京沪高铁上海虹桥站地源热泵地埋管施工研究

刘森成

(上海市安装工程有限公司,上海 200080)

1 工程概况

京沪高速铁路上海虹桥站是上海虹桥交通枢纽核心区的重点工程,本工程建筑面积24万m2,空调面积约16.5万m2,采用垂直双U并联型埋管地源热泵空调系统,地源井孔径110～130mm,钻孔深度92m,有效深度90m,在南北2～15号站台下面钻孔1960个,水平管采用PE100d63管,垂直管采用PE100d32,共敷设垂直管(PE100d32)36万m,水平管(PE100d63)2.5万m,DN400二次热镀锌钢管3000m,7个垂直孔组成一个小支路,每个站台敷设10个回路,敷设在南北无站台柱雨棚14个站台的下部,每个回路均连接至综合管沟DN400总管。夏季总冷负荷19977kW,冬季总热负荷7126kW。本地源热泵系统为高铁主站房和南北辅楼提供冬季供暖全部热量,夏季与离心式冷水机组联合工作,用于补峰和夜间或过渡季低负荷情况下使用。

2 工程实施概况

2.1 施工基本流程

地源热泵地埋管施工程序如图1。

施工前应熟悉掌握埋管区域的工程勘察资料、设计文件和施工图纸,并完成施工方案,同时应充分了解埋管场地内已有地下管线。中铁24局分批次满足“三通一平”要求,以方便钻孔施工,场地内设泥浆池。成井过程应由专业施工队伍技术人员进行监督、监理旁站,选用站台中间线作为现场的永久目标进行定位放线,为满足换热需要,钻孔间距为4m×5m。

2.2 材料选择与制作过程的施工控制

2.2.1 原材料的选择

图1 地源热泵地埋管施工程序

地埋管的质量对地埋管换热系统至关重要。地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件,本工程采用高密度聚乙烯管(HDPE),垂直管采用D32(PE100)HDPE管承压2.5MPa的高密度聚乙烯管材。热熔连接,管件与管材为同厂出的相同材料,进场时,地埋管具有质量检验报告和生产厂的合格证,管材的公称压力及使用温度应满足设计要求。管材每盘管道长度控制在92m,进入现场的材料逐件检查,管子进场时轻拿轻放,严禁遇明火并防止利器损坏管子。竖直地埋管的U形弯管接头,选用定型的U形弯头成品件,管道和管件均遮光保存,防止太阳暴晒(图2)。

图2 准备下管的高密度聚乙烯管

2.2.2 U型管制作过程控制

HDPE管的预制是将需要下井的PE管、成品连接件制作成型,其形状呈U型,因此简称为U型管换热器,为防止其受损,下部端头采用多层胶带进行下管临时保护,所有垂直及水平管道采用热熔方法连接,管道连接以管道制造商和热熔焊机的技术要求为基础,操作工人经考试和技术评定合格后的管道工操作;地埋管采用切割器垂直切割,并用干毛巾将管口擦拭干净,管材插入加热套时要用手握紧,缓慢移动、严禁旋转,加热、冷却时间应符合要求,焊接完成后应检查焊瘤形状是否均匀、有无污染。U型管的组对长度预留1.5～2.0m,满足与环路接管连接的要求,HDPE管进行压力试验并一直保压,避免阳光直射发生热变形及老化(图3、图4、表1)。

图3 U型管专用接头

表1 PE管热熔连接技术要求

图4 PE水平管连接

2.2.3 地埋管系统施工过程控制

钻孔施工主要分为定孔位及钻孔两部分,定孔位由技术人员定位,旁站监理予以审核监督,钻孔前精确定位,允许偏差为5cm,施工过程中随时检查钻进垂直度以确保地源孔垂直度,钻杆每下进10m后须进行钻机本体水平度复核。当误差大于5‰时,必须进行调整,避免深度交叉损坏已完成的地源管,钻孔深度由钻杆长度来控制,钻井深度控制在92m,以确保下管90m深度的设计要求。垂直钻孔的不垂直度控制在2.5%以内。

2.2.4 下管过程

U形管安装在成孔后立即进行,由于钻孔完毕后孔内存有大量泥浆,对下管造成一定的困难,泥浆会影响孔洞的有效深度,因此U型管管内充水保压防止上浮,同时在孔口设置橡胶垫以防止U型管下管过程中受损,本工程采取机械下管方式,下管过程中,U形管内保持0.4MPa压力,每隔2m设置固定管卡,使进出水管隔离,防止短路降低热交换的效果,对连接水平管的2m长管道盘在管口,灌浆回填完成后用细沙覆盖予以保护。

2.2.5 回灌过程控制

垂直地埋管换热器安装完毕后,立即用灌浆材料回灌封孔。灌浆应从钻孔底部开始,自下而上,密实无空腔。回填工序也称为灌浆封井,正确的回填要达到两个目的,要强化埋管与钻孔壁之间的传热和实现密封的作用,避免地下含水层受到地表水等可能的污染。根据设计要求配比回填物料。回填物中不得含有大粒径的颗粒,采用泥浆泵灌浆。回填时必须根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出使混合浆自下而上回灌封井,确保回灌密实,无空腔,减少传热热阻。当上返泥浆密度与灌注材料的密度相同时,回填过程结束后封孔。回填完后将留在地面的管道管口进行封堵保护并进行标记,防止后续施工造成损坏。

2.2.6 水平管施工

水平管在站台基础上方,管道下方垫10cm细沙,同时水平管留有一定的膨胀收缩空间以应对热胀冷缩,本工程施工中防止无站台柱雨棚上部脚手架等坠落物体损坏水平管,同时管道不应有折断、扭结等问题,转弯处应光滑,并采取水泥墩固定。水平地埋管安装完毕后的四周用细沙保护,同时应对每根管进行打压试验,并在垫层实施过程中进行保压以保证水平管处于完好状态(图5)。

图5 综合管沟内PE管集分水器

2.2.7 管道试压

本工程地源热泵侧工作压力为0.8MPa,试验压力应为工作压力的1.5倍即1.4MPa,垂直管上部压力为1.4MPa时,90m深的管底即为2.3MPa,故我们垂直管试压压力表保持在1.0MPa,以防对管道造成损坏。用手动泵缓慢升压,升压过程中应随时观察与检查,不得有渗漏。地源热泵地埋管系统设置在站台板下方,一旦损坏几乎无法修复,故整个施工过程中都保压进行半成品的保护,并派专人监测,一旦发现那个支路泄压,立即查明原因,予以修复(图6)。

图6 水平管保压

2.2.8 管道系统施工验收

地源热泵系统的后续集分水器连接、设备运输和吊装、设备基础施工、热泵机组安装、水系统管道安装、阀门安装、管道保温施工、整体运转和调试等工作应符合相关专业规范要求。在验收时应注意管材、管件等材料应符合国家现行标准的规定,质保资料齐全;钻孔、水平埋管的位置和深度,地埋管的直径、壁厚及长度均应符合设计要求;回填料及其配比应符合设计要求;水压试验应全部合格。

3 施工中出现的问题与对策

3.1 施工现场泥浆的处理

钻孔过程中产生大量的泥浆,本工程施工区域上方即为未来的高铁站站台,泥浆必须清理,否则容易引起不均匀沉降。为满足未来站台的使用要求,每个站台准备3个泥浆池,大小为2m×1m×1m,泥浆外运处理。

3.2 钻孔

本区域土质较好,但靠近站房两侧局部区域为基坑开挖后回填,钻孔最大的难度是穿越流沙和废弃混凝土基础,本工程13个孔井遇到此类问题,与设计协商沟通后在4号站台外侧增设孔井解决此类问题,故钻孔前应充分了解地质情况,做好应对困难的准备。

3.2 U型管制作及下管

U型管制作的主要问题U型管底部保护措施不到位、U型管两支管无可靠措施分离、热熔接头连接质量差等问题,这需要施工方提前确定验收标准,严格控制制作质量。垂直管应保持一根整管,杜绝中间接头出现,水平管与垂直管及水平管之间的管接口的热熔连接是最重要的,一旦接口出现问题,该孔井就废掉。下管过程中,现场实际观察,井口与管道的摩擦较为严重,对地埋管损坏较大,建议在井口与管道之间铺设橡胶垫等摩擦力小的物体,保护下管管道外壁。

3.3 回灌

回灌工作对整个地埋管系统的最终效果影响非常大,同济大学暖通空调及燃气研究所2009年5月做的热响应测试报告说明,回填非常重要,回填出现问题,严重影响热交换效率。施工方常常不按要求制配回填料,且没有采用机械灌浆以保证灌浆密实,常常采用原浆回填,也使得回灌工作形同虚设,回灌效果差,因此施工方应严格按方案要求实施回灌工作。国家应根据各地方土质情况特点,尽快出台地源热泵施工及验收规范,而不仅仅是技术规范,应根据全国地质情况的不同,出台具体的回灌要求和回填料的具体配比。回灌配料比及回灌过程建议设为强制性标准并监理旁站予以全程监督。

3.4 水平管埋设

水平管施工主要问题是对管周围细沙保护问题重视不够,不能满足规范要求从而影响了水平管的保护管理,因此施工方应加强垫层施工前的隐蔽验收。同时对铁路工程地源热泵的施工时,仅仅是敷沙保护水平管是远远不够的,应覆土保护至少50cm厚,已确保水平管不被坠落物体打击损坏。水平管敷设在基本站台下2.5m左右,在整个覆土过程中,严密观察每个回路保压情况,一旦出现保压失败现象,立即查明原因,如果在站台大理石铺砌完成后,才发现该问题,需开挖2.5m厚的土层,查明原因及其困难,并且维修成本高昂,所以在本工程中,水平和垂直管的保护非常关键。

4 结语

本文主要对高铁上海虹桥站地源热泵地埋管系统中高密度聚乙烯管道敷设工作的施工控制要点及易出现的问题进行了总结。该项目还未投入使用,目前正在前期调试工作,具体运行参数待调试试运行完后后调试报告中给出,由于项目存在特征差异(含江南和长江以北区域),不能一概而论,但地源热泵作为一个新技术,施工方应结合工程实例,并按照国家规程及技术标准设置施工控制点,以保证最终使用效果。为在全国范围内推广该技术提供一点经验和施工方法。

[1]中华人民共和国建设部.GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2]上海虹桥站工程项目管理部.京沪高速铁路上海虹桥站新建工程地埋管热响应测试报告[R].上海:同济大学,2009.