地埋管地源热泵系统水平集管连管方式的研究

2022-08-01辛立明王玉超朱永强刘启明甄璐莹

制冷与空调 2022年3期

辛立明高朋王玉超朱永强刘启明甄璐莹

（北京市勘察设计研究院有限公司北京 100038）

0 引言

地埋管地源热泵系统是以地下岩土中热量为冷热源，通过中间介质作为热载体，并使中间介质在由塑料管组成的封闭环路中通过地下岩土体循环流动，从而实现与地下岩土进行热量交换，并通过热泵实现对建筑室内供冷供热。根据地埋管换热器的布置形式不同，可以分为水平埋管和竖直埋管换热器两大类。竖直埋管由于占地少、工作性能稳定等优点，已经成为工程应用中的主导形式[1]。

地源热泵室外地埋管系统是由垂直地埋管换热器、水平供回水管道以及检查井和对应的分集水器等几部分组成，其中垂直地埋管换热器管道的连管方式通常有两种，一种是单U 型，一种是双U型；水平供回水管道的连管方式通常有两种，一种是集管式，一种是非集管式；对于水平管供回水系统形式又可分为同程式和异程式两种。

水平供回水管的连管方式与系统初投资、施工过程的工艺、地埋管水力损失、运行维护管理等都有密切关系[2]，因此研究地源热泵系统水平集管的连管方式对地源热泵系统在实际工程中应用具有深远意义。

本文总结了水平集管的几种连管方式，并以实际工程项目为例，分析不同连管方式的差异性。

1 水平管连管方式

目前实际工程中常见到的水平管连管类型主要包括集管同程式、集管局部同程式、集管异程式、集管无变径连接式、非集管同程式、非集管局部同程式和非集管异程式。不同的连管方式可以根据施工场地来合理的选用[3]。非集管式连管方式是将每个地埋管换热器单独汇总至分集水器，管道在地埋换热孔到分集水器之间不存在焊接点，此种连管方式降低了管路泄漏的风险，可靠性高，但是需要消耗大量管材，靠近分集水器附近管路数量较多，管沟占地面积较大。集管式连管方式是将多个地埋管换热器并联至环路集管，再由集管连接到分集水器，此种连管方式管路施工过程操作简便，运行维护管理方便，但是管路中连接点较多，存在泄露的风险。两种连管方式在条件允许下均可同程敷设，以确保整个地埋管换热系统流量水力平衡。

非集管式连管方式具有焊接节点少的优点，每个地埋换热孔可以单独控制，当某一地埋管换热器回路的PE 管出现漏水的情况，只需要单独截断坏损回路，仅报废一个换热孔。但是不容易做到同程设计，容易出水力不平衡的现象，局部需采用增加管路长度等特殊方式使其满足平衡要求。

集管式连管方式容易做到同程设计，满足水力平衡的要求。同程回路将总管与各个支管构成循环环路总长度相等的系统，阻力大致相同，流量分配较均匀，可减少初次调整水力平衡的难度，但是初投资相对较大。异程式系统的总管与各个支管构成的循环环路的总长度不相等，异程式系统最远环路同最近环路之间的水力损失相差很大，压力不易平衡，使得靠近总管附近的分管供水量过剩，而系统末端管供水不足，供热量达不到要求。

根据多年工程经验，一般将地源热泵地埋管水平集管连管方式分为同程集中式、同程分散式、异程集中式等几种不同形式。根据项目场地情况，结合不同连管方式的特点，选择合适的连管方式。

1.1 同程集中式

同程集中式是指水平管路同程布置，以达到水力平衡的要求，供回水管路集中敷设，地埋管的供回水管通向同一个检查井。

此种方式是最为常规的一种连接工艺，其优点在于设计方便，管路全部采用同程式连接，无水力失衡风险，施工过程操作简便，系统管路较少，投资成本较低。缺点在于系统检修措施过于简单，通常仅于总管路处设置检查井，当系统出现问题时，无法及时发现确切位置及对应管道，检修过程中需将管路全部关闭，影响系统正常使用，因此此种方式适宜单系统体量较小且管道埋深较浅的情况。

图1 同程集中式连接示意图Fig.1 Simultaneous centralized connection diagram

项目A 位于北京市延庆区，建筑面积2022.7m2。地埋换热孔布置在综合楼服务楼前空地处，数量为96 个，钻孔深度100m，钻孔间距为4.3m。孔数较少，系统体量小，水平管连接采用将地埋换热孔划分不同区域的局部同程分散式连管方式，供回水管进入不同的分集水器检查井，与检查井内的分集水器相连，汇成总管通向机房，如图2所示。

图2 项目A 水平管连管方式示意图Fig.2 Schematic diagram of horizontal pipe connection for Project A

1.2 同程分散式

同程分散式是指将水平管路采用集管同程式连接，此种方式是将供水检查井和回水检查井分别对称设置于地埋管区域外围的两端，将各分区换热孔采用集管方式与各分区的供回水主管路连接，并以同程方式将供回水主管路沿不同方向逐一引至对应的供水检查井以及回水检查井内，并最终通过检查进内分集水器汇总为供（回）水总管引至机房。

此工艺优点在于设计方便，管路全部采用同程式连接，无水力失衡风险，施工过程操作简便，运行维护管理方便，适宜单系统体量适中且场区规整的情况。缺点在于检查井位置要求较为固定，需结合其他专业设计要求及场地条件进行优化，且检查井内分集水器导致检查井尺寸远大于常规阀门井做法，检查井以及分集水器的投资需要单独计算。

图3 同程分散式连接示意图Fig.3 Schematic diagram of simultaneous distributed connection

项目B 位于北京市昌平区，占地面积115017m2，共7 栋科研楼，建筑面积224800m2，其中地上160400m2，地下64400m2。系统共配置964 个地埋换热孔，孔深为120m，换热孔间距为5m。水平管连接采用所有地埋换热孔供回水管路长度相同的完全同程分散式连管方式，在同程分散式系统基础上进行优化，将换热孔根据管路连接形式进行分区，并于每个分区的主管路处设置阀门井，用于对该分区内系统管路进行检修，检修过程中仅需关闭对应检查井内的阀门，不影响其它分支系统的正常使用。管道经过阀门井与供回水总管相连，直接通向机房，如图4所示。

图4 项目B 水平管连管方式示意图Fig.4 Schematic diagram of horizontal pipe connection for Project B

1.3 异程集中式

异程集中式是指水平管路采用异程式连接，供回水管集中敷设到检查井内，此种方式是将检查井设置于地埋管区域附近，各分区换热孔采用集管方式与各分区供回水主管路连接，并采用异程方式且逐一引至对应的检查井内。

此工艺优点在于换热孔和检查井位置灵活，管材少，施工过程操作简便，适用于单系统体量较大且布孔区域形状多变，检查井可布位置受限且管路不易形成同程布置要求的情况。缺点在于管路全部采用异程式连接，存在水力失衡风险，需经过严格的水力计算进行校核，并根据校核结果调整对应管路的管径或采取其他有效的平衡措施。

图5 异程集中式连接示意图Fig.5 Schematic diagram of remote centralized connection

项目C 位于吉林省长春市，项目总用地面积约284898m2，总建筑面积约275388.42m2。地埋换热孔布置在厂房建筑筏板基础以下以及建筑周边绿地等空地范围，其中厂房建筑筏板基础以下布孔共计1480 个，空地范围布孔共计1520 个，合计3000个，孔深150m，孔间距为4.5m。此项目地埋孔布置区域较多，形状不规则，不宜同程布置，为节省管材，降低施工成本，布置在空地范围内的地埋换热孔的水平管采用异程集中式连管方式，供回水管采用异程的方式连接到相同的分集水器检查井内，与井内的分集水器相连，汇成总管通向机房，如图6所示。

图6 项目C 水平管连管方式示意图Fig.6 Schematic diagram of horizontal pipe connection for Project C

2 差异性分析

本文通过对上述三个项目不同连管方式进行简化，以便能更直观比较不同连管方式在水力损失、施工工艺以及经济上的差异。假设地埋换热孔数量为64 个，单孔流量为1m3/h，孔深为150m，孔间距为5m。三个项目的连管方式经简化后如图7～图9所示。

图7 项目A 局部同程分散式连管示意图Fig.7 Schematic diagram of local parallel distributed pipe connection for Project A

图8 项目B 完全同程分散式连管示意图Fig.8 Schematic diagram of fully synchronous distributed pipe connection for Project B

图9 项目C 异程集中式连管示意图Fig.9 Schematic diagram of different distance centralized connection for Project B

2.1 水力平衡分析

地埋管换热器管内水力损失可以根据以下方法进行计算[4]。

（1）确定管内流体的流量、公称直径和流体特性。

（2）根据公称直径，确定地埋管的内径。（3）计算地埋管的断面面积A：

式中：A为地埋管的断面面积，m2；dj为地埋管的内径，m。

（4）计算管内流体的流速V：

式中：V为管内流体的流速，m/s；G为管内流体的流量，m3/h。

（5）计算管内流体的雷诺数Re，Re应该大于2300 以确保紊流：

式中：Re为管内流体的雷诺数；ρ为管内流体的密度，kg/m3；μ为管内流体的动力黏度，N·s/m2。

（6）计算管段的沿程阻力Py：

式中：Py为计算管段的沿程阻力，Pa；Pd为计算管段单位管长的沿程阻力，Pa/m；L为计算管段的长度，m。

（7）计算管段的局部阻力Pj：

式中：jP为计算管段的沿程阻力，Pa；Lj为计算管段的长度，m。

（8）计算管段的总阻力Pz：

式中：PZ为计算管段的总阻力，Pa。

项目A 的连管方式属于局部同程分散式连管方式，同组地埋换热孔间不存在水力不平衡的情况，每组之间因到分集水器检查井的距离不同存在水力不平衡的情况，需要对管路进行调整使其调节[5]。同时在地埋管孔的外侧设置两个分集水器检查井，需要单独进行施工。经计算，局部同程分散式连管方式的地埋换热孔至机房最不利环路总阻力为72065.10Pa，不平衡率控制在4.1%。

项目B 的连管方式属于完全同程式分散式连管方式，对于不同孔间的水力损失是相同的，不存水利不平衡情况。其中管路中不需要设置分集水器，使用阀门井代替了分集水器检查井，阀门井的尺寸远小于检查井，不需要单独开挖分集水检查井，施工难度减小，以其中一个换热孔为例进行水力分析，经计算，完全同程式分散式连管方式的地埋换热孔至机房的总阻力损失为82502.44Pa。

项目C 的连管方式属于异程集中式连管方式，将分集水器检查井设置于地埋管区域附近，各个分区的地埋换热孔采用集管方式与供回水主管路连接，采用异程方式逐一引入分集水器检查井内，经过计算，并根据计算结果对管路进行调整，采取有效平衡措施。异程集中式连管方式管路中最不利环路的总阻力损失为67220.30Pa，不平衡率为5.1%。

表1 不同模式连管方式水力计算结果Table 1 Hydraulic calculation results of different modes of connection

三种连管方式里项目B 完全同程分散式连管方式的水力损失最大，不存在水力不平衡情况，项目C 异程集中式连管方式总水力损失最小，管路水力不平衡最大，项目A 局部同程分散式连管方式水力总阻力及不平衡率介于三者之间。

2.2 施工量对比分析

水平埋管主要包括塑料PE 管和无缝钢管以及分集水器。由地埋换热孔到分集水器检查井或阀门井的管段材料为PE 管，由分集水器检查井或阀门井到机房的管段一般采用钢管。管沟开挖时开挖宽度根据水平管间距以及管道两侧预留的间距确定，沟槽开挖深度根据地埋管设计埋深确定。分集水器检查井需单独开挖进行施工，阀门井可随管沟开挖直接设置，不许单独施工开挖。

项目A 局部同程分散式连管形式设置有两个分集水器检查井，管道单层铺设。地埋管采用集管形式连接至检查井内分集水器，每组分集水器8 组地埋管，每组地埋管8 个地埋换热孔。经计算，采用PE 管的水平集管总长度为788.5m，钢管总管长度为87.3m，设计埋深均为1.5m，施工需要挖掘的土方量为847.1m3。

项目B 完全同程分散式连管形式不设置分集水器检查井，地埋管单层铺设，每组地埋换热孔通过集管连接后通向两端的阀门井，经计算，采用PE 管的水平集管总长度为1078.96m，采用钢管的长度为35.64m，设计埋深均为1.5m，施工需要挖掘的土方量为733.5m3。

项目C 异程集中式连管形式的管长分为地埋换热孔至分集水器检查井的水平集管，水平集管埋管分为上下两层，采用PE 管的水平集管总长度为784.4m，上层管道设计埋深为1.5m，下层管道设计埋深为2.1m。管道从检查井至机房的总管采用钢管，其总长度为35.6m，设计埋深为1.5m，施工需要挖掘的土方量为658.8m3。

表2 不同模式连管方式统计结果Table 2 Statistical results of different modes of connection

三种连管方式中项目A 局部同程分散式连管方式所需的管长最小，但施工中所需开挖的土方量最大，且系统中有两个分集水器检查井，施工工艺相对复杂。项目B 的完全同程分散式连管方式所需PE 管长度最大，钢管长度最小，且没有分集水器及其检查井的施工，施工工艺简单，施工中所需开挖的土方量介于三者之间。项目C 的异程集中式连管方式所需的PE 管长度最小，钢管长度最大，有一个分集水器检查井，施工中所需开挖的土方量最小。