土壤源熱泵空調(diào)工程的設(shè)計(jì)與施工

1、土壤源熱泵空調(diào)工程的設(shè)計(jì)與施工X張燕立1張新發(fā)1由世俊21(天津中冷暖通潔凈工程技術(shù)有限公司2(天津大學(xué)摘要以天津市北辰科技園區(qū)某辦公樓的工程為例,介紹土壤源熱泵空調(diào)工程的設(shè)計(jì)和施工方法,探討利用實(shí)驗(yàn)井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定土壤源熱泵工程中的井位、井?dāng)?shù)、取熱量和散熱量,重點(diǎn)敘述土壤源熱泵工程的設(shè)計(jì)步驟、可采用數(shù)據(jù)、地埋管的布置及強(qiáng)度等具體的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。對(duì)熱泵空調(diào)機(jī)房的設(shè)計(jì)也給出了相應(yīng)的論述。關(guān)鍵詞土壤源熱泵實(shí)驗(yàn)井地埋管Design and construction of ground2source heat pump andair2condition engineeringZhang Yanli1

2、Zhang Xinfa1You Shijun21(T ianjin Zhongleng Heating Ventilation and Cleaning Project Technique Co.,Ltd.2(Tianjin UniversityABSTRACT This paper aims to introduce the design method and the construction program in the project of ground2source heat pump.T he project of an office building in BeiChen Area

3、 of Tianjin has been mentioned as an example.The experimental wells have been tested to deter2 mine the number,position,heat input and output of wells.The main point of this paper is to discuss the design program,the reference data,the arrangement and strength calculation of the buried pipes in the

4、ground2source heat pump project.T he design of the heat pump room has al2 so been referred to in this paper.KEY WORDS ground2source heat pump;experimental well;buried pipe土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的空調(diào)系統(tǒng)。該項(xiàng)技術(shù)在歐、美一些國(guó)家已非常成熟,正在被廣泛應(yīng)用。近幾年土壤源熱泵技術(shù)在我國(guó)逐漸被人們所重視,各科研機(jī)構(gòu)和專業(yè)公司都在進(jìn)行這項(xiàng)技術(shù)的研究、應(yīng)用。天津中冷暖通潔凈工程技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱天

5、津中冷公司幾年前就開(kāi)始研究土壤源熱泵技術(shù)及其應(yīng)用,取得一些經(jīng)驗(yàn),共完成三項(xiàng)工程的土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工,并已申請(qǐng)了七項(xiàng)國(guó)家專利(其中三項(xiàng)發(fā)明專利,四項(xiàng)實(shí)用新型專利。下面介紹其中最大的一個(gè)項(xiàng)目與同行交流、研討。1工程概況天津市北辰科技園區(qū)/天津市中重科技工程有限公司0綜合辦公樓是新建工程,建筑面積6232m2,框架結(jié)構(gòu),主體四層,局部五層。建筑平面呈L型,層高3.60m,各層均設(shè)有輕鋼龍骨石膏板吊頂?？照{(diào)末端為風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。本工程原設(shè)計(jì)冷熱源是采用風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組,機(jī)組在局部五層建筑物頂上安裝,循環(huán)水泵安裝在一樓中部的水泵房?jī)?nèi),冬季向末端系統(tǒng)提供45e熱水,夏季提供7e冷水。甲方希望采

6、用更節(jié)能的土壤源熱泵技術(shù),委托天津中冷公司變更設(shè)計(jì)及施工。在2004年冬季采暖期開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)竣工并投入運(yùn)行,使用效果良好,經(jīng)過(guò)冬季最冷月份測(cè)試,該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性得到展示,獲得用戶的滿意和好評(píng)。2設(shè)計(jì)程序第6卷第2期2006年4月制冷與空調(diào)R EFR IGERATION AND AI R-CONDIT IONING972101X收稿日期:2005202226可行性性評(píng)估本工程場(chǎng)院寬闊,有足夠的使用面積,為采用土壤源熱泵系統(tǒng)提供了必要條件。本工程將一樓原風(fēng)冷熱泵機(jī)組循環(huán)水泵房調(diào)換到建筑物西南角作為空調(diào)機(jī)房?？照{(diào)機(jī)房平面尺寸為8.2m 6m 。確定地埋管換熱器形式本工程地埋管換熱器采用雙U 型管,埋深1

7、00米。熱泵工況參數(shù)見(jiàn)下表1。表1 熱泵工況參數(shù)末端系統(tǒng)供回水溫度地埋管換熱器進(jìn)出水溫度夏季供冷712e 3530e 冬季供暖4540e35e確定測(cè)試地埋管換熱器(以下簡(jiǎn)稱試井,地埋管換熱器簡(jiǎn)稱井實(shí)測(cè)地埋管換熱器的取熱量、散熱量。計(jì)算地埋管換熱器數(shù)量。 井位布置。水力計(jì)算確定管徑及地埋系統(tǒng)阻力。 強(qiáng)度計(jì)算,確定地埋管管材規(guī)格。 地埋管系統(tǒng)受力穩(wěn)定計(jì)算,驗(yàn)算水平連管在土荷載、車荷載、堆放物荷載共同作用下的安全穩(wěn)定性。地埋管變形計(jì)算。 選擇熱泵機(jī)組、末端循環(huán)水泵、地埋系統(tǒng)循環(huán)水泵。3 單井測(cè)試及井?dāng)?shù)計(jì)算地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜,目前還沒(méi)有見(jiàn)到根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)直接計(jì)算出取熱量、散熱量的數(shù)據(jù)和方法,所以采用測(cè)試井

8、實(shí)測(cè)地埋管換熱器取熱能力、放熱能力是目前切實(shí)可行的方法。單井測(cè)試設(shè)備是中冷公司根據(jù)實(shí)際條件因地制宜制作的專用設(shè)備(已申請(qǐng)國(guó)家專利。按前面提到的參數(shù)分別向不同的試井供冷熱水,做較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行使井下溫度相對(duì)穩(wěn)定,這樣測(cè)得數(shù)據(jù)更貼近實(shí)際。通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,測(cè)得單井取熱量為4.50kW,單井散熱量為9.13kW 。原空調(diào)設(shè)計(jì)提供本工程冷負(fù)荷510kW 、熱負(fù)荷480kW 。1根據(jù)冷負(fù)荷計(jì)算放熱所需井?dāng)?shù):夏季機(jī)組COP 值取4。井?dāng)?shù)N =510(1+1/4/9.13=69.8 2根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算取熱所需井?dāng)?shù):冬季機(jī)組COP 值取3.5。井?dāng)?shù)N =480(1-1/3.5/4.5=76.2 考慮多年

9、后換熱能力有可能衰減,目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)可參考的衰減系數(shù)及附加系數(shù),本工程實(shí)際確定地埋管換熱器數(shù)量為80個(gè)。由以上計(jì)算可以看出本工程冬季取熱過(guò)程決定了地埋管換熱器數(shù)量,應(yīng)為76個(gè),實(shí)際施工數(shù)量為80個(gè),余富系數(shù)為5%。4 井位布置有研究人員指出國(guó)外土壤源熱泵工程,豎直地埋管換熱器間距取為 4.57m 。天津中冷公司其他工程地埋管換熱器間距為56m,效果很好。本工程規(guī)模較大,井?dāng)?shù)較多,場(chǎng)院寬闊,單井測(cè)試群 井工作,為留有余地,本工程諸井在廠區(qū)大車間南檐墻外東西成行布置,南北共5行,行距6m,每行中井距7m,最北面一行距大車間檐墻3.5m 。具體布置見(jiàn)圖1。圖1 地埋管換熱器平面布置圖#98# 制 冷

10、與 空 調(diào)第6卷5 水平連管設(shè)計(jì)施工所有豎直地埋管換熱器通過(guò)水平連管通入空調(diào)機(jī)房,實(shí)現(xiàn)地埋水系統(tǒng)的循環(huán)。 1通過(guò)計(jì)算、研究,認(rèn)為水平連管的埋深度由以下三個(gè)因素確定:水平連管埋設(shè)深度處的地下溫度應(yīng)使水平連管不必做保溫;與其他管線的交叉處,水平連管不允許出現(xiàn)豎向U 形彎,否則排氣困難;由穩(wěn)定計(jì)算和豎向變形計(jì)算校核確定。設(shè)計(jì)的埋深度一定要保證管道的受力安全。本工程水平連管埋深均為2m 。筆者估算天津地區(qū)地下2m 處的冬季地溫為7e ,夏季為19e ,這個(gè)溫度高于取熱設(shè)計(jì)工況地埋管換熱器進(jìn)出水溫度;低于放熱設(shè)計(jì)工況地埋管換熱器進(jìn)出水溫度,水平連管不須保溫,沒(méi)有不利熱交換,這個(gè)深度與廠區(qū)其他管線標(biāo)高均可

11、錯(cuò)開(kāi),互不干擾。連管穩(wěn)定計(jì)算、變形計(jì)算均滿足要求。2水平連管均采用熱熔對(duì)接,水平連管與管件間采用電熔承插連接,雙U 型管換熱器的U 字彎,與管道采用熱熔承插連接。本工程各種焊口共2000多個(gè),至今無(wú)一泄漏。3水平連管敷設(shè)管路槽溝由機(jī)械開(kāi)挖,溝底預(yù)留值不小于0.15m,預(yù)留部分由人工清底至設(shè)計(jì)標(biāo)高。管道應(yīng)敷設(shè)在原狀土地基上。水平連管進(jìn)水管做抬頭泛水,最高點(diǎn)設(shè)排氣管接至放氣井。排氣管末端裝排氣閥。本工程在場(chǎng)院內(nèi)共設(shè)計(jì)6個(gè)排氣井。連管在槽邊連接后用彈性敷管法移入溝槽。管道敷設(shè)后經(jīng)水壓試驗(yàn)合格再進(jìn)行回填?；靥顣r(shí)管道中充滿水。回填土分層夯實(shí),管頂上部0.5m 以內(nèi)的回填土用人工夯實(shí),其他可由機(jī)械夯實(shí)。槽

12、溝內(nèi)具體作法如圖2 所示。圖2 管路槽溝部面圖4本工程將地埋管換熱器共分為11組,每組78個(gè)。各組由供、回水水平連管分別接至空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)地埋系統(tǒng)分、集水器。通過(guò)分、集水器上閥門實(shí)現(xiàn)對(duì)各組地埋管換熱的控制,這種方法容易調(diào)整各支路間流量平衡,同時(shí)一旦出現(xiàn)故障也便于查找事故出現(xiàn)部位。每個(gè)支路78個(gè)井接成同程式,使各個(gè)地埋管換熱器流量平衡。每個(gè)支路水平連管上設(shè)置放氣裝置。經(jīng)運(yùn)行調(diào)試觀察,各組地埋管換熱器運(yùn)行良好。6 管材選用及計(jì)算管材選用計(jì)算即強(qiáng)度計(jì)算。地埋管換熱器及水平連管都使用聚乙烯管道(PE 管。目前國(guó)內(nèi)PE 管管材的強(qiáng)度級(jí)別高低不同,同一強(qiáng)度級(jí)別管材壁厚也有不同規(guī)格。設(shè)計(jì)選用時(shí)在滿足使用壓力前提

13、下,盡量選擇低強(qiáng)度級(jí)別的管材,盡量選擇壁厚小的管材以降低工程成本。管材強(qiáng)度級(jí)別要通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算確定。6.1 管材強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)滿足下式要求R H r ot f ;式中:R H 為在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下管壁截面上的環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)值(N/mm 2;r ot 為聚乙烯管管材抗力分項(xiàng)系數(shù),可根據(jù)不同水溫按表2確定。f 為管材環(huán)向長(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,按下列數(shù)值確定:PE80級(jí)管材 f =8N/mm 2PE100級(jí)管材 f =10N/mm 2表2 聚乙烯管管材抗力分項(xiàng)系數(shù)溫度/e 2025303540r ot0.960.890.840.770.716.2 設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用下管壁環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)值R H 按下式計(jì)算:R

14、H =F wd D o C H2t式中:F wd 為管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm 2,應(yīng)采用管道工作壓力F 的1.5倍計(jì)算;D o 為管道計(jì)算直徑(mm,D o =d n -t ;d n 為管材公稱外徑(mm;t 為管壁計(jì)算厚度(mm;r H 為設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力的作用分項(xiàng)系數(shù),r H =1.2。6.3 管道工作壓力F =0.01(H 1+H 2+H 3式中:H 1為水泵揚(yáng)程(m;H 2為定壓水箱液面至室外地坪垂直距離(m;H 3為考慮到地下水對(duì)管道的徑向壓力抵消了一部分管道中水對(duì)管壁的向外徑向壓力。當(dāng)?shù)叵滤€(wěn)定水位高于垂直地埋管換熱器#99# 第2期 張燕立等:土壤源熱泵空調(diào)工程的設(shè)計(jì)與施工下

15、端時(shí),H 3為地下水穩(wěn)定水位深度(m;當(dāng)?shù)叵滤€(wěn)定水位低于垂直地埋管換熱器下端時(shí),H 3為垂直地埋管埋深(m。F =0.01(H 1+H 2+H 4式中:H 4為水平連管的埋深(m,本工程為2m 。根據(jù)計(jì)算,本工程豎直埋管應(yīng)選用PE80,d n 為32mm 3mm 塑料管材。為了節(jié)省投資,根據(jù)市場(chǎng)材料貨源情況,經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)比較,特別制作了中冷公司專用埋管管材,管徑d n 為32mm 2.8mm,材料級(jí)別PE100,管道設(shè)計(jì)成天藍(lán)色。所有進(jìn)出水管采用了不同的線條標(biāo)識(shí),以防止接錯(cuò)方向。并且在管材上還印出長(zhǎng)度數(shù)字,在井孔中下管時(shí),從管上數(shù)字可直接讀知實(shí)際下管深度,工作十分方便。U 型管換熱器下端的U 字

16、彎,也是天津中冷公司專門研制的專利產(chǎn)品,施工方便,使系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行更加安全可靠。6.4 水力計(jì)算水力計(jì)算目的是為了合理選擇系統(tǒng)管徑,計(jì)算系統(tǒng)阻力,為選擇循環(huán)水泵提供依據(jù)。水力計(jì)算時(shí)管中水流量應(yīng)取冬、夏兩種工況中較大流量進(jìn)行計(jì)算。國(guó)外資料指出,豎直埋管中水流速建議不低于0.6m/s,以防止管中結(jié)垢。管道的比摩阻應(yīng)不高于400Pa/m 。為防止水錘發(fā)生對(duì)不同管徑管道最高流速也提出相應(yīng)限制。7 水平連管管壁截面環(huán)向穩(wěn)定性計(jì)算本計(jì)算的目的就是校核所選用水平連管管材埋地后,在豎向土壓力、地面堆積荷載或地面車輛荷載等不利組合作用下的安全可靠性。應(yīng)符合下列公式:F cv.k k st #q vk式中:F cv

17、.k 為管壁截面的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm 2;k st 為管壁截面的穩(wěn)定性抗力系數(shù);q vk 為管頂處各項(xiàng)不利組合作用下的單位面積上豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值。本計(jì)算十分繁雜,計(jì)算量很大本文不在這里贅述。8 水平連管變形計(jì)算8.1 豎向變形水平連管埋地后在各種不利荷載組合作用下最大豎向變形應(yīng)滿足下式: W d #max 0.05D o式中:W d #max 為聚乙烯管道在組合作用下的最大豎向變形(mm;D o 為聚乙烯管道計(jì)算直徑(mm。本計(jì)算也很復(fù)雜,不再贅述。但從計(jì)算中發(fā)現(xiàn),要達(dá)到使管道變形符合上述要求,回填土的密實(shí)度、回填土的施工方法很重要,如不注意就可能出現(xiàn)問(wèn)題。8.2 縱向變形當(dāng)流過(guò)水平連管的

18、水溫發(fā)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向變形,變形按下式計(jì)算: $L =A #L #$t式中:$L 為溫度變化引起管道變形量(mm;A 為聚乙烯管道線膨脹系數(shù)(mm/(m #e ,A =0.150.20mm/(m #e 。L 為管道計(jì)算長(zhǎng)度;$t 為管道發(fā)生的最大溫度差,本工程為35e -3e =32e 。例如:管道長(zhǎng)100m,溫度差取32e ,A 值取0.15mm/(m #e 。變形量為$L (mm=0.1510032=480這個(gè)變形量很大,是鋼管變形量的十多倍,如不處理好就可能出現(xiàn)問(wèn)題。具體做法是:管溝挖成一定寬度,向溝內(nèi)下管時(shí)使管道在溝底蜿蜒敷設(shè),利用管路彎曲自行補(bǔ)償,不設(shè)伸縮器。當(dāng)然對(duì)較大的管徑應(yīng)設(shè)伸縮器,為防止水平連管與豎直埋管作相對(duì)移動(dòng),可在溝內(nèi)設(shè)固定墩和止推墩。9 空調(diào)機(jī)房設(shè)計(jì)9.1 熱泵機(jī)組#100