地源熱泵埋管系統(tǒng)應用設計與施工工藝探討
——記中鐵上海局研發(fā)樓改擴建項目

張葉華

（上海高新建設開發(fā)有限公司， 上海 200000）

地源熱泵埋管系統(tǒng)的設計與施工重點均在地下，埋管的管材與管徑也均需要在設計過程中決定[1]。但總的來說，現(xiàn)階段在地源熱泵埋管系統(tǒng)設計與施工過程中均面臨很大的困境，比如地埋管系統(tǒng)設計方法不完善、關鍵施工工藝不科學、系統(tǒng)需要地埋管埋管面積等。因此，對地源熱泵埋管系統(tǒng)應用設計與施工工藝進行深入的分析探討十分必要。

1 工程概況

中鐵上海局改擴建工程暖通空調(diào)工程位于上海寶山顧村機器人產(chǎn)業(yè)園區(qū)，總用地面積29955 平方米，其中代征用地面積1634.7 平方米，建設用地面積28320.3 平方米，總建筑面積為104048 平方米。項目地上建筑面積55620平方米，1 號工業(yè)研發(fā)樓建筑面積為47679 平方米，2 號工業(yè)研發(fā)樓建筑面積為7831 平方米，垃圾站110.00 平方米。其中1 號工業(yè)研發(fā)樓由兩幢高層主樓及相應裙房，通過連廊的有機組合構成一個建筑單體。高層主樓A 座為集團公司辦公樓，層數(shù)11 層，最大建筑高度47.7 米；高層主樓B 座為子分公司辦公樓，層數(shù)9 層，最大建筑高度39.7 米；裙房為會議中心及辦公配套用房，層數(shù)3 層。2 號工業(yè)研發(fā)樓屬于職工公寓，位于基地東南角，建筑層數(shù)8 層，建筑高度33.3 米。垃圾站層數(shù)1 層，建筑高度6.6 米。地下部分滿堂設置兩層地下室，建筑面積48428 平方米，主要功能包括輔助配套功能（食堂）、研發(fā)用房、機動車庫、非機動車庫及附屬配套設備用房。

2 地源熱泵系統(tǒng)工作原理

地源熱泵系統(tǒng)是一種由雙管路水系統(tǒng)連接起建筑物中的所有地源熱泵機組而構成的封閉環(huán)路的空調(diào)系統(tǒng)，可以利用大地深處冬暖夏涼、溫度相對穩(wěn)定的特點，通過地下埋管封閉循環(huán)水進行熱量交換，依靠消耗少量的電力驅(qū)動熱泵機組完成制冷或供熱循環(huán)，進而確保完成空調(diào)房間和土壤、地表水等的換熱[2]。具體來說，在冬季機組處于制熱模式時可以從土壤和水中吸取熱量，并通過壓縮機與熱交換器將熱量以較高的溫度釋放至室內(nèi)。在夏季機組處于制冷模式時可以從土壤和水中提取冷量，利用壓縮機和熱交換器將大量的熱量并入室內(nèi)，同時確保室內(nèi)的熱量可以排放至土壤和水中，實現(xiàn)空調(diào)制冷目的。地源熱泵主要有地下水系統(tǒng)、地表水系統(tǒng)和地埋管系統(tǒng)三種形式，其中的地埋管系統(tǒng)是迄今應用最為廣泛的地源熱泵系統(tǒng)。

3 地源熱泵系統(tǒng)適用性分析

3.1 土壤條件

地源熱泵系統(tǒng)要想順利實施，適宜的土壤溫度是基本條件。本項目所處的土壤溫度為14-18℃，夏天時14-18℃的土壤溫度可以替代冷卻塔作為熱泵機組的冷卻系統(tǒng)，冬天時可以在不添加防凍劑的條件下作為熱泵低位熱源加以使用[3]。

3.2 建筑冷熱負荷匹配度

土壤熱泵系統(tǒng)不適宜應用于高能耗建筑之中，這主要是因為土壤源熱泵系統(tǒng)比常規(guī)的熱泵機組增加了土壤換熱器，每1KW 冷量造價大約需要增加1000 元左右。本項目整體建筑屬于使用穩(wěn)定、負荷波動小的中等規(guī)模建筑，其對潔凈要求和較低空調(diào)設定溫度要求合理，實用性和經(jīng)濟性突出。

4 施工工藝流程設計

地源熱泵系統(tǒng)施工工藝流程為：施工準備→工程鉆孔→地埋立管施工→灌漿→地埋橫管施工→回填→系統(tǒng)清洗。

5 施工要點分析

5.1 地埋管平面布置分析

待確定地源熱泵系統(tǒng)后需要重點對地埋管平面布置進行設計，就現(xiàn)階段地埋管換熱器傳熱模型使用情況來說，其中以Kelvin 線熱源理論為基礎的IGSHPA 模型方法較為常用，可以根據(jù)年最冷月和最熱月負荷以及由能量分析的BIN 方法計算出的熱泵機組季節(jié)性能系數(shù)為依據(jù)來確定地埋管換熱器的具體尺寸。而后依據(jù)IGSHPA 模型，可以針對常用的井聯(lián)U 型換熱器重點解決以下問題：

①按照本項目建筑的具體特點和條件，計算出建筑的峰值負荷，并同時計算熱泵機組的制冷量Qc 與制熱量Qh；

②依據(jù)已經(jīng)求出的Qc 和Qh，并結合建筑供冷/供熱的參數(shù)要求及機組性能，具體確定出熱泵機組的規(guī)格型號，在查出機組制冷制熱時流體出機組蒸發(fā)器/冷凝器的低限/高限溫度即地埋管換熱器側的循環(huán)液體進入地埋管換熱器的最低/最高溫度，以及熱泵機組制冷/制熱性能系數(shù)COPc 和COPh；

③求出建筑峰值負荷時埋管換熱器的換熱負荷，即機組制冷時Qmc=Qc（COPc+1）/COPc，制熱時Qmh=Qh（COPh-1)/COPh；

④依據(jù)地埋管換熱器的換熱負荷和傳熱換熱模型，分別求出對應不同的埋管管徑、管內(nèi)流速、埋深、管距時，所需埋管的數(shù)量和相應的進出水溫度，并確定最終的制冷制熱組合。

5.2 基坑鉆孔埋管

鑒于本項目現(xiàn)場埋管空地面積不足，所以必須采用基坑鉆孔埋管方式，根據(jù)本項目工期與特點，在設計之初確定了多種地埋基坑施工方案。

①先行開展施工打井，而后開展開挖土方工作，待建筑物樁基沉樁結束后基坑未開挖之前先施工豎管，基坑完全開挖完畢后，再進行橫管施工。此施工方案的優(yōu)勢在于對坑底的土層擾動影響較小，坑底的暴露時間也大大縮短。同時也有一定的局限性，比如基坑開挖時較易破壞豎管，鉆孔深度必須增加，增加了管材損耗；

②先開挖后施工（不澆墊層前），建筑物樁基沉樁結束后，基坑在開挖時地埋管隨后跟進施工，墊層再跟進地埋管施工。此施工方案的優(yōu)勢在于地埋管施工難度會大大降低，但對坑底土層擾動影響較大，坑底暴露時間較長，同時對土建施工影響周期較長，加大坑內(nèi)余土與泥漿清理難度；

③采用預留施工法開展施工，需要澆二次墊層，在第一次澆墊層時，需對地埋管施工位置進行預留（常用的方案是預留寬約60cm～80cm 的橫溝），待橫管施工完畢后進行二次澆墊層。此施工方案的優(yōu)勢在于對坑底土層的擾動影響較小，施工難度較小。局限性在于需增加相應二次墊層的土建成本，對土建施工影響周期相對較短；

④利用二次墊層施工法開展施工，土建先開挖后澆墊層，地埋管跟進施工，橫管位于第一次墊層之上，第二次的墊層澆筑在橫管之上。此施工方案的優(yōu)勢在于不會對坑底土層產(chǎn)生擾動影響，地埋管施工難度也很小，施工周期短，但會相應的增加二次墊層的土建成本。經(jīng)過分析決定，如果后期基坑內(nèi)部設計有反梁時則可以采用第四種方案，如果沒有設置反梁則可以采用第三種方案，但需要注意的一點是，無論采取何種施工方案，為了有效減免豎管施工對樁基承載力的影響，必須在沉樁結束四周后（至少要等到樁邊土的預應力完全釋放后）方可施工。

5.3 孔井回填

基于本項目采用基坑鉆孔，因而孔井回填屬于施工重點，為了避免對換熱效果和土建結構產(chǎn)生影響，本項目孔井回填方案主要有兩種。第一種是黃沙及膨潤土混合物回填（膨潤土比例為4%～6%），第二種是水泥及膨潤土混合物回填（也可根據(jù)業(yè)主要求摻入一定比例的黃沙）。

兩種施工方案均有其優(yōu)勢和局限性。考慮到水泥及膨潤土混合物回填不會對樁基承載力產(chǎn)生較大影響，而且避免了人工回填過程中的諸多不確定因素，可以保證埋管的換熱量。橫溝回填通常采用先填黃沙后填土的方式，但鑒于本項目工程位于基坑內(nèi)，所以決定全部填埋黃沙，上部回填粗沙、砂石料或直接澆筑混凝土，不能再回土，且橫管宜盡量淺埋，防止壓力過大，造成管路變形。

5.4 地源熱泵埋管系統(tǒng)“三試壓”

水壓試驗是對工程質(zhì)量的檢驗，在保證和提升施工質(zhì)量中尤為關鍵?？偟膩碚f，在開展水壓試驗時需要堅持以下幾點原則：①在條件允許的情況下，試驗壓力≤0.8MPa 時的管道系統(tǒng)可以放在同一個試壓包內(nèi)開展；②試驗壓力以高點壓力表讀數(shù)為準，氣壓以現(xiàn)場壓力表讀數(shù)為準，并在現(xiàn)場做好相關記錄；③水壓試驗時的環(huán)境溫度不得低于5℃，若環(huán)境溫度低于5℃，則應該采取防凍措施；④待試驗合格后及時泄壓排水，避免因溫度過高而導致管道系統(tǒng)超壓。本項目在地埋管施工中采用“三次試壓法”開展地源熱泵埋管系統(tǒng)測試。

①第一次試壓試驗選擇在U 型管下管前，試驗壓力應為工作壓力的1.5倍，且不應小于0.6MPa。穩(wěn)壓1 小時觀察壓力降，確保穩(wěn)壓后壓力降不大于3%且沒有出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，方可下管，并保證是帶壓下管，防止下管過程中U型管破損，一旦壓力表示數(shù)出現(xiàn)較大變化，須重新焊制U 型管，重新試壓下管，確保每個U 型管路不滲漏；

②第二次水壓試驗選擇在水平管與U 型管連接前，待水平管試壓合格后方可與U 型管連接，試驗壓力最小應為工作壓力的1.5 倍，且不應小于0.6MPa。穩(wěn)壓1 小時觀察壓力降，確定穩(wěn)壓后壓力降不大于3%且沒有出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，開展下一步施工；

③第三次水壓試驗選擇在水平管與U 型管連接完畢后，試驗壓力至少應為工作壓力的1.5 倍，且不應小于0.6MPa。至少穩(wěn)壓1 小時，穩(wěn)壓后壓力降不大于3%，且無泄漏現(xiàn)象認為合格，試壓合格后可進行埋管。

6 系統(tǒng)調(diào)試與深化設計

6.1 水力失調(diào)

水力失調(diào)屬于一種常見施工現(xiàn)象，主要是因為水力失衡而引起，分為靜態(tài)與動態(tài)兩種類型[4]。靜態(tài)水力失調(diào)是水系統(tǒng)固有的，是因為管路系統(tǒng)特性阻力系數(shù)的實際值偏離了設計值而導致的。動態(tài)水力失衡不是水系統(tǒng)自身固有的，是在系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的，主要是因為某些末端設備閥門開度改變而引起。

6.2 設計深化

對于水力失調(diào)問題，本項目提出了兩種解決方式。第一種是設置動態(tài)和靜態(tài)平衡閥門，異程式空調(diào)水系統(tǒng)中并聯(lián)環(huán)路的壓力損失計算差額大于15%，可以通過合理設置及調(diào)節(jié)平衡閥來克服水力失調(diào)。第二種是水系統(tǒng)采用同程式設計，室外地埋管管路設計、施工必須采用同程式，室內(nèi)末端水系統(tǒng)設計施工建議采用水平式同程。

7 結論

隨著綠色節(jié)能理念的愈發(fā)深入，地源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)的使用范圍越來越廣。在設計和施工過程中需要給予基坑鉆孔施工、孔井回填、管路連環(huán)三試壓及系統(tǒng)水力平衡充分的重視，有針對性的解決出現(xiàn)的問題，以此提升施工效率與質(zhì)量，推動地源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)更好發(fā)展。