地埋管地源热泵系统在采暖与空调系统工程中的应用

点击：1612 日期：[ 2014-04-26 22:00:23 ]

地埋管地源热泵系统在采暖与空调系统工程中的应用李宏军 (南通华新建工集团有限公司，江苏南通226600) 摘要：结合工程实例，介绍地源热泵系统中地埋管换热系统的深化施工方案、设备采购及供应、安装、培训、调试，竣工验收，品质保修期内的修、配、换服务。对类似工程具有一定的借鉴意义。关键词：正循环回转钻井；地藕埋管；灌浆回填；调试；节能中图分类号：TU833+.1文献标志码：A文章编号：1673-7237(2009)04-0051-05 0 引言地源热泵系统(ground-source heat pump system) 是以岩土、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。地埋管换热系统(ground heat exchanger system) 是指传热介质通过垂直或水平地埋管换热器与岩土体(rock-soil body)进行热交换的地热能交换系统，故又称为土壤热交换系统，见图1。 1.工程概况：江苏省海安县行政中心地处华东地区，海安中心城区，总建筑面积73 000 m2，该工程建筑高度75 m，分为三区，其中一区为档案馆，空调面积5 141.5m2；二区为会议餐饮楼，空调面积5 139.9 m2；三区为主楼，空调面积48 590.4 m2。本工程采用地埋管换热系统，选用地源热泵机组，利用交换液与土壤热交换，实现了热泵机夏季冷冻水供回水温度为7/12℃；冬季提供空调水供回水温度50/45℃。夏季地源出水温度为25～30℃，最高不超过35℃；冬季出水温度10～ 15℃，最低不低于7.5℃。设计生活热水，生活热水机组出水温度为50℃。 2.施工部署本工程地埋管地热泵系统方案设计前，通过对岩土层的结构岩土体热物性、岩土体温度、地下水静水位、水温、水质及分布、地下水径流方向、速度、冻土层厚度等主要技术指标进行分析和地埋管换热系统的安全复核模拟，确定出本工程地源系统夏季的最高出水温度为35℃和冬季最低出水温度为7.5℃。根据工程勘察结果，评估地埋管热系统实施的可行性及经济性，确定施工方案如下：采用室外地源换热器共为900孔，设置15个分区，每个分区负责60个地源孔；每个孔井深90 m，井位呈矩形排列，相邻两井间距4 m，总钻井深度约为 81 000 m；水平PE管长度约20 000 m，埋地深度2 m。每个分区设置分、集水器，地源孔与分区分、集水器采用PE阀门连接。整个地源系统埋地部分没有任何金属构、配件。每个分区通过地源干管与总分、集水器连接，在总分、集水器检修井内设置每个分区的流量平衡阀。根据工程施工进度要求，本工程室外地藕埋管施工与地上室内主机系统、空调末端系统施工同时进行。整个地藕系统设计为分区同程系统，全部采用热融连接。 3.地藕埋管施工 3.1地埋施工原则 (1)由外而内的原则； (2)由垂直到水平的原则； (3)由支管到主管的原则。 3.2施工流程(见图2) 图2地理施工流程图 3.3地埋管物资准备 (1)根据施工预算、施工方案和施工进度计划，合理编制材料、机具进场及使用计划，以免现场材料、机具堆放过多； (2)搭设临时材料堆放、存储仓库，搭设管道预制加工棚； (3)采用专业供货厂商提供的热熔连接工具、机具、严格按使用说明书操作； (4)本工程地藕系统采用的高密度聚乙烯HDPE3408 管材，该产品压力等级为1.2 MPa，热导率为0.46～ 0.57 W/(m·K)。 (5)本工程的主要岩土层为中密粉砂层，其热导率为2.1～2.3 W/(m·K)。为保证回填的密实、低温不龟裂以及回填材料的热导率须大于土壤岩层的热导率，故回填料选用5%的膨润土加95%的细砂混凝土混凝土混合料，其热导率为2.4～2.8 W/(m·K)； (6)本工程传热介质采用自来水，满足传热介质的必须的安全性、传热性、较低的摩擦阻力且经济适用的技术要求。 3.4材料检验及存储地埋管及管件应符合设计要求，应用的管材、管件及附件等应有企业质量检验部门的产品合格证及相关检测部门的质量检验报告。地埋管应采用化学性能稳定性好、耐腐蚀、热导率大、流动阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管(PE)或聚丁烯(PB)，不宜采用聚氯乙烯(PVC)管。管材、管件及附件应为相同材质。地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。管材应标明规格、商标或生产厂名、公称压力以及生产日期，包装应符合要求、还应标明长度。管材的公称压力及使用温度应满足设计要求，且管材的公称压力不应＜1.0 MPa，地埋管外径及壁厚可按《给水用聚乙烯(PE)管材》GB/T13663及《冷热水用聚丁烯(PB)管道系统》GB/T19473.2之规定选用。管材和管件的外观质量符合下列要求：管件应完整，无缺陷、无变形，合模缝交口应平整，无开裂。管材、管件运输储存应符合以下规定： (1)管材、管件运输、储存不应损坏外包装，不得暴晒、淋雨。成捆、成箱盘状管材及管件应堆放整齐，对方高度不应＞2 m。支点物应采用木块，宽度≥0.2 m，间距宜<1 m； (2)管材在运输时应避免尖硬物件划伤刻痕，沾染污物，管材不得用钢丝绳成捆吊装及重压。管材、关键应存放在通风良好、温度不超过40℃的库房内。工地临时堆放场应有防雨、防晒遮盖措施。管材、关键应远离货源，不得与油、酸、碱及易燃等危险品存放在一个库房内； (3)管道在运输储存过程中不得剧烈撞击、滚、拖、抛、摔。 3.5钻孔施工技术 (1)钻孔前应勘测现场，做好和其他专业(如土建、给排水、消防、电缆等)的交叉与衔接。根据施工钻孔平面图的孔数、行距和面积，进一步核实现场的施工面积以满足打孔要求； (2)核实无误后，按施工平面图检查定位放线，排水、泥浆倒运工序，合理安排土方、泥浆池、安全通道及堆土场的位置，保持通道畅通无阻； (3)钻孔就位，要保证钻机钻杆垂直度，防止垂直偏差将已埋管道损坏。钻井机械定位保证水平度偏差≤1%；保证垂直偏差≤0.5%； (4)在钻孔的两孔之间挖1 400 mm×700 mm×500 mm 泥浆池，位置在地埋管挖沟方向两孔之间，用作钻井机在施工中水循环载体，不至于流到其他地方，保证施工现场的整洁； (5)根据在其他工程的施工经验，本工程采用正循环回转钻井； (6)正循环回转钻井的优点：①在地层漏失或对漏失处理无效之后，正循环冲洗液充满钻杆与孔壁之间的外环状空间，液柱本身重量对孔壁产生较高的侧压力，在液柱与地层之间的压力差作用下，泥浆向地层渗透，其黏土颗粒将在孔壁形成一层泥皮，液柱侧压力和泥皮都能有效地加固孔壁，防止孔壁坍塌；②冲洗液在较高压力作用下，以较高的速度从钻头中呈射流状态喷射孔底，能有效地冲起孔底岩屑；③依靠排水压力，通过管线向孔洞输送冲洗液，管线及其接头部位即使有少量泄漏(这在实际工作难以完全避免)，也不会导致冲洗液循环和钻井过程中断。在地层漏失情况下，冲洗液连续补给，仍可继续钻井； (7)钻孔过程中安排质量检查员随时检查钻孔的位置，确保钻孔位置的正确性，并做好检查记录工作，如发现偏差超过标准要求，应及时纠正重新进行定位； (8)钻孔完成后，检查钻孔深度和钻孔的质量并做好隐蔽工程记录报建设单位(监理)验收； (9)钻孔过程中产生的土方和土方开挖的土壤应集中堆放，并用彩条布覆盖； (10)在钻孔过程中为避免钻孔塌方，在钻孔过程中灌入泥浆对钻孔的井壁进行泥浆凝固护壁，防止塌孔。 3.6地埋管现场预组装施工技术 (1)地埋U型管宜在现场预组装，管材预组装前应水平堆放在平整的地面上，不应局部受压使管材变形，堆放高度不宜超过2 m；管件贮存应成箱存放在货架上或码堆在平整平面上，地面上码堆高度不宜超过2 m。HDPE管运至工地采用彩条布覆盖，严禁长时间太阳下暴晒； (2)HDPE管连接时应注意热熔管头清洁，管材切割时当管径≤de50时，采用旋转切刀；当管径＞de50 时，采用手工木工锯； (3)HDPE管在地面连接完成，试压、合格后方可埋管；井回填后再次试压、合格后方可连接水平干管；水平总管连接完试压、合格后方可回填土。总管连接完后进行系统试压； (4)HDPE管道的连接可采用热熔连接(热熔承插连接、热熔对焊连接)，与金属管道连接应采用法兰连接； (5)热熔承插连接：热熔承插连接应采用质量可靠的热熔机具，便携式熔接工具适用于Φ≤63 mm管道及系统最后连接，台式熔接机具适用于Φ≥63 mm管道预装备连接。将加热工具加热到熔接温度260±10℃，插口管末端应切割平整，与轴线垂直。用笔在承口和插口上做适当的标记，以利于连接定位。用加热工具的凹模熔化插口管端的外表面，凸模熔化承口的内表面。加热完毕后，迅速移走加热模具，将插口端平直插入承口端，达到连接强度后固定接头，自然冷却至环境温度； (6)热熔对接：管材外径Φ≥63 mm的HDPE管均可采用热熔对接方式连接，该方法经济可靠，其接头在承拉和承压时都比管材本身具有更高强度。热熔连接温度：200～210℃。使用该方法时，设备仅需热熔对接机，步骤如下：①把待连接管材置于焊机夹具上并夹紧；②清洁管材连接端并铣削连接面；③校直两对接件，使其端面错位量不大于管道壁厚的10%； ④放入加热板加热；⑤加热完毕，取出加热板；⑥迅速接合两加热面，升压至熔接压力并保压冷却。 (7)HDPE管连接的注意事项： ①管道连接前应对管材、管件及附属设备、阀门、仪表按设计要求进行核对，并在施工现场进行外观检查，符合要求方准使用。连接时应使用同一生产厂家的管材和管件，如确需将不同厂家(品牌)的管材、管件连接则应经试验证明其可靠后方准使用。每次连接完成后，应进行外观质量检验，不符合要求的必须返工； ②施工人员应进行上岗培训； ③每次施工后，管口应临时封堵； ④当室外温度＜0℃时，塑料地埋管物理力学性能将有所降低，容易造成地埋管的损害，故当室外环境温度＜0℃时，尽量避免地埋管热换器的施工，若赶工期，施工时应采用保护措施或调整施工工艺参数。 3.7下管施工技术钻孔完成后应立即下管，下管前应对U型管进行试压、冲洗。停留时间越长，孔内的积压现象越严重，管子也就越难放。在本工程施工中，我们采用预制砼导头下井施工法。预制导头直径略小于钻孔直径，大于4根HDPE 循环管所占位置的直径(预制导头制作后应进行试压试验)。依靠导头的重量和HDPE管内水的重量下井，这样既保证下管的速度又可保证HDPE管能有效地到达地源井底，同时，还能保护HDPE管材在下井过程中免受井壁尖石的刮伤、损坏。一般采用人工下管，下管时必须多人合作，提起管子时不得在地上拖拉，不应形成不自然的弯曲，更不允许产生角度。为避免热桥损失，U型管管间距应严格按设计要求，下管时尽量保持同心度并且管与管不要接触太紧，施工时每隔2～4 m设置固定支卡将U型管分开，以确保垂直地源换热管的相对位置不变，垂直换热管不会贴在一起。 HDPE管下井完成后，须将U型管两个端口密封。 3.8回填施工技术为确保灌浆回填的质量，本工程在预制混凝土导头下井的同时，灌浆管同时随导头下井，如图3所示。在下井工程中，必须有专人分别拉住灌浆管和4 根HDPE管，当PE管下到井底时，将灌浆管松开，并人为地将灌浆管往下捅，让连接分管的托盘与导头上的拉钩脱离开来，然后应立即采用灌浆管将混合浆灌入钻孔内进行回填封孔，隔离含水层。灌注施工中应保证灌浆的连续性，根据机械灌浆的速度确定灌浆管的提升速度，确保浆体由底部涌上而充满腔内。当上返泥浆与灌注材料的密度相等时表明灌浆工作已经完成。采用膨润土回填时，在确认U型管无渗漏后，可用筛选过的≤15 mm×15 mm回填料进行回填，回填料采用网孔≤15 mm×15 mm的漏筛进行过筛，保证回填料内无无碎石及尖利石块、混凝土碎块。竖直地埋管进行回填时应在管道两侧同步回填，水平地埋管在同一沟槽中有双排或多排管道时，管道之间的回填压实应与管道和槽壁之间的回填压实对称进行。各压实面高度不宜超过30 cm。以保证必须将管和孔井之间空隙填实，第一次填完后应多次检查，多次回填。对于管腋等比较难以回填的部位，应采用人工回填，确保回填密实。回填土应重点做好每层管道上方15～20 cm范围内的回填。管道上方及两侧50 cm范围内，应采用木夯轻轻夯实，严禁采用压实机具直接作用于管道上。每区下管全部完成后连接到集、分水器，先人工沟槽开挖，将分、集水器置于检查井并与U型管连接，构成完整的闭式环路。分、集水器设置排气和排污装置。埋管区整体回填时，应分层用木夯夯实。整体回填时应将混在其中的尖利石块、混凝土碎块拣出。 4.地埋管换热系统冲洗为保证地埋管换热系统的可靠运行必须进行系统冲洗，系统冲洗主要在以下几个施工阶段： ①地埋管换热器安装前； ②地埋管换热器与环路集管装配完成后； ③地埋管换热系统全部安装完成后。 5 地埋管换热系统试压试验压力：当工作压力≤1.0 MPa时，应为工作压力的1.5倍，且不应＜0.6 MPa；当工作压力＞1.0 MPa 时，应为工作压力加0.5 MPa。水压试验步骤： (1)竖直地埋管换热器插入钻孔前，应做第一次水压试验。在试验压力下，稳压后至少15 min，稳压后压力不应＞3%，且无泄露现象；将其密封后，在有压状态下插入钻孔，完成灌浆之后保压1 h。 (2)水平地埋管换热器放入沟槽前，应做第一次水压试验。在试验压力下，稳压后至少15 min，稳压后压力降不应＞3%，且无泄露现象。 (3)竖直或水平地埋管换热器与环路集管装配完成后，回填前应进行第二次水压试验。在试验压力下，稳压至少30 min，稳压后压力降不应＞3%，且无泄露现象； (4)环路集管与机房分集水器连接完成后，回填前应进行第三次水压试验。在试验压力下，稳压至少2 h，且无泄露现象； (5)地埋管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气、回填完成后，应进行第四次水压试验。在试验压力下，稳压至少12 h，稳压后压力降不应＞3%。系统试压不得以气压代替水压试验；水压试验时应采用手动泵缓慢加压，加压过程中应安排专人随时观察与检查线路，不得有渗漏现象。本工程采用分区设计的施工方法，每个分区设置分、集水器，地源孔与分区分、集水器采用PE阀门连接。整个地源系统埋地部分没有任何金属构、配件。每个分区通过地源干管与总分、集水器连接，在总分、集水器检修井内设置每个分区的流量平衡阀。一旦当地源系统在运行中出现意想不到的故障，可采用反推法即可马上找出出现故障的地源井。出现故障时，先在总分、集水器处通过压力表读数查出故障的地源分区；找到故障地源分区，进入检修井，同样，通过开、关 PE阀，进行压力检测，立即就能查出有故障的地源井，将其对应的PE阀关闭。整个系统的检查、检修无需系统停机。 6 试验和鉴定自觉主动接受业主、监理单位来工地现场监督试验，并按如下内容提出报告： (1)全部竖井的位置和深度以及热交换器的长度是否符合设计要求； (2)回填过程的检验与安装土壤热交换器同步进行； (3)监督循环管路、循环集管和管线的试压是否按上述要求进行，以保证没有泄漏。隐蔽工程记录交业主、监理验收，合格后才能进行下一道工序的工作。按上面的试验和鉴定结果提交报告给业主，并保证将实际竣工情况记录在设计平面图上。 7 地源热泵机组安装本工程地源热泵机组主机采用集中式，整个工程的冷冻水由机房统一协调输出，主机大小搭配，保证了在各种情况下的最佳配比，也保证了不同负荷下运行不同的机组和水泵，使机组始终保持在满负荷运行状况，处于最佳工况，使COP值始终维持在最佳值，达到长期运行的最佳节能效果。 8 地源热泵系统运转、调试与验收地源热泵系统整体运转、调试与验收必须符合 GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》、 GB50243《通风与空调工程施工质量验收规范》、 GB50274《制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范》。地源热泵系统交付使用前，应进行整体运转、调试与验收。整体运转与调试方案报专业监理工程师审核批准后方可实施。地源热泵系统整体验收需要进行一个相对较长的时间，系统整体验收调试应分冬、夏两季进行，系统整体验收对地源热泵系的实测性能做出评价，调试完成后应编写调试报告及运行操作规程，并提交业主单位确认后存档。地源热泵系统运转、调试与验收主要包括以下内容： (1)系统的压力、温度、流量等各项技术数据应符合有关技术文件的规定； (2)系统连续运行应达到正常平稳；水泵的压力和水泵电动的电流不应出现大幅的波动； (3)各种电动计量检测元件和执行机构的工作应正常；满足建筑设备自动化系统对被测定参数进行检测和控制的要求； (4)控制和检测设备应能与系统的检测元件和执行机构正常沟通，系统的状态参数应能正确显示，设备连锁、自动调节、自动保护应能正确运转； (5)调试报告应包括调试前的准备记录、水力平衡、机组及系统试运转的全部测试数据； (6)地源热泵系统的冬、夏两季运行测试包括室内空气参数及系统运行能耗测定，系统运行能耗包括所有水源热泵机组、水泵和末端设备的能耗。 9 系统质保地源热泵中央空调系统，经过科学设计，并按严格的质量标准施工，保障地下部分免维护保用50年，地上部分保用20年。根据建设部第80号令《房屋建筑工程质量保修办法》第七条，认真履行系统保修及售后服务职责。系统质保期3年，即系统保修期从工程竣工验收开始3年内免费保修。 10 结语正是因为地源热泵空调系统利用浅层地热能资源进行供热与空调，具有良好的节能、环保、美观、不消耗矿物质的固有特性，近年来在国内得到日益广泛的支持和推广应用，但并不是只要采用了地源热泵系统，其节能的幅度就能达到理想的状态。同样，和传统的空调系统一样，在系统设计时，必须考虑末端、主机、水泵的部分荷载时的最大运行节能，本项目设计多机头主机，大、小搭配，末端采用电动二通阀控制，水泵配置一套变频泵，整个系统采用台数和变频来满足运行过程中的负荷变化，从而确保系统节能的最大化。本工程地处我国华东沿海地区，作为该地区新兴的施工技术才刚刚开始，本工程的施工无疑为该地区进行类似工程施工积累了丰富的经验。参考文献： [1]GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005. [2]GB/T19473.2冷热水用聚丁烯(PB)管道系统[S].北京:中国标准出版社,2004. [3]GB/T13663给水用聚乙烯(PE)管材[S].北京:中国标准出版社,2000. 作者简介：李宏军(1968)，男，江苏海安人，技术经理，一级建造师，工业与民用建筑专业，研究方向为民用建筑节能施工技术(lihongjun- qr@163.com)。

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