分析建筑暖通工程中的地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用

薛迪迪 太原市熱力設(shè)計(jì)有限公司

1 前言

暖通系統(tǒng)兼具采暖、通風(fēng)等多重功能，是提升建筑品質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)施。在現(xiàn)階段的暖通工程建設(shè)中，地源熱泵技術(shù)較為主流，在該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用中，將熱交換器埋置在地下，發(fā)揮出冷熱交換的作用，在該機(jī)制下有效優(yōu)化建筑內(nèi)部的居住環(huán)境。為提高地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用水平，需要加強(qiáng)技術(shù)探討，掌握原理以及應(yīng)用方法，具體分析如下。

2 地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用原理

地源熱泵技術(shù)的基本思路在于發(fā)揮出地下淺層地?zé)豳Y源的優(yōu)勢(shì)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)建筑溫度，將建筑內(nèi)部的溫度穩(wěn)定在相對(duì)合理的區(qū)間內(nèi)。地源熱泵技術(shù)具有類似于空調(diào)的作用，可實(shí)現(xiàn)高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹母咝мD(zhuǎn)化，在調(diào)節(jié)機(jī)制的介入下，維持能量平衡的狀態(tài)，由此保證用戶的居住品質(zhì)。例如，建筑內(nèi)部溫度偏高時(shí)，則將熱能轉(zhuǎn)換至土壤中；反之，建筑內(nèi)部溫度偏低時(shí)，則提高溫度，直至達(dá)到人體舒適的溫度區(qū)間為止。

在地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用中，能夠借助熱泵將地下的冷熱量傳輸至建筑內(nèi)部，由此調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部的溫度。在夏季高溫時(shí)段，儲(chǔ)存建筑釋放的熱能，隨時(shí)間的推移；進(jìn)入冬季則向建筑內(nèi)部提供熱量，以保證建筑內(nèi)部溫度的合理性。

根據(jù)淺層熱源形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)細(xì)分為多種類型，包括但不限于地下水源熱泵系統(tǒng)、土壤源熱泵系統(tǒng)等，各自均有特定的應(yīng)用機(jī)理。其中，地下水源熱泵系統(tǒng)充分應(yīng)用到地下水，將其視為冷、熱介質(zhì)，在此基礎(chǔ)上輔以少量的高位能源，以提高熱能的轉(zhuǎn)換效率，此系統(tǒng)通常采用的是較深水源，原因在于此類水源的溫度相對(duì)恒定，有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而滿足建筑對(duì)冷源（夏季）、熱源（冬季）的需求。

對(duì)于土壤源熱泵系統(tǒng)，其應(yīng)用思路在于向地下埋設(shè)適量的換熱管，借助該裝置從土壤中吸收冷熱量，而后傳輸至熱泵機(jī)組內(nèi)，啟用制冷或制熱功能，完成熱量的轉(zhuǎn)換操作，最終向建筑提供特定的冷熱能量。

圖1 地源熱泵原理

3 常見(jiàn)地源熱泵技術(shù)及其應(yīng)用特點(diǎn)

3.1 大地耦合式熱泵技術(shù)

于地下埋置換熱器（可根據(jù)具體情況采取合適的埋置方法，例如水平、垂直、蛇形埋管），將地表淺層土壤作為熱源，建立一條與大地冷熱交換的渠道。在硬件配置中，大地耦合熱泵的系統(tǒng)主機(jī)較為關(guān)鍵，其常見(jiàn)的形式主要有兩種，即水-水、水-氣熱泵機(jī)組。

大地耦合熱泵的優(yōu)勢(shì)在于：（1）達(dá)到一定深度的地下土壤所受外部環(huán)境的影響較小，溫度能夠維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)可延緩地表空氣溫度的波動(dòng)，得益于穩(wěn)定性的特征，可以作為熱泵裝置的熱源，以促進(jìn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。（2）將土壤作為熱源時(shí)，可以規(guī)避空氣污染異常嚴(yán)重的問(wèn)題。（3）適配的大地耦合熱泵運(yùn)行過(guò)程中有突出的節(jié)能化特色，無(wú)須風(fēng)機(jī)回收熱量，同時(shí)無(wú)噪聲污染。（4）土壤存儲(chǔ)熱量的能力強(qiáng)，通過(guò)與太陽(yáng)能裝置的聯(lián)合應(yīng)用，提高制冷、制熱的水平。

3.2 地下水熱泵技術(shù)

以地下水熱泵機(jī)組為主要的裝置，充分應(yīng)用到地下水（作為熱源），為建筑提供冷/熱水服務(wù)，同時(shí)有利于靈活調(diào)節(jié)建筑的溫度。

地下水熱泵技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾方面：（1）地下水熱泵系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空間的需求量較少，占用面積小。（2）大型的地下水熱泵系統(tǒng)建設(shè)成本較低，在配置得當(dāng)?shù)那疤嵯拢淮苯ㄖH需一處地下水熱泵系統(tǒng)即可。（3）日常運(yùn)維費(fèi)用較低，可有效減小地下水回灌造成的影響（以免由于該現(xiàn)象的出現(xiàn)而導(dǎo)致地面沉降）。（4）在長(zhǎng)期的探索下，地下水熱泵技術(shù)應(yīng)用水平逐步提高，其理論基礎(chǔ)扎實(shí)，工程經(jīng)驗(yàn)豐富，因此更具可行性。

3.3 地表水熱泵技術(shù)

溪流、池塘等處的水源作為熱源。相比于地下水，地表水的溫度變化幅度較大，可能會(huì)導(dǎo)致制冷制熱效率大幅下降，并且尤其是溫度較低的冬季，該問(wèn)題更為明顯。因此，除了合理應(yīng)用地表水熱泵系統(tǒng)外，必要時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際需求雙聯(lián)熱泵采暖系統(tǒng)。

地下水熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：成本較低，檢維修工作量減少，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。能耗較低，契合于節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)代工程理念。現(xiàn)階段常見(jiàn)的地表水熱泵系統(tǒng)主要有兩種，即開(kāi)路、閉路兩種形式，各自有其獨(dú)特的適用范圍。但對(duì)于寒冷地區(qū)，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，只能采用閉路系統(tǒng)，否則系統(tǒng)的管道以及其他的配套設(shè)備可能受損。

4 地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

4.1 節(jié)能環(huán)保

相比于常規(guī)的建筑采暖技術(shù)，地源熱泵技術(shù)具有更為顯著的節(jié)能環(huán)保特性，此項(xiàng)技術(shù)充分應(yīng)用到地表淺層的熱能，由此來(lái)調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)的溫度，以往能源浪費(fèi)、環(huán)境受污染的問(wèn)題得到有效的解決。

4.2 耐久可靠

地源熱泵技術(shù)的適配裝置較為簡(jiǎn)單，并且各類裝置的穩(wěn)定性較好，可減少日常維護(hù)工作量，降低后期的維護(hù)成本。具體而言，地緣熱泵具有突出的耐久性，主要部件集中在室內(nèi)和地下，與外部環(huán)境保持隔絕，因此在防護(hù)得當(dāng)?shù)那疤嵯?，不易出現(xiàn)老化、受損等問(wèn)題。通常，地上部件的使用壽命可達(dá)到30年，地下部件可延長(zhǎng)至50年。

4.3 資源利用形式合理

地?zé)豳Y源源自太陽(yáng)能，而太陽(yáng)能源源不斷，因此地?zé)豳Y源具有可再生的特性，在合理的技術(shù)手段之下，地?zé)豳Y源能夠持續(xù)性滿足建筑的暖通需求，隨之解決了建筑暖通系統(tǒng)運(yùn)行受限于資源供應(yīng)的問(wèn)題。

5 建筑暖通工程中地源熱泵技術(shù)的具體應(yīng)用要點(diǎn)

5.1 鉆孔

（1）鉆孔前，先全面勘查現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)地形、地質(zhì)等基礎(chǔ)條件，確定合適的鉆孔施工方案，保證鉆孔位置、數(shù)量、尺寸等方面的合理性。而后，安排技術(shù)交底，使全體施工人員均能夠明確施工目標(biāo)，掌握具體的鉆孔作業(yè)方法。此外，組織測(cè)量放線，作為鉆孔的參照基準(zhǔn)。（2）鉆孔時(shí)，嚴(yán)格控制鉆桿的姿態(tài)，要求其與地面始終保持垂直的位置關(guān)系，否則將產(chǎn)生斜孔。通常，鉆孔垂直方向、水平方向的最大誤差分別不超過(guò)0.5%、1%。（3）在兩相鄰鉆孔間修筑泥漿池，建立水循環(huán)流動(dòng)路徑，以免水向周邊流動(dòng)。（4）鉆孔過(guò)程中將產(chǎn)生土體，及時(shí)將此部分轉(zhuǎn)移至指定堆放場(chǎng)所，并妥善遮蓋，以免在降雨時(shí)出現(xiàn)土體被沖走的情況（此時(shí)易造成環(huán)境污染）。此外，鉆孔產(chǎn)生的土體臨時(shí)堆放在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，嚴(yán)格控制堆放量，否則荷載作用較強(qiáng)，易坍孔。（5）鉆孔時(shí)加強(qiáng)泥漿護(hù)壁，沿著孔壁灌注適量的泥漿，提高孔壁的強(qiáng)度，避免孔壁坍塌。（6）鉆孔時(shí)加強(qiáng)檢測(cè)與控制，除了孔位、孔深等基礎(chǔ)參數(shù)外，還需考慮到鉆孔作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)其他管線的布置情況，有效規(guī)避，確保周邊的各類既有管線具有穩(wěn)定性。

5.2 地埋管施工

地埋管鉆孔時(shí)，需要密切關(guān)注周邊電纜管線的分布情況，合理規(guī)劃好鉆孔位置，采取有效的防護(hù)措施，以免因鉆孔施工而導(dǎo)致電纜管線受損。只有在采取有效的協(xié)調(diào)與防護(hù)措施后，才可以給鉆孔施工質(zhì)量和既有電纜管線的正常運(yùn)行提供雙重保障。而后，再將地埋管敷設(shè)到位。

5.3 管道的組裝

（1）組裝管道前先確定所需的管材，將其堆放在平整的地面上，堆放高度不大于2m，否則會(huì)壓迫管材，導(dǎo)致管材變形。管件貯存時(shí)，需成箱放置在貨架上，堆碼高度不大于2m。HDPE管運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)后，以覆蓋彩條布的方式予以防護(hù)，禁止暴曬，否則管材易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

（2）HDPE管連接的細(xì)節(jié)較多、精度要求高，在連接前需要先清理熱熔管頭，待該處保持潔凈后方可連接。管材切割時(shí)，根據(jù)管徑選擇合適的切割方法，常見(jiàn)有手工木工鋸、旋轉(zhuǎn)切刀兩種。

（3）HDPE管連接后，安排試壓，判斷管道的嚴(yán)密性，若無(wú)誤則進(jìn)入埋管施工環(huán)節(jié)。而后，在井回填到位后進(jìn)一步試壓，若無(wú)異常狀況，連接水平干管。此后，對(duì)所有管道做全面的試壓，滿足質(zhì)量要求后方可回填土。

圖2 HDPE管道敷設(shè)

（4）HDPE管道的管徑達(dá)到63mm及以上時(shí)，宜采用熱熔對(duì)接的連接方法，此時(shí)接頭的承拉、承壓性能均較為突出，可有效保證連接的嚴(yán)密性與穩(wěn)定性。熱熔對(duì)接的作業(yè)溫度控制在200℃～210℃，施工設(shè)備選用的是熱熔對(duì)接機(jī)，主要作業(yè)流程為：選取待連接的管材，將其放置在焊機(jī)的夾具上，而后將其夾緊，確保管材有足夠的穩(wěn)定性；對(duì)管材連接端做全面的清理，并銑削連接面；檢查待連接的管材，要求斷面錯(cuò)位量不超過(guò)管壁厚度的10%；置入加熱板，用于加熱；待實(shí)際溫度滿足要求后，快速且精準(zhǔn)地接合加熱面，并適當(dāng)加大壓力（需要達(dá)到預(yù)先設(shè)定的熔接壓力），在此條件下保壓冷卻。

5.4 下管

鉆孔結(jié)束后，若孔位、孔徑等方面均滿足要求，則隨即下管，具體采用預(yù)制混凝土導(dǎo)頭下井施工法，參照鉆孔直徑，使預(yù)制導(dǎo)頭直徑略小于該值。借助導(dǎo)頭自重和HDPE管內(nèi)水的自重，使管道順暢下井，此方法在保證HDPE管下井效果的同時(shí)，還可有效防護(hù)HDPE管材，以免其在下放過(guò)程中因剮蹭或其他原因而出現(xiàn)變形、受損等問(wèn)題。

為避免熱橋損失，需嚴(yán)格控制U型管的管間距，并保證同心度。HDPE管下放到位后，用合適尺寸的U型管對(duì)兩個(gè)端口做密封處理。

5.5 管道壓力試驗(yàn)

為保證管道的使用效果，需要分階段安排管道壓力試驗(yàn)，具體考慮以下幾方面：下管前做壓力試驗(yàn)；水平管與垂直管熔接時(shí)，再次安排管道壓力試驗(yàn)，用于判斷實(shí)際情況，若滿足要求則繼續(xù)施工，否則需處理；連接分區(qū)集、分水器后，再次安排管道壓力試驗(yàn)，此階段試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不短于24h；暖通工程施工結(jié)束后，還需安排一次管道壓力試驗(yàn)，此階段持續(xù)時(shí)間不短于48h。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后，逐層把控管道的施工質(zhì)量。

6 暖通工程中地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用注意事項(xiàng)

6.1 遵循因地制宜的原則，合理規(guī)劃

地源熱泵技術(shù)在調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部環(huán)境方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)突出，但在前期設(shè)計(jì)以及實(shí)際施工中，需要遵循因地制宜的原則，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況合理優(yōu)化地源熱泵技術(shù)，提高可行性，發(fā)揮出該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。例如，需要合理選擇地源熱泵系統(tǒng)，提高冷熱源的轉(zhuǎn)換水平。

并且地源熱泵技術(shù)在建筑暖通工程的應(yīng)用中存在諸多干擾因素，易在外部環(huán)境的作用下影響應(yīng)用效果，因此需要準(zhǔn)確識(shí)別干擾因素，予以有效的防控。例如，在應(yīng)用地源熱泵技術(shù)時(shí)需要充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)的氣候特征以及其他自然條件，確定合適形式的地源熱泵，在優(yōu)質(zhì)硬件設(shè)施的配合下，實(shí)現(xiàn)冷熱能量的轉(zhuǎn)換與供應(yīng)。還需結(jié)合實(shí)際情況科學(xué)計(jì)算，保證地源熱泵等相關(guān)裝置的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均具有合理性。

6.2 合理選擇地源熱泵，提高可行性

隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，暖通工程施工水平有所提升，地源熱泵等相關(guān)硬件設(shè)施也更為豐富，為暖通工程施工提供了更多的選擇。也正是由于可選對(duì)象較多，在建筑暖通工程中容易出現(xiàn)誤選擇的情況，配套的地源熱泵與實(shí)際環(huán)境不符，從而影響該裝置的使用效果。因此，需要在設(shè)計(jì)階段便考慮到可行性、穩(wěn)定性、耐久性等方面的要求，經(jīng)過(guò)多層面的比選后，選擇合適的地源熱泵，再將其安裝到位。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在建筑工程的節(jié)能環(huán)保建設(shè)中，暖通空調(diào)屬于“重頭戲”，其中地源熱泵技術(shù)頗具代表性，合理應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)后，可充分發(fā)揮出天然資源的優(yōu)勢(shì)，提高暖通空調(diào)的應(yīng)用水平，保證建筑內(nèi)部溫度的合理性。在工程實(shí)踐中，則應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，判斷是否具備采用地源熱泵技術(shù)的條件，若現(xiàn)場(chǎng)條件良好，則合理優(yōu)化施工技術(shù)，在統(tǒng)籌規(guī)劃下，將管道選型、安裝、質(zhì)量檢驗(yàn)等各項(xiàng)工作落實(shí)到位，保證地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用效果。