桩间埋管地源热泵方案

原作者左总，张总。

1. 工程概况


　　该工程位于天津空港加工区内，是一个工业项目，空调总面积13921㎡，其中工艺厂房空调面积9633㎡，综合办公楼空调面积4288㎡，该工程采用节能与环保效果俱佳的竖直地埋管换热器地源热泵提供空调用冷热水，2006年7月施工，当年11月中旬投入正常使用，经过一冬一夏的运行，使用效果达到设计指标，节能与经济性得到充分的验证，获得用户好评。2007年经天津市制冷学会评定为“AAA”工程，经中国制冷学会审查确定为2007年第22届北京世界制冷大会观摩项目，得到国内外专家的充分肯定。

　　该项目的最大特点是：由于建筑以外的场地面积不能满足设计需要的竖直地埋管换热器使用面积，大部分采用了在建筑的基础桩间埋设竖直地埋管换热器的设计方案与施工方法，这将作为本文论述的重点。

　　1. 设计参数

　　2.1室外空气计算参数：夏季空调室外计算干球温度33.4℃，湿球温度26.9℃;冬季空调室外计算干球温度-11℃，相对湿度53%
　　2.2空调室内设计参数：综合办公楼：夏季26±2℃，冬季20±2℃;

　　厂房：夏季≤30℃，冬季≥18℃，厂房内工艺生产特点的要求，并且厂房内工艺设备有相当的散热量。

　　2.3计算负荷：供冷总负荷1650KW;供热总负荷1400KW。
　　3.地源热泵机房系统及主要设备
　　地源热泵机房工艺及主要设备、型号及性能见图1：
　　我国北方地区冬季地埋管地源热泵冬季取暖工况时，由于地下浅层土壤温度不高，地埋管换热器的进出水温度也不高，本工程设计地埋管换热器最低进出水温度为3.5℃-6.5℃,循环水不加防冻液，为了防止蒸发器内循环水发生冻结，要求蒸发器内蒸发温度≥0℃，为此选用了满液式蒸发器的地源热泵机组，因为满液式蒸发器内工质的蒸发温度与蒸发器出水温差≤3℃。而一般的干式蒸发器的温差是按5℃设计的，难于保证循环水不被冻结。其它与常规设计基本相同。
　4. 末端空调系统及主要设备
　　二管制水系统，夏季供回水温度为7℃/12℃,冬季供回水温度为45℃/40℃，其它与常规设计基本相同。办公楼内空调设备采用风机盘管，工艺厂房采用组合式空调器和吊装空调机组。

　　5. 竖直地埋管换热器的设计与施工
　　5.1:竖直地埋管换热器型式及进出水温度：该工程地埋管换热器采用双U型管，埋深100m，设计夏季进出水温度35℃/30℃，冬季进出水温度3.5℃/6.5℃。
　　5.2:实测地埋管换热器的单孔取热量和散热量：各地的地质情况不同，非常复杂，采用模拟实际运行工况实测地埋管换热器的取热量和散热量是最切实可行，而且数值准确的方法。先行施工了4孔测试用埋管换热器(测试后还可作为正常运行换热器使用)，经过十天的连续运行，使温度基本稳定在设计值，测试结果取热量平均值4.8kw/每孔，散热量平均值7.9kw/每孔。
　　5.3：计算所需地埋管换热器数量：根据总冷负荷及热泵机组的EER值计算为251孔;根据总热负荷及热泵的COP值计算为229孔。两数值中取大者并考虑5%的附加系数，该工程实际确定施工地埋管换热器264孔。
　　5.4：地埋管换热器系统管道的水力计算：水力计算目的是合理选择管道的管径，并计算出各个环路阻力，通过调整管径使各个环路阻力平衡，并为选择循环水泵提供依据。确定管道管径时应按经济流速选用，水力计算方法与常规的地埋管换热器水力计算方法相同，本文不再赘述，经计算本工程管内流速均≥0.6m/s,而≤1.2m/s，管道中比摩阻均≤400pa/m。
　　5.5：管道的强度计算及管材选择：本工程竖直地埋管换热器及水平连管全部使用聚乙烯管道(PE管)。目前国内PE管按原料强度级别不同分为两个级别，即PE80级和PE100级(高强度)。而同一公称外径的管道又根据原料级别和壁厚不同适用于几个压力级别。强度计算即根据管道内水压力值选择适当压力级别的管道，具体方法与常规相同。经强度计算本工程选用表1中相关规格管道即能满足设计内水压力的安全使用条件。
　　表1

序号


管道用途


公称外径

dn(mm)


公称壁厚

t(mm)


公称压力

PN（Mpa）


材料级别




1


竖直U型换热器


32


3．0


1．6 Mpa


PE100




2


每组水平联管


90


5．4


1．0 Mpa


PE100




3


联接各组的水平干管


250


14．8


1．0 Mpa


PE100




　　5.6:埋管换热器的孔位布置：地埋管换热器平面连管布置图见图2，由于场院面积不能满足埋设地埋管换热器的需求，经与建筑专业技术人员充分论证后确定，在厂房建筑地面下承载桩之间埋设地埋管换热器144孔。厂内由北向南共分三跨，每跨内埋设竖直地埋管换热器四行，每行12个孔，沿东西方向布置，行距5.6m，每行内的孔距5.9m，三跨内共12行。厂房东山墙外设地下分水器三个，每跨一个分水器连接四行地埋管换热器;厂房西山墙外设有地下集水器三个，每跨一个集水器连接四行地埋管换热器，这样即将每行的12孔地埋管换热器连成同程式。地下集水器的顶部安装有自动排气阀，地下分水器和地下集水器设置在地下井中，地平面上有井盖，便于检查维护。厂区重型道路下共设地埋管换热器120孔，分8组，每组15孔，其行距不小于5.8m,孔距5m。热泵机房内设有地埋管系统分水器，集水器，分、集水器上设有DN90接管8个，分别连接厂区道路下8组回路，还设有一个DN250接管与厂房系统连接，每个接管上装阀门，通过调整阀门使各个支路达到水力平衡。



5.7:建筑桩间竖直地埋管换热器设计中要考虑的几个特殊问题：桩间地埋管换热器的安装位置与常规地埋管换热器(在绿地或场地下)的安装位置不同，互相影响的因素也不相同，主要区别第一：桩间地埋管换热器的设计与施工要考虑到基础桩与竖直埋管之间不能影响另一方的安全使用性能;第二：桩间或重型道路下地埋管换热器的水平连管要受到更大的外部压力载荷，应考虑到是否对其安全使用造成影响，并按安全使用条件设计选择管材和确定施工方法。



　　5.7.1竖直地埋管换热器与基础桩合理间距：建筑的基础桩主要有钻孔灌注桩和混凝土预制桩，桩垂直中心线周围一定距离内的土壤层的搅动会对桩的承载能力造成不良影响，《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)对桩之间最小中心距做了规定，对于预制桩最小中心距不小于3.5倍桩直径，对于灌注桩最小中心距不应小于4倍灌注桩直径。



　　对于竖直地埋管换热器与基础桩之间最小中心距应按下式计算确定：



　　S≥4d+K1L+K2L



　　式中：S-地平面上桩与竖直地埋管换热器的最小中心距(m);



　　d-桩的直径(m);



　　L-桩的长度(m);



　　K1-桩身的最大允许垂直度偏差，《建筑桩基技术规范》中规定应≤1%。计算时取1%。



　　K2-地埋管换热器的最大允许垂直度偏差，一般应≤2%，计算可取2%。



　　本工程d=0.4m,L=28m,计算得出S≥2.44m。



　　5.7.2埋地聚乙烯管道的管壁截面环向稳定性校核计算。管道强度计算确定的聚乙烯管道公称壁厚和公称压力仅是满足在设计内水压力作用下的安全使用条件。埋地聚乙烯管道还应根据各项作用的不利组合，进行管壁截面环向稳定性校核计算和最大竖向变形校核计算。



　　管壁截面环向稳定性计算，应符合下式要求：







　　式中：FCV,K-聚乙烯管道管壁截面的临界压力标准值(N/mm2);



　　Kst-聚乙烯管道管壁截面的稳定性抗力系数，应≥2.0;



　　qvk-管顶处各项不利组合作用下的单位面积上竖向压力标准值，包括竖向土压力，地面堆积荷载或地面车辆荷载(N/mm2);



　　Fvk-管内真空压力，可取Fvk=0.05Mpa计算;



　　n-管壁失稳时的折皱波数，其取值使Fcv,x为最小值，并为不小于2的整数;



　　Ep-聚乙烯管材的长期弹性模量(N/mm2)，可取900Mpa;



　　Vp-聚乙烯管材的泊松比，可取Vp=0.4;



　　Vs-管道两侧胸腔回填土的泊松比;



　　Ed-管侧土的综合变形模量(N/mm2);



　　t-管壁的计算厚度(mm);



　　D0-管壁的计算直径(mm)，数值为(dn-t);











6结论



　　6.1 桩间竖直地埋管换热器的设计应考虑相互间安全使用间距，其相互间的最小中心距推荐按5.7.1中公式计算确定。



　　6.2 在建筑物的底板下和重型道路下埋设地埋管换热器,时其水平联管受到的外部压力比在在进行管道的选型结构设计时，除了按常规进行水力学计算和强度计算初步确定管道规格和材料等级外，还应进行埋地管道的环向稳定性校核计算和最大竖向变形校核计算，最终确定管道的规格和材料等级。



　　6.3 通过本工程案例证明，在建筑物桩间或重型道路下埋设竖直地埋管换热器是完全可行的，为埋管式地源热泵中央空调的推广应用拓宽了更大的范围。



　　参考文献：1.《地源热泵工程技术规范》(GB50366—2005);



　　2.《建筑桩基技术规范》(JGJ94—94);



　　3.《埋地聚乙烯给水管道工程技术规范》(CJJ101—2004);