新建醫院地源熱泵系統的施工工藝及優缺點分析

王炳智　楊星林　張海波

[摘要] 當前在全國各地綠色醫院建設的浪潮中，地源熱泵系統作為一種新型中央空調選型，逐漸在新醫院建設中得到應用與推廣。該研究結合新院區建設采用的地埋管地源熱泵系統，對中央空調主機的類型、地源熱泵系統含義、分類作了解析，特別是針對新醫院地源熱泵系統室外地源換熱管的鉆孔、下管、回填、連管做了詳細的施工工藝描述，最后全面總結了地源熱泵系統的優缺點。

[關鍵詞] 中央空調主機；地源熱泵系統；施工工藝；優點；缺點

[中圖分類號] R197 [文獻標識碼] A [文章編號] 1672-5654（2018）08（a）-0033-02

近年來，隨著人們生活水平的日益提高和國家醫改配套政策的執行，全國各地市新醫院建設可謂方興未艾，如何建設好一所綠色醫院成為當今醫院建設的主題。中央空調系統的能耗，一般占建筑總能耗的50%～70%[1]，可見中央空調系統主機運行模式的選取對大型醫院運行所需的能源消耗與后期成本維護等方面均起著至關重要的作用。

1 中央空調主機形式

中央空調主機形式分為水冷冷水機組（包括冰蓄冷系統、地源熱泵系統），直燃機機組形式（溴化鋰）；風冷熱泵冷（熱）水機組；多聯機系統和水環熱泵系統等4種形式，當前醫院主要采用第一種形式內的各種水冷機組。

2 綠色醫院與地源熱泵系統

2.1 綠色醫院的概念

綠色醫院是指在醫院的全壽命周期內（規劃、設計、建造、運行、維護和拆解等）對周圍環境的有害影響較小，對資源的需求相對較少，但是在節省資源（比如節地、節水、節能、節材等）的情況下并不減少醫院內部使用人員（包括病人、醫務人員以及訪客）的良好體驗，能夠達到這樣的目標的醫院可以稱之為綠色醫院[2]。依照我國現行《綠色醫院建筑評價標準》（GB/T51153-2015），對綠色醫院進行等級劃分，最高為5星級、最低為3星級。

濟寧市第一人民醫院西院區（以下簡稱新院區）規劃總建筑面積16.13萬m2，主要建設門急診樓、病房樓、保健樓、餐廳、制劑樓及配套用房。該項目從設計階段就參照綠色三星建筑標準規范，采取了一系列節能降耗的綠色措施，例如采用了BIM技術（建筑信息模型）、屋面太陽能、中水處理、雨水回收、地源熱泵等系統。

2.2 地源熱泵系統的概念

1912年瑞士專家首次提出地源熱泵系統的概念，1946年美國建成第一個地源熱泵系統，20世紀80年代后期，地源熱泵技術已經趨于成熟。

地源熱泵系統（ground-source heat pump system）是利用淺層地能進行供熱制冷的新型能源利用系統。地源熱泵系統通常是轉移地下土壤中熱量或者冷量到所需要的地方，還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力，冬季地源把熱量從地下土壤中轉移到建筑物內，夏季再把地下的冷量轉移到建筑物內，一個年度形成一個冷熱循環系統，實現節能減排的功能[3]。地源熱泵系統分室外地源換熱系統、地源熱泵主機系統和室內末端系統三部分。

從地熱能交換系統的角度，地源熱泵系統分為地下水地源熱泵系統、地表水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統。

3 地源熱泵系統的施工工藝

新院區采用地埋管式地源熱泵系統，室外地源換熱系統是指在建筑物周圍豎向打孔埋管布置地埋U型換熱器。新院區共設計換熱孔2000眼，每孔有效換熱深度為120 m（相對于地面高度為-3～-123 m），孔間距為4 m，孔直徑為140 mm，每6孔為一個最小回路單元；施工工藝大致分為鉆孔、下管、回填、連管等四個施工環節。

鉆孔：首先，會審施工圖紙，詳細了解打孔區域是否有地下管線、樁基和構筑物；其次，對鉆孔區域進行場地平整，測量放線，定位管孔，用木樁進行標記并編號，在附近挖泥漿池和泥漿溝；再次，鉆機進場后落位安裝，連接鉆機電源和水源，具備條件后進行試鉆。鉆機在操作過程中應注意鉆機的水平和鉆桿的垂直；最后，要控制好鉆孔的直徑和深度，鉆頭的大小決定孔的直徑，根據鉆桿的節數來計算鉆孔深度，鉆孔的直徑和深度均應滿足設計要求。根據現場施工經驗，一臺鉆機要配置3名工人，每天按工作10 h來計算的話，能完成4孔（120 m/孔）的工作量，施工現場應根據工作面大小及工期安排，合理配置鉆機的臺數。

下管：當鉆孔達到設計深度時，要及時撤出鉆桿，開始下PE管。首先，要做好PE管（含預制雙U型頭）進場驗收、沖洗、試壓、編號工作；其次，下管時要采用鉆桿輔助，不得用力壓制鉆桿下管；為防止地埋管U型頭在下管中受到機械損傷，在靠近U型頭部位連續安裝管卡，這樣即不損害PE管，也可避免U型頭直接受力；如出現下管困難時必須提管后再清孔（或擴孔）；再次，U型管必須帶壓下管，下管過程中應時刻注意壓力表刻度；發現泄壓后必須重新試壓，確保垂直的埋管完好無損；PE管保壓至灌漿后1 h；最后，將提前預制好長度（一般比孔深多2～3 m）的PE管垂直埋管敷設完畢后，用管帽對地面管進行封堵，避免泥沙進入管道。

回填：通過灌漿管將原漿回填（灌漿管通過管卡中間孔洞與垂直的埋管同時插入孔中到孔底），從孔底逐漸灌至孔口（灌漿管隨灌隨抽，直至抽出孔外）；嚴禁使用現場的混合泥漿（泥漿隨意排放的混合泥漿）回填；當上翻泥漿密度與灌漿密度一致時，灌漿完成；如采用人工回填原漿，必須多次回灌，每次回填時應隨時輕微搖動孔內PE管，確保原漿沉入底部；當原漿回填至孔口位置時，應清除孔口周圍的積水或泥漿，為其干燥收縮創造條件，并應補灌封孔。當孔內地下水較多時，原漿回填料應摻入膨潤土或粗砂。

連管：在連接之前要保證現場沒有多余的液體泥漿存在，多余泥漿可以外運或者自然晾干，水平連管管溝溝底應鋪填細砂，水平管敷設完后，其上應再鋪設一層細砂，然后回填原土并夯實。每一次連管完成之后都應該打壓一次，保證系統的密閉性。每6孔為一個最小組合單元連接到13通，13通匯集在二級分、集水器上（設置在室外檢查井），最后通過主管連接到一級分、集水器上（設置在空調主機機房），一級集水器通過循環水泵與6臺螺桿式地源熱泵冷熱水機組相連進行冷熱交換。從換熱孔到二級分、集水器采用聚乙烯塑料管連通，該管（不保溫）采取直埋的方式；二級分、集水器到一級分、集水器室內部分采用無縫鋼管（保溫）連接。為保證二級系統水力基本平衡，一級分、集水器的各支路設置靜態水力平衡閥；為彌補空調水損耗，還需設置定壓補水裝置。

此外，所有的鉆孔位置及其水平連管均在建筑物輪廓線的3 m以外，以防影響建筑物安全。

4 地源熱泵系統的優點

4.1 綠色環保、高效節能

①地源熱泵系統不直接消耗不可再生資源（煤、燃油或天然氣等），沒有任何排放污染；②地源熱泵將室內的熱量轉移到地下土壤中存放，從源頭上根除了空調系統對城市熱島的效應；③該系統的COP（制熱量/制冷量和所消耗的電功率之間的比值）值最高達到4以上，高效的一次能源利用率，是地源熱泵系統環保效果的最直接體現；④地源熱泵利用了地球表面淺層地熱資源（通常不大于400 m深），屬于可再生能源利用技術。

4.2 維護費用低、使用壽命長

①地源熱泵系統運動部件要比常規系統少，維護設備少，設備都在機房和檢查井內，也方便維護；②省去了冷卻塔、鍋爐房、室外機組和其他配套設備，節約了屋面空間，避免了不必要的初次投資和后期維護更換支出費用，同時也改善了院區特別是屋面的外部形象；③地源熱泵的地下埋管為聚乙烯管（PE管），而且深埋地下，很少受外力作用，壽命可達50年。

5 地源熱泵系統的缺點

地源熱泵系統也不是完美無瑕的，也有其缺點。①土壤熱不平衡的問題，中國南部以供冷為主，常年向地下注入熱量；而北方地區冬季供暖需求大，從土壤中大量吸熱，長此以往將導致土壤溫度失衡，系統效率降低，影響周圍生態；②打孔埋管必須有足夠的空間；③設計及運行中對全年冷熱平衡有較大要求，要做到夏季往地下排放的熱量與冬季從地下取用的熱量大體平衡，長期使用效果會變差；④室外打孔往往在新醫院建設初期，后期院區管網、綠化等配套工程施工時容易對原來預埋管和檢查井造成破壞，施工階段不容易被發現，往往院區道路、鋪裝或綠化完工后才發現，維修不方便而且增加了維修成本；第五，室外打孔會產生大量泥漿，在院區內不好堆放，外運又會給市政道路產生一定的污染隱患。

6 結語

地源熱泵系統作為一種環保節能的新型中央空調系統，總體來看，其優點遠遠大于缺點，在新建綠色醫院中逐漸得到應用與推廣。建設單位如想采用該系統作為主要空調冷熱源的話，在新院建設初期一定要做好該系統的前期論證工作，并不是所有的醫院都適合該系統。①不同地區的能源政策、能源價格對其影響；②一次性投資及運行費用不同地區也不同；③建設單位必須提前對擬打孔的地下土壤、水文等地質條件進行判斷，通過打實驗井采集實驗數據、模擬分析、科學計算等一系列論證工作后得出答案。

[參考文獻]

[1] 徐鵬程，顧平道.談國內外建筑節能研究現狀[J].山西建筑，2015（22）：184-185.

[2] 林花.從暖通空調談綠色醫院建筑的創建[J].中國醫院建筑與裝備，2016（4）：94-97.

[3] 趙風麗.地源熱泵技術發展現狀的研究[J].中國住宅設施.2017（1）：127-128.

[4] 康磊.地源熱泵與空氣源熱泵的對比淺析[J].環境與可持續發展，2017（3）：56.

[5] 賈永英.嚴寒地區太陽能-地源熱泵聯合系統的研究[J].建筑節能，2017（1）：77-78.

（收稿日期：2018-05-10）