地源熱泵設(shè)計的步驟是什么？需要考慮哪些因素？暖通人必備的知識
時間:2022-01-19
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作者：中信建筑設(shè)計研究總院有限公司 胡先芳 雷建平 周敏銳 陳焰華
?。?）用地概況
本項目位于武漢市漢陽區(qū)四新片區(qū)，總占地面積 33800m2，包含一棟寫字樓和一棟配套體育館， 其中寫字樓用地面積 12500m2，體育館用地面積5500m2，車道用地面積 5800m2，室外雨水回收區(qū)用地面積 5000m2，剩余室外綠化面積約 5000m2，各功能區(qū)分布詳圖 1 所示。
寫字樓總建筑面積 95120m2，其中地上 21 層， 建筑面積 70000m2，地下 2 層建筑面積 25120m2，建筑高度 88. 2 米，1~3 為裙房，4~21 層為塔樓。地下室主要為車庫和設(shè)備用房，一層為餐廳和展示廳， 二層為中庭、展廳和多功能大會議廳，三層為會議室， 四層為圖書館和監(jiān)控室，五層為檔案室，6~21 層為辦公室（包含少數(shù)會議室）。
體育館建筑面積 8330m2，共三層，其中地下二層，主要為游泳館、羽毛球室和健身房，地上一層為接待室。
?。?）冷熱負荷
采用集中空調(diào)的區(qū)域為寫字樓，冷熱負荷計算結(jié)果如表 1 所示，修正后的空調(diào)冷負荷計算值為6375kW，空調(diào)熱負荷計算值為 3599kW。
（2）冷熱源
經(jīng)過前期勘察調(diào)研和方案比較，結(jié)合寫字樓的定位，本項目采用集中空調(diào)系統(tǒng)，冷熱源采用地源熱泵 + 常規(guī)冷水機組，按照冬季熱負荷配置地源熱泵系統(tǒng)，夏季不足的冷負荷由常規(guī)離心機組 + 冷卻塔進行補充。
①集中空調(diào)系統(tǒng)冷熱源采用 1 臺單機制冷量為 3135kW 的離心式冷水機組、3 臺單機制冷量1116kW/ 制熱量 1316kW 的螺桿式地源熱泵機組， 共同負擔寫字樓空調(diào)末端的冷熱負荷。冷熱源機房設(shè)置在寫字樓地下二層東北角處。
?、陔x心式冷水機組配置 3 臺單臺處理水量300m3/h 的方型橫流超低噪聲冷卻塔，冷卻塔設(shè)置在寫字樓北面的綠化帶中。
③空調(diào)水系統(tǒng)為一次泵變流量系統(tǒng)，夏季空調(diào)供回水溫度為 7/12℃，冬季空調(diào)供回水溫度為45/40℃。
④地埋管水系統(tǒng)按一次泵變流量系統(tǒng)設(shè)計， 其地埋管水系統(tǒng)設(shè)一組泵，對應(yīng)地源熱泵機組，冷卻水系統(tǒng)配置一組泵，對應(yīng)離心機組 + 冷卻塔系統(tǒng)。
?。?）土壤換熱器
土壤換熱器設(shè)計是按冬季從土壤中的吸熱量進行 ，為保證土壤熱平衡，地埋管換熱器在夏季不足部分由冷卻塔來補充散熱，根據(jù)設(shè)計中埋設(shè)的土壤換熱器溫度傳感器監(jiān)測的溫度變化情況確定冷卻塔的運行策略。
換熱器設(shè)計冬季最大吸熱量為 3380kW，由于場地限制 ( 如圖 1 所示 )，本工程土壤換熱器采用工程樁內(nèi)埋管及垂直鉆孔埋管相結(jié)合的方式，采用水為循環(huán)介質(zhì)。
工程樁為泥漿護壁鉆孔灌注 樁，樁徑為800mm，寫字樓有效樁長約為 40 米（可埋管長度38.5 米），西側(cè)的體育館有效樁長約為 30 米（可埋管長度 28.5 米），在可利用的樁內(nèi)設(shè)“雙 U 型”埋管，每兩根樁內(nèi)的“雙U”串聯(lián)為一個獨立的環(huán)路， 共 549 根樁（281 個環(huán)路），工程樁內(nèi)埋管冬季單位樁長設(shè)計吸熱量 65W/m，最大吸熱量 1241kW（夏季設(shè)計最大排熱量 1718kW，90W/m），施工單位進場完成工程樁內(nèi)埋管施工后，應(yīng)取不少于兩個環(huán)路作樁埋管的換熱量測試，并提交測試數(shù)據(jù)。
垂直埋管群布置在寫字樓、體育館地下室結(jié)構(gòu)板下，其型式為雙 U 型管，設(shè)計有效深度為 90m， 鉆孔間距為 5m×5m，鉆孔直徑為 150mm，依據(jù)”熱物性測試報告”，單位井深冬季吸熱量按 45W/m 設(shè)計（夏季排熱量按 60W/m 設(shè)計 )。管群分布于寫字樓以及體育館結(jié)構(gòu)板下，共分寫字樓地下室北區(qū)、寫字樓地下室南區(qū)、體育館地下室 3 個埋管區(qū)，設(shè)計總鉆孔數(shù)初定為 530 孔，其中寫字樓地下室北區(qū)120 孔、寫字樓地下室南區(qū) 150 孔、體育館地下室260 孔，項目各分區(qū)鉆孔及換熱量如下表 2 所示。
?。?）地源側(cè)水系統(tǒng)形式
各類埋管按單孔、樁的形式與各類二級分集水器相連，樁埋管二級分集水器側(cè)按異程式系統(tǒng)設(shè)計，二級分集水器位置按區(qū)域就近布置。
圖2 是寫字樓地下室埋管區(qū)施工分區(qū)示意圖，A、 B 施工分區(qū)為寫字樓地下室埋管北區(qū)，C、D 施工分區(qū)為寫字樓地下室埋管南區(qū)，為了保證各區(qū)地埋管換熱器之間水力平衡，地埋管二級分集水器側(cè)采用同程式系統(tǒng)設(shè)計，二級分集水器位置分別位于寫字樓和體育館兩側(cè)，其中左側(cè)為分水器，冷卻水從分水器流經(jīng)地埋管換熱器后，匯集至右側(cè)的集水器， 然后流入地源熱泵機組。
?。?）地質(zhì)狀況引起的偏差
①鉆孔深度與鉆孔數(shù)
項目在實施的過程中，由于部分區(qū)域地下出現(xiàn)溶洞，平均鉆孔深度只有 68.5 米（有效埋管深度 67米），達不到設(shè)計深度 90 米，為了保證地埋管換熱量，需增加鉆孔數(shù)量，經(jīng)現(xiàn)場考察，寫字樓南側(cè)現(xiàn)為施工材料堆放區(qū)，規(guī)劃設(shè)計為廣場（綠化帶）， 面積約為 5000m2，在此區(qū)域新增鉆孔 198 個，平均鉆孔間距約 5 米。
②檢查井結(jié)構(gòu)
圖 3 是地源熱泵二級分集水器檢查井現(xiàn)場實施環(huán)境，可以看出檢查井所處地層以黏土為主，因為施工時間趕上梅雨季節(jié)，土質(zhì)較松軟，而且現(xiàn)場操作空間狹小，使得后期采用大型機械夯實墊層土壤變得十分困難，為了防止檢查井后期發(fā)生浮升或是沉降，通過與結(jié)構(gòu)專業(yè)進行論證計算，在檢查井底部增加 500mm 厚的鋼渣混凝土配重，同原始設(shè)計相比，檢查井的深度增加了 500mm。
?。?）施工條件引起的偏差
①交叉施工引起的偏差
a.由于地質(zhì)情況較為復(fù)雜，前期施工對地埋管換熱器鉆孔難度估算不足，換熱器施工工期拉長， 為了確保整體工程按時完工，地下室結(jié)構(gòu)底板和位于結(jié)構(gòu)底板下的地埋管換熱器需要同時施工，因此將施工分區(qū)調(diào)整為圖 4 所示，同圖 2 相比，地埋管二級分集水器側(cè)由設(shè)計階段的同程式系統(tǒng)變更為實施階段的異程式系統(tǒng)，為了維持水力平衡，通過調(diào)整換熱器連接二級分集水器之間的水平埋管管徑， 盡量使各環(huán)路之間的水力不平衡率控制在可調(diào)范圍類（小于 15%），圖 5 是 D1 區(qū)和 D2 區(qū)水平埋管管徑分區(qū)，鉆孔內(nèi)垂直埋管管徑為 De25, 連接垂直埋管的水平埋管供、回水管徑在 De32 和 De40 之間調(diào)整，最利環(huán)路和最不利環(huán)路阻力詳表 4 和表 5 所示，
可以看出，各環(huán)路之間的不平衡率基本控制在 ±15%范圍內(nèi)，對于少數(shù)超過 15% 的環(huán)路，將其連接在不同的二級分集水器上，通過調(diào)整設(shè)置于二級分集水器與一級分集水水平連管上的靜態(tài)平衡閥來達到水力平衡 。
b.連接二級分集水器與一級分集水之間的水平干管采用直埋管，管線主要集中在寫字樓北邊的消防車道下，車道寬 7 米，給排水室外管線也主要集中于此，在直埋管敷設(shè)階段，寫字樓地下室同步施工，由于車道邊線離規(guī)劃紅線距離較近，項目大基坑支護占據(jù)了一部分車道寬度，造成直埋管敷設(shè)寬度變窄，管線敷設(shè)形式從設(shè)計階段的單層敷設(shè)、供回并行，調(diào)整為實施階段的雙層敷設(shè)，上層供水， 下層回水的形式，上下層之間錯開一定距離，便于后期下層管線檢修。
?、谑┕龅匾鸬钠?br> 通過第 2.4 節(jié)的描述可知，體育館地下室底板下的地埋管換熱器二級集水器位于體育館西側(cè)，從圖 1 可以看出，體育館地下室西側(cè)邊線離規(guī)劃紅線距離較小，設(shè)計寬度為 3 米，而檢查井與體育館地下室同步施工，現(xiàn)場實測地下室外墻支護距離西側(cè)邊坡支護距離僅為 1.9 米，檢查井寬度為 1.8 米，如果采用現(xiàn)場支?，F(xiàn)澆的方式，現(xiàn)場不具備實施條件， 通過調(diào)研論證，將檢查井由設(shè)計階段的現(xiàn)澆方式調(diào)整為采用預(yù)制水泥管，如圖 6 所示，預(yù)制水泥管檢查井的使用不僅保證了施工進度，而且有效降低了現(xiàn)場施工難度，比較適用于施工場地狹小的埋管區(qū)域。
地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計和實施是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，地質(zhì)狀況的多樣性、交叉施工的復(fù)雜性、施工場地的局限性、施工時段氣候的不可測性等都會對項目的實施造成不可預(yù)料的影響，本文對武漢地區(qū)某寫字樓地源熱泵系統(tǒng)實施與設(shè)計的差異、產(chǎn)生差異的原因進行了分析，對施工階段出現(xiàn)的主要問題進行了分析總結(jié)，對工程實施中三類常見問題給出如下建議：
?。?）地源熱泵系統(tǒng)在設(shè)計階段應(yīng)充分考慮施工工序、交叉施工對系統(tǒng)設(shè)計的影響，對于埋管面積狹小的區(qū)域，土建結(jié)構(gòu)和地埋管換熱器同步施工所產(chǎn)生的矛盾尤為突出，在設(shè)計之初就應(yīng)提出相應(yīng)解決方案，避免后期系統(tǒng)埋管形式變更；
（2） 地埋管二級分集水器側(cè)環(huán)路在無法使用同程式系統(tǒng)時，可以通過調(diào)整換熱器連接二級分集水器之間的水平埋管管徑，使各環(huán)路之間的水力不平衡率控制在可調(diào)范圍類；
