武漢某寫(xiě)字樓地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

胡先芳 周敏銳 雷建平 陳焰華

中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司

1 項(xiàng)目概況

1.1 用地概況

項(xiàng)目位于武漢市漢陽(yáng)區(qū)四新片區(qū)，總占地面積33800 m2，包含一棟寫(xiě)字樓和一棟配套體育館，其中寫(xiě)字樓用地面積12500 m2，體育館用地面積5500 m2，車道用地面積5800 m2，室外雨水回收區(qū)用地面積5000 m2，剩余室外綠化面積約5000 m2，各功能區(qū)分布詳見(jiàn)圖1 所示。

1.2 建筑物概況

寫(xiě)字樓總建筑面積95120 m2，其中地上21 層，建筑面積70000 m2，地下2 層建筑面積25120 m2，建筑高度88.2 m，1-3 為裙房，4-21層為塔樓。地下室主要為車庫(kù)和設(shè)備用房，一層為餐廳和展示廳，二層為中庭、展廳和多功能大會(huì)議廳，三層為會(huì)議室，四層為圖書(shū)館和監(jiān)控室，五層為檔案室，6-21 層為辦公室（包含少數(shù)會(huì)議室）。

2 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 冷熱負(fù)荷

采用集中空調(diào)的區(qū)域?yàn)閷?xiě)字樓，冷熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表1 所示，修正后的空調(diào)冷負(fù)荷[1]計(jì)算值為6375 kW，空調(diào)熱負(fù)荷計(jì)算值為3599 kW。

表1 負(fù)荷計(jì)算

2.2 冷熱源

經(jīng)過(guò)前期勘察調(diào)研和方案比較，結(jié)合寫(xiě)字樓的定位，本項(xiàng)目采用集中空調(diào)系統(tǒng)，冷熱源采用地源熱泵+常規(guī)冷水機(jī)組，按照冬季熱負(fù)荷配置地源熱泵系統(tǒng)，夏季不足的冷負(fù)荷則由常規(guī)離心機(jī)組+冷卻塔進(jìn)行補(bǔ)充。

1）集中空調(diào)系統(tǒng)冷熱源采用1 臺(tái)單機(jī)制冷量為3135 kW 的離心式冷水機(jī)組、3 臺(tái)單機(jī)制冷量1116 kW 制熱量1316 kW 的螺桿式地源熱泵機(jī)組，共同負(fù)擔(dān)寫(xiě)字樓空調(diào)末端的冷熱負(fù)荷。冷熱源機(jī)房設(shè)置在寫(xiě)字樓地下二層?xùn)|北角處。

2）離心式冷水機(jī)組配置3 臺(tái)單臺(tái)處理水量300 m3/h 的方型橫流超低噪聲冷卻塔，冷卻塔設(shè)置在寫(xiě)字樓北面的綠化帶中。

3）空調(diào)水系統(tǒng)為一次泵變流量系統(tǒng)，夏季空調(diào)供回水溫度為7/12 ℃，冬季空調(diào)供回水溫度為45/40 ℃。

4）地埋管水系統(tǒng)按一次泵變流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其地埋管水系統(tǒng)設(shè)一組泵，對(duì)應(yīng)地源熱泵機(jī)組，冷卻水系統(tǒng)配置一組泵，對(duì)應(yīng)離心機(jī)組+冷卻塔系統(tǒng)。

2.3 土壤換熱器

土壤換熱器設(shè)計(jì)按冬季從土壤中的吸熱量進(jìn)行[2]，為保證土壤熱平衡，地埋管換熱器在夏季不足部分由冷卻塔來(lái)補(bǔ)充散熱，根據(jù)設(shè)計(jì)中埋設(shè)的土壤換熱器溫度傳感器監(jiān)測(cè)的溫度變化情況確定冷卻塔的運(yùn)行策略。

換熱器設(shè)計(jì)冬季最大吸熱量為3380 kW，由于場(chǎng)地限制，本工程土壤換熱器采用工程樁內(nèi)埋管及垂直鉆孔埋管相結(jié)合的方式，采用水為循環(huán)介質(zhì)。設(shè)計(jì)階段鉆孔及換熱量統(tǒng)計(jì)參見(jiàn)表2 所示。

表2 設(shè)計(jì)階段鉆孔及換熱量統(tǒng)計(jì)

工程樁為泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁徑為800 mm，寫(xiě)字樓有效樁長(zhǎng)約為40 m（可埋管長(zhǎng)度38.5 m），西側(cè)的體育館有效樁長(zhǎng)約為30 m（可埋管長(zhǎng)度28.5 m），在可利用的樁內(nèi)設(shè)“雙U 型”埋管，每?jī)筛鶚秲?nèi)的“雙U”串聯(lián)為一個(gè)獨(dú)立的環(huán)路，共549 根樁（281 個(gè)環(huán)路），工程樁內(nèi)埋管冬季單位樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)吸熱量65 W/m，最大吸熱量1241 kW（夏季設(shè)計(jì)最大排熱量1718 kW，90 W/m），施工單位進(jìn)場(chǎng)完成工程樁內(nèi)埋管施工后，應(yīng)取不少于兩個(gè)環(huán)路作樁埋管的換熱量測(cè)試，并提交測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.4 地源側(cè)水系統(tǒng)形式

各類埋管按單孔、樁的形式與各類二級(jí)分集水器相連，樁埋管二級(jí)分集水器側(cè)按異程式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，二級(jí)分集水器位置按區(qū)域就近布置。

圖2 是寫(xiě)字樓地下室埋管區(qū)施工分區(qū)示意圖，A、B 施工分區(qū)為寫(xiě)字樓地下室埋管北區(qū)，C、D 施工分區(qū)為寫(xiě)字樓地下室埋管南區(qū)，為了保證各區(qū)地埋管換熱器之間水力平衡，地埋管二級(jí)分集水器側(cè)采用同程式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，二級(jí)分集水器位置分別位于寫(xiě)字樓和體育館兩側(cè)，其中左側(cè)為分水器，冷卻水從分水器流經(jīng)地埋管換熱器后，匯集至右側(cè)的集水器，然后流入地源熱泵機(jī)組。

圖2 設(shè)計(jì)階段地埋管換熱器施工分區(qū)

3 系統(tǒng)實(shí)施與設(shè)計(jì)的偏差

3.1 地質(zhì)狀況引起的偏差

3.1.1 鉆孔深度與鉆孔數(shù)

項(xiàng)目在實(shí)施的過(guò)程中，由于部分區(qū)域地下出現(xiàn)溶洞，平均鉆孔深度只有68.5 m（有效埋管深度67 m），達(dá)不到設(shè)計(jì)深度90 m，為了保證地埋管換熱量，需增加鉆孔數(shù)量，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察，寫(xiě)字樓南側(cè)現(xiàn)為施工材料堆放區(qū)，規(guī)劃設(shè)計(jì)為廣場(chǎng)（綠化帶），面積約為5000 m2，在此區(qū)域新增鉆孔198 個(gè)，平均鉆孔間距約5 m。實(shí)施階段鉆孔及換熱量統(tǒng)計(jì)參見(jiàn)表3 所示。

表3 實(shí)施階段鉆孔及換熱量統(tǒng)計(jì)

3.1.2 檢查井結(jié)構(gòu)

圖3 是地源熱泵二級(jí)分集水器檢查井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施環(huán)境，可以看出檢查井所處地層以黏土為主，因?yàn)槭┕r(shí)間趕上梅雨季節(jié)，土質(zhì)較松軟，而且現(xiàn)場(chǎng)操作空間狹小，使得后期采用大型機(jī)械夯實(shí)墊層土壤變得十分困難，為了防止檢查井后期發(fā)生浮升或是沉降，通過(guò)與結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行論證計(jì)算，在檢查井底部增加500 mm 厚的鋼渣混凝土配重，同原始設(shè)計(jì)相比，檢查井的深度增加了500 mm。

圖3 地源熱泵檢查井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施場(chǎng)景

3.2 施工條件引起的偏差

3.2.1 交叉施工引起的偏差

1）由于地質(zhì)情況較為復(fù)雜，前期施工對(duì)地埋管換熱器鉆孔難度估算不足，換熱器施工工期拉長(zhǎng)，為了確保整體工程按時(shí)完工，地下室結(jié)構(gòu)底板和位于結(jié)構(gòu)底板下的地埋管換熱器需要同時(shí)施工，因此將施工分區(qū)調(diào)整為圖4 所示，同圖2 相比，地埋管二級(jí)分集水器側(cè)由設(shè)計(jì)階段的同程式系統(tǒng)變更為實(shí)施階段的異程式系統(tǒng)，為了維持水力平衡，通過(guò)調(diào)整換熱器連接二級(jí)分集水器之間的水平埋管管徑，盡量使各環(huán)路之間的水力不平衡率控制在可調(diào)范圍內(nèi)（小于15%）。圖5是D1 區(qū)和D2 區(qū)水平埋管管徑分區(qū)，鉆孔內(nèi)垂直埋管管徑為De25，連接垂直埋管的水平埋管供、回水管徑在De32 和De40 之間調(diào)整，使得各環(huán)路之間的不平衡率基本控制在±15%范圍內(nèi)，對(duì)于少數(shù)超過(guò)15%的環(huán)路，將其連接在不同的二級(jí)分集水器上，通過(guò)調(diào)整設(shè)置于二級(jí)分集水器與一級(jí)分集水水平連管上的靜態(tài)平衡閥來(lái)達(dá)到水力平衡[3]。

圖4 實(shí)施階段地埋管換熱器施工分區(qū)

圖5 D1 和D2 區(qū)水平分集管管徑分區(qū)

2）連接二級(jí)分集水器與一級(jí)分集水之間的水平干管采用直埋管，管線主要集中在寫(xiě)字樓北邊的消防車道下，車道寬7 m，給排水室外管線也主要集中于此，在直埋管敷設(shè)階段，寫(xiě)字樓地下室同步施工，由于車道邊線離規(guī)劃紅線距離較近，項(xiàng)目大基坑支護(hù)占據(jù)了一部分車道寬度，造成直埋管敷設(shè)寬度變窄，管線敷設(shè)形式從設(shè)計(jì)階段的單層敷設(shè)、供回并行，調(diào)整為實(shí)施階段的雙層敷設(shè)，上層供水，下層回水的形式，上下層之間錯(cuò)開(kāi)一定距離，便于后期下層管線檢修。

3.2.2 施工場(chǎng)地引起的偏差

體育館地下室底板下的地埋管換熱器二級(jí)集水器位于體育館西側(cè)，從圖1 可以看出，體育館地下室西側(cè)邊線離規(guī)劃紅線距離較小，設(shè)計(jì)寬度為3 m，而檢查井與體育館地下室同步施工，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地下室外墻支護(hù)距離西側(cè)邊坡支護(hù)距離僅為1.9 m，檢查井寬度為1.8 m，如果采用現(xiàn)場(chǎng)支?，F(xiàn)澆的方式，現(xiàn)場(chǎng)不具備實(shí)施條件，通過(guò)調(diào)研論證，將檢查井由設(shè)計(jì)階段的現(xiàn)澆方式調(diào)整為采用預(yù)制水泥管，如圖6 所示，預(yù)制水泥管檢查井的使用不僅保證了施工進(jìn)度，而且有效降低了現(xiàn)場(chǎng)施工難度，比較適用于施工場(chǎng)地狹小的埋管區(qū)域。

圖6 預(yù)制水泥管檢查井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施場(chǎng)景

4 結(jié)語(yǔ)

地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，地質(zhì)狀況的多樣性、交叉施工的復(fù)雜性、施工場(chǎng)地的局限性、施工時(shí)段氣候的不可測(cè)性等都會(huì)對(duì)項(xiàng)目的實(shí)施造成不可預(yù)料的影響，本文對(duì)武漢地區(qū)某寫(xiě)字樓地源熱泵系統(tǒng)實(shí)施與設(shè)計(jì)的差異、產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行了分析，對(duì)施工階段出現(xiàn)的主要問(wèn)題進(jìn)行了分析總結(jié)，對(duì)工程實(shí)施中三類常見(jiàn)問(wèn)題給出如下建議：

1）地源熱泵系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮施工工序、交叉施工對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，對(duì)于埋管面積狹小的區(qū)域，土建結(jié)構(gòu)和地埋管換熱器同步施工所產(chǎn)生的矛盾尤為突出，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)提出相應(yīng)解決方案，避免后期系統(tǒng)埋管形式變更。

2）地埋管二級(jí)分集水器側(cè)環(huán)路在無(wú)法使用同程式系統(tǒng)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整換熱器連接二級(jí)分集水器之間的水平埋管管徑，使各環(huán)路之間的水力不平衡率控制在可調(diào)范圍類。

3）對(duì)于地源熱泵二級(jí)分集水器檢查井施工場(chǎng)地比較狹小的空間，可以采用預(yù)制水泥管檢查井或裝配式混凝土檢查井[4]，不僅可以加快施工進(jìn)度，而且有利于效降低現(xiàn)場(chǎng)施工難度。