地源熱泵系統(tǒng)在建筑工程中的安裝技術研究

羅新立

（中鐵五局集團建筑工程有限責任公司，貴州 貴陽 550000）

伴隨著我國整體經(jīng)濟發(fā)展水平的快速提升，環(huán)保問題逐漸成為現(xiàn)代發(fā)展進程中一大阻礙性因素，各國紛紛追求對資源的高效和重復開發(fā)利用。地源熱泵系統(tǒng)作為集地熱能交換系統(tǒng)、水源熱泵機組以及建筑物系統(tǒng)于一體的供熱空調系統(tǒng)，從起步到發(fā)展僅用了十幾年時間。當前階段，我國地源熱泵系統(tǒng)通過大量應用實踐，基本已形成一整套覆蓋系統(tǒng)設計、材料供應、設備生產(chǎn)、工程安裝等多個環(huán)節(jié)的產(chǎn)業(yè)鏈。盡管我國在地源熱泵市場規(guī)模方面整體處于增長趨勢，且較世界同期平均發(fā)展速度呈現(xiàn)超出跡象，但仍需直面地源熱泵行業(yè)發(fā)展過程中的缺陷與不足，通過與實際情況的有效結合，確保地源熱泵行業(yè)未來發(fā)展的健康性與穩(wěn)定性。

1 地源熱泵工作原理及分類

1.1 工作原理

相較于西方發(fā)達國家，我國地源熱泵的開發(fā)與利用整體較晚，具體可追溯至20世紀末，并迅速在全國范圍內普及。從系統(tǒng)原理角度來看，地源熱泵主要是通過對水源熱泵這一形式的有效利用，以水能和地能等為介質展開冷熱交換，冬季“取”出地能中的熱量，起到對室內的有效供給，被稱為“熱源”；夏季將室內熱量取出，在地下水、地表水以及土壤中進行釋放，也就是“冷源”。而從系統(tǒng)結構來看，地源熱泵系統(tǒng)主要分為三個部分，即地源熱泵機組、室內采暖空調末端系統(tǒng)及室內地熱能換熱系統(tǒng)。

地源熱泵主要包括水—水式或水—空氣式兩種形式。三個系統(tǒng)在傳遞熱量時，主要以水或空氣換熱為主要依據(jù)，而水源熱泵與地能以及建筑采暖空調末端換熱的主要介質主要有兩種，一種是水，另一種是空氣。

1.2 地源熱泵的分類

按照室外換熱方式，可將地源熱泵系統(tǒng)分為三類：地下水系統(tǒng)、土壤埋管系統(tǒng)以及地表水系統(tǒng)。而通過對循環(huán)水密閉性進行分析，又可將地源分為閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)兩種。閉環(huán)系統(tǒng)的主要運行方式有地表水安置換熱器方式和埋盤管方式兩種；開環(huán)系統(tǒng)的主要方式為地表水和抽取地下水，另外一種為直接膨脹式，該方式直接在地下進行換熱，將換熱器直接埋入地下。

2 地源熱泵中央空調系統(tǒng)在建筑工程中的應用特點

2.1 可再生性

地源熱泵系統(tǒng)中的冷熱源主要來自地球表面淺層地熱資源，是一種通過能量的有效轉化從而形成有效供暖。地下水、河流、地表土壤、湖泊等均屬于地表淺層地熱資源，其蘊藏了大量地熱能、太陽能等低溫位熱能，總體來說均為一種地能資源。某種程度上，可以將地表淺層視為一種太陽能集熱器，可對太陽所散發(fā)的能量進行收集，是人類年平均能量利用的500倍左右。除資源及地域等條件的限制之外，地源熱泵中央空調系統(tǒng)還具有十分顯著的特點，如量大、面廣等。在某種程度上與可再生資源相似，可確保地能成為一種清潔度高的可再生能源形式。

2.2 節(jié)能性

地表淺層或地能資源常年穩(wěn)定在相對可靠的溫度，進入冬季后溫度比環(huán)境空氣溫度相對較高，夏季則相反。該資源在環(huán)境溫度中的特性，使地源熱泵在運行效率方面超出傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的40%，相對減少了對成本費用的浪費，費用節(jié)省率達到40%左右。除此之外，地能的恒溫特性，為地泵機組運行的可靠性與穩(wěn)定性提供了保障，且在一定程度上使系統(tǒng)可以更加高效和經(jīng)濟地運行。

2.3 環(huán)境效益性

與空氣源熱泵系統(tǒng)的污染物排放量相比，地源熱泵系統(tǒng)則有所改善，具體降低規(guī)模可達40%左右，與電供暖系統(tǒng)相比，大約可降低70%的污染物，若結合其他節(jié)能技術和措施，將取得更加顯著的節(jié)能減排效果。目前，制冷劑在部分系統(tǒng)中的應用逐漸頻繁，但與常規(guī)空調裝置相較而言，在沖灌量上有所減少，整體降低率大約為25%，屬自含式系統(tǒng)，主要指在工廠車間內事先將該裝置進行密封處理，最大限度地減少制冷劑泄漏的可能性。根據(jù)對相關數(shù)據(jù)資料信息的初步預算和推測，若安裝40萬臺地源熱泵，其氣體排放量約為60萬t，相較于化石能源而言有所降低。與此同時，各空間的熱泵空調安裝有單獨的能量分配器，可對溫度進行自主調節(jié)。

2.4 易維護性

地源熱泵系統(tǒng)在實際建筑工程中的有效應用，可避免建筑物后期在維護和保養(yǎng)方面的成本投入。一般情況下，鍋爐供熱系統(tǒng)對電能或燃料的轉化只能達到70%～90%，故與電鍋爐加熱系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)電能力更為顯著，且穩(wěn)定性相對良好，基本維持在10～25℃，3.5～4.4為其具體的制冷系數(shù)和制熱系數(shù)，是常規(guī)空調運行費用的1/2左右。地源熱泵中的機械運動部件相對較少，部件可在地下進行潛埋，同樣也可在室內進行安裝，并且可有效抵御建筑空間以外的極端惡劣天氣。其地上和地下部件在有效年限方面有所區(qū)別，分別為50年和30年，由此可見，地源熱泵系統(tǒng)對后期維護的要求相對較低，省去了大量的維護工作。

3 地源熱泵室外地埋管系統(tǒng)安裝

3.1 鉆孔

在直埋式地源熱泵實際施工過程中，需借助具體的鉆機設備，并且對鉆機深度有著較為明確的要求。通常需達到150～200m的深度，結合工程實際情況將鉆頭直徑控制在100～150mm。但受鉆孔深度較淺等因素的影響，在鉆進方法上一般主要以常規(guī)循環(huán)鉆進方法為主。目前，國內普通工程常用鉆機主要包括工程勘察鉆機、巖心鉆機兩種。在完成鉆孔施工后需確保整個孔壁的完整性與平滑性。如果施工區(qū)地層土質質量相對較高，在鉆進方式上可采用裸孔方式進行鉆進；若鉆進地段為砂層地質條件，且孔壁極其容易發(fā)生坍塌，則需下套管。在實際鉆進過程中，泥漿密度一般需控制在1125g/cm3，從而形成相對穩(wěn)定的孔壁，并降低泥漿濃度。在后期成孔過程中，最后上返的泥漿密度應升高至1108g/cm3，且泥漿中基本不含砂粒。

3.2 U型管的制備

以預先設計好的接管方案作為參考條件，制備相應的PVC型管，完成U型管彎接頭的熔接作業(yè)，有效熔接接頭。在場地內展開U管，順利進入地下空洞，并進行防凍液的有效注入。注入防凍液的主要目的是提高U型管的整體質量，便于后期下管，并起到良好的傳熱作用。在對防凍液密封性進行全面檢查，在檢查確定無嚴重的泄漏現(xiàn)象后，在PVC管的U型接頭處進行捆綁配種。通常情況下，配種材料以8～15mm的鋼筋為主，結合所下PVC管的根數(shù)，對配筋數(shù)量進行有效確定，一般3根PVC管配1根鋼筋，5根PVC管則配2根筋。

3.3 下U型管

在建筑工程地源熱泵系統(tǒng)安裝施工中，最為關鍵的環(huán)節(jié)就是下放U型管，因為采取熱量的總量取決于U型管的下放深度，故需確保U型管下放深度的精確性。依據(jù)熱交換原理，對U型管的下放深度進行確定，相關計算應以下管長度為依據(jù)。通常情況下，下U型管的方法主要以人力下管為主，其優(yōu)勢在于可對U型管的完好程度進行有效判斷，并且可將人力完全深入地下空洞。在具體施工過程中，受孔內復雜性情況的影響，U型管下放過程中可能受到來自孔壁摩擦阻力的影響，針對這種情況，可將粗麻繩直接套在PVC管上，通過加力杠桿作用于粗麻繩上，為U型管下放提供便利。

3.4 灌注

注漿主要是為了有效填充U型管和鉆孔孔壁之間的空隙，促使其傳熱性能的有效發(fā)揮。通常，選用熱阻抗較小的填充材料，有助于提升系統(tǒng)整體的運行效率。目前國外主要是將鉆孔內所取出的巖土體進行回填，但在具體操作上難度較大，因此，在具體灌注過程中主要選用特殊物質制成的材料。此外，在實際注漿過程中，還應確保注漿的連續(xù)性，避免對系統(tǒng)傳熱效果以及工程質量的直接影響。

4 地源熱泵系統(tǒng)在建筑工程中應用的兩點建議

4.1 加強行業(yè)政策的有效引導作用

當?shù)叵嚓P政府部門應充分發(fā)揮帶頭作用，創(chuàng)新性地將地源熱泵系統(tǒng)引入政府所承建的相關工程項目中，通過技術帶頭應用形成良好的推廣。其次，進一步加大對地源熱泵系統(tǒng)的宣傳與普及，促使消費者以及相關開發(fā)商更加全面、系統(tǒng)地認識和了解地源熱泵技術，引導其樹立正確的環(huán)保意識、節(jié)能意識以及低碳消費意識。

4.2 加大法律法規(guī)執(zhí)行力度

在地源熱泵技術實際推廣過程中，應充分發(fā)揮當?shù)卣苤谱饔茫ㄟ^各種法律法規(guī)的有效制定與完善，促使管理作用的全面發(fā)揮。從本質角度來看，政府管制主要指通過創(chuàng)新性地使用可再生能源建筑，加快完成對相關節(jié)能指標以及污染指標的有效制定，提高建筑工程在實際開展環(huán)節(jié)的各項要求，鼓勵和支持開發(fā)商在建筑工程設計過程中引入節(jié)能環(huán)保理念和技術。與此同時，應進一步加大執(zhí)法力度，通過政府執(zhí)法來保證地源熱泵中央空調系統(tǒng)在建筑中的應用推廣，針對存在與標準不符的問題，要承擔相應的責任。

5 結束語

綜上所述，地源熱泵工程中所呈現(xiàn)出的一系列問題，反映了其在實際安裝過程中科學性和規(guī)范性的極度匱乏，且隨著科技的不斷進步與完善，建筑工程地源熱泵的安裝與施工中涌現(xiàn)出一大批新技術、新材料、新工藝。地源熱泵技術在建筑暖通工程中的合理應用，不但能夠有效降低工程整體的能源消耗，還能削弱建筑的實際消耗，在建筑節(jié)能方面發(fā)揮積極的作用。此外，在實際工程應用中，還應嚴格控制地源熱泵裝置的安裝質量，確保地源熱泵的運行更加安全、穩(wěn)定，從而全面發(fā)揮系統(tǒng)的實際節(jié)能作用。