辛立明 高 朋 王玉超 朱永強(qiáng) 劉啟明 甄璐瑩

（北京市勘察設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)地下巖土體循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與地下巖土進(jìn)行熱量交換，并通過(guò)熱泵實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lèi)。豎直埋管由于占地少、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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(duì)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(guò)程的工藝、地埋管水力損失、運(yùn)行維護(hù)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(duì)地源熱泵系統(tǒng)在實(shí)際工程中應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

本文總結(jié)了水平集管的幾種連管方式，并以實(shí)際工程項(xiàng)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(shí)際工程中常見(jiàn)到的水平管連管類(lèi)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(wú)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(chǎng)地來(lái)合理的選用[3]。非集管式連管方式是將每個(gè)地埋管換熱器單獨(dú)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(diǎn)，此種連管方式降低了管路泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，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(gè)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(guò)程操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行維護(hù)管理方便，但是管路中連接點(diǎn)較多，存在泄露的風(fēng)險(xiǎn)。兩種連管方式在條件允許下均可同程敷設(shè)，以確保整個(gè)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(diǎn)少的優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)地埋換熱孔可以單獨(dú)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(dú)截?cái)鄩膿p回路，僅報(bào)廢一個(gè)換熱孔。但是不容易做到同程設(shè)計(jì)，容易出水力不平衡的現(xiàn)象，局部需采用增加管路長(zhǎng)度等特殊方式使其滿(mǎn)足平衡要求。

集管式連管方式容易做到同程設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足水力平衡的要求。同程回路將總管與各個(gè)支管構(gòu)成循環(huán)環(huán)路總長(zhǎng)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(duì)較大。異程式系統(tǒng)的總管與各個(gè)支管構(gòu)成的循環(huán)環(huán)路的總長(zhǎng)度不相等，異程式系統(tǒng)最遠(yuǎn)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(guò)剩，而系統(tǒng)末端管供水不足，供熱量達(dá)不到要求。

根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)，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(xiàng)目場(chǎng)地情況，結(jié)合不同連管方式的特點(diǎn)，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(dá)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(gè)檢查井。

此種方式是最為常規(guī)的一種連接工藝，其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)方便，管路全部采用同程式連接，無(wú)水力失衡風(fēng)險(xiǎn)，施工過(guò)程操作簡(jiǎn)便，系統(tǒng)管路較少，投資成本較低。缺點(diǎn)在于系統(tǒng)檢修措施過(guò)于簡(jiǎn)單，通常僅于總管路處設(shè)置檢查井，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)確切位置及對(duì)應(yīng)管道，檢修過(guò)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(xiàng)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(gè)，鉆孔深度100m，鉆孔間距為4.3m?？讛?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(jìn)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(jī)房，如圖2所示。

圖2 項(xiàng)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(duì)稱(chēng)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(duì)應(yīng)的供水檢查井以及回水檢查井內(nèi)，并最終通過(guò)檢查進(jìn)內(nèi)分集水器匯總為供（回）水總管引至機(jī)房。

此工藝優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)方便，管路全部采用同程式連接，無(wú)水力失衡風(fēng)險(xiǎn)，施工過(guò)程操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行維護(hù)管理方便，適宜單系統(tǒng)體量適中且場(chǎng)區(qū)規(guī)整的情況。缺點(diǎn)在于檢查井位置要求較為固定，需結(jié)合其他專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)要求及場(chǎng)地條件進(jìn)行優(yōu)化，且檢查井內(nèi)分集水器導(dǎo)致檢查井尺寸遠(yuǎn)大于常規(guī)閥門(mén)井做法，檢查井以及分集水器的投資需要單獨(dú)計(jì)算。

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

項(xiàng)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(gè)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(zhǎng)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(jìn)行優(yōu)化，將換熱孔根據(jù)管路連接形式進(jìn)行分區(qū)，并于每個(gè)分區(qū)的主管路處設(shè)置閥門(mén)井，用于對(duì)該分區(qū)內(nèi)系統(tǒng)管路進(jìn)行檢修，檢修過(guò)程中僅需關(guān)閉對(duì)應(yīng)檢查井內(nèi)的閥門(mén)，不影響其它分支系統(tǒng)的正常使用。管道經(jīng)過(guò)閥門(mén)井與供回水總管相連，直接通向機(jī)房，如圖4所示。

圖4 項(xiàng)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(duì)應(yīng)的檢查井內(nèi)。

此工藝優(yōu)點(diǎn)在于換熱孔和檢查井位置靈活，管材少，施工過(guò)程操作簡(jiǎn)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(diǎn)在于管路全部采用異程式連接，存在水力失衡風(fēng)險(xiǎn)，需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的水力計(jì)算進(jìn)行校核，并根據(jù)校核結(jié)果調(diào)整對(duì)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(xiàng)目C 位于吉林省長(zhǎng)春市，項(xiàng)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(jì)1480 個(gè)，空地范圍布孔共計(jì)1520 個(gè)，合計(jì)3000個(gè)，孔深150m，孔間距為4.5m。此項(xiàng)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(jī)房，如圖6所示。

圖6 項(xiàng)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(guò)對(duì)上述三個(gè)項(xiàng)目不同連管方式進(jìn)行簡(jiǎn)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(jì)上的差異。假設(shè)地埋換熱孔數(shù)量為64 個(gè)，單孔流量為1m3/h，孔深為150m，孔間距為5m。三個(gè)項(xiàng)目的連管方式經(jīng)簡(jiǎn)化后如圖7～圖9所示。

圖7 項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(jìn)行計(jì)算[4]。

（1）確定管內(nèi)流體的流量、公稱(chēng)直徑和流體特性。

（2）根據(jù)公稱(chēng)直徑，確定地埋管的內(nèi)徑。（3）計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)力黏度，N·s/m2。

（6）計(jì)算管段的沿程阻力Py：

式中：Py為計(jì)算管段的沿程阻力，Pa；Pd為計(jì)算管段單位管長(zhǎng)的沿程阻力，Pa/m；L為計(jì)算管段的長(zhǎng)度，m。

（7）計(jì)算管段的局部阻力Pj：

式中：jP為計(jì)算管段的沿程阻力，Pa；Lj為計(jì)算管段的長(zhǎng)度，m。

（8）計(jì)算管段的總阻力Pz：

式中：PZ為計(jì)算管段的總阻力，Pa。

項(xiàng)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(duì)管路進(jìn)行調(diào)整使其調(diào)節(jié)[5]。同時(shí)在地埋管孔的外側(cè)設(shè)置兩個(gè)分集水器檢查井，需要單獨(dú)進(jìn)行施工。經(jīng)計(jì)算，局部同程分散式連管方式的地埋換熱孔至機(jī)房最不利環(huán)路總阻力為72065.10Pa，不平衡率控制在4.1%。

項(xiàng)目B 的連管方式屬于完全同程式分散式連管方式，對(duì)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(mén)井代替了分集水器檢查井，閥門(mén)井的尺寸遠(yuǎn)小于檢查井，不需要單獨(dú)開(kāi)挖分集水檢查井，施工難度減小，以其中一個(gè)換熱孔為例進(jìn)行水力分析，經(jīng)計(jì)算，完全同程式分散式連管方式的地埋換熱孔至機(jī)房的總阻力損失為82502.44Pa。

項(xiàng)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(gè)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(guò)計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)管路進(jìn)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(jì)算結(jié)果Table 1 Hydraulic calculation results of different modes of connection

三種連管方式里項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(duì)比分析

水平埋管主要包括塑料PE 管和無(wú)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(mén)井的管段材料為PE 管，由分集水器檢查井或閥門(mén)井到機(jī)房的管段一般采用鋼管。管溝開(kāi)挖時(shí)開(kāi)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(kāi)挖深度根據(jù)地埋管設(shè)計(jì)埋深確定。分集水器檢查井需單獨(dú)開(kāi)挖進(jìn)行施工，閥門(mén)井可隨管溝開(kāi)挖直接設(shè)置，不許單獨(dú)施工開(kāi)挖。

項(xiàng)目A 局部同程分散式連管形式設(shè)置有兩個(gè)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(gè)地埋換熱孔。經(jīng)計(jì)算，采用PE 管的水平集管總長(zhǎng)度為788.5m，鋼管總管長(zhǎng)度為87.3m，設(shè)計(jì)埋深均為1.5m，施工需要挖掘的土方量為847.1m3。

項(xiàng)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(guò)集管連接后通向兩端的閥門(mén)井，經(jīng)計(jì)算，采用PE 管的水平集管總長(zhǎng)度為1078.96m，采用鋼管的長(zhǎng)度為35.64m，設(shè)計(jì)埋深均為1.5m，施工需要挖掘的土方量為733.5m3。

項(xiàng)目C 異程集中式連管形式的管長(zhǎng)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(zhǎng)度為784.4m，上層管道設(shè)計(jì)埋深為1.5m，下層管道設(shè)計(jì)埋深為2.1m。管道從檢查井至機(jī)房的總管采用鋼管，其總長(zhǎng)度為35.6m，設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of different modes of connection

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

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同項(xiàng)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(zhǎng)度最大，鋼管長(zhǎng)度最小，施工開(kāi)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(zhǎng)度最小，鋼管長(zhǎng)度最大，施工開(kāi)挖的土方量最?。痪植客谭稚⑹竭B管方式，所需的管長(zhǎng)之和最小，施工開(kāi)挖的土方量最大。