地埋管地源熱泵技術在建筑空調工程中的研究及應用

摘 要：介紹了地埋管地源熱泵技術在建筑空調工程中的應用實例，給出了方案設計的方法，工程實施的程序和注意事項，取得了節能環保的實用效果。

關鍵詞：地埋管；地源熱泵；建筑空調

1 工程概況

工程范圍包括：（1）地源熱泵系統的室外循環即高強度塑料管組成的在地下循環的封閉環路，配備低功率的地源側循環水泵構成的環路的實施；（2）原制冷機房改為熱泵機房的設備安裝工程的實施；（3）辦公樓原集中空調室內循環系統即空調末端（風機盤管）不變；原水路系統拆除辦公樓地下室熱交換間的熱交換設備，其余不變；拆除原制冷站冷卻水系統。集中空調系統冷、熱源由原來的制冷和制熱兩套系統改為熱泵（一機兩用）一套系統。

工程設計條件：（1）建筑冷、熱負荷情況，辦公樓主樓建筑面積24800m2，空調設計冷負荷為1905KW、空調設計熱負荷為2300KW；配樓建筑面積5008m2，空調設計冷負荷為360KW、空調設計熱負荷為390KW。共計空調設計冷負荷為2154KW，空調設計熱負荷為2583KW。（2）辦公樓原集中空調熱源：額定抽汽壓力為0.981MPa、額定抽汽溫度為302℃的過熱蒸汽，經熱交換站內汽～水交換器一次交換為95℃～70℃的熱水，再經地下室熱交換間內的水～水交換器二次交換為50℃～42℃的熱水供大樓冬季空調用；（3）辦公樓原集中空調冷源：由辦公大樓以東的制冷站供給，使用的制冷機為雙效溴化鋰吸收式制冷機（其熱源為上述過熱蒸汽經減溫減壓后的0.6MPa的蒸汽），制冷站提供7℃～12℃供回冷凍水供給大樓夏季空調用。

2 方案設計

（1）地源側地熱換熱器的選擇：通過調研資料和其他工程的經驗數據，根據本工程項目特點以及工程周圍環境，以面積為3.6萬m2的廣場設置布井鉆孔，確定了鉆孔100米深，成井432個。根據地質勘查報告和巖土熱物性測試報告，巖土熱響應性測試結果：夏季每延長米鉆孔換熱量為55W，可提供冷量2612.5KW；冬季每延長米鉆孔換熱量為38W，可提供熱量1786KW。最終確定的地埋管的實施方案：在廣場中央空地設計950個深度為50m的豎直鉆孔，孔徑150mm，間距4m，總換熱長度為47500m；地埋管孔內敷設雙U型PE管，規格PE100，型號為De32，公稱壓力為1.6MP。每4-6個井口組成一個水平環路，就近通過鋼塑轉換接頭與分水器相連接。分、集水器分設于9個檢查井內，分、集水器由水平DN300主干管連接，主干管同程設計，各并聯環路壓力損失接近相等，易于實現水力平衡。

（2）機房設備選擇：根據項目建筑設計冷、熱負荷以及地源側換熱器的換熱量，熱泵機房確定了三臺GSG780ASB型半封閉螺桿熱泵機組（螺桿式壓縮機組是利用氣缸中的一對螺旋齒轉子相互嚙合旋轉，造成由齒型空間組成的基元容積的變化實現對制冷劑氣體的吸入和壓縮。它利用滑閥調節氣缸的工作容積來調節負荷，轉速高、允許壓縮比高、排氣壓力脈沖性小、容積率高，適用于大、中型熱泵機組等優點；半封閉式具有結構緊湊，振動和噪聲明顯低于開啟式壓縮機，對機房使用環境要求低，沒有軸封，不存在制冷劑與潤滑油的泄漏等優點。因此選擇該型機組），機組額定工況制冷量2311.6KW，冷凍水供回水溫度為7℃～12℃；機組額定工況制熱量2637.6KW，空調用熱水供回水溫度為45℃～40℃。根據室外環路壓力損失地源側選用4臺IS125-80-200A水泵完成室外循環。

（3）機房內管材選擇：空調冷、熱水管DN<70采用熱鍍鋅鋼管；DN≥70采用無縫鋼管；自來水管、軟化水管采用熱鍍鋅鋼管。

機房內冷、熱水管采用難燃橡塑海綿保溫，保溫層厚參見L03S001-141。熱泵機組冷凝器側的地埋管供、回水DN300主管采用直埋高密度聚乙烯預制管（即預制塑套鋼管），保溫材料為聚氨酯（該種管熱損失1000m不足1℃，提高熱源利用率）。

（4）機房內其他裝置的設置：水系統的最高點設DN20放氣閥，最低點設DN40泄水閥。為保護設備，保證水質，水泵和地源熱泵機組入口處均采用濾網為φ3mm的水過濾器。機房平面布置、系統流程及系統圖參見附圖。

3 項目實施

根據工程場地和地質情況，室外鉆孔采用了XY-2型水鉆和履帶式潛孔錘鉆機。

（1）地源側鉆孔實施：內容包括室外鉆井、管道試壓、埋管、材料回填等工序。

（2）室外網實施：內容包括溝槽開挖、水平敷設環路集管、覆土等工序。

（3）機房改造：內容包括原設備拆除、各類管道、閥門更新、機房新設備安裝、水壓試驗、系統沖洗調試、配電系統敷設等。

（4）水壓實驗：本項目水壓試驗壓力為0.6MPa；試壓步驟①豎直地埋管換熱器插入鉆孔前，應做第一次水壓試驗。在試驗壓力下，穩壓15min，穩壓后壓力降不應大于3%，且無滲漏現象；將其密封后，在有壓的狀態下插入鉆孔，完成灌漿之后保壓1h。②豎直地埋管換熱器與環路集管裝配完成后，回填前應進行第二次水壓試驗。在試驗壓力下，穩壓至少30min，穩壓后壓力降不應大于3%，且無滲漏現象。③環路集管與機房分、集水器連接完成后，回填前應進行第三次水壓試驗。在試驗壓力下，穩壓至少2h，且無滲漏現象。④地埋管換熱系統全部安裝完畢，且沖洗、排氣及回填完成后，應進行第四次水壓試驗。在試驗壓力下，穩壓至少12h，穩壓后壓力降不應大于3%；試驗方法，采用手動泵緩慢升壓，升壓過程應隨時觀察與檢查，不得有滲漏。不得以氣壓試驗代替水壓試驗。

（5）調試階段：根據調試任務劃分六個階段，準備階段、系統試壓階段、系統沖洗階段、系統調整階段、送電試運轉階段、聯合調試階段。

經過施工單位的精心施工，建設單位的監督指導，設計單位的技術支持、監理方的協調，該工程一次通過了聯合試運轉，并正式投入冬季空調供暖。

4 結語

地源熱泵是一種新型清潔能源利用方式，借助地下土壤的有利條件，充分利用從土壤中有效能量作為建筑能源，可減少燃煤、燃油、燃氣對大氣環境的污染，節能環保，提高環境質量。

作者簡介：李開剛（1976-），男，工程師，畢業于山東礦業學院供熱通風與空氣調節（暖通）專業。