論奧林匹克森林公園建筑物地源熱泵的施工技術

齊水艷

北京市設備安裝工程集團有限公司，北京 100045

論奧林匹克森林公園建筑物地源熱泵的施工技術

齊水艷

北京市設備安裝工程集團有限公司，北京 100045

奧林匹克森林公園作為2008年北京奧運會標志性建設項目之一，采用地源熱泵空調系統，充分體現“綠色奧運”的理念。此系統主要由3部分構成，即室內空調末端設備、熱泵機組主體、地下埋管換熱器。根據一般地源熱泵特點，按照冷負荷選配主要機組，利用淺層地溫能作為地源熱泵機組的冷熱源，選擇熱回收式地源熱泵機組提供空調和生活熱水，生活熱水由一個不銹鋼生活熱水水箱蓄存，生活熱水夏季通過空調供冷開機時的冷凝熱回收得到，冬季時主機制熱量有富余，完全滿足供暖使用要求。另外，需要3臺普通地源熱泵機組，夏季提供冷量。冬季機組可以小負荷運行，最大熱負荷情況下，僅需要開3臺主機，即可滿足使用要求。熱泵機房安裝工程，主要包括室外管線進入機房與室內管網的連接，機房內主機、循環泵、集分水器、控制柜、管道等設備的安裝。換熱孔的設計及鉆探施工是整個工程的關鍵。本項目根據地源熱泵系統冷、熱負荷的需求量，需要擬鑿換熱孔921個，單個地埋換熱孔深40～100m，孔深總長度為76 110m，孔徑大于150m，換熱孔通過地面連接管分區連接后，再匯集進入熱泵機房。

地源熱泵系統；冷熱負荷；熱泵機組；地埋換熱孔

1 概述

早在20世紀50年代我國就已經開始空氣源熱泵方面的研究工作，而地源熱泵的發展比較緩慢。近年來，隨著能源和環境問題的日益突出，以可再生的地熱源為能源的地源熱泵引起了人們的重視。2000年以來，地源熱泵的開發利用在全國得到普遍推廣，每年以10～15%的速度增長。京津地區發展速度最快。據中國地質調查局的資料顯示，至2005年末，淺層地溫能應用面積約2 000萬m2。2005年以來，中國水源熱泵的應用明顯加快，由于這項技術比較成熟，在中國將進入大規模推廣應用階段。

奧林匹克森林公園園區有20個單體建筑物組成，每個建筑物都是獨立的，森林公園占地面積大，建筑物分散，小面積建筑數量比重較大，作為2008年奧運會標志性建設項目之一，為充分體現“綠色奧運”的理念，在進行空調系統設計時充分考慮經濟性、綠色環保等因素，確定地源熱泵空調系統成為奧林匹克森林公園空調系統設計的首選方案。

地源熱泵技術，是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩定的特性，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉移到需要供熱或加溫的地方，在夏天還可以將室內的余熱轉移到低位熱源中，達到降溫或制冷的目的。地源熱泵不需要人工的冷熱源，可以取代鍋爐或市政管網等傳統的供暖方式和中央空調系統。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱,向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空調向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時，它還可供應生活用水，是一種有效地利用能源的方式。

2 地源熱泵系統簡介

2.1 地源熱泵的發展歷史

1912 年，瑞士Zoelly最早提出了“地熱源熱泵”的概念。1946年美國開始對地源熱泵進行系統研究，在俄勒岡州建成第一個地源熱泵系統，運行很成功，由此掀起了地源熱泵系統在美國的商用高潮。1985年美國安裝地源熱泵14 000臺，1997年則安裝了45 000臺，目前已安裝了400 000臺以上的地源熱泵，并且以每年10%的速度遞長。1998年美國商用建筑的地源熱泵空調系統已經占到空調保有量的19%以上，其中在新建筑里面占30%。在歐洲國家里更多的是利用淺層地熱資源，來供熱或者取暖。

早在20世紀50年代我國就已經開始空氣源熱泵方面的研究工作，而地源熱泵的發展比較緩慢。近年來，隨著能源和環境問題的日益突出，以可再生的地熱源為能源的地源熱泵引起了人們的重視。2000年以來，地源熱泵的開發利用在全國得到普遍推廣，每年以10～15%的速度增長。京津地區發展速度最快。據中國地質調查局的資料顯示，至2005年末，淺層地溫能應用面積約2 000萬m2。2005年以來，中國水源熱泵的應用明顯加快，由于這項技術比較成熟，在中國將進入大規模推廣應用階段。

2.2 地源熱泵系統的分類

地源熱泵系統包括3種不同的系統：以利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵，也有資料文獻稱為地下耦合熱泵系統或者叫地下熱交換器熱泵系統；以利用地下水為冷熱源的地下水熱泵系統；以利用地表水為冷熱源的地表水熱泵系統，見圖1。

圖1 地源熱泵的分類

2.3 地源熱泵系統的節能特性：

傳統的空調系統采用風冷換熱器或水冷換熱器，其換熱環境直接或間接為大氣，而大氣換熱不可避免地受到環境條件交換的影響。在夏季，當室外溫度達到40℃時，由于換熱效率降低，冷量將下降20%～40%；在冬季，當室溫下降到-10℃時，供熱量下降到15%～30%，而且要反復地沖霜來保證機組的運行。對于地源熱泵，換熱器是介質和大地地表淺層換熱，地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能，相當于人類每年利用熱量的500多倍。地能不受氣候、資源、地域、地質結構限制。其溫度大約為年平均氣溫，基本不受外界環境影響。由于地源溫度一年四季相對穩定，使地源熱泵機組運行更可靠、穩定、也保證了系統的高效性。

3 奧林匹克森林公園地源熱泵系統

3.1 項目簡介

奧林匹克森林公園園區有20個單體建筑物組成，每個建筑物都是獨立的，森林公園占地面積大，建筑物分散，小面積建筑數量比重較大，本工程地源熱泵空調系統主要由3部分構成：室內空調末端設備，熱泵機組主體，地下埋管換熱器。

奧林匹克森林公園建筑物地源熱泵利用淺層地溫能作為地源熱泵機組的冷熱源，以實現整個系統的夏季制冷和冬季供暖。工程項目主要包括：熱泵機房安裝工程和室外管網工程。

3.2 地源熱泵機房安裝工程（20個）

主要包括室外管線進入機房與室內管網的連接，機房內主機、循環泵、集分水器、控制柜、管道等設備的安裝。

1）地源熱泵機房設備安裝

機房設備安裝流程：如圖2。

圖2 機房設備安裝流程

在設備與基礎之間加裝減震裝置。機組的蒸發器進出口必須加裝橡膠軟連接，包括水冷機組的冷卻水進出水管。蒸發器的進出水管需加裝截止閥。在蒸發器、冷凝器的進水口必須安裝過濾器，以確保蒸發器、冷凝器的循環水不能含任何雜質，如金屬料體、焊渣、鋼絲等。安裝冷凍水循環泵管道時，需在蒸發器的進出口端安裝短路循環管，在短路循環管上需加截止閥，并作水路循環、除污后確認水質達到要求后，方可連接機器。調試前要求能夠保證供電，能保證機組全部啟動運行。在冷凍水循環管道上的最高點安裝自動排氣閥。在蒸發器出口端的水平管道上需安裝一個流量開關。在冷凍水循環管道上的最低點安裝排水閥。

2）地源熱泵機房內管道安裝

機房內管道施工安裝流程：如圖3。

圖3 機房管道安裝流程

機房內設備布置較多，其管道又大多為總管，口徑大數量多。因此在機房管道施工時，要根據管道系統工藝流程，理順管道走向，力爭使管道的空間布局合理，避免產生雜亂無章、相互交叉等現象。

機房大口徑成排管道的支吊架，應嚴格按設計詳圖的要求制作安裝。支吊架與結構的連接，應設置在建筑的梁、柱等處，盡可能采用預埋鋼板焊接連接，不宜使用膨脹螺栓（嚴禁膨脹螺栓朝天向上安裝）。如不得不使用膨脹螺栓固定，則應通過計算來確定所需膨脹螺栓的規格和數量。

機房管道安裝應遵循先總管、后支管，先大口徑管、后小口徑管的原則，與泵、冷水機組等設備的連接嚴禁強行對口，泵、冷水機組的進出口接管要安裝避震軟接頭。設備進出口的接管、配管前，還要詳細核對設備本體法蘭的規格，如該法蘭與標準法蘭不符，則應及時加工一片法蘭配對。

機房管道施工完畢后，一般應單獨進行壓力試驗，試壓合格后交付防腐和保溫施工。

3.3 地源熱泵室外管網工程

主要包括：室外換熱孔鉆鑿及驗收、管道試壓及驗收—管道下放及試壓驗收—管溝土方開挖鋪細沙—水平管敷設試壓及驗收—回填工程。換熱孔的設計及鉆探施工是整個工程的關鍵。本項目根據地源熱泵系統冷、熱負荷的需求量，需要擬鑿換熱孔921個，孔深總長度為76 110m，孔徑＞150m

森林公園地下埋管換熱器的施工為隱蔽工程，施工質量對后期地源熱泵的運行影響很大。按施工步驟劃分，可分為10個主要部分，其中每個關節都要抓住重點，控制到位。

1）鉆孔施工：

按圖紙設計，并根據現場情況放線，使鉆機就位，鉆頭直徑不小于152mm，核查孔位，鉆機水平度、鉆頭直徑，確認無誤后按施鉆要求開鉆。鉆進過程中，要求記錄員嚴格記錄起停鉆的時間、鉆桿長度，以及鉆進過程中的其它問題。達到要求深度后，報現場負責人查驗鉆孔深度和孔徑，在下管程序沒有準備好以前不能過早提起鉆具，并且必須保證泥漿循環。

2）垂直管管材準備：

HDPE換熱管運達現場后，已由廠家熔接好雙U型接頭，并已進行專業清洗打壓實驗，現場需查驗管材合格證、規格型號，抽檢管徑大小和長度，保證管材管件無損傷。按圖紙要求間隔現場安裝管卡，做現場第一次水壓試驗，自來水沖洗后注水排盡空氣進行打壓，試驗壓力1.0MPa，穩壓至少15min，穩壓后壓力降不應大于3%，確保無滲漏現象。

3）下管：

鉆孔達到設計深度后，開始組織下管，保持換熱管里注滿清水，將預制好的垂直U形管捆縛在鉆桿上均勻平穩下入，受阻時不可強行用力下頂，需查明原因并處理后再操作；下入后，留在地上部分管段不得小于2m。垂直管上刻度可作為下管深度的復核依據。

4）二次打壓試驗：

下管后，為確保垂直管完好無損，需進行二次壓力試驗，試驗壓力0.8MPa，帶壓觀測30min以上，無滲漏無破裂，壓力降不超過3%即為合格。壓力試驗完成后，每組雙U型換熱管的管頭上應立即封口。冬季施工過程中，由于氣溫低不適宜采用水壓試驗的情況下，可以先采用氣壓試驗，待天氣條件轉好后，補做水壓試驗。

5）垂直孔回填：

二次打壓成功后，可進行鉆孔回填，因孔深且直徑小，對回填要求高，為要嚴格控制填料的速度，沿孔壁四周均勻慢速回填，減少因回填過快而造成填料在孔內搭橋；嚴禁一次性將回填料堆積在孔口，以免造成回填堵塞；回填料需攪拌均勻，水量比適中，使填料呈流體狀，均勻下沉，避免填料在孔內形成搭橋，即使形成搭橋也可由于水的進入而沖開；回填要分階段間歇進行，逐漸填滿，確保回填密實。

6）第三次壓力試驗：

回填后，豎直地埋管換熱器與水平環路集管連接前，應進行再次壓力試驗，試驗壓力0.7MPa。在試驗壓力下，穩壓至少30min，保證無泄漏現象。

7）水平管連接：

現場使用的四、六通為保證質量，采取室內專人熔接，其他管線均在施工場地內熔接，溝內管道焊接和連接前必須清潔管腔，將焊接處擦凈，找平找直，擺放平穩踏實。確保管材管件不得有任何損傷。聚乙烯管材、管件以及管道附件的連接應采用熱熔連接（熱熔承插連接、熱熔鞍形連接）或機械連接（法蘭連接、鋼塑過渡連接），必須符合國家現行標準《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》CJJ101的有關規定。連接后與機房分集水器匯合。

8）第四次壓力試驗：

水平管與垂直管連接成功后，需進行壓力試驗，保證連接質量，試驗壓力為0.7MPa，穩壓至少2h，保證無泄漏現象。

9）水平溝回填：

先用細沙填實管底，同時回填管道兩側，然后用細土回填至管頂500mm處。若溝內有積水時，需全部排盡后，再行回填。管道兩側及管頂以上500mm以內的回填土，不得含有碎石、磚塊、垃圾等雜物，不得用凍土回填。回填土分層夯實，每層厚度為200～300mm，管道兩側及管頂500mm以上的回填土需人工夯實；當回填土超出管頂500mm時，可使用小型機械夯實，每層松土厚度應為250～400Mm。回填至距離地表800mm時必須鋪設專用警示帶。

10）管道系統打壓：

地埋管換熱系統全部安裝完畢，且沖洗、排氣及回填完成后，應進行水壓試驗，試驗壓力0.7MPa。在試驗壓力下，穩壓至少12h，穩定后壓力降不大于3%。

4 需要注意的問題

地源熱泵從開始研究到應用的過程中，雖然是環保、節能、先進的空調方式，但在奧林匹克森林公園施工過程中仍然發現存在一些需要注意的問題：

1）地質勘察資料的準確性

巖土層的特性對地埋管換熱器施工進度和初始投資均有很大影響，堅硬的巖土體將增加施工難度和初投資，而松軟巖土體的地質變形對地埋管換熱器也會產生不利影響。因此，前期勘察報告的準確性非常重要。

2）水文地質情況的詳細了解

利用地下換熱系統時，要了解地源熱泵系統設計的基礎資料。要在當地完成對工程所在地的井深、水溫、水量、水質等原始資料的采集，并保證這些資料的有效性和正確性，對這些資料進行分析研究。這是一項很重要的工作。

3）合理地配置整個系統

地源熱泵雖然是綠色的空調方式，但是沒有一套合理的系統，它的節能、環保的優勢就無法發揮出來。

4）地下換熱器的設計

地源熱泵系統的設計主要集中在系統地下部分的設計，包括冷熱負荷的確定，地下換熱器的選型、布置，室內空氣氣流的組織形式，熱泵的容量等，設計要注意對建筑負荷、回填材料、土壤地層特性等進行精確的勘測和分析。對于地下水熱泵系統、土壤源熱泵系統、地表水熱泵系統，都有不同的設計步驟和施工方法。

5）國產設備的質量問題

國內生產的地源熱泵產品的廠家很多，大部分的產品質量和性能堪憂。由于過去沒有水源熱泵的國家標準，所以各廠家的規格、參數不一。2002年12月6日全國制冷設備標準化委員會會議已審訂了《水源熱泵》國家標準，以后可以逐漸達到統一。不過，中國暖通空調界需要更多其他的相關的地源熱泵的國家標準或規范。

6）施工條件的保證

奧林匹克森林公園由于工期緊、任務急，必須進行冬季施工，為確保工程質量，必須采取一系列的保溫措施，如：以防凍液代替潔凈水、水平溝封閉作業、溝內采用各種加熱措施等。總體上認為，地源熱泵施工應控制在5℃以上進行。從經濟角度考慮，冬季氣溫較低，不適宜地源熱泵工程施工。

5 結論

2008 年奧運會對于中國來說是一種機遇也是一種挑戰，在“綠色奧運、人文奧運”的感召下，地源熱泵作為一種環保節能的空調方式，應該得到很好的應用，奧林匹克森林公園建筑物地源熱泵是一項標志性工程，在施工運行的同時應進行更為深入的研究，探索其關鍵性技術。國內地源熱泵機組的設計、安裝、運行、維護等各個方面還沒有成型的行業標準和規范，推廣應用還有待時日。但作為一門新技術，它為我們的國家的可持續發展帶來了契機，在不遠的將來，隨著國富民強，經濟實力的提高和生活水平的進步，研究和技術人員的努力，在中國一定有廣闊的市場前景。

[1]建筑工程施工質量驗收統一標準 GB50300-2001.

[2]地源熱泵系統工程技術規范 GB50366-2005.

[3]通風與空調工程施工及驗收規范 GB50243-2002.

[4]建筑給排水及采暖工程施工質量驗收規范 GB50242-2002.

[5]給水、排水管道工程施工及驗收規范 GB50268-97.

TU831

A

1674-6708（2010）24-0152-03

齊水艷，暖通工程師、館員，專業：土地管理與地籍測量，研究方向：節能環保工程的施工