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1、某高档住宅楼空调系统设计方 案某高档住宅楼空调系统设计方案一、工程概况占地面积1公顷，总建筑面积约22万平米，地下室约55000m2o 本工程的目标是建设一座高舒适度、低能耗、健康、绿色、环保型的 里程碑式住宅建筑，它充分利用现有的建筑类高科技力量，对其屋面、 外墙、外窗、釆暖、制冷、新风等进行了全面的系统的优化设计，从 而满足一部分人对高品质居住、办公、购物、休闲的要求，在节约能 源的情况下，实现他们对高品质生活的追求。二、空调系统概述系统设计充分考虑初投资和运行费用，采用以地源热泵为主，燃 气锅炉和冷却塔作调峰的复合式系统。由于地处北京市核心地带，没 有场地，因此将土壤换热器设置在车库底板
2、下，共计635组双U换 热管，埋深100米。本项目的末端系统为顶棚辐射+新风系统;地源热 泵机组夏季的排热由土壤换热器和冷却塔完成;冬季取热源由土壤换 热器实现，不足部分釆用燃气热水锅炉;生活热水部分通过热泵机组 热回收实现，不足部分通过燃气锅炉提供。具体见下图。折凤胭味统|r擁-段&卜一2、 1灵统夏挙工祝1：壤快姚科JTI隅炉顶棚辐対紊统新风机Mfk生活热水策统冬军工况工程图三、土壤换热器系统设计31、土壤换热器系统介绍土壤换热器系统是由埋设在地下的PE管（高密度聚乙烯管）和循 环泵及相关附属部件组成。地源热泵系统的土壤换热器埋置方式多种 多样。目前普遍釆用的有水平埋管和垂直埋管两种基本的
3、配置形式。水平埋管是在浅层土壤中挖沟渠，将土壤换热器（PE管）水平的 埋置于沟渠中，并填埋的施工工艺。垂直埋管是在地层中垂直钻孔，然后将地下土壤换热器（PE管） 以一定的方式置于孔中，并在孔中注入填充材料的施工工艺。水平埋管垂直埋管水平埋目前在管国内还没有大面积推广，有效的实测数据也很 少，参照国外的参考数据，水平埋管每米换热量取8w/m。本项目最 初设计考虑了 4000m的水平换热管，水平埋管总热交换量为32kw, 如此小的换热量在整个系统中所起到的作用可以说是微不足道，所 以，在最终的方案中取消了水平埋管方式。最终方案中采取了在地下二层车库的底板下面埋置土壤换热器 的垂直埋管方式，共埋置土
4、壤换热器的数量为635个。32、土壤换热器的现场测试、测试目的为了使设计参数更加优化、合理，在现场采用我们自主开发的测 试仪器对现场进行了换热孔的具体测试，具体的测试目的为：1、获取土壤换热器每延米的换热量。2、确定最佳的钻孔机具。3、确定土壤换热器换热孔的最佳深度和合理间距。4、确定最佳填料。5、结合钻进难度，合理安排施工工期。测试原理该测试简单模拟地源热泵空调系统夏季制冷的运行模式，具体测 试原理如下：将仪器的水路循环部分与所要测试换热孔内的PE管路相连接， 形成闭式环路，通过仪器内的微型循环水泵驱动环路内的液体不断循 环，同时仪器内的加热器不断加热环路中的液体。该闭式环路内的液 体不断循
5、环,加热器所产生的热量就不断通过换热孔内的换热管释放 到地下。在闭式环路内的液体循环的过程中，将进/出仪器的温度、 流量和加热器的加热功率进行釆集记录,来进行分析计算土壤的热物 性参数。其原理如下图：测试原理图、测试内容本次测试共钻了 3个120m深的换热孔，且分别启用了三种不同的钻机进行钻孔，成孔后进行视电阻率测井。在其中的2个换热孔内分别下 入双U型换热管后进行模拟测试。324、测试结果1、视电阻率测井结果表明本项目现场第四系的地层粘土较少、 砂砾石居多，而且赋水率很高。所以换热孔釆用的最佳填料应该是级 配砂石料，因为级配砂石填料的透水性好，不阻断地下水在换热孔处 的流动，更有助于换热孔与
6、周围土壤的换热，地下水流对换热管、填 料及周围土壤的换热性能有很大的影响,也就是说级配砂石填料在这 种赋水率比较高的地层中比其他填料的的效果要好。2、测试中启用了三种不同的钻机，以下为三种不同钻机的性能 及实际钻进情况：性济性名歯袖圧hot估o ir.昧迟巧袪力匹倔坏何救人诂13Ur it 叮凋丿、32ILK-235mm120mSPC-3O0MOSFK?JFKiA遇.u-fitfim 牧a.孔样120mDT10Oikvmn f i me. we 取“方便.可皱备忡廉位矣试. 愛如方便F第塔谄况.Nil 6?堆廣责34 4时 几桧100mm fttt 100mft林三种钻机的性能及钻进情况通过以
7、上对岩芯1000m钻、黄河钻和汽车工程钻在本项目现场 的钻探比较，可以看出钻井速度最快的是黄河钻，其次是岩芯1000m 钻，最慢的是汽车工程钻;岩芯1000m钻和黄河钻所钻孔径适合方便的下入双U型换热管;岩芯1000m钻的工程成本最低，综合分析后， 本项目应该釆用岩芯1000m钻。3、利用专业软件模拟对地下岩土温度变化情况进行模拟，以获 取换热孔的最佳间距。测试结果表明，0.5m深度以下，距孔中心越近，排热工况下岩 土温度场受影响程度越大，温升幅度越大，0.5m以下不同深度温度 变化幅度基本一致。同一时刻温升幅度随距孔中心距离增大而减小。 模拟测试结束时，距换热孔中心0lm处温度达到29C,温
8、升幅度达 15C,而距换热孔中心25m处温升幅度仅约为0.01-C,距换热孔中 心3m处温升幅度仅约为0.002Co距换热孔中心距离不同，温度变 化速率也不同。距孔中心越近，一开始温度变化速率大。随着作用时 间的增长，温度上升速率变小，温度变化缓慢。而距孔中心较远处, 温度变化速率的规律与上述正好相反。综合以上的模拟及分析结果，该区域土壤换热器的合理间距为 5m。4、孔深确定由120米地层资料揭示该地区100米以下含卵砾石较多，且土壤 换热器埋设于1125米的底板下，如仍按照120深实施难度较大，将会造 成成本加大、工期加长，因此综合考虑将深度定位100米深。四、土壤换热器的施工工艺41、换热
9、孔的施工工艺流程换热孔的施工工艺流程42、水平联络管的设计及施工本项目地埋管的数量大，分布范围广，为确保每一个换热孔都能 有一定的换热液流过，实现有效、高效换热，同时最大限度增加系统 的安全性，根据换热孔的分布区域，按照相对集中的原则，将整个土 壤换热器分为42个小系统,大约每15个左右的垂直换热孔设置为一 个换热循环单元，供、回水分别集中到单独的分、集水器上;分集水 器汇入总管接入机房，使得整个地埋管的联络系统既统一又相对独 立，从而实现高效、安全运行。水平联络官采用D90PE管，整个土 壤换热器系统按同程方式连接，确保各换热孔内循环液的流量、流速 一致，为系统的安全运行提供可靠的保障。五、
10、设计及施工难点51、土壤换热器联络总管穿底板的防水问题本项目换热孔D32管道经D90水平联络管汇集，穿结构底板进 入检査井内的分集水器，各个分集水器通过管道汇集，最终进入到机 房内与热泵机组相连。车库地下两层，底板标高11.28米,共有188个D90管道穿底板。底板防水在建筑工程中历来是个关键环节，通常釆用柔性和刚性 两道防水层做法。目前图集和规范中均有穿外墙防水套管做法，但是 还没有穿底板套管做法，此种做法在国内尚属首例，因此穿底板防水 问题成为本项目的难点。为了解决此问题我们专门成立了攻关小组，通过深入研究目前防 水工艺、规范，通过请教设计院、防水协会专家、防水厂家，结合地 热井井喷施工中
11、的相关经验制作多个方案，通过多个实物模型承压能 力对比分析等多种途径终于制定了一套切实可行的方案。方案经专 家、设计、监理、业主、施工单位等参加的专题论证会讨论，得到一 致认可。此做法对柔性防水套管作了改进，釆用上下两道压环，确保地下 水不会通过管道和套管内壁渗入地下室。上下两侧压环压紧后可承担 8kg压力，经过1个月的耐压试验没有渗漏。管外壁防水做法也经专 家讨论制定了特殊的方案。52、施工中对基底的扰动问题由于地埋管位于底板下，钻孔施工中的泥浆坑开挖、设备碾压、联络管管沟开挖等等均会破坏原状土从而对基底产生扰动。一旦产生 扰动不但增加处理费用，同时也将影响工期。为此我们在设计过程中 对扰动进行了分析,分为必然产生的扰动和通过采取措施可以减轻和 消除的扰动，对不同的扰动采取不同的处理措施。
