地源熱泵系統(tǒng)地埋管施工工藝

彭 震

勝利石油管理局有限公司新能源開發(fā)中心 山東東營 257000

1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)概述

地埋管地源熱泵系統(tǒng)具有土壤溫度穩(wěn)定、受環(huán)境影響小、不占用地上面積等優(yōu)點(diǎn),相對(duì)于地表水地源熱泵系統(tǒng)和地下水地源熱泵系統(tǒng),維護(hù)和運(yùn)行較為簡單,應(yīng)用越來越廣泛。在地埋管地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)過程中,地埋管的施工是關(guān)鍵。地埋管施工時(shí),若脫離規(guī)范流程的指導(dǎo),則極易出現(xiàn)問題,將會(huì)直接影響地源熱泵系統(tǒng)的工程質(zhì)量,給投資方造成損失。筆者對(duì)地源熱泵系統(tǒng)地埋管的施工工藝及注意事項(xiàng)進(jìn)行介紹。

2 工程概況

勝利石油管理局有限公司新能源開發(fā)中心孤東采油廠銀洲賓館地源熱泵系統(tǒng)改造項(xiàng)目,共布局能源井105口,利用現(xiàn)有機(jī)房,新建熱泵機(jī)組一臺(tái)、循環(huán)泵四臺(tái),配套自控、暖通等相關(guān)設(shè)施。這一項(xiàng)目的地埋管換熱器采用垂直鉆孔埋管方式,垂直埋管井群布置于室外綠化帶或道路下,單井地埋管換熱器長度為130 m,鉆井深度為132.7 m,按間距4.0 m均勻排布。水平連管均采用埋地鋪設(shè)方式。

3 地埋管施工工藝

地埋管換熱器采用特定材料管道,經(jīng)過加工和制作,埋設(shè)于一定深度的淺層巖土層中,與巖土層實(shí)現(xiàn)耦合換熱,抽取淺層地?zé)崮茏鳛闊岜玫臀粺嵩?。地埋管換熱器分為垂直埋管和水平埋管,分別如圖1、圖2所示。地埋管施工是地源熱泵系統(tǒng)施工的重點(diǎn)和難點(diǎn),主要包括鉆孔、下管、試壓、回填、室外管件連接五個(gè)步驟。

圖2 水平埋管

銀洲賓館地源熱泵系統(tǒng)地埋管的施工工藝流程為施工準(zhǔn)備,場(chǎng)地開挖、場(chǎng)地平整,管孔定位及編號(hào),機(jī)械鉆孔,垂直管連接,填料試塊配比,下管,垂直埋管第二次試壓,垂直埋管灌漿,垂直埋管成品保護(hù),水平溝槽開挖,溝槽鋪設(shè)砂墊層及支架,水平埋管敷設(shè)及與垂直埋管電熔連接,水平埋管與垂直埋管試驗(yàn),水平溝槽回填及夯實(shí),各環(huán)路集管與分集水器連接及試驗(yàn),地埋管試驗(yàn)及運(yùn)行。

4 垂直井群施工

4.1 前期工作

在垂直井群施工前,要根據(jù)工程勘探資料選擇合適的鉆孔施工設(shè)備。對(duì)地面進(jìn)行清理,鏟除雜物,平整場(chǎng)地,以便為鉆機(jī)和聚乙烯管的堆放和鉆孔施工場(chǎng)所預(yù)留出足夠的空間。如有地下樁基和市政等建筑設(shè)施,需要和甲方協(xié)商避讓,以免發(fā)生沖突。并且提前和甲方進(jìn)行水、電連接事宜的協(xié)商。

4.2 鉆孔施工

按照施工圖對(duì)需要施工的區(qū)域進(jìn)行井孔定位。如果遇到設(shè)計(jì)圖預(yù)留空間不足的情況,需要根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)調(diào)整,進(jìn)行合理整體偏移或個(gè)別井孔移位。一般實(shí)際工程中,首先確定若干個(gè)井孔,然后在這幾個(gè)井位基礎(chǔ)上推定其它垂直井群。

在確定鉆孔排孔之間挖泥漿池,位置為埋地管挖溝方向兩孔之間,用作鉆機(jī)在施工中的水循環(huán)載體,不至于流到其它地方,保證施工場(chǎng)地的整潔。鉆孔前應(yīng)根據(jù)施工圖軸線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布置線確定鉆孔位置,確保鉆孔點(diǎn)誤差小于50 mm,并對(duì)鉆孔場(chǎng)地進(jìn)行平整。開鉆前,必須從頭到尾檢查一遍設(shè)備的完好情況,檢查內(nèi)容包括確定轉(zhuǎn)向無誤,重新校核塔架底盤、豎桿的水平度和垂直度。經(jīng)確認(rèn)無任何異常后,方可開鉆。

在鉆孔過程中,根據(jù)地下地質(zhì)情況、地下管線敷設(shè)情況,適當(dāng)調(diào)整鉆孔的深度、數(shù)量及位置,以滿足設(shè)計(jì)要求,降低鉆孔、下管及封井的難度。

鉆孔過程中,安排專業(yè)質(zhì)量檢查員隨時(shí)檢查鉆孔位置,確保管孔位置的正確性和鉆孔的垂直度,避免返工,并作好檢查記錄工作。如發(fā)現(xiàn)偏差超出標(biāo)準(zhǔn)要求,應(yīng)及時(shí)糾正,重新進(jìn)行定位或調(diào)整鉆機(jī)垂直偏差。鉆孔過程中產(chǎn)生的泥漿應(yīng)集中堆放或組織排放,在鉆孔完成后及時(shí)處理干凈。在鉆孔過程中,為避免管孔塌方,應(yīng)灌入泥漿對(duì)打孔孔壁進(jìn)行泥漿凝固護(hù)壁。如在打孔即將完成時(shí)發(fā)生塌方,造成打孔深度不足,應(yīng)灌入濃度較高的泥漿再進(jìn)行鉆孔。

鉆孔完畢后,應(yīng)盡快將地埋管放入管孔內(nèi)。水壓試驗(yàn)合格后,垂直埋管低于地面500 mm,將管口封死,并做標(biāo)記,避免地埋管堵塞。

4.3 垂直管下管

經(jīng)驗(yàn)表明,垂直埋管易發(fā)的問題主要有兩類。第一類,施鉆完畢鉆孔內(nèi)有大量積水,使下管困難,并且容易損壞聚乙烯管。其二,由于鉆孔中的泥沙沉積,設(shè)計(jì)鉆孔深度和實(shí)際深度不一致,影響U形管的安裝。

在下管之前,要對(duì)地埋管換熱器進(jìn)行第一次試壓。試驗(yàn)壓力取為1.5倍工作壓力,一般取下限值0.6 MPa。穩(wěn)壓至少15 min,并且相對(duì)壓降不應(yīng)大于3%,無泄漏。密封后,在注水的情況下下管。注水下管可以增大自重,抵消鉆孔內(nèi)泥漿的浮力。

在聚乙烯管埋管垂直下管時(shí),采取人工配合機(jī)械下管的方法,利用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆桿頂進(jìn),克服水的浮力,并加快下管的速度。當(dāng)一個(gè)孔鉆好且孔壁固化后,應(yīng)立即下管,否則有可能出現(xiàn)管孔局部堵塞,孔底泥漿沉淀,導(dǎo)致下管困難。下管前,要將U形管的兩個(gè)支管固定分開,以免下管過程中靠在一起,形成熱短路。一般情況下,用塑料管卡將支管分開,管卡沿管長方向的間距可取2～4 m。下管速度要均勻,防止下管過程中損壞聚乙烯管。如果遇有障礙和不順暢現(xiàn)象,暫時(shí)停止下管,及時(shí)查明原因。查明原因并做好處理后,才能繼續(xù)下管。下管時(shí)必須有保證聚乙烯管不扭曲、變形的措施。垂直U形管下到位后,應(yīng)提起下管鉆桿。提桿過程中應(yīng)防止U形管上浮,如發(fā)現(xiàn)上浮,則立即采取措施使其固定,確保下管到位。垂直U形管安裝完畢后,應(yīng)進(jìn)行第二次試壓,保壓1 h,確保下管過程中無損傷,合格后灌漿回填封孔。

4.4 灌漿和回填

在垂直管下管完畢后,立即用回填材料回填封孔,以便隔離分水層?；靥畈牧弦员瓤淄鈳r土導(dǎo)熱率大為宜。在實(shí)際工程中,可以應(yīng)用原漿進(jìn)行回灌,通過挖掘排漿小水槽將鉆孔排出的泥漿回灌到已完成的前一口井孔內(nèi)。12 h靜置后,若未回灌滿,則進(jìn)行一次人工補(bǔ)漿,確?；毓嗝軐?shí)無空腔。若原漿不能達(dá)到回灌材料條件,則需要用細(xì)沙或水泥及沙土進(jìn)行回填。

5 地埋管道連接

在實(shí)際工程中,聚乙烯管的連接一般采用熱熔和電熔方法,不采用機(jī)械方法。接頭和連接件都是聚乙烯塑料材質(zhì),不存在腐蝕問題。連接后的環(huán)路管段大部分埋在土壤下,不易檢修,因此需要施工人員掌握熟練技術(shù),培訓(xùn)后上崗,保證連接質(zhì)量,否則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重漏水現(xiàn)象。

連接前,必須將聚乙烯管擦拭干凈,避免表面有雜物,引起假焊。聚乙烯管電熔時(shí),熔熱部位的熔溫約為210 ℃,熔接時(shí)間為50 s。熔接完成后3 min內(nèi),因熔熱部位的余熱仍然較高,只要用力仍能將熔熱管件拔出。被熔熱的管道自身也存在應(yīng)力,如垂直管與水平管固定連接后因各自方向不同而產(chǎn)生的應(yīng)力,若熔熱管件與管道不進(jìn)行固定,則熔熱管件與管道之間的連接就會(huì)因應(yīng)力而產(chǎn)生變形、位移,導(dǎo)致熔接失敗,或出現(xiàn)質(zhì)量隱患。

熔熱溫度和時(shí)間必須合理掌握。若熔熱時(shí)間不足,容易造成插入深度不足。若熔熱時(shí)間過長,容易造成管道插入過度變形,使管道內(nèi)徑縮小,影響管道流量。嚴(yán)格保證冷卻時(shí)間,避免管道未成形前管道連接處變形,影響管道連接質(zhì)量。

熔接場(chǎng)地應(yīng)盡量保持無水狀態(tài),施工電源絕緣良好,并應(yīng)有防觸電裝置和措施。溝槽內(nèi)熔接時(shí),施工人員應(yīng)穿絕緣鞋,戴絕緣手套。

6 水平管施工

水平管施工主要包括水平管溝挖掘、水平管連接、試壓、回填保護(hù)等幾個(gè)階段,如圖3所示。

圖3 水平管施工流程

6.1 水平管溝挖掘

在一般工程中,完成一個(gè)分區(qū)的井孔施工后,要根據(jù)施工圖在施工現(xiàn)場(chǎng)確定水平管位置線,然后采用小挖掘機(jī)或人工進(jìn)行水平管溝挖掘。一般情況下,要在挖掘的同時(shí)用水準(zhǔn)儀測(cè)出施工管溝地面標(biāo)高,使其達(dá)到規(guī)定深度。一般地埋管換熱器的水平管位于市政管道之下,深度必須滿足管道承壓和防凍的要求。在實(shí)際工程中,可以取1.5～2 m。挖掘后進(jìn)行人工平整,夯實(shí),并且留有一定坡度,使排氣順暢,一般取0.3%～0.5%。坡度應(yīng)坡向地埋管換熱器的分集水器,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)蛊隆?/p>

地埋管換熱器常年處在地下土壤中,地基可能會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降現(xiàn)象,水平埋管會(huì)受到影響。為防止不均勻沉降現(xiàn)象發(fā)生后對(duì)水平埋管造成破壞和損傷,室外直埋水平埋管敷設(shè)前在溝槽內(nèi)鋪設(shè)厚度為200～300 mm的砂墊層,水平埋管的管頂采用不小于300 mm的砂覆蓋層,上部采取土壤回填夯實(shí)。這樣做,砂墊層可以起到軟基層的作用,抵抗和減小地上建筑物因發(fā)生垂直或不均勻沉降給水平埋管帶來的破壞作用。

6.2 水平管連接

水平管連接時(shí),按照設(shè)計(jì)圖采用的連接方式進(jìn)行施工。為了防止熱短路,水平管道的供回路宜分層鋪設(shè),上下兩層之間需要由100～200 mm的細(xì)沙回填層隔開。水平管道連接時(shí),留有一定的膨脹和收縮空間,以免管道因熱脹冷縮而縮短使用壽命。在水平管接至分集水器時(shí),由于分集水器采用鋼管,因此需要在連接處留出一定長度的聚乙烯管,以便連接。水平管道連接完畢后,在回填前應(yīng)進(jìn)行壓力試驗(yàn)。在試壓壓力下保壓時(shí)間不短于30 min,試壓壓力可取下限值0.6 MPa。壓力穩(wěn)定后,相對(duì)壓降應(yīng)小于3%,且無泄漏發(fā)生,判為合格。

6.3 溝槽回填

設(shè)計(jì)的供回水平地埋管通常會(huì)穿過地基基礎(chǔ)或基礎(chǔ)墻,至建筑物機(jī)房地面。管道穿墻一般設(shè)計(jì)采用安裝套管密封。為保護(hù)管道靠近墻的供回管線支架免受因空洞而造成的土壤沉降差影響,在墻體的外表面采用冷作用瀝青材料填縫,實(shí)現(xiàn)密封防水。這項(xiàng)工作必須在回填之前完成,可以避免管道在穿越建筑物時(shí)因土壤沉降帶來的危害。

水平地埋管施工全部完畢并經(jīng)檢驗(yàn)合格,確認(rèn)地埋管無滲漏后,方可回填溝槽?；靥顣r(shí)應(yīng)先填實(shí)管底,再同時(shí)回填管道兩側(cè),然后再回填至管頂0.5 m處。溝內(nèi)有積水時(shí),應(yīng)及時(shí)排盡后再回填?；靥顣r(shí)應(yīng)將回填材料推入溝,先使用人工夯實(shí),確保沒有石塊落入,再用斜刮板來回刮刷,使回填材料盡可能均勻,防止出現(xiàn)較大空隙,最后用滾輪碾壓平實(shí)。

回填壓實(shí)應(yīng)逐層進(jìn)行,不得損傷管道?；靥钔恋暮恳税赐令惡筒捎玫膲簩?shí)工具盡量控制為最佳含水量。水平地埋管通過隱秘工程驗(yàn)收,管道兩側(cè)和管頂以上500 mm范圍內(nèi),采用輕壓夯實(shí),管道兩側(cè)壓實(shí)面的高差不超過300 mm。當(dāng)人工回填到管頂以上0.5 m后,方可采用機(jī)械回填,機(jī)械不得在管道上方行駛。機(jī)械回填時(shí),應(yīng)在地埋管道內(nèi)充滿水的情況下進(jìn)行。溝槽內(nèi)水平地埋管回填料應(yīng)細(xì)小、松散、均勻,不允許含石塊及土塊?；靥顗簩?shí)過程應(yīng)均勻,回填料應(yīng)與管道接觸緊密,并且不得損傷管道。

7 結(jié)束語

對(duì)于銀洲賓館地源熱泵系統(tǒng)改造項(xiàng)目地埋管施工,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況制訂施工流程,突出施工操作要點(diǎn),明確注意事項(xiàng)。在施工的每一個(gè)環(huán)節(jié),嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定執(zhí)行,施工人員不可有僥幸心理,否則反復(fù)施工,造成檢修困難,影響工程進(jìn)度,還會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)埋下隱患。

目前,地源熱泵供熱是新能源利用的主要方式,越來越多的用戶選擇地源制冷供暖,科學(xué)的施工工藝可以大大延長地源熱泵的使用壽命,有利于地源熱泵的推廣和發(fā)展。