某工程地埋管换热系统若干问题分析

吕亮

上海市地矿工程勘察院

0 引言

地源热泵空调系统是利用地下浅层地热能资源作为冷热源的空调换热系统，它是一种通过输入少量的电能，实现从浅层地能（土壤热能、地下水中的低位热能或地表水中的低位热能）向高位热能转移的热泵空调系统。目前，常规做法为采用高强度PE管埋置于地下，组成封闭式循环系统，用水作为热量交换的介质，冬季把热量储存在地下，夏季取出，由于地下温度常年稳定没有大幅度的变化，相对与常规空调，该系统的节能性稳定性更加突出[1-3]。

当今社会上，环境问题和能源问题越来越多，使节能概念变得越来越突出。据相关统计，建筑能耗中，空调能耗高达40%～50%，设计人员和建设单位为了降低后期系统运行的能耗，绝大多数都选择采用地源热泵空调系统。

据不完全统计，约1/3的地源热泵空调系统的使用效果不能达到设计预期，许多项目地源热泵空调系统在运行上不仅没有起到节能的目的，甚至完全偏离了设计初衷，个别项目甚至放弃了原有方案。经过对已投入运行的地源热泵空调系统的考察，发现主要有以下几个问题：设计方案不合理；地源热泵空调系统地埋管施工质量差，无法为整个系统提供足够换热量，达不到设计要求；整个系统调试工作没有起到应有的作用。

1 工程概况

本文结合笔者参与的工程案例来分别讨论上述问题。该项目位于上海市崇明县某地块，占地面积15418 m2，前期相关单位经过热响应测试测得施工区域换热孔有效深度范围内的岩土体热物性参数、初始平均岩土温度和地质状况等参数，并根据测试结果，计算冬夏季特定工况下单位孔深换热量，提出相关建议。该建议反馈至设计院，经过校核得出该区域换热孔孔深及数量，最终设计方案如下：地埋管换热系统共设计换热孔680个，地埋管埋设与地下室底板下，间距不小于4.0 m×4.0 m（部分地区不同），换热管采用单U32，有效孔深100 m。

施工单位相关技术人员，根据设计院给出的依据对布孔方案进行优化设计（标高微调、孔间距微调），主要结合桩基图纸调整布孔方案，并结合不同区域标高不同来连接集水器与水平管等。

2 设计与施工难点

该项目占地面积15418 m2，根据实际图纸理论上可以布孔1024个，但考虑到桩基、集水井和道路等不可布孔区域，使地埋孔的数量大大减少。在考虑满足该项目使用功能的前提下，对该项目进行了合理的区域划分，在满足规范要求的最小孔间距的情况之下，进行地埋孔布孔设计。

本文结合笔者实际工作经验主要讨论施工单位深化设计以及施工期间所遇到的问题。

2.1 施工单位深化设计存在的问题

1）设计没有足够的预见性

目前，地源热泵空调系统的主要涉及模式为：设计院进行空调系统的整体把控，末端系统的绘图，初步绘制地埋管换热器的分布区域；地埋管换热系统由施工单位深化设计。无论设计院还是深化设计单位，对后期孔位调整考虑不周，存在为补孔预留空间不足的问题，个别项目孔间距过小，后期甚至无法进行补孔操作。该项目在施工时所遇到的地质条件较为适合地埋管施工，现场钻孔施工时，因钻孔时间或者施工人员水平问题，出现地埋管有效换热深度达不到设计要求的现象。在场地的西南区域，施工人员进行施工时，发现钻机下钻困难，后经过多次尝试，效果均不理想。与设计人员沟通，因没有理想区域进行施工，只能在允许补孔的区域进行补孔（此部分补孔间距小于设计要求的4 m）。

2）布孔区域复核不够严谨

对地埋管换热系统布孔时，若不结合桩基、围护和降水的图纸，无法准确详细的进行施工图的绘制。例如，布孔时除了需要尽量避开桩基和集水井等，还需要考虑后期桩基施工中的塔吊（塔吊区域无法进行布孔）、基坑降水的疏水干井位置等，在调整孔位的过程中，不可避免的改变局部区域孔间距，造成局部区域孔间距变小，影响埋管系统与地下岩土的换热效果。

所有的孔位调整或者补孔都应该反馈到设计人员，重新复核计算水力平衡等，该情况在施工现场很少能够有效反馈到设计人员进行核实，对后期空调系统的运行埋下不确定因素。

2.2 施工问题

在地埋管施工阶段（图1～4）中，主要存在以下问题：

图1 竖埋孔钻孔

图2 管材预制

图3 水平管铺设

图4 成品保护

1）操作问题

①工人往往根据施工经验或者为了打孔的便捷，擅自移动孔位。小幅度的移位不影响使用，大面积大幅度的孔移位有可能会对将来的换热效果产生影响；

②施工单位未安排专职的质量员，监督施工质量，出现钻孔下管不到位，工人擅自剪断管材，埋管深度不够；下管过程中，工人野蛮操作，强制下管，基坑开挖后检测不满足使用条件（多数为保压不合格，U型接头有所损坏）等情况；

③某些情况下，保压进度跟不上施工进度，使保压时间达不到要求，甚至会出现刚保压就下管的现象，管道严密性得不到保证，为后期运行埋下问题隐患；

④施工队伍中，若有较多施工人员施工水平达不到要求，或者施工中没有按照要求进行施工，会造成竣工后的地埋管换热系统换热性能达不到要求，出现问题后较为严重且无法整改，只能后期添加其他系统。

该项目，经笔者现场统计，由于以上原因造成高达36个孔不符合要求，被标为废孔，后期只能反馈至设计院，重新补孔，此时的地埋孔换热孔间距已不能满足设计要求。

2）工期问题

地埋管换热系统的施工同桩基施工分区域同步进行，或者桩基施工全部完成之后施工，地埋管施工工期需要结合桩基工程的施工工期进行调整。同步施工中，还会面临施工先后等现场的协调问题。施工中存在的最大的问题是，某些项目由于工期问题，不能严格按照施工规范所规定的施工程序执行，会出现如下管前保压时间达不到规定的15 min、施工和成品保护不到位等问题，可能造成施工质量存在隐患，后期地源热泵系统运行效果大打折扣。

上述问题中，设计问题影响全局，地埋管换热系统的施工问题直接影响使用效果，而且地埋管施工具有不可逆性，某个地埋管出现问题，该埋管直接报废的几率较大，现场监管人员发现可以在周边进行补孔，补孔后新孔与其他孔之间的间距不一定满足要求，也会对换热量造成影响。

地源热泵系统按照建设单位的要求安装完成投入使用，不仅要求设计人员精心考虑设计各个环节，还要求施工单位严格执行按照设计图纸和规范进行施工，施工完成之后还必须进行一定时间的调试才能正式投入运行。

3 结论

针对设计和施工中可能遇到的问题，笔者结合项目经验提出一些可能有帮助的解决办法。在设计地埋管换热系统时，应该考虑到以下因素：

1）对地埋管数量进行合理的计算，其中包括地埋管换热器的数量应考虑到后期施工中可能存在的废孔问题。

2）在以下情况需要考虑是否需要加装辅助装置：①对孔间距须必考虑到位，孔间距达不到换热距离时会引起严重后果；②场地条件有限，主要指可以进行地埋管换热器施工区域满足不了整个空调系统的换热需求时。

目前，国家《地热能开发利用“十三五”规划》颁布实施，地源热泵空调系统又面临一个新的发展机遇，在对节能环保的大力提倡下，政府对于地源热泵项目不断大力支持，实行项目资金补助政策。其中北京市对地源热泵项目的补助金额高达到项目地源热泵空调系统金额的50%，上海市的补助金额为55元/m2，其他省市也有不同的补贴方案，对地源热泵行业的发展起到了促进作用。对于地源热泵行业来说，设计方案的合理可行、施工单位严格按照规范要求执行并进行施工以及安装单位的充分调试，三者缺一不可。在当前节能环保的大环境下，地源热泵的节能优势也越来越突出，其发展前景也更加广阔。