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聚乙烯家族材料在地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用

   2012-11-22 地源熱泵網(wǎng)10140
核心提示:聚乙烯家族材料在地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用趙啟輝、柯錦玲道達(dá)爾石化(中國) 摘要:本文簡要介紹了PE材料在地源熱泵管道系統(tǒng)中的應(yīng)用。
 
 聚乙烯家族材料在地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用
趙啟輝、柯錦玲 
 道達(dá)爾石化(中國)
 
      摘要:本文簡要介紹了PE材料在地源熱泵管道系統(tǒng)中的應(yīng)用。分析了垂直埋地管路系統(tǒng)的安裝過程對(duì)PE管道造成損傷及對(duì)管道壽命產(chǎn)生影響的機(jī)理。介紹了耐開裂聚乙烯(PE100-RC)在低溫地源熱泵系統(tǒng)和PE-RT II在高溫地源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用。
 
      關(guān)鍵詞:PE 、 地源熱泵管道、劃傷、PE100-RC, PE-RT II 
 
      聚乙烯家族材料在壓力管道系統(tǒng)的應(yīng)用已有50多年的歷史,應(yīng)用于地源熱泵系統(tǒng)也取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。近年來,聚乙烯家族材料的發(fā)展與地源熱泵技術(shù)的發(fā)展相得益彰,互相推動(dòng),家族新成員耐開裂聚乙烯(PE100-RC)大大提高了垂直地埋管換熱系統(tǒng)的安全性,II型耐熱聚乙烯(PE-RT II)則使得高溫地源熱泵系統(tǒng)(主動(dòng)蓄熱)成為可能,為建筑采暖和制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了更多更可靠的選擇。地?zé)嵋呀?jīng)是世人公認(rèn)的環(huán)境友好型可再生能源,使用淺層地?zé)岬牡卦礋岜眉夹g(shù)發(fā)展最為迅速,我國鼓勵(lì)發(fā)展和推廣該項(xiàng)技術(shù)。本文簡要分析了塑料管道的主要破壞模式以及塑料管道使用壽命的影響因素,以及如何正確選擇埋地塑料管道材料,才能滿足苛刻的安裝條件和使用條件,以確保系統(tǒng)的長期性能以及使用壽命。
  
      1、什么是地源熱泵 
 
      作為地?zé)崮艿膽?yīng)用方式之一,地源熱泵(Ground-Source Heat Pump)的概念最早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份專利文獻(xiàn)中,在20世紀(jì)50年代就已在一些北歐國家的供熱中得到實(shí)際應(yīng)用。由于石油危機(jī)的影響,地源熱泵在70年代得到較大的發(fā)展。由于較深的地層在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度,遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度,又低于夏季的室外溫度。因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙,且效率大大提高。此外,冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對(duì)建筑供熱,同時(shí)使大地中的溫度降低,即蓄存了冷量,可供夏季使用;夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地,對(duì)建筑物降溫,同時(shí)在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統(tǒng)中,大地起到了蓄能器的作用,進(jìn)一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。
 
      2、地源熱泵地源側(cè)的主要應(yīng)用形式
 
      2.1 垂直環(huán)路系統(tǒng)
 
      垂直環(huán)路熱交換器安裝在垂直的鉆孔里。鉆孔內(nèi)通常是兩根支管與一個(gè)U形管件相連接,形成閉式的環(huán)路。攜帶熱能的液體如水或者水和乙二醇的混合物在環(huán)路里循環(huán)。地埋管換熱器安裝之后進(jìn)行鉆孔回填。一臺(tái)熱泵可以連接一個(gè)或者多個(gè)環(huán)路。垂直環(huán)路熱換熱器典型的安裝深度是100米,為了獲得更大的換熱量,也可以安裝得更深。
 
      2.2 水平環(huán)路系統(tǒng)
 
      水平安裝的環(huán)路系統(tǒng)適用于容易開挖、可用面積足夠大的地區(qū),典型的安裝深度是凍土層以下1米至3米。其換熱原理和垂直環(huán)路類似,管材所收集的熱能中,地?zé)嶂皇前缪萘舜我慕巧?,氣候條件對(duì)這類系統(tǒng)的影響較大。面積為150 m² 的房子,需要的地表面積可能為250m² -300 m²。
 
      2.3 蓄能
 
      大地也能用于儲(chǔ)存多余的能量,只不過是同樣的理論可以有不同的應(yīng)用方法。國內(nèi)也開始越來越多的研究地?zé)岬难a(bǔ)償,特別是在寒冷的北方地區(qū),采暖季從土壤里獲取了很多的熱量,怎么確保土壤里冷熱量的平衡?利用工業(yè)余熱或者太陽能來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的補(bǔ)償,這項(xiàng)技術(shù)要求管材能夠耐受較高溫度,通常是60℃-80℃或者更高,接近散熱器采暖的供回水溫度。
 
      地源側(cè)的其他形式還有:地表水/地下水系統(tǒng),樁基埋管(能量樁)方式。
 
      3、塑料管道的應(yīng)用環(huán)境
 
      以垂直埋地管路系統(tǒng)為例,地源熱泵系統(tǒng)的施工成本中一大部分是鉆井的成本以及回填的成本。地質(zhì)條件對(duì)施工的影響非常大,同時(shí)要求管道具有一定的柔韌性,方便運(yùn)輸和安裝;能夠耐受回填料及井壁的磨損甚至是刮擦;能夠耐受所輸送介質(zhì)的溫度和壓力,保證50年的使用壽命,同時(shí)還應(yīng)考慮到施工現(xiàn)場的復(fù)雜情況,包括人為的踩踏、盤管展開時(shí)的拉伸應(yīng)力、移動(dòng)時(shí)拖拽等等,這些因素都可能在管材表面造成瑕疵,從而引起應(yīng)力集中,成為系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)。一般來講,一旦將管路埋入地下后,基本不可能進(jìn)行維修或更換,這就要求埋入地下管道的物理、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。塑料管道在整個(gè)工程成本中所占的比例小,一旦滲漏或者出現(xiàn)其他問題,卻需要耗費(fèi)巨大的成本才能解決;或者由于地上建筑的存在,根本無法解決。
 
      通常地源熱泵管道采用的規(guī)格是dn32×3.0或者是dn25×2.3,即使只有0.5mm的劃痕,占管材壁厚的比例卻達(dá)到了17%-20%,耐壓能力/壽命就無法達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。塑料管材的韌性破壞源于過載,而脆性破壞則是劃痕或者瑕疵造成的裂紋慢速增長的結(jié)果,在較低的壓力持續(xù)作用下導(dǎo)致的破壞,破壞時(shí)間、管材壽命無法估計(jì)。
 
      4、塑料管道的破壞模式及適用管材
 
      在靜液壓試驗(yàn)中,熱塑性塑料管材的破壞模式包括韌性破壞、脆性破壞和熱氧老化破壞三種典型的破壞模式。
 
      韌性破壞為壓力或載荷過大引起(材料選型不當(dāng)或應(yīng)用不當(dāng)),典型的破壞形狀呈魚嘴型,是材料蠕變曲線中最開始的第一段;脆性破壞是慢速裂紋增長導(dǎo)致的破壞,其特征是在較低的管道壓力作用下經(jīng)歷較長的時(shí)間而破壞,體現(xiàn)在蠕變曲線中拐點(diǎn)后的第二段;第三種破壞形式即熱氧化破壞,塑料材料的耐氧化性能來源于助劑中的抗氧體系,一旦抗氧體系耗盡,材料在氧氣的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)并迅速失去力學(xué)強(qiáng)度。不難看出,材料的長期使用壽命取決于耐慢速裂紋增長性能,即阻止銀紋生長和裂紋擴(kuò)展的能力。然而,這種破壞是低壓力長期作用的后果,往往被用戶所忽視。
 
      為正確選擇塑料管道材料,應(yīng)該考慮管道材料的綜合性能,即長期靜液壓強(qiáng)度、耐慢速裂紋增長性能、溫度適用范圍、加工/焊接性能、導(dǎo)熱性以及耐磨性。以此為出發(fā)點(diǎn),本文探討了兩種材料,耐開裂聚乙烯(PE100-RC)和II型耐熱聚乙烯(PE-RT II),分別適用于一般溫度的地源熱泵系統(tǒng)以及高溫的地源熱泵系統(tǒng)。
 
      4.1 PE100-RC 
 
      耐開裂聚乙烯(PE100-RC)是一般低溫地源熱泵系統(tǒng)的最佳選擇。
 
      PE100-RC,即新一代聚乙烯PE100,由歐洲幾家石化公司開發(fā)出來的,保留了傳統(tǒng)聚乙烯材料的耐壓性能、柔韌性、優(yōu)異的焊接性能和加工性能。在達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯PE100的性能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步滿足能夠耐慢速裂紋增長的要求:
 
      管材切口試驗(yàn) (80℃, 9.2bar) 直到 8760 h;全切口蠕變?cè)囼?yàn)FNCT (Arkopal N100, 80℃)直到 8760 h;點(diǎn)載荷 (Hessel 測(cè)試條件(Arkopal N100, 80 ℃)直到 8760 h;熱穩(wěn)定性試驗(yàn), 20℃條件下使用壽命超過100年。
 
      更值得一提的是,PE100-RC管道在有劃傷以及點(diǎn)載荷的作用下仍然能夠達(dá)到100年的設(shè)計(jì)使用壽命。
 
      早在40年前,運(yùn)輸、施工等過程中導(dǎo)致管道劃傷以及由于土壤中石頭頂住管材外壁引起的點(diǎn)載荷,就受到各方關(guān)注。如何提高管道材料的耐受性能, PE100-RC(RC:Resist Crack 耐開裂)管材的研究和開發(fā)就此展開。
 
      在2001年左右,以己烯為共聚單體的耐開裂聚乙烯PE100-RC材料推出,目前有三種顏色的混配料可供選擇: 專門用于燃?xì)夤艿赖某壬牧蟈SC 50 Orange、用于給水管道的藍(lán)色XSC 50 Blue以及燃?xì)?水管道的黑色XRC 20B。
 
      德國、波蘭、奧地利、比利時(shí)和鄰近國家越來越多的使用PE100-RC管材,如今在這些地區(qū)PE壓力管道已經(jīng)有超過20%的市場份額并快速上升,使用時(shí)間已經(jīng)超過10年。德國規(guī)定:在直接回填、非開挖管道施工、老舊管道修復(fù)工程中,必須使用PE100-RC管道。在歐洲地源熱泵領(lǐng)域,越來越多的設(shè)計(jì)部門、用戶選擇PE 100-RC管材作為地下管路系統(tǒng)。
 
      4.2 PE-RT II 
 
      PE-RT II是高溫地源熱泵系統(tǒng)的最佳選擇。
 
      塑料管道材料的強(qiáng)度會(huì)隨著溫度升高而降低,傳統(tǒng)聚乙烯管道材料(PE 80、PE100、PE100-RC)適用于溫度不超過40℃的工況;如果長期工作溫度超過40℃則應(yīng)該選擇耐高溫的PE-RT II管道材料。
 
      耐熱聚乙烯(PE-RT)的定義源自“PolyEthylene of Raised Temperature resistence”。按照共聚單體不同,分為乙烯與辛烯共聚耐熱聚乙烯(C2+C8)、乙烯和己烯共聚耐熱聚乙烯(C2+C6)以及乙烯和丁烯共聚的耐熱聚乙烯(C2+C4)。按照其耐溫性高低和長期強(qiáng)度大小,分為I型耐熱聚乙烯(PE-RT I)和II型耐熱聚乙烯(PE-RT II)。
 
      耐熱聚乙烯(PE-RT)無需交聯(lián)而具有優(yōu)良的長期靜液壓強(qiáng)度;具有可焊接性,可采用現(xiàn)有的熔接方法/焊接工具;PE-RT材料抗沖擊性能極好,柔韌性好,長期蠕變性能好,具有傳統(tǒng)高密度聚乙烯良好的耐低溫 (-40℃)性能,長期工作的最低工作溫度為-20℃,而且能耐高溫,因此適用于工業(yè)用及民用建筑冷熱水管路系統(tǒng)、飲用水系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)以及高溫地源熱泵系統(tǒng)。 
 
      己烯共聚的雙峰耐熱聚乙烯(PE-RT II),具有很好的柔韌性,同時(shí)高溫條件下具有很好的靜液壓強(qiáng)度,特別適合于溫度超過40℃的地源熱泵系統(tǒng);而且具有很好的耐環(huán)境開裂性能,按照ISO16770進(jìn)行的全切口蠕變性能測(cè)試FNCT超過了8760小時(shí)。
 
      5 、管道材料的關(guān)鍵性能要求
 
      下面就地源熱泵埋地塑料管道材料的關(guān)鍵性能要求進(jìn)行論述。
 
      長期靜液壓強(qiáng)度:是壓力管道材料應(yīng)達(dá)到的最低要求,體現(xiàn)在應(yīng)用上就是管材的耐壓級(jí)別,通常說的PE100,就是在20℃條件下長期使用壽命50年的最小要求強(qiáng)度(MRS)至少為10MPa的PE材料,并以此MRS為基礎(chǔ)來計(jì)算設(shè)計(jì)應(yīng)力和管材的最高工作壓力。如果安全系數(shù)為1.25,管材規(guī)格為dn32×3.0mm,輸送20℃冷水,長期使用50年的管道設(shè)計(jì)工作壓力為1.6Mpa。
 
      根據(jù)靜液壓強(qiáng)度來計(jì)算管道的承壓能力還應(yīng)考慮溫度的影響,如下節(jié)所述。
 
      在垂直埋地管路系統(tǒng)中,液態(tài)灌漿料與管內(nèi)循環(huán)液的靜壓會(huì)相互抵消,管路最大運(yùn)行壓力應(yīng)小于管材的承壓能力。
 
      如前所述,根據(jù)靜液壓強(qiáng)度來計(jì)算管道的承壓能力時(shí)還應(yīng)考慮溫度的影響,因?yàn)樗芰喜牧系膹?qiáng)度會(huì)隨著溫度升高而下降。
 
      前文所述的各種形式的地源熱泵系統(tǒng),使用工況可以大致分為兩大類,低溫系統(tǒng)(不高于40℃)和高溫系統(tǒng)(進(jìn)回水80℃/60℃)。應(yīng)根據(jù)不同的使用溫度選用不同材料的管道。
 
      耐開裂聚乙烯PE100-RC可用于一般的低溫系統(tǒng),溫度高于20℃時(shí)應(yīng)對(duì)其長期(50年設(shè)計(jì)壽命)靜液壓強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)的折減。 
 
      PE-RT II可用于高溫系統(tǒng),類似于高溫散熱器的使用工況。例如60℃-80℃的高溫地源熱泵系統(tǒng),類似于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18991中級(jí)別5的工況,可以選擇的管材規(guī)格(S系列)可以參考表2。
 

 
      選用S5規(guī)格的PE-RT II 管材,最高可以用于0.6 MPa的工況。如果用在0.4 MPa的工況,則具有更高的安全裕度,安全系數(shù)約為2。
 
      耐慢速裂紋增長性能
 
      施工過程中人為的拖拽引起的刮傷以及周圍環(huán)境例如石頭頂住管材外表面造成的點(diǎn)載荷,都會(huì)形成應(yīng)力集中區(qū),產(chǎn)生初始的裂紋并發(fā)展成為微觀的孔洞,孔洞間的材料會(huì)被拔出形成高強(qiáng)度的微纖結(jié)構(gòu)(也稱銀紋,由于遮光指數(shù)不同呈現(xiàn)發(fā)白的現(xiàn)象而得名)。材料自身的特點(diǎn)決定了銀紋是繼續(xù)增長而發(fā)展成裂紋而導(dǎo)致材料破壞,或者阻止銀紋進(jìn)一步發(fā)展成裂紋。慢速裂紋增長導(dǎo)致的破壞就是典型的脆性破壞,其特征是在較低的管道壓力作用下經(jīng)歷較長的破壞作用時(shí)間。因此耐慢速裂紋增長性能高的材料具有較高的安全等級(jí)。
 
      全切口蠕變性能(FNCT)是衡量材料耐慢速裂紋增長性能的試驗(yàn)方法,根據(jù)這個(gè)方法進(jìn)行測(cè)試,耐開裂聚乙烯PE100-RC和耐熱聚乙烯PE-RT II(XRT70 ) 這兩種材料的測(cè)試持續(xù)時(shí)間都超過了一年(8760h),具有優(yōu)異的耐慢速裂紋增長性能。
 
      導(dǎo)熱性能
 
      作為整個(gè)埋地?zé)峤粨Q系統(tǒng)的一部分,管道的導(dǎo)熱性能也是一個(gè)重要的指標(biāo),與地源熱泵系統(tǒng)的換熱效率息息相關(guān)。
                
 
      耐磨性
 
      很多應(yīng)用案例證明聚乙烯管道比水泥管或鋼管更耐磨。Darmstadt大學(xué)開發(fā)了一個(gè)測(cè)量管道耐磨性的方法:使用1m長的管子,在研磨沙-水泥混合物中以0.18HZ的頻率震動(dòng)。經(jīng)過一定時(shí)間,以局部壁厚的變化作為耐磨性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果表明,柔性管道聚乙烯比聚氯乙烯管道、玻璃鋼管道和水泥管道具有更好的耐磨性。
 
      結(jié)論:
 
      由于地源熱泵系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等多方面的優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的供暖空調(diào)方式存在的問題,在我國的應(yīng)用已經(jīng)取得了一個(gè)很好的開頭,并將具有十分廣闊的市場前景。但是由于安裝環(huán)境和應(yīng)用條件很苛刻,對(duì)埋地管道材料的要求較高,為了確保系統(tǒng)的安全性和長期使用壽命應(yīng)充分理解設(shè)計(jì)和施工的規(guī)范以及現(xiàn)場操作的要求,正確選材,從而確保系統(tǒng)的可靠性。耐開裂聚乙烯(PE100-RC),保留了傳統(tǒng)聚乙烯材料的耐壓性能、柔韌性、優(yōu)異的焊接性能和加工性能。在傳統(tǒng)聚乙烯PE100的優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步擴(kuò)展了耐慢速裂紋增長性能的上限,特別是適用于一般溫度(不超過40℃)的地源熱泵系統(tǒng);耐熱聚乙烯(PE-RT)無需交聯(lián)而具有優(yōu)良的長期靜液壓強(qiáng)度;具有可焊接性,可采用所有的熔接方法;PE-RT材料抗沖擊強(qiáng)度性極好,柔韌性好,長期蠕變性能好,具有傳統(tǒng)高密度聚乙烯良好的耐低溫 (-40℃)性能,長期工作的最低工作溫度為-20℃,而且能耐高溫,特別適用于高溫的地源熱泵系統(tǒng)(如地源側(cè)蓄能)。 
 
(責(zé)編:zy)
 
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