利用桩基地热能的基本原则

《桩基地热能利用技术标准》（JGJ/T 438-2018）第3.0.1条规定：桩基地热能利用工程应根据当地气候条件、水文地质工程条件、场地浅层地温资源情况、建筑地基基础与地下结构设计、建筑环境与能源应用要求等因素，对桩基地热能利用系统实施的可行性和经济性进行评估。

其条文说明进一步指出：在高渗透性和地下水流速较高的地基土中，设计施工冷热两用的桩基地热能利用系统最为合适。如果是有蓄热或蓄冷要求的系统，则在低渗透性和低流速地下水的地基土是最适合的。

桩基地热能利用工程的正确与合理使用，尤其对房屋建筑而言，需要多学科和多工种的配合。岩土工程师、建筑师、给水排水工程师、暖通工程师和专业管道工程师应该在设计的最初阶段进行配合。

桩基地热能利用系统是构筑整个节约型、环保型房屋暖通和能源设施的一个部分，它的设计和安装，应该纳入整个房屋暖通和能源设施优化设计的整体目标中。

在新建房屋中，桩基地热能利用系统的设计和施工，直接将换热管路安装在混凝土桩构件中，是最经济的做法。同样，许多老旧房屋的加层改造翻新，涉及对现有房屋基础的加固，此时利用能源桩或其他地热基础形式仍具有较好的技术经济价值。

《桩基地热能利用技术标准》（JGJ/T 438-2018）第3.0.2条规定：桩基地热能利用工程设计前，应进行工程场地与环境调查、岩土工程勘察及岩土热物性勘察。

《桩基地热能利用技术标准》（JGJ/T 438-2018）第3.0.3条规定：桩基地热能利用工程设计前，应具备下列文件：

（1）工程总平面布置图；

（2）工程安全等级、结构类型和使用条件；

（3）地下结构设计平面图和剖面图；

（4）地基基础或建筑桩基结构设计等级；

（5）地基基础或桩基方案设计平面图和剖面图；

（6）传至基础的上部结构荷载、地基承载力要求；

（7）地基基础变形控制值。

（8）建筑空调供暖负荷需求条件，包括全年动态负荷及空调供暖设计负荷；

（9）建筑物理与技术参数；

（10）气候条件和节能标准；

（11）岩土工程勘察报告；

（12）岩土热物性勘察报告。

《桩基地热能利用技术标准》（JGJ/T 438-2018）第3.0.4条规定：桩基地热能利用工程应根据换热需求、桩基承载要求和地层条件，对能源桩换热管路与桩身结构进行协同设计，并应对其长期运营性能及环境影响进行分析。

能源桩换热系统设计应对在地基土、桩身混凝土中的热传递以及埋置于桩身中换热管路中循环工质的强制热对流，进行一体化设计。如果地基土和桩身的条件复杂，或是中型以上能源桩项目，应对其进行三维数值分析。虽然此类数值分析计算相对复杂，具有一定的难度，但出于当前对环境保护的要求，各地政府和监察部门都需要提供这种计算结果，以了解地基土和地下水中温度的分布随时间的长期变化。

能源桩换热初步设计可按如下参考值进行：

（1）直径0.3m~0.5m的桩基每沿米可获得40W~60W的热量；

（2）直径大于0.6m的桩，每沿米与地基土接触面积可获得35W的热量；

（3）地下连续墙或板桩墙，每沿米可获得30W的热量；

（4）基础地板每沿米可获得10W~30W的热量。

换热器中强制热对流的优化设计，应考虑如下因素的影响：

（1）管路的直径和长度；

（2）管壁的性质，如粗糙度；

（3）管中循环工质的热工参数；

（4）管中流速和流动状态等。

能源桩的间距是影响整个系统换热效率及工程桩结构响应与安全的重要因素之一。但此值的确定受到结构基础方案、桩土热工性质以及工程水文地质条件等因素的影响，无法给出一般的规律。通过先进的传热与结构耦合的数值方法，对设计工程基础桩位情况进行必要的模拟计算，是目前比较可行的做法。对于大型桩基地热能利用工程，建议进行群桩传热和结构性能的试验或监测工作，以确保设计方案的有效性。

当能源桩处于正常使用极限状态时，即一方面承受结构正常使用荷载，另一方面还要承受因与周围岩土体换热而导致的自身温度的变化（一般温度变化范围为10℃~15℃），桩身在热负荷-结构荷载耦合作用下出现复杂的受力与变形行为。这种桩基在热负荷-结构荷载耦合作用下的力学性质是能源桩结构设计的主要依据。