淺議地源熱泵技術(shù)在京唐港區(qū)36號(hào)至40號(hào)煤炭泊位工程的應(yīng)用

董　川

（京唐港首鋼碼頭有限公司河北唐山063611）

淺議地源熱泵技術(shù)在京唐港區(qū)36號(hào)至40號(hào)煤炭泊位工程的應(yīng)用

董川

（京唐港首鋼碼頭有限公司河北唐山063611）

本文以唐山港京唐港區(qū)36號(hào)至40號(hào)煤炭泊位工程地源熱泵項(xiàng)目為實(shí)例，詳細(xì)介紹了地源熱泵系統(tǒng)在唐山港京唐港區(qū)的應(yīng)用歷史、工作原理、系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)、施工工藝、質(zhì)量控制以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等，為環(huán)渤海地區(qū)應(yīng)用地源熱泵技術(shù)起到了一定的示范作用。

地源熱泵；工作原理；系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)；工藝；質(zhì)量控制

1　引言

現(xiàn)在生態(tài)失衡與能源過(guò)度開(kāi)發(fā)等問(wèn)題已經(jīng)變成困擾與制約社會(huì)進(jìn)步的關(guān)鍵因素。從國(guó)內(nèi)能源消耗的結(jié)構(gòu)方面來(lái)說(shuō)，建筑領(lǐng)域損耗的能源達(dá)到整體30%，而且在建筑能源消耗中，空調(diào)能源消耗更是占到了50%左右，伴隨公眾的環(huán)境保護(hù)觀(guān)念加強(qiáng)以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的推廣，環(huán)保與節(jié)能已變成建筑空調(diào)領(lǐng)域的主要探究方向，利用可再生資源及提高能源利用率是解決建筑能源消耗量大的主要途徑，地源熱泵技術(shù)則是解決這一問(wèn)題的新型能源綠色環(huán)保產(chǎn)品。

地源熱泵是對(duì)地下熱能有效運(yùn)用的方式，其運(yùn)用極少的能源（諸如電能等），把低溫轉(zhuǎn)變成高溫，進(jìn)而構(gòu)成能夠提供熱量同時(shí)又能夠進(jìn)行制冷的有效節(jié)能系統(tǒng)。

2　唐山港京唐港區(qū)簡(jiǎn)介

唐山港京唐港區(qū)位于唐山市東南方向約80km處，它是于1989年開(kāi)始建設(shè)，屬于該市最早的國(guó)家級(jí)對(duì)外開(kāi)放港口。目前貨種以煤炭、礦石、鋼材、散雜貨、集裝箱為主，2014年全港實(shí)現(xiàn)貨物吞吐量2.15×108t。隨著“京津冀一體化”上升為國(guó)家戰(zhàn)略，京唐港區(qū)成為承接京津產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和功能疏解的重要平臺(tái)，為發(fā)展注入新活力，并且根據(jù)《唐山港總體規(guī)劃》，可開(kāi)發(fā)利用岸線(xiàn)總長(zhǎng)44.5km，已建成岸線(xiàn)8.145km，占可開(kāi)發(fā)利用岸線(xiàn)的18%，該港區(qū)的未來(lái)前景非常好。

3　地源熱泵技術(shù)在唐山港京唐港區(qū)應(yīng)用情況

該地區(qū)在冬天通常是采用燃煤或者城市供熱的方式來(lái)取暖，而夏天多是使用空調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。因?yàn)槎烊济簳?huì)產(chǎn)生各種廢氣、粉塵等污染物，它們污染了冷卻塔，造成夏天空調(diào)效果差，耗電量增多，使當(dāng)?shù)氐碾娔芄?yīng)壓力大，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際的用電需求，并且在生產(chǎn)作業(yè)港區(qū)內(nèi)鋪設(shè)城市供熱管網(wǎng)極為困難。因此，近10年京唐港區(qū)新建項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)建是順應(yīng)政策、努力落實(shí)構(gòu)建環(huán)保、低碳港口的目標(biāo)，基于此出發(fā)點(diǎn)，挑選了高效節(jié)能的地源熱泵技術(shù)。主要應(yīng)用于以下工程項(xiàng)目：（1）2007年建設(shè)的京唐港區(qū)3000萬(wàn)噸煤炭泊位工程；（2）2007年建設(shè)的唐山港京唐港區(qū)16號(hào)至19號(hào)泊位工程；（3）2011年建設(shè)的京唐港首鋼碼頭有限公司一期工程；（4）2013年建設(shè)的唐山港京唐港區(qū)集裝箱場(chǎng)站工程；（5）2014年建設(shè)的唐山港京唐港區(qū)36號(hào)至40號(hào)煤炭泊位工程；（6）2014年建設(shè)的唐山港京唐港區(qū)26號(hào)至27號(hào)集裝箱泊位工程。

下面就唐山港京唐港36號(hào)至40號(hào)煤炭泊位工程地源熱泵項(xiàng)目為實(shí)例，介紹該項(xiàng)目地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)、施工工藝、質(zhì)量控制以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等。

4　工程概況

唐山港京唐港區(qū)36號(hào)至40號(hào)煤炭泊位工程位于河北省唐山市海港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)14#路南段，其中地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)包含后方輔建區(qū)、前方輔建區(qū)辦公生活區(qū)域，滿(mǎn)足3萬(wàn)多平米建筑的夏季制冷冬季供暖及提供生活熱水。整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)工程由中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，河北建設(shè)集團(tuán)有限公司負(fù)責(zé)施工，開(kāi)工時(shí)間為2014年5月30日，完工時(shí)間為2014年11月30日。

后方輔建區(qū)位于堆場(chǎng)西北端，包括辦公樓、宿舍樓、邊檢樓、后方綜合服務(wù)中心、2#變電所及除塵泵房、8#變電所及供水調(diào)節(jié)站工程，空調(diào)建筑總面積25400m2，要求夏天制冷、冬天供熱，同時(shí)供給生活熱水。在設(shè)定空調(diào)負(fù)荷程度時(shí)，要保留大約15%的富?？臻g，其制冷情況下的負(fù)荷為2400kW，供熱情況下的負(fù)荷為1900kW；生活熱水則參照160名員工洗浴的用量來(lái)供給，機(jī)組供熱根據(jù)4h來(lái)計(jì)算，其負(fù)荷則是128kW。

前方輔建區(qū)位于堆場(chǎng)西南端，包括前方侯工樓、綜合庫(kù)、商檢用房及維修車(chē)間，空調(diào)建筑總面積8500m2，需要夏季制冷、冬季制熱，同時(shí)供應(yīng)生活熱水。在設(shè)定空調(diào)負(fù)荷程度時(shí)，要保留適當(dāng)?shù)母辉？臻g，其制冷情況下的負(fù)荷為720.4kW，供熱情況下的負(fù)荷為787.2kW；生活熱水則參照160名員工洗浴的用量來(lái)供給，機(jī)組供熱根據(jù)4h來(lái)計(jì)算，其負(fù)荷則是128kW。

設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)在夏天供應(yīng)的水溫是7/12℃，冬天是40/45℃，生活熱水供應(yīng)的溫度是60℃。

5　工作原理

地源熱泵大體上包含地表與地下水，以及地埋管三個(gè)系統(tǒng)。其中，第三個(gè)系統(tǒng)又被叫作地源熱泵系統(tǒng)，其主要是采用地表層的土為熱源，利用埋在地下的管道，構(gòu)成地?zé)崤c水循環(huán)系統(tǒng)兩種轉(zhuǎn)換熱能的裝置，這是現(xiàn)在比較常見(jiàn)的地源熱泵系統(tǒng)。

制冷的原理：主要是將熱轉(zhuǎn)換裝置埋在地下，利用水在PE管中流動(dòng)，形成封閉循環(huán)體系，進(jìn)而完成與地表土之間的熱量傳遞過(guò)程，達(dá)到有效的制冷降溫作用，并且其機(jī)組運(yùn)作生成的余熱，不但能夠用于加熱，提供生活熱水，還能夠把熱量傳遞至天然土壤中，續(xù)存熱量，以備冬季使用。

制熱的原理：是利用地下埋藏的封閉式管道，讓土中的熱能傳遞至室內(nèi)，同時(shí)運(yùn)用適度的高溫，借助于風(fēng)機(jī)盤(pán)管釋放到室內(nèi)，還能夠供應(yīng)生活熱水；并且將剩余的冷量?jī)?chǔ)存起來(lái)，留給夏天使用。地表土壤是個(gè)非常好的能源儲(chǔ)存庫(kù)，如此便可以達(dá)到能量的季節(jié)轉(zhuǎn)換。

6　設(shè)計(jì)情況

土壤換熱器系統(tǒng)直接影響整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的構(gòu)建情況，而土壤的導(dǎo)熱性與熱阻是該系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中必須重點(diǎn)考慮的兩個(gè)方面。所以，在開(kāi)始設(shè)計(jì)此系統(tǒng)前，必須要對(duì)土壤的熱物性進(jìn)行檢測(cè)，采用實(shí)地鉆鑿探測(cè)的方式取得有關(guān)的信息數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目是利用相應(yīng)的儀器檢測(cè)實(shí)地土壤的換熱性能，同時(shí)根據(jù)相關(guān)工程的換熱性數(shù)據(jù)，對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施統(tǒng)籌規(guī)劃：后方輔建區(qū)空調(diào)機(jī)房配置2臺(tái)WXFXHP-57TRG地源熱泵機(jī)組、440個(gè)埋深120m的雙U型埋管換熱器，埋管間距5m；前方輔建區(qū)空調(diào)機(jī)房配置2臺(tái)WCFXHP-18SRG地源熱泵機(jī)組、180個(gè)埋深120m的雙U型埋管換熱器，埋管間距5m。

7　該項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)的施工品質(zhì)監(jiān)管

土壤換熱器系統(tǒng)的構(gòu)建作為該項(xiàng)目的重要工藝環(huán)節(jié)，其構(gòu)建的品質(zhì)優(yōu)劣將決定整個(gè)項(xiàng)目是否能夠平穩(wěn)可靠的運(yùn)作，而且此環(huán)節(jié)的施工只要完成就沒(méi)有辦法進(jìn)行更改或者修補(bǔ)。

7.1地源系統(tǒng)工程為隱蔽性工程的特殊性

7.1.1高密度PE管原材質(zhì)量方面：（1）產(chǎn)品出廠(chǎng)時(shí)要有產(chǎn)品合格證明；（2）原材進(jìn)場(chǎng)后，當(dāng)場(chǎng)抽取樣品進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)其規(guī)格等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查；（3）符合標(biāo)準(zhǔn)的PE管，必須在出廠(chǎng)之前將管底連接，再實(shí)施打壓測(cè)試；（4）材料運(yùn)送過(guò)來(lái)后，在埋管之前也要實(shí)施打壓測(cè)試，同時(shí)維持壓力超過(guò)1h，只有符合要求的PE管，才能夠使用，埋入事先打好的孔中；（5）PE管插入孔中以后，在埋之前，實(shí)施第二次打壓測(cè)試，待結(jié)果符合要求之后，才能夠填料；倘若結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要立即取出，更換符合標(biāo)準(zhǔn)的PE管。

7.1.2打設(shè)換熱孔前根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诂F(xiàn)場(chǎng)利用全站儀測(cè)放出每個(gè)換熱孔的精確位置，根據(jù)圖紙合理布置換熱孔間距，并且規(guī)劃主管線(xiàn)路及相應(yīng)的分集水器井井位，并且做好施工記錄，精確記錄每個(gè)換熱孔及井位的坐標(biāo)。

7.1.3鉆井施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況，采取不同的施工工藝。施工時(shí)每根鉆桿反復(fù)幾次上下拉動(dòng)，使孔完全打透。根據(jù)孔口測(cè)量的自然地面標(biāo)高計(jì)算換熱井所需鉆孔的深度。根據(jù)管道外露長(zhǎng)度計(jì)算該孔實(shí)際埋管長(zhǎng)度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，鉆孔深度誤差不大于50mm，垂直度小于1%孔深。管材采用成品D32雙U頭，廠(chǎng)家直接與管道熔接完畢,單孔4根整盤(pán)供應(yīng)，每根的長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)長(zhǎng)度,現(xiàn)場(chǎng)試壓合格方可使用，杜絕現(xiàn)場(chǎng)熔接造成U頭縮孔，增大阻力。

7.1.4制作完成的U型管在插入井前，應(yīng)做第一次水壓試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的要求，下管前管道需做嚴(yán)密性試驗(yàn)，本工程系統(tǒng)最大工作壓力為1.4MPa,試驗(yàn)壓力為1.8Mpa，在該試驗(yàn)壓力下,穩(wěn)壓15min,壓降不大于3%，不滲不漏為合格。同時(shí)做好水壓試驗(yàn)記錄，便于查看，并報(bào)項(xiàng)目監(jiān)理部審核批準(zhǔn)，做好隱蔽工程檢查記錄，方進(jìn)行下道工序的施工。

7.1.5填料的密實(shí)程度將決定換熱孔的工作效率，想要有效增強(qiáng)材料填充的密實(shí)度：（1）必須控制好填充時(shí)的速度，順著孔壁的周?chē)鷦蛩倬徛奶畛?，降低由于填充速度太快而?dǎo)致孔內(nèi)部材料間存在空隙；（2）采用多批次填充的方式，在填充期間對(duì)孔內(nèi)注水，這樣可以防止填充材料在孔內(nèi)形成過(guò)大的縫隙，保障填充的密實(shí)性。

7.2土壤換熱器的聯(lián)絡(luò)

該工程需要的換熱器數(shù)目龐大，覆蓋面較大，要保證每個(gè)換熱孔內(nèi)的水流動(dòng)的量與速度相同，完成換熱工作，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的換熱器與分支管道要采用相同的方法進(jìn)行連接，從而確保此系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作。

另外，將水平分布的供、回水管分別鋪設(shè)，同時(shí)使用同一個(gè)管溝，如此就能防止管道間由于熱量短路而造成損失，還可以有效減少溝渠的開(kāi)挖工作量，降低了施工費(fèi)用及縮短了工期。

8　該項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)環(huán)保及經(jīng)濟(jì)分析

地源熱泵系統(tǒng)在京唐港區(qū)36號(hào)至40號(hào)煤炭泊位工程項(xiàng)目中的實(shí)施更好體現(xiàn)了地源熱泵系統(tǒng)高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保的理念：前、后輔建區(qū)域項(xiàng)目在2014年末構(gòu)建完成，到現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)了一年；所有設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定，空調(diào)效果明顯，符合房屋內(nèi)溫度與濕度方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)核算此項(xiàng)目的投入支出得知，前、后的輔建區(qū)域每年的運(yùn)作成本大概是23.2萬(wàn)元，折算到每平米大概是35元，這要比運(yùn)用過(guò)去的燃煤與空調(diào)制冷方式節(jié)約了大概30%的費(fèi)用。該系統(tǒng)不但運(yùn)作成本比較低廉，而且對(duì)環(huán)境的污染程度比較小。此項(xiàng)目利用熱泵機(jī)組能夠由地下獲取5.6×107kW·h的熱能，這與燃燒1.45×103t的煤多產(chǎn)生的熱能相等，年均降低CO2的排放量大概有3.4×103t，SO2大概有20t，粉塵大概有15t，這極大程度的改善了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境。

9　結(jié)語(yǔ)

地源熱泵技術(shù)在北上廣等經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)較快的城市推廣和使用的比較早，而河北等地使用的比較遲，目前正處于發(fā)展時(shí)期。該項(xiàng)目的有效落實(shí)，將為地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)在當(dāng)?shù)氐耐茝V與日后發(fā)展發(fā)揮積極的促進(jìn)作用。

[1]武金彬,楊建宇.地源熱泵中央空調(diào)在辦公生活區(qū)的應(yīng)用[J].交通節(jié)能與環(huán)保,2012(2):62-63.

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[3]蔡曉鴻.當(dāng)代MOMA工程地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)埋地?fù)Q熱器施工技術(shù)[J].Architecture Technology,2007(4):307-308.

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董川（1987—），男，本科，河北唐山人，助理工程師，主要從事建筑工程研究。