分析建筑暖通工程中的地源热泵技术的应用

薛迪迪 太原市热力设计有限公司

1 前言

暖通系统兼具采暖、通风等多重功能，是提升建筑品质的关键设施。在现阶段的暖通工程建设中，地源热泵技术较为主流，在该项技术的应用中，将热交换器埋置在地下，发挥出冷热交换的作用，在该机制下有效优化建筑内部的居住环境。为提高地源热泵技术的应用水平，需要加强技术探讨，掌握原理以及应用方法，具体分析如下。

2 地源热泵技术的应用原理

地源热泵技术的基本思路在于发挥出地下浅层地热资源的优势，动态调节建筑温度，将建筑内部的温度稳定在相对合理的区间内。地源热泵技术具有类似于空调的作用，可实现高温热源与低温热源的高效转化，在调节机制的介入下，维持能量平衡的状态，由此保证用户的居住品质。例如，建筑内部温度偏高时，则将热能转换至土壤中；反之，建筑内部温度偏低时，则提高温度，直至达到人体舒适的温度区间为止。

在地源热泵技术的应用中，能够借助热泵将地下的冷热量传输至建筑内部，由此调节建筑内部的温度。在夏季高温时段，储存建筑释放的热能，随时间的推移；进入冬季则向建筑内部提供热量，以保证建筑内部温度的合理性。

根据浅层热源形式的不同，地源热泵系统细分为多种类型，包括但不限于地下水源热泵系统、土壤源热泵系统等，各自均有特定的应用机理。其中，地下水源热泵系统充分应用到地下水，将其视为冷、热介质，在此基础上辅以少量的高位能源，以提高热能的转换效率，此系统通常采用的是较深水源，原因在于此类水源的温度相对恒定，有利于保证系统的稳定性，从而满足建筑对冷源（夏季）、热源（冬季）的需求。

对于土壤源热泵系统，其应用思路在于向地下埋设适量的换热管，借助该装置从土壤中吸收冷热量，而后传输至热泵机组内，启用制冷或制热功能，完成热量的转换操作，最终向建筑提供特定的冷热能量。

图1 地源热泵原理

3 常见地源热泵技术及其应用特点

3.1 大地耦合式热泵技术

于地下埋置换热器（可根据具体情况采取合适的埋置方法，例如水平、垂直、蛇形埋管），将地表浅层土壤作为热源，建立一条与大地冷热交换的渠道。在硬件配置中，大地耦合热泵的系统主机较为关键，其常见的形式主要有两种，即水-水、水-气热泵机组。

大地耦合热泵的优势在于：（1）达到一定深度的地下土壤所受外部环境的影响较小，温度能够维持相对稳定的状态，同时可延缓地表空气温度的波动，得益于稳定性的特征，可以作为热泵装置的热源，以促进装置的稳定运行。（2）将土壤作为热源时，可以规避空气污染异常严重的问题。（3）适配的大地耦合热泵运行过程中有突出的节能化特色，无须风机回收热量，同时无噪声污染。（4）土壤存储热量的能力强，通过与太阳能装置的联合应用，提高制冷、制热的水平。

3.2 地下水热泵技术

以地下水热泵机组为主要的装置，充分应用到地下水（作为热源），为建筑提供冷/热水服务，同时有利于灵活调节建筑的温度。

地下水热泵技术的应用优势体现在以下几方面：（1）地下水热泵系统对现场空间的需求量较少，占用面积小。（2）大型的地下水热泵系统建设成本较低，在配置得当的前提下，一幢建筑仅需一处地下水热泵系统即可。（3）日常运维费用较低，可有效减小地下水回灌造成的影响（以免由于该现象的出现而导致地面沉降）。（4）在长期的探索下，地下水热泵技术应用水平逐步提高，其理论基础扎实，工程经验丰富，因此更具可行性。

3.3 地表水热泵技术

溪流、池塘等处的水源作为热源。相比于地下水，地表水的温度变化幅度较大，可能会导致制冷制热效率大幅下降，并且尤其是温度较低的冬季，该问题更为明显。因此，除了合理应用地表水热泵系统外，必要时还可以根据实际需求双联热泵采暖系统。

地下水热泵系统的优势在于：成本较低，检维修工作量减少，有利于提高经济效益。能耗较低，契合于节能环保的现代工程理念。现阶段常见的地表水热泵系统主要有两种，即开路、闭路两种形式，各自有其独特的适用范围。但对于寒冷地区，为了保证系统的正常运行，只能采用闭路系统，否则系统的管道以及其他的配套设备可能受损。

4 地源热泵技术的应用优势

4.1 节能环保

相比于常规的建筑采暖技术，地源热泵技术具有更为显著的节能环保特性，此项技术充分应用到地表浅层的热能，由此来调节建筑室内的温度，以往能源浪费、环境受污染的问题得到有效的解决。

4.2 耐久可靠

地源热泵技术的适配装置较为简单，并且各类装置的稳定性较好，可减少日常维护工作量，降低后期的维护成本。具体而言，地缘热泵具有突出的耐久性，主要部件集中在室内和地下，与外部环境保持隔绝，因此在防护得当的前提下，不易出现老化、受损等问题。通常，地上部件的使用寿命可达到30年，地下部件可延长至50年。

4.3 资源利用形式合理

地热资源源自太阳能，而太阳能源源不断，因此地热资源具有可再生的特性，在合理的技术手段之下，地热资源能够持续性满足建筑的暖通需求，随之解决了建筑暖通系统运行受限于资源供应的问题。

5 建筑暖通工程中地源热泵技术的具体应用要点

5.1 钻孔

（1）钻孔前，先全面勘查现场，根据地形、地质等基础条件，确定合适的钻孔施工方案，保证钻孔位置、数量、尺寸等方面的合理性。而后，安排技术交底，使全体施工人员均能够明确施工目标，掌握具体的钻孔作业方法。此外，组织测量放线，作为钻孔的参照基准。（2）钻孔时，严格控制钻杆的姿态，要求其与地面始终保持垂直的位置关系，否则将产生斜孔。通常，钻孔垂直方向、水平方向的最大误差分别不超过0.5%、1%。（3）在两相邻钻孔间修筑泥浆池，建立水循环流动路径，以免水向周边流动。（4）钻孔过程中将产生土体，及时将此部分转移至指定堆放场所，并妥善遮盖，以免在降雨时出现土体被冲走的情况（此时易造成环境污染）。此外，钻孔产生的土体临时堆放在现场时，严格控制堆放量，否则荷载作用较强，易坍孔。（5）钻孔时加强泥浆护壁，沿着孔壁灌注适量的泥浆，提高孔壁的强度，避免孔壁坍塌。（6）钻孔时加强检测与控制，除了孔位、孔深等基础参数外，还需考虑到钻孔作业现场其他管线的布置情况，有效规避，确保周边的各类既有管线具有稳定性。

5.2 地埋管施工

地埋管钻孔时，需要密切关注周边电缆管线的分布情况，合理规划好钻孔位置，采取有效的防护措施，以免因钻孔施工而导致电缆管线受损。只有在采取有效的协调与防护措施后，才可以给钻孔施工质量和既有电缆管线的正常运行提供双重保障。而后，再将地埋管敷设到位。

5.3 管道的组装

（1）组装管道前先确定所需的管材，将其堆放在平整的地面上，堆放高度不大于2m，否则会压迫管材，导致管材变形。管件贮存时，需成箱放置在货架上，堆码高度不大于2m。HDPE管运送至现场后，以覆盖彩条布的方式予以防护，禁止暴晒，否则管材易出现质量问题。

（2）HDPE管连接的细节较多、精度要求高，在连接前需要先清理热熔管头，待该处保持洁净后方可连接。管材切割时，根据管径选择合适的切割方法，常见有手工木工锯、旋转切刀两种。

（3）HDPE管连接后，安排试压，判断管道的严密性，若无误则进入埋管施工环节。而后，在井回填到位后进一步试压，若无异常状况，连接水平干管。此后，对所有管道做全面的试压，满足质量要求后方可回填土。

图2 HDPE管道敷设

（4）HDPE管道的管径达到63mm及以上时，宜采用热熔对接的连接方法，此时接头的承拉、承压性能均较为突出，可有效保证连接的严密性与稳定性。热熔对接的作业温度控制在200℃～210℃，施工设备选用的是热熔对接机，主要作业流程为：选取待连接的管材，将其放置在焊机的夹具上，而后将其夹紧，确保管材有足够的稳定性；对管材连接端做全面的清理，并铣削连接面；检查待连接的管材，要求断面错位量不超过管壁厚度的10%；置入加热板，用于加热；待实际温度满足要求后，快速且精准地接合加热面，并适当加大压力（需要达到预先设定的熔接压力），在此条件下保压冷却。

5.4 下管

钻孔结束后，若孔位、孔径等方面均满足要求，则随即下管，具体采用预制混凝土导头下井施工法，参照钻孔直径，使预制导头直径略小于该值。借助导头自重和HDPE管内水的自重，使管道顺畅下井，此方法在保证HDPE管下井效果的同时，还可有效防护HDPE管材，以免其在下放过程中因剐蹭或其他原因而出现变形、受损等问题。

为避免热桥损失，需严格控制U型管的管间距，并保证同心度。HDPE管下放到位后，用合适尺寸的U型管对两个端口做密封处理。

5.5 管道压力试验

为保证管道的使用效果，需要分阶段安排管道压力试验，具体考虑以下几方面：下管前做压力试验；水平管与垂直管熔接时，再次安排管道压力试验，用于判断实际情况，若满足要求则继续施工，否则需处理；连接分区集、分水器后，再次安排管道压力试验，此阶段试验持续时间不短于24h；暖通工程施工结束后，还需安排一次管道压力试验，此阶段持续时间不短于48h。经过多次试验后，逐层把控管道的施工质量。

6 暖通工程中地源热泵技术的应用注意事项

6.1 遵循因地制宜的原则，合理规划

地源热泵技术在调节建筑内部环境方面的应用优势突出，但在前期设计以及实际施工中，需要遵循因地制宜的原则，结合当地实际情况合理优化地源热泵技术，提高可行性，发挥出该项技术的应用优势。例如，需要合理选择地源热泵系统，提高冷热源的转换水平。

并且地源热泵技术在建筑暖通工程的应用中存在诸多干扰因素，易在外部环境的作用下影响应用效果，因此需要准确识别干扰因素，予以有效的防控。例如，在应用地源热泵技术时需要充分考虑到现场的气候特征以及其他自然条件，确定合适形式的地源热泵，在优质硬件设施的配合下，实现冷热能量的转换与供应。还需结合实际情况科学计算，保证地源热泵等相关装置的各项运行参数均具有合理性。

6.2 合理选择地源热泵，提高可行性

随着行业技术的发展，暖通工程施工水平有所提升，地源热泵等相关硬件设施也更为丰富，为暖通工程施工提供了更多的选择。也正是由于可选对象较多，在建筑暖通工程中容易出现误选择的情况，配套的地源热泵与实际环境不符，从而影响该装置的使用效果。因此，需要在设计阶段便考虑到可行性、稳定性、耐久性等方面的要求，经过多层面的比选后，选择合适的地源热泵，再将其安装到位。

7 结束语

综上所述，在建筑工程的节能环保建设中，暖通空调属于“重头戏”，其中地源热泵技术颇具代表性，合理应用该项技术后，可充分发挥出天然资源的优势，提高暖通空调的应用水平，保证建筑内部温度的合理性。在工程实践中，则应从实际情况出发，判断是否具备采用地源热泵技术的条件，若现场条件良好，则合理优化施工技术，在统筹规划下，将管道选型、安装、质量检验等各项工作落实到位，保证地源热泵技术的应用效果。