JGJ∕T 438-2018 桩基地热能利用技术标准.pdf

2.1.1桩基地热能利用utilizationofgeothermalenergythrough

2.1.2能源桩geothermalpile

在建筑物的桩基中埋设闭合换热管路，与岩土体进行热 换，同时具有承载结构和换热双重功能的桩。

通过测试仪器，对项目所在场区的测试钻孔或能源桩进行一 定时间内功率恒定的连续加热或取热，以获得岩土综合热物性参 数及岩土初始平均温度的试验

石油化工标准规范范本2.1.4换热功率测试thermalperformancetest

通过测试仪器，始终保持换热管路对地进口处水温恒定，对 页目所在场区的测试钻孔或能源桩进行一定时间的连续加热或取 热，以获得钻孔或能源桩换热功率的试验

由于温度变化引起的岩土体塑性体积变化

2.1.6桩身附加温度应力

能源桩在温度变化时因热胀冷缩受到周围岩土体或桩体其 部分限制，而在桩身内产生的附加应力

2.1.7岩土综合导热系数

通过热响应测试得到的钻孔理管或能源桩穿越岩土层的平 导热系数，在测试时间足够长的条件下，可由进出口水温的平 值与测试时间的对数值关系曲线的直线段斜率计算得到

C一比热容，指单位质量物质升高或下降单位温度所吸收或 放出的热量； Cv一 容积热容量，也称容积热容，指单位体积物质升高或下 降单位温度所吸收或放出的热量： Cve 饱和土体等效容积热容量，等于孔隙水和土颗粒的容积 热容量按两者各自体积所占比例的加权平均； 循环工质热容： Cw 水的比热容，指单位质量的水升高或下降单位温度所吸 收或放出的热量； C一土颗粒的比热容，指单位质量的土颗粒升高或下降单位 温度所吸收或放出的热量； d管材外径； E 桩身混凝土弹性模量； i一水力梯度，文称水力坡降或者水力坡度，指沿渗透途径 水头变化量与渗透途径长度的比值； K 安全系数； K。一Kersten系数，是由试验确定的岩土导热系数与其含水 量之间关系的经验系数； kD 水力渗透系数； nw 循环工质质量流量； n 孔隙率，土体中孔隙体积占土体总体积的比率； neff 有效孔隙度，指扣除结合水所占孔隙体积后的孔隙率； 岩土颗粒中石英矿物的比例； Q 能源桩换热功率； Quk 一计入温度作用效应的单桩竖向承载力标准值； ro 桩的半径； S. 一 岩土体含水饱和度；

桩身传热达到准稳态的时间； V.一 实际渗流速度，指流体在理想多孔介质孔隙中的实际流 速,V,=Vp/nefr; V 达西渗流速度，指假设的水流通过包括骨架与孔隙在内 的断面时所具有的一种虚拟流速，Vp二kp·i； Q 土的热扩散率，指导热系数与容积热容之间的比值，α =入/CV; αT 桩身混凝士热膨胀系数： △N一 温度变化引起的桩身轴力； △T 桩身温度变化： A 桩身附加温度应力； 桩身温度应力系数，反映桩身温度胀缩受约束程度对温 度应力的影响； 天然状态下岩土的导热系数； 入 岩土颗粒中非石英矿物导热系数； 入dry 干燥状态下岩土的导热系数； 入 岩土颗粒中石英的导热系数； 入 岩土颗粒的导热系数； 入 饱和状态下岩土的导热系数； 入 岩土孔隙水的导热系数； O 土颗粒的质量密度； Ow 水的质量密度。

3.0.1桩基地热能利用工程应根据当地气候条件、水文地质工 程地质条件、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

3.0.2桩基地热能利用工程设计前，应进行工程场地与环境调

1建筑结构与基础工上程的相关资料及参数文件： 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部面图； 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部剖面图： 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

1）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： 2）建筑物理与技术参数； 3）气候条件和节能标准。 3岩土工程勘察报告。 岩土热物性勘察报告

3.0.4桩基地热能利用工程应根据换热需求、桩基承载要

地层条件，对能源桩换热管路与桩身结构进行协同设计，并应又 其长期运营性能及环境影响进行分析。

3.0.5桩基地热能利用系统除应满足地源热泵系统地下换热性 能要求外，还不得影响桩基结构安全和正常使用，且不得对场地 生态环境造成不利影响。 3.0.6桩基地热能利用系统设计使用年限应满足地源热泵系统 的设计使用年限，并应满足期间的稳定性要求。能源桩结构性能

的设计使用年限，并应满足期间的稳定性要求。能源桩结构性能 应满足上部结构设计使用年限要求。

表3.0.7桩基地热能利用工程设计等级

3.0.8桩基地热能利用工程应在施工各阶段及施工完成后对能 源桩桩身换热管路进行压力检查和验收，并应在交付使用前进行 整体试运转、调试与验收。 3.0.9能源桩施工质量控制及验收除应符合能源桩施工及验收 要求外，尚应满足建筑桩基工程的相关要求，并应符合现行行业 标准《建筑桩基技术规范》JGJ94的相关规定

3.0.9能源桩施工质量控制及验收除应符合能源桩施工及 要求外，尚应满足建筑桩基工程的相关要求，并应符合现行 标准《建筑桩基技术规范》IGI94的相关规定

3.0.10桩基地热能利用系统投入使用后，应对能源桩结构安

3.0.10桩基地热能利用系统投入使用后，应对能源桩结构安

全、换热系统工作性能以及岩土环境影响进行不少于2年的监测

4.1.1桩基地热能利用工程专项勘察应包括下列内容

1工程水文地质条件：地下水类型、地下水水位及季节性 变化、水质、地下水渗流速度与方向等； 2地基土受温度影响的工程性质：变温条件下的固结特性 及强度等； 3岩土热物性试验和热响应测试。 4.1.2桩基地热能利用工程专项勘察尚应符合桩基工程结构设 计的勘察要求。

4.2.1复杂及大型桩基地热能利用工程宜进行温控岩土力学特

4.2.1复杂及大型桩基地热能利用工程宜进行温控岩土力学特 性室内土工测试，测试应包括固结试验、直剪试验和三轴固结不 排水剪切试验。温度控制范围宜为3℃～45℃。温度循环次数不 宜小于3次，其他试验操作步骤应符合现行行业标准《土工试验 规程》SL237的相关规定。 4.2.2地基土样的热物性参数实验室测试可采用热探针法、热 平板法、热线法、热带法或平面热源法。当进行初步设计或小型 工程设计时，岩土体导热系数和容积热容量等热物性参数可按本 标准附录A的规定取值

4.3.1中型和大型桩基地热能利用工程应通过原位热

4.3.1中型和大型桩基地热能利用工程应通过原位热响应测试

1中型和大型桩基地热能利用工程应通过原位热响应测试 得岩土体的平均初始温度以及综合热物性参数。 2岩土热响应测试宜通过原位钻孔埋管热响应测试方法进

获得岩土体的平均初始温度以及综合热物性参数

获得岩土体的平均初始温度以及综合热物性参数

行，测试孔数量不应少于2个。测试方法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，

行，测试孔数量不应少于2个。测试方法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。 4.3.3原位热响应测试钻孔直径不宜大于300mm；钻孔深度应 与能源桩的设计深度一致。应对钻孔周围地表及以上测试管路与 部件采取保温隔热措施。当测试孔孔口标高高于设计桩顶时，高 于桩顶标高的钻孔测试部分应采取绝热措施。钻孔内回填材料应 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

5.1.1能源桩换热计算采用的热物性参数及综合热响应性能应 通过传热性能测试确定。 5.1.2当桩径不大于300mm时，能源桩热响应测试可采用土 中钻孔理埋管热响应测试；当桩径大于300mm且为大型项目时： 宜在能源桩上进行热响应测试。 5.1.3测试桩（孔）的位置及数量应根据场地土的变异性确定 对大型桩基地热能利用工程，原位热响应试验数量不应少于3根 （个）。 5.1.4大型桩基地热能利用的热响应测试，宜与桩基载荷试验 相结合。当进行桩基载荷试验时，应通过热响应测试仪对桩身施 加温度荷载，记录桩身温度应力与应变的响应，及其传热性能

5.1.4大型桩基地热能利用的热响应测试，宜与桩基载荷试验 相结合。当进行桩基载荷试验时，应通过热响应测试仪对桩身施 加温度荷载，记录桩身温度应力与应变的响应，及其传热性能 指标。

5.1.5大型桩基地热能利用工程应进行取热和放热两种热响应

5.2.1当进行单根能源桩热响应测试时，测试桩应达到传热准 稳态要求，准稳态之前时间段内的测试数据在数据处理时应舍 弃。桩身传热达到准稳态的时间（t）可按下式估算：

5.2.3桩身混凝土的热物性参数取值可参照现行国家标准《

凝土结构设计规范》GB50010的相关规定。当桩径大于1000mm， 且热交换管设在桩的中心时，桩身混凝土导热系数测试可利用钻 孔埋管热响应测试方法。测得的混凝土导热系数可用于计算桩的 热阻或桩传热分析

1桩身混凝土浇筑完成21d后； 2浇筑混凝土前，桩顶5m以下钢筋笼体上安装了温度传 感器，浇筑完混凝土后温度传感器连续3d的温度读数差别不超 过0.5℃。 5.2.5当测试桩施工时，应以桩身轴线为中心，在其埋深中部 沿径向在桩截面中心、桩土界面和周边岩土地基中安装温度传感 器。当进行热响应测试时，应读取各测点温度随时间的变化值， 测试时间宜按本标准式（5.2.1）计算。桩和地基的热阻可通过 多极组合圆柱分析方法计算。 5.2.6当桩长与桩径之比大于或等于40时，桩身热阻和岩土综 合导热系数可由能源桩的热响应测试数据采用线热源或柱热源分 析方法计算获得；当桩长与桩径之比小于40时，不宜采用线热 源或柱热源模型，桩身热阻和岩土综合导热系数可采用有限元或 有限体积等数值计算方法进行反分析获得。 5.2.7地下连续墙热响应测试宜按本标准附录B执行。当测试 连续墙施工时，应在墙体内和周边岩土体地基中安装温度传感 器，并应读取测试过程中各测点的温度随时间的变化值。应采用 有限元或有限体和等数值计算方法，对连续墙执阻和岩土综合导

1桩身混凝土浇筑完成21d后； 2浇筑混凝土前，桩顶5m以下钢筋笼体上安装了温度传 感器，浇筑完混凝土后温度传感器连续3d的温度读数差别不超 过 0.5℃。

沿径向在桩截面中心、桩土界面和周边岩土地基中安装温度传感 器。当进行热响应测试时，应读取各测点温度随时间的变化值， 测试时间宜按本标准式（5.2.1）计算。桩和地基的热阻可通过 多极组合圆柱分析方法计算

拍桩长与桩径之比大于或等于40时，桩身热阻和岩土综

5.2.6当桩长与桩径之比大于或等于40时，桩身热阻和岩王

合导热系数可由能源桩的热响应测试数据采用线热源或柱热源分 析方法计算获得；当桩长与桩径之比小于40时，不宜采用线热 源或柱热源模型，桩身热阻和岩土综合导热系数可采用有限元或 有限体积等数值计算方法进行反分析获得

连续墙施工时，应在墙体内和周边岩土体地基中安装温度传感 器，并应读取测试过程中各测点的温度随时间的变化值。应采用 有限元或有限体积等数值计算方法，对连续墙热阻和岩土综合导 热系数进行反分析

5.3单桩换热功率测试

1 给定进口温度和流量条件下的换热功率可在能源桩上测 得。测试中进口水温和流量应恒定，并应记录出口水温随时

5.3.1给定进口温度和流量条件下的换热功率可在能源

5.3.2能源桩的换热功率应按下式计算：

5.3.2能源桩的换热功率应按下式计算，

式中：Q 能源桩换热功率（W）； Cw 循环工质的热容［J/（kg·K)]： mw 循环工质质量流量（kg/s）； tin 进口循环工质温度（K）； tout 出口循环工质温度（K)

5.4.1对建筑桩基设计等级为甲级的大型能源桩项且

6.1.1能源桩除应满足结构上承受上部载荷的功能，其构造尚 应满足与地基土进行热交换的功能。 6.1.2当在地下连续墙、基础筱板及其他地下结构中配备闭合 回路的换热管时，应同时满足结构承载和热交换双重功能

6.2.3当预应力管桩空腔内配置闭合回路换热器时，管桩桩芯

中宜埋设1个3个U型闭合换热管回路。管桩桩芯中埋设U 型闭合换热管回路后，宜采用膨润土和细砂或水泥的混合浆，或 专用灌浆材料对桩芯进行回填

体底部的距离不应小于3m

6.2.5当闭合换热管回路配置在地下连续墙中时宜采用W型、 改进W型或单U型换热管路形式（图6.2.5），并应符合下列 规定：

6.2.5当闭合换热管回路配置在地下连续墙中时宜采用W型

1当采用W型时，应在地下连续墙靠近迎土面和开挖面的 主筋上各布置一个U型管，两U型管应串联形成W型换热管 路，两U型管的支管间距不应小于150mm； 2当采用改进W型时，应在地下连续墙靠近迎土面和开挖 面的主筋上各布置一个U型管，两U型管应串联形成W型换热 管路，靠近迎土面的U型管其支管间距不应小于750mm，靠近 开挖面的支管间距不应小于150mm； 3当采用单U型时，应在靠近迎土面布置单U型换热管 路，其支管间距不应小于750mm。

图6.2.5地下连续墙W型、改进W型或单U型换热管路形式

6.2.6能源桩换热管紧贴钢筋笼内侧主筋绑扎，绑扎在

上的U型管下部离最底部水平钢筋不应小于200mm，上部高出 最上面水平钢筋不应小于500mm。

6.2.7能源桩与水平总管连接时，宜全部并联，较短能源桩可 两根或多根串联后再并联到水平总管上。 6.2.8能源桩换热管出桩时宜设置钢套管，并应在穿越地下室 底板时利用止水环和对管路与套管之间的空隙做注浆处理等止水 措施（图6.2.8）。

图6.2.8能源桩换热管路出桩节点构造 1一装饰层；2一保护钢套管；3一止水钢板； 4一防水混凝土底板；5一垫层

6.3能源桩管材与循环工质

1管材应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动 阻力小的塑料管材及管件，并应具有较良好的拉伸压缩性能，应 符合现行行业标准《地源热泵系统用聚乙烯管材及管件》CJ/T

317的相关规定。管材宜采用PE80或PE100的聚乙烯管或PB 聚丁烯管，不宜采用聚氯乙烯（PVC）管。管件与管材应为相 同材料。 2管材外径、壁厚及各自的公差应符合现行国家标准《地 源热泵系统工程技术规范》GB50366的规定。 3管材及管件应具有出厂合格证及第三方出具的质量检验 报告，并应根据设计要求进行现场抽样检验。 6.3.2管内循环工质及防冻液的选取应符合现行国家标准《地 源热泵系统工程技术规范》GB50366的规定。 6.3.3管路的额定压力及工作温度应满足设计要求，且管路的 额定压力不应小于1.OMPa。 6.3.4能源桩管材及管路系统应符合密闭容器设计安装要求， 设计使用寿命应满足地源热泵系统的设计使用年限，且不应少于

6.3.4能源桩管材及管路系统应符合密闭容器设计安装要求 设计使用寿命应满足地源热泵系统的设计使用年限，且不应少 50年。

6.3.6换热管路最小弯曲半径应符合表6.3.6的规定

表6.3.6换热管路最小弯曲半径

6.3.7能源桩混凝土配合比设计中宜使用高导热系数的材料与 配合比。混凝土骨料除应符合现行国家标准《混凝土结构设计规 范》GB50010的规定外，其导热系数应大于1.5W/（m·K）

桩基地热能利用系统设计

7.1.1大、中型桩基地热能利用系统应根据能源桩热响应试验 的结果进行设计。小型系统可按经验方法进行。 7.1.27 桩基地热能利用系统的初步设计所需资料应包括下列 内容： 桩与地基土的热物性参数； 2 建筑全年冷热负荷需求： 3 桩基结构布置形式及可利用的桩数。 7.1.3 对热源或冷源不少于两种的桩基地热能利用系统，在长 期运行工况下的换热性能应在详细设计阶段采用数值模型进行 分析。

7.1.4采用桩基地热能利用系统的建筑，室内供暖、空调

的计算应符合现行国家标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计 规范》GB50736的相关规定。供暖制冷动态负荷计算的最小计 算周期宜为1年。桩基地热能利用系统在1年计算周期内对地基 总释热量和从地基总吸热量应维持平衡

7.2.1能源桩的换热管路形式及布置应根据工程勘察结果、桩 的结构构造和几何形状、可利用桩数量等因素确定。 7.2.2大型桩基地热能利用系统应进行动态设计计算，且应包 括下列内容： 1能源桩全年逐时负荷； 2能源桩流体温度和桩周土体温度响应； 310年以上长期冷热平衡分析：

4相邻能源桩的换热影响

7.2.3能源桩动态设计计算宜根据建筑冷热负荷、岩土体热物 性、桩体热物性、桩内换热管路布置方式等参数，采用含有传热 分析的数值分析软件，或满足相关简化条件的变热流密度线热 源、柱热源等模型进行分析

7.2.4应根据地下水渗流的影响对能源桩进行长期换热性能

7.2.6桩基地热能利用系统的总体设计应包括下列内容

1桩基和周边土体允许的温度变化范围、满足负荷需求 能源桩规格与数量、换热管路中循环工质温度范围； 2能源桩换热管路的布置形式、水平总管的布置、循环 泵及热泵机组的选型

7.2.7能源桩的规格与数量应根据建筑桩基规格、换执器承担

的建筑冷热负荷、场地水文地质工程地质条件、岩土体热物性及 热泵机组性能等参数确定。

的建筑冷热负荷、场地水文地质工程地质条件、岩土体热物性

7.2.8能源桩换热管路的总长度应根据换热器系统供冷工况

供热工况分别确定。当系统最大释热量和最大吸热量相差小 10%时，宜取较大值；当系统最大释热量和最大吸热量相差不 于10%时，宜取较小值，并应采用增设辅助冷热源，或应采 与其他冷热源系统联合运行的方式。

7.2.9当选配能源桩侧循环水泵时，应计算输配系统耗电输冷 热比，耗电输冷热比宜符合国家现行相关标准的规定。 7.2.10当计算系统换热功率时，能源桩换热管路长度不应包括 水平总管。

7.2.11水平总管坡度不宜小于0.

7.2.12能源桩各个并联环路宜为同程，并应进行管路的水

.2.12能源桩各个开联环路直） 向程，开应进行管路的水力计 算，计算方法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

算，计算方法应符合现行国家标准《地源热泵系统工程技术规

7.2.13夏季运行期间，能源桩出口最高温度宜低于33℃；冬

7.2.14当能源桩为群桩布置时，应

通过数值分析方法确定群桩换热功率。

8.1.1能源桩结构设计除应满足常规结构桩基设计计算要求外， 还应计入温度变化影响，并应根据桩基设计条件及上部荷载要 求，进行桩基承载能力计算、稳定性验算、桩基变形计算和耐久 性设计

8.1.2进行能源桩结构设计时，采用的作用效应组合与相应

8.2.1计入温度变化的能源桩结构计算分析宜包括下列内容：

8.2.1计入温度变化的能源桩结构计算分析宜包括下列

8.2.2身最大附加温度应力标准值可按下式计算：

过滤器标准A = nNaT :AT. E!

o 桩身附加温度应力（升温受压为正，降温受拉为 负）（MPa); △T 桩身温度变化（℃）； αT 桩身混凝土热膨胀系数，取温度为20℃时的值 (/℃); E 桩身混凝土弹性模量（MPa）； 7N 桩身温度应力系数，取0.5～1.0，端承型桩以及 超固结土中的摩擦型桩取高值，正常固结土中的 摩擦型桩取低值

8.2.3能源桩结构在复杂条件下的循环温度效应分析，可结合

8.3.1以单桩竖向静载试验确定的单桩竖向承载力特征值 （Ra）应按下式计算：

中：Qk——计人温度作用效应的单桩竖向承载力标准值 (kN); Ra单桩竖向承载力特征值（kN)； K一安全系数，取2.0。

基载荷试验确定单桩极限承载力烟草标准，并应根据桩周地基土在温度循 环条件下的抗剪强度试验成果进行计算

9.1.1能源桩施工前应具备相应的工程勘察资料、设计文件和

9.1.1能源桩施工前应具备相应的工程勘察资料、设计文件和 施工图纸，并应完成施工组织设计或施工方案。 9.1.2能源桩施工应对既有地下管线及构筑物采取保护措施