焦小雨

（重慶交通大學土木與建筑學院，重慶400074）

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)是采集淺層地溫能，將其從低品位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺粺崮?，用于供暖和制冷的裝置。淺層地溫能是蘊藏在地表以下一定深度（一般為200m）范圍內(nèi)的地下土壤、地下水中具有開發(fā)利用價值的地溫熱能，是一種新型可再生能源，具有清潔環(huán)保、分布廣、儲量大、埋藏較淺、可就近開發(fā)利用等特點［1］。將地源熱泵系統(tǒng)用于建筑采暖和制冷，可以大大減少化石燃料的燃燒和污染物的排放［2］。

1 地源熱泵設計、施工存在的問題

淺層地溫能主要利用形式為地埋管地源熱泵系統(tǒng)和地下水源熱泵系統(tǒng)，國內(nèi)很多地源熱泵工程在設計、施工過程中都存在著一些問題，出現(xiàn)了地源熱泵效率低、項目投資過高等情況，造成節(jié)能工程不節(jié)能的后果［3］。地埋管地源熱泵系統(tǒng)主要問題表現(xiàn)在機組選型不合適，地下?lián)Q熱器冬夏負荷不平衡。地下水源熱泵系統(tǒng)主要問題表現(xiàn)在抽取的地下水不能完全回灌，長期開采地下水導致建筑物沉降，對地下水溫度場和水質(zhì)造成一定影響。本文系統(tǒng)研究了地源熱泵系統(tǒng)設計、施工的基本原則，為地源熱泵工程的前期準備、設計和施工提供了建議。

2 地源熱泵系統(tǒng)設計、施工的基本原則

（1）地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應用條件沒有嚴格限定，只要能滿足地埋管系統(tǒng)布設要求的建設項目，在經(jīng)濟、技術(shù)條件均可行的前提下，均可使用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。相比之下，使用地下水源熱泵需要對地下水進行吸熱或放熱，換熱后的地下水需全部回灌到含水層中。由于回灌比抽水困難，經(jīng)濟成本較高，且要保證回灌水的質(zhì)量，為降低成本，一些運營商采用多抽少灌或只抽不灌的對策，造成了地下水資源的浪費和地質(zhì)的破壞，有些地區(qū)甚至出現(xiàn)了地面沉降。而地埋管地源熱泵不需要回灌，再加上國內(nèi)部分地區(qū)地下水資源較為匱乏，地下水位分布不均勻，不適合使用地下水源熱泵，選擇地埋管地源熱泵的優(yōu)勢就很明顯了。

（2）在地源熱泵系統(tǒng)應用的基本原則指導下，各具體的單個建設項目還應在設計前做好地質(zhì)狀況、建設條件、經(jīng)濟效益等方面的可行性研究。地下水豐富的地區(qū)地埋管換熱效果較好；地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是地埋管的敷設，地埋管敷設面積要得到保證；采用地埋管熱泵系統(tǒng)的主機系統(tǒng)投資比其他形式的空調(diào)系統(tǒng)略高（一般高10%～15%），考慮其節(jié)約的運行費用，一般多投入的部分回收年限為3～5年［4］。因此，并不是任何項目都適合使用地源熱泵，地源熱泵建設前要進行嚴格的可行性分析，避免出現(xiàn)低效、不穩(wěn)定以及質(zhì)量問題。

（3）在淺層地溫能開發(fā)利用區(qū)，嚴格限制選擇地下水源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用淺層地溫能資源，優(yōu)先選擇雙U地埋管，地埋管穿過咸水底界時，應做好咸水止水，以防地下淡水受到污染。地下水的抽取和回灌可能會引起不良的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)現(xiàn)象，如地面沉降、土地沉陷后的沙土鹽堿地等［5］。此外，使用地下水源熱泵系統(tǒng)還需考慮是否會引發(fā)地質(zhì)災害，我國部分地區(qū)的地下水位已呈下降趨勢，這種條件下，必須分析使用地下水源熱泵系統(tǒng)會不會帶來不均勻沉降從而引發(fā)系統(tǒng)地下部分損毀，導致地質(zhì)惡化。國內(nèi)部分地區(qū)山區(qū)較多，使用地下水源熱泵還需分析崩塌、滑坡、泥石流等自然災害發(fā)生的可能性，以避免應用地下水源熱泵系統(tǒng)遭受地質(zhì)災害的影響或引發(fā)、加劇區(qū)域地質(zhì)災害。

（4）地源熱泵系統(tǒng)在地區(qū)建設方面的優(yōu)先選擇順序為新建建筑地區(qū)—在建建筑地區(qū)—已有建筑地區(qū)。該順序是從建設難易程度、經(jīng)濟性綜合考慮的，凡符合地源熱泵技術(shù)推廣應用要求具備應用地源熱泵條件的新建、改建、擴建民用建筑項目，鼓勵將淺層地溫能作為建筑供暖、制冷的能量來源。

（5）地源熱泵系統(tǒng)在使用建筑方面的優(yōu)先選擇順序為辦公建筑—商業(yè)建筑—高檔小區(qū)住宅樓—一般小區(qū)住宅樓。辦公、商業(yè)建筑，如政府辦公樓、寫字樓、商場、醫(yī)院、酒店、學校等，對電能或化石燃料的需求量較大，是供暖、供冷的耗能大戶，利用淺層地溫能來代替電能和化石燃料可大幅降低電能和化石燃料的消耗，可列為開發(fā)利用淺層地溫能的主要對象。高檔小區(qū)住宅樓中多數(shù)居住者經(jīng)濟條件相對較好，對生活質(zhì)量的要求相對較高，對夏天供冷和冬天供暖需求量相對較大，經(jīng)濟承受能力相對較強，可作為淺層地溫能的開發(fā)對象。一般小區(qū)住宅樓多數(shù)居住者為工薪階層，經(jīng)濟條件相對不是很好，經(jīng)濟承受能力也相對較弱，對夏天供冷和冬天供暖需求量相對較小。雖然利用淺層地溫能一天的成本比利用電能或化石能源要低，但如果按照一個夏天或一個冬天來計算，其總成本要比利用電能或化石能源高，因此一般小區(qū)住宅樓居住者大多不愿承擔由此帶來的費用，且小區(qū)收費管理相對較復雜，難度大，不宜作為開發(fā)對象［6］。

（6）地埋管埋設用地一般選擇較為平整的空地，包括綠地、停車場、廣場及建筑周圍的空地，甚至地下停車場、新建建筑物基礎(chǔ)的下方也可用于地埋管的埋設。地埋管的作用是與周圍土壤進行換熱，水平埋管為了防止埋管間的熱干擾，必須保證埋管之間有一定的間距；豎直埋管出于經(jīng)濟性考慮，一般埋深較淺，這樣就增加了打井的數(shù)量，由于埋管間也要有一定的間距，造成埋管所需空間變大，因此地埋管的施工要預留充足的空間。

（7）已經(jīng)埋設地埋管系統(tǒng)的場地上方應避免通過可能有較大承重的主要道路、消防通道等，必須穿越時，應采用蓋板、管溝等技術(shù)措施保證地下埋管不被破壞。國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)地埋管地源熱泵質(zhì)量事故的例子，有一些單位和個人受經(jīng)濟利益驅(qū)使，常常忽視安全生產(chǎn)和管理，在地埋管附近空地甚至地埋管上方修建公路、房屋、建筑物等，造成嚴重碾壓地埋管現(xiàn)象，引起基礎(chǔ)下沉，造成管道彎曲變形甚至損壞。

（8）地埋管的埋設應主動避開已存在的地下建筑、設施、管線等，保證在施工和運行中與其他地下系統(tǒng)和設施互不影響。盡量避免后期出現(xiàn)會影響到地埋管的施工，防止管道被破壞。經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)或城鎮(zhèn)范圍內(nèi)，由于建筑施工、道路等基礎(chǔ)設施的建設，各種地下管線的敷設往往涉及眾多管理部門，難以協(xié)調(diào)，因此在施工時會有損壞地埋管的現(xiàn)象發(fā)生。

（9）地埋管埋設場地上方可以考慮綠化種植，但不適宜布置高大喬木，如必須保留高大喬木，應保證足夠距離，避免對地埋管造成損害。以重慶地區(qū)常見高大喬木黃角樹和香樟樹為例，黃角樹生長速度快，根系不斷向四周擴散，滲透力強，對地埋管危害極大，必須對其嚴格控制，在無法移栽的情況下應采取人為措施，引導其根的生長方向，并對管道加強保護。香樟樹根性強，根系如果作用于管道上，會導致管道變形，因此要嚴格控制。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，植物根對管道的直接破壞分穿入和擠壓兩種方式，間接破壞方式為根分泌物造成腐蝕性環(huán)境后加速管道腐蝕老化，其中尤以穿入破壞影響最嚴重［7］，建議根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取不同措施。

3 結(jié)語

本文研究了地源熱泵設計、施工的基本原則，從前期準備、設計施工和管理方面對地源熱泵系統(tǒng)的合理建設提出了9點建議，以減少開發(fā)風險，促進地源熱泵系統(tǒng)在全國的規(guī)?；瘧?。此項研究對地源熱泵工程實踐和應用具有一定的借鑒意義，對各地推動地源熱泵技術(shù)同樣能起到參考作用。

［1］DZ／T0225—2009 淺層地熱能勘查評價規(guī)范［S］.

［2］欒英波，鄭桂森，衛(wèi)萬順.淺層地溫能資源開發(fā)利用發(fā)展綜述［J］.地質(zhì)與勘探，2013，49（2）：379－383.

［3］龍嬌.重慶地區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)研究［D］.重慶：重慶交通大學，2012.

［4］雷飛.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行建模研究及能效分析［D］.武漢：華中科技大學，2011.

［5］王陳棟.地下水地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能診斷與優(yōu)化［D］.北京：北京工業(yè)大學，2008.

［6］葉安強.淺層地溫能在貴州的發(fā)展方向分析［J］.低碳世界，2014（15）：177－178.

［7］黃海.深根植物對天然氣管道瀝青涂層的影響及其對策探討［J］.腐蝕與防護，2004，25（11）：489－493.