基于BIM 技術的地源熱泵系統施工圖深化設計與施工

解敏杰

（山西二建集團有限公司，山西太原 030000）

1 地源熱泵系統

隨著能源的逐漸消耗，類型窯洞的巢穴形式又重新回到人們的視野，在我國黃土高原上的窯洞的形式，是利用窯洞的土質所特有的物理性質，在夏天利用大地本身的儲冷作用，在冬天利用大地的儲熱作用，從而達到冬暖夏涼。在某種程度上，窯洞可以稱之為真正的綠色建筑。

和窯洞類似，地源熱泵系統也是充分利用了大地的能量，通過地源熱泵系統深埋在地下的換熱管道里的傳遞介質，夏天將儲存在大地中的冷量提取出來，和建筑物中的熱量進行交換，并將熱量儲存到大地中。冬天則把夏天儲存的熱量提取出來，并將冷量儲存到大地中，周而復始，源源不斷。是完全綠色的一種空調形式。

地源熱泵雖有以上的優點，但同時也有不可修復性，施工時候的問題如果沒有及時發現，在運行時候進行修復是不可能的。

2 必要性

而在地源熱泵工程施工中，室外條件復雜多變，前期土壤勘察不全面，施工時需要因地制宜的情況下，在不違背原設計理念的前提下，結合BIM 技術進行地源熱泵系統的室外埋管及空調機房、蓄能池、泵房的優化設計，使其能夠滿足建設單位的需求和不斷變化的施工現場需求；同時，在滿足使用功能的前提下，通過深化設計減少施工成本。

同時，地源熱泵項目因為其特殊性，業主對專業分包單位能提供的技術服務需求不僅限于按圖施工，圖紙的深化設計能力成為招標要約的條件漸成慣例，因為原設計圖紙在是施工過程中很難滿足施工要求，在地源熱泵系統的室外埋管及冷凍機房，蓄能池，泵房施工時往往需要因地制宜，針對現場條件實時對原設計圖紙進行優化，使其在現實的條件下完美滿足功能要求。地源熱泵施工在滿足施工設計的規定下進行優化，不僅要達到設計的要求，同時還要滿足業主對工程的最終投資目標及過程控制的需求。

設計人員在進行地源熱泵系統圖紙設計時，不會花太多時間關心布局與成本，主要考慮的是系統的功能、美觀等功效。同時，在熱泵機房進行設計時，因為設備未選型，此時的初步設計只是示意性的給出管線布置，根本無法進行真實有效的機房內部管線設計。而施工單位節約的每一分錢都是成本，將原設計圖紙繼進行深化設計，使其布局更加合理，管件加工更精確，功效更加完善還有很多的進步空間，也有著強烈的必要性。

3 優化流程

地源熱泵深化設計必須依照建設單位提供的由設計院設計的暖通施工圖紙進行。其優化流程主要包括以下幾個方面：

3.1 巖土熱響應測試

地埋管換熱器每單位孔深的換熱量一般為40～70W/m，波動范圍較大，為規避設計風險，設計人員一般都會取最不利工況70W/m 設計，考慮最大的富余量，由此造成地埋管換熱器總長度設計過大，引起材料費和安裝費用過高，造成浪費。我單位在優化時，首先選擇在施工現場的典型位置打10 個測試孔，取得原始土壤熱物性資料。通過鉆探測試孔，用專業儀器可以計算出豎埋孔每延米的實際換熱量，將數據輸入到計算機，對全年冷熱負荷進行模擬，再適當考慮管群相互直接影響，確定地埋管換熱器的總長度，相對于不鉆探測試孔進行熱物性測試而直接按照最不利工況設計地下換熱器，根據測試結果不同，精確巖土熱物性測試后，優化設計的地下換熱器總長度能夠減少20%～40%不等，可以說根據巖土熱物性測試孔結果對地埋管換熱器數量與長度進行修正是優化設計的關鍵，如圖1 所示。

3.2 基本參數復核

圖1 巖土熱響應測試

對熱泵系統進行冷熱平衡復核，計算全年的總冷量與總熱量，比值是否符合規范要求。對設計時選用的基本的數據重新進行檢查，沖洗復合，如地埋管的流量、系統流程、管道的流速、水泵揚程、水箱容積、容量、末端熱量、房間換氣次數等；對機房內重要的設備參數進行復核，如軟水箱的容積、分集水器的位置、環路集管最不利點的風量、風壓、水壓平衡、熱泵機組配電柜所有出線容量分配及電纜規格的核對等；經過對原施工圖紙的掌握及復核各參數，在不違反基本使用功能的情況下，對各個專業進行綜合整合設計，提出安裝的條件和配合要求。

4 BIM 模型建立

（1）由有豐富現場經驗且BIM 軟件應用熟練的多名不同專業人員成立BIM 工作小組，將室外場地形狀及坡度，場地內已有建筑和預規劃建筑物的占地面積及其分布，場地內樹木植被、排水溝及室外電纜的分布，場地內已有的、規劃修建的其他專業地下管線和地下構筑物的分布及埋深建立詳細的BIM 模型，以便確定室外地源換熱井的準確位置，室外水平集管的準確敷設位置，室外分集水器的準確位置。

（2）機房管線與末端風管水管優化。

用BIM 技術對機房管線與末端風管水管進行管綜深化設計，與結構專業配合進行承重墻的預留洞設計，建立穿結構構件的留洞。在空調機房主管線進行深化設計后，在BIM 模型中還需建立綜合支吊架的BIM 模型。

地源熱泵系統往往管徑龐大、數量繁多、走向復雜、管線堆疊、碰撞點多，我們在其中一個項目的施工中以據原圖建模后統計共有碰撞5708 處。通過分析，如若僅應用傳統的CAD 二維疊圖方法，利用各專業原則性相對位置確定法，只可解決約1000處碰撞問題，且這些解決到的碰撞點均是安裝空間充裕很容易調整的地方，而管線錯綜復雜地方根本無法解決。通過BIM 技術的應用，在三維可視化環境下對機房管線根據系統進行建模，通過軟件可以檢測出所有碰撞點并將其解決。對比之下，約有2700次返工被提前避免。

圖2 管線綜合剖面

（3）施工。

將深化設計后的綜合圖紙經過業主審核再經原設計單位批準后，繪制詳細的最符合現場條件的施工圖紙，經過技術交底后交與班組進行施工，項目部施工員對勞務隊進行BIM 電腦示范，重點復雜部位用BIM 技術進行動畫交底，詳細解說安裝細節。安裝后由施工員進行現場參數復核，確保安裝數據與交底圖紙一致。同時，在施工時采用物聯網系統中掃描所貼標簽的方式迅速了解敷設進度，現場管理人員只需定時掃描就可以上報進度，減少各個作業面間的往返，也減少了管理人員的數量。施工人員的考核和現場管理均可采用同樣的技術降低了管理費用，提高了經濟效益。降低了地源熱泵工程施工成本支出，降低了建設項目的投資。施工完畢后繪制竣工圖，同時將BIM 數據庫移交甲方，配合后續運行與維護。

圖3 BIM 模型

圖4 實際施工安裝照片

（4）運行。

基于BIM 的記錄模型，同時使用地源熱泵機房自動化管理系統和地溫監控系統，進行運行監測和維護，設備資產管理，進一步挖掘BIM 技術的管理潛力，降低整個地源熱泵系統的技術管理難度，提高BIM 技術的使用價值，降低日常運行中的成本，在實際應用中節約建設和運行成本5%。