地源热泵埋管系统应用设计与施工工艺探讨 ——记中铁上海局研发楼改扩建项目

张叶华

（上海高新建设开发有限公司， 上海 200000）

地源热泵埋管系统的设计与施工重点均在地下，埋管的管材与管径也均需要在设计过程中决定[1]。但总的来说，现阶段在地源热泵埋管系统设计与施工过程中均面临很大的困境，比如地埋管系统设计方法不完善、关键施工工艺不科学、系统需要地埋管埋管面积等。因此，对地源热泵埋管系统应用设计与施工工艺进行深入的分析探讨十分必要。

1 工程概况

中铁上海局改扩建工程暖通空调工程位于上海宝山顾村机器人产业园区，总用地面积29955 平方米，其中代征用地面积1634.7 平方米，建设用地面积28320.3 平方米，总建筑面积为104048 平方米。项目地上建筑面积55620平方米，1 号工业研发楼建筑面积为47679 平方米，2 号工业研发楼建筑面积为7831 平方米，垃圾站110.00 平方米。其中1 号工业研发楼由两幢高层主楼及相应裙房，通过连廊的有机组合构成一个建筑单体。高层主楼A 座为集团公司办公楼，层数11 层，最大建筑高度47.7 米；高层主楼B 座为子分公司办公楼，层数9 层，最大建筑高度39.7 米；裙房为会议中心及办公配套用房，层数3 层。2 号工业研发楼属于职工公寓，位于基地东南角，建筑层数8 层，建筑高度33.3 米。垃圾站层数1 层，建筑高度6.6 米。地下部分满堂设置两层地下室，建筑面积48428 平方米，主要功能包括辅助配套功能（食堂）、研发用房、机动车库、非机动车库及附属配套设备用房。

2 地源热泵系统工作原理

地源热泵系统是一种由双管路水系统连接起建筑物中的所有地源热泵机组而构成的封闭环路的空调系统，可以利用大地深处冬暖夏凉、温度相对稳定的特点，通过地下埋管封闭循环水进行热量交换，依靠消耗少量的电力驱动热泵机组完成制冷或供热循环，进而确保完成空调房间和土壤、地表水等的换热[2]。具体来说，在冬季机组处于制热模式时可以从土壤和水中吸取热量，并通过压缩机与热交换器将热量以较高的温度释放至室内。在夏季机组处于制冷模式时可以从土壤和水中提取冷量，利用压缩机和热交换器将大量的热量并入室内，同时确保室内的热量可以排放至土壤和水中，实现空调制冷目的。地源热泵主要有地下水系统、地表水系统和地埋管系统三种形式，其中的地埋管系统是迄今应用最为广泛的地源热泵系统。

3 地源热泵系统适用性分析

3.1 土壤条件

地源热泵系统要想顺利实施，适宜的土壤温度是基本条件。本项目所处的土壤温度为14-18℃，夏天时14-18℃的土壤温度可以替代冷却塔作为热泵机组的冷却系统，冬天时可以在不添加防冻剂的条件下作为热泵低位热源加以使用[3]。

3.2 建筑冷热负荷匹配度

土壤热泵系统不适宜应用于高能耗建筑之中，这主要是因为土壤源热泵系统比常规的热泵机组增加了土壤换热器，每1KW 冷量造价大约需要增加1000 元左右。本项目整体建筑属于使用稳定、负荷波动小的中等规模建筑，其对洁净要求和较低空调设定温度要求合理，实用性和经济性突出。

4 施工工艺流程设计

地源热泵系统施工工艺流程为：施工准备→工程钻孔→地埋立管施工→灌浆→地埋横管施工→回填→系统清洗。

5 施工要点分析

5.1 地埋管平面布置分析

待确定地源热泵系统后需要重点对地埋管平面布置进行设计，就现阶段地埋管换热器传热模型使用情况来说，其中以Kelvin 线热源理论为基础的IGSHPA 模型方法较为常用，可以根据年最冷月和最热月负荷以及由能量分析的BIN 方法计算出的热泵机组季节性能系数为依据来确定地埋管换热器的具体尺寸。而后依据IGSHPA 模型，可以针对常用的井联U 型换热器重点解决以下问题：

①按照本项目建筑的具体特点和条件，计算出建筑的峰值负荷，并同时计算热泵机组的制冷量Qc 与制热量Qh；

②依据已经求出的Qc 和Qh，并结合建筑供冷/供热的参数要求及机组性能，具体确定出热泵机组的规格型号，在查出机组制冷制热时流体出机组蒸发器/冷凝器的低限/高限温度即地埋管换热器侧的循环液体进入地埋管换热器的最低/最高温度，以及热泵机组制冷/制热性能系数COPc 和COPh；

③求出建筑峰值负荷时埋管换热器的换热负荷，即机组制冷时Qmc=Qc（COPc+1）/COPc，制热时Qmh=Qh（COPh-1)/COPh；

④依据地埋管换热器的换热负荷和传热换热模型，分别求出对应不同的埋管管径、管内流速、埋深、管距时，所需埋管的数量和相应的进出水温度，并确定最终的制冷制热组合。

5.2 基坑钻孔埋管

鉴于本项目现场埋管空地面积不足，所以必须采用基坑钻孔埋管方式，根据本项目工期与特点，在设计之初确定了多种地埋基坑施工方案。

①先行开展施工打井，而后开展开挖土方工作，待建筑物桩基沉桩结束后基坑未开挖之前先施工竖管，基坑完全开挖完毕后，再进行横管施工。此施工方案的优势在于对坑底的土层扰动影响较小，坑底的暴露时间也大大缩短。同时也有一定的局限性，比如基坑开挖时较易破坏竖管，钻孔深度必须增加，增加了管材损耗；

②先开挖后施工（不浇垫层前），建筑物桩基沉桩结束后，基坑在开挖时地埋管随后跟进施工，垫层再跟进地埋管施工。此施工方案的优势在于地埋管施工难度会大大降低，但对坑底土层扰动影响较大，坑底暴露时间较长，同时对土建施工影响周期较长，加大坑内余土与泥浆清理难度；

③采用预留施工法开展施工，需要浇二次垫层，在第一次浇垫层时，需对地埋管施工位置进行预留（常用的方案是预留宽约60cm～80cm 的横沟），待横管施工完毕后进行二次浇垫层。此施工方案的优势在于对坑底土层的扰动影响较小，施工难度较小。局限性在于需增加相应二次垫层的土建成本，对土建施工影响周期相对较短；

④利用二次垫层施工法开展施工，土建先开挖后浇垫层，地埋管跟进施工，横管位于第一次垫层之上，第二次的垫层浇筑在横管之上。此施工方案的优势在于不会对坑底土层产生扰动影响，地埋管施工难度也很小，施工周期短，但会相应的增加二次垫层的土建成本。经过分析决定，如果后期基坑内部设计有反梁时则可以采用第四种方案，如果没有设置反梁则可以采用第三种方案，但需要注意的一点是，无论采取何种施工方案，为了有效减免竖管施工对桩基承载力的影响，必须在沉桩结束四周后（至少要等到桩边土的预应力完全释放后）方可施工。

5.3 孔井回填

基于本项目采用基坑钻孔，因而孔井回填属于施工重点，为了避免对换热效果和土建结构产生影响，本项目孔井回填方案主要有两种。第一种是黄沙及膨润土混合物回填（膨润土比例为4%～6%），第二种是水泥及膨润土混合物回填（也可根据业主要求掺入一定比例的黄沙）。

两种施工方案均有其优势和局限性。考虑到水泥及膨润土混合物回填不会对桩基承载力产生较大影响，而且避免了人工回填过程中的诸多不确定因素，可以保证埋管的换热量。横沟回填通常采用先填黄沙后填土的方式，但鉴于本项目工程位于基坑内，所以决定全部填埋黄沙，上部回填粗沙、砂石料或直接浇筑混凝土，不能再回土，且横管宜尽量浅埋，防止压力过大，造成管路变形。

5.4 地源热泵埋管系统“三试压”

水压试验是对工程质量的检验，在保证和提升施工质量中尤为关键。总的来说，在开展水压试验时需要坚持以下几点原则：①在条件允许的情况下，试验压力≤0.8MPa 时的管道系统可以放在同一个试压包内开展；②试验压力以高点压力表读数为准，气压以现场压力表读数为准，并在现场做好相关记录；③水压试验时的环境温度不得低于5℃，若环境温度低于5℃，则应该采取防冻措施；④待试验合格后及时泄压排水，避免因温度过高而导致管道系统超压。本项目在地埋管施工中采用“三次试压法”开展地源热泵埋管系统测试。

①第一次试压试验选择在U 型管下管前，试验压力应为工作压力的1.5倍，且不应小于0.6MPa。稳压1 小时观察压力降，确保稳压后压力降不大于3%且没有出现渗漏现象，方可下管，并保证是带压下管，防止下管过程中U型管破损，一旦压力表示数出现较大变化，须重新焊制U 型管，重新试压下管，确保每个U 型管路不渗漏；

②第二次水压试验选择在水平管与U 型管连接前，待水平管试压合格后方可与U 型管连接，试验压力最小应为工作压力的1.5 倍，且不应小于0.6MPa。稳压1 小时观察压力降，确定稳压后压力降不大于3%且没有出现渗漏现象，开展下一步施工；

③第三次水压试验选择在水平管与U 型管连接完毕后，试验压力至少应为工作压力的1.5 倍，且不应小于0.6MPa。至少稳压1 小时，稳压后压力降不大于3%，且无泄漏现象认为合格，试压合格后可进行埋管。

6 系统调试与深化设计

6.1 水力失调

水力失调属于一种常见施工现象，主要是因为水力失衡而引起，分为静态与动态两种类型[4]。静态水力失调是水系统固有的，是因为管路系统特性阻力系数的实际值偏离了设计值而导致的。动态水力失衡不是水系统自身固有的，是在系统运行过程中产生的，主要是因为某些末端设备阀门开度改变而引起。

6.2 设计深化

对于水力失调问题，本项目提出了两种解决方式。第一种是设置动态和静态平衡阀门，异程式空调水系统中并联环路的压力损失计算差额大于15%，可以通过合理设置及调节平衡阀来克服水力失调。第二种是水系统采用同程式设计，室外地埋管管路设计、施工必须采用同程式，室内末端水系统设计施工建议采用水平式同程。

7 结论

随着绿色节能理念的愈发深入，地源热泵地埋管换热系统的使用范围越来越广。在设计和施工过程中需要给予基坑钻孔施工、孔井回填、管路连环三试压及系统水力平衡充分的重视，有针对性的解决出现的问题，以此提升施工效率与质量，推动地源热泵地埋管换热系统更好发展。