新建医院地源热泵系统的施工工艺及优缺点分析

王炳智　杨星林　张海波

[摘要] 当前在全国各地绿色医院建设的浪潮中，地源热泵系统作为一种新型中央空调选型，逐渐在新医院建设中得到应用与推广。该研究结合新院区建设采用的地埋管地源热泵系统，对中央空调主机的类型、地源热泵系统含义、分类作了解析，特别是针对新医院地源热泵系统室外地源换热管的钻孔、下管、回填、连管做了详细的施工工艺描述，最后全面总结了地源热泵系统的优缺点。

[关键词] 中央空调主机；地源热泵系统；施工工艺；优点；缺点

[中图分类号] R197 [文献标识码] A [文章编号] 1672-5654（2018）08（a）-0033-02

近年来，随着人们生活水平的日益提高和国家医改配套政策的执行，全国各地市新医院建设可谓方兴未艾，如何建设好一所绿色医院成为当今医院建设的主题。中央空调系统的能耗，一般占建筑总能耗的50%～70%[1]，可见中央空调系统主机运行模式的选取对大型医院运行所需的能源消耗与后期成本维护等方面均起着至关重要的作用。

1 中央空调主机形式

中央空调主机形式分为水冷冷水机组（包括冰蓄冷系统、地源热泵系统），直燃机机组形式（溴化锂）；风冷热泵冷（热）水机组；多联机系统和水环热泵系统等4种形式，当前医院主要采用第一种形式内的各种水冷机组。

2 绿色医院与地源热泵系统

2.1 绿色医院的概念

绿色医院是指在医院的全寿命周期内（规划、设计、建造、运行、维护和拆解等）对周围环境的有害影响较小，对资源的需求相对较少，但是在节省资源（比如节地、节水、节能、节材等）的情况下并不减少医院内部使用人员（包括病人、医务人员以及访客）的良好体验，能够达到这样的目标的医院可以称之为绿色医院[2]。依照我国现行《绿色医院建筑评价标准》（GB/T51153-2015），对绿色医院进行等级划分，最高为5星级、最低为3星级。

济宁市第一人民医院西院区（以下简称新院区）规划总建筑面积16.13万m2，主要建设门急诊楼、病房楼、保健楼、餐厅、制剂楼及配套用房。该项目从设计阶段就参照绿色三星建筑标准规范，采取了一系列节能降耗的绿色措施，例如采用了BIM技术（建筑信息模型）、屋面太阳能、中水处理、雨水回收、地源热泵等系统。

2.2 地源热泵系统的概念

1912年瑞士专家首次提出地源热泵系统的概念，1946年美国建成第一个地源热泵系统，20世纪80年代后期，地源热泵技术已经趋于成熟。

地源热泵系统（ground-source heat pump system）是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用系统。地源热泵系统通常是转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方，还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环系统，实现节能减排的功能[3]。地源热泵系统分室外地源换热系统、地源热泵主机系统和室内末端系统三部分。

从地热能交换系统的角度，地源热泵系统分为地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。

3 地源热泵系统的施工工艺

新院区采用地埋管式地源热泵系统，室外地源换热系统是指在建筑物周围竖向打孔埋管布置地埋U型换热器。新院区共设计换热孔2000眼，每孔有效换热深度为120 m（相对于地面高度为-3～-123 m），孔间距为4 m，孔直径为140 mm，每6孔为一个最小回路单元；施工工艺大致分为钻孔、下管、回填、连管等四个施工环节。

钻孔：首先，会审施工图纸，详细了解打孔区域是否有地下管线、桩基和构筑物；其次，对钻孔区域进行场地平整，测量放线，定位管孔，用木桩进行标记并编号，在附近挖泥浆池和泥浆沟；再次，钻机进场后落位安装，连接钻机电源和水源，具备条件后进行试钻。钻机在操作过程中应注意钻机的水平和钻杆的垂直；最后，要控制好钻孔的直径和深度，钻头的大小决定孔的直径，根据钻杆的节数来计算钻孔深度，钻孔的直径和深度均应满足设计要求。根据现场施工经验，一台钻机要配置3名工人，每天按工作10 h来计算的话，能完成4孔（120 m/孔）的工作量，施工现场应根据工作面大小及工期安排，合理配置钻机的台数。

下管：当钻孔达到设计深度时，要及时撤出钻杆，开始下PE管。首先，要做好PE管（含预制双U型头）进场验收、冲洗、试压、编号工作；其次，下管时要采用钻杆辅助，不得用力压制钻杆下管；为防止地埋管U型头在下管中受到机械损伤，在靠近U型头部位连续安装管卡，这样即不损害PE管，也可避免U型头直接受力；如出现下管困难时必须提管后再清孔（或扩孔）；再次，U型管必须带压下管，下管过程中应时刻注意压力表刻度；发现泄压后必须重新试压，确保垂直的埋管完好无损；PE管保压至灌浆后1 h；最后，将提前预制好长度（一般比孔深多2～3 m）的PE管垂直埋管敷设完毕后，用管帽对地面管进行封堵，避免泥沙进入管道。

回填：通过灌浆管将原浆回填（灌浆管通过管卡中间孔洞与垂直的埋管同时插入孔中到孔底），从孔底逐渐灌至孔口（灌浆管随灌随抽，直至抽出孔外）；严禁使用现场的混合泥浆（泥浆随意排放的混合泥浆）回填；当上翻泥浆密度与灌浆密度一致时，灌浆完成；如采用人工回填原浆，必须多次回灌，每次回填时应随时轻微摇动孔内PE管，确保原浆沉入底部；当原浆回填至孔口位置时，应清除孔口周围的积水或泥浆，为其干燥收缩创造条件，并应补灌封孔。当孔内地下水较多时，原浆回填料应掺入膨润土或粗砂。

连管：在连接之前要保证现场没有多余的液体泥浆存在，多余泥浆可以外运或者自然晾干，水平连管管沟沟底应铺填细砂，水平管敷设完后，其上应再铺设一层细砂，然后回填原土并夯实。每一次连管完成之后都应该打压一次，保证系统的密闭性。每6孔为一个最小组合单元连接到13通，13通汇集在二级分、集水器上（设置在室外检查井），最后通过主管连接到一级分、集水器上（设置在空调主机机房），一级集水器通过循环水泵与6台螺杆式地源热泵冷热水机组相连进行冷热交换。从换热孔到二级分、集水器采用聚乙烯塑料管连通，该管（不保温）采取直埋的方式；二級分、集水器到一级分、集水器室内部分采用无缝钢管（保温）连接。为保证二级系统水力基本平衡，一级分、集水器的各支路设置静态水力平衡阀；为弥补空调水损耗，还需设置定压补水装置。

此外，所有的鉆孔位置及其水平连管均在建筑物轮廓线的3 m以外，以防影响建筑物安全。

4 地源热泵系统的优点

4.1 绿色环保、高效节能

①地源热泵系统不直接消耗不可再生资源（煤、燃油或天然气等），没有任何排放污染；②地源热泵将室内的热量转移到地下土壤中存放，从源头上根除了空调系统对城市热岛的效应；③该系统的COP（制热量/制冷量和所消耗的电功率之间的比值）值最高达到4以上，高效的一次能源利用率，是地源热泵系统环保效果的最直接体现；④地源热泵利用了地球表面浅层地热资源（通常不大于400 m深），属于可再生能源利用技术。

4.2 维护费用低、使用寿命长

①地源热泵系统运动部件要比常规系统少，维护设备少，设备都在机房和检查井内，也方便维护；②省去了冷却塔、锅炉房、室外机组和其他配套设备，节约了屋面空间，避免了不必要的初次投资和后期维护更换支出费用，同时也改善了院区特别是屋面的外部形象；③地源热泵的地下埋管为聚乙烯管（PE管），而且深埋地下，很少受外力作用，寿命可达50年。

5 地源热泵系统的缺点

地源热泵系统也不是完美无瑕的，也有其缺点。①土壤热不平衡的问题，中国南部以供冷为主，常年向地下注入热量；而北方地区冬季供暖需求大，从土壤中大量吸热，长此以往将导致土壤温度失衡，系统效率降低，影响周围生态；②打孔埋管必须有足够的空间；③设计及运行中对全年冷热平衡有较大要求，要做到夏季往地下排放的热量与冬季从地下取用的热量大体平衡，长期使用效果会变差；④室外打孔往往在新医院建设初期，后期院区管网、绿化等配套工程施工时容易对原来预埋管和检查井造成破坏，施工阶段不容易被发现，往往院区道路、铺装或绿化完工后才发现，维修不方便而且增加了维修成本；第五，室外打孔会产生大量泥浆，在院区内不好堆放，外运又会给市政道路产生一定的污染隐患。

6 结语

地源热泵系统作为一种环保节能的新型中央空调系统，总体来看，其优点远远大于缺点，在新建绿色医院中逐渐得到应用与推广。建设单位如想采用该系统作为主要空调冷热源的话，在新院建设初期一定要做好该系统的前期论证工作，并不是所有的医院都适合该系统。①不同地区的能源政策、能源价格对其影响；②一次性投资及运行费用不同地区也不同；③建设单位必须提前对拟打孔的地下土壤、水文等地质条件进行判断，通过打实验井采集实验数据、模拟分析、科学计算等一系列论证工作后得出答案。

[参考文献]

[1] 徐鹏程，顾平道.谈国内外建筑节能研究现状[J].山西建筑，2015（22）：184-185.

[2] 林花.从暖通空调谈绿色医院建筑的创建[J].中国医院建筑与装备，2016（4）：94-97.

[3] 赵风丽.地源热泵技术发展现状的研究[J].中国住宅设施.2017（1）：127-128.

[4] 康磊.地源热泵与空气源热泵的对比浅析[J].环境与可持续发展，2017（3）：56.

[5] 贾永英.严寒地区太阳能-地源热泵联合系统的研究[J].建筑节能，2017（1）：77-78.

（收稿日期：2018-05-10）