例不多，因此参考 国内外地源热泵规程相关规定，将应用建筑面积为5000m²以上 或负荷500kW以上的系统定义为大型桩基地热能利用系统。 7.1.2桩基地热能利用系统涉及岩土、暖通、控制等多个学科 地下部分是工程最先实施的，因此桩基地热能利用系统的可行性 应在项目早期提出并进行论证。尤其要注意结合工程地质水文条 件、建筑物冷热负荷和地下结构的几何和传热特性，并随项目进 展不断更新方案设计。在方案的初步阶段和技术选型阶段，可根 据简化的经验计算方法或数值模拟给出初步的方案，最终的设计 方案宜采用动态模拟工具进行计算和优化， 在桩基地热能利用系统设计过程中需注意如下儿点： 1能源桩的布置通常是由结构/岩土工程师根据建筑结构本 体来确定的。这意味着，桩基地热能利用系统设计的目的是对给 定的建筑桩基进行换热管路的优化设计，而非需要满足建筑物全 部的冷热需求。 2根据经验，通常可利用的能源桩数量仅能满足建筑本体 的部分冷热负荷或基础负荷，因此在进行详细设计之前，应明确 能源桩可承担的建筑冷热负荷比例，确定是否需要增设钻孔理管 或其他辅助冷热源与能源桩共同承担建筑负荷。 3相比钻孔埋管换热器，能源桩长度短、直径大。在能源 桩短期性能和长期性能的分析中需考虑这种儿何上的特点。 4能源桩的热阻比钻孔埋管换热器要大，具体数值还与放 置的换热管路数量和连接方式有关。

能源桩设计软件，对系统进行至少为期一年的取热和放热工况 拟，并确定系统主要部件的相关参数、优化系统方案和控制 略，给出运营管理策略。

7.1.4对于复杂的系统GB/T 41758.1-2022 塑料 聚酮（PK）模塑和挤出材料 第1部分：命名系统和分类基础，要给出能源桩的基本负何和附

7.2.1根据不同桩基结构，可以选择不同的换热管路形式，例 如单U型埋管，双U型或多U型换热管路并、串联布置，以及 螺旋埋管的布管形式。

年逐时吸热量与释热量。扣除热泵机组压缩机功耗之后，吸热量 应等于换热管路承担的建筑热负荷加上输送过程的热损失再减去 水泵释放的热量；换热管路的释热量等于换热管路承担的建筑冷 负荷加上热泵机组压缩机功耗之后再加上输送过程的热损失与水 泵释放的热量。具体分析应符合现行国家标准《地源热泵系统工 程技术规范》GB50366的相关规定。

7.2.4能源桩的长期换热性能，受岩土体热物性尤其是地下水

流动情况的影响非常大，设计前需对现场地下水渗流速度及岩王 综合导热系数（包含了地下水的影响）等参数进行测试。不同的

性能有很大关系。数值模拟软件分析能源桩传热精度高，但计算 时间长，且数值模拟软件很难对包括地下换热器、热泵机组以及 建筑负荷在内的整个系统进行性能模拟。因此有必要采用专业系 统模拟软件对系统进行精细的动态模拟

7.2.6明确桩和地基土温度变化范围、给定换热管路中循环工

质的温度范围，不只是满足建筑负荷需求，同时也是为了桩基工 程的设计，要让这些温度变化处于桩基工程师认可的范围内，为 桩基设计人员考虑温度变化对桩基力学与变形性能的影响提供 依据。

目关的多个影响因素。其中最为重要的因素包括： 1）工程地质水文条件； 2）能源桩的分布、数量与儿何特征； 3）由位于建筑基础底板内的水平总管产生的热损耗（需 考虑基础底板是否有必要设隔热层）； 4）建筑的冷热负荷：

5）同时满足能源需求和桩基结构功能。

5）问时满定能源需求和基结构切能。

7.2.8在无地下水流动的土层中，桩基地热能利用系经

释热量与总吸热量的平衡，是确保土壤全年热平衡的关键，应分 别计算系统夏季设计冷负荷与冬季设计热负荷对于能源桩总长度 的要求。当总释热量与总吸热量无法平衡时，为了保证土壤的热 平衡，也为了系统运行经济合理，可增加辅助冷热源，也可以与 其他冷热源联合运行。

7.2.9能源桩输配系统的耗电输冷热比反映了地下换热器输配

系统中循环水泵的耗电与能源侧冷热负荷的关系，对此值进行限 制是为了保证水泵的选择在合理的范围，降低水泵能耗。该数值 可参考国家现行标准关于闭式循环水系统的耗电输冷热比的相关 规定，

7.2.10为保证能源桩的换热能力，一般建议将能源桩

出口与机房热泵入口之间的水平总管作为换热富余量考虑。

出口与机房热泵入口之间的水平总管作为换热富余量考虎

越大，换热功率越大。但是，过大的温差会影响桩基础结构及其 周围土体的力学性能，因此要限制循环工质的工作温度范围。能 源桩的使用不允许导致桩、土温度降到2℃以下，以避免由此而 引发的地基土的冻融循环，严重影响桩作为结构构件的承载能 力。当能源桩换热管路中的循环工质仅仅是水，并没有添加其他 防冻剂时，地基土不会发生冻结。对于添加防冻剂的循环工质应 注意地基士最低温度限制

7.2.14群桩的换热功率可通过非线性数值分析方法进

束应力，还应妥善考虑季节性循环温度效应对桩体内力和沉降的 影响。

8.2.1对于饱和软黏土或渗透系数较低的土体，应考虑由于孔 隙水胀缩受到土体骨架限制，因孔隙水与土骨架的热膨胀系数显 著差异所引起的温变超静孔压累积，以及其他微观结构变化导致 的士体抗剪强度的改变。 1温度升高时黏性土中超静孔压上升，会引起土体不排水 抗剪强度和刚度的降低，在设计中应予以考虑。 2而当温度恢复或固结发生时，土体的不排水强度又会部 分恢复。恢复的程度取决于土体的类型、超固结比和温度变化幅 度等。 3变温对能源桩承载力的影响是一个动态过程，同时受到 变温幅值和变温循环次数的影响，所以需要同时考虑最大变温和 循环变温条件下的桩基承载力变化。能源桩承载极限状态设计的 安全系数则取为与常规桩基相同（见现行行业标准《建筑桩基技 术规范》JGJ94的相关规定）。

图6温度荷载作用下桩 身附加轴向应力和附 加轴力计算简图（和 AN分别为温度变化△T 引起的附加轴向应力 和附加轴力）

8.2.2为简化起见，对于端承和桩 顶受约束的桩，假定温度引起的变 形在桩端部受到完全约束（如图 6），而忽略桩侧摩阻力的约束作用， 则桩身温度附加轴力沿桩长均匀分 布，其大小可通过式（8.2.2）确 定。对于摩擦桩，根据国内外原位 能源桩温度应力实测结果，当桩顶 约束不大时，温度变化引起的桩身 变形一般无法由侧摩阻力完全约束， 其引起的桩身附加轴向应力最大值 应小于端承受约束桩的附加轴向应

力值，其折减程度受桩周地基软弱程度的影响。对于正常固结或 轻微超固结地基，因其约束桩温度变形能力弱，折减近一半；而 对于超固结地基而言，其约束能力增加，可不进行折减。本条提 出的附加温度应力系数大小与桩土界面性能和桩端约束强弱息息 相关。 8.2.3 能源桩结构设计的重点，在于结构荷载和温度效应耦合

作用下的桩基受力和变形计算。对于地基土力学性质良好的工 程，可按相似条件下的已有能源桩结构热响应的实测规律给予近 似考虑；而温度对软弱土体力学性质存在较大、较为复杂的影 响，因而需要结合现场原位测试和实验室测试进行更为精确的设 计计算。

8.3.1随着温度恢复、超静孔压的消散以及温度变机制等的 发生，桩周土体的热固结（主固结和次固结）会导致不可恢复的 土体变形，在桩的变形设计计算中应予以考虑。如果桩周土体为 正常固结或者轻微超固结黏性土，在升温荷载作用下往往表观先 期固结压力降低，并将可能产生进一步的热固结沉降，从而在栅 表面产生负摩阻力，导致桩的少量下沉；而对于严重超固结黏性 土，升温荷载作用下其先期固结压力的变化很小，桩倾向于产生 体积膨胀，因而桩体将可能产生较小的上抬运动。桩土界面性质 会受到循环温度荷载的显著影响。在变温作用下，桩身将发生径 向膨胀或收缩趋势，而桩周土体也会相应体缩、体胀。桩土界面 上正向应力和摩擦力的大小和方向会发生改变，从而影响桩的强 度和长期变形

8.3.2黏性土的变形性质对温度影响较为敏感，这主要体现在

典型重塑黏土（高岭土和伊土）的热固结实验结果表明 正常固结黏性土在正常荷载作用下，受到最多3次温度循环作

图7温度对固结曲线及表观先期固结压力的影响（含硫粉质黏土

4温度对软土端变行为的影响主要表现为：升温引起饱和 黏性土的温度蠕变［如图8（a），在实际工程中可表现为地基 的附加沉降，这主要可能发生在正常固结或轻微超固结黏性 土中； 5温度变化对土体剪切强度的影响，这种影响在不排水条 件下最为不利，对于正常固结或轻微超固结黏性土通常引起不排

水剪切强度的降低，如图8（b）所示。

一个承台下所有桩均为能源桩时，桩顶可近似视为无约束状态；对 于软土或者软岩中的能源桩，其桩端也近似处于无约束状态。 2上述无约束自由变形状态下，能源桩的温度变形最大，而附 加温度应力最小。当承台下连接有非能源桩或桩底土体约束较强时， 桩身会产生较大的附加温度应力，而温度变形则较小。总体而言， 在温度荷载作用下，端部约束可导致桩身应力绝对值的增大（降温 时为拉应力，升温时为压应力）和侧摩阻力的减小。 能源桩在温度荷载和结构荷载联合作用下的桩身应力（或内 力），可根据线性叠加原理近似获得（如图9），即先分析仅结构

(c)降温荷载+结构荷载

e)升温荷载+结构荷载

图9能源桩的传力机制示意

9.1.1能源桩施工前的准备工作很重要。通常情况下，工程桩 施工前应编制施工组织设计。针对能源桩的施工还应在施工前编 制能源桩专项施工组织设计。 9.1.2与一般的工程桩施工相比，能源桩施工过程中涉及更多 的交叉作业，尤其是穿越地下室底板和水平总管施工时，应采取 相应措施对地下管线及构筑物进行保护

9.2换热管路的安装与保护

9.2.5当T程桩较长时，钢筋笼通常需分段连接。相应地，桩 孔内换热管也需分段连接。钢筋笼连接和换热管连接交叉施工时 极易造成换热管损伤。工程上经常采用的办法是对连接段的换热 管采用橡塑保温材料进行包裹，避免换热管受到直接机械损坏和 焊接损伤。 换热管在空间上的定位是否牢固，会极大地影响到其换热性 能的发挥。换热管通常是绑扎在钢筋笼上。当采用U型或W型 布置时，换热管与钢筋笼主筋方向平行，只要贴紧绑扎即可；但 当采用螺旋型布置时，浇筑混凝土的导管在下放时易触碰到换热 管。因此本条建议螺旋型布管方式宜绑扎在钢筋笼外侧，避免导 管下放过程中造成对换热管的损伤。当在预制管桩中布设换热管 路时，建议按钻孔埋管的方式对管路进行空间定位，例如按照不 大王2.0m间距布置定位支架

9.2.6工程桩在成桩施工完成且达到混凝土龄期后一般均会

行剔除桩头浮渣和截断多余桩段的作业，这个过程中极易造成换 热管的破坏。工程上常用的对换热管路保护方法是在拟破除桩段

的范围内布置钢套管避免换热管受到直接的破坏。外包橡塑保温 材料的主要目的一是阻止水泥砂浆进人钢套管内；二是使换热管 居中，使得在切除桩顶上部的钢套管时易于控制切割位置，而不 至于使换热管受到损伤

挤压破坏。同时考虑到大部分建筑桩基桩顶均在自然地面下一定 深度（主要取决于地下室的层数和层高），对回路一端进行封堵， 管道打压后在另一端通过设置阀门来做保压处理。本条建议可设 置PE阀门主要是基于成本的考虑。由于管端受控于桩顶理深而 埋在自然地面下一定深度，阀门后续会被切除，因此是一种临时 性构件。

规定要采取切实有效的措施保障在作业过程中减少对管路的破 坏。冲洗并试压是对每一个管路进行检查确认的重要环节。

9.2.9本条中单桩换热能力退化可能是由于换热管堵塞、

水平管沟底回填材料通常建议采用细砂。 工程实践中发现，有些能源桩项目实施后，会引起地下室底 板渗漏问题。主要原因是换热管穿越地下室底板时，工程措施不 当引起的。本条的建议措施是在工程实践中得到认可的有效方 法。对换热管和钢套管间的空隙进行灌浆处理尤为重要。

并由经过适当培训的人员实施熔接工作。管材熔接方式包括电 熔、热熔和承插焊接。换热管路连接件所用材料应与管材一致。 桩基地热能利用承包商应对恶劣天气下的管材熔接工作采取适当 措施。

9.3换热管路的压力测试及冲洗

9.3.1本条参考了现行国家标准《地源热泵系统工程技术规范》 GB50366中关于换热管试验压力的有关规定，主要是考虑了压

力值的安全储备。 能源桩的冲洗和压力测试要比一般的钻孔理管工程复杂。根 据其工艺流程分为五次水压试验，且随着换热系统总装程度提 高，其稳压时间逐步加长。本条规定主要是强调，在换热系统逐 步形成的每一个环节中，通过水压试验加强过程控制。 9.3.2包括能源桩和钻孔埋管在内的整个换热系统的水力平衡 对于降低系统运行能耗非常重要。本条规定，在系统调试阶段， 应对水力平衡系统进行综合评估，并与设计工况进行比对，查找 原因和进行设计修正。

9.3.3包括能源桩和钻孔埋管在内的整个换热系统的冲洗是

障系统安全和高效运行的重要措施。本条参考了现行国家标准 《地源热泵系统工程技术规范》GB50366中对于系统冲洗的相关 规定。

10.2.1工程材料检验是工程施工中不可或缺的环节，本条对于 换热管的检验规定作了更明确的要求。 10.2.2本条强调，大型能源桩工程除应进行岩土热物性测试 外，尚宜对混凝土导热系数进行测试，以提高设计精度和系统的 可靠性。

非工 10.2.3热熔连接是换热管连接的重要方式，也是工程质量控制 的重要环节。进行现场热熔连接试验，确定工艺参数，对保障焊 接质量至关重要

10.3.1换热管路的材料质量、连接和焊接施工质量以及压力测 式成果的可靠度是能源桩的重要质量控制环节。本条进一步强调 在工程检验报告中应将这些检验内容包含在其中。

料提出了更明确的要求。

10.4.4本条强调了水压试验的重要性。

10.5.1本条明确了能源桩工程作为一个重要的分部分项工程， 其验收主体至少包括了四方重要的责任主体， 10.5.2本条强调了能源桩工程验收材料既包含桩基结构验收资 料，也应包括水平管路在内的换热管路验收材料

[11. 1 二般规定

11.1.1研究结果表明，桩基地热能利用系统的能效，不仅与设 计、施工有关，而且与后期运行、维护有密切关系；进行系统运 行状态参数优化设计，对掌握系统运行状态、及时调整运行策 略，以及提高系统运行效率都具有重要的指导意义；桩基地热能 利用系统通过与桩周岩土体进行热量交换，达到为上部建筑物提 供制冷和供暖需求的目的，这种热交换一定程度上改变了周围岩 土体原始地温场；地温场持续升高或降低会导致换热效率降低： 使桩基基础发生变形，也会带来地质环境问题。依据地温监测结 果，通过调整系统运行方式，将地温场变化控制在可接受范围 内，实现桩基地热能利用换热系统长期稳定、高效运行，达到控 制桩基基础变形、减轻或消除对地质环境影响的目的。 11.1.2监测数据是评判系统运行合理性和对地质环境影响程度 的重要依据。为指导桩基地热能利用系统合理运行，应定期对监 测数据进行分析。监测数据分析的周期，宜根据工程的实际情况 和运行管理需要确定

11.2.1本条规定，运行过程应监测换热系统的主要参数，以反 映换热系统运行状况和能效情况。循环工质的温度可通过在管路 内安装温度传感器进行监测；流量可采用回直管安装流量计进行 监测，热泵机组和水泵功率可采用安装电流互感器或电表进行监 测。热泵机组电耗与循环水泵应分开监测。 11.2.2地温监测一般采用两种方式：一种是将温度传感器直接 a717LmT

[1.2.2地温监测一般采用两种方式。一种是将温度化

实践表明，将温度传感器埋入地下测温的方法存在两个主要 可题： 1成活率低。一些工程在理设后不久就发现部分传感器无 法使用，一些工程在监测运行一段时间后不断有传感器失效，直 至所剩无几。造成这种现象的原因主要是施工方法不当或传感器 密封性不能满足要求。 2随着时间的延长，传感器有数据漂移现象，不能准确反 映测点温度，主要与传感器的物理性质有关。 比较两种监测方式可以发现，成并方式设置监测孔具有以下 优点： 1监测方式灵活，可以是人工方式，也可在监测孔中布置 温度传感器进行自动监测； 2采用监测孔内布置传感器方式时，传感器（或系统）损 坏可以更换，也可以定期取出进行标定，能够保证监测工作的长 期进行。 因此，地温监测宜采用成并方式设置监测孔，监测孔内布置 监测点。监测孔宜布置在能源桩密集区，区外部的地温监测主要 用于环境影响分析。 地质环境监测孔和监测点布置应具有代表性。在桩基地热能 利用系统深度范围内，当土质类别不同，特别是当含水层的厚 度、渗流速度存在显著差异时，或者桩基地热能利用系统的桩 长、桩间距以及换热管路数量不同时，应分别设置监测孔。桩基 地热能利用系统外围的地质环境监测孔应位于地下水径流的下游 方向，用于地热影响范围和程度的分析，以及地质环境变化的长 期监测。已有研究结果表明，桩基地热能利用系统连续多年运行 的显著影响半径一般不超过10m，因而外围监测孔可在10m范 围内设置。

11.2.3在换热系统运行过程中，温度变化会造成桩基基础的热

胀冷缩，由热固结所导致的土体变形也会使桩基基础产生沉降。 因此，有必要对桩基基础变形进行监测，以保证建筑物的运营安

全，当出现异常情况时，应及时发出预警。可根据建筑类型和委 托方要求，确定桩基基础变形监测方法、精度等级和测量仪器 设备。

全，当出现异常情况时，应及时发出预警。可根据建筑类型和委 托方要求，确定桩基基础变形监测方法、精度等级和测量仪器 设备。 11.2.4自动监测系统具有准确、高效的特点，尤其适用于多要 素同时监测的情况，故本标准建议采用自动监测系统。自动监测 系统的数据采集频率可根据需要设置，通常热泵运行参数监测的 数据采集频率不宜大于3min，换热区地温的数据采集频率不宜

素同时监测的情况，故本标准建议采用自动监测系统。自动监测 系统的数据采集频率可根据需要设置，通常热泵运行参数监测的 数据采集频率不宜大于3min，换热区地温的数据采集频率不宜 大于30min。

11.3.1管理制度建设的自的是为了保证系统安全、高效运行。 日常管理工作应包括：定期清洗除污器、过滤器、换热器及相关 管路，设备保养，仪表及传感器校准，运行数据记录。只有明确 了人员职责，明确日常操作与定期维护内容，才能确保系统持 续、正常运行。

11.3.2岩土体热平衡是桩基地热能利用系统的一个重要问题

11.3.2岩主体热平衡是桩基地热能利用系统的一个重要向题。 除了在系统配置时要求提供岩土体热平衡调节手段外，更重要的 是在运行过程中进行地层温度监测与控制调节。根据年运行测试 结果（也可进行全年岩土体热平衡模拟计算得出结果），制定桩 基地热能利用系统全年运行预案，通过地温监测孔监测、记录岩 十温度，定期分析岩十体温度变化，对基地热能利用系统的运 行策略进行调整，切实解决热平衡问题，提高系统运行效率。 11.3.4一般情况下，规模较大的桩基地热能利用系统宜设置集 中监控系统。设置该系统的自的是能提供恰当、合理地运行策 略，取得有效的节能效果。较大规模的能源系统往往是多能源复 合系统，有了集中监控系统可以把各种能源系统集合起来有效地 进行控制，充分发挥各种能源系统的节能优势。

11.3.5节能不仅体现在系统设计中，也体现在运行与维

气候、使用情况、设备性能的变化会影响系统运行能耗，因此计 录系统能耗与其他有关运行数据是分析与制定运行策略的基础

从而使设备、系统运行工况始终与负荷需求相匹配，使机组与类 统获得最佳能效比。

从而使设备、系统运行工况始终与负荷需求相匹配，使机组与系 统获得最佳能效比。 11.3.6桩基地热能利用系统运行期间，如果长期提取和注入的 热量不平衡，将会导致桩基地热能利用系统所在区域地温的持续 升高（降低），一方面会影响桩基地热能利用系统的运行效率， 另一方面也会改变原生态土壤的温度分布，从而影响当地地表生 态系统。过度的地下水冷却会提高水的pH值，降低钙的溶解 度，提高气相二氧化碳的溶解度；而过度的地下水加热将导致相 对较大的氧气溶解度，会加速含氮有机化合物的矿化和有机残体 的分解：也会使地下水不适合饮用。温度是士中微生物最重要的 环境因素之一，许多微生物的存活受到了温度的严格影响，尤其 是在一10℃时，细菌微生物的活性将显著降低。当土壤温度高于 30℃时，植物的根系生长会受到抑制，引起植物早衰

A岩土体热物性参数参关

A.0.1、A.0.2以下关于岩土热物性参数取值的研究成果可以 参考使用： 1Harland&.Nixon（1978）给出了两种类型地基土（砂和砾 粉土和黏土）的导热系数与含水率、干密度的关系图（图10）。

10地基土导热系数与含水率、干密度

2Solomoneetal.（1984）给出了AMRL粉质黏土导热系 数与含水率、干密度关系图（图11）。

AMRL粉质黏土导热系数与含水率、

3瑞士能源桩技术标准（2005）给出了三种类型地基土 黏土和淤泥、砂土、碎石）的导热系数与含水率、干密度关系 图（图12)

图12地基土导热系数与含水率、干密度关系（一）

导热系数[W/(m·K)] (b) 砂土.

12地基土导热系数与含水率、干密度

DB11／T 1596-2018 公园绿地改造技术规范4中国杭州地区土体的导热系数与含水率关系见图13

图13中国杭州地区土体的导热系数与含水率关系 （浙江省地质调查院）

5瑞士能源桩技术标准（2005）给出了地基土在冻结和非 冻结状态下容积热容量与饱和含水率、干密度关系图（图14）。

地基土容积热容量与饱和含水率、

6英国能源桩标准（2012）给出了部分典型英国岩石导热 系数（表1)。

表1部分典型岩石导热系数

7瑞士能源桩标准（2005）给出了常见土层渗透性、导热 系数与容积热容量取值范围（表2）。

Q／SY 06520.8-2016 炼油化工工程消防安全及职业卫生设计规范 第8部分：消火栓.pdf二层渗透性、导热系数与容积热容量取