采用樁基埋管地源熱泵工藝的集中供能施工技術(shù)方法與技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析
——以尹山湖項(xiàng)目為例

嚴(yán) 烈

(上海泓喆房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司,上海 201100)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)面臨的能源壓力越來(lái)越大，自“十三五”以來(lái)，我國(guó)能源系統(tǒng)整體運(yùn)行效率還有待提高。能源系統(tǒng)調(diào)峰能力不足，電力系統(tǒng)主要靠火電機(jī)組調(diào)峰，可再生能源并網(wǎng)能力較差，系統(tǒng)效率低，污染排放大等。為妥善解決相關(guān)問(wèn)題，國(guó)家倡導(dǎo)構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，其中就重點(diǎn)提到了要堅(jiān)持系統(tǒng)優(yōu)化，提高能源協(xié)調(diào)發(fā)展水平，加快調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。國(guó)家電網(wǎng)江蘇省電力公司總經(jīng)理尹積軍也提出，構(gòu)建跨區(qū)平衡、電為中心、多能互補(bǔ)、高效利用的格局是可行之路。

為響應(yīng)國(guó)家的能源戰(zhàn)略號(hào)召和城市發(fā)展的節(jié)能主題，本文探索在房地產(chǎn)項(xiàng)目?jī)?nèi)以集中供能代替分散供能，將地源熱泵的可再生能源與傳統(tǒng)的冷水機(jī)組結(jié)合，區(qū)域內(nèi)供給住宅、商業(yè)用電、空調(diào)等較大負(fù)荷，從其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)革新和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等維度，為國(guó)家、城市、項(xiàng)目的大能源體系做一次小的探索。

1 項(xiàng)目概況及技術(shù)

項(xiàng)目位于蘇州尹山湖地區(qū)，距離蘇州市中心城區(qū)約10 km。規(guī)劃A、B地塊總用地面積約6.32萬(wàn)m2，其中A地塊2.46萬(wàn)m2，B地塊3.86萬(wàn)m2。A、B兩地塊總建筑面積約29.89萬(wàn)m2，其中A地塊16.32萬(wàn)m2，B地塊13.57萬(wàn)m2，車庫(kù)及其他配套共計(jì)56 724 m2。A地塊為商業(yè)與住宅，B地塊為純住宅地塊。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于淺層地?zé)崮艿睦闷毡椴捎玫卦礋岜眉夹g(shù)，包括地下水源熱泵、地表水源熱泵和土壤源熱泵。蘇州地處屬于太湖流域的沖積平原，淺層土是以黏土、亞黏土及粉砂為主的軟土，由于地質(zhì)條件較好，鉆井難度不大，土壤源熱泵空調(diào)地埋管施工成本低，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2 施工技術(shù)要點(diǎn)和供能分析比較

2.1 地源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介

項(xiàng)目住宅部分采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，冬季地源熱泵系統(tǒng)先將循環(huán)水通過(guò)埋在地下土壤中的封閉管路，從土壤中帶走熱量，再經(jīng)由主機(jī)將熱量送至室內(nèi)。夏季系統(tǒng)將室內(nèi)熱量收集，通過(guò)循環(huán)水將熱量排至土壤中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)制冷，地源熱泵的系統(tǒng)原理如圖1所示。地源熱泵豎井總數(shù)量1 200口，地埋井采用樁基埋管，垂直埋管群井布置于建筑地下室地板，打井區(qū)域如圖2所示。

圖1 地源熱泵系統(tǒng)原理圖

圖2 打井區(qū)域圖

2.2 地源熱泵具體施工要求

首先需對(duì)冷凍水、冷卻水管道作防腐、防銹處理，防腐、防銹處理方案應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中明確。水管保溫材料采用橡塑，風(fēng)管保溫材料采用離心玻璃棉。機(jī)房?jī)?nèi)的所有管道與分、集水器的保溫層須外包裝飾材料。各連接點(diǎn)嚴(yán)禁強(qiáng)行連接，各法蘭接口同心度和脹口符合要求。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械、中心校核、調(diào)整、基礎(chǔ)平面修正，減振器設(shè)置，做好記錄交驗(yàn)。系統(tǒng)沖洗要分段分部進(jìn)行，過(guò)濾網(wǎng)不能有雜質(zhì)、污垢堵塞。最后設(shè)備安裝完成后要求進(jìn)行單機(jī)試運(yùn)和全系統(tǒng)整套試運(yùn)(需與風(fēng)機(jī)盤管和輻射采暖施工安裝單位進(jìn)行全系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試)，要按規(guī)范、規(guī)程規(guī)定進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試調(diào)整，各種測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)符合規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)要求，并提交所有的記錄和報(bào)告。

2.3 地埋管與灌注樁形式的選擇

2.3.1 地埋管與樁型簡(jiǎn)介

熱交換樁是指將常規(guī)建筑樁基礎(chǔ)中的基樁和地?zé)峤粨Q器結(jié)合的新型基礎(chǔ)樁形式，通常也稱為能量樁。它把地下U型管換熱器埋于建筑物樁基中，使其與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，充分利用了建筑物的面積，通過(guò)樁基與周圍大地形成換熱，減少了鉆孔和埋管費(fèi)用。根據(jù)樁基施工工藝的不同，熱交換樁可分為預(yù)制樁和現(xiàn)澆樁兩種形式，本項(xiàng)目主要以鉆孔灌注樁為主。

鉆孔灌注樁埋管是指將地下埋管與鋼筋籠捆綁在一起下放，其形成的換熱方式是地下埋管內(nèi)的水先與混凝土換熱，然后混凝土再與周圍的土壤換熱來(lái)形成熱量的轉(zhuǎn)換。灌注樁的孔徑較大，可以在鋼筋籠上放置多組U型管并在樁身內(nèi)部并聯(lián)聚攏后再引出樁身，引出管要做好保護(hù)措施以防止土建方在對(duì)樁頭進(jìn)行處理時(shí)破壞到U型管。U型管可以放置在鋼筋籠的內(nèi)側(cè)，也可以放置在鋼筋籠的外側(cè)，用尼龍?jiān)鷰⑵涔潭ㄔ阡摻罨\上，并做好對(duì)U型管的保護(hù)，如圖3所示。

圖3 U形管換熱器示意

2.3.2 樁基埋管的優(yōu)勢(shì)及施工注意事項(xiàng)

樁基埋管主要有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)樁基埋管可以減少建筑物周圍空地的占地面積，避免受后期擴(kuò)建工程施工時(shí)對(duì)地下?lián)Q熱器的不利影響，更穩(wěn)定安全。

(2)換熱管安裝在建筑物樁基內(nèi)，主要由樁基混凝土與土壤熱交換，擴(kuò)大了換熱管與周圍土壤的熱交換面積，增強(qiáng)了交換效率。

(3)因換熱器插管與建筑樁基同時(shí)進(jìn)行，同時(shí)不需要和給排水、電纜交叉影響，施工便利縮短了總工期。

樁基埋管也有如下問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段需要關(guān)注：

(1)樁基埋管屬于交叉施工，需要跟土建方密切配合，做好成品和半成品保護(hù)。

(2)熱交換樁在地?zé)峤粨Q的同時(shí)，需要承擔(dān)建筑物上部的荷載，因此樁基沉降是熱交換樁系統(tǒng)中一個(gè)突出的問(wèn)題。尤其對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，由于樁的沉降比較大，將在換熱器的管路中產(chǎn)生很大的張力，如果張力過(guò)大，將拉斷管路，使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。因此項(xiàng)目在使用和設(shè)計(jì)熱交換樁系統(tǒng)時(shí)需考慮到地基變形對(duì)其的影響。針對(duì)這樣的問(wèn)題，設(shè)計(jì)中需合理的選擇樁徑、樁長(zhǎng)及長(zhǎng)徑比，此外可在垂直埋管和水平埋管的連接處使用一定長(zhǎng)度的軟接口(高度以樁沉降的計(jì)算值為準(zhǔn))，當(dāng)樁沉降時(shí)，可將沉降的影響用軟接口的伸長(zhǎng)來(lái)抵消。

(3)由于地埋管換熱器和巖土體之間的傳熱是非穩(wěn)態(tài)的、無(wú)限大區(qū)域內(nèi)的傳熱，過(guò)程十分復(fù)雜，影響因素繁多，因此應(yīng)重視設(shè)計(jì)初期地?zé)嵩囼?yàn)的數(shù)據(jù)采集工作，保證模型和實(shí)際工況的一致性。

2.3.3 樁基埋管的施工流程

鉆孔灌注樁埋管的施工流程如圖4所示。

圖4 樁基埋管的施工流程示意

2.3.4 樁基埋管的施工工藝

(1)地耦管預(yù)制。嚴(yán)格控制PR管的長(zhǎng)度，保證每根管的長(zhǎng)度都是垂直孔的設(shè)計(jì)深度。將U型管件與PE管相熔接并進(jìn)行壓力試驗(yàn)，以確保U型管的完好，無(wú)滲漏。充水并封帽，以免下管和存放過(guò)程中的沙土等污物進(jìn)入U(xiǎn)型管內(nèi)。

(2)下管。下管是地源熱泵工程中的關(guān)鍵步驟之一，因?yàn)橄鹿艿纳疃葲Q定采取熱量的多少，所以必須保證下管的深度。下管前應(yīng)將U型換熱管與灌漿管捆綁在一起，并采取防止U型管上浮的措施。在預(yù)制管樁口處放置麻袋之類的襯墊物品，以防止下管過(guò)程中換熱管磨損而導(dǎo)致其耐壓等性能下降。如圖5所示，在做承臺(tái)時(shí)，管樁內(nèi)埋管要接出去承臺(tái)，所以管子的長(zhǎng)度應(yīng)大于樁深度再加承臺(tái)高度的長(zhǎng)度。

圖5 U型管下管過(guò)程的施工現(xiàn)場(chǎng)圖

(3)灌漿回填。回填工序也稱為灌漿封井，回填的目的是強(qiáng)化U型換熱管與預(yù)制管樁壁之間的傳熱，用注漿泵或泥漿泵將回填物高壓從樁底向上封入，回填物中不得含有大粒徑的顆粒，回填時(shí)必須根據(jù)灌漿速度的快慢將灌漿管逐步抽出使混合漿自下而上回灌封井，確保回灌密實(shí)，無(wú)空腔，減少傳熱熱阻。當(dāng)上返泥漿密度與灌注材料的密度相同時(shí)，回填過(guò)程結(jié)束，如圖6所示。

圖6 灌漿回填施工現(xiàn)場(chǎng)照片

2.4 集中供能技術(shù)方案

一個(gè)區(qū)域供應(yīng)的能源主要在于空調(diào)冷熱源的選取是否合理，目前較為常見(jiàn)的空調(diào)冷源有：設(shè)置利用空氣帶走空調(diào)機(jī)組冷卻水的熱量的冷卻塔；將熱量釋放到淺層土壤內(nèi)的地源熱泵系統(tǒng)；利用江、河、湖泊以及海洋帶走熱量的海水源熱泵系統(tǒng)和直接將熱量散發(fā)到周圍空氣中的空氣源熱泵系統(tǒng)等。項(xiàng)目的地質(zhì)條件選用地源熱泵的可再生能源更加可行，對(duì)于地埋管地源熱泵系統(tǒng)，一般由地埋管換熱器、熱泵機(jī)組和室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)組成。夏季，地埋管內(nèi)的傳熱介質(zhì)通過(guò)水泵送入冷凝器，將熱泵機(jī)組排放的熱量帶走并釋放給地層；蒸發(fā)器中產(chǎn)生的冷水，通過(guò)循環(huán)水泵送至空調(diào)末端設(shè)備對(duì)房間供冷。冬季，熱泵機(jī)組通過(guò)地下埋管吸收地層的熱量，冷凝器產(chǎn)生的熱水，通過(guò)循環(huán)水泵送至空調(diào)末端設(shè)備對(duì)房間供暖。

(1) 項(xiàng)目如A、B地塊統(tǒng)籌集中供能，即A、B地塊視為一個(gè)供能區(qū)域配置冷熱源，滿足兩個(gè)地塊的冷、熱負(fù)荷需求。冷熱負(fù)荷優(yōu)先由B地塊中的冷熱源設(shè)備提供，不足部分由A地塊中的冷熱源設(shè)備補(bǔ)足。該方案有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，一是利用了多地塊間各種業(yè)態(tài)的錯(cuò)峰效益，可適當(dāng)降低設(shè)備配置容量；二是分享B地塊較低的供能成本的可能性。

(2) 針對(duì)每個(gè)地塊單獨(dú)設(shè)置常規(guī)的冷熱源分散式供能系統(tǒng)，即各地塊冷、熱源相互獨(dú)立，自建機(jī)房滿足本地塊內(nèi)建筑的空調(diào)冷熱負(fù)荷需求。根據(jù)負(fù)荷分析結(jié)果，采用常規(guī)冷水機(jī)組+承壓燃?xì)忮仩t作為冷熱源，為各地塊內(nèi)的商業(yè)和住宅提供空調(diào)冷/熱水及生活熱水。夏季，由冷水機(jī)組供冷；冬季，由鍋爐經(jīng)板換換熱后供熱。

根據(jù)綜合比較，B地塊設(shè)置全部熱回收式地源熱泵+水冷冷水機(jī)組+鍋爐，A地塊內(nèi)設(shè)置水冷冷水機(jī)組，由A、B地塊聯(lián)合提供空調(diào)冷凍水(7～12℃)、空調(diào)熱水(50～45℃)及生活熱水的集中供能形式。

2.5 地塊負(fù)荷計(jì)算

項(xiàng)目區(qū)域建筑業(yè)態(tài)為商業(yè)及公寓(住宅)。空調(diào)負(fù)荷預(yù)測(cè)利用HDY-SMAD空調(diào)負(fù)荷計(jì)算及分析軟件模擬計(jì)算出各典型功能的單體建筑負(fù)荷指標(biāo)，進(jìn)而估算項(xiàng)目各建筑的冷熱負(fù)荷及整個(gè)區(qū)域的總冷熱負(fù)荷。根據(jù)以上單位面積負(fù)荷指標(biāo)，預(yù)測(cè)供能范圍內(nèi)各地塊負(fù)荷,見(jiàn)表1。

表1 尹山湖項(xiàng)目不同業(yè)態(tài)負(fù)荷指標(biāo)及峰值負(fù)荷

2.6 集中與分散供能分析比較小結(jié)

2.6.1 技術(shù)層面分析

(1)集中供能需區(qū)域統(tǒng)籌規(guī)劃，但冷熱源系統(tǒng)和供能管網(wǎng)復(fù)雜，機(jī)房集中管理，對(duì)管理技術(shù)人員要求高。分散供能機(jī)房設(shè)置靈活，不需區(qū)域供能統(tǒng)籌規(guī)劃，管理簡(jiǎn)單。

(2)與分散供能系統(tǒng)相比，集中供能總的裝機(jī)容量低，配電量也相應(yīng)較低，系統(tǒng)采用諸如地源熱泵等技術(shù)，進(jìn)一步提高機(jī)組的運(yùn)行效率，節(jié)能效果顯著。

2.6.2 經(jīng)濟(jì)層面分析

(1)由于集中供能地下層機(jī)房，節(jié)省的面積可增加地下停車位或商業(yè)鋪位，使建筑達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益。

(2)從經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，集中供能方案的運(yùn)行費(fèi)較低，當(dāng)集中供能能的源價(jià)格按照工商業(yè)價(jià)格計(jì)算時(shí)，相對(duì)于分散供能(居民價(jià)格)，項(xiàng)目預(yù)計(jì)增加投資的靜態(tài)回收期為16.5年。

3 集中供能的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.1 投資風(fēng)險(xiǎn)

由于區(qū)域供熱服務(wù)系統(tǒng)投資額大，投資回收期較長(zhǎng)。此外，由于該類項(xiàng)目的投資回報(bào)主要靠收取用戶的供冷費(fèi)或供熱費(fèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而整個(gè)地塊的工程開(kāi)發(fā)進(jìn)度的快慢、用戶入住率多少、收取費(fèi)用的高低以及收費(fèi)情況的好壞都將決定投資回報(bào)的結(jié)果。這些不確定因素將會(huì)使項(xiàng)目投資存在一定的投資風(fēng)險(xiǎn)。其中用戶入住率對(duì)收益率影響較大，需達(dá)到70%的入住率以上才能獲得盈利。

3.2 運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)

集中供能服務(wù)是一個(gè)新型行業(yè)，運(yùn)營(yíng)回報(bào)情況與用戶需求密切相關(guān)。而受中國(guó)的傳統(tǒng)消費(fèi)觀念的影響，用戶是否能夠接納公共服務(wù)很難預(yù)料。這就需要得到政府相關(guān)政策的扶持，例如，規(guī)定小區(qū)內(nèi)用戶必須使用區(qū)域能源服務(wù)系統(tǒng)，而不能自行建設(shè)冷熱源系統(tǒng)。

運(yùn)營(yíng)中與各個(gè)用戶之間的結(jié)算存在一定風(fēng)險(xiǎn)。以目前國(guó)內(nèi)能源收費(fèi)情況來(lái)看，拖欠費(fèi)用的情況屢見(jiàn)不鮮，在今后的運(yùn)營(yíng)管理中如何規(guī)避此類風(fēng)險(xiǎn)需要進(jìn)一步考慮。

3.3 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于如此規(guī)模的區(qū)域供能系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)國(guó)際上已有不少成功的工程案例，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較小，但尚需對(duì)一些技術(shù)的精確應(yīng)用進(jìn)行分析研究，如機(jī)房群控應(yīng)用、減少輸送管線能耗等。

4 結(jié)束語(yǔ)

集中供能系統(tǒng)中的地源熱泵系統(tǒng)，地埋管采用樁基埋管，其充分利用了建筑物的面積，通過(guò)樁基與周圍大地形成換熱，減少了鉆孔和埋管費(fèi)用，同時(shí)節(jié)約了總工期,對(duì)項(xiàng)目的推進(jìn)極為有利，因此項(xiàng)目綜合決策采用樁基埋管的地埋管布置工藝。

集中供冷供熱通過(guò)設(shè)備的集中化和大型化，可以提高系統(tǒng)效率，并通過(guò)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，降低供能成本。可以兼顧節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面的要求，在實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能和減少污染物排放的同時(shí)獲得較好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。權(quán)衡利弊后，建議采用集中供能方案(地源熱泵+冷水機(jī)組+鍋爐)。