淺談豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程的管理

    地源熱泵系統(tǒng)通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊、江河等天然能源，冬季從大地自然界吸收能量，夏季向大地自然界放出能量，再由熱泵機組向建筑物供冷供熱，是一種利用可再生能源的高效節(jié)能、無污染的既可供暖又可制冷的新型空調(diào)系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于公共建筑、住宅、學校、醫(yī)院等建筑物。地源熱泵技術(shù)是目前建筑中央空調(diào)領(lǐng)域正在興起的一項革命性新技術(shù)。我們在中國人民銀行定西市中心支行綜合辦公樓工程中，致力于地源熱泵項目的技術(shù)引進、產(chǎn)品開發(fā)和市場推廣工作，做了一些有益的探索，現(xiàn)淺述如下。
    1·工程概況
    中國人民銀行定西市中心支行綜合辦公樓工程位于安定區(qū)西環(huán)路東側(cè)，為南北走向呈一字型展布的框架結(jié)構(gòu)，主樓為地上8層代帽，裙樓為2層，建筑面積為7912m2。
    地源熱泵系統(tǒng)共有三種形式：①地埋管熱交換器地源熱泵（也稱土壤熱交換器地源熱泵）；②地下水地源熱泵；③地表水地源熱泵。根據(jù)定西市城區(qū)地下水和地表水均不充足的特征，該工程選用地埋管熱交換器地源熱泵系統(tǒng)。地埋管熱交換器地源熱泵又分為水平地埋管和豎直地埋管兩種形式，鑒于場地的限制，選擇占地面積小的豎直地埋管熱交換器地源熱泵系統(tǒng)。
    地埋管熱交換器中流體流動的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，本工程采用U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式，并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小，管道費用較低，且布置成同程式。當每個并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時，其換熱能量相同，其壓降特征有利于提高系統(tǒng)能力。
    按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005）的要求，根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果，U型管豎直井的水平間距布置為4.5m，鉆探孔深120m；設(shè)計取孔深為100m，孔徑200mm，孔數(shù)設(shè)計為138個，孔井盡量布置在以機房為中心的周圍。
    2·工程勘察
    工程場地狀況及淺層地熱能資源條件，是能否應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)和選擇采用哪一種形式的地源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)和先決條件。其管理工作主要做好以下幾方面：
    （1）《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》
    （GB50366-2005）規(guī)定，地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計前，應(yīng)進行工程場地狀況調(diào)查，并應(yīng)對淺層地熱能資源進行勘察。工程勘察應(yīng)由具有勘察資質(zhì)的專業(yè)隊伍承擔。工程勘察完成后，應(yīng)編寫工程勘察報告，并對資源可利用情況提出建議。
    （2）工程場地狀況調(diào)查以收集資料為主，調(diào)查區(qū)域半徑宜大于擬定換熱區(qū)100～200m。調(diào)查應(yīng)包括下列內(nèi)容：①場地規(guī)劃面積形態(tài)及坡度，即地形地貌；②場地內(nèi)已有建筑物和規(guī)劃建筑物的占地面積及分布；③場地內(nèi)樹林植被、池塘、排水溝、架空輸電線及電信電纜的分布；④場地內(nèi)已有的、計劃修建的地下管線和地下構(gòu)筑物的分布及埋深；⑤場地已有水井的位置、類型結(jié)構(gòu)、深度、地層剖面和水位、出水量、水溫及水質(zhì)情況，還應(yīng)了解水井的用途、開采方式、年用水量及水位變化情況等。
    （3）巖土體地質(zhì)條件勘察可參照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021）及《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50027）進行。采用豎直地埋管換熱器時，地埋管換熱系統(tǒng)勘察采用鉆探進行，鉆探方案應(yīng)根據(jù)場地大小確定，鉆探孔深度比鉆孔至少深5m。地埋管換熱系統(tǒng)勘察應(yīng)包括：①巖土層的結(jié)構(gòu)；②巖土體熱物性；③巖土體溫度；④地下水靜水位、水溫、水質(zhì)分布；⑤地下水徑流方向、速度；⑥凍土層厚度。
    （4）巖土體熱物性指巖土的熱物理參數(shù)，包括巖土體導(dǎo)熱系數(shù)、密度及比熱等，測定方法可采用試驗室法或現(xiàn)場測定法。
    ①試驗室法：對勘察探孔不同深度的巖土體樣品進行測定，并以其深度加權(quán)平均計算該勘探孔的巖土熱物性參數(shù)。
    ②現(xiàn)場測定法：現(xiàn)場測試巖土體應(yīng)在測試埋管狀況穩(wěn)定后進行。根據(jù)埋管深度，測試一般應(yīng)在測試埋管安裝完畢72h后進行，對兩個鉆探孔及兩個以上鉆探孔的測試，其測試結(jié)果取算術(shù)平均值。
    3·豎直地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計
    豎直地埋管換熱系統(tǒng)是利用地下?lián)Q熱盤管與土壤進行熱交換，把大地作為熱泵機組的低溫熱源和排熱場所。它由地下盤管和常規(guī)水源熱泵機組組成，冬季供熱時，土壤作為熱泵機組的低溫熱源，通過地下盤管獲取土壤中熱量供給室內(nèi)；夏季供冷時，土壤作為排熱場所，把室內(nèi)冷負荷以及壓縮機耗能通過地下?lián)Q熱盤管排入土壤中。亦即土壤夏季蓄存熱量，冬季重新釋放熱量，使大地熱量基本穩(wěn)定。設(shè)計階段主要做好以下管理工作：
    （1）地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計前，應(yīng)根據(jù)工程勘察結(jié)果評估其實施的可行性及經(jīng)濟性。工程設(shè)計應(yīng)由具有設(shè)計資質(zhì)的專業(yè)機構(gòu)承擔，工程設(shè)計完成后，應(yīng)經(jīng)過有關(guān)部門對其圖紙進行審查并獲批準。
    （2）系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)進行全年動態(tài)負荷計算，最小計算周期宜為一年，計算周期內(nèi)，系統(tǒng)總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。因為全年冷、熱負荷平衡失調(diào)，將導(dǎo)致地埋管區(qū)域巖土體溫度持續(xù)升高或降低，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低其系統(tǒng)的運行效率。
    （3）地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計計算是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計所特有的內(nèi)容，為保證設(shè)計符合實際、滿足使用要求，通常設(shè)計前需要對現(xiàn)場巖土體熱物性、回填料熱物性及傳熱介質(zhì)特性等因素，根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行計算，考慮其計算的特殊性及復(fù)雜性，宜采用專用軟件進行；設(shè)計計算時，環(huán)路集管不應(yīng)包括在換熱器長度內(nèi)。
    （4）豎直地埋管換熱器埋置深度由計算確定，最少宜大于20m；鉆孔孔徑不宜小于0.11m；為避免換熱短路，鉆孔間距應(yīng)滿足換熱需要，通過計算確定，即巖土體吸、釋熱量平衡時，宜取小值；反之宜取大值，間距宜為3～6m。該工程取4.5m，孔徑取200mm，孔深100m；水平連接管的深度應(yīng)在凍土層以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m。為確保系統(tǒng)及時排氣和加強換熱，管內(nèi)流體應(yīng)保持紊流流態(tài)。管道推薦流速：雙U形埋管不宜小于0.4m/s；單U形埋管不宜小于0.6m/s。
    （5）埋管環(huán)路兩端應(yīng)分別與供、回水環(huán)路集管相連接，且宜同程布置；每對供、回水環(huán)路集管連接的管環(huán)路數(shù)宜相等，供、回水環(huán)路集管的間距不應(yīng)小于0.6m。為了減少水井及室外排水設(shè)施的影響，換熱器安裝位置應(yīng)遠離出水井及室外排水設(shè)施；為了縮短供、回水集管的長度，宜靠近機房或以機房為中心設(shè)置。
    （6）為增加系統(tǒng)的安全性、可靠性，應(yīng)設(shè)自動充液及泄漏報警系統(tǒng)；為便于系統(tǒng)充液，一般在分水器或集水器上預(yù)留沖液管；連接系統(tǒng)的室內(nèi)送、回液聯(lián)管上要安裝閉式膨脹箱、充放液設(shè)施、壓力表、溫度計等基本儀器與部件；需要防凍的地區(qū)，應(yīng)設(shè)防凍保護裝置；為防止系統(tǒng)堵塞，埋管換熱系統(tǒng)宜設(shè)反沖洗系統(tǒng)，沖洗流量宜為工作流量的2倍；設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際選用的傳熱介質(zhì)的水力特征進行水力計算，宜采用變流量設(shè)計，以節(jié)省用電量；應(yīng)根據(jù)地質(zhì)特征確定回填料配方，回填料的導(dǎo)熱系數(shù)不應(yīng)低于鉆孔外巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)。
    4·豎直地埋管換熱系統(tǒng)施工質(zhì)量管理
    豎直地埋管換熱系統(tǒng)施工前，應(yīng)了解埋管場地內(nèi)已有地下管線，其它地下構(gòu)筑物的功能及其準確位置，并進行場地清理平整；應(yīng)具備埋管區(qū)域的工程勘察資料、設(shè)計文件和經(jīng)審查批準的施工圖紙，并完成施工組織設(shè)計，報請審核批準，進行圖紙會審及技術(shù)交底工作。
    系統(tǒng)施工應(yīng)由具有該類工程施工資質(zhì)的專業(yè)隊伍完成，其專業(yè)施工人員應(yīng)持有此專業(yè)的上崗證書；施工平面圖上除應(yīng)清楚標明鉆井的位置以及通往建筑物和機房的入口外，還應(yīng)標明規(guī)劃建設(shè)用地范圍內(nèi)所有地下公用事業(yè)設(shè)備的位置；應(yīng)對平面圖進行復(fù)核，并在批準之前就存在的實際偏差達成一致；在開始施工之前，應(yīng)作好施工準備工作，承包商應(yīng)獲得與工作項目有關(guān)的所有開工許可。
    地埋管的質(zhì)量對豎直地埋管換熱系統(tǒng)至關(guān)重要，應(yīng)嚴格檢查并做好管材保護工作。進入現(xiàn)場的地埋管及管件應(yīng)嚴格報審手續(xù)，逐件進行檢查，應(yīng)用空氣試壓進行檢漏試驗；材料存放時不得在陽光下長期暴曬，搬運時應(yīng)小心輕放，采用柔韌性能好的皮帶、吊帶或吊繩進行裝卸，不得拋摔和沿地拖曳；聚乙烯管應(yīng)符合《給水用聚乙烯（PE）管材》（GB/T13663）的要求；聚丁烯管應(yīng)符合《冷熱水用聚丁烯（PB）管道系統(tǒng)》（GB/T19473·2）的要求。
    4.1豎直地埋管的連接要求
    （1）埋地管道應(yīng)采用熱熔或電熔連接。聚乙烯（PE）管道連接應(yīng)符合國家現(xiàn)行標準《埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ101）的有關(guān)規(guī)定。
    （2）豎直地埋管換熱器的U型彎管接頭，宜選用定型的U型彎頭成品件，不宜采用直管道煨制彎頭。
    （3）豎直地埋管換熱器U型管的組對長度應(yīng)能滿足插入鉆孔后與環(huán)路集管連接的要求，組對好的U型管的兩個開口端部，應(yīng)及時密封。
    4.2豎直地埋管換熱系統(tǒng)的水壓試驗
    豎直地埋管換熱系統(tǒng)的水壓試驗應(yīng)按如下要求分四次進行。
    （1）豎直地埋管換熱器插入鉆孔前，應(yīng)做第一次水壓試驗。在試驗壓力下穩(wěn)定15min，穩(wěn)壓后壓力降不大于3%，無泄漏現(xiàn)象為合格；將其密封后，在有壓狀態(tài)下插入鉆孔，完成灌漿之后保壓1h。
    （2）豎直地埋管換熱器與環(huán)路集管裝配完成后，回填灌漿前進行第二次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少30min，穩(wěn)壓后壓力降不大于3%且無泄漏現(xiàn)象為合格；每次試壓均應(yīng)進行見證，并做好記錄。
    （3）環(huán)路集管與機房分、集水器連接完成后，回填前應(yīng)進行第三次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)定至少2h，無泄漏現(xiàn)象為合格。
    （4）豎直地埋管換熱系統(tǒng)全部安裝完畢，且進行了沖洗、排泄及回填完成后，進行第四次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少12h，穩(wěn)壓后壓力降不大于3%；水壓試驗采用手動泵緩慢升壓，升壓過程中隨時觀察與檢查，無泄漏為合格。不得以氣壓試驗代替水壓試驗。
    換熱器U型管安裝應(yīng)在鉆孔鉆好且孔壁固化并經(jīng)驗收合格后立即進行。當孔壁不牢固或者存在孔洞、洞穴等導(dǎo)致成孔困難時，應(yīng)設(shè)護壁套管；在下管過程中，U型管內(nèi)宜充滿水，并應(yīng)采用每隔2～4m設(shè)一彈簧卡或固定支卡的方法將U型管兩支管分開，以提高換熱效果。
    系統(tǒng)沖洗是保證豎直地埋管換熱系統(tǒng)可靠運行的必須步驟，在豎直地埋管換熱器安裝前，地埋管換熱器與環(huán)路集管裝配完成后及其整個系統(tǒng)全部安裝完成后，均應(yīng)對管道系統(tǒng)進行沖洗，以防止阻塞。
    4.3豎直地埋管換熱器的灌漿回填
    豎直地埋管換熱器U型管安裝完畢后，應(yīng)立即灌漿回填封孔，隔離含水層；灌注合適的漿液可以加強土壤和熱交換器之間的熱接觸，防止污染物從地面向下滲漏和防止各含水層之間水的移動，是帶有強制性的要求。
    （1）灌漿即使用泥漿泵通過灌漿導(dǎo)管將混合漿泵灌入鉆井孔中的過程。泥漿泵的泵壓足以使孔底的泥漿上返至地表，當上返泥漿密度與灌注材料的密度相等時，即認為灌漿過程結(jié)束。
    （2）灌漿時應(yīng)保證灌漿的連續(xù)性，應(yīng)根據(jù)機械灌漿的速度將灌漿導(dǎo)管從被灌漿的豎直孔中逐漸抽出，使灌漿液自下而上灌注封孔，確保鉆孔內(nèi)被灌漿密實，無空腔；否則會降低傳熱效果，影響工程質(zhì)量。
    （3）豎直地埋管換熱器灌漿回填料宜采用膨潤土和細砂或水泥的混合漿，或其他專用灌漿材料。膨潤土的比例宜占4%～6%。
    （4）如果預(yù)期熱交換器是在凍土層以下非常密實或堅硬的巖土體或巖石內(nèi)運行，宜采用水泥基料的灌漿更有優(yōu)勢，因為孔隙水會凍結(jié)并膨脹，這會損壞膨潤土灌漿材料，而且產(chǎn)生的力會導(dǎo)致管道被擠壓并節(jié)流。
    （5）為盡量減少每一批灌漿配料之間的準備時間，應(yīng)使用大容量的灌漿混合器/分離存儲罐；應(yīng)該用直徑不小于30mm的聚氯乙烯管做導(dǎo)管，寧可將管徑選大些，以減少摩擦阻力損失，并在將其向下放進豎孔之前連接到U型管熱交換器上。
    （6）當埋管超過40m時，灌漿回填宜在周圍鄰近鉆孔鉆鑿?fù)戤吅筮M行，目的在于一旦孔斜將相鄰的U型管鉆傷，便于更換。
    （7）室外環(huán)境溫度低于0℃時，塑料地埋管的物理力學性能將有所降低，容易造成埋管損害。故當室外環(huán)境溫度低于0℃時，不宜進行地埋管換熱器的施工；如確需施工，則應(yīng)按冬期施工要求，采取可靠的保溫防凍措施。
    （8）為保證其施工質(zhì)量，質(zhì)量管理尚需考慮以下幾點：
    ①監(jiān)督檢測灌漿的運行操作，以保證灌漿以正確的比例被充分混合，并有足夠的粘性以便用泵將其充入豎井孔內(nèi)；
    ②灌漿施工應(yīng)有備用灌漿導(dǎo)管、軟管和在工地上能容易使用的備用設(shè)備，以保證灌漿的連續(xù)性；
    ③正位移泵（螺旋或活塞型）最適宜于將灌漿向下充入豎井孔內(nèi)；
    ④內(nèi)徑80～100mm的吸入管和內(nèi)徑30～50mm的排放管即可滿足要求；
    ⑤水泥基料灌漿應(yīng)由純水泥和質(zhì)量比為5%的膨潤粉組成；
    ⑥水與水泥取0.55比0.6的質(zhì)量比，即可滿足要求。
    5·系統(tǒng)檢驗、運轉(zhuǎn)、調(diào)試與驗收的質(zhì)量管理系統(tǒng)安裝過程中，應(yīng)進行現(xiàn)場檢驗，并應(yīng)提供檢驗報告。檢驗內(nèi)容應(yīng)符合下列規(guī)定：①管材、管件等材料應(yīng)符合國家現(xiàn)行標準的規(guī)定；②鉆孔井的位置和深度、埋管的直徑和壁厚及長度均應(yīng)符合設(shè)計要求；③回填料及其配比應(yīng)符合設(shè)計要求，水壓試驗應(yīng)合格；④各環(huán)路流量應(yīng)平衡，且應(yīng)滿足設(shè)計要求；⑤防凍劑和防腐劑的特性及濃度應(yīng)符合設(shè)計要求；⑥循環(huán)水流量及進出水溫差均應(yīng)符合設(shè)計要求。
    換熱系統(tǒng)多采用聚乙烯（PE）管，它是一種熱塑性材料，與鋼管不同，其材料本身具有受壓發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛的特性，因此試驗人員應(yīng)對壓力降的理解更全面些。①水壓試驗靜水壓力不應(yīng)小于管道工作壓力的1.5倍，且試驗壓力不應(yīng)低于0.8MPa；不得以氣壓試驗代替水壓試驗。②試驗應(yīng)分預(yù)試驗與主試驗兩個階段進行，其中預(yù)試驗步驟一，將試壓管道內(nèi)的水壓降至大氣壓，并持續(xù)60min，期間應(yīng)確?？諝獠贿M入管道；步驟二，緩慢將管道內(nèi)的水壓升至試驗壓力并穩(wěn)壓30 min，期間如有壓力下降可注水補壓，但不得高于試驗壓力，查無滲漏現(xiàn)象；步驟三，停止注水補壓穩(wěn)定60min，壓力下降不超過試驗壓力的70%，則預(yù)試驗階段工作結(jié)束。主試驗階段：在預(yù)試驗階段結(jié)束后，迅速將管道泄水降壓，降壓量為試驗壓力的10%～15%。期間應(yīng)準確計量降壓所泄出的水量，設(shè)為△V（L），當△V（L）≤△Vma（xL）時，應(yīng)每隔3min記錄一次管道剩余壓力，記錄30min；此時如30min內(nèi)管道剩余壓力有上升趨勢時，則水壓試驗結(jié)束，試驗結(jié)果合格；此時如30min內(nèi)管道剩余壓力沒有上升趨勢時，則在持續(xù)觀察60min，整個90min內(nèi)壓力下降不超過0.02 MPa，則試驗結(jié)果也合格。
    回填過程的檢驗應(yīng)與安裝豎直地埋管換熱器同步進行?；靥钸^程的內(nèi)容包括回填料配比、混合程序、灌漿及封孔的檢驗。
    豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)交付使用前，應(yīng)進行整體運轉(zhuǎn)、調(diào)試與驗收。
    （1）地源熱泵系統(tǒng)在進行整體運轉(zhuǎn)、調(diào)試前，應(yīng)進行系統(tǒng)試運轉(zhuǎn)與調(diào)整。其主要內(nèi)容包括：①系統(tǒng)的壓力、溫度、流量等各項技術(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)符合有關(guān)技術(shù)文件的規(guī)定；②系統(tǒng)連續(xù)運行應(yīng)達到正常平穩(wěn)；水泵的壓力和水泵電機的電流不應(yīng)出現(xiàn)大的幅度波動；③各種自動計量檢測元件和執(zhí)行機構(gòu)的工作應(yīng)正常，滿足建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)對被測定參數(shù)進行監(jiān)測和控制的要求；④控制和檢測設(shè)備應(yīng)能與系統(tǒng)的檢測元件和執(zhí)行機構(gòu)正常溝通，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)應(yīng)能正常顯示，設(shè)備連鎖、自動調(diào)節(jié)、自動保護應(yīng)能正常動作；⑤調(diào)試報告應(yīng)包括調(diào)試前的準備記錄、水力平衡機組及系統(tǒng)試運轉(zhuǎn)的全部測試數(shù)據(jù)。
    （2）豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)整體運行和調(diào)試應(yīng)符合下列規(guī)定：①整體運轉(zhuǎn)與調(diào)試前應(yīng)制定整體運轉(zhuǎn)與調(diào)試方案，并報專業(yè)監(jiān)理工程師審核批準；②水源熱泵系統(tǒng)機組試運轉(zhuǎn)前應(yīng)進行水系統(tǒng)及風系統(tǒng)平衡調(diào)試，確定系統(tǒng)循環(huán)總流量，各分支流量及各末端設(shè)備流量均達到設(shè)計要求；③水力平衡調(diào)試完成后，應(yīng)進行水源熱泵系統(tǒng)機組的試運轉(zhuǎn)，并填寫運轉(zhuǎn)記錄，運行數(shù)據(jù)應(yīng)達到設(shè)備技術(shù)要求；④水源熱泵機組試運轉(zhuǎn)正常后，應(yīng)進行連續(xù)24h的系統(tǒng)試運轉(zhuǎn)，并填寫運轉(zhuǎn)記錄；⑤地源熱泵系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)分冬、夏兩季進行，且調(diào)試結(jié)果應(yīng)達到設(shè)計要求。調(diào)試完成后應(yīng)編寫調(diào)試報告及運行操作規(guī)程，并提交甲方確認后存檔。
    （3）豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)整體驗收前，應(yīng)進行冬、夏兩季運行測試，并對系統(tǒng)的實測性能作出評價。運行測試包括室內(nèi)空氣參數(shù)及系統(tǒng)運行能耗的測定。系統(tǒng)運行能耗包括所有水源熱泵機組、水泵和末端設(shè)備的能耗。
    （4）豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)驗收除應(yīng)符合《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005）的規(guī)定外，還應(yīng)符合國家現(xiàn)行相關(guān)標準的規(guī)定。