基于被动房项目暗埋式地源热泵系统的分析

张毅鹏

地热资源是指能够被人类利用的地球内部热能资源，除浅层地热能外，其他热能资源都需要繁琐的转化步骤才能进行利用，而浅层地热能不但使用方便、可再生、可循环利用，还具有绿色无污染、使用效率及寿命高等明显优势，可以实现节能减排与保护环境的双赢局面。

1.工程概况

某工程作为被动房技术体验中心，占地面积4850m2，长约77m，宽约64m，总建筑面积约为13771.30m2，主建筑高度22.13m，其中地上五层共8190.23m2，地下三层共5581.07m2。该体验项目以土壤热源泵作为建筑的冷热源系统依托，以新风及冷梁系统作为其提供渠道，同时为了充分保证地源热泵系统在冬夏两季的热量收支平衡，增加了地埋孔间距，传热系数越高则间距越大，提高了地源热泵的热回收能力。

1.1 冷热源及其相关参数

该工程主要包括2 个热泵机组，其中1 号热机泵的能效等级为Ⅰ级，额定制冷量为130KW，制热COP ＞4.6，制冷COP ＞5.1，综合负荷性能系数＞6.6，供回水温度41℃/46℃（冬季），2 号热机泵的能效等级为Ⅰ级，额定制冷量为300KW，制热COP ＞4.6，制冷COP ＞5.1，综合负荷性能系数＞6.6，供回水温度16℃/19℃（夏季）。

1.2 冷热源系统的工作原理

冷热源系统的具体工作原理如图1 所示。

图1 冷热源系统原理图

2.地源热泵工作原理

暗埋式地源热泵系统的主要工作原理是利用并转化地表浅层的地热资源，从而实现对室内的供暖及制冷，其是一种新型的具有节能作用的清洁能源空调系统。该系统具有以下优点：夏天持续制冷，冬天持续供暖，温度适宜可控，浅表地能可以直接作为夏、冬两季的制冷、制热源。

3.暗埋式地源热泵系统施工工艺

3.1 施工工艺流程

图2 施工工艺流程图

3.2 施工各要点分析

3.2.1 施工前勘察

在施工前要做好所有的准备工作，对周边环境进行考察，并委托专业人员带领队伍进行施工现场及浅层地热能源的勘察，对施工场地进行详细调研，记录影响施工的各种因素，形成具有专业性、科学性、合理性的勘察报告。

3.2.2 测量放线

地源热泵的进路线要进行精准测量，测量要以特定的标准进行，其设定标准为建筑结构的基准轴线。在设计时保证各定点定位准确，测量结构无误后进行钻孔，钻孔时要保证大小、深度、形状、间距等符合规定条件。

3.2.3 工程钻孔

在对各定位线实施钻孔前需勘察周边是否有障碍物及其他管线，如果有则要及时避开或采取保护措施，避免钻孔导致地下管道受损。在开钻前还需仔细检查钻具是否完好、能否正常使用，钻孔时保证钻具与定位孔之间有一定距离。之后开通泥浆泵，注入冲洗液，待其循环畅通后再将钻具移动至孔底，注意速度不宜过快。在钻具工作过程中若发现压力不足、回转阻力增加等情况，应立即停止施工，仔细寻找问题原因，在得到有效解决后再进行工程。对于施工地表上层的疏松土壤在施工时要注意四个要点：松压、慢速、大泵量、稠泥浆。

3.2.4 竖直地下换热器施工

（1）下置管道：换热器在下管前需进行相关测试以验证其质量是否合格。测试方式为液压试验：试验时需使用纯净水为试验介质，钢制换热器水温需≥5℃，其他金属结构的换热器测试水温需≥15℃。试压时压力大小要符合相关设计技术标准，试压压力为设计压力的1.25 倍。

（2）下管时要注意下管的位置，不可提前或延后下管，正确下管位置为预先设计位置。若下管时间有误，可能造成钻孔出现问题，导致出现塌陷或堵塞，造成下管困难或下管有误，正确的下管时间及位置可避免这一问题。另外，下管时还需保证U 型管中充满水液。

3.2.5 水平管道施工

水平管道的施工需要注意以下要点：（1）施工时不要破坏原地基，防止开挖管道沟影响地基稳固，出现不均匀沉降现象，影响后期施工。（2）将管道四周40m 范围内的土层全部换土振实，保证其硬度相同。（3）在对管道底部进行铺沙前需保证所有杂物、硬物、碎石全部清除，同时保持沟底平整。（4）管道各处的焊接采用热熔方式进行，操作时环境温度不得≤0℃。热熔前需清洁管道连接各面，检查管材是否完好。热熔时注意控制加热的时间、温度、压力以及冷却的温差及时间，对可能出现的异常做好防范工作及相应的应对措施。（5）水平地埋管换热器下管前同样需要做液压测试，保证能够正常使用。下管后采用直埋方式进行铺设。具体操作：铺设时水平管的深度保持在1.5m～1.6m，管道的上、下方需铺垫20cm 左右的细沙，防止铺设过程中出现管道互相挤压的现象。

3.2.6 系统清洗、试压

为了保证地埋管的换热系统能够正常使用、不出故障，需在安装前对其进行冲洗、试压，达到条件后才能进行之后的工作。地埋管各阶段的试压操作及结果如表1 所示。

表1 地下换热器系统试压情况

3.2.7 灌浆回填

当所有管道的压力测试合格、合规之后即可进行回填工作，回填时要注意仔细检查水平管的间距及其水平度，保证其处于规定范围内。注意选择地下换热器孔的回填材料，目前多使用水泥砂浆进行回填。在回填时要确保换热器孔周围土壤、岩层的导热系数小于回填材料的导热系数。同时为保证回填后钻孔无空腔、无缝隙、紧密饱满，要严格控制回填灌浆量，使其具有一定余量。

3.2.8 系统测定及调试

工程最后验收前还需测定水泵的流量并对系统的水流量进行调整，在水路平衡阀上做好标记。之后进行带冷热源的系统联合运转测试，测试结果显示系统可持续8h 以上无异常运转后方能进行最终验收。

4.暖通空调动力系统冷热源控制的具体要求

为了保证暖通空调动力系统正常运行，就要对其冷热源控制做到以下要求：（1）空调系统的冷热源控制装置设置：要将空调系统的冷热源控制装置设置于地源热泵的机房内，地源热泵空调系统机组设计采用二管制冷热水机组。从而实现冷热源设备的连锁启停，同时根据冷却水的温度调节、控制冷却塔风机的运作频率。（2）空调运行负荷计算：为确保启动冷机的运行负荷达到七成以上，需结合冷冻水的总管流量及供回水的总管温差来进行系统实际冷负荷的运算，最后根据冷机的额定冷量来确定其开启台数。（3）保证循环泵的顺利运行：循环泵变频、变量运行的前提条件是空调供水系统供回水之间的压力差及温度差，为了确保循环泵能够顺利运行，需做到冷水机的最小流量大于生产厂家的最低额定冷量标准，因此要在供回水总管上设置压差旁通阀来进行调控。（4）实现温度自动调控：为防止出现建筑物及室内过热现象，需根据室外温度变化调节供暖的二次供水温度。

5.结语

暗埋式地源热泵系统可在施工前结合施工当地的地热资源及地质环境进行评估、分析、调节，这种模式可以使资源得到充分的、可循环的利用，从而保证系统能够最大程度地达到节能的目的。同时，该技术还具有绿色环保、没有污染的优点，与房屋建设结合后可以提高热回收效率、维持热收支平衡，符合未来绿色建筑的发展趋势。