地源熱泵埋管系統應用設計與施工工藝探討
——記中鐵上海局研發樓改擴建項目

張葉華

（上海高新建設開發有限公司， 上海 200000）

地源熱泵埋管系統的設計與施工重點均在地下，埋管的管材與管徑也均需要在設計過程中決定[1]。但總的來說，現階段在地源熱泵埋管系統設計與施工過程中均面臨很大的困境，比如地埋管系統設計方法不完善、關鍵施工工藝不科學、系統需要地埋管埋管面積等。因此，對地源熱泵埋管系統應用設計與施工工藝進行深入的分析探討十分必要。

1 工程概況

中鐵上海局改擴建工程暖通空調工程位于上海寶山顧村機器人產業園區，總用地面積29955 平方米，其中代征用地面積1634.7 平方米，建設用地面積28320.3 平方米，總建筑面積為104048 平方米。項目地上建筑面積55620平方米，1 號工業研發樓建筑面積為47679 平方米，2 號工業研發樓建筑面積為7831 平方米，垃圾站110.00 平方米。其中1 號工業研發樓由兩幢高層主樓及相應裙房，通過連廊的有機組合構成一個建筑單體。高層主樓A 座為集團公司辦公樓，層數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9 層，最大建筑高度39.7 米；裙房為會議中心及辦公配套用房，層數3 層。2 號工業研發樓屬于職工公寓，位于基地東南角，建筑層數8 層，建筑高度33.3 米。垃圾站層數1 層，建筑高度6.6 米。地下部分滿堂設置兩層地下室，建筑面積48428 平方米，主要功能包括輔助配套功能（食堂）、研發用房、機動車庫、非機動車庫及附屬配套設備用房。

2 地源熱泵系統工作原理

地源熱泵系統是一種由雙管路水系統連接起建筑物中的所有地源熱泵機組而構成的封閉環路的空調系統，可以利用大地深處冬暖夏涼、溫度相對穩定的特點，通過地下埋管封閉循環水進行熱量交換，依靠消耗少量的電力驅動熱泵機組完成制冷或供熱循環，進而確保完成空調房間和土壤、地表水等的換熱[2]。具體來說，在冬季機組處于制熱模式時可以從土壤和水中吸取熱量，并通過壓縮機與熱交換器將熱量以較高的溫度釋放至室內。在夏季機組處于制冷模式時可以從土壤和水中提取冷量，利用壓縮機和熱交換器將大量的熱量并入室內，同時確保室內的熱量可以排放至土壤和水中，實現空調制冷目的。地源熱泵主要有地下水系統、地表水系統和地埋管系統三種形式，其中的地埋管系統是迄今應用最為廣泛的地源熱泵系統。

3 地源熱泵系統適用性分析

3.1 土壤條件

地源熱泵系統要想順利實施，適宜的土壤溫度是基本條件。本項目所處的土壤溫度為14-18℃，夏天時14-18℃的土壤溫度可以替代冷卻塔作為熱泵機組的冷卻系統，冬天時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 建筑冷熱負荷匹配度

土壤熱泵系統不適宜應用于高能耗建筑之中，這主要是因為土壤源熱泵系統比常規的熱泵機組增加了土壤換熱器，每1KW 冷量造價大約需要增加1000 元左右。本項目整體建筑屬于使用穩定、負荷波動小的中等規模建筑，其對潔凈要求和較低空調設定溫度要求合理，實用性和經濟性突出。

4 施工工藝流程設計

地源熱泵系統施工工藝流程為：施工準備→工程鉆孔→地埋立管施工→灌漿→地埋橫管施工→回填→系統清洗。

5 施工要點分析

5.1 地埋管平面布置分析

待確定地源熱泵系統后需要重點對地埋管平面布置進行設計，就現階段地埋管換熱器傳熱模型使用情況來說，其中以Kelvin 線熱源理論為基礎的IGSHPA 模型方法較為常用，可以根據年最冷月和最熱月負荷以及由能量分析的BIN 方法計算出的熱泵機組季節性能系數為依據來確定地埋管換熱器的具體尺寸。而后依據IGSHPA 模型，可以針對常用的井聯U 型換熱器重點解決以下問題：

①按照本項目建筑的具體特點和條件，計算出建筑的峰值負荷，并同時計算熱泵機組的制冷量Qc 與制熱量Qh；

②依據已經求出的Qc 和Qh，并結合建筑供冷/供熱的參數要求及機組性能，具體確定出熱泵機組的規格型號，在查出機組制冷制熱時流體出機組蒸發器/冷凝器的低限/高限溫度即地埋管換熱器側的循環液體進入地埋管換熱器的最低/最高溫度，以及熱泵機組制冷/制熱性能系數COPc 和COPh；

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

④依據地埋管換熱器的換熱負荷和傳熱換熱模型，分別求出對應不同的埋管管徑、管內流速、埋深、管距時，所需埋管的數量和相應的進出水溫度，并確定最終的制冷制熱組合。

5.2 基坑鉆孔埋管

鑒于本項目現場埋管空地面積不足，所以必須采用基坑鉆孔埋管方式，根據本項目工期與特點，在設計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，再進行橫管施工。此施工方案的優勢在于對坑底的土層擾動影響較小，坑底的暴露時間也大大縮短。同時也有一定的局限性，比如基坑開挖時較易破壞豎管，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），建筑物樁基沉樁結束后，基坑在開挖時地埋管隨后跟進施工，墊層再跟進地埋管施工。此施工方案的優勢在于地埋管施工難度會大大降低，但對坑底土層擾動影響較大，坑底暴露時間較長，同時對土建施工影響周期較長，加大坑內余土與泥漿清理難度；

③采用預留施工法開展施工，需要澆二次墊層，在第一次澆墊層時，需對地埋管施工位置進行預留（常用的方案是預留寬約60cm～80cm 的橫溝），待橫管施工完畢后進行二次澆墊層。此施工方案的優勢在于對坑底土層的擾動影響較小，施工難度較小。局限性在于需增加相應二次墊層的土建成本，對土建施工影響周期相對較短；

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。此施工方案的優勢在于不會對坑底土層產生擾動影響，地埋管施工難度也很小，施工周期短，但會相應的增加二次墊層的土建成本。經過分析決定，如果后期基坑內部設計有反梁時則可以采用第四種方案，如果沒有設置反梁則可以采用第三種方案，但需要注意的一點是，無論采取何種施工方案，為了有效減免豎管施工對樁基承載力的影響，必須在沉樁結束四周后（至少要等到樁邊土的預應力完全釋放后）方可施工。

5.3 孔井回填

基于本項目采用基坑鉆孔，因而孔井回填屬于施工重點，為了避免對換熱效果和土建結構產生影響，本項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（也可根據業主要求摻入一定比例的黃沙）。

兩種施工方案均有其優勢和局限性。考慮到水泥及膨潤土混合物回填不會對樁基承載力產生較大影響，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，但鑒于本項目工程位于基坑內，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“三試壓”

水壓試驗是對工程質量的檢驗，在保證和提升施工質量中尤為關鍵。總的來說，在開展水壓試驗時需要堅持以下幾點原則：①在條件允許的情況下，試驗壓力≤0.8MPa 時的管道系統可以放在同一個試壓包內開展；②試驗壓力以高點壓力表讀數為準，氣壓以現場壓力表讀數為準，并在現場做好相關記錄；③水壓試驗時的環境溫度不得低于5℃，若環境溫度低于5℃，則應該采取防凍措施；④待試驗合格后及時泄壓排水，避免因溫度過高而導致管道系統超壓。本項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測試。

①第一次試壓試驗選擇在U 型管下管前，試驗壓力應為工作壓力的1.5倍，且不應小于0.6MPa。穩壓1 小時觀察壓力降，確保穩壓后壓力降不大于3%且沒有出現滲漏現象，方可下管，并保證是帶壓下管，防止下管過程中U型管破損，一旦壓力表示數出現較大變化，須重新焊制U 型管，重新試壓下管，確保每個U 型管路不滲漏；

②第二次水壓試驗選擇在水平管與U 型管連接前，待水平管試壓合格后方可與U 型管連接，試驗壓力最小應為工作壓力的1.5 倍，且不應小于0.6MPa。穩壓1 小時觀察壓力降，確定穩壓后壓力降不大于3%且沒有出現滲漏現象，開展下一步施工；

③第三次水壓試驗選擇在水平管與U 型管連接完畢后，試驗壓力至少應為工作壓力的1.5 倍，且不應小于0.6MPa。至少穩壓1 小時，穩壓后壓力降不大于3%，且無泄漏現象認為合格，試壓合格后可進行埋管。

6 系統調試與深化設計

6.1 水力失調

水力失調屬于一種常見施工現象，主要是因為水力失衡而引起，分為靜態與動態兩種類型[4]。靜態水力失調是水系統固有的，是因為管路系統特性阻力系數的實際值偏離了設計值而導致的。動態水力失衡不是水系統自身固有的，是在系統運行過程中產生的，主要是因為某些末端設備閥門開度改變而引起。

6.2 設計深化

對于水力失調問題，本項目提出了兩種解決方式。第一種是設置動態和靜態平衡閥門，異程式空調水系統中并聯環路的壓力損失計算差額大于15%，可以通過合理設置及調節平衡閥來克服水力失調。第二種是水系統采用同程式設計，室外地埋管管路設計、施工必須采用同程式，室內末端水系統設計施工建議采用水平式同程。

7 結論

隨著綠色節能理念的愈發深入，地源熱泵地埋管換熱系統的使用范圍越來越廣。在設計和施工過程中需要給予基坑鉆孔施工、孔井回填、管路連環三試壓及系統水力平衡充分的重視，有針對性的解決出現的問題，以此提升施工效率與質量，推動地源熱泵地埋管換熱系統更好發展。