某地源热泵项目室外地埋管系统施工实践

某地源热泵项目室外地埋管系统施工实践

李亮1,2，黄帅1,2，高智1,2

(1.山东省鲁南地质工程勘察院, 山东 济宁 272100； 2.山东省华鲁工程总公司, 山东 济宁 272100)

摘要：地源热泵系统因其节能、环保、可再生等优点，近年来在实际工程中得到广泛的应用。作者结合某工程的具体情况,介绍了地源热泵工程室外地埋管系统的施工体会。

关键词:地源热泵；地埋管; 施工; 实践

中图分类号:P634.7

收稿日期：2014-09-18

作者简介：李亮(1971- )，男(汉族)，山东莱州人，山东省鲁南地质工程勘察院高级工程师，探矿工程专业，一直从事工程施工与管理工作，山东省济宁市兖州区建设东路272号，Tel：0537-3424915，E-mail：liliang2882@163.com。

0前言

浅层地温能，又名浅层地热、低位能，是一种资源，当前它既未划入矿产类，又未确定为能源。所以，现阶段浅层地热开发既不归国土部门，又未明确为能源部门管理，也没有纳入建设部门管辖，可是自中央到地方，从南方到北方，全国各地都在加快开发利用的步伐，一系列的政策都在鼓励、引导各地各业开发利用浅层地温能资源。浅层地热能资源作为一种可再生、环保、清洁的新型能源，逐渐被人们认识、接受和重视。据2010年世界地热大会统计数据显示，全世界平均每年以递增19.7%的速度在增长。我国也已大规模兴起开发利用浅层地热能的热潮，据8省市2009年调查结果显示，应用浅层地热能资源进行供热和制冷的面积已超过1×108m2。随着社会经济的发展，使用地源热泵技术开展浅层地热能的开发利用已进入迅速发展阶段。

山东省浅层地热能资源丰富，据估算，浅层地热能冬、夏季可交换量为3.85×1017kJ,全部利用可替代131.40亿吨标准煤，减少二氧化碳排放313.52亿吨。当前，山东省正处在经济快速发展时期，能源需求量巨大，开发利用好浅层地热能，对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善现有能源结构、促进节能减排战略目标的实现具有重要意义。

1工程概况

某服务中心能源站建设项目室外地埋管系统，按照图纸设计要求，室外埋管20个分区，每个区72眼井，共计1440个换热孔，间距4.5m，孔深120m。

2施工情况

2.1　施工准备

现场具备施工条件后，首先进行换热孔的钻凿，换热孔成孔后立即按照工艺及图纸要求进行回填、打压试验和成孔验收等工作。根据不同的分区，在每个分区的换热孔钻凿完毕后组织相应工种的工人进行该区域的管沟开挖、水平管连接等工作，同时钻机工人开始进行下一个区域的钻孔施工，从而使得所有工序形成流水作业，人员得到合理的分配和利用。

2.2　施工过程

2.2.1测量放线及管孔定位

施工前，建设单位应组织有关单位向施工单位进行现场交桩；临时水准点和管道轴线控制桩的设置应便于观测且必须牢固，并应采取保护措施。钻井孔位的沿线临时水准点，每200m不宜少于1个；临时水准点、管道轴线控制桩、高程桩、应经过复核方可使用，并应经常校核；已建管道、构筑物等与本工程衔接的平面位置和高程，开工前应校测。

2.2.2钻孔施工

根据现场的地质情况，项目区为基岩地层，因此本项目换热孔的成孔选用潜孔锤结合空压机的钻进工艺。其工作过程是将破碎岩石的钻头和冲击器潜入孔底,以压缩空气为动力,所产生的冲击力直接传给锤头,然后再通过钻机转盘或动力头的回转驱动,形成对岩石的破碎,并利用冲击器排出的压缩空气,对锤头冷却和排粉,从而实现冲击回转的目的。

钻机安装时采用水平尺对底盘横向、纵向进行找平，水平度应≤0.5mm/m。底盘定位后，安装塔架竖杆，利用铅锤和直尺测量塔架的垂直度，保证塔架竖杆垂直。安装钻机头、钻机提升装置和空压机等附属装置时，应对钻机及附属装置接电，对每台设备进行点试，确定转向。安装前应检查每台钻机的动力电缆线、照明线路符合用电管理规范并绝缘是否良好，电源控制箱至钻机的电源线应埋地敷设不允许在地面随意拉扯。钻机移位或就位时，要保证钻机钻杆垂直度，防止钻孔的垂直偏差将已埋管道损坏。钻孔前应根据施工图轴线核对现场布置线确定钻孔位置，确保钻孔点误差小于50mm，并对钻孔场地进行平整。开钻前必须从头到尾检查一遍设备的完好情况。检查内容包括：确定转向无误、重新校核塔架底盘、竖杆的水平和垂直度。经确认无任何异常时方可开钻。在钻孔过程中，根据地下地质情况、地下管线敷设情况，适当调整钻孔的位置。钻孔过程中安排专业质量检查员随时检查钻孔位置，确保管孔位置的正确性和钻孔的铅垂度，避免返工并作好检查记录工作，如发现偏差超过标准要求应及时纠正，重新进行定位或调整钻机垂直偏差。钻孔过程中产生的岩屑应集中堆放，在钻孔完成后及时处理干净。钻孔完毕后，应尽快将地埋管放入管孔内，水压试验合格后将垂直埋管管口封死并做标记，避免地埋管堵塞。每钻完一个换热孔后检查管孔深度和管孔质量并作好隐蔽工程记录报项目经理及监理工程师验收。

换热孔采用细沙及原浆回填,在回填时由专人负责,采取边回填边疏通的方法,防止回填材料堆积在上部，底部回填不到位的情况发生，回填料在换热孔内是一个逐渐密实的过程，因此采取多次回填的方式，对每个换热孔进行巡查，发现能回填的换热孔，应立即组织回填。

2.2.3PE管连接

按照设计要求以及《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005规定，埋地管道应采用热熔或电熔连接。针对本项目的设计与施工特点，为保证埋地管道所有的连接部位的强度和严密性，确保地埋管系统的施工质量，确定地埋管系统De63以下采用热熔承插连接；大于De63采用热熔对接的方法，并制定PE管热熔连接施工方案。根据地埋管系统的特点和设计要求，施工中要尽可能的减少管道的连接接头。除水平管段需有接头外，垂直管段时不允许有接头。

(1) PE管连接前的注意事项

聚乙烯(PE)管严禁在雨污水检查井及排水管渠内穿过，PE管与热力管道间的距离最小不得小于1.50m；与其他管线交叉敷设时，交叉点净距不应小于0.15m。穿越路面等设施时应采用不得小于穿越管外径加100mm的套管，且应在设计及建设单位的认可下进行。PE管地下敷设时在转弯、三通、阀门等部位应采取防推脱的绑扎等技术措施进行固定，进行电熔连接时应采用相应的专用设备工具，连接时严禁明火加热。连接设备的温度控制应精确，加热面温度分布应均匀，加热面结构应符合焊接工艺的要求。连接前、后应使用洁净棉布擦净加热面上的污物。加热时间、加热温度以及保压、冷却时间，应符合管材、管件的要求。在保压、冷却时间不得移动连接件或在连接件上施加任何外力。U型管的组对长度应能满足插入钻孔后与水平汇总管的对接要求，组对好的U型管的两开口端部，应及时密封。地埋管系统施工时，沟槽或竖井内应避免雨水和施工用水浸入。沟槽内应有防止雨水、地下水的抽排设施和系统(排水沟、集水坑、潜水泵等)。

(2) PE管的连接方法

所有地埋管道必须按设计要求采用热熔或电熔的方法连接。De63以下(包括De63)采用热熔承插连接，大于De63采用热熔对接。地下水平埋管如有接头应采用相同材料的管件熔接，不同种类的塑料或级别不同的塑料不应熔接。不应采用金属管件连接。竖直U型管换热器的双U形弯管接头，应选用定型的双U形弯头成品件。不允许采用两个90°的弯头对接的方式构成双U形弯管接头。双U型管的组对长度应能满足插入钻孔后与水平联箱的对接要求，组对好的U型管的两开口端部，必须及时密封。环路集管与各环路的连接：当管径小于De63时，采用热熔连接；当管径大于De63时，采用热熔对接的方式。如必须采用金属件连接时，需在连接件外做防腐，并作地下检查井维护。

(3) PE管热(电)熔连接施工步骤

垂直PE管与水平PE管连接前应将管道端部修剪平整。用切割器或专用PE管剪刀垂直切割PE管材，切割后的PE管端应呈圆形。清洁PE管、管件表面与管腔内的泥土和油渍，并用不起毛的毛巾擦拭干净。对其表面和管内腔的水迹应用电吹风吹干。用刮片(钢片或玻璃片)将PE管端部外表面(约3～5cm)，以及PE管件内表面熔接部位刮去薄薄的一层表皮，去除表面氧化层。刮去表皮时用力要均匀，厚薄要一致。擦拭干净准备熔接的管子端头和管件的外内表面，然后将需要熔接的管道端部插入电熔管套。PE管插入深度见表1。

表1

管子外径/mmDe25～32De40De50De63De75De90熔入深度/mm202225283135

为防止垂直管与水平管间的连接因熔热过程中产生热变形，我们采取了以下措施：在每一处连接管段上绑扎一节角钢(L=500mm),使其固定牢固，并使每一处连接管段在熔热后仍保持固定2小时。将PE管完全插入PE管件内并对齐平直后，将其两端用上述方法绑扎固定。再将电熔机的两个正负极(红、黄)电源分别插入管件电源孔内。接通电熔机电源，按照电熔机操作程序事先设定熔接时间(50秒)，启动电源按钮，熔接开始。熔接时间到后，电熔机自动停机。关断电源，拔出电源线，熔接完成。熔热后的PE管件与PE管直管段的外观纵向要一致，不允许出现角度或偏差。电熔管件外侧面两小孔内塑料头熔热后凸出，表明PE管件与PE管熔热后接触面完全熔热密实，熔接完成。

(4) 水平埋管敷设

每个分区内的换热孔钻凿完毕后，进行水平管的连接工作，按照设计图纸的要求，每6个孔连入一个联箱，支路连接完毕后，将每个支路的两根De63的PE管连接至各自分区的分集水器(共计12个支路)，然后将分区的分集水器的两根主管连接至机房外墙处，在连接前，事先安排放置各分集水器的室外井室的土建施工，在接入位置预留套管(应比管道大2号)。PE管道移入沟槽时，不得损伤管材，表面不得有明显划痕。应采用非金属绳索下管。管材应沿管线敷设方向排列在沟槽边。对敷设、连接间隔时间较长或每次工程收工时，管口部位应进行封闭保护。对需临时敞开管口时，也必须采取措施保证泥土、砂子等杂物不得进入管道内，并保证管口周边环境清洁。水平PE管道穿越建筑或其他构筑物时必须设置套管。套管内应清洁无毛刺。当采用金属套管时，套管两端关口应钝口或坡口或翻边，PE管穿过套管时不得使其表面产生拉痕，必要时PE管道再加护套保护。敷设管道时防止折断、扭结等现象，按施工操作程序采用电熔连接完毕后，应在24h后才能进行水压试验，试验合格后再进行下道程序。检查沟槽内有无石块、土块等硬物，是否按要求和间距了埋设的水平PE管的固定支架，当符合以上要求时才能敷设水平管道。水平PE管的固定支架采用经沥青防腐处理的30mm×40mm木条，按2～3m设一处，支架长度与沟槽底部宽度相同。水平PE管与支架采用塑料扎带绑扎固定。管道的安装位置必须与设计相符，管道放置后进行固定处理。水平地埋管之间的敷设间距应按照设计要求规定的距离。敷设水平PE管过程中，对管道应采取保护措施，防止块石等重物撞击管身。水平地埋管回填前应进行水压试验。当室外环境温度低于5℃时，不允许进行地埋管系统的施工。水平地埋管底部回填料须颗粒细小、松散、均匀且不应含石块和土块；槽底至管顶以上500mm范围内，不得含有机物和冻土。水平地埋管沟槽回填压实须逐层进行，且不得损伤管道。回填压实过程应均匀，回填土应与管道接触紧密。地埋管系统施工时，地沟或竖孔应避免雨水和施工用水浸入。地埋管换热器安装完成后应对系统进行保压。

2.3　地埋管系统水压试验

本工程地埋管水系统设计规定试验压力为1.0MPa，不得以气压代替水压试验。竖直地埋管换热管下入换热孔前，应做第一次水压试验，试验压力为1.0MPa，在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象为合格。在下入换热管后，做第二次水压试验，试验压力为0.6MPa，在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象为合格，之后将其密封，进行半成品保护。在进行水平管道连接之前，第三次对竖直换热管进行压力试验，即对半成品的检验，试验压力为0.6MPa，在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象为合格。在水平管与竖直管连接完成后，回填前应进行第四次水压试验，试验压力为0.6MPa,在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象为合格。在水平管沟回填完成以及其他室外专业工程完成后，为了检验其他专业施工是否对换热管有损坏，应进行第五次水压试验，试验压力为0.6MPa，在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象为合格。地埋换热系统与机房系统连接完成后，应进行第六次水压试验，试验压力为0.6MPa。在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象为合格。

3施工技术措施

根据本工程的实际情况，施工过程采用以下技术措施：

3.1　穿墙套管防水处理

室外的供回水水平总管会穿过建筑外墙然后接入机房。管道穿墙一般采用安装套管密封，为保护管道靠近墙的供回管线的支架免受因空洞而造成的土壤沉降差的影响，在墙体的外表面应采用冷作用沥青的材料填缝，使其密封防水。这项工作必须在回填之前处理。此项措施可以防护管道在穿越建筑物的部位时因土壤沉降带来的危害。

3.2　钻孔质量保证技术措施

钻井设备安装之后，各机长必须进行安全检查，确认安装合格后，报项目经理批准，方可开钻。施工过程中合理选用钻进方法、钻具、钻进技术参数及工艺，严格按钻探规程进行作业，合理掌握进尺长度。钻机应准确对位，对位误差小于50mm，由质检员复检后方能施工。钻孔过程中垂直度误差控制在0.5%以内。经常检查钻头直径，确保不小于130mm。磨损超过5mm时及时补焊，确保钻头直径达到设计桩径要求。钻井设备安装完毕，机长必须进行安全检查。竖立和拆卸钻架时，必须在机长的统一指挥下进行，严格按照钻探规程和钻探安全制度进行操作。

3.3　PE管道防护技术措施

地埋管材采用聚乙烯(PE)管，不得在阳光下暴晒。搬运和运输时应轻拿轻放，应采用柔韧性好的吊带进行装卸，不应抛、摔和沿地拖拽。同时，聚乙烯(PE)管与钢管材料不同，管材本身具有受压发生蠕变和应力松弛的特性。冬季施工当气温较低时，应将试压后埋管管内的水及时放掉，避免管子冻裂。当室外温度低于5℃时，应避免地埋管的施工。

3.4　地埋管系统试验技术措施

采用手动泵缓慢升压。升压过程中应随时观察与检查，不得有渗漏。不得以气压代替水压试验。当系统实验过程中发现渗漏或停压后压力降大于3%时，应查清渗漏部位或分析渗漏原因，同时检查实验步骤是否规范、是否符合要求。查明原因后，将系统压力降至大气压，隐患处理后，再重新试验。系统试验时升压应缓慢进行，泄压时同样也应缓慢，不允许快速降压。系统实验全部完成后，方可拆除压力检验装置。有条件可以保留以备随时检查。管道和系统分段试压合格后，可以对管道和系统进行冲洗。冲洗水应清洁，冲洗流速应大于1.0ms，直到冲洗水的排放水与进水的浊度相一致为止。冲洗完毕，再次向地埋管系统中充注水时应排净空气，并及时密封。每进行一次管道或系统试验后，应及时填写实验记录，由项目经理签字认可后，报监理工程师确认并签字。

4结语

在《可再生能源法》颁布后，可再生能源利用必将成为我国经济可持续发展的一个新的增长点,同时也会在全国各级城市中逐渐推广，地源热泵更需要规范化。因此，从政府监管、政策引导、设计合理、施工规范等各个方面都需要广大同仁的共同参与，积极推进，正确引导，克服盲目，确保科学、健康发展。只有这样，地源热泵才能最大限度地发挥其作用。通过本工程的施工实践，笔者认为由于良好的地质条件，山东省浅层地热能资源丰富，随着施工技术的改进，地源热泵技术必将在齐鲁大地得到广泛的发展和应用。

参考文献：

[1]刁乃仁，方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]陈昌富,吴晓寒，王陈栋.地埋管地源热泵系统及存在问题分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2009(10).

[3]李安宁，孙友宏，彭新明.北京地区地热井钻探技术[J].探矿工程，2001(5).

[4]孟祥瑞，孙友宏，王庆华，等.大广高速公路双辽服务区地源热泵系统地层热物性原位测试[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2011(1).

[5]GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范(2009版)》，北京:中国建筑工业出版社,2009.

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