某试验基地地源热泵施工探讨

董大为，王强

(1.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081;2.中化国际招标有限责任公司铁道交通事业部，北京 100045)

1 地源热泵技术简介［1］

地源热泵技术是一种利用可再生地热能源，将供暖、制冷、提供生活热水功能集中一体的节能、环保的新技术。在我国，地源热泵技术已经有20 多年的工程应用，由于其具有节约化石能源，减少大气污染物排放的优势，目前在我国各行业的应用十分普遍。地源热泵具有以下优点:

(1)自动化程度高。相对于传统燃煤、燃油锅炉，地源热泵系统能够实现自动化运行，只需配备少量管理人员，无需人工填充燃料、清运炉渣及相关辅助工作，节省大量人力。

(2)具有较好舒适性。地源热泵系统的出风、回风设置，可在短时间内使室内温度达到设定值，且温度均匀，冬季使用无传统暖气烘烤感觉，夏季使用制冷效果更为柔和。

(3)减少污染物排放。地源热泵系统的运行不产生大气污染物，没有废渣等固体废弃物，不需要堆放燃料及废物的场地，是理想的绿色环保产品。

2 地源热泵项目实施前准备

在实施地源热泵项目之前，需要对项目位置的地质条件进行勘查，通过地质勘查报告和岩土热响应试验来评估地源热泵项目的合理性。本次试验基地的地源热泵项目是对既有燃煤锅炉供暖、空调制冷的改造项目，项目地点位于北京市昌平区某高速公路旁。通过地质勘探和水文调查，项目所在地位为古河道的下游，项目所建区域内有近200 m 深的沙石层，地下水位较高，流动性好。测试井开挖3 m 后即可见到地下水，经过勘探测试，项目所建区内的地下水水力梯度为0.2%，根据估算，项目建设区内的地下水2 天内即可更新一遍。地源热泵在此区域内实施有良好的地质条件，且地下水良好的流动性能平衡冬夏的设备应用不均衡而导致的热量不平衡，防止热积累现象的产生，适合地源热泵项目的实施。

3 地源热泵项目施工要点

3.1 换热井施工要点

本次工程需要制冷、采暖的面积约为10 000 m2，通过计算换热量确定换热井数量为145 口，深度为120 m，间距5 m 梅花形布置，地埋换热管采用双U 型PE 管。

3.1.1 双U 型PE 管地埋管施工流程及准备工作

地埋管施工流程见图1。

图1 地埋管施工工艺流程图

根据设计院出具的换热井施工图纸，结合项目的实际情况，如临时建筑、地下管网及正常使用要求，在换热井进行施工前，施工单位应对施工现场、环境并结合使用方的正常使用要求，对项目所在地进行实地踏勘，制定有针对性的施工方案，合理配备施工设备和人员。

①勘测现场施工条件，根据业主给出的水准坐标点，结合使用方提出的功能要求和设计图纸，对施工场地内换热井的位置进行定位，然后进行放线表出，放线时要考虑施工的方便与合理，应避让高压塔基的基础及地下构筑物，最终确定每个井的位置后，用白灰结合木桩作标识［2］。

②根据现场施工通道和辅助设施的情况，确定施工顺序，施工顺序选择的原则就是要避免钻井设备长远距离调动、避免场地内施工的钻井设备之间的运行通道相互交叉、场地内泥浆池布设要考虑钻井设备的施工路径。钻井设备竖立就位后，要根据施工所在区域的环境功能区划，制定大气、噪声、固体废弃物等的预防、治理措施，减少施工对周围正常工作的影响。

③根据施工顺序设置泥浆池，泥浆池的设立应能满足周边钻机使用且不影响钻机的施工路径，泥浆池可采用机械或人工开挖，深度和宽度可根据现场情况进行灵活选择。本项目的泥浆采用原浆加细沙在泥浆坑中现场调制，钻机开挖产生的泥浆进入泥浆坑，然后根据设计配比投入相应量的细沙，调制完成后由泥浆泵注入成型的换热井中。

④双U 型PE 管在紫外线的直接照射下，管材的侵蚀程度会加快，因此在PE 管运到施工现场后，管材及管件不得在阳光下曝晒，在存放时要码放整齐并用彩条布覆盖遮阳，施工现场运输及下管时不得抛摔和沿地拖拽，防止管材的不必要损伤。

3.1.2 换热井开挖施工

①钻井设备竖立就位后，首先由施工单位质检员对钻机的水平度、钻头直径及钻孔位置进行自检，确认无误后报现场监理部门核查，在得到监理部门的施工许可后方可进行钻井施工。

②在钻进过程中，施工人员要及时与技术人员沟通现场情况，并做好钻井记录表，记录钻井进度、出渣情况及钻头磨损情况，技术人员以此分析钻进过程中岩层岩性的变化及可能出现的问题，以便及时调整施工方案或更换设备。

③施工钻进到达设计要求深度后，施工人员须报现场监理部门查验钻孔深度和孔径，查验合格后再进行下管作业。在下管之前必须保证孔内的泥浆循环，防止塌孔，下管时应使用专用下管工具操作，防止PE 管在下管过程中扭曲、缠绕和上浮。

3.1.3 双U 型PE 换热管试压及下管

①双U 型PE 管运到现场后，在进行第1 次试压前，必须由现场监理部门查验管材合格证、规格型号及外观检查，再进行下一步工作。地源热泵换热管使用的双U 型PE 管应采用电熔接方法在材料生产工厂内由专业人员用专用设备按操作规范焊制而成，不得在施工现场进行现场焊制。

②按照地源热泵施工规范要求，PE 管运到现场后在下管前要进行第1 次试压，试压前要先用自来水冲或洁净无杂质的水洗管道，然后采用手动或自动试压泵打压。本项目的设计运行压力为0.3 MPa，小于1.0 MPa，因此试压压力为运行压力的1.5 倍，即0.45 MPa，此压力小于规范所示最小试压压力(最小试压压力为0.6 MPa)，故本项目的试压压力取为0.6 MPa，在试压压力稳定后，检查PE 管，不渗、不漏、无破裂且压力15 min内下降不超过3%即为合格。试压时应有现场监理部门进行旁站查验，查验合格后每组双U 型换热管管头必须立即密封，不可用气压代替水压试验。

③经过试压的PE 管在满水状态下插入下管器，通过下管器匀速下孔，下管后为防止PE 管的上浮，可先回填一部分填料;下管后，为保证PE管的完好并检验在下管过程中是否有破损，须进行第2 次试压，试验压力同第1 次试压压力(0.6 MPa)，稳压后观测30 min 以上，压力下降不超过3%即为合格;如压力下降，则将换热管拖出，换管后重新下管并试压检测。

3.1.4 回填料

换热井的施工质量直接影响到地源热泵系统的能效，是地源热泵系统成败的关键所在，而换热井回填材料的性能对换热管的换热效果有着直接的影响，因此回填时需要根据地质条件的实际情况选择合适且性能优良的回填材料。良好的导热性能、流动性、抗渗性、抗压强度、粘结性以及适当的膨胀性是回填材料所必备的条件［3］。

回填料的配比不同，其热传导系数会有较大偏差，根据经验及文献数据，一般石英砂加膨润土混合砂浆的热传导系数约为1.73W/m·K-1，本项目所在地质条件为古河道厚细沙层，有丰富石英砂可利用，因此本项目采用原浆加沙回填，回填时填料应沿孔壁缓慢填入，填砂时砂应与原浆充分拌和填入并间断性地向孔内注水，以保证填入的砂料尽可能的密实，回填填料时应结合灌水，分次回填。

3.1.5 水平管路连接

水平管路连接主要包括:管道开挖、管路安装、压力测试、填砂和土方回填。

在管沟开挖前，应首先了解开挖区域内的地下管线的分布情况，尤其是电力光缆及信号光缆，管沟开挖时注意管道与建筑物、基础或相临管道之间的水平、垂直净距，必须符合规范要求。

根据本工程的特点，施工作业面采用机械大开挖配合人工清理。机械开挖后用人工对槽底标高进行二次复核。对每个孔与水平联络管连接的弯道处全部由人工进行开挖。为便于管道安装，挖沟时将挖出来的土堆放在沟的一侧，土堆底边应与沟边保持0.6～1.0 m 的距离，沟底要求找平夯实，以防止管道弯曲受力不均。人工开挖支管管沟要求确保在系统循环水的运行中不能有死弯和死角存气。

在每个支环路连接完成后，将管道甩出管沟槽外1.0 m 远，在整个环路进行第3 次打压试验，试压标准同第1 次(0.6 MPa)，稳压30 min，压力降不应大于3%为合格;第4 次试压在所有管路安装完成，与机房分集水器完成连接后，试压标准同第1 次(0.6 MPa)，稳压12 h，压力降不应大于3%为合格。

3.2 机房及末端风机盘管设备安装要点

(1)本项目的机房及末端风机盘管设备所用管材、管件、阀门等各种配件的技术指标必须符合国家强制标准;所采用的设备其型号规格及功能应符合设计要求，设备到场后应随设备附合格证、检查报告及使用说明书，设备的各项指标应符合相应国家标准，在使用前须报监理单位审核，审核合格后方可进行安装施工。

(2)管道系统的安装应横平竖直，排水管应保证足够的坡度;进水、回水管应根据设计要求考虑保温措施，防止管道内外温差导致空气冷凝现象的发生;管道系统安装时应考虑检修空间，不得使管道紧贴楼板或墙壁;管道系统的弯头、法兰及焊口避免与支、吊架的支撑部分重合。

(3)管道系统安装完成后，须按技术规范要求和设计规定对管道系统进行冲洗，并进行水压测试。乙二醇水溶液流经的管道，安装前应进行清洗，安装过程中不得使焊渣等杂物进入。乙二醇溶液流经的管线，不宜采用镀锌管道及其配件。管道系统在进行水压测试合格后，应再次对系统进行反复冲洗，直到排出的水色清澈不浑浊，且无泥沙、焊瘤，金属屑等固体杂质。

(4)机房内的各种泵的安装应设减震垫，减震垫型号及功能要求由设备提出或提供。为保证水泵的有效工作能力，系统水管的安装应严格按照图纸施工，不得擅自增加额外弯头，给水泵施加额外阻力;水泵在试车前需加润滑油。风机盘管在安装前需检查每台盘管器的壳体及表面有无明显损伤及锈蚀、电机固定是否牢固、电线是否有破损、风扇转动是否自如是否有偏心现象;安装后需进行通电运行试验，运行时风机盘管的电气部分不得漏电且无杂音，机械活动部分不得相互摩擦;在整体系统进行水压试验时，风机盘管在试验压力下不渗漏。本项目风机盘管采用卧式吊装，吊架安装位置正确，平整牢固，吊杆与托盘相关联应用双螺母紧固找平正，且吊杆不能自由摆动。在吊顶处留有检修门，以便于机组整体拆卸和维修。水管与风机盘管连接应平直。凝结水管宜用软管连接并保证坡度准确，坡度以能保证水盘内无积水为宜。

4 问题与建议

目前在一些地源热泵项目中，部分项目在设计前没有对施工现场进行岩土热响应试验，单纯凭施工单位经验自行设计，导致系统的匹配存在问题，没有能够起到节约能源的作用。另外，地源热泵设备生产厂家良莠不齐，低质量的设备不仅无法满足正常的生活需要，还造成大量电能的浪费。

建议在地源热泵项目上马前，要在项目建设地进行岩土热响应试验，根据试验的结果和拟服务的建筑面积计算所需换热孔的数量和深度，严格执行GB 50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》，选用优质的末端设备产品，并根据建筑物内每个房间的特点选用不同的末端设备出风、回风形式，使得热泵系统能够平稳、高效的运行。

［1］徐伟.地源热泵技术手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011:3.

［2］倪振清，尹旭光.地源热泵技术在铁路沿线建筑应用及探讨［C］.铁路暖通空调专业2006 年学术交流会论文集，2006:97 -99.

［3］吕鹏，孙友宏.地源热泵发展概况与施工技术［J］.煤炭科技，2012，31(3):145 -147.