浅谈竖直地埋管地源热泵系统工程的管理
地源热泵系统通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊、江河等天然能源，冬季从大地自然界吸收能量，夏季向大地自然界放出能量，再由热泵机组向建筑物供冷供热，是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统，可广泛应用于公共建筑、住宅、学校、医院等建筑物。地源热泵技术是目前建筑中央空调领域正在兴起的一项革命性新技术。我们在中国人民银行定西市中心支行综合办公楼工程中，致力于地源热泵项目的技术引进、产品开发和市场推广工作，做了一些有益的探索，现浅述如下。
1·工程概况
中国人民银行定西市中心支行综合办公楼工程位于安定区西环路东侧，为南北走向呈一字型展布的框架结构，主楼为地上8层代帽，裙楼为2层，建筑面积为7912m2。
地源热泵系统共有三种形式：①地埋管热交换器地源热泵（也称土壤热交换器地源热泵）；②地下水地源热泵；③地表水地源热泵。根据定西市城区地下水和地表水均不充足的特征，该工程选用地埋管热交换器地源热泵系统。地埋管热交换器地源热泵又分为水平地埋管和竖直地埋管两种形式，鉴于场地的限制，选择占地面积小的竖直地埋管热交换器地源热泵系统。
地埋管热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，本工程采用U型管并联同程的热交换器形式，并联系统管径较小，管道费用较低，且布置成同程式。当每个并联环路之间流量平衡时，其换热能量相同，其压降特征有利于提高系统能力。
按照《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）的要求，根据现场勘察结果，U型管竖直井的水平间距布置为4.5m，钻探孔深120m；设计取孔深为100m，孔径200mm，孔数设计为138个，孔井尽量布置在以机房为中心的周围。
2·工程勘察
工程场地状况及浅层地热能资源条件，是能否应用地源热泵系统和选择采用哪一种形式的地源热泵系统的基础和先决条件。其管理工作主要做好以下几方面：
（1）《地源热泵系统工程技术规范》
（GB50366-2005）规定，地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地状况调查，并应对浅层地热能资源进行勘察。工程勘察应由具有勘察资质的专业队伍承担。工程勘察完成后，应编写工程勘察报告，并对资源可利用情况提出建议。
（2）工程场地状况调查以收集资料为主，调查区域半径宜大于拟定换热区100～200m。调查应包括下列内容：①场地规划面积形态及坡度，即地形地貌；②场地内已有建筑物和规划建筑物的占地面积及分布；③场地内树林植被、池塘、排水沟、架空输电线及电信电缆的分布；④场地内已有的、计划修建的地下管线和地下构筑物的分布及埋深；⑤场地已有水井的位置、类型结构、深度、地层剖面和水位、出水量、水温及水质情况，还应了解水井的用途、开采方式、年用水量及水位变化情况等。
（3）岩土体地质条件勘察可参照《岩土工程勘察规范》（GB50021）及《供水水文地质勘察规范》（GB50027）进行。采用竖直地埋管换热器时，地埋管换热系统勘察采用钻探进行，钻探方案应根据场地大小确定，钻探孔深度比钻孔至少深5m。地埋管换热系统勘察应包括：①岩土层的结构；②岩土体热物性；③岩土体温度；④地下水静水位、水温、水质分布；⑤地下水径流方向、速度；⑥冻土层厚度。
（4）岩土体热物性指岩土的热物理参数，包括岩土体导热系数、密度及比热等，测定方法可采用试验室法或现场测定法。
①试验室法：对勘察探孔不同深度的岩土体样品进行测定，并以其深度加权平均计算该勘探孔的岩土热物性参数。
②现场测定法：现场测试岩土体应在测试埋管状况稳定后进行。根据埋管深度，测试一般应在测试埋管安装完毕72h后进行，对两个钻探孔及两个以上钻探孔的测试，其测试结果取算术平均值。
3·竖直地埋管换热系统设计
竖直地埋管换热系统是利用地下换热盘管与土壤进行热交换，把大地作为热泵机组的低温热源和排热场所。它由地下盘管和常规水源热泵机组组成，冬季供热时，土壤作为热泵机组的低温热源，通过地下盘管获取土壤中热量供给室内；夏季供冷时，土壤作为排热场所，把室内冷负荷以及压缩机耗能通过地下换热盘管排入土壤中。亦即土壤夏季蓄存热量，冬季重新释放热量，使大地热量基本稳定。设计阶段主要做好以下管理工作：
（1）地埋管换热系统设计前，应根据工程勘察结果评估其实施的可行性及经济性。工程设计应由具有设计资质的专业机构承担，工程设计完成后，应经过有关部门对其图纸进行审查并获批准。
（2）系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为一年，计算周期内，系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。因为全年冷、热负荷平衡失调，将导致地埋管区域岩土体温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低其系统的运行效率。
（3）地埋管换热系统设计计算是地源热泵系统设计所特有的内容，为保证设计符合实际、满足使用要求，通常设计前需要对现场岩土体热物性、回填料热物性及传热介质特性等因素，根据实测数据进行计算，考虑其计算的特殊性及复杂性，宜采用专用软件进行；设计计算时，环路集管不应包括在换热器长度内。
（4）竖直地埋管换热器埋置深度由计算确定，最少宜大于20m；钻孔孔径不宜小于0.11m；为避免换热短路，钻孔间距应满足换热需要，通过计算确定，即岩土体吸、释热量平衡时，宜取小值；反之宜取大值，间距宜为3～6m。该工程取4.5m，孔径取200mm，孔深100m；水平连接管的深度应在冻土层以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m。为确保系统及时排气和加强换热，管内流体应保持紊流流态。管道推荐流速：双U形埋管不宜小于0.4m/s；单U形埋管不宜小于0.6m/s。
（5）埋管环路两端应分别与供、回水环路集管相连接，且宜同程布置；每对供、回水环路集管连接的管环路数宜相等，供、回水环路集管的间距不应小于0.6m。为了减少水井及室外排水设施的影响，换热器安装位置应远离出水井及室外排水设施；为了缩短供、回水集管的长度，宜靠近机房或以机房为中心设置。
（6）为增加系统的安全性、可靠性，应设自动充液及泄漏报警系统；为便于系统充液，一般在分水器或集水器上预留冲液管；连接系统的室内送、回液联管上要安装闭式膨胀箱、充放液设施、压力表、温度计等基本仪器与部件；需要防冻的地区，应设防冻保护装置；为防止系统堵塞，埋管换热系统宜设反冲洗系统，冲洗流量宜为工作流量的2倍；设计时应根据实际选用的传热介质的水力特征进行水力计算，宜采用变流量设计，以节省用电量；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岩土体的导热系数。
4·竖直地埋管换热系统施工质量管理
竖直地埋管换热系统施工前，应了解埋管场地内已有地下管线，其它地下构筑物的功能及其准确位置，并进行场地清理平整；应具备埋管区域的工程勘察资料、设计文件和经审查批准的施工图纸，并完成施工组织设计，报请审核批准，进行图纸会审及技术交底工作。
系统施工应由具有该类工程施工资质的专业队伍完成，其专业施工人员应持有此专业的上岗证书；施工平面图上除应清楚标明钻井的位置以及通往建筑物和机房的入口外，还应标明规划建设用地范围内所有地下公用事业设备的位置；应对平面图进行复核，并在批准之前就存在的实际偏差达成一致；在开始施工之前，应作好施工准备工作，承包商应获得与工作项目有关的所有开工许可。
地埋管的质量对竖直地埋管换热系统至关重要，应严格检查并做好管材保护工作。进入现场的地埋管及管件应严格报审手续，逐件进行检查，应用空气试压进行检漏试验；材料存放时不得在阳光下长期暴晒，搬运时应小心轻放，采用柔韧性能好的皮带、吊带或吊绳进行装卸，不得抛摔和沿地拖曳；聚乙烯管应符合《给水用聚乙烯（PE）管材》（GB/T13663）的要求；聚丁烯管应符合《冷热水用聚丁烯（PB）管道系统》（GB/T19473·2）的要求。
4.1竖直地埋管的连接要求
（1）埋地管道应采用热熔或电熔连接。聚乙烯（PE）管道连接应符合国家现行标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101）的有关规定。
（2）竖直地埋管换热器的U型弯管接头，宜选用定型的U型弯头成品件，不宜采用直管道煨制弯头。
（3）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，组对好的U型管的两个开口端部，应及时密封。
4.2竖直地埋管换热系统的水压试验
竖直地埋管换热系统的水压试验应按如下要求分四次进行。
（1）竖直地埋管换热器插入钻孔前，应做第一次水压试验。在试验压力下稳定15min，稳压后压力降不大于3%，无泄漏现象为合格；将其密封后，在有压状态下插入钻孔，完成灌浆之后保压1h。
（2）竖直地埋管换热器与环路集管装配完成后，回填灌浆前进行第二次水压试验。在试验压力下，稳压至少30min，稳压后压力降不大于3%且无泄漏现象为合格；每次试压均应进行见证，并做好记录。
（3）环路集管与机房分、集水器连接完成后，回填前应进行第三次水压试验。在试验压力下，稳定至少2h，无泄漏现象为合格。
（4）竖直地埋管换热系统全部安装完毕，且进行了冲洗、排泄及回填完成后，进行第四次水压试验。在试验压力下，稳压至少12h，稳压后压力降不大于3%；水压试验采用手动泵缓慢升压，升压过程中随时观察与检查，无泄漏为合格。不得以气压试验代替水压试验。
换热器U型管安装应在钻孔钻好且孔壁固化并经验收合格后立即进行。当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；在下管过程中，U型管内宜充满水，并应采用每隔2～4m设一弹簧卡或固定支卡的方法将U型管两支管分开，以提高换热效果。
系统冲洗是保证竖直地埋管换热系统可靠运行的必须步骤，在竖直地埋管换热器安装前，地埋管换热器与环路集管装配完成后及其整个系统全部安装完成后，均应对管道系统进行冲洗，以防止阻塞。
4.3竖直地埋管换热器的灌浆回填
竖直地埋管换热器U型管安装完毕后，应立即灌浆回填封孔，隔离含水层；灌注合适的浆液可以加强土壤和热交换器之间的热接触，防止污染物从地面向下渗漏和防止各含水层之间水的移动，是带有强制性的要求。
（1）灌浆即使用泥浆泵通过灌浆导管将混合浆泵灌入钻井孔中的过程。泥浆泵的泵压足以使孔底的泥浆上返至地表，当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时，即认为灌浆过程结束。
（2）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导管从被灌浆的竖直孔中逐渐抽出，使灌浆液自下而上灌注封孔，确保钻孔内被灌浆密实，无空腔；否则会降低传热效果，影响工程质量。
（3）竖直地埋管换热器灌浆回填料宜采用膨润土和细砂或水泥的混合浆，或其他专用灌浆材料。膨润土的比例宜占4%～6%。
（4）如果预期热交换器是在冻土层以下非常密实或坚硬的岩土体或岩石内运行，宜采用水泥基料的灌浆更有优势，因为孔隙水会冻结并膨胀，这会损坏膨润土灌浆材料，而且产生的力会导致管道被挤压并节流。
（5）为尽量减少每一批灌浆配料之间的准备时间，应使用大容量的灌浆混合器/分离存储罐；应该用直径不小于30mm的聚氯乙烯管做导管，宁可将管径选大些，以减少摩擦阻力损失，并在将其向下放进竖孔之前连接到U型管热交换器上。
（6）当埋管超过40m时，灌浆回填宜在周围邻近钻孔钻凿完毕后进行，目的在于一旦孔斜将相邻的U型管钻伤，便于更换。
（7）室外环境温度低于0℃时，塑料地埋管的物理力学性能将有所降低，容易造成埋管损害。故当室外环境温度低于0℃时，不宜进行地埋管换热器的施工；如确需施工，则应按冬期施工要求，采取可靠的保温防冻措施。
（8）为保证其施工质量，质量管理尚需考虑以下几点：
①监督检测灌浆的运行操作，以保证灌浆以正确的比例被充分混合，并有足够的粘性以便用泵将其充入竖井孔内；
②灌浆施工应有备用灌浆导管、软管和在工地上能容易使用的备用设备，以保证灌浆的连续性；
③正位移泵（螺旋或活塞型）最适宜于将灌浆向下充入竖井孔内；
④内径80～100mm的吸入管和内径30～50mm的排放管即可满足要求；
⑤水泥基料灌浆应由纯水泥和质量比为5%的膨润粉组成；
⑥水与水泥取0.55比0.6的质量比，即可满足要求。
5·系统检验、运转、调试与验收的质量管理系统安装过程中，应进行现场检验，并应提供检验报告。检验内容应符合下列规定：①管材、管件等材料应符合国家现行标准的规定；②钻孔井的位置和深度、埋管的直径和壁厚及长度均应符合设计要求；③回填料及其配比应符合设计要求，水压试验应合格；④各环路流量应平衡，且应满足设计要求；⑤防冻剂和防腐剂的特性及浓度应符合设计要求；⑥循环水流量及进出水温差均应符合设计要求。
换热系统多采用聚乙烯（PE）管，它是一种热塑性材料，与钢管不同，其材料本身具有受压发生蠕变和应力松弛的特性，因此试验人员应对压力降的理解更全面些。①水压试验静水压力不应小于管道工作压力的1.5倍，且试验压力不应低于0.8MPa；不得以气压试验代替水压试验。②试验应分预试验与主试验两个阶段进行，其中预试验步骤一，将试压管道内的水压降至大气压，并持续60min，期间应确保空气不进入管道；步骤二，缓慢将管道内的水压升至试验压力并稳压30 min，期间如有压力下降可注水补压，但不得高于试验压力，查无渗漏现象；步骤三，停止注水补压稳定60min，压力下降不超过试验压力的70%，则预试验阶段工作结束。主试验阶段：在预试验阶段结束后，迅速将管道泄水降压，降压量为试验压力的10%～15%。期间应准确计量降压所泄出的水量，设为△V（L），当△V（L）≤△Vma（xL）时，应每隔3min记录一次管道剩余压力，记录30min；此时如30min内管道剩余压力有上升趋势时，则水压试验结束，试验结果合格；此时如30min内管道剩余压力没有上升趋势时，则在持续观察60min，整个90min内压力下降不超过0.02 MPa，则试验结果也合格。
回填过程的检验应与安装竖直地埋管换热器同步进行。回填过程的内容包括回填料配比、混合程序、灌浆及封孔的检验。
竖直地埋管地源热泵系统交付使用前，应进行整体运转、调试与验收。
（1）地源热泵系统在进行整体运转、调试前，应进行系统试运转与调整。其主要内容包括：①系统的压力、温度、流量等各项技术数据应符合有关技术文件的规定；②系统连续运行应达到正常平稳；水泵的压力和水泵电机的电流不应出现大的幅度波动；③各种自动计量检测元件和执行机构的工作应正常，满足建筑设备自动化系统对被测定参数进行监测和控制的要求；④控制和检测设备应能与系统的检测元件和执行机构正常沟通，系统的状态参数应能正常显示，设备连锁、自动调节、自动保护应能正常动作；⑤调试报告应包括调试前的准备记录、水力平衡机组及系统试运转的全部测试数据。
（2）竖直地埋管地源热泵系统整体运行和调试应符合下列规定：①整体运转与调试前应制定整体运转与调试方案，并报专业监理工程师审核批准；②水源热泵系统机组试运转前应进行水系统及风系统平衡调试，确定系统循环总流量，各分支流量及各末端设备流量均达到设计要求；③水力平衡调试完成后，应进行水源热泵系统机组的试运转，并填写运转记录，运行数据应达到设备技术要求；④水源热泵机组试运转正常后，应进行连续24h的系统试运转，并填写运转记录；⑤地源热泵系统调试应分冬、夏两季进行，且调试结果应达到设计要求。调试完成后应编写调试报告及运行操作规程，并提交甲方确认后存档。
（3）竖直地埋管地源热泵系统整体验收前，应进行冬、夏两季运行测试，并对系统的实测性能作出评价。运行测试包括室内空气参数及系统运行能耗的测定。系统运行能耗包括所有水源热泵机组、水泵和末端设备的能耗。
（4）竖直地埋管地源热泵系统验收除应符合《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）的规定外，还应符合国家现行相关标准的规定。
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