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地埋管地源熱泵系統常見問題及解決措施

圖片1.png

 

目前,地埋管地源熱泵系統的工程應用中存在的問題是在現場測試、設計方法、施工質量控制與檢測等方面存在一些問題。以下就對這三方面的問題及對應解決措施進行分析。

 

一、現場測試

1、存在問題

地埋管地源熱泵系統的現場測試存在的問題主要體現在四個方面:

(1)如果按照每延米換熱量進行系統設計,測試過程應該模擬土壤源熱泵系統的哪一種工況,單獨模擬一種工況是否具有足夠的代表性;

(2)如果按照每延米換熱量進行系統設計,測試孔的孔數應該如何確定;

(3)在某一特定工況下測試所得的每延米換熱量的數據是否需要做相應的修正以用來作為系統設計的依據,如果需要修正又該如何修正;

(4)實測過程測試儀器的制熱及制冷功率、地埋管換熱器內的水流速度該如何確定。

2、解決措施

在某一特定工況及氣候條件下測試得出的每延米換熱量的值,若沒有科學合理的方法被修正為設計值,也就沒有達到現場測試為力求設計精確性的本來目的,這樣的測試是沒有必要的。通過分析現場測試數據計算出的應是某一相對固定的設計參數,這一參數應不受外界環境因素及系統運行工況的影響或影響較小,否則即使某一參數是通過分析實測數據計算所得也必須經過修正。

實測得到的每延米換熱量不能夠直接用于換熱器系統的設計,而應首先做科學合理的修正,因此,獲取的現場測試數據應被用于計算不受外界環境因素及系統運行工況影響或影響較小的參數,這也就是巖土的熱物理參數,包括巖土的導熱系數、比熱容以及巖土的密度等。

自2009年6月1日起實行的《地源熱泵系統工程技術規范》(GB50336-2005)局部修訂的條文(以下簡稱規范),重點增加了巖土熱響應的具體試驗方法及相關內容的規定,并在此基礎上對相關條文進行了修訂,以正確指導地埋管地源熱泵系統的設計和應用,如:當地埋管地源熱泵系統的應用建筑面積在3000~5000㎡時,宜進行巖土熱響應試驗;當應用面積大于或等于5000㎡時,就進行巖土熱響應試驗等等。此次修訂使規范的內容更加完善合理,對地源熱泵空調技術在我國的健康發展起到很好的指導和規范作用。

 

二、設計方法

1、存在問題

當前土壤源熱泵系統的地埋管換熱器的設計主要有兩種方法,即“動態負荷模擬設計法”及“每延米換熱量法”。其中動態負荷模擬設計法能夠較為全面的還原土壤源熱泵系統實際運行的工況,是一種比較精確的設計方法;每延米換熱量法存在著較多問題,這些問題主要集中在每延米換熱量的確定方法上,與前述測試方法上存在的問題有所重復,該方法僅適用于方案設計階段,施工圖設計階段應采用前一種方法。

造成每延米換熱量法存在較多問題的原因主要是這種設計方法忽略了土壤源熱泵系統的一個重要特性,即土壤源熱泵系統的耦合性,表現在系統實際運行過程中淺層土壤的溫度場分布受室外氣候因素的影響很大,地埋管部分的進出水溫度與建筑負荷之間聯系密切,也即地埋管部分的實際換熱量與建筑負荷的變化直接相關。

決定地埋管換熱器實際換熱量的因素是多方面的,除了工程所在地巖土熱物理性質、換熱器內水流速度(系統運行過程中往往控制換熱器內水流速度為經濟流速,即達到紊流狀態時的最小流速)等相對固定的因素,還包括室外氣象參數、建筑物負荷等隨時間不斷變化且變化幅度也較大的因素。因此,設計用每延米換熱量的值若是根據經驗估計則不可能具有說服力,若是工程所在地實地測試,則得到的只能是特定運行工況及特定氣候條件下的某一特定數值,當前尚沒有科學合理的修正計算方法將每延米換熱量的測試值修正為設計值。每延米換熱量設計法,由于其設計思想所存在的先天缺陷,使得依照此法設計的地埋管換熱器系統為使系統安全運行則不得不過度增加保險系數。

2、解決措施

與每延米換熱量法不同,動態負荷模擬設計法完全體現了土壤源熱泵耦合性的特性,影響地埋管換熱器換熱量的巖土熱物理參數是實地測試得出的,且熱物理參數在巖土組成成分一定的前提下是相對固定的,在模擬設計軟件中建立的系統模型考慮了建筑負荷及室外氣候條件對地埋管換熱器的影響。動態負荷模擬設計法更全面地考慮了地埋管換熱器系統的影響因素,工程現場實測隨時間及測試系統運行工況的變化相對固定的土壤熱物理參數,現場實測更加科學合理。

在沒有科學合理的修正計算方法將每延米換熱量的測試值修正為設計值之前,動態負荷模擬設計法是解決每延米換熱量設計法存在問題的惟一途徑。

 

三、施工質量控制與檢測

1、存在問題

地埋管換熱器系統的施工質量對其換熱效果具有巨大影響,規范中在施工質量控制方面缺少一些明確的強制性規定,從而使施工質量不易被嚴格把關。比較關鍵的兩個技術環節包括:U形管地埋管換熱器成孔孔徑的最小值未做強制規定,回填方式使用機械回填或是原漿自然回填未做嚴格規定。

實際工程中,有的施工方為節省回填材料的使用及加快成孔的速度,成孔孔徑盡可能的小,如單U埋管成孔孔徑僅為110mm甚至更小,這種做法會極大地增加回填難度,若使用機械回填則泥漿泵導入管將很難深入孔內,若使用原漿自然回填則由于孔徑過小回填不易密實,往往需要反復回填,即便如此仍無法保證回填的效果。

規范中規定U型管換熱器宜采用機械回填的方式,但實際工程中采用這種方式的極少,若采用機械回填必將增加地源熱泵系統的工程造價,并且已經運行的未采用機械回填的系統,并未出現系統制熱或制冷出現嚴重問題的情況,因此絕大多數實際工程使用的都是原漿自然回填,但這種方式存在質量隱患也是事實。

無論是原漿自然回填還是機械回填,施工質量的檢測也即回填密實性的檢測都是必須的,但目前還沒有檢測回填密實性的方法,因此對這個施工技術環節的現場質量驗收目前還無法操作。

2、解決措施

應明確U形管換熱器成孔孔徑的最小值;對原漿自然回填的效果進行評估,若評估認為自然回填的質量隱患很大,會對地埋管換熱器的換熱量產生巨大不利影響,則應禁止使用原漿自然回填且必須采用機械回填;應盡快建立一套檢測回填密實性的測試方法,并且建立根據回填密實程度評定地埋管換熱器施工質量的評定體系。

 


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