地源熱泵系統(tǒng)換熱器施工工藝優(yōu)化

張 斌 謝 飛 胡瓊飛 周 鵬

中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司 江蘇 南京 210019

地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，除設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)備本身外，主要在于系統(tǒng)施工工藝中的地埋管鉆孔、豎向和水平地埋管施工質(zhì)量[1-5]。

豎直換熱器地埋管通常埋入地下80 m以上，如何確保地埋管的施工質(zhì)量是確保系統(tǒng)后續(xù)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

地埋管均設(shè)置在建筑物基礎(chǔ)（地下室）底板土層，如何在施工期間減少建筑物地下室深度范圍內(nèi)的埋管用量，也需要通過工藝改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。

換熱器地埋管埋至于地下，使用期間若發(fā)生個(gè)別地埋管損壞，如何判斷其損壞的位置和數(shù)量，是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題。當(dāng)下地源熱泵大力推廣，如何更好地保證地源熱泵的施工質(zhì)量、有效控制施工成本及后續(xù)良好運(yùn)行，對(duì)地源熱泵的推廣有著重要意義。

1 地源熱泵系統(tǒng)原理

1.1 冬季系統(tǒng)原理

熱交換器埋于地下，冬季時(shí)，溫度較低的水由高強(qiáng)度塑料管組成的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，在地下與較熱的土壤進(jìn)行熱交換而升溫，通過機(jī)組實(shí)現(xiàn)制熱。土壤因熱交換后溫度下降，儲(chǔ)存了相應(yīng)的冷量，可供夏季制冷使用。

1.2 夏季系統(tǒng)原理

夏季時(shí)，高強(qiáng)度塑料管中的水溫度較高，在地下與冬季存儲(chǔ)的冷量進(jìn)行熱交換而冷卻，通過機(jī)組實(shí)現(xiàn)制冷。同時(shí)，機(jī)組產(chǎn)生的廢熱一方面可以繼續(xù)用來免費(fèi)制取生活熱水，另一方面也將熱量轉(zhuǎn)移到土壤中存儲(chǔ)，可供冬季制熱使用。

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵點(diǎn)

通過以上系統(tǒng)原理可知，除設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)備本身外，地源熱泵換熱器地埋管系統(tǒng)施工工藝質(zhì)量是確保系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的根源，系統(tǒng)運(yùn)行正常的關(guān)鍵點(diǎn)有：

1）設(shè)備（如熱泵機(jī)組、循環(huán)泵、室內(nèi)空調(diào)機(jī)組）本身質(zhì)量，但設(shè)備因安裝在地上，方便維修、更換。

2）埋地?fù)Q熱器影響整個(gè)系統(tǒng)的換熱指標(biāo)，出現(xiàn)故障和損壞，無法維修，只能增加相應(yīng)損壞的換熱器，且受場(chǎng)地和管線連接制約難以實(shí)現(xiàn)。

3）埋地?fù)Q熱器控制指標(biāo)有埋設(shè)土層深度與設(shè)計(jì)匹配、埋管水平連接工藝及循環(huán)水管質(zhì)量。

2 應(yīng)用概況

2.1 項(xiàng)目概況

某新建醫(yī)院是醫(yī)教研一體的三級(jí)綜合性醫(yī)院，床位800張，日門診量5 000人次?？偨ㄖ娣e186 157.27 m2，其中地上111 333.16 m2，地下74 824.11 m2，地下2層，地上4～15層，地下室埋深10～12 m，本工程設(shè)計(jì)采用地源熱泵系統(tǒng)供應(yīng)整體醫(yī)院的空調(diào)系統(tǒng)用能。

2.2 地埋換熱器設(shè)計(jì)形式

地埋管換熱器主要有水平式埋管換熱器和垂直式埋管換熱器這2種，本項(xiàng)目采用垂直式埋管換熱器設(shè)計(jì)。

2.3 地源熱泵設(shè)計(jì)概況

本項(xiàng)目垂直式地埋管共設(shè)計(jì)1 372口循環(huán)管井，管井有效深度100 m（即地下室底板以下深度），埋設(shè)管井入巖深度50 m，井孔直徑150 mm。設(shè)計(jì)按取熱功率41 W/m、安全富余系數(shù)以10%計(jì)，地源冬季換熱系統(tǒng)取熱功率5 114 kW；地源熱泵冬季可提供空調(diào)熱功率6 443 kW，約為總熱負(fù)荷的80%。本項(xiàng)目為國內(nèi)地源熱泵應(yīng)用規(guī)模較大的項(xiàng)目之一。

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)、規(guī)范和施工經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)施工工藝流程為：測(cè)量定位→鉆井施工→豎直地埋管的連接、下管→第1次水壓試驗(yàn)→地埋管循環(huán)管井灌漿→豎直地埋管第2次水壓試驗(yàn)→開挖水平地埋管溝槽→水平地埋管與豎直地埋管的連接→第3次水壓試驗(yàn)→水平聯(lián)絡(luò)支管與集分水器連接→第4次水壓試驗(yàn)→二級(jí)集分水器管路和空調(diào)機(jī)房一級(jí)集分水器連接→第5次水壓試驗(yàn)→地源熱泵地埋管系統(tǒng)試運(yùn)行→制作竣工圖。

3.2 施工準(zhǔn)備

開工前報(bào)驗(yàn)復(fù)核，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置1個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)與坐標(biāo)控制點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行地源熱泵換熱器管井編號(hào)，全站儀定位，每口井位置設(shè)置標(biāo)記，保證打孔位置準(zhǔn)確。

3.3 鉆孔

使用地勘專用鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆孔過程中檢查鉆機(jī)的垂直、水平度和轉(zhuǎn)盤中心位置。多臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工，其安全距離不應(yīng)小于4倍孔距，成孔最少間隔48 h再進(jìn)行鉆孔。

3.4 管線保壓試壓

豎直地埋管換保壓值為0.4 MPa，豎直地埋管U形頭焊接后，分組做第1次水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為1.6 MPa。在試驗(yàn)壓力下，穩(wěn)壓至少15 min，穩(wěn)定壓力下降不應(yīng)大于3%且無滲漏現(xiàn)象。在下管前壓力泄至0.6 MPa后，在保壓狀態(tài)下將豎直地埋管插入井孔。

3.5 埋管工藝對(duì)比優(yōu)化

管井循環(huán)水管一般采用PE管，PE管材料質(zhì)量安全可靠，成本較高。井管施工分為沉管法和非沉管法這2種，本項(xiàng)目選用沉管法工藝施工。沉管法埋管施工工藝如下：

有地下室的地源熱泵井管施工，成井后把加工好的PE管插入井孔內(nèi)，計(jì)算井底到結(jié)構(gòu)底板底部之間的有效深度，加工好的PE管事先加壓保壓，在PE管端部采用成品PE堵頭封堵，上部另行采用PVC輔助信號(hào)管綁扎固定后沉入井內(nèi)，保證PE管頂部位于地下室底板標(biāo)高位置，地下室底板至自然地面段用PVC輔助信號(hào)管替代。

采用沉管法施工工藝，PVC輔助信號(hào)管與埋地PE管臨時(shí)綁扎連接，既能滿足埋管施工要求，又能確保基坑土方開挖時(shí)不損壞PE管，PVC管起標(biāo)識(shí)和輔助作用，材料成本低。

3.6 井孔回填封堵

地埋管換熱器井孔回填料采用10%膨潤土＋90%黃砂混合物，回填料的導(dǎo)熱系數(shù)必須達(dá)到2.40 W/（m·K）以上。豎直埋管應(yīng)回填密實(shí)，第1次回填完后，應(yīng)安排專人檢查，若發(fā)現(xiàn)有回填料沉降、出現(xiàn)空腔等現(xiàn)象時(shí)應(yīng)及時(shí)采用原漿或黃砂進(jìn)行回填，直至地埋管井密實(shí)無空腔。

3.7 水平管溝開挖

豎直地埋管換熱器施工完成后，基坑土方開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，進(jìn)行水平地埋管溝的開挖及水平管的鋪設(shè)。

水平管溝開挖寬度2 m，深度1 m，根據(jù)設(shè)計(jì)情況確定。含水地層或軟土、不穩(wěn)定地層內(nèi)開槽時(shí)，要進(jìn)行施工排水、設(shè)置溝槽支撐或采取地基處理等措施。開挖溝槽時(shí)要嚴(yán)格控制槽底標(biāo)高和防止擾動(dòng)槽底原狀土，槽底超挖部分要用細(xì)砂回填密實(shí)。槽底有孤石等堅(jiān)硬物體時(shí)，要在清除后用細(xì)砂回填進(jìn)行處理。挖槽時(shí)，堆土高度不宜超過1.5 m，且距離槽口邊緣不宜小于1 m。

3.8 水平管連接

本項(xiàng)目水平管連接采用非集管式連接工藝。

3.8.1 水平管連接工藝優(yōu)化

地源熱泵系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是換熱器埋地水管。本文對(duì)地下室底板底部土層埋設(shè)的水平管的連接方式進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。原設(shè)計(jì)和常規(guī)施工時(shí)采用的是集管式多孔并聯(lián)連接方式，5～10口井并聯(lián)作為一個(gè)回路（圖1）。

圖1 集管式水平管連接方式

通過研究分析，本項(xiàng)目將原設(shè)計(jì)的集管式水平管連接方式優(yōu)化為非集管式一對(duì)一水平管連接方式（圖2）。

集管式連接方式中，其中1口井出現(xiàn)滲漏或堵塞，因井管埋設(shè)于地下土層且位于地下室結(jié)構(gòu)底部，無法進(jìn)行修補(bǔ)，且通過分水器根本無法判斷具體故障位置和數(shù)量，只能關(guān)閉整個(gè)回路，造成這一回路多口井無法使用，影響較大。

優(yōu)化后解決了原設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)集管式連接方式的不足，非集管式連接方式采用一對(duì)一連接，每根井管給水和回水管均單獨(dú)編號(hào)，連接到分水器，任何1口井管損壞和堵塞，可以明確判斷具體井位和數(shù)量。通過分水器可精確判斷具體故障位置和數(shù)量，只需關(guān)閉單一故障回路即可，對(duì)其他井管不產(chǎn)生任何影響，且可針對(duì)性增補(bǔ)。

3.8.2 連接工藝能量損失對(duì)比

結(jié)合案例項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)，集管式工藝匯集的10口換熱器井管其中任意1口出現(xiàn)問題后，將導(dǎo)致該匯集的線路整體關(guān)閉失效，而非集管式工藝只需要關(guān)閉出現(xiàn)故障的1口換熱器的回路即可。經(jīng)對(duì)比分析，改進(jìn)后的非集管式工藝與原設(shè)計(jì)集管式工藝相比換熱能力損失可減少90%。

3.9 水平管回填

水平給回水管采取上下分層方法敷設(shè)，調(diào)整好管道水平高度，將水平管道鋪設(shè)至側(cè)墻與支護(hù)之間二級(jí)集分水器窗井處。溝內(nèi)所有管線熱熔連接完成后，與管溝內(nèi)水平管道整體連接，并進(jìn)行第3次水壓試驗(yàn)合格后，管溝采用細(xì)砂進(jìn)行分層回填，以保護(hù)PE循環(huán)水管，砂回填包裹水平管四周及頂部不小于200 mm。

3.10 總管連接及系統(tǒng)試驗(yàn)

外墻引入的水平連接支管與集分水器連接管采用成品彎頭連接，集分水器連接完成后進(jìn)行第4次水壓試驗(yàn)。

在水平連接支管與集分水器連接完成并試壓合格后，按照設(shè)計(jì)管道走向和施工方法將各個(gè)集分水器的主管相互連接成為整個(gè)系統(tǒng)，并將二級(jí)分水器主管道接入空調(diào)機(jī)房。

待二級(jí)集分水器管路和空調(diào)機(jī)房內(nèi)一級(jí)集分水器連接完成，并進(jìn)行沖洗、排氣后進(jìn)行第5次水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力0.6 MPa，穩(wěn)壓至少12 h，穩(wěn)壓后壓力下降不應(yīng)大于3%且無滲漏現(xiàn)象。驗(yàn)收合格后，與空調(diào)機(jī)房相關(guān)設(shè)備連接使用。

4 工藝優(yōu)化應(yīng)用效果

通過本工程地源熱泵地埋換熱器施工工藝優(yōu)化，1 372口地源熱泵井管施工效果良好，系統(tǒng)運(yùn)行良好，工藝優(yōu)化效果如下。

4.1 水平管優(yōu)化應(yīng)用效果

通過將集管式連接方式優(yōu)化為非集管式連接方式，可形成以下優(yōu)勢(shì)：

1）非集管式連接工藝施工效率高，接頭數(shù)量少，也減少了接頭滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，且連接管徑小、變徑少、施工簡單。

2）可精準(zhǔn)判斷地埋管出現(xiàn)故障、損壞的具體位置和數(shù)量，且可單獨(dú)對(duì)故障地埋管進(jìn)行關(guān)閉，解決了常規(guī)集管式的一回路多井管無法判斷和關(guān)閉的問題，為系統(tǒng)運(yùn)行損失參數(shù)確定和后續(xù)增補(bǔ)地埋管熱交換器提供有利技術(shù)條件。

3）非集管式的工藝減少了因個(gè)別地埋管損壞而造成多口地埋井均無法使用的弊端，損失量和損失成本大大減少。

4.2 沉管法工藝改進(jìn)效果

1）優(yōu)化后的沉管法工藝節(jié)約成本100萬元，成本效果明顯。

2）改進(jìn)后，基坑土方開挖不受地埋管影響，可正常開挖，提高了施工速度，確保了井管質(zhì)量。

5 結(jié)語

地源熱泵的推廣應(yīng)用日益普遍，針對(duì)地埋式地源熱泵換熱器的施工插管方法成本增加和地埋換熱器易損、損壞后難以維修、損壞具體數(shù)量和位置無法確定的弊端，通過施工工藝的優(yōu)化和改進(jìn)得以解決，提高了地埋式換熱器的后期使用效果，且新方法可以科學(xué)直觀地判斷故障點(diǎn)和數(shù)量。新方法可以為后續(xù)地埋式地源熱泵系統(tǒng)的施工提供借鑒。