被動式建筑淺層地熱交換系統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)

隨著我國經濟的快速發展,傳統能源資源日漸緊張,需要研究開發新型能源代替傳統資源。淺層地熱資源儲存量大、分布范圍廣、可循環利用,不僅開采成本低、技術成熟,而且不受地理條件影響,節能環保優勢明顯,具有一定的經濟效益和社會效益[1]。

本文通過實際工程項目,總結出被動式建筑淺層地熱交換系統的施工方法,從而實現夏季制冷、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、能源利用率高等優勢[2]。

1 工程項目

蘭州新區某建設工程項目,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,最內側管道距離墻體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施工方法,取得了較好的經濟效益和社會效益。

2 該地區熱能特點

(1) 該地區熱能分布廣泛,可直接利用,具有占地少、成本低、穩定性高、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,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改造,及農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,以改善室內熱環境。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采暖負荷[4]。地道風系統見圖1。

5 施工工藝流程及操作要點

5.1 淺層地熱交換系統施工工藝流程

淺層地熱交換系統施工工藝流程見圖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) 首先要根據建設單位及設備廠家提供的技術要求進行室內計算,校對完成后,根據圖紙要求,在現場進行石灰撒線,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有建筑標高,通過現有建筑標高進行引測[5]。

5.2.2溝槽開挖

(1) 根據使用需要,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,最內側管道距離墻體為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,回測至現有建筑標高點處,若回測存在偏差,則現場及時進行整改。

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;管道根據安裝部位的不同,構造形式有所不同。管道連接使用90°全環氧雙承插型(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,在已固定管口內側先涂刷一層膠水,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,若需要在結構上面開孔或者開洞,影響建筑物結構安全時,需經過設計、建設、監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生冷凝水,因此,根據設計需要,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,壓實系數不小于0.95[10]。

圖6 管道回填

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

6 效益分析

6.1 經濟效益

本項目1#辦公樓應用地道風系統,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。減少了室內地暖及空調的使用量,減少了用電量,具有較好的經濟效益;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,空調耗電還要考慮空調所在的工作環境,環境惡劣時,耗電量會急劇增加。

6.2 社會效益

根據統計分析,淺層地熱交換系統大多數應用項目集中在華北和東北地區,此次在西北的首次應用分析研究,為西北寒冷地區采用淺層地熱交換系統技術提供了經驗。

7 結語

本文通過實際工程項目,總結出被動式建筑淺層地熱交換系統施工方法,能夠實現夏季制冷、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、能源利用率高等優勢。