地源热泵系统设计施工基本原则研究

焦小雨

（重庆交通大学土木与建筑学院，重庆400074）

0 引言

地源热泵系统是采集浅层地温能，将其从低品位热能转变为高品位热能，用于供暖和制冷的装置。浅层地温能是蕴藏在地表以下一定深度（一般为200m）范围内的地下土壤、地下水中具有开发利用价值的地温热能，是一种新型可再生能源，具有清洁环保、分布广、储量大、埋藏较浅、可就近开发利用等特点［1］。将地源热泵系统用于建筑采暖和制冷，可以大大减少化石燃料的燃烧和污染物的排放［2］。

1 地源热泵设计、施工存在的问题

浅层地温能主要利用形式为地埋管地源热泵系统和地下水源热泵系统，国内很多地源热泵工程在设计、施工过程中都存在着一些问题，出现了地源热泵效率低、项目投资过高等情况，造成节能工程不节能的后果［3］。地埋管地源热泵系统主要问题表现在机组选型不合适，地下换热器冬夏负荷不平衡。地下水源热泵系统主要问题表现在抽取的地下水不能完全回灌，长期开采地下水导致建筑物沉降，对地下水温度场和水质造成一定影响。本文系统研究了地源热泵系统设计、施工的基本原则，为地源热泵工程的前期准备、设计和施工提供了建议。

2 地源热泵系统设计、施工的基本原则

（1）地埋管地源热泵系统的应用条件没有严格限定，只要能满足地埋管系统布设要求的建设项目，在经济、技术条件均可行的前提下，均可使用地埋管地源热泵系统。相比之下，使用地下水源热泵需要对地下水进行吸热或放热，换热后的地下水需全部回灌到含水层中。由于回灌比抽水困难，经济成本较高，且要保证回灌水的质量，为降低成本，一些运营商采用多抽少灌或只抽不灌的对策，造成了地下水资源的浪费和地质的破坏，有些地区甚至出现了地面沉降。而地埋管地源热泵不需要回灌，再加上国内部分地区地下水资源较为匮乏，地下水位分布不均匀，不适合使用地下水源热泵，选择地埋管地源热泵的优势就很明显了。

（2）在地源热泵系统应用的基本原则指导下，各具体的单个建设项目还应在设计前做好地质状况、建设条件、经济效益等方面的可行性研究。地下水丰富的地区地埋管换热效果较好；地源热泵系统的关键技术是地埋管的敷设，地埋管敷设面积要得到保证；采用地埋管热泵系统的主机系统投资比其他形式的空调系统略高（一般高10%～15%），考虑其节约的运行费用，一般多投入的部分回收年限为3～5年［4］。因此，并不是任何项目都适合使用地源热泵，地源热泵建设前要进行严格的可行性分析，避免出现低效、不稳定以及质量问题。

（3）在浅层地温能开发利用区，严格限制选择地下水源热泵系统开发利用浅层地温能资源，优先选择双U地埋管，地埋管穿过咸水底界时，应做好咸水止水，以防地下淡水受到污染。地下水的抽取和回灌可能会引起不良的水文地质和工程地质现象，如地面沉降、土地沉陷后的沙土盐碱地等［5］。此外，使用地下水源热泵系统还需考虑是否会引发地质灾害，我国部分地区的地下水位已呈下降趋势，这种条件下，必须分析使用地下水源热泵系统会不会带来不均匀沉降从而引发系统地下部分损毁，导致地质恶化。国内部分地区山区较多，使用地下水源热泵还需分析崩塌、滑坡、泥石流等自然灾害发生的可能性，以避免应用地下水源热泵系统遭受地质灾害的影响或引发、加剧区域地质灾害。

（4）地源热泵系统在地区建设方面的优先选择顺序为新建建筑地区—在建建筑地区—已有建筑地区。该顺序是从建设难易程度、经济性综合考虑的，凡符合地源热泵技术推广应用要求具备应用地源热泵条件的新建、改建、扩建民用建筑项目，鼓励将浅层地温能作为建筑供暖、制冷的能量来源。

（5）地源热泵系统在使用建筑方面的优先选择顺序为办公建筑—商业建筑—高档小区住宅楼—一般小区住宅楼。办公、商业建筑，如政府办公楼、写字楼、商场、医院、酒店、学校等，对电能或化石燃料的需求量较大，是供暖、供冷的耗能大户，利用浅层地温能来代替电能和化石燃料可大幅降低电能和化石燃料的消耗，可列为开发利用浅层地温能的主要对象。高档小区住宅楼中多数居住者经济条件相对较好，对生活质量的要求相对较高，对夏天供冷和冬天供暖需求量相对较大，经济承受能力相对较强，可作为浅层地温能的开发对象。一般小区住宅楼多数居住者为工薪阶层，经济条件相对不是很好，经济承受能力也相对较弱，对夏天供冷和冬天供暖需求量相对较小。虽然利用浅层地温能一天的成本比利用电能或化石能源要低，但如果按照一个夏天或一个冬天来计算，其总成本要比利用电能或化石能源高，因此一般小区住宅楼居住者大多不愿承担由此带来的费用，且小区收费管理相对较复杂，难度大，不宜作为开发对象［6］。

（6）地埋管埋设用地一般选择较为平整的空地，包括绿地、停车场、广场及建筑周围的空地，甚至地下停车场、新建建筑物基础的下方也可用于地埋管的埋设。地埋管的作用是与周围土壤进行换热，水平埋管为了防止埋管间的热干扰，必须保证埋管之间有一定的间距；竖直埋管出于经济性考虑，一般埋深较浅，这样就增加了打井的数量，由于埋管间也要有一定的间距，造成埋管所需空间变大，因此地埋管的施工要预留充足的空间。

（7）已经埋设地埋管系统的场地上方应避免通过可能有较大承重的主要道路、消防通道等，必须穿越时，应采用盖板、管沟等技术措施保证地下埋管不被破坏。国内已经出现地埋管地源热泵质量事故的例子，有一些单位和个人受经济利益驱使，常常忽视安全生产和管理，在地埋管附近空地甚至地埋管上方修建公路、房屋、建筑物等，造成严重碾压地埋管现象，引起基础下沉，造成管道弯曲变形甚至损坏。

（8）地埋管的埋设应主动避开已存在的地下建筑、设施、管线等，保证在施工和运行中与其他地下系统和设施互不影响。尽量避免后期出现会影响到地埋管的施工，防止管道被破坏。经济发达地区或城镇范围内，由于建筑施工、道路等基础设施的建设，各种地下管线的敷设往往涉及众多管理部门，难以协调，因此在施工时会有损坏地埋管的现象发生。

（9）地埋管埋设场地上方可以考虑绿化种植，但不适宜布置高大乔木，如必须保留高大乔木，应保证足够距离，避免对地埋管造成损害。以重庆地区常见高大乔木黄角树和香樟树为例，黄角树生长速度快，根系不断向四周扩散，渗透力强，对地埋管危害极大，必须对其严格控制，在无法移栽的情况下应采取人为措施，引导其根的生长方向，并对管道加强保护。香樟树根性强，根系如果作用于管道上，会导致管道变形，因此要严格控制。经过调查发现，植物根对管道的直接破坏分穿入和挤压两种方式，间接破坏方式为根分泌物造成腐蚀性环境后加速管道腐蚀老化，其中尤以穿入破坏影响最严重［7］，建议根据现场实际情况采取不同措施。

3 结语

本文研究了地源热泵设计、施工的基本原则，从前期准备、设计施工和管理方面对地源热泵系统的合理建设提出了9点建议，以减少开发风险，促进地源热泵系统在全国的规模化应用。此项研究对地源热泵工程实践和应用具有一定的借鉴意义，对各地推动地源热泵技术同样能起到参考作用。

［1］DZ／T0225—2009 浅层地热能勘查评价规范［S］.

［2］栾英波，郑桂森，卫万顺.浅层地温能资源开发利用发展综述［J］.地质与勘探，2013，49（2）：379－383.

［3］龙娇.重庆地区浅层地温能开发利用适宜性分区研究［D］.重庆：重庆交通大学，2012.

［4］雷飞.地源热泵空调系统运行建模研究及能效分析［D］.武汉：华中科技大学，2011.

［5］王陈栋.地下水地源热泵系统的节能诊断与优化［D］.北京：北京工业大学，2008.

［6］叶安强.浅层地温能在贵州的发展方向分析［J］.低碳世界，2014（15）：177－178.

［7］黄海.深根植物对天然气管道沥青涂层的影响及其对策探讨［J］.腐蚀与防护，2004，25（11）：489－493.