被動式建筑淺層地熱交換系統(tǒng)在某工程項目中的應用

王富民

(甘肅第三建設集團有限公司,甘肅 蘭州 730000)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,傳統(tǒng)能源資源日漸緊張,需要研究開發(fā)新型能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)資源。淺層地熱資源儲存量大、分布范圍廣、可循環(huán)利用,不僅開采成本低、技術成熟,而且不受地理條件影響,節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢明顯,具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。

本文通過實際工程項目,總結(jié)出被動式建筑淺層地熱交換系統(tǒng)的施工方法,從而實現(xiàn)夏季制冷、冬季制熱等功能。建成的項目投入使用后,減少了標準煤和電能使用量,具有對大氣無污染、能源利用率高等優(yōu)勢[2]。

1 工程項目

蘭州新區(qū)某建設工程項目,該項目設計埋設通風管4根,材料為球磨鑄鐵管,每根管道長度30 m,埋設最低點距離正負零為2.5 m,管道按照2%進行放坡,相鄰管道之間凈距離為0.6 m,最內(nèi)側(cè)管道距離墻體0.8 m,管體上部覆土厚度2 m以上。冬季最大溫升7.7 ℃,夏季最大溫降10 ℃,施工過程使用了淺層地熱交換系統(tǒng)施工方法,取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 該地區(qū)熱能特點

(1) 該地區(qū)熱能分布廣泛,可直接利用,具有占地少、成本低、穩(wěn)定性高、用途多樣的特點,是具有競爭力的新能源。

(2) 地熱作為清潔能源,環(huán)境效益顯著。

(3) 淺層地熱,施工難度小,可以普遍推廣應用。

3 適用范圍

本施工方法適用于位于夏熱冬冷地區(qū),近零能耗建筑、周邊具有土壤資源的低密度建筑、具有土壤資源的低密度建筑及老舊小區(qū)改造,及農(nóng)村危舊房屋改造項目[3]。

4 工藝原理

本施工方法中的淺層地熱交換系統(tǒng)是指利用蓄存在土壤中的地熱能冷卻或加熱室外空氣,并由機械送風或誘導式通風,將處理后的空氣送入室內(nèi),以改善室內(nèi)熱環(huán)境。利用地層對自然界的冷、熱能量的儲存作用來降低建筑物的空調(diào)采暖負荷[4]。地道風系統(tǒng)見圖1。

5 施工工藝流程及操作要點

5.1 淺層地熱交換系統(tǒng)施工工藝流程

淺層地熱交換系統(tǒng)施工工藝流程見圖2。

圖2 施工工藝流程

5.2 操作要點

5.2.1測量放線

(1) 測量放線必須嚴格把關,反復校核,務求不出任何差錯。

(2) 首先要根據(jù)建設單位及設備廠家提供的技術要求進行室內(nèi)計算,校對完成后,根據(jù)圖紙要求,在現(xiàn)場進行石灰撒線,確定開挖范圍,包含放坡范圍。

(3) 高程測量。在基坑開挖過程中,采用水準儀和塔尺后視現(xiàn)有建筑標高,通過現(xiàn)有建筑標高進行引測[5]。

5.2.2溝槽開挖

(1) 根據(jù)使用需要,選擇開挖溝槽的寬度,以本項目為例,項目設計埋設通風管4根,相鄰管道凈距離為600 mm,最內(nèi)側(cè)管道距離墻體為800 mm,考慮到放坡安全,因此,本項目部開挖溝槽寬度為5 000 mm[6]。

(2) 管道埋設最低點距離正負零為2 100 mm,管道設計長度為30 000 mm,按照2%進行放坡。

5.2.3標高復核

基槽按照圖紙設計要求開挖完成后,必須進行標高復核,從基槽開始,回測至現(xiàn)有建筑標高點處,若回測存在偏差,則現(xiàn)場及時進行整改。

5.2.4基層處理

(1) 挖至圖紙要求標高時,選用小型壓路機對原土基礎進行壓實處理,壓實系數(shù)不小于0.94,對于機械夠不到的地方,采用打夯機進行壓實。

(2) 根據(jù)設計要求,在原土壓實完畢后,在原土上鋪設厚度為200 mm中砂,并采用壓路機及打夯機進行密實處理[7]。

5.2.5管道安裝

(1) 通風管道選用DN300球磨鑄鐵管,在安裝時,若條件允許,選用吊車進行吊運。

(2) 4根管道安裝時,需從頭至尾順序安裝,不能安裝完一條,再安裝另外一條,防止在施工過程中,對已安裝完的管道造成破壞,避免返工,造成工期延誤;管道根據(jù)安裝部位的不同,構(gòu)造形式有所不同。管道連接使用90°全環(huán)氧雙承插型(見圖3),其余直接管道接頭為承插型[8]。

圖3 管道連接

(3) 管道吊運到安裝位置后,在已固定管口內(nèi)側(cè)先涂刷一層膠水,粘接IM接口NBR膠圈,采用電動葫蘆將預安裝管道張拉至已安裝管道接口處進行安裝固定。

(4) 管道安裝固定完畢后,臨時采用木楔、木條進行固定,全部安裝結(jié)束后,采用C15素混凝土對接口進行包裹,防止管道移位、接口開縫。

(5) 水平通風管安裝完畢后,依次安裝豎向通風管(見圖4),通過90°全環(huán)氧雙承彎頭和NBR膠圈進行連接。

圖4 豎向風管安裝

(6) 管道安裝過程中,最好能夠做到提前預留孔洞,若需要在結(jié)構(gòu)上面開孔或者開洞,影響建筑物結(jié)構(gòu)安全時,需經(jīng)過設計、建設、監(jiān)理等單位的同意后方可施工。

(7) 管道安裝完畢后,應及時對墻體孔洞間隙做填塞及防水處理。

5.2.6冷凝水井及土壤測溫井安裝

管道后期在運行過程中會產(chǎn)生冷凝水,因此,根據(jù)設計需要,在管道埋設的最低點需設置冷凝水集水井,按照每兩根設置一處集水井進行施工。集水井選用與通風管同型號管材,通過PN10法蘭盲板和PN10-16GS轉(zhuǎn)接頭與管道連接,形成冷凝豎井。土壤測溫井與冷凝豎井加工方法相同,埋深為2.5 m[9]。

5.2.7管道試壓

管線安裝完畢后,在回填之前需進行管線氣壓試壓(見圖5)。氣壓試驗參考標準是法國標準NF1610,目的是檢測接口的密封性,管線試壓壓力為10 kPa,保壓10 min,若壓力下降小于1 kPa,則氣壓合格。

圖5 管道試壓

5.2.8管道回填

(1) 先采取人工回填的方式,對管道兩側(cè)進行回填(見圖6),填塞密實,確保管道不會晃動。分層壓實后,每層厚度為100～200 mm,壓實系數(shù)不小于0.95[10]。

圖6 管道回填

(2) 對管頂以上500 mm范圍內(nèi),采用原土、中、粗砂或粒徑<40 mm的沙礫進行回填,壓實系數(shù)不小于0.9。

(3) 對于管頂500 mm以上,采用原土進行分層回填,分層壓實,壓實系數(shù)不小于0.9。

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟效益

本項目1#辦公樓應用地道風系統(tǒng),冬季最大溫升7.7 ℃,夏季最大溫降10 ℃,1#辦公樓采暖需求降低11 262 kW·h,制冷需求降低12 008 kW·h。減少了室內(nèi)地暖及空調(diào)的使用量,減少了用電量,具有較好的經(jīng)濟效益;空氣的密度為1.185 kg/m3,空氣的比熱是1.006 kJ/(kg·K),所以溫度升高1 kW·h,需要消耗的能量是:

1×1.185×1.006=1.192 11 kJ

即在標準狀況下,1 m3的空氣溫度升高1 ℃,需要消耗1.192 1 kJ的能量。而1 kW·h=3 600 kJ,所以1.192 1 kJ≈0.000 331 14 kW·h。

按照最好的空調(diào)效率90%計算,1 m3空氣溫度升高1 kW·h,耗電量為0.000 331 14÷0.9≈0.000 368 kW·h。當然,空調(diào)耗電還要考慮空調(diào)所在的工作環(huán)境,環(huán)境惡劣時,耗電量會急劇增加。

6.2 社會效益

根據(jù)統(tǒng)計分析,淺層地熱交換系統(tǒng)大多數(shù)應用項目集中在華北和東北地區(qū),此次在西北的首次應用分析研究,為西北寒冷地區(qū)采用淺層地熱交換系統(tǒng)技術提供了經(jīng)驗。

7 結(jié)語

本文通過實際工程項目,總結(jié)出被動式建筑淺層地熱交換系統(tǒng)施工方法,能夠?qū)崿F(xiàn)夏季制冷、冬季制熱等功能,建成后的項目投入使用后,減少了標準煤和電能使用量,具有對大氣無污染、能源利用率高等優(yōu)勢。