地埋管地源熱泵系統(tǒng)水平集管連管方式的研究

辛立明 高 朋 王玉超 朱永強 劉啟明 甄璐瑩

（北京市勘察設(shè)計研究院有限公司 北京 100038）

0 引言

地埋管地源熱泵系統(tǒng)是以地下巖土中熱量為冷熱源，通過中間介質(zhì)作為熱載體，并使中間介質(zhì)在由塑料管組成的封閉環(huán)路中通過地下巖土體循環(huán)流動，從而實現(xiàn)與地下巖土進行熱量交換，并通過熱泵實現(xiàn)對建筑室內(nèi)供冷供熱。根據(jù)地埋管換熱器的布置形式不同，可以分為水平埋管和豎直埋管換熱器兩大類。豎直埋管由于占地少、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點，已經(jīng)成為工程應(yīng)用中的主導(dǎo)形式[1]。

地源熱泵室外地埋管系統(tǒng)是由垂直地埋管換熱器、水平供回水管道以及檢查井和對應(yīng)的分集水器等幾部分組成，其中垂直地埋管換熱器管道的連管方式通常有兩種，一種是單U 型，一種是雙U型；水平供回水管道的連管方式通常有兩種，一種是集管式，一種是非集管式；對于水平管供回水系統(tǒng)形式又可分為同程式和異程式兩種。

水平供回水管的連管方式與系統(tǒng)初投資、施工過程的工藝、地埋管水力損失、運行維護管理等都有密切關(guān)系[2]，因此研究地源熱泵系統(tǒng)水平集管的連管方式對地源熱泵系統(tǒng)在實際工程中應(yīng)用具有深遠意義。

本文總結(jié)了水平集管的幾種連管方式，并以實際工程項目為例，分析不同連管方式的差異性。

1 水平管連管方式

目前實際工程中常見到的水平管連管類型主要包括集管同程式、集管局部同程式、集管異程式、集管無變徑連接式、非集管同程式、非集管局部同程式和非集管異程式。不同的連管方式可以根據(jù)施工場地來合理的選用[3]。非集管式連管方式是將每個地埋管換熱器單獨匯總至分集水器，管道在地埋換熱孔到分集水器之間不存在焊接點，此種連管方式降低了管路泄漏的風(fēng)險，可靠性高，但是需要消耗大量管材，靠近分集水器附近管路數(shù)量較多，管溝占地面積較大。集管式連管方式是將多個地埋管換熱器并聯(lián)至環(huán)路集管，再由集管連接到分集水器，此種連管方式管路施工過程操作簡便，運行維護管理方便，但是管路中連接點較多，存在泄露的風(fēng)險。兩種連管方式在條件允許下均可同程敷設(shè)，以確保整個地埋管換熱系統(tǒng)流量水力平衡。

非集管式連管方式具有焊接節(jié)點少的優(yōu)點，每個地埋換熱孔可以單獨控制，當(dāng)某一地埋管換熱器回路的PE 管出現(xiàn)漏水的情況，只需要單獨截斷壞損回路，僅報廢一個換熱孔。但是不容易做到同程設(shè)計，容易出水力不平衡的現(xiàn)象，局部需采用增加管路長度等特殊方式使其滿足平衡要求。

集管式連管方式容易做到同程設(shè)計，滿足水力平衡的要求。同程回路將總管與各個支管構(gòu)成循環(huán)環(huán)路總長度相等的系統(tǒng)，阻力大致相同，流量分配較均勻，可減少初次調(diào)整水力平衡的難度，但是初投資相對較大。異程式系統(tǒng)的總管與各個支管構(gòu)成的循環(huán)環(huán)路的總長度不相等，異程式系統(tǒng)最遠環(huán)路同最近環(huán)路之間的水力損失相差很大，壓力不易平衡，使得靠近總管附近的分管供水量過剩，而系統(tǒng)末端管供水不足，供熱量達不到要求。

根據(jù)多年工程經(jīng)驗，一般將地源熱泵地埋管水平集管連管方式分為同程集中式、同程分散式、異程集中式等幾種不同形式。根據(jù)項目場地情況，結(jié)合不同連管方式的特點，選擇合適的連管方式。

1.1 同程集中式

同程集中式是指水平管路同程布置，以達到水力平衡的要求，供回水管路集中敷設(shè)，地埋管的供回水管通向同一個檢查井。

此種方式是最為常規(guī)的一種連接工藝，其優(yōu)點在于設(shè)計方便，管路全部采用同程式連接，無水力失衡風(fēng)險，施工過程操作簡便，系統(tǒng)管路較少，投資成本較低。缺點在于系統(tǒng)檢修措施過于簡單，通常僅于總管路處設(shè)置檢查井，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，無法及時發(fā)現(xiàn)確切位置及對應(yīng)管道，檢修過程中需將管路全部關(guān)閉，影響系統(tǒng)正常使用，因此此種方式適宜單系統(tǒng)體量較小且管道埋深較淺的情況。

圖1 同程集中式連接示意圖Fig.1 Simultaneous centralized connection diagram

項目A 位于北京市延慶區(qū)，建筑面積2022.7m2。地埋換熱孔布置在綜合樓服務(wù)樓前空地處，數(shù)量為96 個，鉆孔深度100m，鉆孔間距為4.3m。孔數(shù)較少，系統(tǒng)體量小，水平管連接采用將地埋換熱孔劃分不同區(qū)域的局部同程分散式連管方式，供回水管進入不同的分集水器檢查井，與檢查井內(nèi)的分集水器相連，匯成總管通向機房，如圖2所示。

圖2 項目A 水平管連管方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of horizontal pipe connection for Project A

1.2 同程分散式

同程分散式是指將水平管路采用集管同程式連接，此種方式是將供水檢查井和回水檢查井分別對稱設(shè)置于地埋管區(qū)域外圍的兩端，將各分區(qū)換熱孔采用集管方式與各分區(qū)的供回水主管路連接，并以同程方式將供回水主管路沿不同方向逐一引至對應(yīng)的供水檢查井以及回水檢查井內(nèi)，并最終通過檢查進內(nèi)分集水器匯總為供（回）水總管引至機房。

此工藝優(yōu)點在于設(shè)計方便，管路全部采用同程式連接，無水力失衡風(fēng)險，施工過程操作簡便，運行維護管理方便，適宜單系統(tǒng)體量適中且場區(qū)規(guī)整的情況。缺點在于檢查井位置要求較為固定，需結(jié)合其他專業(yè)設(shè)計要求及場地條件進行優(yōu)化，且檢查井內(nèi)分集水器導(dǎo)致檢查井尺寸遠大于常規(guī)閥門井做法，檢查井以及分集水器的投資需要單獨計算。

圖3 同程分散式連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of simultaneous distributed connection

項目B 位于北京市昌平區(qū)，占地面積115017m2，共7 棟科研樓，建筑面積224800m2，其中地上160400m2，地下64400m2。系統(tǒng)共配置964 個地埋換熱孔，孔深為120m，換熱孔間距為5m。水平管連接采用所有地埋換熱孔供回水管路長度相同的完全同程分散式連管方式，在同程分散式系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，將換熱孔根據(jù)管路連接形式進行分區(qū)，并于每個分區(qū)的主管路處設(shè)置閥門井，用于對該分區(qū)內(nèi)系統(tǒng)管路進行檢修，檢修過程中僅需關(guān)閉對應(yīng)檢查井內(nèi)的閥門，不影響其它分支系統(tǒng)的正常使用。管道經(jīng)過閥門井與供回水總管相連，直接通向機房，如圖4所示。

圖4 項目B 水平管連管方式示意圖Fig.4 Schematic diagram of horizontal pipe connection for Project B

1.3 異程集中式

異程集中式是指水平管路采用異程式連接，供回水管集中敷設(shè)到檢查井內(nèi)，此種方式是將檢查井設(shè)置于地埋管區(qū)域附近，各分區(qū)換熱孔采用集管方式與各分區(qū)供回水主管路連接，并采用異程方式且逐一引至對應(yīng)的檢查井內(nèi)。

此工藝優(yōu)點在于換熱孔和檢查井位置靈活，管材少，施工過程操作簡便，適用于單系統(tǒng)體量較大且布孔區(qū)域形狀多變，檢查井可布位置受限且管路不易形成同程布置要求的情況。缺點在于管路全部采用異程式連接，存在水力失衡風(fēng)險，需經(jīng)過嚴(yán)格的水力計算進行校核，并根據(jù)校核結(jié)果調(diào)整對應(yīng)管路的管徑或采取其他有效的平衡措施。

圖5 異程集中式連接示意圖Fig.5 Schematic diagram of remote centralized connection

項目C 位于吉林省長春市，項目總用地面積約284898m2，總建筑面積約275388.42m2。地埋換熱孔布置在廠房建筑筏板基礎(chǔ)以下以及建筑周邊綠地等空地范圍，其中廠房建筑筏板基礎(chǔ)以下布孔共計1480 個，空地范圍布孔共計1520 個，合計3000個，孔深150m，孔間距為4.5m。此項目地埋孔布置區(qū)域較多，形狀不規(guī)則，不宜同程布置，為節(jié)省管材，降低施工成本，布置在空地范圍內(nèi)的地埋換熱孔的水平管采用異程集中式連管方式，供回水管采用異程的方式連接到相同的分集水器檢查井內(nèi)，與井內(nèi)的分集水器相連，匯成總管通向機房，如圖6所示。

圖6 項目C 水平管連管方式示意圖Fig.6 Schematic diagram of horizontal pipe connection for Project C

2 差異性分析

本文通過對上述三個項目不同連管方式進行簡化，以便能更直觀比較不同連管方式在水力損失、施工工藝以及經(jīng)濟上的差異。假設(shè)地埋換熱孔數(shù)量為64 個，單孔流量為1m3/h，孔深為150m，孔間距為5m。三個項目的連管方式經(jīng)簡化后如圖7～圖9所示。

圖7 項目A 局部同程分散式連管示意圖Fig.7 Schematic diagram of local parallel distributed pipe connection for Project A

圖8 項目B 完全同程分散式連管示意圖Fig.8 Schematic diagram of fully synchronous distributed pipe connection for Project B

圖9 項目C 異程集中式連管示意圖Fig.9 Schematic diagram of different distance centralized connection for Project B

2.1 水力平衡分析

地埋管換熱器管內(nèi)水力損失可以根據(jù)以下方法進行計算[4]。

（1）確定管內(nèi)流體的流量、公稱直徑和流體特性。

（2）根據(jù)公稱直徑，確定地埋管的內(nèi)徑。（3）計算地埋管的斷面面積A：

式中：A為地埋管的斷面面積，m2；dj為地埋管的內(nèi)徑，m。

（4）計算管內(nèi)流體的流速V：

式中：V為管內(nèi)流體的流速，m/s；G為管內(nèi)流體的流量，m3/h。

（5）計算管內(nèi)流體的雷諾數(shù)Re，Re應(yīng)該大于2300 以確保紊流：

式中：Re為管內(nèi)流體的雷諾數(shù)；ρ為管內(nèi)流體的密度，kg/m3；μ為管內(nèi)流體的動力黏度，N·s/m2。

（6）計算管段的沿程阻力Py：

式中：Py為計算管段的沿程阻力，Pa；Pd為計算管段單位管長的沿程阻力，Pa/m；L為計算管段的長度，m。

（7）計算管段的局部阻力Pj：

式中：jP為計算管段的沿程阻力，Pa；Lj為計算管段的長度，m。

（8）計算管段的總阻力Pz：

式中：PZ為計算管段的總阻力，Pa。

項目A 的連管方式屬于局部同程分散式連管方式，同組地埋換熱孔間不存在水力不平衡的情況，每組之間因到分集水器檢查井的距離不同存在水力不平衡的情況，需要對管路進行調(diào)整使其調(diào)節(jié)[5]。同時在地埋管孔的外側(cè)設(shè)置兩個分集水器檢查井，需要單獨進行施工。經(jīng)計算，局部同程分散式連管方式的地埋換熱孔至機房最不利環(huán)路總阻力為72065.10Pa，不平衡率控制在4.1%。

項目B 的連管方式屬于完全同程式分散式連管方式，對于不同孔間的水力損失是相同的，不存水利不平衡情況。其中管路中不需要設(shè)置分集水器，使用閥門井代替了分集水器檢查井，閥門井的尺寸遠小于檢查井，不需要單獨開挖分集水檢查井，施工難度減小，以其中一個換熱孔為例進行水力分析，經(jīng)計算，完全同程式分散式連管方式的地埋換熱孔至機房的總阻力損失為82502.44Pa。

項目C 的連管方式屬于異程集中式連管方式，將分集水器檢查井設(shè)置于地埋管區(qū)域附近，各個分區(qū)的地埋換熱孔采用集管方式與供回水主管路連接，采用異程方式逐一引入分集水器檢查井內(nèi)，經(jīng)過計算，并根據(jù)計算結(jié)果對管路進行調(diào)整，采取有效平衡措施。異程集中式連管方式管路中最不利環(huán)路的總阻力損失為67220.30Pa，不平衡率為5.1%。

表1 不同模式連管方式水力計算結(jié)果Table 1 Hydraulic calculation results of different modes of connection

三種連管方式里項目B 完全同程分散式連管方式的水力損失最大，不存在水力不平衡情況，項目C 異程集中式連管方式總水力損失最小，管路水力不平衡最大，項目A 局部同程分散式連管方式水力總阻力及不平衡率介于三者之間。

2.2 施工量對比分析

水平埋管主要包括塑料PE 管和無縫鋼管以及分集水器。由地埋換熱孔到分集水器檢查井或閥門井的管段材料為PE 管，由分集水器檢查井或閥門井到機房的管段一般采用鋼管。管溝開挖時開挖寬度根據(jù)水平管間距以及管道兩側(cè)預(yù)留的間距確定，溝槽開挖深度根據(jù)地埋管設(shè)計埋深確定。分集水器檢查井需單獨開挖進行施工，閥門井可隨管溝開挖直接設(shè)置，不許單獨施工開挖。

項目A 局部同程分散式連管形式設(shè)置有兩個分集水器檢查井，管道單層鋪設(shè)。地埋管采用集管形式連接至檢查井內(nèi)分集水器，每組分集水器8 組地埋管，每組地埋管8 個地埋換熱孔。經(jīng)計算，采用PE 管的水平集管總長度為788.5m，鋼管總管長度為87.3m，設(shè)計埋深均為1.5m，施工需要挖掘的土方量為847.1m3。

項目B 完全同程分散式連管形式不設(shè)置分集水器檢查井，地埋管單層鋪設(shè)，每組地埋換熱孔通過集管連接后通向兩端的閥門井，經(jīng)計算，采用PE 管的水平集管總長度為1078.96m，采用鋼管的長度為35.64m，設(shè)計埋深均為1.5m，施工需要挖掘的土方量為733.5m3。

項目C 異程集中式連管形式的管長分為地埋換熱孔至分集水器檢查井的水平集管，水平集管埋管分為上下兩層，采用PE 管的水平集管總長度為784.4m，上層管道設(shè)計埋深為1.5m，下層管道設(shè)計埋深為2.1m。管道從檢查井至機房的總管采用鋼管，其總長度為35.6m，設(shè)計埋深為1.5m，施工需要挖掘的土方量為658.8m3。

表2 不同模式連管方式統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistical results of different modes of connection

三種連管方式中項目A 局部同程分散式連管方式所需的管長最小，但施工中所需開挖的土方量最大，且系統(tǒng)中有兩個分集水器檢查井，施工工藝相對復(fù)雜。項目B 的完全同程分散式連管方式所需PE 管長度最大，鋼管長度最小，且沒有分集水器及其檢查井的施工，施工工藝簡單，施工中所需開挖的土方量介于三者之間。項目C 的異程集中式連管方式所需的PE 管長度最小，鋼管長度最大，有一個分集水器檢查井，施工中所需開挖的土方量最小。

3 結(jié)語

本文結(jié)合實際工程經(jīng)驗，根據(jù)不同項目之間的區(qū)別，分析了三種不同的地源熱泵地埋管水平連管方式。

（1）完全同程分散式連管方式總水力損失最大；異程集中式連管方式總水力損失最小，但不同換熱地埋孔水力不平衡率最大；局部同程分散式連管方式總水力損失介于三者之間，換熱地埋孔間水力不平衡較小。

（2）完全同程分散式連管方式所需PE 管長度最大，鋼管長度最小，施工開挖的土方量介于三者之間；異程集中式連管方式，所需的PE 管長度最小，鋼管長度最大，施工開挖的土方量最小；局部同程分散式連管方式，所需的管長之和最小，施工開挖的土方量最大。