樁埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

李燕

摘要：樁埋管是地源熱泵中的埋管形式之一，將其大量推廣應(yīng)用到地源熱泵中可以降低系統(tǒng)的鉆孔面積和鉆孔數(shù)量，且可以減少相應(yīng)的工程投資、成本，使施工進(jìn)度得以不斷加快。本文對(duì)樁埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，且對(duì)比分析了該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，為該系統(tǒng)的有效運(yùn)用提供相應(yīng)的參考條件。

關(guān)鍵詞?樁埋管;地源熱泵;空調(diào)系統(tǒng);設(shè)計(jì)

前言

伴隨環(huán)境問(wèn)題和常規(guī)能源有限性等問(wèn)題的不斷突出，人們?cè)絹?lái)越重視以可再生、環(huán)保為特質(zhì)的各種新能源。地源熱泵主要是將太陽(yáng)能資源當(dāng)作冷熱源，對(duì)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換的一種供暖制冷的空調(diào)系統(tǒng);地源熱泵屬于一種比較環(huán)保節(jié)能的技術(shù)，且由于其具有節(jié)能效果較好、經(jīng)濟(jì)效益顯著、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，所以在工程中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。樁埋管地源熱泵系統(tǒng)屬于地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的其中一種，其雖然也有一定的優(yōu)點(diǎn)，但目前的應(yīng)用相對(duì)較少，還有待研究、推廣。

1.對(duì)樁埋管地源熱泵空調(diào)的系統(tǒng)方案進(jìn)行研究

1.1對(duì)巖土熱響應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行分析

1.1.1室外的鉆孔

在設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案前，首先應(yīng)該在與建筑物的南墻相距9m的地方鉆一個(gè)相應(yīng)的測(cè)試孔，且孔的深度應(yīng)為101m，孔徑是150mm，并在孔中將雙U形的De25PE管安裝好，灌漿進(jìn)行回填，將測(cè)試孔封好[1]。再利用巖土熱物性測(cè)試儀對(duì)地下的巖土進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)，且根據(jù)專業(yè)的軟件分析得到出：巖土容積的比熱容為2.070×106J/m3·℃，導(dǎo)熱系數(shù)是2.112W/m·℃，初始溫度為16.5℃。

1.1.2樁基的設(shè)定及測(cè)孔

應(yīng)該在采用厚度為5mm的鋼板將混凝土的空心管底部封堵好，通過(guò)打樁機(jī)把216根樁打入到地下所設(shè)計(jì)的相應(yīng)位置上，再找出一根比較合適的樁將雙U形De25PE管安裝好，并將漿灌入其中進(jìn)行回填及封孔。通過(guò)巖土熱物性測(cè)試儀測(cè)試了巖土的熱響應(yīng)后發(fā)現(xiàn)：其初始的溫度在16.8℃，容積的比熱容是2.361×100J/（m3·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為2.157W/（m·℃）[2]。

1.1.3分析具體的測(cè)試結(jié)果

利用相應(yīng)的巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)對(duì)巖土進(jìn)行測(cè)試之后，從其測(cè)試結(jié)果中得出地埋管的周邊的溫度適中，其導(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)顯得較高，比較適合運(yùn)用樁埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。在地下的100m處主要是密度較高的花崗巖，在進(jìn)行鉆孔時(shí)難度比較大，應(yīng)該選擇雙U型的樁埋管，且樁埋管和常規(guī)的地埋管相比，前者巖土層的容積比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)均比后者稍大，但是沒(méi)有較大的差別，對(duì)常規(guī)的地埋管和樁埋管進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以采用一樣的參考值來(lái)進(jìn)行參考。夏季，每米孔深在地下所釋放出的熱量應(yīng)該為63W/m，但在冬季時(shí)，從地下提取的每米孔深熱量應(yīng)在38W/m。

1.2樁埋管的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)施工方案

在樁埋管的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是安裝過(guò)程中，工程在夏季時(shí)空調(diào)的冷負(fù)荷是375kW，根據(jù)熱泵機(jī)在夏季的制冷工況對(duì)其性能系數(shù)進(jìn)行，其中COP=5.0，此時(shí)地埋管應(yīng)該向地下釋方出450kW的熱量，再根據(jù)向地下每米孔深釋放的63W熱量來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，因而可以得出夏季所需的樁埋管鉆孔總長(zhǎng)是7100m。但是，在冬季時(shí)，空調(diào)的熱負(fù)荷應(yīng)該為296kW，參照熱泵機(jī)組在冬季中制冷的工況性能系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，計(jì)算時(shí)COP=4.0，地埋管應(yīng)該從地下吸收222kW熱量，根據(jù)每米的孔深吸收地下熱量38W進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得出冬季鉆孔的總長(zhǎng)度應(yīng)該為5840m。

根據(jù)上述的分析結(jié)果可以讓施工人員根據(jù)夏季的工況來(lái)設(shè)計(jì)地埋管數(shù)量，且依據(jù)100m的鉆孔深度來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，大概需要71個(gè)孔。在建筑物中，能夠用來(lái)埋管的實(shí)際地面面積為650m2，如果設(shè)計(jì)71個(gè)孔，每個(gè)孔之間的間距就只有3m。如果考慮到有的構(gòu)筑物和其它亦有的管線帶來(lái)的影響，部分孔間距根本沒(méi)有3m，這樣會(huì)對(duì)地下蓄能和地埋管釋放熱量、吸收熱量造成一定的影響[3]。選擇鋼筋混凝土的預(yù)制空心管樁作為地基基礎(chǔ)，能夠利用部分管樁來(lái)對(duì)地埋管進(jìn)行安裝，這樣不僅使埋管地面面積達(dá)不到施工要求的問(wèn)題得到解決，而且可以降低鉆孔費(fèi)用和減少相應(yīng)的工期。因?yàn)樾枰紤]樁和樁的距離、樁和剪力墻之間的關(guān)系、對(duì)井的位置進(jìn)行檢查等因素，所以應(yīng)選出216根樁中的85根來(lái)作埋管樁，且埋管樁總長(zhǎng)是1700m，同時(shí)室外的鉆孔長(zhǎng)度應(yīng)降低到5400m，且室外的鉆孔只需要54個(gè)，孔間距應(yīng)為3.5m，這樣設(shè)計(jì)下來(lái)可以節(jié)省208m2室外的埋管面積。

1.3分析樁埋管的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)熱源機(jī)房的設(shè)計(jì)

熱源機(jī)房中應(yīng)設(shè)置1臺(tái)地源熱泵機(jī)組，且還需一級(jí)分水器一只和集水器一只，2臺(tái)負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵和2臺(tái)地源側(cè)循環(huán)泵，準(zhǔn)備一套測(cè)定負(fù)荷的壓補(bǔ)水設(shè)備，地源側(cè)應(yīng)設(shè)計(jì)一只高位定壓的補(bǔ)水箱。

2.分析樁埋管的地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

樁埋管地源熱泵系統(tǒng)與其他的埋管方式比較，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)占用到建筑物之外的面積，且節(jié)約了一定的地下空間[4]?？梢允∪ヂ窆?、鉆孔額外的費(fèi)用，可以使工程投資得到相應(yīng)的降低，加快工程進(jìn)度。因?yàn)闃痘g距相對(duì)較大，所以U型熱管之間的熱影響為零，使地下的換熱器工況顯得更加穩(wěn)定。另外，因?yàn)槭艿浇ㄖ锏臉痘陨淼奶攸c(diǎn)影響，致使樁和大地、地埋管和樁的接觸更加緊密，降低接觸帶來(lái)的熱阻，使循環(huán)工質(zhì)和大地土壤之間的傳熱得到了相應(yīng)的強(qiáng)化。）?回填樁埋管的材料主要是水泥，其導(dǎo)熱性能比其它的回填材料好，致使換熱效果也比其它的埋管方式好。

3.結(jié)束語(yǔ)

將樁埋管和室外埋管結(jié)合起來(lái)的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，具有降低投資成本、加快進(jìn)度、節(jié)約地面面積的特點(diǎn)。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到各方面的影響因素，充分利用可用樁基;且進(jìn)行施工的過(guò)程中，安裝設(shè)備的工作人員應(yīng)和土建施工的人員進(jìn)行密切的配合，進(jìn)而才可以防止交叉施所帶來(lái)的影響，使設(shè)計(jì)意圖得以實(shí)現(xiàn)。多數(shù)建筑物在施工過(guò)程中都需要將相應(yīng)的樁基工作做好，將其用作作地源熱泵系統(tǒng)中的能量樁，可以獲得較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉俊紅，張文克，方肇洪.樁埋螺旋管式地?zé)釗Q熱器的傳熱模型[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，62（2）：418-419.

[3]石磊，張方方，林蕓.樁基螺旋埋管換熱器的二維溫度場(chǎng)分析[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，57（2）：483-485.

[4]李春寶.淺談樁基埋管地源熱泵系統(tǒng)[J].巖土工程技術(shù)，2013，27（3）：148-149.