新建醫(yī)院地源熱泵系統(tǒng)的施工工藝及優(yōu)缺點(diǎn)分析

王炳智　楊星林　張海波

[摘要] 當(dāng)前在全國(guó)各地綠色醫(yī)院建設(shè)的浪潮中，地源熱泵系統(tǒng)作為一種新型中央空調(diào)選型，逐漸在新醫(yī)院建設(shè)中得到應(yīng)用與推廣。該研究結(jié)合新院區(qū)建設(shè)采用的地埋管地源熱泵系統(tǒng)，對(duì)中央空調(diào)主機(jī)的類型、地源熱泵系統(tǒng)含義、分類作了解析，特別是針對(duì)新醫(yī)院地源熱泵系統(tǒng)室外地源換熱管的鉆孔、下管、回填、連管做了詳細(xì)的施工工藝描述，最后全面總結(jié)了地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞] 中央空調(diào)主機(jī)；地源熱泵系統(tǒng)；施工工藝；優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)

[中圖分類號(hào)] R197 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1672-5654（2018）08（a）-0033-02

近年來(lái)，隨著人們生活水平的日益提高和國(guó)家醫(yī)改配套政策的執(zhí)行，全國(guó)各地市新醫(yī)院建設(shè)可謂方興未艾，如何建設(shè)好一所綠色醫(yī)院成為當(dāng)今醫(yī)院建設(shè)的主題。中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗，一般占建筑總能耗的50%～70%[1]，可見(jiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)運(yùn)行模式的選取對(duì)大型醫(yī)院運(yùn)行所需的能源消耗與后期成本維護(hù)等方面均起著至關(guān)重要的作用。

1 中央空調(diào)主機(jī)形式

中央空調(diào)主機(jī)形式分為水冷冷水機(jī)組（包括冰蓄冷系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)），直燃機(jī)機(jī)組形式（溴化鋰）；風(fēng)冷熱泵冷（熱）水機(jī)組；多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)和水環(huán)熱泵系統(tǒng)等4種形式，當(dāng)前醫(yī)院主要采用第一種形式內(nèi)的各種水冷機(jī)組。

2 綠色醫(yī)院與地源熱泵系統(tǒng)

2.1 綠色醫(yī)院的概念

綠色醫(yī)院是指在醫(yī)院的全壽命周期內(nèi)（規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維護(hù)和拆解等）對(duì)周圍環(huán)境的有害影響較小，對(duì)資源的需求相對(duì)較少，但是在節(jié)省資源（比如節(jié)地、節(jié)水、節(jié)能、節(jié)材等）的情況下并不減少醫(yī)院內(nèi)部使用人員（包括病人、醫(yī)務(wù)人員以及訪客）的良好體驗(yàn)，能夠達(dá)到這樣的目標(biāo)的醫(yī)院可以稱之為綠色醫(yī)院[2]。依照我國(guó)現(xiàn)行《綠色醫(yī)院建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51153-2015），對(duì)綠色醫(yī)院進(jìn)行等級(jí)劃分，最高為5星級(jí)、最低為3星級(jí)。

濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院西院區(qū)（以下簡(jiǎn)稱新院區(qū)）規(guī)劃總建筑面積16.13萬(wàn)m2，主要建設(shè)門急診樓、病房樓、保健樓、餐廳、制劑樓及配套用房。該項(xiàng)目從設(shè)計(jì)階段就參照綠色三星建筑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，采取了一系列節(jié)能降耗的綠色措施，例如采用了BIM技術(shù)（建筑信息模型）、屋面太陽(yáng)能、中水處理、雨水回收、地源熱泵等系統(tǒng)。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)的概念

1912年瑞士專家首次提出地源熱泵系統(tǒng)的概念，1946年美國(guó)建成第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)，20世紀(jì)80年代后期，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。

地源熱泵系統(tǒng)（ground-source heat pump system）是利用淺層地能進(jìn)行供熱制冷的新型能源利用系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)通常是轉(zhuǎn)移地下土壤中熱量或者冷量到所需要的地方，還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力，冬季地源把熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，夏季再把地下的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，一個(gè)年度形成一個(gè)冷熱循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的功能[3]。地源熱泵系統(tǒng)分室外地源換熱系統(tǒng)、地源熱泵主機(jī)系統(tǒng)和室內(nèi)末端系統(tǒng)三部分。

從地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)的角度，地源熱泵系統(tǒng)分為地下水地源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

3 地源熱泵系統(tǒng)的施工工藝

新院區(qū)采用地埋管式地源熱泵系統(tǒng)，室外地源換熱系統(tǒng)是指在建筑物周圍豎向打孔埋管布置地埋U型換熱器。新院區(qū)共設(shè)計(jì)換熱孔2000眼，每孔有效換熱深度為120 m（相對(duì)于地面高度為-3～-123 m），孔間距為4 m，孔直徑為140 mm，每6孔為一個(gè)最小回路單元；施工工藝大致分為鉆孔、下管、回填、連管等四個(gè)施工環(huán)節(jié)。

鉆孔：首先，會(huì)審施工圖紙，詳細(xì)了解打孔區(qū)域是否有地下管線、樁基和構(gòu)筑物；其次，對(duì)鉆孔區(qū)域進(jìn)行場(chǎng)地平整，測(cè)量放線，定位管孔，用木樁進(jìn)行標(biāo)記并編號(hào)，在附近挖泥漿池和泥漿溝；再次，鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)后落位安裝，連接鉆機(jī)電源和水源，具備條件后進(jìn)行試鉆。鉆機(jī)在操作過(guò)程中應(yīng)注意鉆機(jī)的水平和鉆桿的垂直；最后，要控制好鉆孔的直徑和深度，鉆頭的大小決定孔的直徑，根據(jù)鉆桿的節(jié)數(shù)來(lái)計(jì)算鉆孔深度，鉆孔的直徑和深度均應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，一臺(tái)鉆機(jī)要配置3名工人，每天按工作10 h來(lái)計(jì)算的話，能完成4孔（120 m/孔）的工作量，施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)工作面大小及工期安排，合理配置鉆機(jī)的臺(tái)數(shù)。

下管：當(dāng)鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，要及時(shí)撤出鉆桿，開(kāi)始下PE管。首先，要做好PE管（含預(yù)制雙U型頭）進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收、沖洗、試壓、編號(hào)工作；其次，下管時(shí)要采用鉆桿輔助，不得用力壓制鉆桿下管；為防止地埋管U型頭在下管中受到機(jī)械損傷，在靠近U型頭部位連續(xù)安裝管卡，這樣即不損害PE管，也可避免U型頭直接受力；如出現(xiàn)下管困難時(shí)必須提管后再清孔（或擴(kuò)孔）；再次，U型管必須帶壓下管，下管過(guò)程中應(yīng)時(shí)刻注意壓力表刻度；發(fā)現(xiàn)泄壓后必須重新試壓，確保垂直的埋管完好無(wú)損；PE管保壓至灌漿后1 h；最后，將提前預(yù)制好長(zhǎng)度（一般比孔深多2～3 m）的PE管垂直埋管敷設(shè)完畢后，用管帽對(duì)地面管進(jìn)行封堵，避免泥沙進(jìn)入管道。

回填：通過(guò)灌漿管將原漿回填（灌漿管通過(guò)管卡中間孔洞與垂直的埋管同時(shí)插入孔中到孔底），從孔底逐漸灌至孔口（灌漿管隨灌隨抽，直至抽出孔外）；嚴(yán)禁使用現(xiàn)場(chǎng)的混合泥漿（泥漿隨意排放的混合泥漿）回填；當(dāng)上翻泥漿密度與灌漿密度一致時(shí)，灌漿完成；如采用人工回填原漿，必須多次回灌，每次回填時(shí)應(yīng)隨時(shí)輕微搖動(dòng)孔內(nèi)PE管，確保原漿沉入底部；當(dāng)原漿回填至孔口位置時(shí)，應(yīng)清除孔口周圍的積水或泥漿，為其干燥收縮創(chuàng)造條件，并應(yīng)補(bǔ)灌封孔。當(dāng)孔內(nèi)地下水較多時(shí)，原漿回填料應(yīng)摻入膨潤(rùn)土或粗砂。

連管：在連接之前要保證現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有多余的液體泥漿存在，多余泥漿可以外運(yùn)或者自然晾干，水平連管管溝溝底應(yīng)鋪填細(xì)砂，水平管敷設(shè)完后，其上應(yīng)再鋪設(shè)一層細(xì)砂，然后回填原土并夯實(shí)。每一次連管完成之后都應(yīng)該打壓一次，保證系統(tǒng)的密閉性。每6孔為一個(gè)最小組合單元連接到13通，13通匯集在二級(jí)分、集水器上（設(shè)置在室外檢查井），最后通過(guò)主管連接到一級(jí)分、集水器上（設(shè)置在空調(diào)主機(jī)機(jī)房），一級(jí)集水器通過(guò)循環(huán)水泵與6臺(tái)螺桿式地源熱泵冷熱水機(jī)組相連進(jìn)行冷熱交換。從換熱孔到二級(jí)分、集水器采用聚乙烯塑料管連通，該管（不保溫）采取直埋的方式；二級(jí)分、集水器到一級(jí)分、集水器室內(nèi)部分采用無(wú)縫鋼管（保溫）連接。為保證二級(jí)系統(tǒng)水力基本平衡，一級(jí)分、集水器的各支路設(shè)置靜態(tài)水力平衡閥；為彌補(bǔ)空調(diào)水損耗，還需設(shè)置定壓補(bǔ)水裝置。

此外，所有的鉆孔位置及其水平連管均在建筑物輪廓線的3 m以外，以防影響建筑物安全。

4 地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

4.1 綠色環(huán)保、高效節(jié)能

①地源熱泵系統(tǒng)不直接消耗不可再生資源（煤、燃油或天然氣等），沒(méi)有任何排放污染；②地源熱泵將室內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下土壤中存放，從源頭上根除了空調(diào)系統(tǒng)對(duì)城市熱島的效應(yīng)；③該系統(tǒng)的COP（制熱量/制冷量和所消耗的電功率之間的比值）值最高達(dá)到4以上，高效的一次能源利用率，是地源熱泵系統(tǒng)環(huán)保效果的最直接體現(xiàn)；④地源熱泵利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源（通常不大于400 m深），屬于可再生能源利用技術(shù)。

4.2 維護(hù)費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)

①地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件要比常規(guī)系統(tǒng)少，維護(hù)設(shè)備少，設(shè)備都在機(jī)房和檢查井內(nèi)，也方便維護(hù)；②省去了冷卻塔、鍋爐房、室外機(jī)組和其他配套設(shè)備，節(jié)約了屋面空間，避免了不必要的初次投資和后期維護(hù)更換支出費(fèi)用，同時(shí)也改善了院區(qū)特別是屋面的外部形象；③地源熱泵的地下埋管為聚乙烯管（PE管），而且深埋地下，很少受外力作用，壽命可達(dá)50年。

5 地源熱泵系統(tǒng)的缺點(diǎn)

地源熱泵系統(tǒng)也不是完美無(wú)瑕的，也有其缺點(diǎn)。①土壤熱不平衡的問(wèn)題，中國(guó)南部以供冷為主，常年向地下注入熱量；而北方地區(qū)冬季供暖需求大，從土壤中大量吸熱，長(zhǎng)此以往將導(dǎo)致土壤溫度失衡，系統(tǒng)效率降低，影響周圍生態(tài)；②打孔埋管必須有足夠的空間；③設(shè)計(jì)及運(yùn)行中對(duì)全年冷熱平衡有較大要求，要做到夏季往地下排放的熱量與冬季從地下取用的熱量大體平衡，長(zhǎng)期使用效果會(huì)變差；④室外打孔往往在新醫(yī)院建設(shè)初期，后期院區(qū)管網(wǎng)、綠化等配套工程施工時(shí)容易對(duì)原來(lái)預(yù)埋管和檢查井造成破壞，施工階段不容易被發(fā)現(xiàn)，往往院區(qū)道路、鋪裝或綠化完工后才發(fā)現(xiàn)，維修不方便而且增加了維修成本；第五，室外打孔會(huì)產(chǎn)生大量泥漿，在院區(qū)內(nèi)不好堆放，外運(yùn)又會(huì)給市政道路產(chǎn)生一定的污染隱患。

6 結(jié)語(yǔ)

地源熱泵系統(tǒng)作為一種環(huán)保節(jié)能的新型中央空調(diào)系統(tǒng)，總體來(lái)看，其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缺點(diǎn)，在新建綠色醫(yī)院中逐漸得到應(yīng)用與推廣。建設(shè)單位如想采用該系統(tǒng)作為主要空調(diào)冷熱源的話，在新院建設(shè)初期一定要做好該系統(tǒng)的前期論證工作，并不是所有的醫(yī)院都適合該系統(tǒng)。①不同地區(qū)的能源政策、能源價(jià)格對(duì)其影響；②一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用不同地區(qū)也不同；③建設(shè)單位必須提前對(duì)擬打孔的地下土壤、水文等地質(zhì)條件進(jìn)行判斷，通過(guò)打?qū)嶒?yàn)井采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、模擬分析、科學(xué)計(jì)算等一系列論證工作后得出答案。

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（收稿日期：2018-05-10）