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      哈雷釬焊板式換熱器
      專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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      地埋管地源熱泵系統在采暖與空調系統工程中的應用

      點擊:1436 日期:[ 2014-04-26 22:00:23 ]
                               地埋管地源熱泵系統在采暖與空調系統工程中的應用                                            李宏軍                           (南通華新建工集團有限公司,江蘇南通226600)     摘要:結合工程實例,介紹地源熱泵系統中地埋管換熱系統的深化施工方 案、設備采購及供應、安裝、培訓、調試,竣工驗收,品質保修 期內的修、配、換服務。對類似工程具有一定的借鑒意義。     關鍵詞:正循環回轉鉆井;地藕埋管;灌漿回填;調試;節能     中圖分類號:TU833+.1文獻標志碼:A文章編號:1673-7237(2009)04-0051-05     0 引言     地源熱泵系統(ground-source heat pump system) 是以巖土、地下水或地表水為低溫熱源,由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱空調系統。根據地熱能交換系統形式的不同,地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。     地埋管換熱系統(ground heat exchanger system) 是指傳熱介質通過垂直或水平地埋管換熱器與巖土體(rock-soil body)進行熱交換的地熱能交換系統,故又稱為土壤熱交換系統,見圖1。                          1.工程概況:     江蘇省海安縣行政中心地處華東地區,海安中心城區,總建筑面積73 000 m2,該工程建筑高度75 m, 分為三區,其中一區為檔案館,空調面積5 141.5m2; 二區為會議餐飲樓,空調面積5 139.9 m2;三區為主 樓,空調面積48 590.4 m2。本工程采用地埋管換熱系 統,選用地源熱泵機組,利用交換液與土壤熱交換,實 現了熱泵機夏季冷凍水供回水溫度為7/12℃;冬季 提供空調水供回水溫度50/45℃。夏季地源出水溫度 為25~30℃,最高不超過35℃;冬季出水溫度10~ 15℃,最低不低于7.5℃。設計生活熱水,生活熱水機 組出水溫度為50℃。     2.施工部署     本工程地埋管地熱泵系統方案設計前,通過對巖土層的結構巖土體熱物性、巖土體溫度、地下水靜水位、水溫、水質及分布、地下水徑流方向、速度、凍土層 厚度等主要技術指標進行分析和地埋管換熱系統的安全復核模擬,確定出本工程地源系統夏季的最高出水溫度為35℃和冬季最低出水溫度為7.5℃。     根據工程勘察結果,評估地埋管熱系統實施的可行性及經濟性,確定施工方案如下:     采用室外地源換熱器共為900孔,設置15個分區,每個分區負責60個地源孔;每個孔井深90 m,井位呈矩形排列,相鄰兩井間距4 m,總鉆井深度約為 81 000 m;水平PE管長度約20 000 m,埋地深度2 m。 每個分區設置分、集水器,地源孔與分區分、集水器采用PE閥門連接。整個地源系統埋地部分沒有任 何金屬構、配件。     每個分區通過地源干管與總分、集水器連接,在總分、集水器檢修井內設置每個分區的流量平衡閥。根據工程施工進度要求,本工程室外地藕埋管施工與地上室內主機系統、空調末端系統施工同時進行。整個地藕系統設計為分區同程系統,全部采用熱融連接。     3.地藕埋管施工     3.1地埋施工原則     (1)由外而內的原則;     (2)由垂直到水平的原則;     (3)由支管到主管的原則。     3.2施工流程(見圖2)                                                                                      圖2地理施工流程圖     3.3地埋管物資準備     (1)根據施工預算、施工方案和施工進度計劃,合 理編制材料、機具進場及使用計劃,以免現場材料、機 具堆放過多;     (2)搭設臨時材料堆放、存儲倉庫,搭設管道預制 加工棚;     (3)采用專業供貨廠商提供的熱熔連接工具、機 具、嚴格按使用說明書操作;     (4)本工程地藕系統采用的高密度聚乙烯HDPE3408 管材,該產品壓力等級為1.2 MPa,熱導率為0.46~ 0.57 W/(m·K)。     (5)本工程的主要巖土層為中密粉砂層,其熱導率 為2.1~2.3 W/(m·K)。為保證回填的密實、低溫不龜 裂以及回填材料的熱導率須大于土壤巖層的熱導率, 故回填料選用5%的膨潤土加95%的細砂混凝土混凝 土混合料,其熱導率為2.4~2.8 W/(m·K);     (6)本工程傳熱介質采用自來水,滿足傳熱介質的 必須的安全性、傳熱性、較低的摩擦阻力且經濟適用 的技術要求。     3.4材料檢驗及存儲     地埋管及管件應符合設計要求,應用的管材、管件及附件等應有企業質量檢驗部門的產品合格證及相關檢測部門的質量檢驗報告。     地埋管應采用化學性能穩定性好、耐腐蝕、熱導率大、流動阻力小的塑料管材及管件,宜采用聚乙烯管(PE)或聚丁烯(PB),不宜采用聚氯乙烯(PVC)管。管 材、管件及附件應為相同材質。     地埋管質量應符合國家現行標準中的各項規定。 管材應標明規格、商標或生產廠名、公稱壓力以及生 產日期,包裝應符合要求、還應標明長度。     管材的公稱壓力及使用溫度應滿足設計要求,且 管材的公稱壓力不應<1.0 MPa,地埋管外徑及壁厚 可按《給水用聚乙烯(PE)管材》GB/T13663及《冷熱水 用聚丁烯(PB)管道系統》GB/T19473.2之規定選用。     管材和管件的外觀質量符合下列要求:管件應完 整,無缺陷、無變形,合??p交口應平整,無開裂。管材、管件運輸儲存應符合以下規定:     (1)管材、管件運輸、儲存不應損壞外包裝,不得暴曬、淋雨。成捆、成箱盤狀管材及管件應堆放整齊,對 方高度不應>2 m。支點物應采用木塊,寬度≥0.2 m, 間距宜<1 m;     (2)管材在運輸時應避免尖硬物件劃傷刻痕,沾染 污物,管材不得用鋼絲繩成捆吊裝及重壓。管材、關鍵 應存放在通風良好、溫度不超過40℃的庫房內。工地 臨時堆放場應有防雨、防曬遮蓋措施。管材、關鍵應遠 離貨源,不得與油、酸、堿及易燃等危險品存放在一個 庫房內;     (3)管道在運輸儲存過程中不得劇烈撞擊、滾、拖、拋、摔。     3.5鉆孔施工技術     (1)鉆孔前應勘測現場,做好和其他專業(如土建、給排水、消防、電纜等)的交叉與銜接。根據施工鉆孔平面圖的孔數、行距和面積,進一步核實現場的施工面積以滿足打孔要求;     (2)核實無誤后,按施工平面圖檢查定位放線,排 水、泥漿倒運工序,合理安排土方、泥漿池、安全通道 及堆土場的位置,保持通道暢通無阻;     (3)鉆孔就位,要保證鉆機鉆桿垂直度,防止垂直 偏差將已埋管道損壞。鉆井機械定位保證水平度偏 差≤1%;保證垂直偏差≤0.5%;     (4)在鉆孔的兩孔之間挖1 400 mm×700 mm×500 mm 泥漿池,位置在地埋管挖溝方向兩孔之間,用作鉆井 機在施工中水循環載體,不至于流到其他地方,保證 施工現場的整潔;     (5)根據在其他工程的施工經驗,本工程采用正循 環回轉鉆井;     (6)正循環回轉鉆井的優點:①在地層漏失或對漏 失處理無效之后,正循環沖洗液充滿鉆桿與孔壁之間 的外環狀空間,液柱本身重量對孔壁產生較高的側壓 力,在液柱與地層之間的壓力差作用下,泥漿向地層 滲透,其黏土顆粒將在孔壁形成一層泥皮,液柱側壓 力和泥皮都能有效地加固孔壁,防止孔壁坍塌;②沖洗液在較高壓力作用下,以較高的速度從鉆頭中呈射 流狀態噴射孔底,能有效地沖起孔底巖屑;③依靠排 水壓力,通過管線向孔洞輸送沖洗液,管線及其接頭 部位即使有少量泄漏(這在實際工作難以完全避免), 也不會導致沖洗液循環和鉆井過程中斷。在地層漏失 情況下,沖洗液連續補給,仍可繼續鉆井;     (7)鉆孔過程中安排質量檢查員隨時檢查鉆孔的 位置,確保鉆孔位置的正確性,并做好檢查記錄工作, 如發現偏差超過標準要求,應及時糾正重新進行定位;     (8)鉆孔完成后,檢查鉆孔深度和鉆孔的質量并做 好隱蔽工程記錄報建設單位(監理)驗收;     (9)鉆孔過程中產生的土方和土方開挖的土壤應 集中堆放,并用彩條布覆蓋;     (10)在鉆孔過程中為避免鉆孔塌方,在鉆孔過程 中灌入泥漿對鉆孔的井壁進行泥漿凝固護壁,防止 塌孔。     3.6地埋管現場預組裝施工技術     (1)地埋U型管宜在現場預組裝,管材預組裝前 應水平堆放在平整的地面上,不應局部受壓使管材變 形,堆放高度不宜超過2 m;管件貯存應成箱存放在 貨架上或碼堆在平整平面上,地面上碼堆高度不宜超 過2 m。HDPE管運至工地采用彩條布覆蓋,嚴禁長時 間太陽下暴曬;     (2)HDPE管連接時應注意熱熔管頭清潔,管材切 割時當管徑≤de50時,采用旋轉切刀;當管徑>de50 時,采用手工木工鋸;     (3)HDPE管在地面連接完成,試壓、合格后方可 埋管;井回填后再次試壓、合格后方可連接水平干管; 水平總管連接完試壓、合格后方可回填土??偣苓B接 完后進行系統試壓;     (4)HDPE管道的連接可采用熱熔連接(熱熔承 插連接、熱熔對焊連接),與金屬管道連接應采用法 蘭連接;     (5)熱熔承插連接:熱熔承插連接應采用質量可靠 的熱熔機具,便攜式熔接工具適用于Φ≤63 mm管道 及系統最后連接,臺式熔接機具適用于Φ≥63 mm管 道預裝備連接。將加熱工具加熱到熔接溫度260±10℃, 插口管末端應切割平整,與軸線垂直。用筆在承口和 插口上做適當的標記,以利于連接定位。用加熱工具 的凹模熔化插口管端的外表面,凸模熔化承口的內表 面。加熱完畢后,迅速移走加熱模具,將插口端平直插 入承口端,達到連接強度后固定接頭,自然冷卻至環 境溫度;     (6)熱熔對接:管材外徑Φ≥63 mm的HDPE管 均可采用熱熔對接方式連接,該方法經濟可靠,其接 頭在承拉和承壓時都比管材本身具有更高強度。熱熔 連接溫度:200~210℃。使用該方法時,設備僅需熱熔對接機,步驟如下:①把待連接管材置于焊機夾具 上并夾緊;②清潔管材連接端并銑削連接面;③校直 兩對接件,使其端面錯位量不大于管道壁厚的10%; ④放入加熱板加熱;⑤加熱完畢,取出加熱板;⑥迅速 接合兩加熱面,升壓至熔接壓力并保壓冷卻。     (7)HDPE管連接的注意事項:     ①管道連接前應對管材、管件及附屬設備、閥門、 儀表按設計要求進行核對,并在施工現場進行外觀檢 查,符合要求方準使用。連接時應使用同一生產廠家 的管材和管件,如確需將不同廠家(品牌)的管材、管件 連接則應經試驗證明其可靠后方準使用。每次連接完 成后,應進行外觀質量檢驗,不符合要求的必須返工;     ②施工人員應進行上崗培訓;     ③每次施工后,管口應臨時封堵;     ④當室外溫度<0℃時,塑料地埋管物理力學 性能將有所降低,容易造成地埋管的損害,故當室外 環境溫度<0℃時,盡量避免地埋管熱換器的施工, 若趕工期,施工時應采用保護措施或調整施工工藝 參數。     3.7下管施工技術     鉆孔完成后應立即下管,下管前應對U型管進行 試壓、沖洗。停留時間越長,孔內的積壓現象越嚴重, 管子也就越難放。     在本工程施工中,我們采用預制砼導頭下井施工 法。預制導頭直徑略小于鉆孔直徑,大于4根HDPE 循環管所占位置的直徑(預制導頭制作后應進行試壓 試驗)。依靠導頭的重量和HDPE管內水的重量下井, 這樣既保證下管的速度又可保證HDPE管能有效地 到達地源井底,同時,還能保護HDPE管材在下井過 程中免受井壁尖石的刮傷、損壞。一般采用人工下管, 下管時必須多人合作,提起管子時不得在地上拖拉, 不應形成不自然的彎曲,更不允許產生角度。 為避免熱橋損失,U型管管間距應嚴格按設計要 求,下管時盡量保持同心度并且管與管不要接觸太 緊,施工時每隔2~4 m設置固定支卡將U型管分 開,以確保垂直地源換熱管的相對位置不變,垂直換 熱管不會貼在一起。 HDPE管下井完成后,須將U型管兩個端口密封。     3.8回填施工技術     為確保灌漿回填的質量,本工程在預制混凝土導 頭下井的同時,灌漿管同時隨導頭下井,如圖3所示。 在下井工程中,必須有專人分別拉住灌漿管和4 根HDPE管,當PE管下到井底時,將灌漿管松開,并 人為地將灌漿管往下捅,讓連接分管的托盤與導頭上 的拉鉤脫離開來,然后應立即采用灌漿管將混合漿灌 入鉆孔內進行回填封孔,隔離含水層。灌注施工中應保證灌漿的連續性,根據機械灌漿的速度確定灌漿管的提升速度,確保漿體由底部涌上而充滿腔內。當上 返泥漿與灌注材料的密度相等時表明灌漿工作已經完成。                           采用膨潤土回填時,在確認U型管無滲漏后,可 用篩選過的≤15 mm×15 mm回填料進行回填,回填 料采用網孔≤15 mm×15 mm的漏篩進行過篩,保證 回填料內無無碎石及尖利石塊、混凝土碎塊。豎直地 埋管進行回填時應在管道兩側同步回填,水平地埋管 在同一溝槽中有雙排或多排管道時,管道之間的回填 壓實應與管道和槽壁之間的回填壓實對稱進行。各壓 實面高度不宜超過30 cm。以保證必須將管和孔井之 間空隙填實,第一次填完后應多次檢查,多次回填。 對于管腋等比較難以回填的部位,應采用人工回 填,確?;靥蠲軐?。     回填土應重點做好每層管道上方15~20 cm范 圍內的回填。管道上方及兩側50 cm范圍內,應采用 木夯輕輕夯實,嚴禁采用壓實機具直接作用于管道 上。 每區下管全部完成后連接到集、分水器,先人工 溝槽開挖,將分、集水器置于檢查井并與U型管連 接,構成完整的閉式環路。分、集水器設置排氣和排污 裝置。埋管區整體回填時,應分層用木夯夯實。 整體回填時應將混在其中的尖利石塊、混凝土碎 塊揀出。     4.地埋管換熱系統沖洗     為保證地埋管換熱系統的可靠運行必須進行系 統沖洗,系統沖洗主要在以下幾個施工階段:     ①地埋管換熱器安裝前;     ②地埋管換熱器與環路集管裝配完成后;     ③地埋管換熱系統全部安裝完成后。     5 地埋管換熱系統試壓     試驗壓力:當工作壓力≤1.0 MPa時,應為工作壓 力的1.5倍,且不應<0.6 MPa;當工作壓力>1.0 MPa 時,應為工作壓力加0.5 MPa。     水壓試驗步驟:     (1)豎直地埋管換熱器插入鉆孔前,應做第一次水 壓試驗。在試驗壓力下,穩壓后至少15 min,穩壓后壓 力不應>3%,且無泄露現象;將其密封后,在有壓狀 態下插入鉆孔,完成灌漿之后保壓1 h。     (2)水平地埋管換熱器放入溝槽前,應做第一次水 壓試驗。在試驗壓力下,穩壓后至少15 min,穩壓后壓 力降不應>3%,且無泄露現象。     (3)豎直或水平地埋管換熱器與環路集管裝配完 成后,回填前應進行第二次水壓試驗。在試驗壓力下, 穩壓至少30 min,穩壓后壓力降不應>3%,且無泄露 現象;     (4)環路集管與機房分集水器連接完成后,回填前 應進行第三次水壓試驗。在試驗壓力下,穩壓至少2 h, 且無泄露現象;     (5)地埋管換熱系統全部安裝完畢,且沖洗、排氣、 回填完成后,應進行第四次水壓試驗。在試驗壓力下, 穩壓至少12 h,穩壓后壓力降不應>3%。     系統試壓不得以氣壓代替水壓試驗;水壓試驗時 應采用手動泵緩慢加壓,加壓過程中應安排專人隨時 觀察與檢查線路,不得有滲漏現象。     本工程采用分區設計的施工方法,每個分區設置 分、集水器,地源孔與分區分、集水器采用PE閥門連 接。整個地源系統埋地部分沒有任何金屬構、配件。每 個分區通過地源干管與總分、集水器連接,在總分、集 水器檢修井內設置每個分區的流量平衡閥。一旦當地 源系統在運行中出現意想不到的故障,可采用反推法 即可馬上找出出現故障的地源井。出現故障時,先在 總分、集水器處通過壓力表讀數查出故障的地源分 區;找到故障地源分區,進入檢修井,同樣,通過開、關 PE閥,進行壓力檢測,立即就能查出有故障的地源 井,將其對應的PE閥關閉。整個系統的檢查、檢修無 需系統停機。     6 試驗和鑒定     自覺主動接受業主、監理單位來工地現場監督試 驗,并按如下內容提出報告:     (1)全部豎井的位置和深度以及熱交換器的長度 是否符合設計要求;     (2)回填過程的檢驗與安裝土壤熱交換器同步 進行;     (3)監督循環管路、循環集管和管線的試壓是否按 上述要求進行,以保證沒有泄漏。     隱蔽工程記錄交業主、監理驗收,合格后才能進 行下一道工序的工作。 按上面的試驗和鑒定結果提交報告給業主,并保 證將實際竣工情況記錄在設計平面圖上。     7 地源熱泵機組安裝     本工程地源熱泵機組主機采用集中式,整個工程 的冷凍水由機房統一協調輸出,主機大小搭配,保證 了在各種情況下的最佳配比,也保證了不同負荷下運 行不同的機組和水泵,使機組始終保持在滿負荷運行 狀況,處于最佳工況,使COP值始終維持在最佳值, 達到長期運行的最佳節能效果。     8 地源熱泵系統運轉、調試與驗收     地源熱泵系統整體運轉、調試與驗收必須符合 GB50366-2005《地源熱泵系統工程技術規范》、 GB50243《通風與空調工程施工質量驗收規范》、 GB50274《制冷設備、空氣分離設備安裝工程施工及 驗收規范》。     地源熱泵系統交付使用前,應進行整體運轉、調試與驗收。     整體運轉與調試方案報專業監理工程師審核批準后方可實施。     地源熱泵系統整體驗收需要進行一個相對較長 的時間,系統整體驗收調試應分冬、夏兩季進行,系統 整體驗收對地源熱泵系的實測性能做出評價,調試完 成后應編寫調試報告及運行操作規程,并提交業主單 位確認后存檔。 地源熱泵系統運轉、調試與驗收主要包括以下 內容:     (1)系統的壓力、溫度、流量等各項技術數據應符 合有關技術文件的規定;     (2)系統連續運行應達到正常平穩;水泵的壓力和 水泵電動的電流不應出現大幅的波動;     (3)各種電動計量檢測元件和執行機構的工作應 正常;滿足建筑設備自動化系統對被測定參數進行檢 測和控制的要求;     (4)控制和檢測設備應能與系統的檢測元件和執 行機構正常溝通,系統的狀態參數應能正確顯示,設 備連鎖、自動調節、自動保護應能正確運轉;     (5)調試報告應包括調試前的準備記錄、水力平 衡、機組及系統試運轉的全部測試數據;     (6)地源熱泵系統的冬、夏兩季運行測試包括室內 空氣參數及系統運行能耗測定,系統運行能耗包括所 有水源熱泵機組、水泵和末端設備的能耗。     9 系統質保     地源熱泵中央空調系統,經過科學設計,并按嚴 格的質量標準施工,保障地下部分免維護保用50年, 地上部分保用20年。根據建設部第80號令《房屋建 筑工程質量保修辦法》第七條,認真履行系統保修及 售后服務職責。 系統質保期3年,即系統保修期從工程竣工驗收 開始3年內免費保修。     10 結語     正是因為地源熱泵空調系統利用淺層地熱能資 源進行供熱與空調,具有良好的節能、環保、美觀、不 消耗礦物質的固有特性,近年來在國內得到日益廣泛 的支持和推廣應用,但并不是只要采用了地源熱泵系 統,其節能的幅度就能達到理想的狀態。同樣,和傳統 的空調系統一樣,在系統設計時,必須考慮末端、主 機、水泵的部分荷載時的最大運行節能,本項目設計 多機頭主機,大、小搭配,末端采用電動二通閥控制, 水泵配置一套變頻泵,整個系統采用臺數和變頻來滿 足運行過程中的負荷變化,從而確保系統節能的最大 化。本工程地處我國華東沿海地區,作為該地區新興 的施工技術才剛剛開始,本工程的施工無疑為該地區 進行類似工程施工積累了豐富的經驗。 參考文獻: [1]GB50366-2005地源熱泵系統工程技術規范[S].北京:中國建筑工業 出版社,2005. [2]GB/T19473.2冷熱水用聚丁烯(PB)管道系統[S].北京:中國標準出版 社,2004. [3]GB/T13663給水用聚乙烯(PE)管材[S].北京:中國標準出版社,2000. 作者簡介:李宏軍(1968),男,江蘇海安人,技術經理,一級建造師,工 業與民用建筑專業,研究方向為民用建筑節能施工技術(lihongjun- qr@163.com)。 
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