地源熱泵系統地埋管施工工藝

彭 震

勝利石油管理局有限公司新能源開發中心 山東東營 257000

1 地埋管地源熱泵系統概述

地埋管地源熱泵系統具有土壤溫度穩定、受環境影響小、不占用地上面積等優點,相對于地表水地源熱泵系統和地下水地源熱泵系統,維護和運行較為簡單,應用越來越廣泛。在地埋管地源熱泵系統建設過程中,地埋管的施工是關鍵。地埋管施工時,若脫離規范流程的指導,則極易出現問題,將會直接影響地源熱泵系統的工程質量,給投資方造成損失。筆者對地源熱泵系統地埋管的施工工藝及注意事項進行介紹。

2 工程概況

勝利石油管理局有限公司新能源開發中心孤東采油廠銀洲賓館地源熱泵系統改造項目,共布局能源井105口,利用現有機房,新建熱泵機組一臺、循環泵四臺,配套自控、暖通等相關設施。這一項目的地埋管換熱器采用垂直鉆孔埋管方式,垂直埋管井群布置于室外綠化帶或道路下,單井地埋管換熱器長度為130 m,鉆井深度為132.7 m,按間距4.0 m均勻排布。水平連管均采用埋地鋪設方式。

3 地埋管施工工藝

地埋管換熱器采用特定材料管道,經過加工和制作,埋設于一定深度的淺層巖土層中,與巖土層實現耦合換熱,抽取淺層地熱能作為熱泵低位熱源。地埋管換熱器分為垂直埋管和水平埋管,分別如圖1、圖2所示。地埋管施工是地源熱泵系統施工的重點和難點,主要包括鉆孔、下管、試壓、回填、室外管件連接五個步驟。

圖2 水平埋管

銀洲賓館地源熱泵系統地埋管的施工工藝流程為施工準備,場地開挖、場地平整,管孔定位及編號,機械鉆孔,垂直管連接,填料試塊配比,下管,垂直埋管第二次試壓,垂直埋管灌漿,垂直埋管成品保護,水平溝槽開挖,溝槽鋪設砂墊層及支架,水平埋管敷設及與垂直埋管電熔連接,水平埋管與垂直埋管試驗,水平溝槽回填及夯實,各環路集管與分集水器連接及試驗,地埋管試驗及運行。

4 垂直井群施工

4.1 前期工作

在垂直井群施工前,要根據工程勘探資料選擇合適的鉆孔施工設備。對地面進行清理,鏟除雜物,平整場地,以便為鉆機和聚乙烯管的堆放和鉆孔施工場所預留出足夠的空間。如有地下樁基和市政等建筑設施,需要和甲方協商避讓,以免發生沖突。并且提前和甲方進行水、電連接事宜的協商。

4.2 鉆孔施工

按照施工圖對需要施工的區域進行井孔定位。如果遇到設計圖預留空間不足的情況,需要根據實際情況做適當調整,進行合理整體偏移或個別井孔移位。一般實際工程中,首先確定若干個井孔,然后在這幾個井位基礎上推定其它垂直井群。

在確定鉆孔排孔之間挖泥漿池,位置為埋地管挖溝方向兩孔之間,用作鉆機在施工中的水循環載體,不至于流到其它地方,保證施工場地的整潔。鉆孔前應根據施工圖軸線對現場布置線確定鉆孔位置,確保鉆孔點誤差小于50 mm,并對鉆孔場地進行平整。開鉆前,必須從頭到尾檢查一遍設備的完好情況,檢查內容包括確定轉向無誤,重新校核塔架底盤、豎桿的水平度和垂直度。經確認無任何異常后,方可開鉆。

在鉆孔過程中,根據地下地質情況、地下管線敷設情況,適當調整鉆孔的深度、數量及位置,以滿足設計要求,降低鉆孔、下管及封井的難度。

鉆孔過程中,安排專業質量檢查員隨時檢查鉆孔位置,確保管孔位置的正確性和鉆孔的垂直度,避免返工,并作好檢查記錄工作。如發現偏差超出標準要求,應及時糾正,重新進行定位或調整鉆機垂直偏差。鉆孔過程中產生的泥漿應集中堆放或組織排放,在鉆孔完成后及時處理干凈。在鉆孔過程中,為避免管孔塌方,應灌入泥漿對打孔孔壁進行泥漿凝固護壁。如在打孔即將完成時發生塌方,造成打孔深度不足,應灌入濃度較高的泥漿再進行鉆孔。

鉆孔完畢后,應盡快將地埋管放入管孔內。水壓試驗合格后,垂直埋管低于地面500 mm,將管口封死,并做標記,避免地埋管堵塞。

4.3 垂直管下管

經驗表明,垂直埋管易發的問題主要有兩類。第一類,施鉆完畢鉆孔內有大量積水,使下管困難,并且容易損壞聚乙烯管。其二,由于鉆孔中的泥沙沉積,設計鉆孔深度和實際深度不一致,影響U形管的安裝。

在下管之前,要對地埋管換熱器進行第一次試壓。試驗壓力取為1.5倍工作壓力,一般取下限值0.6 MPa。穩壓至少15 min,并且相對壓降不應大于3%,無泄漏。密封后,在注水的情況下下管。注水下管可以增大自重,抵消鉆孔內泥漿的浮力。

在聚乙烯管埋管垂直下管時,采取人工配合機械下管的方法,利用回轉鉆機鉆桿頂進,克服水的浮力,并加快下管的速度。當一個孔鉆好且孔壁固化后,應立即下管,否則有可能出現管孔局部堵塞,孔底泥漿沉淀,導致下管困難。下管前,要將U形管的兩個支管固定分開,以免下管過程中靠在一起,形成熱短路。一般情況下,用塑料管卡將支管分開,管卡沿管長方向的間距可取2～4 m。下管速度要均勻,防止下管過程中損壞聚乙烯管。如果遇有障礙和不順暢現象,暫時停止下管,及時查明原因。查明原因并做好處理后,才能繼續下管。下管時必須有保證聚乙烯管不扭曲、變形的措施。垂直U形管下到位后,應提起下管鉆桿。提桿過程中應防止U形管上浮,如發現上浮,則立即采取措施使其固定,確保下管到位。垂直U形管安裝完畢后,應進行第二次試壓,保壓1 h,確保下管過程中無損傷,合格后灌漿回填封孔。

4.4 灌漿和回填

在垂直管下管完畢后,立即用回填材料回填封孔,以便隔離分水層。回填材料以比孔外巖土導熱率大為宜。在實際工程中,可以應用原漿進行回灌,通過挖掘排漿小水槽將鉆孔排出的泥漿回灌到已完成的前一口井孔內。12 h靜置后,若未回灌滿,則進行一次人工補漿,確保回灌密實無空腔。若原漿不能達到回灌材料條件,則需要用細沙或水泥及沙土進行回填。

5 地埋管道連接

在實際工程中,聚乙烯管的連接一般采用熱熔和電熔方法,不采用機械方法。接頭和連接件都是聚乙烯塑料材質,不存在腐蝕問題。連接后的環路管段大部分埋在土壤下,不易檢修,因此需要施工人員掌握熟練技術,培訓后上崗,保證連接質量,否則會出現嚴重漏水現象。

連接前,必須將聚乙烯管擦拭干凈,避免表面有雜物,引起假焊。聚乙烯管電熔時,熔熱部位的熔溫約為210 ℃,熔接時間為50 s。熔接完成后3 min內,因熔熱部位的余熱仍然較高,只要用力仍能將熔熱管件拔出。被熔熱的管道自身也存在應力,如垂直管與水平管固定連接后因各自方向不同而產生的應力,若熔熱管件與管道不進行固定,則熔熱管件與管道之間的連接就會因應力而產生變形、位移,導致熔接失敗,或出現質量隱患。

熔熱溫度和時間必須合理掌握。若熔熱時間不足,容易造成插入深度不足。若熔熱時間過長,容易造成管道插入過度變形,使管道內徑縮小,影響管道流量。嚴格保證冷卻時間,避免管道未成形前管道連接處變形,影響管道連接質量。

熔接場地應盡量保持無水狀態,施工電源絕緣良好,并應有防觸電裝置和措施。溝槽內熔接時,施工人員應穿絕緣鞋,戴絕緣手套。

6 水平管施工

水平管施工主要包括水平管溝挖掘、水平管連接、試壓、回填保護等幾個階段,如圖3所示。

圖3 水平管施工流程

6.1 水平管溝挖掘

在一般工程中,完成一個分區的井孔施工后,要根據施工圖在施工現場確定水平管位置線,然后采用小挖掘機或人工進行水平管溝挖掘。一般情況下,要在挖掘的同時用水準儀測出施工管溝地面標高,使其達到規定深度。一般地埋管換熱器的水平管位于市政管道之下,深度必須滿足管道承壓和防凍的要求。在實際工程中,可以取1.5～2 m。挖掘后進行人工平整,夯實,并且留有一定坡度,使排氣順暢,一般取0.3%～0.5%。坡度應坡向地埋管換熱器的分集水器,嚴謹倒坡。

地埋管換熱器常年處在地下土壤中,地基可能會產生不均勻沉降現象,水平埋管會受到影響。為防止不均勻沉降現象發生后對水平埋管造成破壞和損傷,室外直埋水平埋管敷設前在溝槽內鋪設厚度為200～300 mm的砂墊層,水平埋管的管頂采用不小于300 mm的砂覆蓋層,上部采取土壤回填夯實。這樣做,砂墊層可以起到軟基層的作用,抵抗和減小地上建筑物因發生垂直或不均勻沉降給水平埋管帶來的破壞作用。

6.2 水平管連接

水平管連接時,按照設計圖采用的連接方式進行施工。為了防止熱短路,水平管道的供回路宜分層鋪設,上下兩層之間需要由100～200 mm的細沙回填層隔開。水平管道連接時,留有一定的膨脹和收縮空間,以免管道因熱脹冷縮而縮短使用壽命。在水平管接至分集水器時,由于分集水器采用鋼管,因此需要在連接處留出一定長度的聚乙烯管,以便連接。水平管道連接完畢后,在回填前應進行壓力試驗。在試壓壓力下保壓時間不短于30 min,試壓壓力可取下限值0.6 MPa。壓力穩定后,相對壓降應小于3%,且無泄漏發生,判為合格。

6.3 溝槽回填

設計的供回水平地埋管通常會穿過地基基礎或基礎墻,至建筑物機房地面。管道穿墻一般設計采用安裝套管密封。為保護管道靠近墻的供回管線支架免受因空洞而造成的土壤沉降差影響,在墻體的外表面采用冷作用瀝青材料填縫,實現密封防水。這項工作必須在回填之前完成,可以避免管道在穿越建筑物時因土壤沉降帶來的危害。

水平地埋管施工全部完畢并經檢驗合格,確認地埋管無滲漏后,方可回填溝槽。回填時應先填實管底,再同時回填管道兩側,然后再回填至管頂0.5 m處。溝內有積水時,應及時排盡后再回填。回填時應將回填材料推入溝,先使用人工夯實,確保沒有石塊落入,再用斜刮板來回刮刷,使回填材料盡可能均勻,防止出現較大空隙,最后用滾輪碾壓平實。

回填壓實應逐層進行,不得損傷管道。回填土的含水量宜按土類和采用的壓實工具盡量控制為最佳含水量。水平地埋管通過隱秘工程驗收,管道兩側和管頂以上500 mm范圍內,采用輕壓夯實,管道兩側壓實面的高差不超過300 mm。當人工回填到管頂以上0.5 m后,方可采用機械回填,機械不得在管道上方行駛。機械回填時,應在地埋管道內充滿水的情況下進行。溝槽內水平地埋管回填料應細小、松散、均勻,不允許含石塊及土塊。回填壓實過程應均勻,回填料應與管道接觸緊密,并且不得損傷管道。

7 結束語

對于銀洲賓館地源熱泵系統改造項目地埋管施工,根據現場情況制訂施工流程,突出施工操作要點,明確注意事項。在施工的每一個環節,嚴格按照相關規定執行,施工人員不可有僥幸心理,否則反復施工,造成檢修困難,影響工程進度,還會給整個系統埋下隱患。

目前,地源熱泵供熱是新能源利用的主要方式,越來越多的用戶選擇地源制冷供暖,科學的施工工藝可以大大延長地源熱泵的使用壽命,有利于地源熱泵的推廣和發展。