垂直地埋管地源热泵空调系统设计与施工

垂直地埋管地源热泵空调系统设计与施工杨拥军（中兴建设有限公司淮安分公司江苏淮安223005）【摘要】：通过淮师文华苑采用地源（垂直埋管）热泵空调系统，介绍地源热泵空调系统的设计、施工、调试。同时通过对该空调系统实际运行参数的测量、处理，得出地源热泵是一种环保、节能的空调能源。

【关键词】：地源热泵，垂直埋管，节能随着国家经济的高速发展和人民生活水平的提高，能源的消耗急剧增加，伴随着城市化的进程，建筑总数量的不断增加及舒适度要求的提高，建筑能耗直线上升，建筑能耗中将近30%是暖通空调能耗。随着能源和环境的问题日益严重，合理利用能源节约能源保护环境已成为暖通空调行业需要面对的一个课题。地热能是一种地球内部蕴藏的能量，属可再生资源；地源热泵技术是对地热能的开发利用。地源热泵技术就是利用浅层地壳中储存的能源对建筑进行制冷和供暖，以土壤、地下水、地表水、海水为低位热源，由水源热泵机组、地热交换系统、建筑室内系统组成供暖制冷空调系统；这种空调系统具有高效、节能、环保等优点，由于在极端气候条件下，空气源热泵系统效率可能会非常低，甚至不能用，但地源热泵系统由于其相对稳定的热源温度，即使在极端气候条件下也能达到很好的效果。为了大力推广这种新型节能空调系统，通过淮师文华苑采用地源（垂直埋管）热泵空调系统，详细地介绍了地源热泵空调系统的设计、施工、调试，供同行借鉴参考。1工程概况淮师文华苑住宅小区位于淮安市老城区内。建筑面积约227211平方米,其中地上部分约173636平方米，地下部分53575平方米，由12栋中高层住宅、物管用房、商铺及地下车库组成。部分地下机动车库设战时人防。其中一至八号楼住宅及物管用房设中央空调系统。2设计参数及空调冷热负荷2.1室外计算参数（按淮安市参数）详下表:

北纬东经夏季空调干球温度空调湿球温度空调日平均温度风速大气压通风干球温度33.8℃28.3℃31.43.2m/s100.1KPa30.1℃33°36′119°02′冬季空调干球温度相对湿度风速大气压通风干球温度-873%3.6m/s102.74KPa02.2室内设计参数房间名称夏季冬季新风m3/h·p噪声dB(A)温度℃相对湿度%温度℃相对湿度%起居室25-27≤6518-20/30-40≤45卧室25-27≤6518-20/30-40≤40书房25-27≤6518-20/30-40≤40卫生间/≤6518-20/排风≤45备注：冬季洗浴时，借助辅助加热设备（如浴霸）升温至25℃。2.3冷热负荷住宅：空调设计冷负荷6640kW,热负荷4270kW，生活热水热负荷2000kW(给排水提供）。物管用房：空调设计冷负荷290kW,热负荷210kW。3空调系统设计3.1空调冷热源3.1.1小区住宅冷热源采用垂直埋管的地源热泵冷、热水机组。机组设于地下室地源热泵机房,机房内共设五台地源热泵机组,其中两台（满足全年生活热水）为高温热水地源热泵机组，高温制热参数：制热量1080KW，供回水温度为60/55℃，地源侧供回水温度为10/5℃；制冷参数：制冷量1130KW，供回水温度为7/12℃；全部热回收参数：热回收量1140KW，供回水温度为60/55℃。夏季热泵机组制冷状态时供给住宅新风机组和风机盘管冷源，热泵机组散热热回收供给住宅生活热水；冬季从竖直埋管提取热量通过热泵机组供给住宅生活热水。另外三台为住宅空调地源热泵机组，制热参数：制热量1360KW，供回水温度为45/38℃，地源侧供回水温度为10/5℃；制冷参数：制冷量1380KW，供回水温度为7/12℃，地源侧供回水温度为25/30℃；其中一台全部热回收机组是在冬夏季地埋管取热散热不平衡且在夏季地下温度超过30℃3.1.2物管用房为水冷式变冷媒一拖多空调系统（以下简称多联机），所有多联机主机冷却水均来自设于地源水。竖直埋管水温为5至403.1.3地源侧均采用水泵变频运行，空调侧设电动调节阀变流量运行，分集水器之间设压差旁通控制。地源水和空调水系统均采用低位膨胀罐定压、补气、排水。采用全程水处理器除垢、除锈。图1：住宅空调水系统原理流程图3.1.4五台机组，夏冬季的制冷、制热转换是通过机组内置的电动四通换向阀转换制冷剂的流向来达到制冷、制热转换。3.2空调水系统设计住宅空调采用风机盘管+新风系统+地暖形式，夏季为风机盘管+新风系统运行，冬季为新风系统+地暖运行。新风系统为独立水环路，风机盘管和地暖合用水环路（通过阀门进行季节切换）。空调水系统各分成五个环路，分别为：3#、5#、7#楼新风机组一个水环路；1#、2#、4#、6#、8#楼新风机组一个水环路；1#、2#风机盘管（地暖）一个水环路；3#、5#、7#风机盘管（地暖）一个水环路，4#、6#、8#风机盘管（地暖）一个水环路。空调水系统的定压膨胀设备设于地下室热泵机房内。3.3空调系统的自动控制3.3.1本工程采用BAS楼宇自控系统，该系统由中央电脑终端设备及若干现场DDC或控制单元组成。中央电脑终端设备能对各系统运行状态进行显示、报警、打印等并与消防系统联络等。地源热泵机房设机房群控。3.3.2通过测量冷冻水(或空调热水)3.3.3.3.3.3.3.3.6风机盘管控制：通过风机盘管温控器3.3.4室外垂直埋管换热器设计由于埋管换热器中循环介质与大地岩土间的换热情况相当复杂，因此地源热泵空调系统的设计难点主要在地下换热器的设计上。埋管形式、埋管或竖井的间距、埋深、管径、循环介质的流量等既是影响埋管换热器与大地岩土间换热的重要因素，又是构成埋管换热器具体形式的主要参数，此外，埋管地点的地质状况、气候特征、建筑物的负荷变化状况也都影响换热器的换热，其中地下岩土的热物性对传热的能力影响很大。在工程设计中，应根据埋管建筑物的地质勘察报告、气候特征等资料采用有关设计计算软件进行设计计算。4.1地质水纹特性根据江苏华信勘测设计有限公司提供的岩土工程勘察报告，待建场地有以下特点：从100m范围的岩土层分布来看，主要由素填土层、粉质粘土层、淤泥质粉质粘土夹粉土层、粉质粘土夹粉土、粉砂层、粘土层、中细砂层。场地勘探深度内地下水类型为潜水和承压水，对工程有影响的主要为上部潜水。地下水温较稳定，水位受季节性变化影响，年变化幅度为2.0m左右，利于地下换热器进行热交换。根据“水质分析报告”场地地下水PH值为7.5；C1-、SO42-、Mg2+、总矿化度含量基本符合采暖通风与空气调节设计规范的要求。4.2室外地埋管换热器设计4.2.1依据现场情况及计算结果确认：100米有效深度地源井，住宅1260口，物管72口。4.2.2地埋管采用钻孔垂直埋管，钻孔间距为4.05x4.05m以上，100米有效井深采用∅25HDPE管，双“U”连接，钻孔孔径∅150。双U型管的接管连接方式如下：4.2.3根据区域和埋管布置方式，地埋管分成十一个二级分、集水器检查井。4.3地埋管材及管件的选用地源管采用了化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的聚乙烯管，管件与管材为相同材料；管材的公称压力为1.6MPa,PE管的外管及壁厚满足规范的要求。4.4传热介质的选用采用水作为传热介质，未考虑在循环水中添加防冻剂。但为了防止冷却循环水在极端气温下结冻，采用感温自控系统启动循环泵，当系统循环回水温低于4℃时，由自控系统启动循环泵驱动循环水并且报警提示，可以有效避免地埋管循环水结冻。4.5地源热泵系统总吸热量与总释放量相平衡的措施在地源热泵空调系统设计中，地源热泵系统总吸热量与总释放量的平衡对于保证大地岩土的热稳定性、地源热泵系统的经济性及空调实际运行效果十分重要。经过技术经济比较，设计采用辅助冷却源与地埋管换热器并用的调峰形式。5地埋管道施工5.1采用的设备钻机采用XY-1，XY-1B，往复式泥浆泵采用BW-250。5.2井下垂直PE管预制5.2.1预制程序：5.2.2热熔焊接：竖直地埋管采用热熔连接，连接方法5.2.3PE管下井头部定位针制作：为了使PE管顺利插入井底并定位，加工1.65m头部带箭头的Φ16钢材，在距箭头50cm处焊一“7”字形15cm长Φ１０圆钢，便于放管和定位。Φ5.2.4管口标记：若埋底不露管头的应在PE管的闷盖处扎一条红色醒目的条带，5.2.5管间距控制：一口井内的两条管子必须保持一定的间隙，用标准D32PE管制成圈套，用扎带5.3放管监控5.3.1搭接关系：打完一口井时应立即放管，停留时间越长，井下的挤压现象越严重，管子也就越难放。5.3.2严禁管道弯曲翅角：放管时必须多人合作，提起管子不得在地上拖拉，不应该形成不自然的弯曲，更不允许产生角度，然后钻杆套住Φ１０mm圆钢，利用钻杆压力将管子缓缓放下直到设计深度。5.3.3定位控制：管子底部的钢材箭头直插井底中心，因井下土质较软，管子会继续下沉，为了控制落管尺寸，施工人员要拉住尼龙绳使管不再下滑，在达到尺寸要求后锁定位置，迅速灌沙定位。同一型号、同一场地的管子顶部尺寸要尽量保持一致。5.3.4回填材料：放管工作完成后，应立即向井内回填材料，绝对稳定管子在井中的位置。竖直换热器灌浆回填料宜采用90%细砂加10%膨润土的混合浆或专用灌浆材料，回填料的导热系数必须达到2.40W/m.K以上。同时，为保证每个竖直埋管回填密实，应对每口井回填料进行计量，保证每个埋管井充满一定的回填料，以达到换热效果。5.4保温地源二级分、集水器接到热泵机房内的地源水管均设保温，保温材料采用难燃B1橡塑，厚度为32mm。5.5试压5.5.1竖直地埋管换热器插入钻孔前，应做第一次水压试验，试验压力为1.5MPa。在试验压力下，稳压至少15min,稳定压力降不应大于3%且无渗漏现象；将其密封后，在有压状态下，插入钻孔，完成灌浆后稳压1h。5.5.2竖直地埋管换热器与环路集管装配完成后，回填前应进行第二次水压试验。在1.5MPa试验压力下，稳压至少30min,稳定压力降不应大于3%，且无渗漏现象。5.5.3环路集管和机房分、集水器连接完成后，回填前应进行第三次水压试验。在1.5MPa试验压力下，稳压至少2h,且无渗漏现象。5.55.5.5水压试验宜采用手动泵缓慢升压，升压过程中，应随时观察和检查，不得有渗漏，不得以气压试验代替水压试验。5.6套管预埋地源管穿检查井外墙处需预埋刚性防水套管，PE管穿越地源检查井安装柔性防水套管。5.7地温探测装置设置设置六个地温探测装置，每个测温井20m、50m、80m处设温度探头，在机房内设置四台双回路显示仪，测温探头为PT1000温度传感器，测温线缆为屏蔽线RVVP3x0.5。6空调系统运行状况及节能分析6.1运行状况冬季调试记录时间（2013/12/26），正值地区最低气温-7℃。初始时，地源侧出水温度19℃，经24h不间断运行，热泵机组热水出水温度在40-45℃间，最终地源侧的出水温度稳定在11~13℃。室内实测气温：20~22℃。夏季运行记录时间（2014/6.2节能分析冬季最终地源侧的出水温度稳定在11~13℃，热泵机组的能效比达到4.0以上，显然，地热泵空调系统比空气源热泵空调系统供热要环保节能，不存在空气源热泵冬季需化霜、极端气温下供热效果不理想的问题。夏季地热泵空调系统冷却水进出水温度在27.2/32.8℃，与常规空调冷水机组冷却水进出水温度在32/37℃相比，在满负荷运行时，机组能耗要节约15%；在70%负荷运行时,机组能耗要节约35%；在50%负荷运行时,机组能耗要节约60%。7结论地热泵空调系统比空气源热泵空调系统要环保节能，是应大力推广应用的新型节能环保空调系统；地源泵空调系统设计难点在地下换热器的设计上，正确设计室外地下换热器对于保证空调系统的效果和经济性十分重要；地源泵空调系统设计要注意系统总吸热量与总释放量的平衡，以防空调系统设计失败。参考文献[1]《地源热泵土壤换热能力试验研究报告》[2]《地源热泵系统工程技术规范》2009版(GB50366-2005)[3]江苏省《地源热泵系统工程技术规程》(DGJ32/