京沪高铁上海虹桥站土壤源地源热泵水系统调试研究.doc

京沪高铁上海虹桥站土壤源地源热泵水系统调试研究上海市安装工程有限公司 刘森成作者简介：刘森成，男，1971年9月出生。工程师，京沪高铁上海虹桥站项目部项目工程师，国家一级注册建造师。联系方式： 上海市安装工程有限公司 上海塘沽路390号 200080 电话通信地址：上海市闵行区七莘路2628弄5号302 201101 信箱： 200080 (此文得到上海科委“京沪高速铁路上海虹桥站综合施工关键技术研究”项目资助，项目编号：09231200100)摘要:国内对空调水系统调试文章较多，但对土壤源地埋管系统调试研究较少，如何保证小口径垂直地埋管内部的清洁，发挥每一孔地埋管与土壤的充分热交换，是保证地源热泵系统成功可靠运行的关键，该系统与传统空调调试差别较大，本文以上海虹桥站为例，对土壤源热泵水系统调试需注意的问题及方法进行了较为详细的阐述和研究关键词:上海虹桥站；土壤源地埋管系统；小口径PE管冲洗；水流量分配 1、工程概况上海虹桥综合交通枢纽核心区工程集航空港、高速铁路与城际铁路、磁悬浮、城市轨道交通、公交和出租车等多种交通方式，是当今世界上最复杂、规模最大的超大型世界级交通枢纽。由上海虹桥国际机场，东、西交通中心，京沪高铁上海虹桥站及4条地铁线，高低速磁悬浮等区域组成。京沪高速铁路上海虹桥站是上海虹桥综合交通枢纽核心区的重点工程，本工程建筑面积24万平方米，空调面积16.5万平方米，本虹桥站未设锅炉，冬季采暖全部由三台制热量总计为7126KW地源热泵机组提供。地源热泵地埋管采用垂直单U型孔井组成，地源井孔径110-130mm，钻孔深度92m，有效深度90m，在南北2-16号站台下面钻孔1960个，水平管采用PE100d63管，垂直管采用PE100d32，7个垂直孔组成一个小支路，10个小支路组成一个DN100的供回水管回路，本工程设计28个DN100的供回水管回路连接至南北两侧综合管沟DN400总管。夏季冷负荷7290kW，冬季总热负荷7126kW。本地源热泵系统提供冬季供暖全部热量，夏季与离心式冷水机组联合工作，用于补峰和夜间或过渡季低负荷情况下使用。2、地缘侧水系统调试准备工作上海虹桥站垂直PE32地埋管共计36万米，在本系统中，小口径地埋管管道内部的清洁笔者认为成为系统正常运行的关键因素，这就需要从PE管的生产开始，包括施工准备、施工过程及半成品完成试压保压阶段，都需要严格按国家技术及施工规范和项目部编制的施工方案入手，每一个环节注重细节，保证管道内部整个系统的清洁，因地埋管内径只有2.5厘米，若工程施工中较为坚硬的固体颗粒进入地埋管系统，将造成管道的堵塞，少量管道的堵塞在系统运行中是很难被发现的，但会造成整个系统运行效率的下降。一定数量甚至较多的管道堵塞将导致整个系统无法达到设计要求，甚至导致整个系统功能的丧失。3、地埋管渗漏水情况测试因地埋管水平管路在站台下2.5米处，地埋垂直管在地下90米，上海虹桥站垂直和水平地埋管约40万米，虽然垂直地埋管只有U型接口处有两个热熔接头（整个垂直地埋管由一根90米盘管组成），但水平管接口较多，整个系统接口数量在2万个左右，因地基沉降、管道接口质量等多种原因，渗漏水现象在工程施工中总会出现一定的概率，为减少甚至杜绝这种渗漏水概率的出现，需要对这2万个接口严格按照PE管热熔连接规程进行，加热时间既不能过长，也不能过短，加热时间过长，热熔过度易造成接口管壁壁厚变薄，接口机械强度减低，熔接后接口在试压渗漏水方面出现的几率不大，但热熔形成的PE颗粒拥堵在接口内侧，使管道在此处内径不规则的缩小，极易造成管道的局部堵塞，若管道内水质较差，在此处堆积物会更多，局部阻力变大，流速变慢，流量较小，地埋管换热能力无法达到正常要求。加热时间过短，PE管接口热融不到位，管件内壁和管道外壁熔化厚度较薄，连接强度不够，即使试压不出现问题，以后随着管道热胀冷缩，此连接点也很容易出现连接不牢，出现渗漏水现象。施工中虽然都严格按热熔工艺和编制的施工方案执行，但考虑工程实际，笔者认为在每个供冷季和采暖季系统运行前，应对地埋管系统进行渗漏水测试，如地埋管出现渗漏，及时采取措施，将渗漏管道隔离，因地埋管多考虑一地两用，地埋管上部是高铁站台，站台下部2.5米深处的地埋管的维修几乎是无法实现的，一旦哪个回路出现问题，只有将出问题的管道隔离，所以在施工中应严格按施工规范组织施工，防止此类渗漏水现象的发生。地埋管渗漏测试并不复杂，先将系统充水完后成，将北辅楼屋顶膨胀水箱补水股关闭，在膨胀水箱内壁水位线留一刻度，24小时后，观察该水位变化情况，如水箱内水面下降明显，表明该系统有渗漏点，下一步确定28个回路那个回路出现渗漏，将28个回路的供回水阀门全部关闭，逐一打开，看压力是否下降，由此确定渗漏水的回路。确定哪一个回路后，再按同样的顺序测试是那一个支路出现问题，将出现问题的支路予以从整个系统中切除。4、地缘侧空调水系统的冲洗京沪高铁上海虹桥站空调水管分为三个系统，设计流量3744立方米/小时干管DN800的冷却水系统，设计流量为3500立方米/小时用户侧冷冻水系统，设计流量为1656立方米/小时的地源热泵地埋管DN500管路系统，上述三个系统管路互相独立，其中冷却水系统为开式，地源热泵地埋管和用户侧为闭式。地缘侧水系内径为2.5厘米的PE管32万米，冲洗需细致、仔细，下面就此系统冲洗介绍如下：4.1地埋管冲洗水充水的顺序管道系统冲洗前应将系统内所有阀门关闭，根据冲洗需要，逐个打开所需阀门。笔者认为这一工作对保护细小口径地埋管及热泵机组是较为关键的一步，冲洗前将所有设备与管道系统隔离，将地埋管与主干管隔离，而大部分调试方案都制定的很完善，但现场实施时经常走样，一旦充水随意，从综合管沟内回水管进入地埋管，很有可能造成PE32地埋管局部或者完全堵塞，这种问题一旦出现，如果堵塞不是很严重，往往无法发现，即使发现，也很难找到问题出在具体的部位，对深埋地下36万米的地埋管来说，维修保养基本是不可能的事情，无法发挥地埋管与土壤的热交换。所以对与空调系统来说，在水泵未运行之前，管道内充水一定要从供水管开始，防止从系统的回水管将未经过过滤器的水注入未冲洗干净的管道，笔者认为此项工作应列为施工与验收规范的强制性条文的相应内容。4.2地缘侧主干管的冲洗本地源热泵系统主干管为设置在综合管沟内的DN400螺旋二次镀锌焊接钢管，接口形式为法兰连接，本地源热泵系统总管流量为1656立方米/小时，南北分配流量为828立方米/小时，这么大的水流量在施工现场基本是无法提供的，本虹桥站地缘侧总补水管只有DN70,即使全部打开，与DN400管道相比，基本没有流速，很多文章提到，在流速达不到的情况下，通过水泵来提高流速，其实也是同样的问题，没有这么大的水流量短时间内充满整个管道系统。开启水泵也是无法达到冲洗所需要的流速的，即使达到也只是瞬间，因为同样无法提供每小时上千立方米的水源，部分技术人员提出利用消防水系统来冲洗空调管道，本工程水箱容积在150立方米，相对设计流量1656立方米/小时的DN500管道，可以说是杯水车薪，大口径管道冲洗所需要的是短时间内大流量，这在一般工程现场是无法提供的。所以对于大口径管道冲洗基本上是在用水泵循环，泄水阀处小规模放水，在这过程中拆除过滤器清除管道内垃圾，这样的做法只能将管道内较小杂物清理，而对施工过程中疏忽或者其他种种原因进入的较大垃圾无法清理出来，在施工现场，大口径管道冲洗理论上可以，实际情况基本是无法实现的。笔者认为在施工过程中，管道安装时严格按施工规范施工不应只是一句空话，管道内部保持清洁是保证施工质量的前提，并在管道施工过程中及时对中间接口临时封堵。对交叉施工管口向上或者水平施工管口在施工人员可以触及的区域，严格控制临时封堵的施工方案，保证管道内部的清洁，在空调管道施工时，建议采用混凝土工程浇筑施工经验，采取设备监理工程师旁站制度，这需要相关规章制度的建立和工程落实。杜绝管道内可能出现较大颗粒杂物的可能。解决大口径管道冲洗困难而造成系统堵塞的出现几率。在修改施工及验收规范时，建议将保证保管内清洁内容列为强制性标准予以实施，即列为主控项目。4.3小口径地埋管的冲洗因地埋管管径较小，对主干管冲洗时，将地埋管隔离，防止细小颗粒进入地埋管，造成管路部分或全部堵塞。待主干管冲洗干净后，对每一组的地埋管冲洗方法如下：（在此以2号站台1号地埋管为例）将1号地埋管集水器泄水阀打开，供水阀打开，将综合管沟内控制每一站台70孔井回路的DN100供回水蝶阀全部关闭，将1号地埋管10个分支中的9个供回水DN50供回水阀门关闭，只留下其中一个分支阀门开启将地源热泵侧膨胀水箱DN70补水管打开，1号变频水泵开启，利用高速水流（约3.5米/秒）冲洗1号地埋管中的1号分支回路，因DN100供水干管上设置了过滤器，稍大的颗粒物无法进入DN25地埋管系统，存在于DN25地埋管的细小颗粒随高速水流冲至集水器，然后通过泄水流出，冲洗时间大约15分钟即可，以目测水干净无颜色为准。依照此方法，依次冲洗其它279个支管回路，保证系统的干净，充分发挥每孔地埋管的水流量及换热要求。5、主干管路流量分配及平衡地源热泵系统施工完成后的调试工作，相当一部分工程开机运行后，因各空间温度基本符合设计要求，甚至部分房间和区域夏季温度低于设计值，很多工程基本将各管路系统阀门全部开启后，即认为空调调试完成，其实每个工程有每个工程的实际情况，本地源热泵系统设计为同程式，但从利用超声波流量的测试数据来看，流量的不平衡还是存在的，系统供水管的始端流量还是大于供水管末端的流量，笔者认为在热泵机房对集分水器进出水管路进行流量的一个人工平衡，并对机组流量进行平衡，在综合管沟内对每一支路进行流量的测试平衡也是较为重要的工作。本工程每一回路的不平衡率最大相差14%，通过回水阀门的调整开启度，基本将不平衡率控制在8%以下，从工程实际运行来看，效果还是与设计数据基本相符。 6、机组地缘侧和用户侧水系统的冬季和夏季的切换制冷工况下,站房热负荷所产生的热量被排入站台下部地埋管换热器，通过综合管沟内管道与螺杆机组形成一个封闭回路,在地缘侧水泵的作用下,水在回路中往复循环,在冷凝器中吸收制冷剂的热量,通过地埋管换热至土壤；供热工况下,通过系统阀门切换，热泵机组地缘侧和用户侧水管对换，循环水流经室外地埋管换热吸收大地中的热量在蒸发器中释放给制冷剂。在用户侧通过水的循环在冷凝器将热量输送到站房。在冬季和夏季，阀门的切换成为一个很关键的问题，并且阀门一定要处于良好使用状态，因地缘侧和用户侧水压力有一定的差距，地缘侧膨胀水箱定压为0.3MPa而用户侧冷冻水稳压泵定压为0.46MPa，这样当两个系统切换阀门渗漏水时，会导致用户侧相对高压水会通过切换阀门进入地源侧水系统由膨胀管进入膨胀水箱，并通过膨胀水箱溢流管排入排水系统。从而导致地缘侧冷水与用户侧热水混合情况的发生，导致机组效率大幅度降低。并浪费大量空调水。结束语单纯地源热泵调试文章较少，但普通空调调试文章较多，笔者认为以上几个问题，需要技术人员予以讨论或者从实际情况出发，予以完善和引起重视。尤其是管道小口径、数量巨大的地埋管的冲洗，如何防止小口径管道系统的局部甚至大面积堵