被动式建筑浅层地热交换系统在某工程项目中的应用

王富民

(甘肃第三建设集团有限公司,甘肃 兰州 730000)

随着我国经济的快速发展,传统能源资源日渐紧张,需要研究开发新型能源代替传统资源。浅层地热资源储存量大、分布范围广、可循环利用,不仅开采成本低、技术成熟,而且不受地理条件影响,节能环保优势明显,具有一定的经济效益和社会效益[1]。

本文通过实际工程项目,总结出被动式建筑浅层地热交换系统的施工方法,从而实现夏季制冷、冬季制热等功能。建成的项目投入使用后,减少了标准煤和电能使用量,具有对大气无污染、能源利用率高等优势[2]。

1 工程项目

兰州新区某建设工程项目,该项目设计埋设通风管4根,材料为球磨铸铁管,每根管道长度30 m,埋设最低点距离正负零为2.5 m,管道按照2%进行放坡,相邻管道之间净距离为0.6 m,最内侧管道距离墙体0.8 m,管体上部覆土厚度2 m以上。冬季最大温升7.7 ℃,夏季最大温降10 ℃,施工过程使用了浅层地热交换系统施工方法,取得了较好的经济效益和社会效益。

2 该地区热能特点

(1) 该地区热能分布广泛,可直接利用,具有占地少、成本低、稳定性高、用途多样的特点,是具有竞争力的新能源。

(2) 地热作为清洁能源,环境效益显著。

(3) 浅层地热,施工难度小,可以普遍推广应用。

3 适用范围

本施工方法适用于位于夏热冬冷地区,近零能耗建筑、周边具有土壤资源的低密度建筑、具有土壤资源的低密度建筑及老旧小区改造,及农村危旧房屋改造项目[3]。

4 工艺原理

本施工方法中的浅层地热交换系统是指利用蓄存在土壤中的地热能冷却或加热室外空气,并由机械送风或诱导式通风,将处理后的空气送入室内,以改善室内热环境。利用地层对自然界的冷、热能量的储存作用来降低建筑物的空调采暖负荷[4]。地道风系统见图1。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 浅层地热交换系统施工工艺流程

浅层地热交换系统施工工艺流程见图2。

图2 施工工艺流程

5.2 操作要点

5.2.1测量放线

(1) 测量放线必须严格把关,反复校核,务求不出任何差错。

(2) 首先要根据建设单位及设备厂家提供的技术要求进行室内计算,校对完成后,根据图纸要求,在现场进行石灰撒线,确定开挖范围,包含放坡范围。

(3) 高程测量。在基坑开挖过程中,采用水准仪和塔尺后视现有建筑标高,通过现有建筑标高进行引测[5]。

5.2.2沟槽开挖

(1) 根据使用需要,选择开挖沟槽的宽度,以本项目为例,项目设计埋设通风管4根,相邻管道净距离为600 mm,最内侧管道距离墙体为800 mm,考虑到放坡安全,因此,本项目部开挖沟槽宽度为5 000 mm[6]。

(2) 管道埋设最低点距离正负零为2 100 mm,管道设计长度为30 000 mm,按照2%进行放坡。

5.2.3标高复核

基槽按照图纸设计要求开挖完成后,必须进行标高复核,从基槽开始,回测至现有建筑标高点处,若回测存在偏差,则现场及时进行整改。

5.2.4基层处理

(1) 挖至图纸要求标高时,选用小型压路机对原土基础进行压实处理,压实系数不小于0.94,对于机械够不到的地方,采用打夯机进行压实。

(2) 根据设计要求,在原土压实完毕后,在原土上铺设厚度为200 mm中砂,并采用压路机及打夯机进行密实处理[7]。

5.2.5管道安装

(1) 通风管道选用DN300球磨铸铁管,在安装时,若条件允许,选用吊车进行吊运。

(2) 4根管道安装时,需从头至尾顺序安装,不能安装完一条,再安装另外一条,防止在施工过程中,对已安装完的管道造成破坏,避免返工,造成工期延误;管道根据安装部位的不同,构造形式有所不同。管道连接使用90°全环氧双承插型(见图3),其余直接管道接头为承插型[8]。

图3 管道连接

(3) 管道吊运到安装位置后,在已固定管口内侧先涂刷一层胶水,粘接IM接口NBR胶圈,采用电动葫芦将预安装管道张拉至已安装管道接口处进行安装固定。

(4) 管道安装固定完毕后,临时采用木楔、木条进行固定,全部安装结束后,采用C15素混凝土对接口进行包裹,防止管道移位、接口开缝。

(5) 水平通风管安装完毕后,依次安装竖向通风管(见图4),通过90°全环氧双承弯头和NBR胶圈进行连接。

图4 竖向风管安装

(6) 管道安装过程中,最好能够做到提前预留孔洞,若需要在结构上面开孔或者开洞,影响建筑物结构安全时,需经过设计、建设、监理等单位的同意后方可施工。

(7) 管道安装完毕后,应及时对墙体孔洞间隙做填塞及防水处理。

5.2.6冷凝水井及土壤测温井安装

管道后期在运行过程中会产生冷凝水,因此,根据设计需要,在管道埋设的最低点需设置冷凝水集水井,按照每两根设置一处集水井进行施工。集水井选用与通风管同型号管材,通过PN10法兰盲板和PN10-16GS转接头与管道连接,形成冷凝竖井。土壤测温井与冷凝竖井加工方法相同,埋深为2.5 m[9]。

5.2.7管道试压

管线安装完毕后,在回填之前需进行管线气压试压(见图5)。气压试验参考标准是法国标准NF1610,目的是检测接口的密封性,管线试压压力为10 kPa,保压10 min,若压力下降小于1 kPa,则气压合格。

图5 管道试压

5.2.8管道回填

(1) 先采取人工回填的方式,对管道两侧进行回填(见图6),填塞密实,确保管道不会晃动。分层压实后,每层厚度为100～200 mm,压实系数不小于0.95[10]。

图6 管道回填

(2) 对管顶以上500 mm范围内,采用原土、中、粗砂或粒径<40 mm的沙砾进行回填,压实系数不小于0.9。

(3) 对于管顶500 mm以上,采用原土进行分层回填,分层压实,压实系数不小于0.9。

6 效益分析

6.1 经济效益

本项目1#办公楼应用地道风系统,冬季最大温升7.7 ℃,夏季最大温降10 ℃,1#办公楼采暖需求降低11 262 kW·h,制冷需求降低12 008 kW·h。减少了室内地暖及空调的使用量,减少了用电量,具有较好的经济效益;空气的密度为1.185 kg/m3,空气的比热是1.006 kJ/(kg·K),所以温度升高1 kW·h,需要消耗的能量是:

1×1.185×1.006=1.192 11 kJ

即在标准状况下,1 m3的空气温度升高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。

按照最好的空调效率90%计算,1 m3空气温度升高1 kW·h,耗电量为0.000 331 14÷0.9≈0.000 368 kW·h。当然,空调耗电还要考虑空调所在的工作环境,环境恶劣时,耗电量会急剧增加。

6.2 社会效益

根据统计分析,浅层地热交换系统大多数应用项目集中在华北和东北地区,此次在西北的首次应用分析研究,为西北寒冷地区采用浅层地热交换系统技术提供了经验。

7 结语

本文通过实际工程项目,总结出被动式建筑浅层地热交换系统施工方法,能够实现夏季制冷、冬季制热等功能,建成后的项目投入使用后,减少了标准煤和电能使用量,具有对大气无污染、能源利用率高等优势。