地埋管地源热泵系统常见问题及解决措施

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目前,地埋管地源热泵系统的工程应用中存在的问题是在现场测试、设计方法、施工质量控制与检测等方面存在一些问题。以下就对这三方面的问题及对应解决措施进行分析。

 

一、现场测试

1、存在问题

地埋管地源热泵系统的现场测试存在的问题主要体现在四个方面:

(1)如果按照每延米换热量进行系统设计,测试过程应该模拟土壤源热泵系统的哪一种工况,单独模拟一种工况是否具有足够的代表性;

(2)如果按照每延米换热量进行系统设计,测试孔的孔数应该如何确定;

(3)在某一特定工况下测试所得的每延米换热量的数据是否需要做相应的修正以用来作为系统设计的依据,如果需要修正又该如何修正;

(4)实测过程测试仪器的制热及制冷功率、地埋管换热器内的水流速度该如何确定。

2、解决措施

在某一特定工况及气候条件下测试得出的每延米换热量的值,若没有科学合理的方法被修正为设计值,也就没有达到现场测试为力求设计精确性的本来目的,这样的测试是没有必要的。通过分析现场测试数据计算出的应是某一相对固定的设计参数,这一参数应不受外界环境因素及系统运行工况的影响或影响较小,否则即使某一参数是通过分析实测数据计算所得也必须经过修正。

实测得到的每延米换热量不能够直接用于换热器系统的设计,而应首先做科学合理的修正,因此,获取的现场测试数据应被用于计算不受外界环境因素及系统运行工况影响或影响较小的参数,这也就是岩土的热物理参数,包括岩土的导热系数、比热容以及岩土的密度等。

自2009年6月1日起实行的《地源热泵系统工程技术规范》(GB50336-2005)局部修订的条文(以下简称规范),重点增加了岩土热响应的具体试验方法及相关内容的规定,并在此基础上对相关条文进行了修订,以正确指导地埋管地源热泵系统的设计和应用,如:当地埋管地源热泵系统的应用建筑面积在3000~5000㎡时,宜进行岩土热响应试验;当应用面积大于或等于5000㎡时,就进行岩土热响应试验等等。此次修订使规范的内容更加完善合理,对地源热泵空调技术在我国的健康发展起到很好的指导和规范作用。

 

二、设计方法

1、存在问题

当前土壤源热泵系统的地埋管换热器的设计主要有两种方法,即“动态负荷模拟设计法”及“每延米换热量法”。其中动态负荷模拟设计法能够较为全面的还原土壤源热泵系统实际运行的工况,是一种比较精确的设计方法;每延米换热量法存在着较多问题,这些问题主要集中在每延米换热量的确定方法上,与前述测试方法上存在的问题有所重复,该方法仅适用于方案设计阶段,施工图设计阶段应采用前一种方法。

造成每延米换热量法存在较多问题的原因主要是这种设计方法忽略了土壤源热泵系统的一个重要特性,即土壤源热泵系统的耦合性,表现在系统实际运行过程中浅层土壤的温度场分布受室外气候因素的影响很大,地埋管部分的进出水温度与建筑负荷之间联系密切,也即地埋管部分的实际换热量与建筑负荷的变化直接相关。

决定地埋管换热器实际换热量的因素是多方面的,除了工程所在地岩土热物理性质、换热器内水流速度(系统运行过程中往往控制换热器内水流速度为经济流速,即达到紊流状态时的最小流速)等相对固定的因素,还包括室外气象参数、建筑物负荷等随时间不断变化且变化幅度也较大的因素。因此,设计用每延米换热量的值若是根据经验估计则不可能具有说服力,若是工程所在地实地测试,则得到的只能是特定运行工况及特定气候条件下的某一特定数值,当前尚没有科学合理的修正计算方法将每延米换热量的测试值修正为设计值。每延米换热量设计法,由于其设计思想所存在的先天缺陷,使得依照此法设计的地埋管换热器系统为使系统安全运行则不得不过度增加保险系数。

2、解决措施

与每延米换热量法不同,动态负荷模拟设计法完全体现了土壤源热泵耦合性的特性,影响地埋管换热器换热量的岩土热物理参数是实地测试得出的,且热物理参数在岩土组成成分一定的前提下是相对固定的,在模拟设计软件中建立的系统模型考虑了建筑负荷及室外气候条件对地埋管换热器的影响。动态负荷模拟设计法更全面地考虑了地埋管换热器系统的影响因素,工程现场实测随时间及测试系统运行工况的变化相对固定的土壤热物理参数,现场实测更加科学合理。

在没有科学合理的修正计算方法将每延米换热量的测试值修正为设计值之前,动态负荷模拟设计法是解决每延米换热量设计法存在问题的惟一途径。

 

三、施工质量控制与检测

1、存在问题

地埋管换热器系统的施工质量对其换热效果具有巨大影响,规范中在施工质量控制方面缺少一些明确的强制性规定,从而使施工质量不易被严格把关。比较关键的两个技术环节包括:U形管地埋管换热器成孔孔径的最小值未做强制规定,回填方式使用机械回填或是原浆自然回填未做严格规定。

实际工程中,有的施工方为节省回填材料的使用及加快成孔的速度,成孔孔径尽可能的小,如单U埋管成孔孔径仅为110mm甚至更小,这种做法会极大地增加回填难度,若使用机械回填则泥浆泵导入管将很难深入孔内,若使用原浆自然回填则由于孔径过小回填不易密实,往往需要反复回填,即便如此仍无法保证回填的效果。

规范中规定U型管换热器宜采用机械回填的方式,但实际工程中采用这种方式的极少,若采用机械回填必将增加地源热泵系统的工程造价,并且已经运行的未采用机械回填的系统,并未出现系统制热或制冷出现严重问题的情况,因此绝大多数实际工程使用的都是原浆自然回填,但这种方式存在质量隐患也是事实。

无论是原浆自然回填还是机械回填,施工质量的检测也即回填密实性的检测都是必须的,但目前还没有检测回填密实性的方法,因此对这个施工技术环节的现场质量验收目前还无法操作。

2、解决措施

应明确U形管换热器成孔孔径的最小值;对原浆自然回填的效果进行评估,若评估认为自然回填的质量隐患很大,会对地埋管换热器的换热量产生巨大不利影响,则应禁止使用原浆自然回填且必须采用机械回填;应尽快建立一套检测回填密实性的测试方法,并且建立根据回填密实程度评定地埋管换热器施工质量的评定体系。