聚乙烯家族材料在地源热泵系统的应用
赵启辉、柯锦玲
道达尔石化（中国）
摘要：本文简要介绍了PE材料在地源热泵管道系统中的应用。分析了垂直埋地管路系统的安装过程对PE管道造成损伤及对管道寿命产生影响的机理。介绍了耐开裂聚乙烯(PE100-RC)在低温地源热泵系统和PE-RT II在高温地源热泵系统中的应用。
关键词：PE 、 地源热泵管道、划伤、PE100-RC, PE-RT II
聚乙烯家族材料在压力管道系统的应用已有50多年的历史，应用于地源热泵系统也取得了丰富的经验。近年来，聚乙烯家族材料的发展与地源热泵技术的发展相得益彰，互相推动，家族新成员耐开裂聚乙烯（PE100-RC）大大提高了垂直地埋管换热系统的安全性，II型耐热聚乙烯（PE-RT II）则使得高温地源热泵系统（主动蓄热）成为可能，为建筑采暖和制冷系统的设计和应用提供了更多更可靠的选择。地热已经是世人公认的环境友好型可再生能源，使用浅层地热的地源热泵技术发展最为迅速，我国鼓励发展和推广该项技术。本文简要分析了塑料管道的主要破坏模式以及塑料管道使用寿命的影响因素，以及如何正确选择埋地塑料管道材料，才能满足苛刻的安装条件和使用条件，以确保系统的长期性能以及使用寿命。
1、什么是地源热泵
作为地热能的应用方式之一，地源热泵（Ground-Source Heat Pump）的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中，在20世纪50年代就已在一些北欧国家的供热中得到实际应用。由于石油危机的影响，地源热泵在70年代得到较大的发展。由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度。因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高。此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中，大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。
2、地源热泵地源侧的主要应用形式
2.1 垂直环路系统
垂直环路热交换器安装在垂直的钻孔里。钻孔内通常是两根支管与一个U形管件相连接，形成闭式的环路。携带热能的液体如水或者水和乙二醇的混合物在环路里循环。地埋管换热器安装之后进行钻孔回填。一台热泵可以连接一个或者多个环路。垂直环路热换热器典型的安装深度是100米，为了获得更大的换热量，也可以安装得更深。
2.2 水平环路系统
水平安装的环路系统适用于容易开挖、可用面积足够大的地区，典型的安装深度是冻土层以下1米至3米。其换热原理和垂直环路类似，管材所收集的热能中，地热只是扮演了次要的角色，气候条件对这类系统的影响较大。面积为150 m² 的房子，需要的地表面积可能为250m² -300 m²。
2.3 蓄能
大地也能用于储存多余的能量，只不过是同样的理论可以有不同的应用方法。国内也开始越来越多的研究地热的补偿，特别是在寒冷的北方地区，采暖季从土壤里获取了很多的热量，怎么确保土壤里冷热量的平衡？利用工业余热或者太阳能来实现主动的补偿，这项技术要求管材能够耐受较高温度，通常是60℃-80℃或者更高，接近散热器采暖的供回水温度。
地源侧的其他形式还有：地表水/地下水系统，桩基埋管（能量桩）方式。
3、塑料管道的应用环境
以垂直埋地管路系统为例，地源热泵系统的施工成本中一大部分是钻井的成本以及回填的成本。地质条件对施工的影响非常大，同时要求管道具有一定的柔韧性，方便运输和安装；能够耐受回填料及井壁的磨损甚至是刮擦；能够耐受所输送介质的温度和压力，保证50年的使用寿命，同时还应考虑到施工现场的复杂情况，包括人为的踩踏、盘管展开时的拉伸应力、移动时拖拽等等，这些因素都可能在管材表面造成瑕疵，从而引起应力集中，成为系统的薄弱点。一般来讲，一旦将管路埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求埋入地下管道的物理、力学、化学性质稳定并且耐腐蚀。塑料管道在整个工程成本中所占的比例小，一旦渗漏或者出现其他问题，却需要耗费巨大的成本才能解决；或者由于地上建筑的存在，根本无法解决。
通常地源热泵管道采用的规格是dn32×3.0或者是dn25×2.3，即使只有0.5mm的划痕，占管材壁厚的比例却达到了17%-20%，耐压能力/寿命就无法达到预期的设计要求。塑料管材的韧性破坏源于过载，而脆性破坏则是划痕或者瑕疵造成的裂纹慢速增长的结果，在较低的压力持续作用下导致的破坏，破坏时间、管材寿命无法估计。
4、塑料管道的破坏模式及适用管材
在静液压试验中，热塑性塑料管材的破坏模式包括韧性破坏、脆性破坏和热氧老化破坏三种典型的破坏模式。
韧性破坏为压力或载荷过大引起（材料选型不当或应用不当），典型的破坏形状呈鱼嘴型，是材料蠕变曲线中最开始的第一段；脆性破坏是慢速裂纹增长导致的破坏，其特征是在较低的管道压力作用下经历较长的时间而破坏，体现在蠕变曲线中拐点后的第二段；第三种破坏形式即热氧化破坏，塑料材料的耐氧化性能来源于助剂中的抗氧体系，一旦抗氧体系耗尽，材料在氧气的作用下发生氧化反应并迅速失去力学强度。不难看出，材料的长期使用寿命取决于耐慢速裂纹增长性能，即阻止银纹生长和裂纹扩展的能力。然而，这种破坏是低压力长期作用的后果，往往被用户所忽视。
为正确选择塑料管道材料，应该考虑管道材料的综合性能，即长期静液压强度、耐慢速裂纹增长性能、温度适用范围、加工/焊接性能、导热性以及耐磨性。以此为出发点，本文探讨了两种材料，耐开裂聚乙烯（PE100-RC）和II型耐热聚乙烯（PE-RT II），分别适用于一般温度的地源热泵系统以及高温的地源热泵系统。
4.1 PE100-RC
耐开裂聚乙烯(PE100-RC)是一般低温地源热泵系统的最佳选择。
PE100-RC，即新一代聚乙烯PE100，由欧洲几家石化公司开发出来的，保留了传统聚乙烯材料的耐压性能、柔韧性、优异的焊接性能和加工性能。在达到标准聚乙烯PE100的性能的基础上，进一步满足能够耐慢速裂纹增长的要求：
管材切口试验 (80℃, 9.2bar) 直到 8760 h；全切口蠕变试验FNCT (Arkopal N100, 80℃)直到 8760 h；点载荷 (Hessel 测试条件(Arkopal N100, 80 ℃)直到 8760 h；热稳定性试验， 20℃条件下使用寿命超过100年。
更值得一提的是，PE100-RC管道在有划伤以及点载荷的作用下仍然能够达到100年的设计使用寿命。
早在40年前，运输、施工等过程中导致管道划伤以及由于土壤中石头顶住管材外壁引起的点载荷，就受到各方关注。如何提高管道材料的耐受性能， PE100-RC（RC：Resist Crack 耐开裂）管材的研究和开发就此展开。
在2001年左右，以己烯为共聚单体的耐开裂聚乙烯PE100-RC材料推出，目前有三种颜色的混配料可供选择： 专门用于燃气管道的橙色材料XSC 50 Orange、用于给水管道的蓝色XSC 50 Blue以及燃气/水管道的黑色XRC 20B。
德国、波兰、奥地利、比利时和邻近国家越来越多的使用PE100-RC管材，如今在这些地区PE压力管道已经有超过20%的市场份额并快速上升，使用时间已经超过10年。德国规定：在直接回填、非开挖管道施工、老旧管道修复工程中，必须使用PE100-RC管道。在欧洲地源热泵领域，越来越多的设计部门、用户选择PE 100-RC管材作为地下管路系统。
4.2 PE-RT II
PE-RT II是高温地源热泵系统的最佳选择。
塑料管道材料的强度会随着温度升高而降低，传统聚乙烯管道材料（PE 80、PE100、PE100-RC）适用于温度不超过40℃的工况；如果长期工作温度超过40℃则应该选择耐高温的PE-RT II管道材料。
耐热聚乙烯(PE-RT)的定义源自“PolyEthylene of Raised Temperature resistence”。按照共聚单体不同，分为乙烯与辛烯共聚耐热聚乙烯(C2+C8)、乙烯和己烯共聚耐热聚乙烯(C2+C6)以及乙烯和丁烯共聚的耐热聚乙烯(C2+C4)。按照其耐温性高低和长期强度大小，分为I型耐热聚乙烯（PE-RT I）和II型耐热聚乙烯（PE-RT II）。
耐热聚乙烯（PE-RT）无需交联而具有优良的长期静液压强度；具有可焊接性，可采用现有的熔接方法/焊接工具；PE-RT材料抗冲击性能极好，柔韧性好，长期蠕变性能好，具有传统高密度聚乙烯良好的耐低温 (-40℃)性能，长期工作的最低工作温度为-20℃，而且能耐高温，因此适用于工业用及民用建筑冷热水管路系统、饮用水系统、采暖系统以及高温地源热泵系统。
己烯共聚的双峰耐热聚乙烯(PE-RT II)，具有很好的柔韧性，同时高温条件下具有很好的静液压强度，特别适合于温度超过40℃的地源热泵系统；而且具有很好的耐环境开裂性能，按照ISO16770进行的全切口蠕变性能测试FNCT超过了8760小时。
5 、管道材料的关键性能要求
下面就地源热泵埋地塑料管道材料的关键性能要求进行论述。
长期静液压强度：是压力管道材料应达到的最低要求，体现在应用上就是管材的耐压级别，通常说的PE100，就是在20℃条件下长期使用寿命50年的最小要求强度（MRS）至少为10MPa的PE材料，并以此MRS为基础来计算设计应力和管材的最高工作压力。如果安全系数为1.25，管材规格为dn32×3.0mm，输送20℃冷水，长期使用50年的管道设计工作压力为1.6Mpa。
根据静液压强度来计算管道的承压能力还应考虑温度的影响，如下节所述。
在垂直埋地管路系统中，液态灌浆料与管内循环液的静压会相互抵消，管路最大运行压力应小于管材的承压能力。
如前所述，根据静液压强度来计算管道的承压能力时还应考虑温度的影响，因为塑料材料的强度会随着温度升高而下降。
前文所述的各种形式的地源热泵系统，使用工况可以大致分为两大类，低温系统（不高于40℃）和高温系统（进回水80℃/60℃）。应根据不同的使用温度选用不同材料的管道。
耐开裂聚乙烯PE100-RC可用于一般的低温系统，温度高于20℃时应对其长期（50年设计寿命）静液压强度进行相应的折减。
PE-RT II可用于高温系统，类似于高温散热器的使用工况。例如60℃-80℃的高温地源热泵系统，类似于国家标准GB/T18991中级别5的工况，可以选择的管材规格(S系列)可以参考表2。
选用S5规格的PE-RT II 管材，最高可以用于0.6 MPa的工况。如果用在0.4 MPa的工况，则具有更高的安全裕度，安全系数约为2。
耐慢速裂纹增长性能
施工过程中人为的拖拽引起的刮伤以及周围环境例如石头顶住管材外表面造成的点载荷，都会形成应力集中区，产生初始的裂纹并发展成为微观的孔洞，孔洞间的材料会被拔出形成高强度的微纤结构（也称银纹，由于遮光指数不同呈现发白的现象而得名）。材料自身的特点决定了银纹是继续增长而发展成裂纹而导致材料破坏，或者阻止银纹进一步发展成裂纹。慢速裂纹增长导致的破坏就是典型的脆性破坏，其特征是在较低的管道压力作用下经历较长的破坏作用时间。因此耐慢速裂纹增长性能高的材料具有较高的安全等级。
全切口蠕变性能（FNCT）是衡量材料耐慢速裂纹增长性能的试验方法，根据这个方法进行测试，耐开裂聚乙烯PE100-RC和耐热聚乙烯PE-RT II(XRT70 ) 这两种材料的测试持续时间都超过了一年（8760h），具有优异的耐慢速裂纹增长性能。
导热性能
作为整个埋地热交换系统的一部分，管道的导热性能也是一个重要的指标，与地源热泵系统的换热效率息息相关。
耐磨性
很多应用案例证明聚乙烯管道比水泥管或钢管更耐磨。Darmstadt大学开发了一个测量管道耐磨性的方法：使用1m长的管子，在研磨沙-水泥混合物中以0.18HZ的频率震动。经过一定时间，以局部壁厚的变化作为耐磨性的评价指标。结果表明，柔性管道聚乙烯比聚氯乙烯管道、玻璃钢管道和水泥管道具有更好的耐磨性。
结论：
由于地源热泵系统具有经济、节能、环保等多方面的优势，弥补了传统的供暖空调方式存在的问题，在我国的应用已经取得了一个很好的开头，并将具有十分广阔的市场前景。但是由于安装环境和应用条件很苛刻，对埋地管道材料的要求较高，为了确保系统的安全性和长期使用寿命应充分理解设计和施工的规范以及现场操作的要求，正确选材，从而确保系统的可靠性。耐开裂聚乙烯(PE100-RC)，保留了传统聚乙烯材料的耐压性能、柔韧性、优异的焊接性能和加工性能。在传统聚乙烯PE100的优良性能的基础上，进一步扩展了耐慢速裂纹增长性能的上限，特别是适用于一般温度（不超过40℃）的地源热泵系统；耐热聚乙烯（PE-RT）无需交联而具有优良的长期静液压强度；具有可焊接性，可采用所有的熔接方法；PE-RT材料抗冲击强度性极好，柔韧性好，长期蠕变性能好，具有传统高密度聚乙烯良好的耐低温 (-40℃)性能，长期工作的最低工作温度为-20℃，而且能耐高温，特别适用于高温的地源热泵系统（如地源侧蓄能）。
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