地源热泵工程的热响应试验与设计施工

地源热泵工程的热响应试验与设计施工王喆1孙伟2蒙晖2（1天津中医药大学第一附属医院2天津诚建明达机电工程有限公司）摘要：本文结合一项地源热泵工程的实施全过程，以严格的热响应实验数据为依据，进行了地埋管换热系统较为准确的设计计算，按国家标准进行了钻孔、埋管、回填和多次水压试验。施工各工序中都采取了严格的质量控制措施，从而使该项工程达到了优质工程的标准。关键词：热响应试验，地埋管，换热系统，质量控制1工程概况本工程为天津某高新技术产业园区内一家以生产电子产品为主的公司，占地面积26042㎡，建筑面积30200㎡,空调面积21800㎡。设计冷负荷1780kw,设计热负荷1500kw。厂区分为研发中心大楼、生产车间、辅助用楼等几大部分。本工程采用地源热泵空调系统。热泵机组共三台，选用制冷量725kw两台，制冷量322kw一台。车间全空气系统采用组合式空调机组，办公区采用风机盘管加新风系统。2热响应试验地源热泵系统中地下埋管的换热性能受岩土体影响较大。不同地点的土质不同，换热器的换热量也就不同。为了给地源热泵的设计提供可靠的基础数据，需进行换热器的热响应试验。为此特开凿了两个测试孔，均采用双U型换热器，测试孔深120m，换热器管道采用PE100塑料管，外径32mm，壁厚3mm，水平连接管长3m，保温层为厚30mm橡塑。孔径300mm，回填材料为原浆加细砂。测试时间为2009-5-16，钻孔下管后静置15天，作为岩土体扰动的恢复期，然后测量120m内地层的平均原始温度，再向PE管内通入热水，连续运行3天（72小时）后，将水流量稳定为1.6t/h，管内流速为0.44m/s，进入PE管内的水温度保持在25～30℃。测试地点120m孔内岩土体原始温度平均为15.2℃。2.1夏季排热测试1#测试孔流量为1.7t/h，测试数据列于表1表11#测试孔夏季排热量测试数据测试次数供水温度℃回水温度℃127.924.6228.024.7328.124.8428.324.9平均温度28.124.8排热量kW6.522#测试孔流量为1.6t/h，测试数据列于表2表22#测试孔夏季排热量测试数据实验次数供水温度℃回水温度℃128.024.6228.024.7328.224.7428.224.8平均温度28.124.7排热量KW6.321#测试孔夏季排热量为6.52kW，2#测试孔排热量为6.32kW。取1#和2#测试数据的平均值，夏季平均排热量为6.42kW，本工程120m双U型换热器单位孔深排热量平均53.5w/m。2.2冬季取热测试1#测试孔流量为1.7t/h，测试数据列于表1。表11#测试孔冬季取热量测试数据测试次数供水温度℃回水温度℃17.210.327.310.237.210.447.110.4平均温度7.210.32取热量kW5.32#测试孔流量为1.6t/h，测试数据列于表2表22#测试孔冬季取热量测试数据实验次数供水温度℃回水温度℃17.310.427.210.337.210.547.110.4平均温度7.210.4取热量KW5.121#测试孔冬季取热量为5.3kW，2#测试孔取热量为5.12kW。取1#和2#测试数据的平均值，冬季平均取热量为5.21kW，本工程120m双U型换热器单位孔深取热量平均43.4w/m。2.3热响应测试误差分析岩土体温度测试，选用A级PT1000型铂电阻仪，该仪器理论误差为±0.1℃。在电阻箱上进行了温度传感器的校正与标定，原厂家针对每一个传感器都进行了曲线标定，其误差在±0.5℃以下，采用3位半万用表，误差为2‰。由于事先没有在测试孔中埋设温度传感器，故采用长时间水循环的方式来测量进回水温度，预计温度测试误差为±0.2℃以下。循环水的流量采用浮子流量计测量，在测试前进行了实验室标定，测量误差在5%以内。从试验台到测试孔大约3m，其水平连接管道的保温采用了壁厚30mm的橡塑保温材料，减少了管道的热损失。总之，通过采取各种技术措施，热响应测试的综合误差控制在5％以下。3热响应试验对地源热泵工程的重要性目前对于各地区岩土体换热量的研究资料还比较有限，而现有的部分模拟软件也是建立在某种假设的条件下的，在实际的工程中，空调的实际运行时间、负荷的调节是根据某地区的气象条件来调控的；又因现行空调设计的冷负荷均采用房间逐时负荷出现最大值的负荷值作为制冷机组的选型依据，模拟出的运行模型与实际运行的偏差的研究资料更少。所以在每个地埋管地源热泵工程中，热响应试验就显得尤为重要。以上热响应试验测定的基础数据是在没有相邻换热孔换热影响的数据，在实际运行中，由于相邻换热器周围温度场的影响，其换热量将有一定的偏差，所以孔间距布置尤为关键。地源热泵夏天向岩土体的排热与冬季从岩土体取热的不平衡问题是非常值得进一步探讨的。所以本工程选择不同区域的两个换热器孔进行温度跟踪，以便日后针对岩土体的温度变化对热泵运行作进一步的研究，将指导该系统采取更为有效的改进措施。4地埋管换热系统设计4.1建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算1）建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，在此不予赘述。2）冬夏季地下换热量计算夏季排放的热量和冬季吸取的热量，可以由下述公式计算：Q1'=Q1+Q1/COP1kW（1）Q2'=Q2-Q2/COP2kW（2）其中Q1'——夏季向岩土体排放的热量，kWQ1——夏季设计总冷负荷，kWQ2'——冬季从岩土体吸取的热量，kWQ2——冬季设计总热负荷，kWCOP1——设计工况下地源热泵机组的制冷系数COP2——设计工况下地源热泵机组的供热系数已知夏季总冷负荷Q1=1780kw，冬季总热负荷Q2=1500kw,选择立式螺杆地源热泵机组3台，机组该工况下的COP1=5.9，COP2=4.1。由以上公式得出夏季该机组排热量Q1=2081kw,冬季取热量Q2=1134kw，从中显然看出有947kw的不平衡。为使夏冬季岩土体的传热平衡，本工程特预留夏季冷却塔的位置，以便日后根据岩土体温度的监测情况来采取相应的措施。4.2地下换热器设计这部分是地源热泵系统设计的核心内容，主要包括地下换热器形式、管材选择、管径、管长和钻孔数目、间距，管道阻力计算以及水泵选型等。4.2.1换热管长度换热管长度计算公式：L=Q1'×1000/q(3)其中L——竖孔埋管长度，mQ1'——夏季向岩土体排放的热量，kWq——夏季每延米地埋管散热量，W/m夏季总换热管长2081×1000/53.5=38897m；冬季总换热管长1134×1000/43.4=26129m。本工程以夏冬季计算管长数据大者确定为施工总管长，即38897m。4.2.2竖直孔数目竖直地埋管深度多数采用50～120m，根据场地情况本项目采用与测试孔相同的深度120m，孔径300mm。代入下式计算孔的数目:N=L/H其中N——竖孔总数，个L——竖直埋管总长度，mH——竖孔深度，m夏季工况所需孔数：38897/120=324；冬季工况所需孔数：26129/120=218。考虑系统夏季的安全性，故采用324个竖直钻孔。4.2.3选择管材与管径1）管材一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下的管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。所以，地源热泵系统一般采用塑料管材。本工程选用的是高密度聚乙烯(HDPE)管，这种管材不腐蚀、不结垢而且还可以弯曲或热熔（电熔）连接，其使用寿命可达50年以上。2）管径在实际工程中确定管径必须满足两个要求：一是管径要大到足够保证最小输送流量;二是管径要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般竖直埋管用小管径，水平集管用大管径，地下热交换器竖直埋管通常采用De32，管内流速控制在0.5m/s左右,而水平管一般大于De50，管内流速控制在1.8m/s左右。本工程把平均压力损失控制在4mH2O/100m以下。5地埋管的施工5.1施工流向程场地平整→开挖沟槽→钻孔→U型管制备→打压试验→试验合格后下U型管→打压试验→打压试验合格后回填→敷设水平集管并与竖直管熔接→打压试验→试验合格后回填沟槽并压实。5.2施工工艺5.2.1放线、钻孔落实室外打孔位置：按照图纸上的标定位置在室外打孔现场进行放线定位。本工程竖直埋管设计选用De32双U型管，确定钻孔的孔径为φ300，间距为5m,深度约120m。5.2.2U型管现场组装、下管、水压试验与清洗双U型埋管示意图如图1所示。图1双U型埋管示意图双U型管采用现场组装,人工下管的方法。竖直地埋管换热器插入钻孔前已对U型管进行了冲洗和第一次试压,试验压力1.6MPa，稳压15min,稳压后压力降不大于3﹪，且无泄漏现象;在有压状态下向钻孔内下管,完成下管后进行第二次水压试验，最低点工作压力为1.3MPa，最低点试验压力1.35MPa，在试验压力下稳压15min,稳压后压力降不大于3﹪.且无泄漏现象。然后将U型管两端口密封，以防杂物进入。5.2.3钻孔回填采用钻孔时自然返浆上来的原浆加细沙作为回填材料，将钻第二孔时的泥浆回填给第一孔，以此类推。回填路径是串联方式。5.2.4水平环路集管安装与试压水平环路集管在地面以下2m深的沟槽内直埋敷设。水平沟槽挖好后，平整沟底、清除坚硬杂物，沟内铺垫细沙200mm，再进行竖直地埋管与水平环路集管的焊接装配。在垂直地埋管换热器与水平环路集管装配完成后,在管沟回填前进行第三次水压试验.试验压力为考虑垂直地埋管路最低点的120米静压值不大于管路材质的设计压力（材质设计压力一般为1.6MPa），最低点试验压力1.35MPa，在试验压力下稳压30min,稳压后压力降不应大于3﹪.且无泄漏现象。待试压合格后，进行水平沟回填，在水平环形管路上铺细纱，盖过水平管150mm。环路集管标高为距室外最低地坪点负1.5m。将环路集管分成若干个管段，每一管段包含10-20个竖直埋管，然后将各管段连接，构成完整的闭式环路。6重要工序的质量控制措施6.1钻孔与下管6.1.1钻孔前，根据施工图对钻孔场地进行平整，然后放线，确定钻孔的准确位置。6.1.2钻机就位，要保证钻机钻杆垂直度，防止出现垂直度的偏差。6.1.3钻孔过程中由质量检查员随时检查钻孔位置，确保孔位正确，并做好钻孔记录。6.1.4钻孔完成后，检查钻孔深度（使用钻杆数量来计算成孔的深度）和钻孔质量，并做好隐蔽工程记录，报监理验收。6.1.5竖直埋管下管后，对管道试压验收后再回填。如发现不能稳压，应及时将管道拉出，下入新管并做到试压合格。6.1.6在钻孔过程中采取泥浆护壁，防止孔壁塌方。如在钻孔即将完成时发生塌方造成钻孔深度不够，即向钻孔内投入造浆粘土，增加泥浆浓度加以护壁，直至达到钻孔深度。竖直地埋管的下管安装应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行，试压合格后，在高出地面500mm处将管头封死。以防地埋管内进入杂物。当钻孔孔壁不牢固或者地下存在孔洞、洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管。下管过程中，U形管内宜充满水。6.2回填6.2.1竖直地埋管下管安装完毕并试验合格后，应立即灌浆回填封孔。6.2.2竖直地埋管下管后的钻孔回填，采用自然返浆加细砂及少量膨润土作为回填材料。6.2.3当室外环境温度低于0℃时，不再进行地埋管换热器的施工，以确保冬季施工质量。6.2.4在水平环路安装前，在管槽底部填至少150mm厚的细沙，待管道安装并与竖直埋管连接完成后再填细砂，直至高出水平管顶部100mm—150mm，然后回填泥土，且将混在其中的砖块等硬物取出，防止刮伤塑料管道。6.3PE管的连接PE管道的连接可采用电熔或热熔连接（热熔承插连接、热熔对焊连接），而与金属管道的连接应采用法兰连接。6.3.1热熔承插焊接热熔承插焊接采用质量可靠、适用的热熔机具，如便携式熔接工具适用于DN≤63mm管道，台式熔接机具则适用于DN≥63mm管道连接。热熔焊接时，须先将插口管末端切割平整，与轴线垂直。用笔在承口和插口上做适当的标记，以利于连接定位。将加热工具加热到熔接温度260℃±10℃，用加热工具的凹模熔化插口管端的外