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，應進行工程場地狀況調(diào)查，并應對淺層地熱能資源進行勘察。工程勘察應由具有勘察資質(zhì)的專業(yè)隊伍承擔。工程勘察完成后，應編寫工程勘察報告，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雜性，宜采用專用軟件進行；設(shè)計計算時，環(huán)路集管不應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；應根據(jù)地質(zhì)特征確定回填料配方，回填料的導熱系數(shù)不應低于鉆孔外巖土體的導熱系數(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)施工人員應持有此專業(yè)的上崗證書；施工平面圖上除應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；應對平面圖進行復核，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，應作好施工準備工作，承包商應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嚴格報審手續(xù)，逐件進行檢查，應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；聚乙烯管應符合《給水用聚乙烯（PE）管材》（GB/T13663）的要求；聚丁烯管應符合《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）埋地管道應采用熱熔或電熔連接。聚乙烯（PE）管道連接應符合國家現(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、洞穴等導致成孔困難時，應設(shè)護壁套管；在下管過程中，U型管內(nèi)宜充滿水，并應采用每隔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）灌漿時應保證灌漿的連續(xù)性，應根據(jù)機械灌漿的速度將灌漿導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，應使用大容量的灌漿混合器/分離存儲罐；應該用直徑不小于30mm的聚氯乙烯管做導管，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完畢后進行，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灌漿施工應有備用灌漿導管、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，應進行現(xiàn)場檢驗，并應提供檢驗報告。檢驗內(nèi)容應符合下列規(guī)定：①管材、管件等材料應符合國家現(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符合設(shè)計要求；③回填料及其配比應符合設(shè)計要求，水壓試驗應合格；④各環(huán)路流量應平衡，且應滿足設(shè)計要求；⑤防凍劑和防腐劑的特性及濃度應符合設(shè)計要求；⑥循環(huán)水流量及進出水溫差均應符合設(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)生蠕變和應力松弛的特性，因此試驗人員應對壓力降的理解更全面些。①水壓試驗靜水壓力不應小于管道工作壓力的1.5倍，且試驗壓力不應低于0.8MPa；不得以氣壓試驗代替水壓試驗。②試驗應分預試驗與主試驗兩個階段進行，其中預試驗步驟一，將試壓管道內(nèi)的水壓降至大氣壓，并持續(xù)60min，期間應確保空氣不進入管道；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%，則預試驗階段工作結(jié)束。主試驗階段：在預試驗階段結(jié)束后，迅速將管道泄水降壓，降壓量為試驗壓力的10%～15%。期間應準確計量降壓所泄出的水量，設(shè)為△V（L），當△V（L）≤△Vma（xL）時，應每隔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。
    回填過程的檢驗應與安裝豎直地埋管換熱器同步進行。回填過程的內(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)應符合有關(guān)技術(shù)文件的規(guī)定；②系統(tǒng)連續(xù)運行應達到正常平穩(wěn)；水泵的壓力和水泵電機的電流不應出現(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)應能正常顯示，設(shè)備連鎖、自動調(diào)節(jié)、自動保護應能正常動作；⑤調(diào)試報告應包括調(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)試應符合下列規(guī)定：①整體運轉(zhuǎn)與調(diào)試前應制定整體運轉(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)試應分冬、夏兩季進行，且調(diào)試結(jié)果應達到設(shè)計要求。調(diào)試完成后應編寫調(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，還應符合國家現(xiàn)行相關(guān)標準的規(guī)定。