EPC項目中地源熱泵系統的設計優化與施工技術

劉 闖

(上海建工一建集團有限公司,上海 200000)

當前我國面臨能源低碳轉型的重要挑戰,提高新能源、可再生能源的開發和利用比例,是實現“雙碳”目標的關鍵[1]。作為一種重要的新型能源,為建筑物提供供暖制冷是開發淺層地熱能的主要作用。淺層地熱能分布廣泛、資源豐富、溫度穩定,是蘊藏在地下水和淺層巖土體中的清潔、低溫的可再生地溫資源,具有地域性和儲存性等特點。隨著淺層地熱能開發利用技術的逐漸成熟,其經濟可行、節約能源、有益環境等效益顯著提高。目前以淺層地熱能為冷、熱源的地埋管地源熱泵系統在工程實際中得到廣泛應用[2]。

1 工程概況

蕪湖建筑科技產業園二期(A區)項目位于蕪湖市鳩江區楚江大道與吳越路交叉口東南側,用地面積約35 366.6 m2,總建筑面積為78 694.32 m2,其中地上建筑面積51 544.07 m2,地下建筑面積27 150.25 m2。項目包含一棟12層(2號樓)公共服務中心樓(建筑面積為16 226.22 m2)、一棟10層(8號樓)政務服務中心樓(建筑面積為19 253.19 m2)、兩棟5層(3號樓、5號樓)獨棟辦公樓(建筑面積分別為7 225.34 m2,7 222.40 m2)及一棟2層(4號樓)展廳(建筑面積為1 616.92 m2)。

本項目3號樓、4號樓、5號樓需達到綠色建筑三星級要求,2號樓、8號樓需達到綠色建筑二星級要求,其中2號樓、3號樓、4號樓、5號樓采用中央空調系統,空調主機采用地源熱泵系統來滿足夏天制冷、冬天制熱的需求,地源熱泵系統是達到綠色建筑三星級標準的重要評分項目。

2 巖土熱響應試驗

根據《地源熱泵系統工程技術規范》(2009版)明確規定[3],地源熱泵系統方案設計前,應進行工程場地狀況調查,并應對淺層地熱能資源進行勘察。即通過現場巖土熱響應試驗,獲得巖土體的初始溫度,以及在穩定熱流和工況條件下的熱響應計算參數,參數的獲取為進行地源熱泵地下換熱系統設計提供科學的、準確的、可靠的數值依據,從而保障了整個系統的合理設計[4]。

2.1 試驗概述

通過對地下鉆孔換熱器進行測量,綜合考慮地下各層不同巖土層的熱物性及鉆探深度內的其他影響因素,如地下水滲流的影響,對于設計地下換熱器系統來說更具有價值,同時便于得出更確切的數值[5]。

“恒溫法”和“恒熱流法”是土壤熱物性兩種主要的測試方法。其中“恒熱流法”是指采用恒功率電進行加熱,儀器的結構和控制都較簡單,記錄進出口溫度隨時間的變化情況,測試精度比較容易保證。這種方法可以得到場地內巖土層的平均導熱系數以及鉆孔內的熱阻,根據獲得的巖土熱物性數據,進行傳熱模型模擬出地下巖土層以及回路中短期、中期(1年)和長期(多年)的溫度變化,并利用相關分析軟件或按設計規范計算得到所需地埋管換熱器的總長度。恒熱流法熱響應ASHRAE手冊中具體規定了技術要求[6],即熱物性測試的時間應為36 h～48 h。測試中電加熱功率為每米鉆孔50 W～80 W,接近實際U型埋管換熱器的高峰負荷值。

根據工程特點和場地環境,并依據現行規范、規程要求,場地內布設2個豎直方向的地源熱泵地埋管換熱器測試鉆孔,分別采用雙U(De25,50 m)、雙U(De25,100 m)埋管形式,總鉆探工程量150 m,地源熱泵專用PE100管總長300 m,鉆孔下完PE管后,均由細砂+膨潤土+原漿回填。

2.2 測試孔施工與試驗步驟

通過使用巖土熱響應測試儀,將儀器內部管道與測試孔中地埋管連接構成閉合循環系統,地埋管內換熱介質的加熱量由測試儀器配備的電加熱器控制,測試臺內連接溫度和流量傳感器,試驗臺的CFP控制模塊和數據采集模塊與控制計算機之間采用高速通信線路連接,實時自動采集數據[7]。測試鉆孔的施工與安裝數據見表1。

表1 測試鉆孔的施工與安裝數據表

全部測試設備、儀器儀表就位,將熱物性測試儀用連接管與地埋換熱器管連接,先無功循環工作2 h,待埋管換熱介質的進出口溫度穩定時,即可獲取場地內初始巖土平均溫度,再啟動電加熱循環,開始“恒熱流法”(恒加熱功率)測試48 h,每隔30 s記錄1次加熱功率、進出口水溫、流量數據。1號孔加熱量7 kW;2號孔加熱量3.5 kW。巖土熱響應測試儀見圖1。

2.3 試驗數據整理與分析

2.3.1 巖土初始溫度

根據測試孔溫度傳感器數據,可以得到巖土溫度變化曲線,見圖2。

由圖2可知,溫度曲線變化趨勢平緩,且兩個測試孔得到的溫度數值接近。經過2 h的無功循環工作,最終T1(測試孔R1)溫度值約為19.438 ℃,T2(測試孔R2)溫度值約為19.362 ℃,巖土初始平均溫度取二者平均值19.4 ℃。

2.3.2 加熱過程曲線

啟動電加熱條件后,得出兩測試孔進水溫度和回水溫度變化曲線,見圖3,圖4。

由圖3,圖4可知,整個測試時間共50 h,前240次采集頻次下進、回水溫度曲線變化平緩,此時處于未加熱狀態;開始加熱后,進、回水溫度曲線在較短時間內快速上升,當埋管中換熱介質溫度達到一定值,兩曲線變化再次趨于平緩,最終進、回水溫度曲線變化基本穩定。進水溫度曲線與回水溫度曲線保持相同的變化趨勢,其中測試孔R1因中途電加熱箱出現故障,導致進、回水溫度出現短暫下降現象,修復后恢復上升趨勢。因測試孔R1電加熱功率大于測試孔R2電加熱功率,所以R1孔的進、回水溫度略大于R2孔。最終R1孔進、回水溫度分別為37.045 ℃,32.051 ℃,R2孔進、回水溫度分別為34.286 ℃,29.671 ℃,兩個測試孔的換熱效率大致相當。

3 設計優化

3.1 地埋管系統換熱能力平衡估算

地面溫度對深層巖土溫度場影響較小,地埋管系統進行換熱時需要注意吸熱與排熱的協調,否則容易產生地溫不平衡的問題,導致土壤冷熱堆積,隨著系統運行時間的增加,必將使地溫不平衡問題加重,若不采取措施來改善這種情況,甚至可能造成地源熱泵機組的癱瘓乃至失效。因此,進行地源熱泵系統設計時,需對冬夏季地下換熱量進行平衡計算,即冬季從土壤吸收的熱量與夏季向土壤排放的熱量平衡[8-9]。根據相關規范可以由式(1),式(2)進行計算:

(1)

(2)

其中,Qd為地源熱泵冬季從土壤中釋放的熱量,kW·h;Qx為地源熱泵夏季從土壤中吸收的熱量,kW·h;Qa為空調分布冷負荷,kW·h;Qb為空調分布熱負荷,kW·h;Qd為輸送過程所得熱量,kW·h;Qs為輸送過程散失熱量,kW·h;Qf為水泵釋放熱量,kW·h;CEER為制冷工況下的機組性能系數;CCOP為制熱工況下的機組性能系數。

由巖土熱響應試驗結果,得出項目場地內巖土體的初始溫度約為19.4 ℃,巖土平均綜合導熱系數為2.26 W/(m·K),導熱系數較高,適合做地源熱泵系統。在試驗條件下,測試孔R1散熱能力為54.6 W/m、取熱能力為41.7 W/m,測試孔R2散熱能力為50.3 W/m、取熱能力為39.6 W/m。地源熱泵系統設計夏季散熱取54 W/m,冬季吸熱取36 W/m。

3.2 地源熱泵初步設計

本項目作為EPC公建項目,所使用的地源熱泵系統為蕪湖地區首次采用。場地內地源熱泵井深采用120 m,共需要地埋井數量為650口,地埋井孔徑150 mm,采用單U管形式(如圖5所示),U型管外徑25 mm,設計鉆孔間距大于5 m。初步設計地源熱泵平面布置圖如圖6所示,其中圓點(粉色)為地埋井,虛線(紅色)為地庫輪廓線,陰影(綠色)為地源熱泵設備間,黑色線為主樓輪廓線。

由剖面圖和平面布置圖可知,初步設計中,地源熱泵在地庫幾乎滿鋪。同時,設計中用于水平管與垂直管連接的套管由地庫底板位置穿入地下室,可能造成地庫內部滲水嚴重,需對初步設計進行優化。

3.3 地源熱泵優化設計

本項目3號樓、4號樓、5號樓交付節點早于8號樓244 d,2號樓交付節點早于8號樓152 d,為不影響主樓工期,優化鉆井空間布置區域,將鉆井區域集中布置在3號樓、4號樓、5號樓與8號樓之間的地下區域,鉆孔間距大于4.5 m。

依據規范要求,經計算得出:土壤換熱器循環水設計溫度夏季為35 ℃/30 ℃,冬季為6.5 ℃/10 ℃。其中本項目2號樓夏季冷負荷為2 036 kW,冬季熱負荷為1 438 kW;3號樓、5號樓夏季冷負荷各為806 kW,冬季熱負荷各為593 kW;4號樓夏季冷負荷為180 kW,冬季熱負荷為132 kW。使用2臺制冷量1 339 kW、制熱量1 399 kW的地源熱系機組加一臺制冷量1 150 kW的磁懸浮冷水機組,保證冬季釋放熱量與夏季吸收熱量平衡的前提下,將地源熱泵單U管更換為并聯雙U管,減少地埋井數量至506口。

根據現場實際施工情況和工程造價,從經濟方面和后期維修等綜合角度考慮,優化套管數量,優化節點處理措施,套管更改為由地庫側墻位置穿入地下室,減少對地下室大底板滲水風險;同時優化地源熱泵設備間,將原先4處設備間優化為2處,減少對車位的空間占用,設備間增加小型集分水器數量,并優化水泵選型。

優化后的埋管剖面圖見圖7,地源熱泵平面布置圖見圖8。

綜上所述,對地埋井數量、地埋井分布區域、鉆孔間距、埋管形式、套管數量與節點處理措施、設備間數量與設備材料等進行了優化,優化設計后,不僅縮短了施工工期、降低了交叉作業難度,還減小后期滲漏風險、節約維修造價,同時降低施工成本約100萬元。

4 施工技術

4.1 垂直埋管施工技術

施工前應準確定出井口位置,根據基坑的基準點測定出每個孔位的位置后,用白灰做記號或用標志旗做下標記。將鉆機就位,利用水平尺測量并調整鉆機水平,然后調整鉆機鉆桿對準已標識好的井口位置,順著鉆桿頂端吊掛垂直線,確定鉆桿垂直后開動泥漿泵開始鉆孔。根據地質勘測報告和相關規范[10],本項目采用泥漿護壁,正循環鉆孔,轉速為110 r/s,鉆孔有效深度為120 m,孔徑為130 mm左右。垂直埋管工藝流程和鉆孔工藝見圖9,圖10。

4.1.1 U型管制作安裝

U型管制作:選用成卷供應的管材制作U型管換熱器,成品U形彎頭采用熱熔連接方式,制作完成后及時封堵組對好的U形管的兩開口端部。

U型管試壓:第一次水壓試驗,在垂直地埋管換熱器連接完成后、插入鉆孔前進行。將U型管其中一頭灌入自來水,隨后記錄另一頭的出水量,如進水量與出水量存在明顯差異,則判斷在熱熔過程中造成U型彎產生縮徑現象,應及時更換U型彎并重新熱熔,直到兩端進出水量一致后,封閉一頭并對另一頭開始加壓。加壓過程中,緩慢升高加壓泵壓力值,升壓過程中隨時觀察與檢查壓力表,保證U型管不出現滲漏。當壓力值達到1.6 MPa時(以工作壓力確定試驗壓力,注意管道的公稱壓力),停止加壓,由于PE管材具有一定彈性,15 min內壓力值一般下降至1.0 MPa～1.2 MPa,再繼續穩壓15 min,穩壓后壓力值降至0.5 MPa,檢查無泄漏后判定合格進行下管。

U型管下管:利用一個專用的鉆桿改裝成的U型叉,叉住立管的U型彎(U型管充滿水狀態),再用鉆桿的自重壓力把立管壓入井中,鉆桿下管過程中,操作人員應兩手拉住并微微分開U型管緩緩下管。保證每鉆完一口地源井,及時安裝U型管。

4.1.2 灌漿回填

地埋管換熱器U型管安裝完畢后,立即回填封孔。

第一次回填:回填材料盡量采用鉆孔泥漿回填減少對原始地層的破壞,不足部分用黃砂填實:約5個～8個井共用一個泥漿坑,并挖泥漿溝渠相連接,保證下一口井在施工過程中所產生的原漿通過泥漿溝對前一口井連續灌漿。為防止鉆孔產生的細砂和巖石粉末大量流入泥漿池,在溝槽內的地源井后方放置大石塊阻擋,確保粘稠料及時回灌入井。通過這種方法依次循環,直至灌漿料溢出井口,確保鉆孔回填密實,無空腔。當漿料在井內凝固后,可有效防止地下水在地質層中竄層,防止地下水的污染。

第二次回填:在完成第一次回填后,可能有部分孔的回填料發生自然下沉的情況,此時就需要再對能源井上部進行二次回填加固,回填料為黃砂,最后以細砂由井端灌入直至鋪滿井口。

4.2 水平管連接敷設安裝施工技術

此部分施工與土方開挖、大底板施工關系密切,相互制約,協調工作量大,施工時應安排專業人員緊隨土方挖機前方,引導挖機在挖土時注意地源井管,如發現井管一旦被挖斷或破損應及時用簡易膠帶進行封堵,在做水平管時再進行試壓以確保井管的合格率。水平管連接敷設安裝施工流程見圖11。

1)管道試壓。U型垂直管在找到管頭后,采用熱熔技術進行水平管道與垂直管道的連接,每一回路中用水作介質,進行第二次試壓。試驗壓力值為0.5 MPa,穩壓時間保持30 min,壓力值降低不大于3%為合格,然后進行適當成品保護。

2)管溝開挖。根據施工圖紙,用白灰標出管溝開挖寬度及走向,管溝的開挖應遵循二級集分水器為最高點,能源井為最低點的原則,以不小于0.3%的坡度開挖。開挖過程中應采用水準儀測量實際標高從而選擇開挖深度,為避免過多對天然地基的擾動,本工程對于管槽的開挖深度為水平管平鋪后離墊層面50 cm～60 cm。

3)管道敷設。水平管應平鋪布置于管溝內,并對管溝內石子等尖銳物進行清理,確保管溝內清潔。當供回水管道布置在同一管溝內時,保證供回水管道間隔不小于300 mm,水平管在未與垂直管連接前應密封兩端開口處,防止異物進入管道。

4.3 施工技術重難點及措施

1)鉆孔定位及孔深難控制。在場內設置若干基準點,全程利用全站儀或點位測算進行測量井位及現場標高,使每一個孔的孔距位置及鉆井深度滿足設計要求。雙U型管下管時采用帶壓下管,保證每口地源井帶表壓露出鉆孔作業面上50 cm。這樣能使每個雙U型管的換熱深度滿足設計要求,同時又能減少后續土方開挖對雙U型管的損傷概率;且不會因鉆孔過深,造成下管后水平管連接時找不到管頭。

2)施工過程中,如出現涌水、涌砂及可能污染管井等問題難解決。結合地質條件及同類型項目經驗,應在鉆井時挖到循環泥漿溝渠,即在鉆井時的泥漿應始終流經已完成的垂直井(原回灌工藝不變),這樣可根本上解決涌水涌砂問題。個別輕微的涌水涌砂現象,亦可采用快速水泥加水玻璃封堵的方法解決。但采取以上施工工藝時,基坑開挖時間必須在鉆井施工完成至少10 d后進行,使井管和孔洞有足夠的時間沉降密實。

3)水平管穿越后澆帶的施工工藝要求高。當水平管穿越后澆帶時,應在距離后澆帶兩側邊緣各20 cm處開挖呈45°角的斜坡,深度為后澆帶深度往下30 cm為宜,并設置PVC套管,水平管在穿過套管段不允許有接頭,且完成穿越后及時以黃砂或膨潤土回填,并做到回填密實。

5 結論

本文以蕪湖某EPC公建項目為例,介紹了項目巖土熱響應試驗,進行了地埋管地源熱泵系統的設計優化,闡述了地埋管地源熱泵的施工技術,得出以下結論:

1)在地源熱泵系統設計之前,應對工程場地進行巖土熱響應試驗,試驗得出本場地巖土的初始溫度為19.4 ℃,巖土平均綜合導熱系數2.26 W/(m·K),適合做地源熱泵系統,垂直孔回填料選用10%膨潤土、90%細砂、SiO2及原漿混合物。

2)本項目所使用的地源熱泵系統為蕪湖地區首次采用,根據冬季從土壤吸收的熱量與夏季向土壤排放的熱量平衡的原理,初步設計中需要地埋井數量為650口,采用單U管形式,地源熱泵在地庫幾乎滿鋪,不利于施工工期和成本造價;優化套管數量和節點處理措施后,需要地埋井數量為506口,采用雙U管形式,不僅縮短了施工工期、降低了造價,還減小后期滲漏風險。

3)地埋管地源熱泵包括垂直埋管和水平管連接,垂直埋管在施工前應準確定出井口位置,可根據基坑的基準點測定出每個孔位的位置;水平管施工與土方開挖、大底板施工關系密切,施工時如發現井管一旦被挖機挖斷或破損應及時封堵或更換埋管,在做水平管時再進行試壓以確保井管的合格率。