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地下车库下埋设地源热泵土壤换热器的难点分析

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  来源:地源热泵网     发布日期:2016-08-13
核心提示:系统设计充分考虑初投资和运行费用,采用以地源热泵为主,燃气锅炉和冷却塔作调峰的复合式系统。由于地处北京市核心地带,没有场地,因此将土壤换热器设置在车库底板下,共计635组双U换热管,埋深100米。
     
      地源热泵土壤换热器一般埋设在建筑周边绿地、停车场下,不占有地面空间。但是对于市区内项目,一般土地资源紧张的,没有足够的场地埋设土壤换热器,这就导致地源热泵在场地紧张的项目中的应用受到限制。本文通过对当代万国城地下车库地源热泵工程实施过程中的一些难点、要点进行分析,以期对地源热泵技术的应用和发展起到一定的促进作用。

      1.工程概况 

      当代万国城二期地处东直门东北角,占地面积1公顷,总建筑面积约22万平米,地下室约55000 m2。本工程的目标是建设一座高舒适度、低能耗、健康、绿色、环保型的里程碑式住宅建筑,它充分利用现有的建筑类高科技力量,对其屋面、外墙、外窗、采暖、制冷、新风等进行了全面的系统的优化设计,从而满足一部分人对高品质居住、办公、购物、休闲的要求,在节约能源的情况下,实现他们对高品质生活的追求。
 
      2.空调系统概述

      系统设计充分考虑初投资和运行费用,采用以地源热泵为主,燃气锅炉和冷却塔作调峰的复合式系统。由于地处北京市核心地带,没有场地,因此将土壤换热器设置在车库底板下,共计635组双U换热管,埋深100米。

      本项目的末端系统为顶棚辐射+新风系统:地源热泵机组夏季的排热由土壤换热器和冷却塔完成;冬季取热源由土壤换热器实现,不足部分采用燃气热水锅炉:生活热水部分通过热泵机组热回收实现,不足部分通过燃气锅炉提供。

      方案中采取了在地下二层车库的底板下面埋置土壤换热器的垂直埋管方式,共埋置土壤换热器的数量为635个。

      3.土壤换热器的现场测试

      3 .1.1测试目的

      为了使设计参数更加优化、合理,采用测试仪器对现场进行了换热孔的具体测试,具体的测试目的为:

      (1)获取土壤换热器每延米的换热量。

      (2)确定最佳的钻孔机具。

      (3)确定土壤换热器换热孔的最佳深度和合理间距。

      (4)确定最佳填料。

      (5)结合钻进难度,合理安排施工工期。

      3.1.2测试原理

      该测试简单模拟地源热泵空调系统夏季制冷的运行模式,具体测试原理如下:将仪器的水路循环部分与所要测试换热孔内的PE管路相连接,形成闭式环路,通过仪器内的微型循环水泵驱动环路内的液体不断循环,同时仪器内的加热器不断加热环路中的液体。该闭式环路内的液体不断循环,加热器所产生的热量就不断通过换热孔内的换热管释放到地下。在闭式环路内的液体循环的过程中,将进/出仪器的温度、流量和加热器的加热功率进行采集记录,来进行分析计算土壤的热物性参数。

      3.1.3测试内容

       本次测试共钻了3个120m深的换热孔,且分别启用了三种不同的钻机进行钻孔,成孔后进行视电阻率测井。在其中的2个换热孔内分别下入双U型换热管后进行模拟测试。

      3.1.4测试结果

      (1)视电阻率测井结果表明本项目现场第四系的地层粘土较少、砂砾石居多,而且赋水率很高。

      所以换热孔采用的最佳填料应该是级配砂石料,因为级配砂石填料的透水性好,不阻断地下水在换热孔处的流动,更有助于换热孔与周围土壤的换热,地下水流对换热管、填料及周围土壤的换热性能有很大的影响,也就是说级配砂石填料在这种赋水率比较高的地层中比其他填料的的效果要好。

       (2)测试中启用了三种不同的钻机,通过对岩芯1000m钻、黄河钻和汽车工程钻在本项目现场的钻探比较,发现钻井速度最快的是黄河钻,其次是岩芯1000m钻,最慢的是汽车工程钻;岩芯1000m钻和黄河钻所钻孔径适合方便的下入双U型换热管;岩芯1000m钻的工程成本最低,综合分析后,本项目应该采用岩芯1000m钻。

      (3)利用专业软件模拟对地下岩土温度变化情况进行模拟,以获取换热孔的最佳间距。

      测试结果表明,0.5m深度以下,距孔中心越近,排热工况下岩土温度场受影响程度越大,温升幅度越大,0.5m以下,不同深度温度变化幅度基本一致,同一时刻温升幅度随距孔中心距离增大而减小。模拟测试结束时,距换热孔中心0.1m处温度达到29℃,温升幅度达15℃,而距换热孔中心2.5m处温升幅度仅约为0.01℃,距换热孔中心3m处温升幅度仅约为0.002℃。

      距换热孔中心距离不同,温度变化速率也不同。距孔中心越近,一开始温度变化速率大。随着作用时间的增长,温度上升速率变小,温度变化缓慢,而距孔中心较远处,温度变化速率的规律与上述正好相反。

      综合以上的模拟及分析结果,该区域土壤换热器的合理间距为5m。

      (4)孔深确定。由120米地层资料揭示该地区100米以下含卵砾石较多,且土壤换热器埋设于-11. 25米的底板下,如仍按照120米深实施难度较大,将会造成成本加大、工期加长,因此综合考虑将深度定位100米深。

      4.土壤换热器的施工工艺

      本项目地埋管的数量大,分布范围广,为确保每一个换热孔都能有一定的换热液流过,实现有效、高效换热,同时最大限度增加系统的安全性,根据换热孔的分布区域,按照相对集中的原则,将整个土壤换热器分为42个小系统,大约每15个左右的垂直换热孔设置为一个换热循环单元,供、回水分别集中到单独的分、集水器上:分集水器汇入总管接入机房,使得整个地埋管的联络系统既统一又相对独立,从而实现高效、安全运行。

      水平联络官采用D90PE管,整个土壤换热器系统按同程方式连接,确保各换热孔内循环液的流量、流速一致,为系统的安全运行提供可靠的保障。

      5.设计及施工难点

      5.1土壤换热器联络总管穿底板的防水问题

      本项目换热孔D32管道经D90水平联络管汇集,穿结构底板进入检查井内的分集水器,各个分集水器通过管道汇集,最终进入到机房内与热泵机组相连。车库地下两层,底板标高-11.28米,共有188个D90管道穿底板。

       底板防水在建筑工程中历来是个关键环节,通常采用柔性和刚性两道防水层做法。目前图集和规范中均有穿外墙防水套管做法,但是还没有穿底板套管做法,此种做法在国内尚属首例,因此穿底板防水问题成为本项目的难点。

      为了解决此问题我们专门成立了攻关小组,通过深入研究目前防水工艺、规范,通过请教设计院、防水协会专家、防水厂家,结合地热井井喷施工中的相关经验制作多个方案,通过多个实物模型承压能力对比分析等多种途径终于制定了一套切实可行的方案。方案经专家、设计、监理、业主、施工单位等参加的专题论证会讨论,得到一致认可。

       此做法对柔性防水套管作了改进,采用上下两道压环,确保地下水不会通过管道和套管内壁渗入地下室。上下两侧压环压紧后可承担8kg压力,经过1个月的耐压试验没有渗漏。管外壁防水做法也经专家讨论制定了特殊的方案。

      5.2施工中对基底的扰动问题

      由于地埋管位于底板下,钻孔施工中的泥浆坑开挖、设备碾压、联络管管沟开挖等等均会破坏原状土,从而对基底产生扰动。一旦产生扰动不但增加处理费用,同时也将影响工期。为此我们在设计过程中对扰动进行了分析,分为必然产生的扰动和通过采取措施可以减轻和消除的扰动,对不同的扰动采取不同的处理措施。列表如下:

      第一作者简介:

      刘伟,男,工程师,研究方向:地源热泵。

      注:本文选自《地源热泵》杂志2008年4月刊“工程案例”栏目(总第20期,P43),——副标题:当代万国城北区地源热泵系统之土壤换热器实施方案。作者:刘伟,张文秀,王吉标,陈燕民(北京市华清地热开发有限责任公司)。本文略有改动。 

责编:kevin

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关键词: 地源热泵 供暖 北京
 
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