地源热泵系统换热器施工工艺优化

张 斌 谢 飞 胡琼飞 周 鹏

中国核工业华兴建设有限公司 江苏 南京 210019

地源热泵系统运行状态，除设计参数和设备本身外，主要在于系统施工工艺中的地埋管钻孔、竖向和水平地埋管施工质量[1-5]。

竖直换热器地埋管通常埋入地下80 m以上，如何确保地埋管的施工质量是确保系统后续正常运行的关键。

地埋管均设置在建筑物基础（地下室）底板土层，如何在施工期间减少建筑物地下室深度范围内的埋管用量，也需要通过工艺改进来实现。

换热器地埋管埋至于地下，使用期间若发生个别地埋管损坏，如何判断其损坏的位置和数量，是一个现实的问题。当下地源热泵大力推广，如何更好地保证地源热泵的施工质量、有效控制施工成本及后续良好运行，对地源热泵的推广有着重要意义。

1 地源热泵系统原理

1.1 冬季系统原理

热交换器埋于地下，冬季时，温度较低的水由高强度塑料管组成的封闭环路中循环流动，在地下与较热的土壤进行热交换而升温，通过机组实现制热。土壤因热交换后温度下降，储存了相应的冷量，可供夏季制冷使用。

1.2 夏季系统原理

夏季时，高强度塑料管中的水温度较高，在地下与冬季存储的冷量进行热交换而冷却，通过机组实现制冷。同时，机组产生的废热一方面可以继续用来免费制取生活热水，另一方面也将热量转移到土壤中存储，可供冬季制热使用。

1.3 系统运行关键点

通过以上系统原理可知，除设计参数和设备本身外，地源热泵换热器地埋管系统施工工艺质量是确保系统正常运转的根源，系统运行正常的关键点有：

1）设备（如热泵机组、循环泵、室内空调机组）本身质量，但设备因安装在地上，方便维修、更换。

2）埋地换热器影响整个系统的换热指标，出现故障和损坏，无法维修，只能增加相应损坏的换热器，且受场地和管线连接制约难以实现。

3）埋地换热器控制指标有埋设土层深度与设计匹配、埋管水平连接工艺及循环水管质量。

2 应用概况

2.1 项目概况

某新建医院是医教研一体的三级综合性医院，床位800张，日门诊量5 000人次。总建筑面积186 157.27 m2，其中地上111 333.16 m2，地下74 824.11 m2，地下2层，地上4～15层，地下室埋深10～12 m，本工程设计采用地源热泵系统供应整体医院的空调系统用能。

2.2 地埋换热器设计形式

地埋管换热器主要有水平式埋管换热器和垂直式埋管换热器这2种，本项目采用垂直式埋管换热器设计。

2.3 地源热泵设计概况

本项目垂直式地埋管共设计1 372口循环管井，管井有效深度100 m（即地下室底板以下深度），埋设管井入岩深度50 m，井孔直径150 mm。设计按取热功率41 W/m、安全富余系数以10%计，地源冬季换热系统取热功率5 114 kW；地源热泵冬季可提供空调热功率6 443 kW，约为总热负荷的80%。本项目为国内地源热泵应用规模较大的项目之一。

3 施工工艺

3.1 施工工艺流程

结合项目设计、规范和施工经验，本项目地源热泵系统施工工艺流程为：测量定位→钻井施工→竖直地埋管的连接、下管→第1次水压试验→地埋管循环管井灌浆→竖直地埋管第2次水压试验→开挖水平地埋管沟槽→水平地埋管与竖直地埋管的连接→第3次水压试验→水平联络支管与集分水器连接→第4次水压试验→二级集分水器管路和空调机房一级集分水器连接→第5次水压试验→地源热泵地埋管系统试运行→制作竣工图。

3.2 施工准备

开工前报验复核，在每个区域内设置1个水准点与坐标控制点，根据设计图纸进行地源热泵换热器管井编号，全站仪定位，每口井位置设置标记，保证打孔位置准确。

3.3 钻孔

使用地勘专用钻机进行钻孔，钻孔过程中检查钻机的垂直、水平度和转盘中心位置。多台钻机同时施工，其安全距离不应小于4倍孔距，成孔最少间隔48 h再进行钻孔。

3.4 管线保压试压

竖直地埋管换保压值为0.4 MPa，竖直地埋管U形头焊接后，分组做第1次水压试验，试验压力为1.6 MPa。在试验压力下，稳压至少15 min，稳定压力下降不应大于3%且无渗漏现象。在下管前压力泄至0.6 MPa后，在保压状态下将竖直地埋管插入井孔。

3.5 埋管工艺对比优化

管井循环水管一般采用PE管，PE管材料质量安全可靠，成本较高。井管施工分为沉管法和非沉管法这2种，本项目选用沉管法工艺施工。沉管法埋管施工工艺如下：

有地下室的地源热泵井管施工，成井后把加工好的PE管插入井孔内，计算井底到结构底板底部之间的有效深度，加工好的PE管事先加压保压，在PE管端部采用成品PE堵头封堵，上部另行采用PVC辅助信号管绑扎固定后沉入井内，保证PE管顶部位于地下室底板标高位置，地下室底板至自然地面段用PVC辅助信号管替代。

采用沉管法施工工艺，PVC辅助信号管与埋地PE管临时绑扎连接，既能满足埋管施工要求，又能确保基坑土方开挖时不损坏PE管，PVC管起标识和辅助作用，材料成本低。

3.6 井孔回填封堵

地埋管换热器井孔回填料采用10%膨润土＋90%黄砂混合物，回填料的导热系数必须达到2.40 W/（m·K）以上。竖直埋管应回填密实，第1次回填完后，应安排专人检查，若发现有回填料沉降、出现空腔等现象时应及时采用原浆或黄砂进行回填，直至地埋管井密实无空腔。

3.7 水平管沟开挖

竖直地埋管换热器施工完成后，基坑土方开挖至设计标高后，进行水平地埋管沟的开挖及水平管的铺设。

水平管沟开挖宽度2 m，深度1 m，根据设计情况确定。含水地层或软土、不稳定地层内开槽时，要进行施工排水、设置沟槽支撑或采取地基处理等措施。开挖沟槽时要严格控制槽底标高和防止扰动槽底原状土，槽底超挖部分要用细砂回填密实。槽底有孤石等坚硬物体时，要在清除后用细砂回填进行处理。挖槽时，堆土高度不宜超过1.5 m，且距离槽口边缘不宜小于1 m。

3.8 水平管连接

本项目水平管连接采用非集管式连接工艺。

3.8.1 水平管连接工艺优化

地源热泵系统中最关键的是换热器埋地水管。本文对地下室底板底部土层埋设的水平管的连接方式进行了优化改进。原设计和常规施工时采用的是集管式多孔并联连接方式，5～10口井并联作为一个回路（图1）。

图1 集管式水平管连接方式

通过研究分析，本项目将原设计的集管式水平管连接方式优化为非集管式一对一水平管连接方式（图2）。

集管式连接方式中，其中1口井出现渗漏或堵塞，因井管埋设于地下土层且位于地下室结构底部，无法进行修补，且通过分水器根本无法判断具体故障位置和数量，只能关闭整个回路，造成这一回路多口井无法使用，影响较大。

优化后解决了原设计和传统集管式连接方式的不足，非集管式连接方式采用一对一连接，每根井管给水和回水管均单独编号，连接到分水器，任何1口井管损坏和堵塞，可以明确判断具体井位和数量。通过分水器可精确判断具体故障位置和数量，只需关闭单一故障回路即可，对其他井管不产生任何影响，且可针对性增补。

3.8.2 连接工艺能量损失对比

结合案例项目设计参数，集管式工艺汇集的10口换热器井管其中任意1口出现问题后，将导致该汇集的线路整体关闭失效，而非集管式工艺只需要关闭出现故障的1口换热器的回路即可。经对比分析，改进后的非集管式工艺与原设计集管式工艺相比换热能力损失可减少90%。

3.9 水平管回填

水平给回水管采取上下分层方法敷设，调整好管道水平高度，将水平管道铺设至侧墙与支护之间二级集分水器窗井处。沟内所有管线热熔连接完成后，与管沟内水平管道整体连接，并进行第3次水压试验合格后，管沟采用细砂进行分层回填，以保护PE循环水管，砂回填包裹水平管四周及顶部不小于200 mm。

3.10 总管连接及系统试验

外墙引入的水平连接支管与集分水器连接管采用成品弯头连接，集分水器连接完成后进行第4次水压试验。

在水平连接支管与集分水器连接完成并试压合格后，按照设计管道走向和施工方法将各个集分水器的主管相互连接成为整个系统，并将二级分水器主管道接入空调机房。

待二级集分水器管路和空调机房内一级集分水器连接完成，并进行冲洗、排气后进行第5次水压试验。试验压力0.6 MPa，稳压至少12 h，稳压后压力下降不应大于3%且无渗漏现象。验收合格后，与空调机房相关设备连接使用。

4 工艺优化应用效果

通过本工程地源热泵地埋换热器施工工艺优化，1 372口地源热泵井管施工效果良好，系统运行良好，工艺优化效果如下。

4.1 水平管优化应用效果

通过将集管式连接方式优化为非集管式连接方式，可形成以下优势：

1）非集管式连接工艺施工效率高，接头数量少，也减少了接头渗漏的风险，且连接管径小、变径少、施工简单。

2）可精准判断地埋管出现故障、损坏的具体位置和数量，且可单独对故障地埋管进行关闭，解决了常规集管式的一回路多井管无法判断和关闭的问题，为系统运行损失参数确定和后续增补地埋管热交换器提供有利技术条件。

3）非集管式的工艺减少了因个别地埋管损坏而造成多口地埋井均无法使用的弊端，损失量和损失成本大大减少。

4.2 沉管法工艺改进效果

1）优化后的沉管法工艺节约成本100万元，成本效果明显。

2）改进后，基坑土方开挖不受地埋管影响，可正常开挖，提高了施工速度，确保了井管质量。

5 结语

地源热泵的推广应用日益普遍，针对地埋式地源热泵换热器的施工插管方法成本增加和地埋换热器易损、损坏后难以维修、损坏具体数量和位置无法确定的弊端，通过施工工艺的优化和改进得以解决，提高了地埋式换热器的后期使用效果，且新方法可以科学直观地判断故障点和数量。新方法可以为后续地埋式地源热泵系统的施工提供借鉴。