铁路车站地源热泵施工工法

'XX站地源热泵施工工法前言：XX站是世界上首条高寒地区高速铁路——XXX至XX客运专线中间站之一，室内温度调节以地源热泵机组空调系统为主。该工程核心技术在于利用地下恒温水层与地面温度差，进行水循环换热处理，达到热交换目的。经地质勘查，钻孔测试区域地质主要为页岩。测试结果表明：埋管区域的导热系数为1.855W/m℃。该区域土壤地层平均导热系数较大，比热容较大，综合换热能力较强，适合使用地埋管地源热泵空调系统；岩土体初始温度12.9℃，初始温度较低，冬季提取热量时的可利用温差较小，夏季向地下散热时的可利用温差较大，有利于夏季释放热量。（一）工法特点：1、高效节能，稳定可靠地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17度（高寒地区略低），冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%～60%，因此要节能和节省运行费用40%－50%左右。通常地源热泵消耗1KW的能量，用户可以得到5KW以上的热量或4KW以上冷量，所以我们将其称为节能型空调系统。2、无环境污染地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，真正的实现了节能减排。3、维护费用低地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。4、使用寿命长地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年。要比普通空调高35年使用寿命。5、节省空间没有冷却塔和其它设备，省去了冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。（二）适用范围：（三）工艺原理：地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术的环保能源利用系统。地源热泵系统通常是转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方，还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环系统，实现节能减排的功能。 制冷模式在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地水、地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以13℃以下的冷风的形式为房间供冷。供暖模式地源热泵制热模式在供暖状态下，压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地表水、地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以35℃以上热风的形式向室内供暖。（四）施工工艺：1、放线、钻孔该地埋管区域主要地质构成：钻孔测试区域地质主要为页岩。测试结果表明：埋管区域的导热系数为1.855W/m℃。该区域土壤地层平均导热系数较大，比热容较大，综合换热能力较强，适合使用地埋管地源热泵空调系统；岩土体初始温度12.9℃，初始温度较低，冬季提取热量时的可利用温差较小，夏季向地下散热时的可利用温差较大，有利于夏季释放热量。将地热换热器设计图纸上的钻孔的排列、位置逐一落实到施工现场，孔径为150mm。本工程设计选用外径为32mm的U型管。灌浆用管采用相同材料和规格，为确保U型管顺利安全的插入孔底，孔径要适当，必要时应固化。在钻孔过程中，根据地下地质情况、地下管线敷设情况及现场土层热物性的测试结果，适当调整钻孔的深度、个数及位置，以满足设计要求，降低转孔、下管及封井的难度，减少已有地下工程的影响。在大面积施工前，应当开钻实验井，及时对钻孔深度方向上土层的热物性进行测定，以便对地热换热器的设计作适当修正。钻孔防护：在钻孔工程中因地质条件的限制，将有大量的灰尘，为保证工程的顺利进行，且不影响现场办公，将采取措施，防止灰尘蔓延。2、U型管现场组装、试压与清洗U型管在现场组装、切割为宜，以满足有可能出现的设计变更，尤其是钻孔深度的需要。下管前应对U型管进行试、冲洗。然后将U型管两个端口密封，以防杂物进入。 3、下管与二次试压本工程采用的是人工下管的方法。U型管头部设防护装置，以防止在下管过程中的损伤；U型管内充满水，增加自重，减少下管过程中的浮力。因为钻孔内一般情况下充满泥浆。钻完一个孔，应接着下管。因为钻好的孔搁置时间过长，有可能出现局部的堵塞，这将导致下管的困难。下管是将两根聚乙烯管一起插入孔中，直至孔底。U型管的长度应比孔深略长，以使其能够露出地面。下管完成后，做第二次水压实验。确认U型管无渗漏后，方可用细砂封井。4、安装挖槽、安装分集水器,分、集水器一般为直埋敷设。为防止未来其他管线敷设对其的影响或破坏，埋管深度应大一些。管道沟挖好后，沟底应夯实，填一层细砂或细土，并留有0.003~0.005的坡度。分、集水器在地上连接成若干的管段，再置于地沟与U型管连接，构成完整的闭式环路。在分、集水器的最高端或最低端宜设置排气装置或除污排水装置，并设检查井。管道回填时，应分层用木夯夯实。5、地耦管两个重要施工工序5.1打孔5.1.1打孔前根据施工图轴线对现场布线确定打孔位置，确保打孔点误差小于5cm，对打井场地平整。5.1.2钻孔就位，要保证钻机钻杆垂直度，防止垂直偏差将已埋管道损坏。5.1.3再确定要钻孔的两孔之间挖1400*700*500mm集水坑，位置再低埋管挖沟方向两孔之间，用来作钻机在施工中水循环载体，不致于流到其他地方，保证施工现场的整洁。5.1.4打井过程中安排质量检查员随时检查打井位置确保打井位置的正确性不进行二次返工，并做好检查记录工作，如发现偏差超过标准要求，应及时纠正重新进行定位。5.1.5打孔完成后，检查打井深度和打井的质量并做好隐蔽工程记录报监理验收。5.1.6DN32PE管下井后，对管道进行试压验收后进行回填。如试压过程中发现不能稳压，应及时将管道拉出，重新埋入试压合格的管道，并分析原因时那道施工工艺问题，提出整改办法。5.1.7打井过程中产生的土方和挖出的土壤应集中堆放，在每口井成井后及时将土方运走。5.1.8在钻孔过程中为避免钻孔塌方，在打井过程中灌入泥浆对打井井壁的进行泥浆凝固护壁防止塌方。如在打孔即将完成时发生塌方造成打孔深度不够，应灌入浓度较大的泥浆进行钻孔，打孔深度应略大于75米。灌浆时灌入砂浆浓度应大于平时浓度对井加固。 5.1.9钻孔完毕后，应尽快将地埋管放入孔内，试验合格后将高出地基300mm用管头封死。以免地埋管堵塞。砂浆用灌浆泵灌入孔中以免孔壁和地埋管壁之间出现空隙影响热交换。5.2回填5.2.1孔井中PE管埋完后应等待3～4小时，待井中沙、泥浆沉淀后用粗砂回填，必须将管和孔井之间空隙填实，确保换热效果，第一次填完后应多次检查。5.2.2在水平总管连接前应先回填10～15cm沙，待管道连接完成后在回填20cm砂将管道覆盖，回填泥土时应将混在其中的砖等硬物取出，防止对管道刮伤。6、PE管给水管道试压6.1所有管道和管道连接件必须经过检查以防渗漏；6.2所有U型管在安装之前必须经过压力试验，水平管在回填土之前也必须经过压力试验；6.3热交换器必须进行水压试验，试验压力为管道设计工作压力的1.25倍，或系统运行压力的2.5倍；6.430分钟内不应该出现渗漏现象；6.5将测得的流量与压降同计算结果进行比较，以判断管路是否有堵塞现象。7、水平沟槽开挖本工程开挖工程量大，且为岩石，采用挖掘机进行施工，横沟的开挖深度根据埋地横管设计深度确定。开挖时，注意如下事项：1）水平沟槽开挖前，掌握管沟沿线的地上和地下情况，遇障碍物及时与设计沟通进行调整；2）为防止机械开挖撞伤或损伤垂直埋管，开挖管沟距垂直管道应在0.5m以外。水平沟槽沿边线开挖后，沟槽至钻孔之间的土方采取人工开挖方式；3）沟槽挖深较大时，应合理确定分层开挖深度；4）沟槽每侧临时堆土或施加其他荷载时，应符合下列规定：①不得影响建筑物、各种管线和其他设施的安全；②不得掩埋消火栓、管道闸阀、雨水口、测量标志以及各种地下管道的井盖，且不得妨碍其正常使用；5）水平地埋管沟槽挖好后，将沟槽内的石块清理干净，沟底应夯实；6）当沟槽满足设计和施工要求并验收后，应及时交给地埋管施工班组施工。8、水平横管施工1）管道敷设前，沟槽底部夯实后应先铺设不少于管径厚度的细纱或200～300mm 的细砂垫层。此砂垫层在地上建筑物因发生垂直或不均匀沉降时，可减少对水平地埋管造成破坏；2)对敷设、连接间隔时间较长或施工间断时，管口部位应进行封闭保护。3）由于PE管道为整卷供货，且材料塑性较大，自由状态时多呈盘状，直线敷设较困难，因此，水平PE管敷设前必须设置支架。本工程拟采用经沥青防腐处理的30×40木条做为固定支架，每隔2～3m设一处，支架长度与沟槽底部宽度相同。水平PE管与支架采用塑料扎带绑扎固定，4）每一组横埋管路做好以后，分清进出水口，对准站场南北两侧分集水管沟相应的预留洞口插入，在每组管路上标示出进出水，以方便以后辨认。在分集水管沟内连接打压机具，对各分支系统进行水压试验。试验合格后保压进行回填土，回填土过程中如发现压力下降，及时进行处理。9、沟槽回填1）水平地埋管施工全部完毕并经检验合格，并确认地埋管无渗漏后，方可回填沟槽。2）回填时应先填实管底，再同时回填管道两则，然后再回填至管顶0.5m处。沟内有积水时，应及时排尽后再回填。3）人工回填到管顶以上0.5m后，方可采用机械回填，但不得在管道上方行驰。机械回填时应在地埋管道内充满水的情况下进行。4）槽底至管顶以上500mm范围内，不得含有机物、冻土以及大于50mm的砖、石等硬块。5）回填土应分层夯实，每层厚度应为0.2～0.3m，管道两侧及管顶0.5m以内的回填土必须人工夯实。当回填土超出管顶0.5m时，可使用小型机械夯实，每层松土厚度应为0.25～0.4m。10、试验和鉴定（1）应由监理单位来工地现场做试验鉴定，并按如下内容提出报告。（2）全部竖井的位置和深度以及热交换器的长度是否符合设计要求。（3）对灌浆类型、混合过程和将灌浆充入竖井的检验与安装土壤热交换器同步进行。（4）监督循环管路、循环集管和管线的试压是否按上述要求进行，以保证没有泄漏。（5）如果有必要，需监督不同管线的水力平衡情况。（6）检验防冻液和化学防腐剂的特征及浓度是否符合设计要求。（7）按上面的试验和鉴定结果提交报告给业主，并保证将实际竣工情况记录在设计平面图上。（五）施工要点1、管道试验压力应≥1.25倍工作压力，持续时间不得少于15分钟； 2、钻井机械定位保证水平度偏差≤1%（企业内部施工规范）；3、钻井深度及埋管长度必须符合设计要求，井深误差不超过2米，保证埋管长度。4、PE管的制作要求：PE给水管道的连接可采用热熔连接（热熔承插连接、热熔对焊连接）与金属管道连接应采用法兰连接。（1）热熔承插连接：热熔承插连接应采用质量可靠的热熔机具，便携式熔接工具适用于dn≤63mm管道及系统最后连接，台式熔接机具适用于dn≥63mm管道预装备连接。将加热工具加热到熔接温度260℃±10℃，插口管末端应切割平整，与轴线垂直。用笔在承口和插口上做适当的标记，以利于连接定位。用加热工具的凹模熔化插口管端的外表面，凸模熔化承口的内表面。加热完毕后，迅速移走加热模具，将插口端平直插入承口端，达到连接强度后固定接头，自然冷却至环境温度。（2）热熔对接：管材外径dn≥63mm的PE管均可采用热熔对接方式连接，该方法经济可靠，其接头在承拉和承压时都比管材本具有更高强度。热熔连接温度：200~210。使用该方法时，设备仅需热熔对接机，步骤如下：a、把待连接管材置于焊机夹具上并夹紧；b、清洁管材连接端并铣削连接面；c、校直两对接件，使其端面错位量不大于管道壁厚的10%；d、放入加热板加热；e、加热完毕，取出加热板；f、迅速接合两加热面，升压至熔接压力并保压冷却。3.7.3法兰连接：a、将法兰套在法兰连接件上；b、法兰连接件与PE管道连接按上述工艺处理；c、将法兰盘与金属法兰对接。（3）鞍形对接连接：PE管道在应用过程中经常会遇到须根据实际需要，进行分主管分接的问题，传统的管件必须先切除一段主管，然后安装一个三通来完成分接，施工非常烦琐，对于PE 管道，采用鞍形三通进行分接，施工非常快捷。鞍形三通可采用鞍形对接方式连接，即采用鞍形对接焊机，直接在主管上连接一个鞍形三通，然后采用设备的切割主管，完成主管分接。5、施工人员应进行上岗培训；6、在寒冷气候（-5℃以下）和大风环境下进行连接操作时，应采用保护措施或调整施工工艺参数。（六）机具设备：根据本工程特点及现场实际情况，采用主要机械设备如下：1.钻井机XM-2型2套2.电熔焊机2台3.热熔焊机2台4.焊机2台5.运输车7吨1辆6.挖掘机车中型1辆7.潜水泵40m3/h2台8.试压泵25Kg1台（七）劳动力组织：（八）质量保证措施：1、PE管运至工地采用彩条布覆盖，严禁长时间太阳下爆晒，防止管道老化。2、PE管连接时注意热熔和电熔时间，严禁时间太长，缩小管径、增大阻力。3、PE管试压在地面连接完成后试压、合格后方可埋管；井回填后再次试压、合格后方可连接水平干管；水平总管连接完试压、合格后方可回填沙和土。总管连接完后进行系统试压。4、每次施工后，管口应临时封堵；5、PE管连接的注意事项：（1）管道连接前应对管材、管件及附属设备、阀门、仪表按设计要求进行核对，并在施工现场进行外观检查，符合要求方准使用。（2）连接时应使用同一生产厂家的管材和管件，如确需将不同厂家（品牌）的管材、管件连接则应经试验证明其可靠后方准使用。每次连接完成后，应进行外观质量检验，不符合要求的必须返工。（3）PE管组对完毕，进行外观检查合格后，方可进行压力试验；（4）试验介质一般采用水，其温度不宜超过40℃；（5）试验压力应为管道系统工作压力的1.25倍或设计明确规定的试验压力。（九）安全保证措施：1、对进场施工人员需进行专项安全教育，签订安全协议。 2、沟槽土方开挖开始，在基坑边1000mm处设安全警示牌，机械开挖完毕，沟槽较深时（槽深≥1m）在基槽边1000mm处设一道围栏，围栏高1.2米，设水平栏杆两道，并挂密目安全网，沿围栏每5米设低压安全警示灯，挂警示标志。3、严禁带病机械进入施工现场进行施工。4、机械在行驶或运转前，应确认四周无障碍物，安全后方可开动或运转。5、各种电器设备必须按现场三类要求设置漏电保护器装置，并保证一机一闸。（十）效益分析：地源热泵系统的能量来源于自然能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种理想的“绿色空调”。被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。可广阔应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。地源热泵热源的形式多样化，无论是干净清澈的地下水，资源量大而无法高效利用的海水，还是生活和工业生产废水，抑或者地表水，都可以高效的加以利用，实现太阳能量的转移。提高了水资源的循环利用率，一度解决了我国污水处理困难和淡水资源匮乏难题。同时避免了可再生资源的消耗，实现可持续绿色环保的发展战略。'