齊水艷
北京市設(shè)備安裝工程集團(tuán)有限公司,北京 100045
論奧林匹克森林公園建筑物地源熱泵的施工技術(shù)
齊水艷
北京市設(shè)備安裝工程集團(tuán)有限公司,北京 100045
奧林匹克森林公園作為2008年北京奧運(yùn)會(huì)標(biāo)志性建設(shè)項(xiàng)目之一,采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng),充分體現(xiàn)“綠色奧運(yùn)”的理念。此系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成,即室內(nèi)空調(diào)末端設(shè)備、熱泵機(jī)組主體、地下埋管換熱器。根據(jù)一般地源熱泵特點(diǎn),按照冷負(fù)荷選配主要機(jī)組,利用淺層地溫能作為地源熱泵機(jī)組的冷熱源,選擇熱回收式地源熱泵機(jī)組提供空調(diào)和生活熱水,生活熱水由一個(gè)不銹鋼生活熱水水箱蓄存,生活熱水夏季通過空調(diào)供冷開機(jī)時(shí)的冷凝熱回收得到,冬季時(shí)主機(jī)制熱量有富余,完全滿足供暖使用要求。另外,需要3臺(tái)普通地源熱泵機(jī)組,夏季提供冷量。冬季機(jī)組可以小負(fù)荷運(yùn)行,最大熱負(fù)荷情況下,僅需要開3臺(tái)主機(jī),即可滿足使用要求。熱泵機(jī)房安裝工程,主要包括室外管線進(jìn)入機(jī)房與室內(nèi)管網(wǎng)的連接,機(jī)房內(nèi)主機(jī)、循環(huán)泵、集分水器、控制柜、管道等設(shè)備的安裝。換熱孔的設(shè)計(jì)及鉆探施工是整個(gè)工程的關(guān)鍵。本項(xiàng)目根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)冷、熱負(fù)荷的需求量,需要擬鑿換熱孔921個(gè),單個(gè)地埋換熱孔深40~100m,孔深總長度為76 110m,孔徑大于150m,換熱孔通過地面連接管分區(qū)連接后,再匯集進(jìn)入熱泵機(jī)房。
地源熱泵系統(tǒng);冷熱負(fù)荷;熱泵機(jī)組;地埋換熱孔
早在20世紀(jì)50年代我國就已經(jīng)開始空氣源熱泵方面的研究工作,而地源熱泵的發(fā)展比較緩慢。近年來,隨著能源和環(huán)境問題的日益突出,以可再生的地?zé)嵩礊槟茉吹牡卦礋岜靡鹆巳藗兊闹匾暋?000年以來,地源熱泵的開發(fā)利用在全國得到普遍推廣,每年以10~15%的速度增長。京津地區(qū)發(fā)展速度最快。據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局的資料顯示,至2005年末,淺層地溫能應(yīng)用面積約2 000萬m2。2005年以來,中國水源熱泵的應(yīng)用明顯加快,由于這項(xiàng)技術(shù)比較成熟,在中國將進(jìn)入大規(guī)模推廣應(yīng)用階段。
奧林匹克森林公園園區(qū)有20個(gè)單體建筑物組成,每個(gè)建筑物都是獨(dú)立的,森林公園占地面積大,建筑物分散,小面積建筑數(shù)量比重較大,作為2008年奧運(yùn)會(huì)標(biāo)志性建設(shè)項(xiàng)目之一,為充分體現(xiàn)“綠色奧運(yùn)”的理念,在進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮經(jīng)濟(jì)性、綠色環(huán)保等因素,確定地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)成為奧林匹克森林公園空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選方案。
地源熱泵技術(shù),是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對(duì)穩(wěn)定的特性,通過消耗電能,在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方,在夏天還可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中,達(dá)到降溫或制冷的目的。地源熱泵不需要人工的冷熱源,可以取代鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱,向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空調(diào)向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時(shí),它還可供應(yīng)生活用水,是一種有效地利用能源的方式。
1912 年,瑞士Zoelly最早提出了“地?zé)嵩礋岜谩钡母拍睢?946年美國開始對(duì)地源熱泵進(jìn)行系統(tǒng)研究,在俄勒岡州建成第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng),運(yùn)行很成功,由此掀起了地源熱泵系統(tǒng)在美國的商用高潮。1985年美國安裝地源熱泵14 000臺(tái),1997年則安裝了45 000臺(tái),目前已安裝了400 000臺(tái)以上的地源熱泵,并且以每年10%的速度遞長。1998年美國商用建筑的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)占到空調(diào)保有量的19%以上,其中在新建筑里面占30%。在歐洲國家里更多的是利用淺層地?zé)豳Y源,來供熱或者取暖。
早在20世紀(jì)50年代我國就已經(jīng)開始空氣源熱泵方面的研究工作,而地源熱泵的發(fā)展比較緩慢。近年來,隨著能源和環(huán)境問題的日益突出,以可再生的地?zé)嵩礊槟茉吹牡卦礋岜靡鹆巳藗兊闹匾暋?000年以來,地源熱泵的開發(fā)利用在全國得到普遍推廣,每年以10~15%的速度增長。京津地區(qū)發(fā)展速度最快。據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局的資料顯示,至2005年末,淺層地溫能應(yīng)用面積約2 000萬m2。2005年以來,中國水源熱泵的應(yīng)用明顯加快,由于這項(xiàng)技術(shù)比較成熟,在中國將進(jìn)入大規(guī)模推廣應(yīng)用階段。
地源熱泵系統(tǒng)包括3種不同的系統(tǒng):以利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵,也有資料文獻(xiàn)稱為地下耦合熱泵系統(tǒng)或者叫地下熱交換器熱泵系統(tǒng);以利用地下水為冷熱源的地下水熱泵系統(tǒng);以利用地表水為冷熱源的地表水熱泵系統(tǒng),見圖1。
圖1 地源熱泵的分類
傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷換熱器或水冷換熱器,其換熱環(huán)境直接或間接為大氣,而大氣換熱不可避免地受到環(huán)境條件交換的影響。在夏季,當(dāng)室外溫度達(dá)到40℃時(shí),由于換熱效率降低,冷量將下降20%~40%;在冬季,當(dāng)室溫下降到-10℃時(shí),供熱量下降到15%~30%,而且要反復(fù)地沖霜來保證機(jī)組的運(yùn)行。對(duì)于地源熱泵,換熱器是介質(zhì)和大地地表淺層換熱,地表淺層是一個(gè)巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽能,相當(dāng)于人類每年利用熱量的500多倍。地能不受氣候、資源、地域、地質(zhì)結(jié)構(gòu)限制。其溫度大約為年平均氣溫,基本不受外界環(huán)境影響。由于地源溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定,使地源熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定、也保證了系統(tǒng)的高效性。
奧林匹克森林公園園區(qū)有20個(gè)單體建筑物組成,每個(gè)建筑物都是獨(dú)立的,森林公園占地面積大,建筑物分散,小面積建筑數(shù)量比重較大,本工程地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成:室內(nèi)空調(diào)末端設(shè)備,熱泵機(jī)組主體,地下埋管換熱器。
奧林匹克森林公園建筑物地源熱泵利用淺層地溫能作為地源熱泵機(jī)組的冷熱源,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的夏季制冷和冬季供暖。工程項(xiàng)目主要包括:熱泵機(jī)房安裝工程和室外管網(wǎng)工程。
主要包括室外管線進(jìn)入機(jī)房與室內(nèi)管網(wǎng)的連接,機(jī)房內(nèi)主機(jī)、循環(huán)泵、集分水器、控制柜、管道等設(shè)備的安裝。
1)地源熱泵機(jī)房設(shè)備安裝
機(jī)房設(shè)備安裝流程:如圖2。
圖2 機(jī)房設(shè)備安裝流程
在設(shè)備與基礎(chǔ)之間加裝減震裝置。機(jī)組的蒸發(fā)器進(jìn)出口必須加裝橡膠軟連接,包括水冷機(jī)組的冷卻水進(jìn)出水管。蒸發(fā)器的進(jìn)出水管需加裝截止閥。在蒸發(fā)器、冷凝器的進(jìn)水口必須安裝過濾器,以確保蒸發(fā)器、冷凝器的循環(huán)水不能含任何雜質(zhì),如金屬料體、焊渣、鋼絲等。安裝冷凍水循環(huán)泵管道時(shí),需在蒸發(fā)器的進(jìn)出口端安裝短路循環(huán)管,在短路循環(huán)管上需加截止閥,并作水路循環(huán)、除污后確認(rèn)水質(zhì)達(dá)到要求后,方可連接機(jī)器。調(diào)試前要求能夠保證供電,能保證機(jī)組全部啟動(dòng)運(yùn)行。在冷凍水循環(huán)管道上的最高點(diǎn)安裝自動(dòng)排氣閥。在蒸發(fā)器出口端的水平管道上需安裝一個(gè)流量開關(guān)。在冷凍水循環(huán)管道上的最低點(diǎn)安裝排水閥。
2)地源熱泵機(jī)房內(nèi)管道安裝
機(jī)房內(nèi)管道施工安裝流程:如圖3。
圖3 機(jī)房管道安裝流程
機(jī)房內(nèi)設(shè)備布置較多,其管道又大多為總管,口徑大數(shù)量多。因此在機(jī)房管道施工時(shí),要根據(jù)管道系統(tǒng)工藝流程,理順管道走向,力爭(zhēng)使管道的空間布局合理,避免產(chǎn)生雜亂無章、相互交叉等現(xiàn)象。
機(jī)房大口徑成排管道的支吊架,應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)詳圖的要求制作安裝。支吊架與結(jié)構(gòu)的連接,應(yīng)設(shè)置在建筑的梁、柱等處,盡可能采用預(yù)埋鋼板焊接連接,不宜使用膨脹螺栓(嚴(yán)禁膨脹螺栓朝天向上安裝)。如不得不使用膨脹螺栓固定,則應(yīng)通過計(jì)算來確定所需膨脹螺栓的規(guī)格和數(shù)量。
機(jī)房管道安裝應(yīng)遵循先總管、后支管,先大口徑管、后小口徑管的原則,與泵、冷水機(jī)組等設(shè)備的連接嚴(yán)禁強(qiáng)行對(duì)口,泵、冷水機(jī)組的進(jìn)出口接管要安裝避震軟接頭。設(shè)備進(jìn)出口的接管、配管前,還要詳細(xì)核對(duì)設(shè)備本體法蘭的規(guī)格,如該法蘭與標(biāo)準(zhǔn)法蘭不符,則應(yīng)及時(shí)加工一片法蘭配對(duì)。
機(jī)房管道施工完畢后,一般應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行壓力試驗(yàn),試壓合格后交付防腐和保溫施工。
主要包括:室外換熱孔鉆鑿及驗(yàn)收、管道試壓及驗(yàn)收—管道下放及試壓驗(yàn)收—管溝土方開挖鋪細(xì)沙—水平管敷設(shè)試壓及驗(yàn)收—回填工程。換熱孔的設(shè)計(jì)及鉆探施工是整個(gè)工程的關(guān)鍵。本項(xiàng)目根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)冷、熱負(fù)荷的需求量,需要擬鑿換熱孔921個(gè),孔深總長度為76 110m,孔徑>150m
森林公園地下埋管換熱器的施工為隱蔽工程,施工質(zhì)量對(duì)后期地源熱泵的運(yùn)行影響很大。按施工步驟劃分,可分為10個(gè)主要部分,其中每個(gè)關(guān)節(jié)都要抓住重點(diǎn),控制到位。
1)鉆孔施工:
按圖紙?jiān)O(shè)計(jì),并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況放線,使鉆機(jī)就位,鉆頭直徑不小于152mm,核查孔位,鉆機(jī)水平度、鉆頭直徑,確認(rèn)無誤后按施鉆要求開鉆。鉆進(jìn)過程中,要求記錄員嚴(yán)格記錄起停鉆的時(shí)間、鉆桿長度,以及鉆進(jìn)過程中的其它問題。達(dá)到要求深度后,報(bào)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人查驗(yàn)鉆孔深度和孔徑,在下管程序沒有準(zhǔn)備好以前不能過早提起鉆具,并且必須保證泥漿循環(huán)。
2)垂直管管材準(zhǔn)備:
HDPE換熱管運(yùn)達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后,已由廠家熔接好雙U型接頭,并已進(jìn)行專業(yè)清洗打壓實(shí)驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)需查驗(yàn)管材合格證、規(guī)格型號(hào),抽檢管徑大小和長度,保證管材管件無損傷。按圖紙要求間隔現(xiàn)場(chǎng)安裝管卡,做現(xiàn)場(chǎng)第一次水壓試驗(yàn),自來水沖洗后注水排盡空氣進(jìn)行打壓,試驗(yàn)壓力1.0MPa,穩(wěn)壓至少15min,穩(wěn)壓后壓力降不應(yīng)大于3%,確保無滲漏現(xiàn)象。
3)下管:
鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后,開始組織下管,保持換熱管里注滿清水,將預(yù)制好的垂直U形管捆縛在鉆桿上均勻平穩(wěn)下入,受阻時(shí)不可強(qiáng)行用力下頂,需查明原因并處理后再操作;下入后,留在地上部分管段不得小于2m。垂直管上刻度可作為下管深度的復(fù)核依據(jù)。
4)二次打壓試驗(yàn):
下管后,為確保垂直管完好無損,需進(jìn)行二次壓力試驗(yàn),試驗(yàn)壓力0.8MPa,帶壓觀測(cè)30min以上,無滲漏無破裂,壓力降不超過3%即為合格。壓力試驗(yàn)完成后,每組雙U型換熱管的管頭上應(yīng)立即封口。冬季施工過程中,由于氣溫低不適宜采用水壓試驗(yàn)的情況下,可以先采用氣壓試驗(yàn),待天氣條件轉(zhuǎn)好后,補(bǔ)做水壓試驗(yàn)。
5)垂直孔回填:
二次打壓成功后,可進(jìn)行鉆孔回填,因孔深且直徑小,對(duì)回填要求高,為要嚴(yán)格控制填料的速度,沿孔壁四周均勻慢速回填,減少因回填過快而造成填料在孔內(nèi)搭橋;嚴(yán)禁一次性將回填料堆積在孔口,以免造成回填堵塞;回填料需攪拌均勻,水量比適中,使填料呈流體狀,均勻下沉,避免填料在孔內(nèi)形成搭橋,即使形成搭橋也可由于水的進(jìn)入而沖開;回填要分階段間歇進(jìn)行,逐漸填滿,確?;靥蠲軐?shí)。
6)第三次壓力試驗(yàn):
回填后,豎直地埋管換熱器與水平環(huán)路集管連接前,應(yīng)進(jìn)行再次壓力試驗(yàn),試驗(yàn)壓力0.7MPa。在試驗(yàn)壓力下,穩(wěn)壓至少30min,保證無泄漏現(xiàn)象。
7)水平管連接:
現(xiàn)場(chǎng)使用的四、六通為保證質(zhì)量,采取室內(nèi)專人熔接,其他管線均在施工場(chǎng)地內(nèi)熔接,溝內(nèi)管道焊接和連接前必須清潔管腔,將焊接處擦凈,找平找直,擺放平穩(wěn)踏實(shí)。確保管材管件不得有任何損傷。聚乙烯管材、管件以及管道附件的連接應(yīng)采用熱熔連接(熱熔承插連接、熱熔鞍形連接)或機(jī)械連接(法蘭連接、鋼塑過渡連接),必須符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》CJJ101的有關(guān)規(guī)定。連接后與機(jī)房分集水器匯合。
8)第四次壓力試驗(yàn):
水平管與垂直管連接成功后,需進(jìn)行壓力試驗(yàn),保證連接質(zhì)量,試驗(yàn)壓力為0.7MPa,穩(wěn)壓至少2h,保證無泄漏現(xiàn)象。
9)水平溝回填:
先用細(xì)沙填實(shí)管底,同時(shí)回填管道兩側(cè),然后用細(xì)土回填至管頂500mm處。若溝內(nèi)有積水時(shí),需全部排盡后,再行回填。管道兩側(cè)及管頂以上500mm以內(nèi)的回填土,不得含有碎石、磚塊、垃圾等雜物,不得用凍土回填?;靥钔练謱雍粚?shí),每層厚度為200~300mm,管道兩側(cè)及管頂500mm以上的回填土需人工夯實(shí);當(dāng)回填土超出管頂500mm時(shí),可使用小型機(jī)械夯實(shí),每層松土厚度應(yīng)為250~400Mm。回填至距離地表800mm時(shí)必須鋪設(shè)專用警示帶。
10)管道系統(tǒng)打壓:
地埋管換熱系統(tǒng)全部安裝完畢,且沖洗、排氣及回填完成后,應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn),試驗(yàn)壓力0.7MPa。在試驗(yàn)壓力下,穩(wěn)壓至少12h,穩(wěn)定后壓力降不大于3%。
地源熱泵從開始研究到應(yīng)用的過程中,雖然是環(huán)保、節(jié)能、先進(jìn)的空調(diào)方式,但在奧林匹克森林公園施工過程中仍然發(fā)現(xiàn)存在一些需要注意的問題:
1)地質(zhì)勘察資料的準(zhǔn)確性
巖土層的特性對(duì)地埋管換熱器施工進(jìn)度和初始投資均有很大影響,堅(jiān)硬的巖土體將增加施工難度和初投資,而松軟巖土體的地質(zhì)變形對(duì)地埋管換熱器也會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此,前期勘察報(bào)告的準(zhǔn)確性非常重要。
2)水文地質(zhì)情況的詳細(xì)了解
利用地下?lián)Q熱系統(tǒng)時(shí),要了解地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料。要在當(dāng)?shù)赝瓿蓪?duì)工程所在地的井深、水溫、水量、水質(zhì)等原始資料的采集,并保證這些資料的有效性和正確性,對(duì)這些資料進(jìn)行分析研究。這是一項(xiàng)很重要的工作。
3)合理地配置整個(gè)系統(tǒng)
地源熱泵雖然是綠色的空調(diào)方式,但是沒有一套合理的系統(tǒng),它的節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)就無法發(fā)揮出來。
4)地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)
地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要集中在系統(tǒng)地下部分的設(shè)計(jì),包括冷熱負(fù)荷的確定,地下?lián)Q熱器的選型、布置,室內(nèi)空氣氣流的組織形式,熱泵的容量等,設(shè)計(jì)要注意對(duì)建筑負(fù)荷、回填材料、土壤地層特性等進(jìn)行精確的勘測(cè)和分析。對(duì)于地下水熱泵系統(tǒng)、土壤源熱泵系統(tǒng)、地表水熱泵系統(tǒng),都有不同的設(shè)計(jì)步驟和施工方法。
5)國產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量問題
國內(nèi)生產(chǎn)的地源熱泵產(chǎn)品的廠家很多,大部分的產(chǎn)品質(zhì)量和性能堪憂。由于過去沒有水源熱泵的國家標(biāo)準(zhǔn),所以各廠家的規(guī)格、參數(shù)不一。2002年12月6日全國制冷設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)會(huì)議已審訂了《水源熱泵》國家標(biāo)準(zhǔn),以后可以逐漸達(dá)到統(tǒng)一。不過,中國暖通空調(diào)界需要更多其他的相關(guān)的地源熱泵的國家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。
6)施工條件的保證
奧林匹克森林公園由于工期緊、任務(wù)急,必須進(jìn)行冬季施工,為確保工程質(zhì)量,必須采取一系列的保溫措施,如:以防凍液代替潔凈水、水平溝封閉作業(yè)、溝內(nèi)采用各種加熱措施等??傮w上認(rèn)為,地源熱泵施工應(yīng)控制在5℃以上進(jìn)行。從經(jīng)濟(jì)角度考慮,冬季氣溫較低,不適宜地源熱泵工程施工。
2008 年奧運(yùn)會(huì)對(duì)于中國來說是一種機(jī)遇也是一種挑戰(zhàn),在“綠色奧運(yùn)、人文奧運(yùn)”的感召下,地源熱泵作為一種環(huán)保節(jié)能的空調(diào)方式,應(yīng)該得到很好的應(yīng)用,奧林匹克森林公園建筑物地源熱泵是一項(xiàng)標(biāo)志性工程,在施工運(yùn)行的同時(shí)應(yīng)進(jìn)行更為深入的研究,探索其關(guān)鍵性技術(shù)。國內(nèi)地源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等各個(gè)方面還沒有成型的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,推廣應(yīng)用還有待時(shí)日。但作為一門新技術(shù),它為我們的國家的可持續(xù)發(fā)展帶來了契機(jī),在不遠(yuǎn)的將來,隨著國富民強(qiáng),經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高和生活水平的進(jìn)步,研究和技術(shù)人員的努力,在中國一定有廣闊的市場(chǎng)前景。
[1]建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) GB50300-2001.
[2]地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范 GB50366-2005.
[3]通風(fēng)與空調(diào)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范 GB50243-2002.
[4]建筑給排水及采暖工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范 GB50242-2002.
[5]給水、排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范 GB50268-97.
TU831
A
1674-6708(2010)24-0152-03
齊水艷,暖通工程師、館員,專業(yè):土地管理與地籍測(cè)量,研究方向:節(jié)能環(huán)保工程的施工