地源熱泵埋地管存在問(wèn)題及預(yù)防措施

沈衛(wèi)東

(蘇州建筑工程監(jiān)理有限公司，江蘇 蘇州 215000)

地源熱泵系統(tǒng)工程分為三個(gè)：即埋地管換熱系統(tǒng)、地表水換熱系統(tǒng)和地下水換熱系統(tǒng)。地源熱泵埋地管施工工藝流程有兩種方法：一種施工工藝流程是先把基坑開(kāi)挖完成后，再進(jìn)行垂直埋地管施工，然后再水平管施工；另一種施工工藝流程是先垂直埋地管施工完成后，再進(jìn)行把基坑開(kāi)挖，然后再水平管施工。

這兩種施工工藝優(yōu)缺點(diǎn)：前一種施工工期較長(zhǎng)，基坑暴露時(shí)間長(zhǎng)，垂直井鉆孔深度比后一種較短，垂直外露管不宜被破壞。后一種施工工期較短，基坑暴露時(shí)間短，垂直井鉆孔深度比前一種工藝較長(zhǎng)，基坑開(kāi)挖垂直埋地管容易被破壞?，F(xiàn)在目前大多數(shù)采用先垂直埋地管施工、后進(jìn)行基坑開(kāi)挖工藝方法。

1 地源熱泵埋地管存在的問(wèn)題

地源熱泵埋地管存在的問(wèn)題有多種因素所導(dǎo)致的。其中，（4M1E）即人、料、機(jī)、法、環(huán)是主要的五大因素?？孜弧⒖讖?、孔深、孔斜、回填料、施工工藝地源熱泵地埋豎管施工的重要關(guān)鍵參數(shù)。

1.1 豎直埋地管孔井位存在偏差問(wèn)題

1）豎孔井放線(xiàn)定位前，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員和定位放線(xiàn)人員對(duì)施工圖紙及周邊環(huán)境不熟悉、不了解導(dǎo)致定位放線(xiàn)偏移。

2）放線(xiàn)人員責(zé)任心不強(qiáng)，放線(xiàn)定位測(cè)量時(shí)沒(méi)有根據(jù)定位坐標(biāo)尺寸測(cè)量放線(xiàn)，而是一個(gè)緊挨著一個(gè)向一個(gè)方向測(cè)量定位，使后面的井位偏移。

3）由于換熱器豎直地埋管點(diǎn)位圖與建筑物基礎(chǔ)承臺(tái)有沖突，鉆井施工人員為了方便，隨意改變位置導(dǎo)致井位偏移。

1.2 豎直埋地管孔徑存在問(wèn)題

換熱器豎井孔徑尺寸在施工中是最基本的要求，如果孔徑偏小了不但影響埋地?fù)Q熱器垂直下管困難導(dǎo)致埋地?fù)Q熱器損壞或?qū)o(wú)法下管，就算不影響埋地管換熱器下管，就會(huì)影響豎井回填灌漿不密實(shí)，導(dǎo)致豎井出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象。影響孔徑尺寸有以下幾個(gè)方面：1）沒(méi)有根據(jù)地層條件、孔徑及孔深等選擇合理的鉆孔設(shè)備機(jī)械和施工工藝；2）在鉆孔機(jī)鉆孔施工當(dāng)由于地層內(nèi)的土質(zhì)有很多不一樣的，垂直井鉆進(jìn)過(guò)程中如果遇到易塌方的地層，護(hù)壁泥漿就要根據(jù)塌方實(shí)際情況對(duì)泥漿的粘密、度度要適當(dāng)加大一點(diǎn)；3）垂直鉆孔完畢并清孔完成后，由于材料貨源缺少?zèng)]有來(lái)得及及時(shí)下管，導(dǎo)致縮徑。

1.3 豎直埋地管孔垂直度存在問(wèn)題

換熱器豎井孔的鉆孔垂直度好壞，直接影響埋地?fù)Q熱器下管順利與否，最為嚴(yán)重的是豎井孔傾斜率超過(guò)極限值，鉆孔機(jī)鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)危及到周邊已經(jīng)埋設(shè)好的地埋換熱器管道，使管道導(dǎo)致破壞而報(bào)廢。這樣會(huì)使導(dǎo)致空調(diào)制冷、制熱能效降低。

1）選配的鉆孔機(jī)械配備鉆桿數(shù)量不足，導(dǎo)致鉆孔深度不夠。

2）鉆孔完成后，鉆孔雖然深度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但施工作業(yè)人員沒(méi)有按照規(guī)范要求進(jìn)行清孔，使孔井內(nèi)泥漿、碎石沉淀在孔井底內(nèi)，導(dǎo)致井孔深度不夠。

3）由于地層條件原因，在鉆進(jìn)時(shí)護(hù)壁泥漿密度和粘度配比不合理，引起孔壁塌方造成井孔深度不足。

4）本身埋地?fù)Q熱器管長(zhǎng)度不夠或下管時(shí)沒(méi)有下到設(shè)計(jì)標(biāo)高，導(dǎo)致井孔深度不夠。

1.4 豎直埋地管孔回填存在問(wèn)題

換熱器豎井孔回填料主要位于換熱器管和鉆孔井壁之間，主要用于周?chē)膸r土和換熱器的換熱，并且能夠防止豎井內(nèi)的水通過(guò)豎井向上涌出和地表面的水通過(guò)豎井向下滲透到迪內(nèi)，并且回填料的導(dǎo)熱系數(shù)也是影響換熱孔孔里面的熱阻重要的因數(shù)。因此，換熱孔回填質(zhì)量保證是有重要意義的。換熱孔回填存在問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn)：1）回填泥漿原材料采用不合格的材料（如：采用不合格的水泥、膨潤(rùn)土，黃砂采用海砂等）；2）回填泥漿料的配合比導(dǎo)熱系數(shù)沒(méi)有根據(jù)當(dāng)?shù)氐貙訋r土的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行做配合比或者回填泥漿料（黃砂：膨潤(rùn)土：水泥）配合比制作隨意性；3）回填泥漿料沒(méi)做配合比，也沒(méi)做試塊，僅靠以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)拌制泥漿作回填料，導(dǎo)致回填料導(dǎo)熱系數(shù)不滿(mǎn)足要求；4）換熱器豎井孔回填注漿不密實(shí)或不連續(xù)性，導(dǎo)致豎井孔滲漏，使導(dǎo)熱系數(shù)不達(dá)標(biāo)；5）注漿設(shè)備選型不匹配或注漿沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高要求。也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)不達(dá)標(biāo)。

1.5 豎直埋地管換熱器存在的問(wèn)題

豎直埋地管換熱器管及管件均埋于在土層當(dāng)中，因?yàn)橥羶?nèi)有很多有機(jī)生物，時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)慢慢地把豎直埋地管換熱器管及管件腐蝕壞，為了能夠讓豎直埋地管換熱器管耐久性時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)，那我們就要采用耐腐蝕強(qiáng)、穩(wěn)定性好的材料。地源熱泵換熱器管內(nèi)通常是干凈的水為換熱介質(zhì)，所以換熱器管要有一定的壓力強(qiáng)度和剛度。換熱器豎直埋管一般存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：1）豎直埋地管換熱器型號(hào)不符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，壁厚厚度偏薄、耐壓強(qiáng)度不夠，抗腐蝕不強(qiáng)；2）豎直埋地管換熱器的彎管未采用U型的彎頭，而是采用直段管道煨制而成的。且管道長(zhǎng)度采用接頭拼接制成的；3）管道在熱熔連接的時(shí)候由于加溫時(shí)間短或承插時(shí)沒(méi)有插到或采用電熔連接由于電壓調(diào)的太低或時(shí)間控制不準(zhǔn)確等情況導(dǎo)致接頭質(zhì)量不合格；4）換熱器管未做強(qiáng)度壓力試驗(yàn)，或未按規(guī)定要求在保壓中進(jìn)行下管作業(yè)，導(dǎo)致受豎井壁或其他外力擠壓引起換熱器管管壁變形；5）下管過(guò)程中，由于施工作業(yè)人員操作不當(dāng)導(dǎo)致?lián)Q熱器U型支管移位靠近在一起，加重兩支管間的熱影響。

1.6 環(huán)路集管安裝存在的問(wèn)題

環(huán)路集管作用主要是把豎直換熱器管按區(qū)域匯集在一根管道上，然后水平方向延伸到建筑基坑外，在引致觀(guān)窗井內(nèi)的分集水器上，形成一個(gè)循環(huán)回路。環(huán)路集管存在的問(wèn)題原因有：1）溝槽開(kāi)挖時(shí)，沒(méi)有根據(jù)地下水深度和表層土的性質(zhì)來(lái)確定溝槽開(kāi)挖方案，導(dǎo)致溝槽坑壁塌方；2）管道安裝時(shí)，管道與溝槽底部間鋪設(shè)細(xì)沙偏少或未鋪設(shè)，導(dǎo)致降低熱能量；3）供水、回水環(huán)路集管與換熱管環(huán)路數(shù)不相等，導(dǎo)致水力不平衡。供水、回水兩環(huán)路集管安裝間距偏小，導(dǎo)致回、供水管之間的熱傳遞增大；4）環(huán)路集水管與管件相連接的型號(hào)不同，導(dǎo)致水管強(qiáng)度降低；5）管溝回填時(shí)，采用含有石塊或雜物等土回填導(dǎo)致集水管破裂損傷等。

2 地源熱泵埋地管的預(yù)防措施

由于地源熱泵系統(tǒng)土壤源換熱器均埋于建筑物基礎(chǔ)底板下方或綠化、道路地下內(nèi)，純屬于隱蔽工程，如果一旦出現(xiàn)了問(wèn)題就看不見(jiàn)摸不著，那就難以維修更換甚至無(wú)法維修更換。因此，為了更具體分析地源熱泵埋地管的預(yù)防措施，下面以參與的某科教研發(fā)大樓實(shí)踐案例為研究對(duì)象。

2.1 工程概況

某科教研發(fā)大樓地源熱泵總有效井?dāng)?shù)為370口、分為8個(gè)區(qū)、井距為4.2m*4.2m、井徑為150mm，有效埋設(shè)深度為110m。地埋管換熱器采用垂直鉆孔的方式、垂直埋地管群井均布置于建筑物地下室筏板底下方。垂直埋管型式采用雙U型De25管，室外地?fù)Q熱器（包括U型理管及水平支管）采用聚乙烯管PE100（SDR11），承壓為1.0MPa。室外地?zé)釗Q熱器采用HDPE復(fù)合管（PE100），承壓1.0MPa；供回水水平環(huán)路集管相距600mm，各管由各自的水平連接管引至分、集水器。所有水平管均采用同程布置。另設(shè)有地溫監(jiān)測(cè)井3口。

2.2 具體預(yù)防措施分析

2.2.1 做好施工前的準(zhǔn)備工作

項(xiàng)目部組建進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)盡快組織人員熟悉圖紙了解工地現(xiàn)場(chǎng)情況，并做好安全、技術(shù)交底工作；豎直埋地管井定位放線(xiàn)前，應(yīng)與基礎(chǔ)樁位布置圖核查對(duì)比是否有互相沖突，及時(shí)對(duì)圖紙進(jìn)行優(yōu)化并經(jīng)原設(shè)計(jì)單位確認(rèn)。定位放線(xiàn)采用GPS和水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量放基準(zhǔn)點(diǎn)，并對(duì)豎直埋地管井位做好醒目標(biāo)記。

2.2.2 優(yōu)選鉆孔設(shè)備和施工工藝

豎直埋地管孔鉆探施工根據(jù)地層條件、孔徑及孔深等選擇合理的鉆孔設(shè)備機(jī)械和施工工藝。根據(jù)本項(xiàng)目地勘報(bào)告及蘇州地區(qū)的特點(diǎn)，地源熱泵垂直鉆孔施工采用“正循環(huán)”鉆進(jìn)方法進(jìn)行鉆孔。施工場(chǎng)地在鉆探設(shè)備進(jìn)場(chǎng)前應(yīng)先對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行平整，要保證鉆探設(shè)備放置施工場(chǎng)地平穩(wěn)。能保證鉆探成孔率施工中應(yīng)注意以下要點(diǎn)。

1）起始管孔沖洗液宜采用泥漿進(jìn)行鉆進(jìn)，垂直孔剛剛開(kāi)始鉆孔時(shí)先要慢慢地輕壓和慢慢轉(zhuǎn)并要把泵量控制好，當(dāng)垂直鉆孔機(jī)鉆孔進(jìn)入正常鉆進(jìn)的狀態(tài)工作下，然后再慢慢地逐漸加大鉆孔機(jī)的轉(zhuǎn)速和鉆孔機(jī)鉆壓力。

2）鉆進(jìn)在正常的情況過(guò)程中，鉆孔機(jī)的鉆進(jìn)速度、鉆孔機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)合理控制好的同時(shí)，還應(yīng)嚴(yán)格控制排碴的質(zhì)量。操作過(guò)程中對(duì)起重滑輪組鋼繩和水龍帶的松緊度也一定要掌握好，避免減少晃動(dòng)影響成孔質(zhì)量。

3）在鉆孔機(jī)鉆孔施工當(dāng)由于地層內(nèi)的土質(zhì)有很多不一樣的，垂直井鉆進(jìn)過(guò)程中如果遇到易塌方的地層，護(hù)壁泥漿就要根據(jù)塌方實(shí)際情況對(duì)泥漿的粘密、度度進(jìn)行加大，防止塌孔確保成孔一次成型。

4）在加接鉆桿時(shí)，應(yīng)先要提高鉆孔的鉆頭，鉆頭離孔底的距離要大于20cm以上左右，再等泥漿循環(huán)3min時(shí)間后，然后再吧接頭擰卸下來(lái)再加接另一根鉆桿。

5）施工過(guò)程中鉆孔機(jī)如果鉆進(jìn)遇到異常情況下，應(yīng)立即叫現(xiàn)場(chǎng)施工人員關(guān)停鉆孔機(jī)械并派人馬上查找原因。原因找到后及時(shí)對(duì)查找出來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行處理，處理完畢后才可以繼續(xù)鉆進(jìn)。

6）鉆孔機(jī)鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，要對(duì)孔的深度用吊繩進(jìn)行測(cè)量是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求深度，垂直孔的深度要比埋地?fù)Q熱管有效深度深2m以上，確保垂直換熱管埋管下管時(shí)能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)深度要求。

7）由于豎直埋地管孔相互間距較近，深度較深。因此，豎直埋地管孔鉆機(jī)鉆孔施工時(shí)，應(yīng)合理布置機(jī)位及施工方向，一般是從環(huán)路集水管至窗井的方向進(jìn)行施工，豎直埋地管孔的孔斜率必須保證在1.5%以?xún)?nèi)，鉆機(jī)鉆桿應(yīng)確保垂直度，這樣才能確保豎直埋地管孔的傾斜度，而不會(huì)影響到周邊已經(jīng)埋設(shè)好的地埋換熱器管道。

2.2.3 豎直埋地管換熱器下管及回填

1）豎直換熱器埋地管進(jìn)場(chǎng)后在下管前要對(duì)豎直換熱器埋地管進(jìn)行水壓試驗(yàn)。試壓合格后將關(guān)內(nèi)的壓力按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求降到一定的壓力值進(jìn)行保壓。保壓時(shí)間要保到下管結(jié)束和環(huán)路集水管溝槽開(kāi)挖結(jié)束為止，主要目的是：一是可以觀(guān)察管道下管時(shí)是否有損壞，如果下管時(shí)壓力下降表示管道可能已損壞，如果壓力沒(méi)有下降表示管道正常完好。另外可防止受豎井壁或其他外力擠壓引起換熱器管管壁變形。

2）下管前，鉆桿端頭上安裝個(gè)反卡器具然后將U型彎管頭卡在反卡器，再用鉆桿慢慢地向垂直孔內(nèi)推入換熱器埋地管；下管過(guò)程中對(duì)管道下管速度一定要掌握好，不能過(guò)快也不能過(guò)慢，在連接鉆桿時(shí)要保證一個(gè)方向不能讓鉆桿旋轉(zhuǎn)，防止換熱器U型支管扭曲在一起，導(dǎo)致兩支管間的熱影響。

3）垂直埋地管下到設(shè)計(jì)深度位置后，要慢慢地拔起鉆桿（拔桿不宜過(guò)快），并進(jìn)行注漿回填。

4）回填漿料的配合比導(dǎo)熱系數(shù)要根據(jù)當(dāng)?shù)氐貙訋r土的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行做配合比試塊。回填漿料要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)要大于等于原地層綜合導(dǎo)熱系數(shù)。

5）為保證埋地?fù)Q熱器井孔內(nèi)注漿能達(dá)到密實(shí)度和注漿的連續(xù)性，井孔回填注漿通過(guò)注漿泵空心鉆桿把攪拌好回填漿料注入到井內(nèi)，確保注漿質(zhì)量注漿時(shí)對(duì)注漿速度以及注漿管的長(zhǎng)度要控制好。直到漿液從地面涌出后才可以停止對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行不注漿并將灌漿管拔出，同時(shí)固定管口。注漿完成后，豎直埋地管內(nèi)的壓力應(yīng)不少于1h的時(shí)間保壓。

6）注漿要進(jìn)行分次注漿，防止注漿導(dǎo)致垂直換熱器管上浮。第一次注漿高度為換熱器U型管底平，第二次注漿高度為換熱器總高度的0.5H處，第三次注漿高度為換熱器總高度的0.25H處，最后注漿至孔口位置平，待灌注完成后，采用人工將用黃砂回填對(duì)孔口進(jìn)行封堵。

2.2.4 環(huán)路集水管及溝槽回填

1）溝槽開(kāi)挖前應(yīng)根據(jù)地下水深度和表層土的性質(zhì)做好溝槽開(kāi)挖方案。水平環(huán)路集水管管溝挖到溝底設(shè)計(jì)標(biāo)高要預(yù)留出一定厚度的土層，預(yù)留部分的土層在管道敷設(shè)前根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)標(biāo)高安排人工進(jìn)行人工開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并做好保護(hù)措施，防止破壞豎直埋地管管頭。

2）管道安裝前，溝槽底部細(xì)沙必須要滿(mǎn)鋪并壓實(shí)，厚度要保證；供水水平環(huán)路集管和回水水平環(huán)路集管與垂直埋地?fù)Q熱管環(huán)路數(shù)應(yīng)要相等，保持水力平衡；供水、回水兩環(huán)路集管安裝間距偏小，導(dǎo)致兩管之間的熱傳遞增大。

3）管材和管件的級(jí)別、牌號(hào)要相等，管道熱熔承插深度必須要滿(mǎn)足廠(chǎng)家技術(shù)說(shuō)明要求，承插要保證粘合度承口端部凸出的緣環(huán)要均勻。

4）管溝回填應(yīng)用無(wú)磚塊、無(wú)雜物的原土回填，并分層壓實(shí)至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3 埋地管水壓試驗(yàn)與清洗

地源熱泵埋地管水壓試驗(yàn)一般分四次試驗(yàn)，第一次試驗(yàn)是在豎直埋地管插入井孔前進(jìn)行。第二次試驗(yàn)時(shí)間是等每個(gè)區(qū)域的水平環(huán)路集管與每個(gè)區(qū)域的豎直埋地管連接環(huán)通后完成后進(jìn)行對(duì)逐個(gè)區(qū)域的第二次水壓試驗(yàn)，試壓過(guò)程中仔細(xì)檢查每個(gè)連接的接頭有無(wú)滲漏，如無(wú)滲漏在進(jìn)行土方回填。第三次試驗(yàn)時(shí)間是在等每個(gè)區(qū)域的環(huán)路集管匯集管與每個(gè)區(qū)域分集水器連接完成后進(jìn)行對(duì)逐個(gè)區(qū)域的第三次水壓試，試驗(yàn)結(jié)束合格后在進(jìn)行土方回填，第四次試驗(yàn)時(shí)間是在地源熱泵埋地管換熱系統(tǒng)安裝全部結(jié)束后，并且對(duì)每條管道沖洗結(jié)束后，再進(jìn)行做地源熱泵埋地管換熱系統(tǒng)最后一次（第四次）水壓試驗(yàn)壓力。第一次試驗(yàn)壓力不小于10kg試驗(yàn)壓力，穩(wěn)壓不少于15min，穩(wěn)壓的壓力降不得大于試驗(yàn)壓力的百分之三十；第二、三、四次試驗(yàn)壓力各不小于3kg，第二次試驗(yàn)壓力穩(wěn)壓時(shí)間不的小于0.5h，穩(wěn)壓壓力降不得大于試驗(yàn)壓力的30%，第三次試驗(yàn)壓力穩(wěn)壓不得小于120min，且沒(méi)有出現(xiàn)滲漏的現(xiàn)象為合格，第四次試驗(yàn)壓力穩(wěn)壓時(shí)間不得小于12h，穩(wěn)壓壓力降不大于試驗(yàn)壓力的30%，且不滲不漏為合格。

每個(gè)區(qū)域管道進(jìn)行分段試壓合格結(jié)束后進(jìn)行對(duì)地源熱泵埋地管換熱系統(tǒng)整條管道沖洗和消毒，沖洗管道水要用無(wú)雜質(zhì)清潔的水。沖洗流速不小于1.0m/s，沖洗出來(lái)的水要與進(jìn)水的清潔度相一致為合格。

4 結(jié)語(yǔ)

地源熱泵換熱器埋地管均施工于建筑物基礎(chǔ)底板下方和綠化、道路地下內(nèi)，純屬于隱蔽工程。其施工具有一次性、不可逆行的特點(diǎn)。因此，在施工安裝過(guò)程中每一個(gè)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行質(zhì)量控制，重點(diǎn)從地源熱泵埋地管施工過(guò)程存在的問(wèn)題隱患入手，提出針對(duì)性的有效預(yù)防措施，確保埋地管換熱器最終的有效性能。