董大為，王強

(1.中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081;2.中化國際招標(biāo)有限責(zé)任公司鐵道交通事業(yè)部，北京 100045)

1 地源熱泵技術(shù)簡介［1］

地源熱泵技術(shù)是一種利用可再生地?zé)崮茉矗瑢⒐┡?、制冷、提供生活熱水功能集中一體的節(jié)能、環(huán)保的新技術(shù)。在我國，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)有20 多年的工程應(yīng)用，由于其具有節(jié)約化石能源，減少大氣污染物排放的優(yōu)勢，目前在我國各行業(yè)的應(yīng)用十分普遍。地源熱泵具有以下優(yōu)點:

(1)自動化程度高。相對于傳統(tǒng)燃煤、燃油鍋爐，地源熱泵系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化運行，只需配備少量管理人員，無需人工填充燃料、清運爐渣及相關(guān)輔助工作，節(jié)省大量人力。

(2)具有較好舒適性。地源熱泵系統(tǒng)的出風(fēng)、回風(fēng)設(shè)置，可在短時間內(nèi)使室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值，且溫度均勻，冬季使用無傳統(tǒng)暖氣烘烤感覺，夏季使用制冷效果更為柔和。

(3)減少污染物排放。地源熱泵系統(tǒng)的運行不產(chǎn)生大氣污染物，沒有廢渣等固體廢棄物，不需要堆放燃料及廢物的場地，是理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品。

2 地源熱泵項目實施前準(zhǔn)備

在實施地源熱泵項目之前，需要對項目位置的地質(zhì)條件進行勘查，通過地質(zhì)勘查報告和巖土熱響應(yīng)試驗來評估地源熱泵項目的合理性。本次試驗基地的地源熱泵項目是對既有燃煤鍋爐供暖、空調(diào)制冷的改造項目，項目地點位于北京市昌平區(qū)某高速公路旁。通過地質(zhì)勘探和水文調(diào)查，項目所在地位為古河道的下游，項目所建區(qū)域內(nèi)有近200 m 深的沙石層，地下水位較高，流動性好。測試井開挖3 m 后即可見到地下水，經(jīng)過勘探測試，項目所建區(qū)內(nèi)的地下水水力梯度為0.2%，根據(jù)估算，項目建設(shè)區(qū)內(nèi)的地下水2 天內(nèi)即可更新一遍。地源熱泵在此區(qū)域內(nèi)實施有良好的地質(zhì)條件，且地下水良好的流動性能平衡冬夏的設(shè)備應(yīng)用不均衡而導(dǎo)致的熱量不平衡，防止熱積累現(xiàn)象的產(chǎn)生，適合地源熱泵項目的實施。

3 地源熱泵項目施工要點

3.1 換熱井施工要點

本次工程需要制冷、采暖的面積約為10 000 m2，通過計算換熱量確定換熱井?dāng)?shù)量為145 口，深度為120 m，間距5 m 梅花形布置，地埋換熱管采用雙U 型PE 管。

3.1.1 雙U 型PE 管地埋管施工流程及準(zhǔn)備工作

地埋管施工流程見圖1。

圖1 地埋管施工工藝流程圖

根據(jù)設(shè)計院出具的換熱井施工圖紙，結(jié)合項目的實際情況，如臨時建筑、地下管網(wǎng)及正常使用要求，在換熱井進行施工前，施工單位應(yīng)對施工現(xiàn)場、環(huán)境并結(jié)合使用方的正常使用要求，對項目所在地進行實地踏勘，制定有針對性的施工方案，合理配備施工設(shè)備和人員。

①勘測現(xiàn)場施工條件，根據(jù)業(yè)主給出的水準(zhǔn)坐標(biāo)點，結(jié)合使用方提出的功能要求和設(shè)計圖紙，對施工場地內(nèi)換熱井的位置進行定位，然后進行放線表出，放線時要考慮施工的方便與合理，應(yīng)避讓高壓塔基的基礎(chǔ)及地下構(gòu)筑物，最終確定每個井的位置后，用白灰結(jié)合木樁作標(biāo)識［2］。

②根據(jù)現(xiàn)場施工通道和輔助設(shè)施的情況，確定施工順序，施工順序選擇的原則就是要避免鉆井設(shè)備長遠(yuǎn)距離調(diào)動、避免場地內(nèi)施工的鉆井設(shè)備之間的運行通道相互交叉、場地內(nèi)泥漿池布設(shè)要考慮鉆井設(shè)備的施工路徑。鉆井設(shè)備豎立就位后，要根據(jù)施工所在區(qū)域的環(huán)境功能區(qū)劃，制定大氣、噪聲、固體廢棄物等的預(yù)防、治理措施，減少施工對周圍正常工作的影響。

③根據(jù)施工順序設(shè)置泥漿池，泥漿池的設(shè)立應(yīng)能滿足周邊鉆機使用且不影響鉆機的施工路徑，泥漿池可采用機械或人工開挖，深度和寬度可根據(jù)現(xiàn)場情況進行靈活選擇。本項目的泥漿采用原漿加細(xì)沙在泥漿坑中現(xiàn)場調(diào)制，鉆機開挖產(chǎn)生的泥漿進入泥漿坑，然后根據(jù)設(shè)計配比投入相應(yīng)量的細(xì)沙，調(diào)制完成后由泥漿泵注入成型的換熱井中。

④雙U 型PE 管在紫外線的直接照射下，管材的侵蝕程度會加快，因此在PE 管運到施工現(xiàn)場后，管材及管件不得在陽光下曝曬，在存放時要碼放整齊并用彩條布覆蓋遮陽，施工現(xiàn)場運輸及下管時不得拋摔和沿地拖拽，防止管材的不必要損傷。

3.1.2 換熱井開挖施工

①鉆井設(shè)備豎立就位后，首先由施工單位質(zhì)檢員對鉆機的水平度、鉆頭直徑及鉆孔位置進行自檢，確認(rèn)無誤后報現(xiàn)場監(jiān)理部門核查，在得到監(jiān)理部門的施工許可后方可進行鉆井施工。

②在鉆進過程中，施工人員要及時與技術(shù)人員溝通現(xiàn)場情況，并做好鉆井記錄表，記錄鉆井進度、出渣情況及鉆頭磨損情況，技術(shù)人員以此分析鉆進過程中巖層巖性的變化及可能出現(xiàn)的問題，以便及時調(diào)整施工方案或更換設(shè)備。

③施工鉆進到達(dá)設(shè)計要求深度后，施工人員須報現(xiàn)場監(jiān)理部門查驗鉆孔深度和孔徑，查驗合格后再進行下管作業(yè)。在下管之前必須保證孔內(nèi)的泥漿循環(huán)，防止塌孔，下管時應(yīng)使用專用下管工具操作，防止PE 管在下管過程中扭曲、纏繞和上浮。

3.1.3 雙U 型PE 換熱管試壓及下管

①雙U 型PE 管運到現(xiàn)場后，在進行第1 次試壓前，必須由現(xiàn)場監(jiān)理部門查驗管材合格證、規(guī)格型號及外觀檢查，再進行下一步工作。地源熱泵換熱管使用的雙U 型PE 管應(yīng)采用電熔接方法在材料生產(chǎn)工廠內(nèi)由專業(yè)人員用專用設(shè)備按操作規(guī)范焊制而成，不得在施工現(xiàn)場進行現(xiàn)場焊制。

②按照地源熱泵施工規(guī)范要求，PE 管運到現(xiàn)場后在下管前要進行第1 次試壓，試壓前要先用自來水沖或潔凈無雜質(zhì)的水洗管道，然后采用手動或自動試壓泵打壓。本項目的設(shè)計運行壓力為0.3 MPa，小于1.0 MPa，因此試壓壓力為運行壓力的1.5 倍，即0.45 MPa，此壓力小于規(guī)范所示最小試壓壓力(最小試壓壓力為0.6 MPa)，故本項目的試壓壓力取為0.6 MPa，在試壓壓力穩(wěn)定后，檢查PE 管，不滲、不漏、無破裂且壓力15 min內(nèi)下降不超過3%即為合格。試壓時應(yīng)有現(xiàn)場監(jiān)理部門進行旁站查驗，查驗合格后每組雙U 型換熱管管頭必須立即密封，不可用氣壓代替水壓試驗。

③經(jīng)過試壓的PE 管在滿水狀態(tài)下插入下管器，通過下管器勻速下孔，下管后為防止PE 管的上浮，可先回填一部分填料;下管后，為保證PE管的完好并檢驗在下管過程中是否有破損，須進行第2 次試壓，試驗壓力同第1 次試壓壓力(0.6 MPa)，穩(wěn)壓后觀測30 min 以上，壓力下降不超過3%即為合格;如壓力下降，則將換熱管拖出，換管后重新下管并試壓檢測。

3.1.4 回填料

換熱井的施工質(zhì)量直接影響到地源熱泵系統(tǒng)的能效，是地源熱泵系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵所在，而換熱井回填材料的性能對換熱管的換熱效果有著直接的影響，因此回填時需要根據(jù)地質(zhì)條件的實際情況選擇合適且性能優(yōu)良的回填材料。良好的導(dǎo)熱性能、流動性、抗?jié)B性、抗壓強度、粘結(jié)性以及適當(dāng)?shù)呐蛎浶允腔靥畈牧纤貍涞臈l件［3］。

回填料的配比不同，其熱傳導(dǎo)系數(shù)會有較大偏差，根據(jù)經(jīng)驗及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，一般石英砂加膨潤土混合砂漿的熱傳導(dǎo)系數(shù)約為1.73W/m·K-1，本項目所在地質(zhì)條件為古河道厚細(xì)沙層，有豐富石英砂可利用，因此本項目采用原漿加沙回填，回填時填料應(yīng)沿孔壁緩慢填入，填砂時砂應(yīng)與原漿充分拌和填入并間斷性地向孔內(nèi)注水，以保證填入的砂料盡可能的密實，回填填料時應(yīng)結(jié)合灌水，分次回填。

3.1.5 水平管路連接

水平管路連接主要包括:管道開挖、管路安裝、壓力測試、填砂和土方回填。

在管溝開挖前，應(yīng)首先了解開挖區(qū)域內(nèi)的地下管線的分布情況，尤其是電力光纜及信號光纜，管溝開挖時注意管道與建筑物、基礎(chǔ)或相臨管道之間的水平、垂直凈距，必須符合規(guī)范要求。

根據(jù)本工程的特點，施工作業(yè)面采用機械大開挖配合人工清理。機械開挖后用人工對槽底標(biāo)高進行二次復(fù)核。對每個孔與水平聯(lián)絡(luò)管連接的彎道處全部由人工進行開挖。為便于管道安裝，挖溝時將挖出來的土堆放在溝的一側(cè)，土堆底邊應(yīng)與溝邊保持0.6～1.0 m 的距離，溝底要求找平夯實，以防止管道彎曲受力不均。人工開挖支管管溝要求確保在系統(tǒng)循環(huán)水的運行中不能有死彎和死角存氣。

在每個支環(huán)路連接完成后，將管道甩出管溝槽外1.0 m 遠(yuǎn)，在整個環(huán)路進行第3 次打壓試驗，試壓標(biāo)準(zhǔn)同第1 次(0.6 MPa)，穩(wěn)壓30 min，壓力降不應(yīng)大于3%為合格;第4 次試壓在所有管路安裝完成，與機房分集水器完成連接后，試壓標(biāo)準(zhǔn)同第1 次(0.6 MPa)，穩(wěn)壓12 h，壓力降不應(yīng)大于3%為合格。

3.2 機房及末端風(fēng)機盤管設(shè)備安裝要點

(1)本項目的機房及末端風(fēng)機盤管設(shè)備所用管材、管件、閥門等各種配件的技術(shù)指標(biāo)必須符合國家強制標(biāo)準(zhǔn);所采用的設(shè)備其型號規(guī)格及功能應(yīng)符合設(shè)計要求，設(shè)備到場后應(yīng)隨設(shè)備附合格證、檢查報告及使用說明書，設(shè)備的各項指標(biāo)應(yīng)符合相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)，在使用前須報監(jiān)理單位審核，審核合格后方可進行安裝施工。

(2)管道系統(tǒng)的安裝應(yīng)橫平豎直，排水管應(yīng)保證足夠的坡度;進水、回水管應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求考慮保溫措施，防止管道內(nèi)外溫差導(dǎo)致空氣冷凝現(xiàn)象的發(fā)生;管道系統(tǒng)安裝時應(yīng)考慮檢修空間，不得使管道緊貼樓板或墻壁;管道系統(tǒng)的彎頭、法蘭及焊口避免與支、吊架的支撐部分重合。

(3)管道系統(tǒng)安裝完成后，須按技術(shù)規(guī)范要求和設(shè)計規(guī)定對管道系統(tǒng)進行沖洗，并進行水壓測試。乙二醇水溶液流經(jīng)的管道，安裝前應(yīng)進行清洗，安裝過程中不得使焊渣等雜物進入。乙二醇溶液流經(jīng)的管線，不宜采用鍍鋅管道及其配件。管道系統(tǒng)在進行水壓測試合格后，應(yīng)再次對系統(tǒng)進行反復(fù)沖洗，直到排出的水色清澈不渾濁，且無泥沙、焊瘤，金屬屑等固體雜質(zhì)。

(4)機房內(nèi)的各種泵的安裝應(yīng)設(shè)減震墊，減震墊型號及功能要求由設(shè)備提出或提供。為保證水泵的有效工作能力，系統(tǒng)水管的安裝應(yīng)嚴(yán)格按照圖紙施工，不得擅自增加額外彎頭，給水泵施加額外阻力;水泵在試車前需加潤滑油。風(fēng)機盤管在安裝前需檢查每臺盤管器的殼體及表面有無明顯損傷及銹蝕、電機固定是否牢固、電線是否有破損、風(fēng)扇轉(zhuǎn)動是否自如是否有偏心現(xiàn)象;安裝后需進行通電運行試驗，運行時風(fēng)機盤管的電氣部分不得漏電且無雜音，機械活動部分不得相互摩擦;在整體系統(tǒng)進行水壓試驗時，風(fēng)機盤管在試驗壓力下不滲漏。本項目風(fēng)機盤管采用臥式吊裝，吊架安裝位置正確，平整牢固，吊桿與托盤相關(guān)聯(lián)應(yīng)用雙螺母緊固找平正，且吊桿不能自由擺動。在吊頂處留有檢修門，以便于機組整體拆卸和維修。水管與風(fēng)機盤管連接應(yīng)平直。凝結(jié)水管宜用軟管連接并保證坡度準(zhǔn)確，坡度以能保證水盤內(nèi)無積水為宜。

4 問題與建議

目前在一些地源熱泵項目中，部分項目在設(shè)計前沒有對施工現(xiàn)場進行巖土熱響應(yīng)試驗，單純憑施工單位經(jīng)驗自行設(shè)計，導(dǎo)致系統(tǒng)的匹配存在問題，沒有能夠起到節(jié)約能源的作用。另外，地源熱泵設(shè)備生產(chǎn)廠家良莠不齊，低質(zhì)量的設(shè)備不僅無法滿足正常的生活需要，還造成大量電能的浪費。

建議在地源熱泵項目上馬前，要在項目建設(shè)地進行巖土熱響應(yīng)試驗，根據(jù)試驗的結(jié)果和擬服務(wù)的建筑面積計算所需換熱孔的數(shù)量和深度，嚴(yán)格執(zhí)行GB 50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，選用優(yōu)質(zhì)的末端設(shè)備產(chǎn)品，并根據(jù)建筑物內(nèi)每個房間的特點選用不同的末端設(shè)備出風(fēng)、回風(fēng)形式，使得熱泵系統(tǒng)能夠平穩(wěn)、高效的運行。

［1］徐偉.地源熱泵技術(shù)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011:3.

［2］倪振清，尹旭光.地源熱泵技術(shù)在鐵路沿線建筑應(yīng)用及探討［C］.鐵路暖通空調(diào)專業(yè)2006 年學(xué)術(shù)交流會論文集，2006:97 -99.

［3］呂鵬，孫友宏.地源熱泵發(fā)展概況與施工技術(shù)［J］.煤炭科技，2012，31(3):145 -147.