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[武汉]综合实验楼地源热泵空调系统工程施工方案

地源热泵中央空调系统工程

2.2 地下换热器设计

浙江芜湖临江大桥施工组织设计2.3 土壤热平衡分析

2.5 打井埋管工艺说明

2.6 地温监测系统设计

3.1 全热回收机组的优化

3.2 地埋侧冷却水泵及冷却塔的优化

四、 地源热泵系统工程监测方案要求

五、 地源热泵系统监测方案设计

5.2、设计标准及依据

湖北xx局综合实验楼，建设地址位于武汉市。该楼用地坐北面南，地势平坦，交通畅达，视野开阔，是一个高品质的办公楼宇。

该建筑是一座集办公、实验、对外接待的节能型办公大楼，共有十九层楼，总建筑面积27074㎡，其中：实验室8862㎡，单身公寓：1080㎡，办公：17300㎡（含地下室）。地下一层为车库及设备用房，一层~四层为实验室用房及单身公寓、餐厅；五~十九层为办公用房，其中九层为计算机用房。

主楼一~四层实验室及五~十九层办公楼（21000㎡），其中空调使用面积为20000㎡。拟采用节能、环保的地埋管地源热泵空调系统作为建筑物的冷热源及提供单身公寓卫生热水。冬夏季空调采用均采用地源热泵机组，冷却水由地源埋管系统提供，地源热泵机组夏季提供（也供冬季空调）7℃～12℃冷水、冬季空调由热泵机组提供空调热水45℃～40℃供风机盘管系统，风机盘管回风系统加过滤器，以保证室内空气品质，新风通过全热回收新风机组提供。

地源热泵机组带热回收功能，同时提供餐厅的生活热水，过渡季节热泵机组部分运行时，提供生活热水45℃～40℃，满足园区内的生活要求。

本设计依据甲方提供的资料，并遵照以下规范和技术措施进行设计：

《全国民用建筑工程设计技术措施：暖通空调.动力》；

相关专业提供基础资料。

由所提供图纸信息，可取用的负荷如下：

土壤换热器是本工程成败的关键，一个成熟的设计方案能够保证土壤换热器始终安全、稳定、高效运行，能够减少施工过程中的难度，降低施工成本。

根据湖北xx局的测试报告，考虑土壤换热器换热效果受岩土体热物性及地下水流动情况等地质条件影响较大，实际情况下埋管的换热量可能有所变化。分析可取用的单米井深换热量暂按下表数据计算：

夏季散热量[w/m井深]

冬季取热量[w/m井深]

根据实际多个工程测试经验数据显示，双U管可以提高换热量25～30％，即夏季放热量按75w/米计算，冬季取热量按50w/米计算，以下取用的双U设计参数如下：

夏季散热量[w/m井深]

冬季取热量[w/m井深]

目前图纸设计钻孔有效埋管深度为96m。因武汉地区地质特性的多变性，前期的测试尚不能保证整个工程地质的单一地层，局部地质可能变化较大，故后期实际施工具体钻孔深度应根据实际地质情况对应调整，初步方案如下：

在保证设计换热量，保证总的埋管量的条件下，埋管深度方案如下：以96m为标准深度，实际施工中若因地质特殊情况，不能达到此深度，为不影响整体施工进度，可减小深度至尽可能钻探的经济深度为准；局部钻探深度若可>96m，而且施工快捷便利，可增加钻孔深度。最后通过实际计算，保证设计总钻孔数量与深度的一致性。

根据前期勘查资料显示，本工程所在地的地质结构较为复杂，不同深度地质变化较大：0～30m粘土层（局部存在1m左右的卵石层），约30m以下为风化泥岩层和风化灰岩层的不均匀分布，因而增加了钻孔难度，钻孔成本较高。必须在摸清实际地质情况后，在保证整体施工进度的情况下，确定适宜的钻孔工艺。因而施工上对钻机的要求可能较高，需相应的配置才可顺利进行。

因本工程埋管场地均在室外绿化地带，而且原有埋管面积进一步变小，埋管面积十分有限；同时根据本工程的地质报告，地下地质结构较为复杂（卵石层、泥岩层、灰岩层等变化不一），钻孔价格相对比较昂贵。因此实际工程中，在埋管场地限制的条件下，在保证土壤换热器换热效果的前提下，埋管设计宜考虑双U埋管，减少钻井数量，可以减小初投资。

双U埋管的串、并联比较

在能源井对称布置的情况下,影响地热换热器钻孔内传热热阻的因素非常多,包括钻孔大小及深度,U型管导热系数大小及其几何尺寸大小、间距(或U型管宽度),换热器周围岩土以及钻孔回填材料的导热性能,换热器循环流体的流量大小及其导热性能的好坏等诸多因素,且关系复杂。从无量纲角度分析可知,钻孔内热阻大小就仅仅与钻孔深度、循环流体质量流率、循环流体定压比热及管间的三个热阻有关,但是其间的关系仍然十分复杂。无论串联还是并联，钻孔内的热阻都随着U型管半宽的增大而减小，随着钻孔深度的增大而增大。在本工程中钻孔深度足够深的情况下，采用调节流量的方法来优化单井的换热性能是较为可行的。

下面对不同的布置情况：U型管串联与并联的各种形式，即并联双U型与W型埋管方式进行了比较：

计算参数为:钻孔半径r=0.055m；岩土导热系数k=1.5W/m·K；回填材料导热系数kb=1.0W/m·K；循环流体质量流率M=0.3Kg/s；循环流体(纯水)比热c=4186.8J/kg·K。不同钻孔深度H=80m情况下的计算结果列于表4中。

表3H=80m时数直埋管地热换热器钻孔内热阻比较

由上表看出：就双U型埋管地热换热器而言,串联布置的双U型埋管（W埋管）钻孔内的热阻比并联布置情况稍大。无论是串联还是并联布置循环流体行程,对于实际工程,其钻孔内热阻值差别不是很大,但是并联布置仍比串联布置略好。另外，实际工程中，并联双U埋管不易集气，效果好，安全系数高；且并联双U形式的埋管由于分配到单管的流量较小，选取的埋管管径也较小，相对来说，节省了初投资。

竖直埋管地热换热器钻孔内的传热分析[文章编号:025420096(2004)0320399208]

曾和义,刁乃仁,方肇洪(山东建筑工程学院地源热泵研究所,济南250014)

因此在本工程中从最优化的角度出发，埋管形式优先考虑采用并联双U型埋管。

土壤换热器运行原理是利用土壤的热导性进行换热，当土壤换热器长时间运行，井之间换热相互干扰，为避免换热短路，应选择合理的布井间距。

垂直地埋管换热器计算的基础是单个钻孔的传热分析，可采用以下公式进行计算：

夏季扩散半径（整个空调运行时间约120天）

冬季扩散半径（整个空调运行时间约100天）

根据此公式计算，埋管间距大于3.5m时，其大地热阻的干扰影响已经很小，同时为保证埋管间距的准确性，我们联合同济大学对不同埋管间距的土壤换热器进行了模拟，模拟结果如下：

埋管布置：16排*16排

土壤换热器设计技术资料

换热量按照：夏季60W/m井深

土壤初始温度：19.2℃

热泵运行时间：夏季运行三个月，冬季运行三个月

三个月后土壤温度场六个月后土壤温度场

九个月后土壤温度场十二个月后土壤温度场

三个月后土壤温度场六个月后土壤温度场

九个月后土壤温度场十二个月后土壤温度场

通过土壤换热器热平衡模拟试验，当埋管间距为3m时，年土壤最大温升为0.7℃；埋管间距为4m时，年土壤最大温升为0.4℃；

同时由于热泵主机增加热回收装置，提高了土壤换热器系统安全性，确保整个空调系统始终安全高效运行。

土壤换热器布井数量计算

计算时，初步设定埋管布置方式为矩阵布置，钻孔半径0.075m，钻孔间距5×5m，设定填充材料的导热系数为1.6W/(m·℃)。

岩土类型为致密湿土，初始平均温度为18.5度，进机组的温度比土壤温度高或低10度左右，夏天计算工况37/32度，冬天计算工况5/8.34度。

对热响应测试报告分析，进水温度为37℃时的单位井深取热功率，双U管的散热系数为75[w/m井深]。进水温度为5℃时的单位井深取热功率，双U管的取热系数为50[w/m井深]。

本工程埋管负荷以冬季负荷为主，根据“5.埋管负荷分析”按照冬季峰值进行设计埋管。

制冷工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下式计算：

式中Lc——制冷工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m）；

Qc——水源热泵机组的额定冷负荷（kW）；

EER——水源热泵机组的制冷性能系数；

tmax——制冷工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度；

t∞——埋管区域岩土体的初始温度（℃）；

Fc——制冷运行份额；

Tc1—一个制冷季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取一个月时，Tc1为最热月份水源热泵机组的运行小时数；

Tc2—一个制冷季中的小时数，当运行时间取一个月时，Tc2为最热月份的小时数。

供热工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下式计算：

式中Lh——供热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m）；

Qh——水源热泵机组的额定热负荷（kW）；

COP——水源热泵机组的供热性能系数；

tmin——供热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取－2～5℃；

Fh——供热运行份额；

Th1—一个供热季中水源热泵机组的运行小时数；当运行时间取一个月时，Th1为最冷月份水源热泵机组的运行小时数；

Th2—一个供热季中的小时数；当运行时间取一个月时，Th2为最冷月份的小时数。

由以上可计算埋管数量如下：

综合考虑造价以及土壤热平衡等因素，本工程采用复合式地源热泵系统，即按冬季热负荷埋管，夏季采用冷却塔作为辅助冷源。又考虑一定安全系数，暂定埋管井数量为255口，同时埋管区域留有一定余量可供10～20口井的埋设调节。

根据前面埋管数量和土壤耦合器夏季换热量可得到空调系统夏季制冷量如下：

Q=260×75×95÷[（COP+1）/COP]÷1000=55000×65÷1.2÷1000=1545kw

由于以上冷却水量较小，又根据所提供设计院图纸，夏季使用冷却塔可与主机一一对应，则可选取210T的冷却塔一台。

根据本工程情况，埋管场地设置在楼室外绿化地以及道路下埋管，土壤换热器采用异程管道方式连接，共分4个区域，每个区域母管直接接至空调机房集分水器。方便空调系统检修和在部分负荷运行调节，实现土壤换热器分区域运行，保证整个换热器的可调性和备用性。

参照原设计中辅助冷却塔的位置可将冷却塔放置在院内靠近机房处的空地上。

考虑到土壤换热器是地源热泵系统深埋于地下的关键换热设备,其性能对系统性能和寿命影响明显，本方案设计采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小、热膨胀性好的高密度聚乙烯（HDPE100/80）管作为埋管材料，品牌选用武汉金牛。

由公式：L=3.14×r2×v

其中L—指单口井内PE管内介质的流量（0.6m3/h）；

r—指PE管内截面半径；

v—指PE管内介质紊流状态流速，一般在0.5m/s—0.8m/s之间。

当选用公称直径DN20管时，计算得v=0.53m/s，在0.5m/s—0.8m/s范围内，满足要求。

考虑到安全可靠性和技术可行性，采用单个能源井接至集分水器，施工比较简单，管道中间接头较少，施工难度小，施工速度快；而如采用汇总管方式，多口井设置成一个回路，中间有很多三通及大小头，施工难度大，容易发生质量事故。

热平衡问题的由来及影响

由于地源热泵依靠提取大地储存的能量作为空调系统的冷热源，则全年运行的空调系统需要分析长期运行时的土壤热平衡问题。在很多情况下．地埋管换热器全年的冷热负荷是不平衡的。例如在南方，建筑物冬季的供暖负荷和供暖时间小于夏季的空调负荷和空调时间；而在北方严寒情况则相反。在这种情况下，地热换热器的全年从地下的吸热和放热不平衡，部分多余的热量(或冷量)就会在地下积累，引起地下年平均温度的变化。如果长期运行的空调系统冬夏季节对地下取放热持续不能达到平衡，大地中土壤温度可能发生微小波动，造成制冷机组的效率和制冷量偏离设计工况。

武汉地区地源热泵系统热平衡的可能趋势

地源热泵的土壤热平衡问题受工程所处位置的气候带和地质状况、工程空调系统的冬夏季负荷平衡情况、地源热泵系统设计和实际运行情况等多个因素影响，因此不同的工程中差别较大。对于本项目，由于工程位置武汉属于夏热冬冷地区，夏季冷负荷大于冬季热负荷，运行时间夏季也稍长于冬季运行时间，所以土壤热平衡的总体趋势是夏季向大地的总排热大于冬季向大地的总排冷，长期运行土壤可能出现的情况为温度升高，有利于机组冬季制热而不利于夏季制冷。

招标文件要求地源热泵中央空调系统的总冷负荷为：1800kw；总热负荷为：1300kw，热水负荷200kw，按照空调系统夏季空调120天；过渡季节150天，冬季运行90天；全天运行10小时计算，根据前面的负荷分析计算得出全年年平均冷热负荷、释放与提取热量如下表：

年平均冷、热负荷（kWh）

年释放与提取热量（kWh）

本工程设置一台210m3/h的开式冷却塔＋板换，为确保土壤热平衡，夏季优先运行冷却塔，全年最大可释放的热量1353600kwh。若按照67％比例运行，全年释热量即可达903000kwh。

土壤换热器可以承担夏季峰值冷负荷占59%，而且土壤热泵机组承担的是部分基本负荷，所以承担的夏季累计冷负荷比例只占40%。

冬季土壤热泵系统承担累计热负荷100%，但由于本工程夏季空调系统散热量远大于冬季空调系统取热量，在优先利用冷却塔系统散热的前提下，土壤换热器换热负荷基本能够平衡，为保证运行的稳定性，我们采用地源热泵专业软件进行了热平衡模拟。

热平衡模拟采用TRNSYS软件进行，按照武汉地区的逐时室外气象数据和动态负荷计算结果进行模拟，模拟搭建的系统模型见下图。

按照本方案的埋管设置和综合负荷情况，对本方案地下平均温度和换热器的进、出口温度进行长时间的热平衡模拟，时间为10年，得到的计算结果如下图所示。由图可见，虽然在一年之内土壤换热器冬夏季节的进水温度变化很大，但是地埋管换热器运行10个空调运行周期后，运行工况仍然稳定，由于冬夏季节取放热量基本平衡，加上土壤自身的恢复能力，地下土壤平均温度连续运行10年后变化约为0.5℃，不会对土壤源热泵的运行造成影响。

图：地下换热器运行10年土壤温度变化曲线（从夏季开始运行）

地下换热器运行10年土壤温度变化曲线

图：地下换热器循环水温度日变化曲线

按照我们设计的方案进行地下换热器模拟，由以上模拟结果可以看出：

地下换热器运行10年，其运行最低温度在５℃以上，所以地下换热器内的介质可以为水，不必加防冻剂。

夏季热泵机组承担部分基本负荷和高峰负荷，地下换热器的最高运行温度和最热月平均运行温度重合，约29℃，保证了热泵机组在夏季仍能高效稳定的运行。

由上图可以看出，地下换热器运行10年温度曲线水平稳定，地下换热器的吸热排热量基本平衡，能够长期可靠的运行。

（方案设计图详见附图1）

根据以上分析与计算，本工程优化埋管方案按照并联双U设计（如下图），采用De25的PE，管井数量为255口，有效埋管井深95m，井间距5m，总占地面积6350m2。

水平埋管采用非集管式连接（如下图），即通过在埋管两侧设置二级集分水器，各个垂直埋管直接汇总至二级集分水器，再通过总管连接至机房的一级集分水器。（具体走向详见总图）

夏天工况地埋管进出水温度37/33度，总水流量475m3/h；冬天工况进出水温度4.5/8.5度。总水流量335m3/h。

钻机进场施工前，施工人员应仔细阅读空调施工图纸和施工设计说明，并同土建施工图纸对钻孔位置位置进行认真校对并进行现场测量布点。

履带式露天潜孔钻机技术参数

整机重量：5200公斤

履带式露天潜孔钻机主要结构及工作原理

钻机以柴油机液压泵站为动力源，液压马达回转，液压马达减速箱驱动履带行走和失压制动，油缸推进及提升，油缸摆角定位，液压换向阀操纵。

钻机钻孔工作时，将外接压缩气源的压缩空气经钻机供气系统输送到潜孔冲击器潜孔冲击破碎岩石，压缩空气将岩石碎块及粉末从孔中带出，钻机回转实现冲击钎头在孔底换位，钻机推进及提升实现钻具加压并进给，及钻具接卸杆作业。

做好以上钻机运行前的准备工作后，钻机方可正常运行和工作。一般空载运行（首次启动30分钟，日常不少于5分钟）经检查正常后，才能操纵手柄来完成各部件所要求的功能。当发生意外事故应马上切断电源。详细过程如下。

行走：钻机行走前先将滑架放置于水平位置，同时操纵两个行走手柄向前或向后，即实现钻机向前或向后直行；单独操纵一个行走手柄或同时操纵两个行走手柄一个向前一个向后即实现钻机向左或向右转弯行走；松开行走手柄钻机即停止行走并制动：钻机下坡行走时应断续操纵即走——停——走，防止制动失灵。

开动钻机行走到应钻孔位置。

操纵钻臂起落及摆角动作，是滑架置于钻孔位置。

操纵滑架移动手柄6，使滑架顶到应钻孔地面上。

操纵钻具推进及加压手柄8使钎头顶到岩石上，调节手柄9可获得适当的推进力，同时操作手柄7可获得最大的加压力和提升力。

开启冲击给气阀，冲击器开始冲击。

操纵回转手柄1、2、3、使其正转并选择所需要的转速档。

开孔时由于浮石或裂隙的存在、需要反复操纵钻具推进和提升以使孔内碎石土排除，防止卡钻。

钻完一根杆后，需要进行接杆操作，其过程如下：

停止回转，停止钻具推进，关闭冲击给气阀；

用钻机专用板手卡住钻杆公接头端卡扁处；

操纵回转手柄、使回转机反转、实现回转机反转与钻杆卸扣；

当回转机与钻杆卸扣后，操纵钻具推进及手柄，使回转机上升，当回转机上升到能接杆位置时停止回转机上升，同时停止回转机反转；

取下卡钻杆的专用板手；

人工把应接钻杆母接头端放到孔中钻杆公接头上，把应接钻杆公接头端对准回转机前接头，操纵回转机推进，使钻杆公接头端旋入回转机前接头内，操纵回转机正转；

当新接钻杆两端螺纹均被旋入后，开启冲击给气阀，钻孔作业重新开始。

当一个孔最后一根钻杆钻完后，反复操纵钻具推进和提升，将孔底碎土石排除，而后需进行卸杆操作，其过程如下：

操纵回转机加压或提升手柄8使孔口第二根钻杆公接头卡扁刚好处于托钎器上面位置文县初中学生教师宿舍楼工程施工组织设计，停止加压或提升；

停止回转，关闭冲击给气阀；

用钻机专用板手卡住孔口第二根钻杆公接头卡扁；

操纵回转机反转，当第一根钻杆与第二根钻杆松扣后，用专用板手卡住第一根钻杆母接头卡扁，回转机反转松下第一根钻杆并取下、如果当回转机反转时第一根钻杆与回转机先松开，则须用专用板手（或管钳）卡住第一根钻杆母接头卡扁，人工反转松扣，松开后回转机反转取下钻杆；

操纵加压或提升手柄8，使第二根钻杆公接头卡扁处于托钎器上面位置；

重复B、C、D、操作方式GB／T 39493-2020 燃气燃烧器和燃烧器具用安全和控制装置 特殊要求 压力调节装置.pdf，取下第二根杆。

当使用一挡（或四挡）工作时，可关闭第二泵组，单泵组工作。

以上以冲击钻为例介绍钻孔操纵，别的钻孔形式参照此操作变更。