隨著空調技術的不斷發展,各種先進的中央空調系統開始出現,尤其是近幾年來,國際合作的深入,地源熱泵空調系統開始出現在我國。和普通的中央空調不同,地源熱泵利用地熱資源為冷熱源,在滿足制冷制熱外之外,還能提供生活熱水,更加靈活、舒適、節能。作為安裝監理工程師,在地源熱泵這種技術產生、發展、安裝、使用的過程中,首先監理該系統安裝并對其安裝質量進行技術評價,如果不隨著時代的進步不斷深化學習研究,不對地源熱泵這種空調系統有一定的了解掌握,單憑以往在學校了解的空調知識,不可能對該類安裝工程很好的進行監督、管理。
1、地源熱泵與其他熱泵機組的區別熱泵機組裝置主要有:壓縮機、冷凝器、蒸發器和膨脹閥四部分組成,通過讓液態工質(制冷劑或冷媒)不斷完成:蒸發→壓縮→冷凝(放出熱量)→節流→再蒸發的熱力循環過程,從而將環境里的熱量轉移到水中。熱泵是需要冷凝器的熱量,蒸發器則從環境中吸熱,此時從環境取熱的對象稱為熱源;相反制冷是需要蒸發器的冷量,冷凝器則向環境排熱,此時向環境排熱的對象稱為冷源。
蒸發器冷凝器根據循環工質與環境換熱介質的不同,主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。 熱泵根據與環境換熱介質的不同,可分為:水—水式,水—空氣式,空氣—水式,和空氣—空氣式共四類。 利用空氣作冷熱源的熱泵,稱之為空氣源熱泵。 利用水或地熱作冷熱源的熱泵,稱之為地源熱泵。
2、地源熱泵的工作原理
制冷原理 在制冷狀態下,地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功,使其進行汽-液轉化的循環。通過冷媒/空氣熱交換器內冷媒的蒸發將室內空氣循環所攜帶的熱量吸收至冷媒中,在冷媒循環的同時再通過冷媒/水熱交換器內冷媒的冷凝,由水路循環將冷媒所攜帶的熱量吸收,最終由水路循環轉移至地下水或土壤里。在室內熱量不斷轉移至地下的過程中,通過冷媒-空氣熱交換器,以13℃以下的冷風的形式為房供冷。
制熱原理 在制熱狀態下,地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功,并通過四通閥將冷媒流動方向換向。由地下的水路循環吸收地下水或土壤里的熱量,通過冷媒/水熱交換器內冷媒的蒸發,將水路循環中的熱量吸收至冷媒中,在冷媒循環的同時再通過冷媒/空氣熱交換器內冷媒的冷凝,由空氣循環將冷媒所攜帶的熱量吸收。地源熱泵將地下的熱量不斷轉移至室內的過程中,以35℃以上熱風的形式向室內供暖。
由上述地源熱泵的制冷原理、制熱原理說明可以看出,地源熱泵的工作原理在整個空調系統的大循環(制冷、制熱)系統中與風冷熱泵、水冷熱泵并無太大區別,所區別的只是在熱泵機組的冷熱源不同,冷凝器的所產生的熱量(冷量)與室外環境的換熱方式不同。地源熱泵是利用水與地能(地下水、土壤或地表水)進行冷熱交換來作為地源熱泵的冷熱源,冬季把地能中的熱量“取”出來,供給室內采暖,此時地能為“熱源”;夏季把室內熱量取出來,釋放到地下水、土壤或地表水中,此時地能為“冷源”。所以,作為專業設備監理工程師,在對這類空調系統施工的監理過程中,如果對熱泵機組設備與室內管道、風機盤管等空調系統安裝比較熟悉的情況下,只需掌握室外冷熱源換熱系統的設備管道安裝,重視其施工工藝、評價施工質量是否達到設計、規范要求,就能判斷整個地源熱泵系統是否施工到位,能否滿足設計使用要求,由此來判斷整個空調系統的施工質量是否能驗收合格。
3、地源熱泵換熱器的安裝方式
土壤源熱泵以大地作為熱源和熱匯,熱泵的換熱器埋于地下,與大地進行冷熱交換。土壤源熱泵系統主機通常采用水—水或熱泵機組或水—氣熱泵機組。根據地下熱交換器的布置形式,主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三類。垂直埋管換熱器通常采用的是U型方式,按其埋管深度可分為淺層(100m)三種。
水源/地源熱泵有開式和閉式兩種。開式系統:是直接利用水源進行熱量傳遞的熱泵系統。該系統需配備防砂堵,防結垢、水質凈化等裝置。閉式系統:是在深埋于地下的封閉塑料管內,注入防凍液,通過換熱器與水或土壤交換能量的封閉系統。閉式系統不受地下水位、水質等因素影響,所以使用比較廣泛。
1、垂直埋管--深層土壤 垂直埋管可獲取地下深層土壤的熱量。垂直埋管通常安裝在地下50-150米深處,一組或多組管與熱泵機組相連,封閉的塑料管內的防凍液將熱能傳送給熱泵,然后由熱泵轉化為建筑物所需的暖氣和熱水。
2、水平埋管--大地表層 在地下2米深處水平放置塑料管,塑料管內注滿防凍的液體,并與熱泵相連。水平埋管占地面積大,土方開挖量大,而且地下換熱器受地表氣候變化的影響。
3、地表水 江、河、湖、海的水以及深井水統稱地表水。地源熱泵可以從地表水中提取熱量或冷量,達到制熱或制冷的目的。利用地表水的熱泵系統造價低,運行效率高,但受地理位置(如江河湖海)和國家政策(如取深井水)的限制。
地源熱泵換熱器安裝監理應重視的幾項內容
在現在大多數的工程設計中,換熱管道一般都是采用閉式系統,垂直埋管與水平埋管結合,再連接至熱泵機組進行換熱。因此,空調系統運行效果在一定程度上主要取決于熱泵換熱器管道與大地的換熱質量。而換熱管道與大地的換熱效果取決于管道的傳熱性能、管道的長度和管徑、管道內水流的流量和流速以及換熱管與環境的換熱接觸效果。1、在施工過程中,換熱管道的傳熱性能控制在于控制管道的質量。這方面我們可以采用常規的驗收手段,比如檢查管道的外觀、性能檢測報告、厚度等等是否符合設計、規范要求。一般現在大多數采用專用的地源熱泵管道,這在質量驗收上有一定的保證,只需核查相關合格證、檢測報告,并參照報告上的檢測數據和通用驗收規范進行抽查,也可隨機抽取一定數量的管道送有資質的檢測機構進行相關復試,如在管道的相關驗收內容均合格,則可以判斷該管道能滿足地源熱泵換熱埋地管的使用要求。
2、換熱管道的長度和管徑驗收參照依據主要是設計,但必須針對實際情況驗收管道的實際使用長度。在垂直埋管驗收中由于施工完畢不能測量,則在管道放入前應檢查其管道長度是否符合設計要求。需重視的是在管道埋入前,應明確垂直管道的實際施工長度。垂直管道在埋入地下時,會預留一部分在地坪表面,以備將來與水平管道連接時作為標記,且在水平管道施工時由于水平管道的埋深,也會在連接時剪斷垂直管道以利于與水平管道連接。這在控制垂直管道深度時就要考慮管道的實際使用長度。例如:假設室外垂直管道施工時室外原始地坪低于項目完工地坪0.5米,在原始地坪上打井進行垂直管道施工。設計要求井深80米,水平管道埋深2米,打井施工中預留在地坪1.5米,則要求在打井使用的垂直管道長度為:80+2+1.5-0.5=83米。這在工程開始施工前就應先計算好并控制好管道的長度,同時計算好井深80+2-0.5=81.5米。一般垂直換熱管在出廠前每一根都分開包裝,并在包裝上標記型號、品牌、規格及相關資料,在上述的計算依據下對垂直換熱管進行抽查,防止設計要求80米垂直管而施工進貨80米,導致后期換熱管長度與設計嚴重不足,導致整個系統達不到設計要求。在水平管道的長度控制上主要在井位放線的位置,井位放線確定位置后,則水平管的長度基本也能控制到位。
3、換熱管道的水流速度和流量主要取決于按照設計施工,當然,換熱管道的施工質量也在一定程度上對其有較大影響。在按設計管徑埋管、配泵的同時,有兩點值得注意的管道施工質量問題:在管道的連接方面,由于大多數采用PE管道熱熔連接,在熱熔接頭上,施工人員的技術水平決定了熱熔接頭的質量。在“U”型接頭、“T”型接頭的驗收可以直接檢查施工準備時預先做好的配件熱熔接頭,往往熱熔不好的接頭可能導致管道大截面堵塞,從而導致管道水流不暢或部分水井達不到使用要求甚至不工作,以影響整個系統的使用效果。在直管連接的熱熔接頭檢查上,由于管路過長,一般可以采用破壞性檢查,將接頭處斷開,檢查熱熔管熔渣是否堵塞管道。垂直管道要求與系統管道分開試壓,如果管道有滲漏,則直接影響系統正常工作。垂直管道與水平管道由于施工的間歇時間較長,且垂直管道漏水后基本不能修補,這要求垂直管道在入井前先進行壓力試驗。值得注意的是由于垂直管道井深較長,在進行垂直管道的壓力試驗時應考慮水系統的設計工作試驗壓力和垂直管道由于重力勢能產生的壓力相結合,特別是井底末端“U”型接頭的承壓能力處于整個系統承壓最大部位,如設計系統試驗壓力1.0MP,而垂直管長100米,約產生1.0MP的重力勢能壓力,則垂直管道在入井前的試驗壓力則不得低于2.0MP。
4、換熱管道與環境的接觸效果取決于管道周圍的填充,同時,管道周圍的填充也決定了整個換熱管道的使用壽命。由于地下層地質情況的不確定性,需嚴格按設計要求進行井部垂直管道的井道填充,這在換熱效率和管道保護上有重要意義,由于垂直換熱管道的不可維修的特性,在一定程度上決定了垂直管道的使用壽命從而決定了整個系統的使用效果和使用壽命。而作為水平換熱管的保護也同樣道理,在后期施工中,由于工序、工種、機械較多,施工復雜,而換熱管道一般為專用PE管,抗壓、抗損能力較差,需對其進行嚴格保護,按設計要求對管溝進行填充和管道保護,防止后期施工破壞產生大面積維修,從而影響系統使用。
當然,在換熱管道施工階段,嚴格按設計施工應作為監理驗收評定的重要依據。閥門、檢查井的設置與施工也應重視,其在一定程度上對后期的維修、定期檢查有相當重要的作用。同時,在地源熱泵機房施工時有別于其他空調機房安裝,以下幾方面也值得重視:1、換熱管道的進出機房的施工;2、主機進入機房的流程安排和吊裝洞口的設置;3、機房的內部除濕與散熱;4、機房電源主柜與主機控制柜的位置設置;5、機房排水問題......
結束語
總體來說,所有地源熱泵系統都有著突出的技術優點,環境和經濟效益顯著、一機多用,應用廣泛、自動運行、無環境污染、維護費用低、使用壽命長、節省空間,在建筑供熱空調中采用熱泵技術可以有效地提高一次能源利用率,減少溫室效應氣體CO2和其它燃燒產生的污染物的排放,是一種可持續發展的建筑節能新技術,現在在許多工程上已采用。作為設備安裝監理工程師,在該類技術設備投入使用前首先涉及,嚴格把關該系統的施工質量、確保系統按設計效果運行有重要的作用。作為現在的安裝監理工程師,在專業系統學習時可能基本在十年前,雖然沒有完全的參照技術課本和驗收規范,但整個系統的運行原理完全與其他熱泵空調一致,只是在與室外換熱上有所區別。只需把握好室外換熱系統的施工質量,按規范對室內部分進行檢查、驗收,基本對地源熱泵系統監理沒有什么太大難度。