地源热泵施工工法讲解

非集管式地源热泵施工工法

一、前言

在中国在发达城市，夏季空调、冬季采暖与供热所消耗的能量已占建筑物总能耗的40-50%。特别是冬季采暖用的燃煤锅炉、燃油锅炉的大量使用，给大气环境造成了极大的污染。因此，建筑物污染控制和节能已是国民经济发展的一个重大问题。传统的采暖空调模式因其产生的环境污染的正面临着严峻的挑战。

地源热泵是利用自然环境地表层下贮存的能量，通过吸取、传送、制冷剂循环等系统提高或降低室内温度，为我们提供一个舒适的室内环境。

二、工法的特点

1、地源热泵空调系统埋管部分的施工质量是保证地源热泵空调系统正常运行的关键。

2、采用并联埋管方式，延长埋地管系统使用寿命。水平管采用非集管式连接，非集管式连接是将单口能源井管道单独汇总至检查井集分水器。

3、专业工种多，协调性强。

三、适用范围

本工法适用于各种大型公共建筑空调系统。

四、工法原理

地源热泵系统，夏季制冷时，将大地作为排热场所，把室内热量、压缩机耗能、加热生活热水多余的热能通过埋地盘管排入地下，再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去。冬季供热时，地下作为热泵机组的低温热源，通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。两个换热器都即可作冷凝器又可作蒸发器，只因季节不同而功能不同。在地源热泵系统中，由于冬季从地表层下取出的热量可在夏季得到补偿，因而可使地表层下的热量基本维持平衡。

五、施工工艺流程及操作要点

地源热泵空调系统施工流程图

5.1钻孔成井

钻孔施工前应对埋管现场的地质情况进行了解，对现场进行勘察，特别要注意是否有地下管线及其准确位置。对地面进行清理，平整场地，确定钻孔具体位置。

（1）测量定位

由专门的测量人员，利用全站仪或经纬仪定出井位控制网，依据控制网逐一定出井位，井位误差不宜大于10cm，并用木桩标示出井口。

（2）引孔

引孔采用XY-100型或XY-150型钻机引孔。钻机就位前，先核对孔位，就位后调平钻机，挖孔泥浆池。

a.泥浆池

泥浆池按如下形式布设：

每4个井位设置泥浆池1个，尺寸1m×1m×1m，各钻孔口应挖明沟与泥浆池形成循环回路，严禁泥浆在地面散流。泥浆池装满泥浆后，应及时运到指定地点排放，4个钻孔完成后，应及时回填泥浆池。

b.钻进

用直径150mm三叶钻头或岩芯管钻进，采用泥浆护壁，钻至基岩30cm后即可终孔。

c.下套管

成孔后，检查是否有垮孔情况，确认无垮孔后，拆除钻杆，用钻机下放φ146套管，至基岩面。

（3）潜孔锤钻机施工

引孔完成后，潜孔锤钻机就位，采用DML-80型潜孔锤钻机施工。 a.首先用潜孔锤钻机下压套管，检查套管是否下到基岩面。

b.做好防尘准备。在钻机开钻前，用木桩或防尘布在孔周围形成围栏，防止飞浆或飞尘。

c.开启空压机。采用用1台“阿特拉斯”中高风压空压机。

d.利用110冲击器钻进，直至达到设计要求。钻进过程中，如果有较大灰尘溢出，则在钻杆中加入适量清水，保证钻进过程中没有岩尘飞溢。

（4）PE 管下管

钻孔完成后即组织PE 管下管。 （5）拨管

当PE 管下管完成后，即进行拨管处理，将原有的146-168的套管用专用的拨管机或千斤顶将套管活动一下，后用钻机将套管逐一拨起，清理干净待用。

5.2预制PE 管

PE 管的预制是将需要下井的PE 管、连接件（U 型弯等）制作成型，U 型弯采用两个90°角弯热熔承插连接，U 型管下部端头应设保护装置。（如下图）

竖直地埋管换热器的U 型弯管接头，选用定型的U 型弯头成品件，不宜采用直管道人工弯制。

竖直地埋管换热器U 型管的组对长度应能满足插入钻孔后与环路集管连接的要求（原则上管道中间不应许有接口），预制好的PE

管进行压力试验，试压合格后，管道

U 型管效果图

内维持0.6Mpa的压力，为了监控方便，压力表不必拆卸，组对好的U型管的两开口端部，应及时密封。

U型管制作试验合格，宜成卷打捆堆放，表面用彩条布覆盖避免在阳光下直接照射，以防发生热变形。

5.3 PE管的下管

竖直地埋管换热器U型管安装应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行。当钻孔孔壁不牢固或者存在孔洞、洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管。钻孔完毕后孔洞内有大量积水，由于水的浮力影响，将对放管造成一定的困难；而且由于水中含有大量的泥沙，泥沙沉积会减少孔洞的有效深度。因此下管过程中，U型管内宜充满水。下管前应将U型换热管与灌浆管捆绑在一起，并采取防止U形管上浮的措施。在孔口处放置麻袋之类的衬垫物品,以防止下管过程中换热管磨损而导致其耐压等性能下降。

埋管深度及孔内地下水（或泥浆）水位较浅时，宜采用人工下管。当下管较困难时，可采用机械下管。U形管底部用软质塑料带等进行绑扎，使下井的机械叉不直接与U型PE管接触，防止碰坏U形管，机械下管时顺着井口缓慢下井，PE管操作手注意下管时的机械重量，要求以机械钻杆自重下管，不需外力，当垂直下到井底，操作手查看压力表的压力，当原有压力无下降时，即下管成功。

下管完毕后，留在井口处多出的PE管应卷成圆状，用彩条布等物加以保护并设置禁示牌。

5.4灌浆和回填

U型管安装完毕后，应立即用灌浆材料回填封孔，隔离含水层。

回填浆料中不得有大粒径的颗粒，灌浆回填料一般为膨润土和细沙（或水泥）的混合浆或其它专用灌浆材料。膨润土的比例宜占4％～6％。钻孔时取出的泥沙浆凝固后如收缩很小时，也可用作灌浆材料。如果地埋管换热器设在非常密实或坚硬的岩土体或岩石情况下，宜采用水泥基料灌浆，以防止孔隙水因冻结膨胀损坏膨润土灌浆材料而导致管道被挤压节流。

地埋管换热系统应根据地质特征确定回填料配方，回填料的导热系数不应低于钻孔外或沟槽外岩土体的导热系数。

当埋管深度超过40m时，宜采用机械方式进行灌浆回填（见图-2机械灌浆示意图）。灌浆即使用泥浆泵通过灌浆管将混合浆灌入孔中的过程。泥浆泵的泵压足以使孔底的

图-2 机械灌浆示意图

泥浆上返至地表，当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时，认为灌浆过程结束。灌浆时，应保证灌浆的连续性，应根据机械灌浆的速度将灌浆管逐渐抽出，使灌浆液自下而上灌注封孔，确保钻孔灌浆密实，无空腔，否则会降低传热效果，影响工程质量。灌浆完毕钻机可移位，12小时后进行检查，如未满进行一次人工补浆。

5.5水平管沟开挖

下井完毕根据施工图尺寸、位置在施工现场画出管沟开挖位置线。采用小型挖掘机或人工进行开挖至施工图规定深度，并用人工进行平整。

按照施工图要求进行垫层找平进行找平、并留有一定坡度，方便水平汇总管有一定坡度方便排气。

回填料应采用网孔不大于15mm ×15mm 的筛进行过筛，保证回填料不含有尖利的岩石块和其它碎石。为保证回填均匀且回填料与管道紧密接触，回填应在管道两侧同步进行，同一沟槽中有双排或多排管道时，管道之间的回填压实应与管道和槽壁之间的回填压实对称进行。各压实面的高差不宜超过30cm 。管腋部采用人工回填，确保塞严、捣实。分层管道回填时，应重点做好每一管道层上方15cm 范围内的回填。管道两侧和管顶以上50cm 范围内，应采用轻夯实，严禁压实机具直接作用在管道上，使管道受损。

5.6水平管连接

水平管的连接采用非集管式，如下图所示。

非集管式是将单口能源井管道单独汇总至检查井集分水器，如条件允许可采用同程敷设。其优点是检修方便，在单个能源井出现泄漏的情况下，关闭该回路即可，不影响其他回路正常使用。在建筑下埋管尤其适合。

地源热交换器一般宜设置成多个系统接至热泵机房，方便系统检修和调节。

水管坡度应坡向土壤换热器集分水器，严禁倒坡。

在场地限制的情况下，为了防止热短路，水平管道供回水管宜分层铺设，但上下两层PE管之间必须有100mm~200mm的黄沙回填层。

水管在铺设时严禁管道上下蜿蜒，造成管道积气。水管应在水平方向蜿蜒铺设，留有一定膨胀、收缩空间，避免管道应热胀冷缩影响管道使用寿命。

5.7水平管沟保护回填

在水平沟上方铺一层黄沙保护管道，管道连接并试压验收合格再进行回填黄沙，如果在建筑物底埋管或者有其他要求时候，黄沙上面再捣一层素混凝土。

5.8土壤温度数据采集系统的设置与施工

地源热泵系统设置一套土壤温度数据采集系统。在室外埋管区域选择有代表性的地点布置温度数据采集装置，每个地点垂直方向间隔10M设置一个土壤温度传感器，对土壤全年温度数据进行采集分析，以对今后空调实际运行及土壤热平衡措施、卫生热水使用进行科学的指导。

地温测点的施工方案图如下图，对局部地温测点的布置，采取的方案是直接将温度传感器按照图纸要求布置在待下的PE管段上，通过导管机械下管，埋设于指定的

深度，数据线通过塑料套管保护，传感器直接与土壤接触测试土壤温度。定位完毕后，下回填料填充井孔。数据采集总线接至指定控制机房数据接口即可。

地温测点施工方案图

5.9室内地源热泵系统安装

1）热泵机组安装

安装前先根据平面设计图进行放样画线，确定机组中心线的位置，接着进行设备的基础处理，设备基础达到施工规范要求后方可进行设备的安装。

设备运至基础上位置后，套穿地脚螺栓，且在地脚螺栓两边放置垫铁，落下设备，调整垫铁使设备底盘水平，且垫铁均已压实。

机组找平后进行地脚螺栓的浇灌，待强度达到75%以上时拧紧地脚螺栓。接着再检查冷机组的水平度是否达到1.0mm/m，达不到则需调整冷水机组的水平度，使其符合。然后将垫铁焊成整体。

最后进行热泵机组的管道安装及附属设备材料安装。

2）水泵安装

用人工或其他方法将水泵就位在基础上，上好地脚螺栓，水泵中心线与基准线相吻合，利用垫铁调整找平设备底座，并用水平尺进行检验；找正找平后进行混凝土灌注；联轴器找正，泵与电机轴的同心度、两轴水平度、两联轴节端面之间的间隙符合验收规范要求；水泵的试运转，先单独试运转电机，转动无异常情况，转动方向无误；再安装联轴器的连接螺栓，安装前应用手转动水泵轴，应转动灵活无卡阻、杂音及异常现象；泵启动前应先关闭出口阀门，然后启动电机，当泵达到正常运转后，逐步打

3）机房通风空调系统施工

（1）镀锌钢板风管和法兰的制作安装

空调风管、新风管及排气通风管均采用镀锌钢板来制作，风管采用法兰连接。

（2）阀门的制作与安装

三通调节阀的拉杆或手柄的转轴与风管结合处应严密；拉杆可在任意位置上固定；手柄开关应标明调节的角度；阀板应调节方便，并不得与风管碰擦。

防火阀的安装，方向位置应正确，易熔件迎向气流方向，其阀板的启闭应灵活，动作应可靠。

排烟阀（排烟口）及手控装置的位置应符合设计的要求，安装后做动作试验，手动、电动操作灵敏、可靠，阀板关闭时应严密。

止回阀宜安装在风机的压出管段上，开启方向必须与气流方向一置。

（3）风口的安装

风口与风管连接应严密、牢固；边框与建筑装饰面贴实，外表面平整不变形，调节应灵活。

同一厅室、房间内的相同风口的安装高度应一致，排列应整齐。

条形风口表面应平整，线条清晰，无扭曲变形，转角、拼缝处应衔接自然，无明显缝隙。

（4）消声器的安装

消声器、消声弯头均应单独设支架，其重量不得由风管来承受。

消声器安装的方向应正确，不得损坏和受潮。

紧固消声器部件的螺钉应分布均匀，接缝平整，不得松动脱落。穿孔板表面应清洁，无锈蚀及孔洞堵塞。

4）机房水系统施工

工程所用的管件、管材、阀件等入库前须经监理、业主按要求验明材质、核对质保书、规格、型号等，入库前还应作外观检查，合格后方能入库，并分门别类做好标识。

严格做好隐蔽工程和中间交工工程验收工作，验收工作应由有关方签证认可方为有效，中间交工应做好接口工作，与土建装修工程的交接应办好交接手续。

管道安装前，清除内部污垢和杂物，安装中断或完毕的敞口处，一定要临时

封闭好，以免杂物进入。

组装好的管线必须检查管道的标高、坐标及附件是否符合设计要求，连接的平行度垂直度应符合标准。

对关键部位要注意“五防”，即防倒坡、防错接、防松动、防堵塞、防渗漏。

管子丝扣连接，套丝时与使用的管件实际情况检查配合情况，加工时，管子螺纹应规则，如有断丝或缺丝，不得大于螺纹全扣数的10%，管件紧固后，外露2～3牙，并应将外露螺纹上的填料清理干净，并应及时刷涂防锈漆。

钢管焊接应根据钢管的厚度在对口时留有一定的间隙，并按规范GB50236-98工业管道焊接工程施工及验收规范执行，规定开坡口70±5°，不得有“未焊透”存在。焊缝应平整、饱满、焊高、焊宽及错口应符合规范规定，焊瘤、飞溅药渣等及时处理，并刷二度防锈漆，法兰连接时，法兰盘之间垫片厚度为3mm的石棉橡胶垫片。

管道安装过程中，分阶段进行水压试验，在管道系统安装完毕后再全面检查，核对已安装管子、阀门、垫片、紧固件等，全部符合设计和技术规范规定后，把不宜和管道一起试压的配件拆除，换上临时短管，所有开口处进行封闭，并从最低处灌水，高处放气对试压合格的管道进行吹洗工作，直至污垢冲净为止，并做好各项吹扫清洗记录和试压记录等工作。

预制管道支架，不允许气割下料、割孔，不允许电焊穿孔，应采用无齿锯下料，加工完毕刷防锈漆后方可安装，间距符合规范要求，构造合理，埋设平整牢固，与管道接触紧密牢固，排列整齐。

5）保温工程施工

绝热层施工时，保温层厚度大于100mm；保冷层厚度大于80mm。应分为两层或多层逐层施工，同层应错缝，上下应压缝，其搭接长度不宜小于50mm。

水平管道的纵向接缝位置，不得布置在管道垂直中心线45℃范围内，当采用大管径的多块硬质成型绝热制品时，绝热层的纵向接缝位置，可不受此限制，但应偏离管道垂直中心线位置。

方形设备或方形管道四角的绝热层采用绝热制品，敷设时其四角角缝应做成封盖式搭缝。不得形成垂直通缝。

干拼缝应采用绝热层相近性能的材料填塞严密，填缝前必须清除缝内杂物，

湿砌带浆缝应采用同于砌体材质的灰浆，灰浆应饱满。

保冷设备或管道上的裙座、支座、吊耳、仪表管座、支架、吊架等附件；必须进行保冷，其保冷层长度不得小于保冷层厚度的四倍或敷设至垫木处，支承件处的保冷层应加厚，保冷层的伸缩缝外面，应再进行保冷。

除设计规定需接管束保温的管道外，其余管道均应单独进行保温，保温层不得覆盖设备上的铭牌、特殊标志，可将铭牌周围的保温层切割成喇叭形开口，开口处应密封规整。

保冷结构的支、吊、托架等用的木垫块，应浸渍沥青防腐，设备振动部位的绝热层固定件，当壳体上已设有固定螺母时，螺杆扭紧丝扣后，应点固焊。

六、材料和设备

主要施工机械表

主要材料表

七、质量控制

1、PE管连接

1）所有暗埋管道必须采用热熔的方法连接。连接管道的施工方法，应以管

道制造商和热熔焊机制造商的技术要求为基础进行。管径小于等于DN75的管道，应采用热熔承插连接；大于DN90的管道，采用热熔对接连接，不同种类的塑料或级别不同的塑料不应熔接。

2）管道管件应在使用前按照厂商技术要求进行熔接，并剖面检测是否合格达到设计要求。从事管道连接的操作工人上岗前，应经过专门培训，经考试和技术评定合格后，方可上岗操作。地埋管系统施工时，地沟或竖井应避免雨水和施工用水浸入。

2、PE管熔接技术要求（如厂方无特殊要求按照以下规定执行）：

1）、用切割器垂直切割PE管材，切割后的PE管端呈圆形。

2）、刮皮范围与PE管插入深度长度相当，一定要到头，去除表面氧化层。

3）、用不起毛的毛巾擦干净准备焊接的管子端头的外表面和管件的内表面。

4）、PE管插入深度应符合表4-１的要求。

表4-１ PE管插入深度标准

确保加热器温度达到260℃±10℃并用干净无油的干布清洁过。将管端与管件分别插入加热套和加热头，并用手握住（不要旋转），不要太快移动（使材料有足够融化时间）。当开始加热后，开始计时。加热到时间表4-２规定的时间后，慢慢将管子和管件从加热器上拔出（不要旋转）。

表4-２加热时间要求

加热后立即将管子和管件沿其轴线往一起压，不要转动。严格保持冷却时间（表4-３规定）。在保持时间内，必须用手或者夹具保持管子和管件的相对静止。严禁有快速冷却的现象（即外表用水进行强冷）。

表4-３冷却时间标准

焊接工序完成后，检查焊接处焊瘤形状是否均匀和有无脏污。如有脏污则为

不合格焊接，要重新焊接。

3、钻孔质量控制

1）、在钻孔时，每增一去钻杆必须在钻杆的丝口上涂沫足够的黄油，以防丝扣紧固影响施工。

2）、每口井施工完毕，检查钻机动作部分的各个部件有跑冒滴漏现象否，如有及时修复，对各种照上检查是否完好，如有烂额即进行更换，并对链条和其它传动部分进行认真检查并做好完整的记录，方可进行下口井施工。

3）、经常检查设备的耗油情况，对机油、水、柴油及时检查，及时补给，以防损伤机器，对于柴油各班组交接时必须将油箱加满方可交接，并做好记录。

4）、高风压空压机的使用要求勤开机勤关机，做到节约用油，凡钻孔设备停达10 分钟以上的，即将空压机也停机，需要时再开机。严禁不用空气时长时间开启空压机，造成不必要的施工成本增高。

5）、认真做好钻机设备上的工具保管工作，每台设备上的专用扳手和通用须用专用工具箱，或专员在领用保管，凡丢失的照价赔偿，易损的以旧换新。

6）、上下班时甲、乙两班必须做好文字交接，将设备和地质情况交待清楚，并将材料配件损耗交待清楚，以利于今后的总结和表彰。

4、回填质量控制

回填料应采用网孔不大于15mm×15mm的筛进行过筛，保证回填料不含有尖利的岩石块和其它碎石。为保证回填均匀且回填料与管道紧密接触，回填应在管道两侧同步进行，同一沟槽中有双排或多排管道时，管道之间的回填压实应与管道和槽壁之间的回填压实对称进行。各压实面的高差不宜超过30cm。管腋部采用人工回填，确保塞严、捣实。分层管道回填时，应重点做好每一管道层上方15cm范围内的回填。管道两侧和管顶以上50cm范围内，应采用轻夯实，严禁压实机具直接作用在管道上，使管道受损。

八、安全措施

1、所有配电箱采用规范的配电箱，实行一机一闸一漏保护装置。主要配电箱均作接地处理，以防止感应电伤人。

2、机械设备移位、电器检修时必须断电操作，严禁带电操作；移位时专人

指挥、专人照看电缆，防止电缆压坏损伤。

3、升降钻具时应听从孔口指挥，不得用手摸钢丝绳，孔口人员应站在钻具起落范围外，严禁超负荷强力提起钻具。

4、起吊安放导管和导管时，各机吊钩必须有保险装置，用吊车拔套管必须上保险钢丝绳。

九、环保措施

制定环境保护控制措施，对环境污染的三个重大污染源：噪音、粉尘及废水进行分项保护措施。

（一）、防止噪音污染

1、人为的噪音控制措施：尽量减少人为的大声喧哗，增强全体施工人员防噪音扰民的自觉意识。

2、减少作业时间：严格控制作业时间，尽量安排到白天作业；晚间作业时间如超过22：00时，尽量采用噪声小的机械施工。

3、施工现场的强噪音的施工机械，施工作业尽量安排到白天施工。（二）、防止空气污染

1、施工现场道路采用混凝土地面、并随时洒水，防止道路扬尘。

2、施工过程中合理处理好多余泥浆，对施工完成后剩余泥浆集中堆集到事先挖掘好的堆集池内，沉放进行干燥处理，再统一安排专车进行回收处理。

3、剩余泥浆处运时，装载量不得车载量的2/3，并用帆布加以覆盖。车辆进出施工现场，对车辆实施清理，严禁将淤泥带出工地。

（三）、防止水污染

1、现场施工废水排放控制：施工现场设置三级沉淀池，排放的废水导入沉淀池，经沉淀后，流入雨水管后导入城市排污管网。

2、生活用水先导入隔油池中，经过滤后导入沉淀池内沉淀，流入雨水管后导入城市排污管网。

十、效益分析

采用非集管式地源热泵系统，可在以下几个方面产生效益

1、环保方面：

1）没有燃烧过程，避免了排放任何烟尘及有害物质，社会效益显著；

2）自由运用地热资源，既解决了热污染问题，又进一步提高能效比；

3）没有冷却塔，减少冷却塔水污染，杜绝“军团病菌”对人体损害。

2、节水省地：

1）以土壤为源体，向其吸收或放出能量，即不消耗水资源，也不会对其造成污染；

2）常规的冷却塔每小时5%水量损耗，没有冷却塔飘水对环境的污染；

省去了锅炉房，冷却塔及附属的油罐、蓄热水箱等面积，节约机房空间。

3、节能经济

1）能源利润率为传统方式的3-4倍，投入1KW的电能可得到4-5KW以上的制冷或供热的能量。初投资比其它中央空调系统略高，运行费用可节省1/2-1/3。可减少机房电征容率30%，可相应减少征电成本。

2）安装灵活、使用安全可靠

3）真正做到“一机两用”利用地下水热泵冬季向建筑物供暧，夏季向建筑物供冷，提高设备的利用率；

4）机组可灵活地安置在任何地方，节约空间，无储煤、储油罐等卫生及安全隐患；

5）机组的运行工况，由于散热、取热均依靠深层土壤不受环境温度变化的影响，即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜除之虑。

十一、应用实例

湖北出入境检验检疫局综合实验楼项目采用非集管式地源热泵施工工法，是国内首例具有完善的检测和测试系统的地源热泵系统，对全年的土壤温度和机组温度，各设备的耗能及系统能效比能即时计算反映，同时也实现了向建设部科技司的即时远程监测。

湖北省公安厅机动车驾驶员培训学校采用非集管式地源热泵施工工法，经过多年主机运行进出水温度的观测情况来看，地埋管和用户侧进出水温度较为稳定，室内运行效果好，而且土壤温度变化在控制范围以内，是属于很成功的一个项目。

武昌火车站采用非集管式地源热泵施工工法，该施工方式有效的利用了能源桩良好的换热性能优势，不仅节省了地源热泵的埋管面积，而且节约了较大的钻孔投资成本，为地源热泵技术的进一步推广起到一定的作用，能源桩工程施工成功率达到96%，处于国内领先水平。