EPC项目中地源热泵系统的设计优化与施工技术

刘 闯

(上海建工一建集团有限公司,上海 200000)

当前我国面临能源低碳转型的重要挑战,提高新能源、可再生能源的开发和利用比例,是实现“双碳”目标的关键[1]。作为一种重要的新型能源,为建筑物提供供暖制冷是开发浅层地热能的主要作用。浅层地热能分布广泛、资源丰富、温度稳定,是蕴藏在地下水和浅层岩土体中的清洁、低温的可再生地温资源,具有地域性和储存性等特点。随着浅层地热能开发利用技术的逐渐成熟,其经济可行、节约能源、有益环境等效益显著提高。目前以浅层地热能为冷、热源的地埋管地源热泵系统在工程实际中得到广泛应用[2]。

1 工程概况

芜湖建筑科技产业园二期(A区)项目位于芜湖市鸠江区楚江大道与吴越路交叉口东南侧,用地面积约35 366.6 m2,总建筑面积为78 694.32 m2,其中地上建筑面积51 544.07 m2,地下建筑面积27 150.25 m2。项目包含一栋12层(2号楼)公共服务中心楼(建筑面积为16 226.22 m2)、一栋10层(8号楼)政务服务中心楼(建筑面积为19 253.19 m2)、两栋5层(3号楼、5号楼)独栋办公楼(建筑面积分别为7 225.34 m2,7 222.40 m2)及一栋2层(4号楼)展厅(建筑面积为1 616.92 m2)。

本项目3号楼、4号楼、5号楼需达到绿色建筑三星级要求,2号楼、8号楼需达到绿色建筑二星级要求,其中2号楼、3号楼、4号楼、5号楼采用中央空调系统,空调主机采用地源热泵系统来满足夏天制冷、冬天制热的需求,地源热泵系统是达到绿色建筑三星级标准的重要评分项目。

2 岩土热响应试验

根据《地源热泵系统工程技术规范》(2009版)明确规定[3],地源热泵系统方案设计前,应进行工程场地状况调查,并应对浅层地热能资源进行勘察。即通过现场岩土热响应试验,获得岩土体的初始温度,以及在稳定热流和工况条件下的热响应计算参数,参数的获取为进行地源热泵地下换热系统设计提供科学的、准确的、可靠的数值依据,从而保障了整个系统的合理设计[4]。

2.1 试验概述

通过对地下钻孔换热器进行测量,综合考虑地下各层不同岩土层的热物性及钻探深度内的其他影响因素,如地下水渗流的影响,对于设计地下换热器系统来说更具有价值,同时便于得出更确切的数值[5]。

“恒温法”和“恒热流法”是土壤热物性两种主要的测试方法。其中“恒热流法”是指采用恒功率电进行加热,仪器的结构和控制都较简单,记录进出口温度随时间的变化情况,测试精度比较容易保证。这种方法可以得到场地内岩土层的平均导热系数以及钻孔内的热阻,根据获得的岩土热物性数据,进行传热模型模拟出地下岩土层以及回路中短期、中期(1年)和长期(多年)的温度变化,并利用相关分析软件或按设计规范计算得到所需地埋管换热器的总长度。恒热流法热响应ASHRAE手册中具体规定了技术要求[6],即热物性测试的时间应为36 h～48 h。测试中电加热功率为每米钻孔50 W～80 W,接近实际U型埋管换热器的高峰负荷值。

根据工程特点和场地环境,并依据现行规范、规程要求,场地内布设2个竖直方向的地源热泵地埋管换热器测试钻孔,分别采用双U(De25,50 m)、双U(De25,100 m)埋管形式,总钻探工程量150 m,地源热泵专用PE100管总长300 m,钻孔下完PE管后,均由细砂+膨润土+原浆回填。

2.2 测试孔施工与试验步骤

通过使用岩土热响应测试仪,将仪器内部管道与测试孔中地埋管连接构成闭合循环系统,地埋管内换热介质的加热量由测试仪器配备的电加热器控制,测试台内连接温度和流量传感器,试验台的CFP控制模块和数据采集模块与控制计算机之间采用高速通信线路连接,实时自动采集数据[7]。测试钻孔的施工与安装数据见表1。

表1 测试钻孔的施工与安装数据表

全部测试设备、仪器仪表就位,将热物性测试仪用连接管与地埋换热器管连接,先无功循环工作2 h,待埋管换热介质的进出口温度稳定时,即可获取场地内初始岩土平均温度,再启动电加热循环,开始“恒热流法”(恒加热功率)测试48 h,每隔30 s记录1次加热功率、进出口水温、流量数据。1号孔加热量7 kW;2号孔加热量3.5 kW。岩土热响应测试仪见图1。

2.3 试验数据整理与分析

2.3.1 岩土初始温度

根据测试孔温度传感器数据,可以得到岩土温度变化曲线,见图2。

由图2可知,温度曲线变化趋势平缓,且两个测试孔得到的温度数值接近。经过2 h的无功循环工作,最终T1(测试孔R1)温度值约为19.438 ℃,T2(测试孔R2)温度值约为19.362 ℃,岩土初始平均温度取二者平均值19.4 ℃。

2.3.2 加热过程曲线

启动电加热条件后,得出两测试孔进水温度和回水温度变化曲线,见图3,图4。

由图3,图4可知,整个测试时间共50 h,前240次采集频次下进、回水温度曲线变化平缓,此时处于未加热状态;开始加热后,进、回水温度曲线在较短时间内快速上升,当埋管中换热介质温度达到一定值,两曲线变化再次趋于平缓,最终进、回水温度曲线变化基本稳定。进水温度曲线与回水温度曲线保持相同的变化趋势,其中测试孔R1因中途电加热箱出现故障,导致进、回水温度出现短暂下降现象,修复后恢复上升趋势。因测试孔R1电加热功率大于测试孔R2电加热功率,所以R1孔的进、回水温度略大于R2孔。最终R1孔进、回水温度分别为37.045 ℃,32.051 ℃,R2孔进、回水温度分别为34.286 ℃,29.671 ℃,两个测试孔的换热效率大致相当。

3 设计优化

3.1 地埋管系统换热能力平衡估算

地面温度对深层岩土温度场影响较小,地埋管系统进行换热时需要注意吸热与排热的协调,否则容易产生地温不平衡的问题,导致土壤冷热堆积,随着系统运行时间的增加,必将使地温不平衡问题加重,若不采取措施来改善这种情况,甚至可能造成地源热泵机组的瘫痪乃至失效。因此,进行地源热泵系统设计时,需对冬夏季地下换热量进行平衡计算,即冬季从土壤吸收的热量与夏季向土壤排放的热量平衡[8-9]。根据相关规范可以由式(1),式(2)进行计算:

(1)

(2)

其中,Qd为地源热泵冬季从土壤中释放的热量,kW·h;Qx为地源热泵夏季从土壤中吸收的热量,kW·h;Qa为空调分布冷负荷,kW·h;Qb为空调分布热负荷,kW·h;Qd为输送过程所得热量,kW·h;Qs为输送过程散失热量,kW·h;Qf为水泵释放热量,kW·h;CEER为制冷工况下的机组性能系数;CCOP为制热工况下的机组性能系数。

由岩土热响应试验结果,得出项目场地内岩土体的初始温度约为19.4 ℃,岩土平均综合导热系数为2.26 W/(m·K),导热系数较高,适合做地源热泵系统。在试验条件下,测试孔R1散热能力为54.6 W/m、取热能力为41.7 W/m,测试孔R2散热能力为50.3 W/m、取热能力为39.6 W/m。地源热泵系统设计夏季散热取54 W/m,冬季吸热取36 W/m。

3.2 地源热泵初步设计

本项目作为EPC公建项目,所使用的地源热泵系统为芜湖地区首次采用。场地内地源热泵井深采用120 m,共需要地埋井数量为650口,地埋井孔径150 mm,采用单U管形式(如图5所示),U型管外径25 mm,设计钻孔间距大于5 m。初步设计地源热泵平面布置图如图6所示,其中圆点(粉色)为地埋井,虚线(红色)为地库轮廓线,阴影(绿色)为地源热泵设备间,黑色线为主楼轮廓线。

由剖面图和平面布置图可知,初步设计中,地源热泵在地库几乎满铺。同时,设计中用于水平管与垂直管连接的套管由地库底板位置穿入地下室,可能造成地库内部渗水严重,需对初步设计进行优化。

3.3 地源热泵优化设计

本项目3号楼、4号楼、5号楼交付节点早于8号楼244 d,2号楼交付节点早于8号楼152 d,为不影响主楼工期,优化钻井空间布置区域,将钻井区域集中布置在3号楼、4号楼、5号楼与8号楼之间的地下区域,钻孔间距大于4.5 m。

依据规范要求,经计算得出:土壤换热器循环水设计温度夏季为35 ℃/30 ℃,冬季为6.5 ℃/10 ℃。其中本项目2号楼夏季冷负荷为2 036 kW,冬季热负荷为1 438 kW;3号楼、5号楼夏季冷负荷各为806 kW,冬季热负荷各为593 kW;4号楼夏季冷负荷为180 kW,冬季热负荷为132 kW。使用2台制冷量1 339 kW、制热量1 399 kW的地源热系机组加一台制冷量1 150 kW的磁悬浮冷水机组,保证冬季释放热量与夏季吸收热量平衡的前提下,将地源热泵单U管更换为并联双U管,减少地埋井数量至506口。

根据现场实际施工情况和工程造价,从经济方面和后期维修等综合角度考虑,优化套管数量,优化节点处理措施,套管更改为由地库侧墙位置穿入地下室,减少对地下室大底板渗水风险;同时优化地源热泵设备间,将原先4处设备间优化为2处,减少对车位的空间占用,设备间增加小型集分水器数量,并优化水泵选型。

优化后的埋管剖面图见图7,地源热泵平面布置图见图8。

综上所述,对地埋井数量、地埋井分布区域、钻孔间距、埋管形式、套管数量与节点处理措施、设备间数量与设备材料等进行了优化,优化设计后,不仅缩短了施工工期、降低了交叉作业难度,还减小后期渗漏风险、节约维修造价,同时降低施工成本约100万元。

4 施工技术

4.1 垂直埋管施工技术

施工前应准确定出井口位置,根据基坑的基准点测定出每个孔位的位置后,用白灰做记号或用标志旗做下标记。将钻机就位,利用水平尺测量并调整钻机水平,然后调整钻机钻杆对准已标识好的井口位置,顺着钻杆顶端吊挂垂直线,确定钻杆垂直后开动泥浆泵开始钻孔。根据地质勘测报告和相关规范[10],本项目采用泥浆护壁,正循环钻孔,转速为110 r/s,钻孔有效深度为120 m,孔径为130 mm左右。垂直埋管工艺流程和钻孔工艺见图9,图10。

4.1.1 U型管制作安装

U型管制作:选用成卷供应的管材制作U型管换热器,成品U形弯头采用热熔连接方式,制作完成后及时封堵组对好的U形管的两开口端部。

U型管试压:第一次水压试验,在垂直地埋管换热器连接完成后、插入钻孔前进行。将U型管其中一头灌入自来水,随后记录另一头的出水量,如进水量与出水量存在明显差异,则判断在热熔过程中造成U型弯产生缩径现象,应及时更换U型弯并重新热熔,直到两端进出水量一致后,封闭一头并对另一头开始加压。加压过程中,缓慢升高加压泵压力值,升压过程中随时观察与检查压力表,保证U型管不出现渗漏。当压力值达到1.6 MPa时(以工作压力确定试验压力,注意管道的公称压力),停止加压,由于PE管材具有一定弹性,15 min内压力值一般下降至1.0 MPa～1.2 MPa,再继续稳压15 min,稳压后压力值降至0.5 MPa,检查无泄漏后判定合格进行下管。

U型管下管:利用一个专用的钻杆改装成的U型叉,叉住立管的U型弯(U型管充满水状态),再用钻杆的自重压力把立管压入井中,钻杆下管过程中,操作人员应两手拉住并微微分开U型管缓缓下管。保证每钻完一口地源井,及时安装U型管。

4.1.2 灌浆回填

地埋管换热器U型管安装完毕后,立即回填封孔。

第一次回填:回填材料尽量采用钻孔泥浆回填减少对原始地层的破坏,不足部分用黄砂填实:约5个～8个井共用一个泥浆坑,并挖泥浆沟渠相连接,保证下一口井在施工过程中所产生的原浆通过泥浆沟对前一口井连续灌浆。为防止钻孔产生的细砂和岩石粉末大量流入泥浆池,在沟槽内的地源井后方放置大石块阻挡,确保粘稠料及时回灌入井。通过这种方法依次循环,直至灌浆料溢出井口,确保钻孔回填密实,无空腔。当浆料在井内凝固后,可有效防止地下水在地质层中窜层,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发生自然下沉的情况,此时就需要再对能源井上部进行二次回填加固,回填料为黄砂,最后以细砂由井端灌入直至铺满井口。

4.2 水平管连接敷设安装施工技术

此部分施工与土方开挖、大底板施工关系密切,相互制约,协调工作量大,施工时应安排专业人员紧随土方挖机前方,引导挖机在挖土时注意地源井管,如发现井管一旦被挖断或破损应及时用简易胶带进行封堵,在做水平管时再进行试压以确保井管的合格率。水平管连接敷设安装施工流程见图11。

1)管道试压。U型垂直管在找到管头后,采用热熔技术进行水平管道与垂直管道的连接,每一回路中用水作介质,进行第二次试压。试验压力值为0.5 MPa,稳压时间保持30 min,压力值降低不大于3%为合格,然后进行适当成品保护。

2)管沟开挖。根据施工图纸,用白灰标出管沟开挖宽度及走向,管沟的开挖应遵循二级集分水器为最高点,能源井为最低点的原则,以不小于0.3%的坡度开挖。开挖过程中应采用水准仪测量实际标高从而选择开挖深度,为避免过多对天然地基的扰动,本工程对于管槽的开挖深度为水平管平铺后离垫层面50 cm～60 cm。

3)管道敷设。水平管应平铺布置于管沟内,并对管沟内石子等尖锐物进行清理,确保管沟内清洁。当供回水管道布置在同一管沟内时,保证供回水管道间隔不小于300 mm,水平管在未与垂直管连接前应密封两端开口处,防止异物进入管道。

4.3 施工技术重难点及措施

1)钻孔定位及孔深难控制。在场内设置若干基准点,全程利用全站仪或点位测算进行测量井位及现场标高,使每一个孔的孔距位置及钻井深度满足设计要求。双U型管下管时采用带压下管,保证每口地源井带表压露出钻孔作业面上50 cm。这样能使每个双U型管的换热深度满足设计要求,同时又能减少后续土方开挖对双U型管的损伤概率;且不会因钻孔过深,造成下管后水平管连接时找不到管头。

2)施工过程中,如出现涌水、涌砂及可能污染管井等问题难解决。结合地质条件及同类型项目经验,应在钻井时挖到循环泥浆沟渠,即在钻井时的泥浆应始终流经已完成的垂直井(原回灌工艺不变),这样可根本上解决涌水涌砂问题。个别轻微的涌水涌砂现象,亦可采用快速水泥加水玻璃封堵的方法解决。但采取以上施工工艺时,基坑开挖时间必须在钻井施工完成至少10 d后进行,使井管和孔洞有足够的时间沉降密实。

3)水平管穿越后浇带的施工工艺要求高。当水平管穿越后浇带时,应在距离后浇带两侧边缘各20 cm处开挖呈45°角的斜坡,深度为后浇带深度往下30 cm为宜,并设置PVC套管,水平管在穿过套管段不允许有接头,且完成穿越后及时以黄砂或膨润土回填,并做到回填密实。

5 结论

本文以芜湖某EPC公建项目为例,介绍了项目岩土热响应试验,进行了地埋管地源热泵系统的设计优化,阐述了地埋管地源热泵的施工技术,得出以下结论:

1)在地源热泵系统设计之前,应对工程场地进行岩土热响应试验,试验得出本场地岩土的初始温度为19.4 ℃,岩土平均综合导热系数2.26 W/(m·K),适合做地源热泵系统,垂直孔回填料选用10%膨润土、90%细砂、SiO2及原浆混合物。

2)本项目所使用的地源热泵系统为芜湖地区首次采用,根据冬季从土壤吸收的热量与夏季向土壤排放的热量平衡的原理,初步设计中需要地埋井数量为650口,采用单U管形式,地源热泵在地库几乎满铺,不利于施工工期和成本造价;优化套管数量和节点处理措施后,需要地埋井数量为506口,采用双U管形式,不仅缩短了施工工期、降低了造价,还减小后期渗漏风险。

3)地埋管地源热泵包括垂直埋管和水平管连接,垂直埋管在施工前应准确定出井口位置,可根据基坑的基准点测定出每个孔位的位置;水平管施工与土方开挖、大底板施工关系密切,施工时如发现井管一旦被挖机挖断或破损应及时封堵或更换埋管,在做水平管时再进行试压以确保井管的合格率。