浅议地源热泵在施工中的难点及改进的意见

浅议火车站地源热泵施工难点及改进的建议

1.地源热泵工作原理

1.1地源热泵定义

地源热泵（ground-source heat pump system）：以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。

1.2地源热泵的由来及工作原理

"地源热泵"的概念，最早于1912年由瑞士的专家Zoelly提出，而该技术的提出始于英、美两国。1946年美国建成第一个地源热泵系统。1998年美国商用建筑的地源热泵空调系统已占到空调保有量的19%以上，其中在新建筑里面占到30%，并以每年10%的速度增长。目前由于能源消耗的急剧增加，热泵作为一种通过消耗高品位能源，把热量由低温级上升到高温级的特殊装置而受到人们的青睐。

地源热泵在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，它替代锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，像建筑物供暖。如图一所示：

图一：地源热泵冬季供暖

地源热泵在夏季可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热将室内的余热转移到低位热源中，达到给建筑物制冷的目的。如图二所示：

图二：地源热泵夏季制冷

我国地源热泵技术的研究始于上世纪80年代。由于国家对建筑节能的重视，尤其对公共建筑节能性严格的执行，使得国内地源热泵备受关注，地源热泵的蓬勃发展使得地源热泵的技术日趋成熟。本文就武广客运专线火车站房（以下简称火车站）所采用的地埋管式地源热泵，对地源热泵做一个简单的介绍，并对实际施工中存在的一些施工问题做出简单的讨论分析。

2.工程简介

武广客运专线火车站房采用大跨度网架屋面及玻璃幕墙结构，这种结构散热面大，对空调系统要求高。本工程采用地源热泵系统和集中中央空调系统，配合VRV变频系统。地源热泵的采用弥补了集中中央空调运行成本，生命周期成本高的缺点，节约了能源，降低了成本。

火车站采用地埋管式地源热泵又称地下耦合热泵系统。地埋管换热系统（ground heart exchanger system）是一种传热介质通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换的地热能交换系统。本工程地埋管采用竖直地埋管换热器。夏季进口水温36℃，出口水温32℃，释热量7184KW；冬季进口水温

6℃，出口水温9℃，吸热量4924KW.按满足冬季供暖负荷设计，地埋管管材为100级（承压1.6MP）的HDPE,地埋管采用DN32双U型连接，垂直埋管，钻孔直径φ=170mm，南北区共1500个孔，钻孔深度104米，管埋深度103米，水平埋管采用同程式连接。图三为垂直地面管换热器安装示意图。

图三：地埋管换热器安装示意图

3.地源热泵空调系统施工工艺流程

地源热泵空调系统的施工主要包括：地下埋管系统的施工，地源热泵机组及其他设备的安装。本工程地下埋管系统包括地埋管换热器的垂直埋管，以及环路的水平管安装。

3.1垂直埋管的工艺流程如下图：

地埋管钻孔编号地埋孔测量定位

钻孔

孔径孔深核查

管道预制、冲洗

一次水压试验下管

地埋孔回填、封堵

图四：垂直地埋管换热器施工工艺流程

（1）地埋管测量定位：《地源热泵系统工程技术规范》规定钻孔孔径不宜小于0.11m，钻孔间距应满足换热需要，间距宜为3~6m。本工程钻孔直径φ=170mm，间距3.5~4.5米，施工过程中如若遇到地质条件不允许的情况下，按规范调整，不影响换热效果。

（2）钻孔：垂直埋管根据管深分为浅层（＜30m）、中层（30~100m）深层（＞100m）。本工程管深104m，设计下管103m。采用冲压式机械钻孔。施工过程，钻杆没下20m后对钻机本体水平度复核，严格控制误差不超过5‰。

（3）管道冲洗、试压：双U管下管前，用清水加压冲洗，直到管内水色一致、无颗粒杂质；管接头内外表面用干布擦拭，保持干燥、无污染。本工程管道采用HDPE100高密度聚乙烯管，公称外径de为32mm，管接头加热时间按下表的参数控制，确保熔接质量。未熔透或过熔的接头清除后重新熔接，清除长度不小于6倍管径。

参数控制表

公称外径（mm）热熔深度

（mm）

加热时间（s）加工时间（s）冷却时间（s）

32 20 8 4 4

管道试压：双U型管预制完成后，将双U管灌水后加压至1.6Mpa，

稳压时间约为15分钟，稳压后压力降不超过0.048Mpa，检查各接头

连接处是否有渗漏。确认PE管完好无漏水现象后，管两头降压至0.6

Mpa，分别用压力表和堵头封闭，等待下管。

（4）下管，回填：本工程采用人工下管，回填。填充材料选择热阻比较小的材料可以提高整个系统的效率。本工程采用黄沙回填。回填完毕

将管头埋入土中约70CM，做好成品保护。

（二）水平管施工工艺流程：垂直管管头开挖→垂直管试压→管沟定位放线→管沟开挖→水平管敷设→连接垂直管→分区试压→管沟回填。

（1）垂直管管头开挖：前期垂直管成品保护将管头埋入土层下70cm，水平施工前先将管头挖出，开挖时采用人工开挖，小心不要破坏垂直管。

（2）垂直管试压：管头挖出后应进行试压，实验压力0.6MP，稳压15分钟，无泄露为合格。

（3）管沟开挖：规范规定水平连接管的深度应在冻土层一下0.6m，且距地面不宜小于1.5m。本工程南区水平埋管深2m，北区深3m。水平

管管沟放坡按沟槽开挖按1：0.25放坡，沟底宽度按表二施工。

管径（mm）沟底宽度B（mm）

150＜de＜300 ≥De+400

450≤de≤800 ≥De+600

表二：沟底最小宽度

管道沟挖好后，沟底应夯实。

（4）水平管敷设：水平环路敷设前先在管沟底部应先铺设200mm的细纱，拐弯处采用角钢+圆钢抱箍固定。

（5）连接垂直管：垂直管管头有约2米预留，采用管材自然弯曲，不另加弯头，连接时采用电熔连接。

（6）分区试压：单个区的水平施工完毕后，将主管接至集分水井后进行

一次试压，实验压力0.6MP，稳压30分钟，压力降不大于0.018 MP

为合格。

（7）管沟回填：管道敷设后再铺一层20cm的细沙。回填土颗粒采用网孔不大于15mm×15mm的筛进行过筛。槽底至管顶以上50cm范围内，不

得含有机物、冻土以及大于50mm的砖、石等硬块。

图五：沟槽及回填示意图

4.地埋管施工中难点、重点及总结

本工程的地埋管在实际施工中由于工作面大，以及火车站施工的特殊性即与土建、铁路箱梁施工以及安装内部的交叉作业面积大，产生许多新的施工难点。而且笔者是第一次接触到地埋管的施工，HDPE管也是一种新型的材料，地源热泵作为一种新型的节能空调系统，理论和实践方面，笔者的经验都是不足的，但经过不断的学习，以及在实际施工中的积累，逐渐将施工中的一些难点、重点总结起来供大家参考，讨论。

（1）钻孔：本工程钻孔采用汽车钻机，由于很多钻孔位置在于箱梁下，而汽车钻机的高度超过了箱梁底标高。针对这个问题我们采用先用

挖土机在施工面挖出一个较低的工作面进行施工。在实际施工中由

于武汉地表水的丰富，往往在开挖几米深的时候就会挖出地下水，

形成泥浆，对现场文明施工以及箱梁的成品保护造成一定的影响。

于是我们采用在一个施工区域旁挖出一个大的集水坑，采用沟渠排

除泥浆，对施工可能污染到的箱梁进行局部彩条布包裹，以实现对

箱梁的成品保护。

（2）下管：由于地质条件的复杂，容易造成孔井内部塌陷，造成下管困难，下管实际深度不够，其次地下水的丰富，容易造成钻孔后孔井

内大量积水，水的浮力使得下管困难。目前尚无好的解决方法，只

能采取回填塌陷的废孔，另择地钻孔，增加劳动力克服下管的苦难。（3）回填：回填是施工中影响最终质量的关键。此工程采用人工回填，回填料采用黄沙。理想的填料应该具有高导热系数，快速凝结性，

合适的膨胀系数，以及良好的流动性。在本工程中回填料最初选定

的是膨润土加黄沙以1：10的配料进行回填，但在实际施工中发现，

由于膨润土的吸湿膨胀特性，容易黏着在孔壁，造成回填困难，后

采用纯黄沙回填，并及时加水增大黄沙的流动性。但由于地质结构

的复杂性，黄沙还是容易粘着在黏土层，所以一般采取二次或者多

次回填，但回填效果还是不理想。是考虑到回填对换热效果的影响，

笔者认为采用水泥砂浆作为回填料，采用反浆回填（backfilling）

方法，即下管前先布好一根注浆管，·然后用高压泥浆泵把回填

料压到伸入井底的管子中，使回填料向上溢上来的方法，这样能避

免回填料存在的气隙，达到回填充分的效果。这种方法的成本要高

于人工回填，但能保证换热效果。

（4）试压：本工程的试压一共有五次。

第一次：竖直地埋管换热器插入钻孔前，应做一次水压试验。在

1.6MPa的试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不超过

3%，应无泄漏现象。将其密封后，带0.6MPa的压力下管，回

填完毕后保压一小时。

第二次：水平埋管换热器放入沟槽前，做一次水压试验，其试验内容和垂直埋管一样。

第三次：地埋管换热器与环路集管装配完毕后，回填前进行第三次水压试验。在1.6MPa的试验压力下，稳压至少30in，稳压后压

力不超过3%，且无泄露现象。

第四次：环路集管与机房分集水器连接完成后，回填前应进行第四次水压试验。在.6MPa的试验压力下，稳压至少2h，且无泄漏

现象。

第五次：地埋管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后进行第五次水压试验。在.6MPa的试验压力下，稳压至少12h

稳压后压力降不超过3%。

由于系统分区比较多，水压试验比较多，地埋管又属于隐蔽工程，特

别在以后如果出现问题的情况下，再进行维修困难很大。因此做好每

一分区，每一步骤的水压试验对以后的系统调试和维修都是很有必要

的。

五. 地源热泵系统三种形式对比

地源热泵系统分三种形式：一种就是本工程所用的地埋管换热系统，另一种是与地下水进行热交换的地热能交换系统，即地下水换热系统（groundwater system），第三种是与地表水进行热交换的地热能交换系统，即地表水换热系统（surface water system）。地表水换热系统包括开式和闭式。

开式地表水换热系统（open-loop surface water system）：地表水在循环水

泵的驱动下，经处理直接流经水源热泵机组或通过中间换热器进行热交换的系统。

闭式地表水换热系统（closed-loop surface water system）：将封闭的换

热盘管按照特定的排列方法放入具有一定深度的地表水体中，传热介质通过换热管管壁与地表水进行热交换的系统。图六：闭式地表水换热系统

由于地下水换热系统涉及井水的回灌，施工技术国内还不是很成熟，容易造成地面下沉，而开式地表水换热系统取水量受地表水位的影响，且容易造成水污染，所以本文针对火车站的具体施工主要就地埋管换热系统和闭式地表水换热系统进行对比。

表三：地埋管换热系统与闭式地表水换热系统的比较

类型地埋管换热系统地表水换热系统

水资源法规不受限制，国家保护受限制，需审批

地理纬度适用我国长江以北地区要求地表水温冬季大于7°C，

夏季小于30°C

建筑物与地源距离不受影响，在建筑物周围垂

直埋管即可

取水距离不宜过远

寿命及可靠性不受影响，地下埋管可使用

50年

输水管道的使用寿命比土壤源垂直埋管低

初投资成本钻孔施工费高，钻孔技术含

量高

土方开挖费用低，技术含量低

施工难度施工过程中回填效果不理

想，钻孔的灰尘泥浆，噪

音易造成环境污染，工期

长。

施工简单，工期短。

后期维修及调试隐蔽性工程，维修不方便，

不能更换换热器，打压调

试繁琐半隐蔽工程，可以维修更换换热器。

从以上表格我们可以看出，和地埋管换热系统比，闭式地表水换热系统虽然有一些缺点，但具体到本项目，闭式地表水换热系统可能更适合。首先，武汉地表水丰富，火车站周围就有现成的水源——东湖，武汉地区的地表水换热系统的水源深度达到4m左右基本就能满足换热要求，我们可以考虑将浅水湖人工开挖达到7~80m以达到更理想的换热效果。其次针对地表水换热系统输水管道的使用寿命比地埋管换热系统低的情况，由于闭式地表水换热系统的换热器可以更换，因此在一定使用年限下可以将换热器进行维修及更换，而作为百年工程的火车站，地埋管最大使用寿命为50年，可能不到50年就会出现地埋管换热系统无法使用的情况。再者，可以通过在作为地表水源的湖面种植荷花之类的观赏性水生植物，一方面可以在夏季降低地表水表面温度，起到一个保持水温的作用，另

一方面这也将成为这个城市的一道风景线，在枯燥的旅途中，一到武汉站，接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红，直把东湖比西湖，这即是一段美好旅途的开始，也是旅途终点新的希望的起点。这种人文环境的塑造是地埋管换热系统所无法比拟的。

六．结束语

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高,能源已经成为制约国家发展的瓶颈，高效环保节能的供热和制冷空调已成为城镇居民的基本生活需求；随着国家对建筑节能的重视和倡导，以清洁、可再生的地热源为能源的地源热泵将成为空调系统的主流，地源热泵市场前景看好。随着对地源热泵技术的不断研究，地源热泵技术也逐渐趋向成熟，然而在施工方面，施工工艺有待于总结。地源热泵地下换热系统属于隐蔽工程，设计寿命一般情况下不低于50年，在换热器材质及制备方法，换热器安装手段，回填料选择及回填方式，水力平衡措施等方面都缺乏切实可行的技术规范，而我公司更是缺乏地源热泵施工的经验，如何抓住地源热泵发展的契机，培养一批能承担地源热泵设计，能有效的组织施工设计、管理的专业人才；编制相关的施工规范，；树立自己的品牌，独立承担相关的安装业务，这些都值得我们去思考，讨论。我们相信，在以后的实际施工中，不断的总结，提高，我们会做得更完美，在地源热泵施工领域取得更大的成绩。

[参考文献]

[1]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.

GB 50366-2005. 地源热泵系统工程技术规范〔S〕．北京.中国建筑工业出版社，2005.

[2]严济才.地源热泵空调系统施工工艺及经济分析〔J〕．铁路工程造价管理.2007，22(1)：41-43.

[3]徐伟等译．地源热泵工程指南〔M〕．北京：中国建筑工业出版社，2001．