張葉華

（上海高新建設(shè)開發(fā)有限公司， 上海 200000）

地源熱泵埋管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工重點(diǎn)均在地下，埋管的管材與管徑也均需要在設(shè)計(jì)過程中決定[1]。但總的來說，現(xiàn)階段在地源熱泵埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工過程中均面臨很大的困境，比如地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不完善、關(guān)鍵施工工藝不科學(xué)、系統(tǒng)需要地埋管埋管面積等。因此，對(duì)地源熱泵埋管系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)與施工工藝進(jìn)行深入的分析探討十分必要。

1 工程概況

中鐵上海局改擴(kuò)建工程暖通空調(diào)工程位于上海寶山顧村機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園區(qū)，總用地面積29955 平方米，其中代征用地面積1634.7 平方米，建設(shè)用地面積28320.3 平方米，總建筑面積為104048 平方米。項(xiàng)目地上建筑面積55620平方米，1 號(hào)工業(yè)研發(fā)樓建筑面積為47679 平方米，2 號(hào)工業(yè)研發(fā)樓建筑面積為7831 平方米，垃圾站110.00 平方米。其中1 號(hào)工業(yè)研發(fā)樓由兩幢高層主樓及相應(yīng)裙房，通過連廊的有機(jī)組合構(gòu)成一個(gè)建筑單體。高層主樓A 座為集團(tuán)公司辦公樓，層數(shù)11 層，最大建筑高度47.7 米；高層主樓B 座為子分公司辦公樓，層數(shù)9 層，最大建筑高度39.7 米；裙房為會(huì)議中心及辦公配套用房，層數(shù)3 層。2 號(hào)工業(yè)研發(fā)樓屬于職工公寓，位于基地東南角，建筑層數(shù)8 層，建筑高度33.3 米。垃圾站層數(shù)1 層，建筑高度6.6 米。地下部分滿堂設(shè)置兩層地下室，建筑面積48428 平方米，主要功能包括輔助配套功能（食堂）、研發(fā)用房、機(jī)動(dòng)車庫、非機(jī)動(dòng)車庫及附屬配套設(shè)備用房。

2 地源熱泵系統(tǒng)工作原理

地源熱泵系統(tǒng)是一種由雙管路水系統(tǒng)連接起建筑物中的所有地源熱泵機(jī)組而構(gòu)成的封閉環(huán)路的空調(diào)系統(tǒng)，可以利用大地深處冬暖夏涼、溫度相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，通過地下埋管封閉循環(huán)水進(jìn)行熱量交換，依靠消耗少量的電力驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組完成制冷或供熱循環(huán)，進(jìn)而確保完成空調(diào)房間和土壤、地表水等的換熱[2]。具體來說，在冬季機(jī)組處于制熱模式時(shí)可以從土壤和水中吸取熱量，并通過壓縮機(jī)與熱交換器將熱量以較高的溫度釋放至室內(nèi)。在夏季機(jī)組處于制冷模式時(shí)可以從土壤和水中提取冷量，利用壓縮機(jī)和熱交換器將大量的熱量并入室內(nèi)，同時(shí)確保室內(nèi)的熱量可以排放至土壤和水中，實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷目的。地源熱泵主要有地下水系統(tǒng)、地表水系統(tǒng)和地埋管系統(tǒng)三種形式，其中的地埋管系統(tǒng)是迄今應(yīng)用最為廣泛的地源熱泵系統(tǒng)。

3 地源熱泵系統(tǒng)適用性分析

3.1 土壤條件

地源熱泵系統(tǒng)要想順利實(shí)施，適宜的土壤溫度是基本條件。本項(xiàng)目所處的土壤溫度為14-18℃，夏天時(shí)14-18℃的土壤溫度可以替代冷卻塔作為熱泵機(jī)組的冷卻系統(tǒng)，冬天時(shí)可以在不添加防凍劑的條件下作為熱泵低位熱源加以使用[3]。

3.2 建筑冷熱負(fù)荷匹配度

土壤熱泵系統(tǒng)不適宜應(yīng)用于高能耗建筑之中，這主要是因?yàn)橥寥涝礋岜孟到y(tǒng)比常規(guī)的熱泵機(jī)組增加了土壤換熱器，每1KW 冷量造價(jià)大約需要增加1000 元左右。本項(xiàng)目整體建筑屬于使用穩(wěn)定、負(fù)荷波動(dòng)小的中等規(guī)模建筑，其對(duì)潔凈要求和較低空調(diào)設(shè)定溫度要求合理，實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性突出。

4 施工工藝流程設(shè)計(jì)

地源熱泵系統(tǒng)施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→工程鉆孔→地埋立管施工→灌漿→地埋橫管施工→回填→系統(tǒng)清洗。

5 施工要點(diǎn)分析

5.1 地埋管平面布置分析

待確定地源熱泵系統(tǒng)后需要重點(diǎn)對(duì)地埋管平面布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，就現(xiàn)階段地埋管換熱器傳熱模型使用情況來說，其中以Kelvin 線熱源理論為基礎(chǔ)的IGSHPA 模型方法較為常用，可以根據(jù)年最冷月和最熱月負(fù)荷以及由能量分析的BIN 方法計(jì)算出的熱泵機(jī)組季節(jié)性能系數(shù)為依據(jù)來確定地埋管換熱器的具體尺寸。而后依據(jù)IGSHPA 模型，可以針對(duì)常用的井聯(lián)U 型換熱器重點(diǎn)解決以下問題：

①按照本項(xiàng)目建筑的具體特點(diǎn)和條件，計(jì)算出建筑的峰值負(fù)荷，并同時(shí)計(jì)算熱泵機(jī)組的制冷量Qc 與制熱量Qh；

②依據(jù)已經(jīng)求出的Qc 和Qh，并結(jié)合建筑供冷/供熱的參數(shù)要求及機(jī)組性能，具體確定出熱泵機(jī)組的規(guī)格型號(hào)，在查出機(jī)組制冷制熱時(shí)流體出機(jī)組蒸發(fā)器/冷凝器的低限/高限溫度即地埋管換熱器側(cè)的循環(huán)液體進(jìn)入地埋管換熱器的最低/最高溫度，以及熱泵機(jī)組制冷/制熱性能系數(shù)COPc 和COPh；

③求出建筑峰值負(fù)荷時(shí)埋管換熱器的換熱負(fù)荷，即機(jī)組制冷時(shí)Qmc=Qc（COPc+1）/COPc，制熱時(shí)Qmh=Qh（COPh-1)/COPh；

④依據(jù)地埋管換熱器的換熱負(fù)荷和傳熱換熱模型，分別求出對(duì)應(yīng)不同的埋管管徑、管內(nèi)流速、埋深、管距時(shí)，所需埋管的數(shù)量和相應(yīng)的進(jìn)出水溫度，并確定最終的制冷制熱組合。

5.2 基坑鉆孔埋管

鑒于本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)埋管空地面積不足，所以必須采用基坑鉆孔埋管方式，根據(jù)本項(xiàng)目工期與特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)之初確定了多種地埋基坑施工方案。

①先行開展施工打井，而后開展開挖土方工作，待建筑物樁基沉樁結(jié)束后基坑未開挖之前先施工豎管，基坑完全開挖完畢后，再進(jìn)行橫管施工。此施工方案的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)坑底的土層擾動(dòng)影響較小，坑底的暴露時(shí)間也大大縮短。同時(shí)也有一定的局限性，比如基坑開挖時(shí)較易破壞豎管，鉆孔深度必須增加，增加了管材損耗；

②先開挖后施工（不澆墊層前），建筑物樁基沉樁結(jié)束后，基坑在開挖時(shí)地埋管隨后跟進(jìn)施工，墊層再跟進(jìn)地埋管施工。此施工方案的優(yōu)勢(shì)在于地埋管施工難度會(huì)大大降低，但對(duì)坑底土層擾動(dòng)影響較大，坑底暴露時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)土建施工影響周期較長(zhǎng)，加大坑內(nèi)余土與泥漿清理難度；

③采用預(yù)留施工法開展施工，需要澆二次墊層，在第一次澆墊層時(shí)，需對(duì)地埋管施工位置進(jìn)行預(yù)留（常用的方案是預(yù)留寬約60cm～80cm 的橫溝），待橫管施工完畢后進(jìn)行二次澆墊層。此施工方案的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)坑底土層的擾動(dòng)影響較小，施工難度較小。局限性在于需增加相應(yīng)二次墊層的土建成本，對(duì)土建施工影響周期相對(duì)較短；

④利用二次墊層施工法開展施工，土建先開挖后澆墊層，地埋管跟進(jìn)施工，橫管位于第一次墊層之上，第二次的墊層澆筑在橫管之上。此施工方案的優(yōu)勢(shì)在于不會(huì)對(duì)坑底土層產(chǎn)生擾動(dòng)影響，地埋管施工難度也很小，施工周期短，但會(huì)相應(yīng)的增加二次墊層的土建成本。經(jīng)過分析決定，如果后期基坑內(nèi)部設(shè)計(jì)有反梁時(shí)則可以采用第四種方案，如果沒有設(shè)置反梁則可以采用第三種方案，但需要注意的一點(diǎn)是，無論采取何種施工方案，為了有效減免豎管施工對(duì)樁基承載力的影響，必須在沉樁結(jié)束四周后（至少要等到樁邊土的預(yù)應(yīng)力完全釋放后）方可施工。

5.3 孔井回填

基于本項(xiàng)目采用基坑鉆孔，因而孔井回填屬于施工重點(diǎn)，為了避免對(duì)換熱效果和土建結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，本項(xiàng)目孔井回填方案主要有兩種。第一種是黃沙及膨潤土混合物回填（膨潤土比例為4%～6%），第二種是水泥及膨潤土混合物回填（也可根據(jù)業(yè)主要求摻入一定比例的黃沙）。

兩種施工方案均有其優(yōu)勢(shì)和局限性?？紤]到水泥及膨潤土混合物回填不會(huì)對(duì)樁基承載力產(chǎn)生較大影響，而且避免了人工回填過程中的諸多不確定因素，可以保證埋管的換熱量。橫溝回填通常采用先填黃沙后填土的方式，但鑒于本項(xiàng)目工程位于基坑內(nèi)，所以決定全部填埋黃沙，上部回填粗沙、砂石料或直接澆筑混凝土，不能再回土，且橫管宜盡量淺埋，防止壓力過大，造成管路變形。

5.4 地源熱泵埋管系統(tǒng)“三試壓”

水壓試驗(yàn)是對(duì)工程質(zhì)量的檢驗(yàn)，在保證和提升施工質(zhì)量中尤為關(guān)鍵?？偟膩碚f，在開展水壓試驗(yàn)時(shí)需要堅(jiān)持以下幾點(diǎn)原則：①在條件允許的情況下，試驗(yàn)壓力≤0.8MPa 時(shí)的管道系統(tǒng)可以放在同一個(gè)試壓包內(nèi)開展；②試驗(yàn)壓力以高點(diǎn)壓力表讀數(shù)為準(zhǔn)，氣壓以現(xiàn)場(chǎng)壓力表讀數(shù)為準(zhǔn)，并在現(xiàn)場(chǎng)做好相關(guān)記錄；③水壓試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度不得低于5℃，若環(huán)境溫度低于5℃，則應(yīng)該采取防凍措施；④待試驗(yàn)合格后及時(shí)泄壓排水，避免因溫度過高而導(dǎo)致管道系統(tǒng)超壓。本項(xiàng)目在地埋管施工中采用“三次試壓法”開展地源熱泵埋管系統(tǒng)測(cè)試。

①第一次試壓試驗(yàn)選擇在U 型管下管前，試驗(yàn)壓力應(yīng)為工作壓力的1.5倍，且不應(yīng)小于0.6MPa。穩(wěn)壓1 小時(shí)觀察壓力降，確保穩(wěn)壓后壓力降不大于3%且沒有出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，方可下管，并保證是帶壓下管，防止下管過程中U型管破損，一旦壓力表示數(shù)出現(xiàn)較大變化，須重新焊制U 型管，重新試壓下管，確保每個(gè)U 型管路不滲漏；

②第二次水壓試驗(yàn)選擇在水平管與U 型管連接前，待水平管試壓合格后方可與U 型管連接，試驗(yàn)壓力最小應(yīng)為工作壓力的1.5 倍，且不應(yīng)小于0.6MPa。穩(wěn)壓1 小時(shí)觀察壓力降，確定穩(wěn)壓后壓力降不大于3%且沒有出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，開展下一步施工；

③第三次水壓試驗(yàn)選擇在水平管與U 型管連接完畢后，試驗(yàn)壓力至少應(yīng)為工作壓力的1.5 倍，且不應(yīng)小于0.6MPa。至少穩(wěn)壓1 小時(shí)，穩(wěn)壓后壓力降不大于3%，且無泄漏現(xiàn)象認(rèn)為合格，試壓合格后可進(jìn)行埋管。

6 系統(tǒng)調(diào)試與深化設(shè)計(jì)

6.1 水力失調(diào)

水力失調(diào)屬于一種常見施工現(xiàn)象，主要是因?yàn)樗κШ舛?，分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種類型[4]。靜態(tài)水力失調(diào)是水系統(tǒng)固有的，是因?yàn)楣苈废到y(tǒng)特性阻力系數(shù)的實(shí)際值偏離了設(shè)計(jì)值而導(dǎo)致的。動(dòng)態(tài)水力失衡不是水系統(tǒng)自身固有的，是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的，主要是因?yàn)槟承┠┒嗽O(shè)備閥門開度改變而引起。

6.2 設(shè)計(jì)深化

對(duì)于水力失調(diào)問題，本項(xiàng)目提出了兩種解決方式。第一種是設(shè)置動(dòng)態(tài)和靜態(tài)平衡閥門，異程式空調(diào)水系統(tǒng)中并聯(lián)環(huán)路的壓力損失計(jì)算差額大于15%，可以通過合理設(shè)置及調(diào)節(jié)平衡閥來克服水力失調(diào)。第二種是水系統(tǒng)采用同程式設(shè)計(jì)，室外地埋管管路設(shè)計(jì)、施工必須采用同程式，室內(nèi)末端水系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工建議采用水平式同程。

7 結(jié)論

隨著綠色節(jié)能理念的愈發(fā)深入，地源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)的使用范圍越來越廣。在設(shè)計(jì)和施工過程中需要給予基坑鉆孔施工、孔井回填、管路連環(huán)三試壓及系統(tǒng)水力平衡充分的重視，有針對(duì)性的解決出現(xiàn)的問題，以此提升施工效率與質(zhì)量，推動(dòng)地源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)更好發(fā)展。