分析建筑暖通工程中的地源熱泵技術(shù)的應用

薛迪迪 太原市熱力設(shè)計有限公司

1 前言

暖通系統(tǒng)兼具采暖、通風等多重功能，是提升建筑品質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)施。在現(xiàn)階段的暖通工程建設(shè)中，地源熱泵技術(shù)較為主流，在該項技術(shù)的應用中，將熱交換器埋置在地下，發(fā)揮出冷熱交換的作用，在該機制下有效優(yōu)化建筑內(nèi)部的居住環(huán)境。為提高地源熱泵技術(shù)的應用水平，需要加強技術(shù)探討，掌握原理以及應用方法，具體分析如下。

2 地源熱泵技術(shù)的應用原理

地源熱泵技術(shù)的基本思路在于發(fā)揮出地下淺層地熱資源的優(yōu)勢，動態(tài)調(diào)節(jié)建筑溫度，將建筑內(nèi)部的溫度穩(wěn)定在相對合理的區(qū)間內(nèi)。地源熱泵技術(shù)具有類似于空調(diào)的作用，可實現(xiàn)高溫熱源與低溫熱源的高效轉(zhuǎn)化，在調(diào)節(jié)機制的介入下，維持能量平衡的狀態(tài)，由此保證用戶的居住品質(zhì)。例如，建筑內(nèi)部溫度偏高時，則將熱能轉(zhuǎn)換至土壤中；反之，建筑內(nèi)部溫度偏低時，則提高溫度，直至達到人體舒適的溫度區(qū)間為止。

在地源熱泵技術(shù)的應用中，能夠借助熱泵將地下的冷熱量傳輸至建筑內(nèi)部，由此調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部的溫度。在夏季高溫時段，儲存建筑釋放的熱能，隨時間的推移；進入冬季則向建筑內(nèi)部提供熱量，以保證建筑內(nèi)部溫度的合理性。

根據(jù)淺層熱源形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)細分為多種類型，包括但不限于地下水源熱泵系統(tǒng)、土壤源熱泵系統(tǒng)等，各自均有特定的應用機理。其中，地下水源熱泵系統(tǒng)充分應用到地下水，將其視為冷、熱介質(zhì)，在此基礎(chǔ)上輔以少量的高位能源，以提高熱能的轉(zhuǎn)換效率，此系統(tǒng)通常采用的是較深水源，原因在于此類水源的溫度相對恒定，有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而滿足建筑對冷源（夏季）、熱源（冬季）的需求。

對于土壤源熱泵系統(tǒng)，其應用思路在于向地下埋設(shè)適量的換熱管，借助該裝置從土壤中吸收冷熱量，而后傳輸至熱泵機組內(nèi)，啟用制冷或制熱功能，完成熱量的轉(zhuǎn)換操作，最終向建筑提供特定的冷熱能量。

圖1 地源熱泵原理

3 常見地源熱泵技術(shù)及其應用特點

3.1 大地耦合式熱泵技術(shù)

于地下埋置換熱器（可根據(jù)具體情況采取合適的埋置方法，例如水平、垂直、蛇形埋管），將地表淺層土壤作為熱源，建立一條與大地冷熱交換的渠道。在硬件配置中，大地耦合熱泵的系統(tǒng)主機較為關(guān)鍵，其常見的形式主要有兩種，即水-水、水-氣熱泵機組。

大地耦合熱泵的優(yōu)勢在于：（1）達到一定深度的地下土壤所受外部環(huán)境的影響較小，溫度能夠維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，同時可延緩地表空氣溫度的波動，得益于穩(wěn)定性的特征，可以作為熱泵裝置的熱源，以促進裝置的穩(wěn)定運行。（2）將土壤作為熱源時，可以規(guī)避空氣污染異常嚴重的問題。（3）適配的大地耦合熱泵運行過程中有突出的節(jié)能化特色，無須風機回收熱量，同時無噪聲污染。（4）土壤存儲熱量的能力強，通過與太陽能裝置的聯(lián)合應用，提高制冷、制熱的水平。

3.2 地下水熱泵技術(shù)

以地下水熱泵機組為主要的裝置，充分應用到地下水（作為熱源），為建筑提供冷/熱水服務，同時有利于靈活調(diào)節(jié)建筑的溫度。

地下水熱泵技術(shù)的應用優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面：（1）地下水熱泵系統(tǒng)對現(xiàn)場空間的需求量較少，占用面積小。（2）大型的地下水熱泵系統(tǒng)建設(shè)成本較低，在配置得當?shù)那疤嵯拢淮苯ㄖH需一處地下水熱泵系統(tǒng)即可。（3）日常運維費用較低，可有效減小地下水回灌造成的影響（以免由于該現(xiàn)象的出現(xiàn)而導致地面沉降）。（4）在長期的探索下，地下水熱泵技術(shù)應用水平逐步提高，其理論基礎(chǔ)扎實，工程經(jīng)驗豐富，因此更具可行性。

3.3 地表水熱泵技術(shù)

溪流、池塘等處的水源作為熱源。相比于地下水，地表水的溫度變化幅度較大，可能會導致制冷制熱效率大幅下降，并且尤其是溫度較低的冬季，該問題更為明顯。因此，除了合理應用地表水熱泵系統(tǒng)外，必要時還可以根據(jù)實際需求雙聯(lián)熱泵采暖系統(tǒng)。

地下水熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：成本較低，檢維修工作量減少，有利于提高經(jīng)濟效益。能耗較低，契合于節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)代工程理念。現(xiàn)階段常見的地表水熱泵系統(tǒng)主要有兩種，即開路、閉路兩種形式，各自有其獨特的適用范圍。但對于寒冷地區(qū)，為了保證系統(tǒng)的正常運行，只能采用閉路系統(tǒng)，否則系統(tǒng)的管道以及其他的配套設(shè)備可能受損。

4 地源熱泵技術(shù)的應用優(yōu)勢

4.1 節(jié)能環(huán)保

相比于常規(guī)的建筑采暖技術(shù)，地源熱泵技術(shù)具有更為顯著的節(jié)能環(huán)保特性，此項技術(shù)充分應用到地表淺層的熱能，由此來調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)的溫度，以往能源浪費、環(huán)境受污染的問題得到有效的解決。

4.2 耐久可靠

地源熱泵技術(shù)的適配裝置較為簡單，并且各類裝置的穩(wěn)定性較好，可減少日常維護工作量，降低后期的維護成本。具體而言，地緣熱泵具有突出的耐久性，主要部件集中在室內(nèi)和地下，與外部環(huán)境保持隔絕，因此在防護得當?shù)那疤嵯拢灰壮霈F(xiàn)老化、受損等問題。通常，地上部件的使用壽命可達到30年，地下部件可延長至50年。

4.3 資源利用形式合理

地熱資源源自太陽能，而太陽能源源不斷，因此地熱資源具有可再生的特性，在合理的技術(shù)手段之下，地熱資源能夠持續(xù)性滿足建筑的暖通需求，隨之解決了建筑暖通系統(tǒng)運行受限于資源供應的問題。

5 建筑暖通工程中地源熱泵技術(shù)的具體應用要點

5.1 鉆孔

（1）鉆孔前，先全面勘查現(xiàn)場，根據(jù)地形、地質(zhì)等基礎(chǔ)條件，確定合適的鉆孔施工方案，保證鉆孔位置、數(shù)量、尺寸等方面的合理性。而后，安排技術(shù)交底，使全體施工人員均能夠明確施工目標，掌握具體的鉆孔作業(yè)方法。此外，組織測量放線，作為鉆孔的參照基準。（2）鉆孔時，嚴格控制鉆桿的姿態(tài)，要求其與地面始終保持垂直的位置關(guān)系，否則將產(chǎn)生斜孔。通常，鉆孔垂直方向、水平方向的最大誤差分別不超過0.5%、1%。（3）在兩相鄰鉆孔間修筑泥漿池，建立水循環(huán)流動路徑，以免水向周邊流動。（4）鉆孔過程中將產(chǎn)生土體，及時將此部分轉(zhuǎn)移至指定堆放場所，并妥善遮蓋，以免在降雨時出現(xiàn)土體被沖走的情況（此時易造成環(huán)境污染）。此外，鉆孔產(chǎn)生的土體臨時堆放在現(xiàn)場時，嚴格控制堆放量，否則荷載作用較強，易坍孔。（5）鉆孔時加強泥漿護壁，沿著孔壁灌注適量的泥漿，提高孔壁的強度，避免孔壁坍塌。（6）鉆孔時加強檢測與控制，除了孔位、孔深等基礎(chǔ)參數(shù)外，還需考慮到鉆孔作業(yè)現(xiàn)場其他管線的布置情況，有效規(guī)避，確保周邊的各類既有管線具有穩(wěn)定性。

5.2 地埋管施工

地埋管鉆孔時，需要密切關(guān)注周邊電纜管線的分布情況，合理規(guī)劃好鉆孔位置，采取有效的防護措施，以免因鉆孔施工而導致電纜管線受損。只有在采取有效的協(xié)調(diào)與防護措施后，才可以給鉆孔施工質(zhì)量和既有電纜管線的正常運行提供雙重保障。而后，再將地埋管敷設(shè)到位。

5.3 管道的組裝

（1）組裝管道前先確定所需的管材，將其堆放在平整的地面上，堆放高度不大于2m，否則會壓迫管材，導致管材變形。管件貯存時，需成箱放置在貨架上，堆碼高度不大于2m。HDPE管運送至現(xiàn)場后，以覆蓋彩條布的方式予以防護，禁止暴曬，否則管材易出現(xiàn)質(zhì)量問題。

（2）HDPE管連接的細節(jié)較多、精度要求高，在連接前需要先清理熱熔管頭，待該處保持潔凈后方可連接。管材切割時，根據(jù)管徑選擇合適的切割方法，常見有手工木工鋸、旋轉(zhuǎn)切刀兩種。

（3）HDPE管連接后，安排試壓，判斷管道的嚴密性，若無誤則進入埋管施工環(huán)節(jié)。而后，在井回填到位后進一步試壓，若無異常狀況，連接水平干管。此后，對所有管道做全面的試壓，滿足質(zhì)量要求后方可回填土。

圖2 HDPE管道敷設(shè)

（4）HDPE管道的管徑達到63mm及以上時，宜采用熱熔對接的連接方法，此時接頭的承拉、承壓性能均較為突出，可有效保證連接的嚴密性與穩(wěn)定性。熱熔對接的作業(yè)溫度控制在200℃～210℃，施工設(shè)備選用的是熱熔對接機，主要作業(yè)流程為：選取待連接的管材，將其放置在焊機的夾具上，而后將其夾緊，確保管材有足夠的穩(wěn)定性；對管材連接端做全面的清理，并銑削連接面；檢查待連接的管材，要求斷面錯位量不超過管壁厚度的10%；置入加熱板，用于加熱；待實際溫度滿足要求后，快速且精準地接合加熱面，并適當加大壓力（需要達到預先設(shè)定的熔接壓力），在此條件下保壓冷卻。

5.4 下管

鉆孔結(jié)束后，若孔位、孔徑等方面均滿足要求，則隨即下管，具體采用預制混凝土導頭下井施工法，參照鉆孔直徑，使預制導頭直徑略小于該值。借助導頭自重和HDPE管內(nèi)水的自重，使管道順暢下井，此方法在保證HDPE管下井效果的同時，還可有效防護HDPE管材，以免其在下放過程中因剮蹭或其他原因而出現(xiàn)變形、受損等問題。

為避免熱橋損失，需嚴格控制U型管的管間距，并保證同心度。HDPE管下放到位后，用合適尺寸的U型管對兩個端口做密封處理。

5.5 管道壓力試驗

為保證管道的使用效果，需要分階段安排管道壓力試驗，具體考慮以下幾方面：下管前做壓力試驗；水平管與垂直管熔接時，再次安排管道壓力試驗，用于判斷實際情況，若滿足要求則繼續(xù)施工，否則需處理；連接分區(qū)集、分水器后，再次安排管道壓力試驗，此階段試驗持續(xù)時間不短于24h；暖通工程施工結(jié)束后，還需安排一次管道壓力試驗，此階段持續(xù)時間不短于48h。經(jīng)過多次試驗后，逐層把控管道的施工質(zhì)量。

6 暖通工程中地源熱泵技術(shù)的應用注意事項

6.1 遵循因地制宜的原則，合理規(guī)劃

地源熱泵技術(shù)在調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部環(huán)境方面的應用優(yōu)勢突出，但在前期設(shè)計以及實際施工中，需要遵循因地制宜的原則，結(jié)合當?shù)貙嶋H情況合理優(yōu)化地源熱泵技術(shù)，提高可行性，發(fā)揮出該項技術(shù)的應用優(yōu)勢。例如，需要合理選擇地源熱泵系統(tǒng)，提高冷熱源的轉(zhuǎn)換水平。

并且地源熱泵技術(shù)在建筑暖通工程的應用中存在諸多干擾因素，易在外部環(huán)境的作用下影響應用效果，因此需要準確識別干擾因素，予以有效的防控。例如，在應用地源熱泵技術(shù)時需要充分考慮到現(xiàn)場的氣候特征以及其他自然條件，確定合適形式的地源熱泵，在優(yōu)質(zhì)硬件設(shè)施的配合下，實現(xiàn)冷熱能量的轉(zhuǎn)換與供應。還需結(jié)合實際情況科學計算，保證地源熱泵等相關(guān)裝置的各項運行參數(shù)均具有合理性。

6.2 合理選擇地源熱泵，提高可行性

隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，暖通工程施工水平有所提升，地源熱泵等相關(guān)硬件設(shè)施也更為豐富，為暖通工程施工提供了更多的選擇。也正是由于可選對象較多，在建筑暖通工程中容易出現(xiàn)誤選擇的情況，配套的地源熱泵與實際環(huán)境不符，從而影響該裝置的使用效果。因此，需要在設(shè)計階段便考慮到可行性、穩(wěn)定性、耐久性等方面的要求，經(jīng)過多層面的比選后，選擇合適的地源熱泵，再將其安裝到位。

7 結(jié)束語

綜上所述，在建筑工程的節(jié)能環(huán)保建設(shè)中，暖通空調(diào)屬于“重頭戲”，其中地源熱泵技術(shù)頗具代表性，合理應用該項技術(shù)后，可充分發(fā)揮出天然資源的優(yōu)勢，提高暖通空調(diào)的應用水平，保證建筑內(nèi)部溫度的合理性。在工程實踐中，則應從實際情況出發(fā)，判斷是否具備采用地源熱泵技術(shù)的條件，若現(xiàn)場條件良好，則合理優(yōu)化施工技術(shù)，在統(tǒng)籌規(guī)劃下，將管道選型、安裝、質(zhì)量檢驗等各項工作落實到位，保證地源熱泵技術(shù)的應用效果。