垂直地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工

垂直地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工楊擁軍（中興建設(shè)有限公司淮安分公司江蘇淮安223005）【摘要】：通過(guò)淮師文華苑采用地源（垂直埋管）熱泵空調(diào)系統(tǒng)，介紹地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試。同時(shí)通過(guò)對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量、處理，得出地源熱泵是一種環(huán)保、節(jié)能的空調(diào)能源。

【關(guān)鍵詞】：地源熱泵，垂直埋管，節(jié)能隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，能源的消耗急劇增加，伴隨著城市化的進(jìn)程，建筑總數(shù)量的不斷增加及舒適度要求的提高，建筑能耗直線上升，建筑能耗中將近30%是暖通空調(diào)能耗。隨著能源和環(huán)境的問(wèn)題日益嚴(yán)重，合理利用能源節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境已成為暖通空調(diào)行業(yè)需要面對(duì)的一個(gè)課題。地?zé)崮苁且环N地球內(nèi)部蘊(yùn)藏的能量，屬可再生資源；地源熱泵技術(shù)是對(duì)地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。地源熱泵技術(shù)就是利用淺層地殼中儲(chǔ)存的能源對(duì)建筑進(jìn)行制冷和供暖，以土壤、地下水、地表水、海水為低位熱源，由水源熱泵機(jī)組、地?zé)峤粨Q系統(tǒng)、建筑室內(nèi)系統(tǒng)組成供暖制冷空調(diào)系統(tǒng)；這種空調(diào)系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，由于在極端氣候條件下，空氣源熱泵系統(tǒng)效率可能會(huì)非常低，甚至不能用，但地源熱泵系統(tǒng)由于其相對(duì)穩(wěn)定的熱源溫度，即使在極端氣候條件下也能達(dá)到很好的效果。為了大力推廣這種新型節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)淮師文華苑采用地源（垂直埋管）熱泵空調(diào)系統(tǒng)，詳細(xì)地介紹了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試，供同行借鑒參考。1工程概況淮師文華苑住宅小區(qū)位于淮安市老城區(qū)內(nèi)。建筑面積約227211平方米,其中地上部分約173636平方米，地下部分53575平方米，由12棟中高層住宅、物管用房、商鋪及地下車庫(kù)組成。部分地下機(jī)動(dòng)車庫(kù)設(shè)戰(zhàn)時(shí)人防。其中一至八號(hào)樓住宅及物管用房設(shè)中央空調(diào)系統(tǒng)。2設(shè)計(jì)參數(shù)及空調(diào)冷熱負(fù)荷2.1室外計(jì)算參數(shù)（按淮安市參數(shù)）詳下表:

北緯東經(jīng)夏季空調(diào)干球溫度空調(diào)濕球溫度空調(diào)日平均溫度風(fēng)速大氣壓通風(fēng)干球溫度33.8℃28.3℃31.43.2m/s100.1KPa30.1℃33°36′119°02′冬季空調(diào)干球溫度相對(duì)濕度風(fēng)速大氣壓通風(fēng)干球溫度-873%3.6m/s102.74KPa02.2室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)房間名稱夏季冬季新風(fēng)m3/h·p噪聲dB(A)溫度℃相對(duì)濕度%溫度℃相對(duì)濕度%起居室25-27≤6518-20/30-40≤45臥室25-27≤6518-20/30-40≤40書房25-27≤6518-20/30-40≤40衛(wèi)生間/≤6518-20/排風(fēng)≤45備注：冬季洗浴時(shí)，借助輔助加熱設(shè)備（如浴霸）升溫至25℃。2.3冷熱負(fù)荷住宅：空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷6640kW,熱負(fù)荷4270kW，生活熱水熱負(fù)荷2000kW(給排水提供）。物管用房：空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷290kW,熱負(fù)荷210kW。3空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1空調(diào)冷熱源3.1.1小區(qū)住宅冷熱源采用垂直埋管的地源熱泵冷、熱水機(jī)組。機(jī)組設(shè)于地下室地源熱泵機(jī)房,機(jī)房?jī)?nèi)共設(shè)五臺(tái)地源熱泵機(jī)組,其中兩臺(tái)（滿足全年生活熱水）為高溫?zé)崴卦礋岜脵C(jī)組，高溫制熱參數(shù)：制熱量1080KW，供回水溫度為60/55℃，地源側(cè)供回水溫度為10/5℃；制冷參數(shù)：制冷量1130KW，供回水溫度為7/12℃；全部熱回收參數(shù)：熱回收量1140KW，供回水溫度為60/55℃。夏季熱泵機(jī)組制冷狀態(tài)時(shí)供給住宅新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管冷源，熱泵機(jī)組散熱熱回收供給住宅生活熱水；冬季從豎直埋管提取熱量通過(guò)熱泵機(jī)組供給住宅生活熱水。另外三臺(tái)為住宅空調(diào)地源熱泵機(jī)組，制熱參數(shù)：制熱量1360KW，供回水溫度為45/38℃，地源側(cè)供回水溫度為10/5℃；制冷參數(shù)：制冷量1380KW，供回水溫度為7/12℃，地源側(cè)供回水溫度為25/30℃；其中一臺(tái)全部熱回收機(jī)組是在冬夏季地埋管取熱散熱不平衡且在夏季地下溫度超過(guò)30℃3.1.2物管用房為水冷式變冷媒一拖多空調(diào)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱多聯(lián)機(jī)），所有多聯(lián)機(jī)主機(jī)冷卻水均來(lái)自設(shè)于地源水。豎直埋管水溫為5至403.1.3地源側(cè)均采用水泵變頻運(yùn)行，空調(diào)側(cè)設(shè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥變流量運(yùn)行，分集水器之間設(shè)壓差旁通控制。地源水和空調(diào)水系統(tǒng)均采用低位膨脹罐定壓、補(bǔ)氣、排水。采用全程水處理器除垢、除銹。圖1：住宅空調(diào)水系統(tǒng)原理流程圖3.1.4五臺(tái)機(jī)組，夏冬季的制冷、制熱轉(zhuǎn)換是通過(guò)機(jī)組內(nèi)置的電動(dòng)四通換向閥轉(zhuǎn)換制冷劑的流向來(lái)達(dá)到制冷、制熱轉(zhuǎn)換。3.2空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)住宅空調(diào)采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)+地暖形式，夏季為風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行，冬季為新風(fēng)系統(tǒng)+地暖運(yùn)行。新風(fēng)系統(tǒng)為獨(dú)立水環(huán)路，風(fēng)機(jī)盤管和地暖合用水環(huán)路（通過(guò)閥門進(jìn)行季節(jié)切換）?？照{(diào)水系統(tǒng)各分成五個(gè)環(huán)路，分別為：3#、5#、7#樓新風(fēng)機(jī)組一個(gè)水環(huán)路；1#、2#、4#、6#、8#樓新風(fēng)機(jī)組一個(gè)水環(huán)路；1#、2#風(fēng)機(jī)盤管（地暖）一個(gè)水環(huán)路；3#、5#、7#風(fēng)機(jī)盤管（地暖）一個(gè)水環(huán)路，4#、6#、8#風(fēng)機(jī)盤管（地暖）一個(gè)水環(huán)路。空調(diào)水系統(tǒng)的定壓膨脹設(shè)備設(shè)于地下室熱泵機(jī)房?jī)?nèi)。3.3空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)控制3.3.1本工程采用BAS樓宇自控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由中央電腦終端設(shè)備及若干現(xiàn)場(chǎng)DDC或控制單元組成。中央電腦終端設(shè)備能對(duì)各系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示、報(bào)警、打印等并與消防系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)等。地源熱泵機(jī)房設(shè)機(jī)房群控。3.3.2通過(guò)測(cè)量冷凍水(或空調(diào)熱水)3.3.3.3.3.3.3.3.6風(fēng)機(jī)盤管控制：通過(guò)風(fēng)機(jī)盤管溫控器3.3.4室外垂直埋管換熱器設(shè)計(jì)由于埋管換熱器中循環(huán)介質(zhì)與大地巖土間的換熱情況相當(dāng)復(fù)雜，因此地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)上。埋管形式、埋管或豎井的間距、埋深、管徑、循環(huán)介質(zhì)的流量等既是影響埋管換熱器與大地巖土間換熱的重要因素，又是構(gòu)成埋管換熱器具體形式的主要參數(shù)，此外，埋管地點(diǎn)的地質(zhì)狀況、氣候特征、建筑物的負(fù)荷變化狀況也都影響換熱器的換熱，其中地下巖土的熱物性對(duì)傳熱的能力影響很大。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)埋管建筑物的地質(zhì)勘察報(bào)告、氣候特征等資料采用有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。4.1地質(zhì)水紋特性根據(jù)江蘇華信勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司提供的巖土工程勘察報(bào)告，待建場(chǎng)地有以下特點(diǎn)：從100m范圍的巖土層分布來(lái)看，主要由素填土層、粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土層、粉質(zhì)粘土夾粉土、粉砂層、粘土層、中細(xì)砂層。場(chǎng)地勘探深度內(nèi)地下水類型為潛水和承壓水，對(duì)工程有影響的主要為上部潛水。地下水溫較穩(wěn)定，水位受季節(jié)性變化影響，年變化幅度為2.0m左右，利于地下?lián)Q熱器進(jìn)行熱交換。根據(jù)“水質(zhì)分析報(bào)告”場(chǎng)地地下水PH值為7.5；C1-、SO42-、Mg2+、總礦化度含量基本符合采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。4.2室外地埋管換熱器設(shè)計(jì)4.2.1依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及計(jì)算結(jié)果確認(rèn)：100米有效深度地源井，住宅1260口，物管72口。4.2.2地埋管采用鉆孔垂直埋管，鉆孔間距為4.05x4.05m以上，100米有效井深采用?25HDPE管，雙“U”連接，鉆孔孔徑?150。雙U型管的接管連接方式如下：4.2.3根據(jù)區(qū)域和埋管布置方式，地埋管分成十一個(gè)二級(jí)分、集水器檢查井。4.3地埋管材及管件的選用地源管采用了化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大、流動(dòng)阻力小的聚乙烯管，管件與管材為相同材料；管材的公稱壓力為1.6MPa,PE管的外管及壁厚滿足規(guī)范的要求。4.4傳熱介質(zhì)的選用采用水作為傳熱介質(zhì)，未考慮在循環(huán)水中添加防凍劑。但為了防止冷卻循環(huán)水在極端氣溫下結(jié)凍，采用感溫自控系統(tǒng)啟動(dòng)循環(huán)泵，當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)回水溫低于4℃時(shí)，由自控系統(tǒng)啟動(dòng)循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)循環(huán)水并且報(bào)警提示，可以有效避免地埋管循環(huán)水結(jié)凍。4.5地源熱泵系統(tǒng)總吸熱量與總釋放量相平衡的措施在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，地源熱泵系統(tǒng)總吸熱量與總釋放量的平衡對(duì)于保證大地巖土的熱穩(wěn)定性、地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及空調(diào)實(shí)際運(yùn)行效果十分重要。經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，設(shè)計(jì)采用輔助冷卻源與地埋管換熱器并用的調(diào)峰形式。5地埋管道施工5.1采用的設(shè)備鉆機(jī)采用XY-1，XY-1B，往復(fù)式泥漿泵采用BW-250。5.2井下垂直PE管預(yù)制5.2.1預(yù)制程序：5.2.2熱熔焊接：豎直地埋管采用熱熔連接，連接方法5.2.3PE管下井頭部定位針制作：為了使PE管順利插入井底并定位，加工1.65m頭部帶箭頭的Φ16鋼材，在距箭頭50cm處焊一“7”字形15cm長(zhǎng)Φ１０圓鋼，便于放管和定位。Φ5.2.4管口標(biāo)記：若埋底不露管頭的應(yīng)在PE管的悶蓋處扎一條紅色醒目的條帶，5.2.5管間距控制：一口井內(nèi)的兩條管子必須保持一定的間隙，用標(biāo)準(zhǔn)D32PE管制成圈套，用扎帶5.3放管監(jiān)控5.3.1搭接關(guān)系：打完一口井時(shí)應(yīng)立即放管，停留時(shí)間越長(zhǎng)，井下的擠壓現(xiàn)象越嚴(yán)重，管子也就越難放。5.3.2嚴(yán)禁管道彎曲翅角：放管時(shí)必須多人合作，提起管子不得在地上拖拉，不應(yīng)該形成不自然的彎曲，更不允許產(chǎn)生角度，然后鉆桿套住Φ１０mm圓鋼，利用鉆桿壓力將管子緩緩放下直到設(shè)計(jì)深度。5.3.3定位控制：管子底部的鋼材箭頭直插井底中心，因井下土質(zhì)較軟，管子會(huì)繼續(xù)下沉，為了控制落管尺寸，施工人員要拉住尼龍繩使管不再下滑，在達(dá)到尺寸要求后鎖定位置，迅速灌沙定位。同一型號(hào)、同一場(chǎng)地的管子頂部尺寸要盡量保持一致。5.3.4回填材料：放管工作完成后，應(yīng)立即向井內(nèi)回填材料，絕對(duì)穩(wěn)定管子在井中的位置。豎直換熱器灌漿回填料宜采用90%細(xì)砂加10%膨潤(rùn)土的混合漿或?qū)Ｓ霉酀{材料，回填料的導(dǎo)熱系數(shù)必須達(dá)到2.40W/m.K以上。同時(shí)，為保證每個(gè)豎直埋管回填密實(shí)，應(yīng)對(duì)每口井回填料進(jìn)行計(jì)量，保證每個(gè)埋管井充滿一定的回填料，以達(dá)到換熱效果。5.4保溫地源二級(jí)分、集水器接到熱泵機(jī)房?jī)?nèi)的地源水管均設(shè)保溫，保溫材料采用難燃B1橡塑，厚度為32mm。5.5試壓5.5.1豎直地埋管換熱器插入鉆孔前，應(yīng)做第一次水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為1.5MPa。在試驗(yàn)壓力下，穩(wěn)壓至少15min,穩(wěn)定壓力降不應(yīng)大于3%且無(wú)滲漏現(xiàn)象；將其密封后，在有壓狀態(tài)下，插入鉆孔，完成灌漿后穩(wěn)壓1h。5.5.2豎直地埋管換熱器與環(huán)路集管裝配完成后，回填前應(yīng)進(jìn)行第二次水壓試驗(yàn)。在1.5MPa試驗(yàn)壓力下，穩(wěn)壓至少30min,穩(wěn)定壓力降不應(yīng)大于3%，且無(wú)滲漏現(xiàn)象。5.5.3環(huán)路集管和機(jī)房分、集水器連接完成后，回填前應(yīng)進(jìn)行第三次水壓試驗(yàn)。在1.5MPa試驗(yàn)壓力下，穩(wěn)壓至少2h,且無(wú)滲漏現(xiàn)象。5.55.5.5水壓試驗(yàn)宜采用手動(dòng)泵緩慢升壓，升壓過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)觀察和檢查，不得有滲漏，不得以氣壓試驗(yàn)代替水壓試驗(yàn)。5.6套管預(yù)埋地源管穿檢查井外墻處需預(yù)埋剛性防水套管，PE管穿越地源檢查井安裝柔性防水套管。5.7地溫探測(cè)裝置設(shè)置設(shè)置六個(gè)地溫探測(cè)裝置，每個(gè)測(cè)溫井20m、50m、80m處設(shè)溫度探頭，在機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置四臺(tái)雙回路顯示儀，測(cè)溫探頭為PT1000溫度傳感器，測(cè)溫線纜為屏蔽線RVVP3x0.5。6空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況及節(jié)能分析6.1運(yùn)行狀況冬季調(diào)試記錄時(shí)間（2013/12/26），正值地區(qū)最低氣溫-7℃。初始時(shí)，地源側(cè)出水溫度19℃，經(jīng)24h不間斷運(yùn)行，熱泵機(jī)組熱水出水溫度在40-45℃間，最終地源側(cè)的出水溫度穩(wěn)定在11~13℃。室內(nèi)實(shí)測(cè)氣溫：20~22℃。夏季運(yùn)行記錄時(shí)間（2014/6.2節(jié)能分析冬季最終地源側(cè)的出水溫度穩(wěn)定在11~13℃，熱泵機(jī)組的能效比達(dá)到4.0以上，顯然，地?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)比空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)供熱要環(huán)保節(jié)能，不存在空氣源熱泵冬季需化霜、極端氣溫下供熱效果不理想的問(wèn)題。夏季地?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)冷卻水進(jìn)出水溫度在27.2/32.8℃，與常規(guī)空調(diào)冷水機(jī)組冷卻水進(jìn)出水溫度在32/37℃相比，在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，機(jī)組能耗要節(jié)約15%；在70%負(fù)荷運(yùn)行時(shí),機(jī)組能耗要節(jié)約35%；在50%負(fù)荷運(yùn)行時(shí),機(jī)組能耗要節(jié)約60%。7結(jié)論地?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)比空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)要環(huán)保節(jié)能，是應(yīng)大力推廣應(yīng)用的新型節(jié)能環(huán)保空調(diào)系統(tǒng)；地源泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)上，正確設(shè)計(jì)室外地下?lián)Q熱器對(duì)于保證空調(diào)系統(tǒng)的效果和經(jīng)濟(jì)性十分重要；地源泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要注意系統(tǒng)總吸熱量與總釋放量的平衡，以防空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)失敗。參考文獻(xiàn)[1]《地源熱泵土壤換熱能力試驗(yàn)研究報(bào)告》[2]《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》2009版(GB50366-2005)[3]江蘇省《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》(DGJ32/