土壤與建筑基礎復合埋設管網的地源熱泵系統綜合建造關鍵技術研究

蔣水青 盧 驁 戴 力 王 震 張 揚

目前，全球傳統能源匱乏日益嚴重。在能源危機面前，各國的能源政策都是以開發并利用新能源為主，大力推廣地源熱泵技術對于我國新能源的開發與利用有著重要意義[1]。與傳統熱泵相比，利用地源熱泵能夠節約40%的能源[2]。地源熱泵技術是通過表層土壤、地下水、地表水等吸收淺層地溫能為熱源的新技術，從節能減排方面來看，采用地源熱泵技術可以實現節能環保、促進可持續發展的目的[3]。

地源熱泵實施面臨以下兩個問題：一是系統初始投資高，需要開挖大量地埋井，且地源熱泵機組與空調系統接口處的設計、安裝難度高，需要定期維護、專業性強；二是地埋管需要在建筑物周邊占用一大片場地布置熱泵井，場地可重復利用程度有限[4]。針對當前存在的問題，本文開展土壤與建筑基礎復合埋設管網的地源熱泵系統綜合建造關鍵技術研究。

1 地源熱泵系統概述

目前，地源熱泵主要應用于大型廠房、公共建筑設施，用于民用建筑的實例較少。以“世界計算·長沙智谷”項目為例，該項目為裙樓與塔樓結合的公民建筑，擬采用復合埋管地源熱泵與多聯機中央空調相結合的方式，提高建筑節能水平。通過研究該項目，對于復合埋管地源熱泵技術的推廣和應用具有重要的意義[5]。地源熱泵施工所采用的施工工藝將直接影響其施工質量，并對整個地源熱泵系統的正常使用產生一定的影響。地源熱泵管道施工技術是目前比較先進的一種施工技術，有必要將其應用在地下水源熱泵施工中[6]。受到其技術性能的影響，地源熱泵技術的推廣受到限制。目前，該項技術在歐美國家已廣泛應用。

土壤與建筑基礎復合埋設管網的地源熱泵系統具有以下5 個特點。第一，與其他地源熱泵系統相比，土壤與建筑基礎復合埋設管網的地源熱泵系統投資少，占地面積少，施工進度快，且運行狀況相對平穩。第二，地源熱泵在能源消耗方面比電熱、燃氣爐、空調等制冷或采暖設備消耗更小，能源利用率更高。一般而言，地源熱泵耗能為1 kW·h，而使用者可獲得的熱能或制冷量則在4 kW·h以上。第三，土壤與建筑基礎復合埋設管網的地源熱泵系統不會占用除建筑物以外的土地面積，能夠大量節省地下空間。第四，大大節省埋管和鉆孔帶來的額外成本支出，對于加快工程施工進度具有重要的促進作用。第五，此類型地源熱泵系統所采用的回填材料為混凝土，這種材料具有極強的導熱性能，能夠帶來更加理想的換熱效果。

2 復合埋設地源熱泵管網的注意事項

目前，我國對大型群體建筑樁筏基礎地源熱泵直埋管施工關鍵技術的研究較少，因此在進行大型群體建筑樁筏基礎地源熱泵直埋管施工設計時，容易存在預瞻性不足的問題。例如，如果沒有合理利用大型群體建筑樁筏基礎地源熱泵直埋管施工關鍵技術，會嚴重污染地下水[7]。復合埋設地源熱泵管網不宜應用在施工密度高、地質條件差的地區，由于我國地質條件復雜，只能通過地質勘探來判斷能否使用此項技術，故存在一定的風險，無法大范圍應用該技術[8]。在具體施工中，這種施工方式的創新性體現在：地埋井位置設計在地下室筏板下，地埋井與抗浮錨桿合并設計、施工，部分地埋管設置在樁基中，水平管設計在筏板內與筏板基礎同步施工。

3 地源熱泵管網系統地埋管綜合施工技術

3.1 工程概述

本文所選工程“世界計算·長沙智谷”項目建筑面積為273 萬m2，其中，算力中心占地面積為4200 m2。辦公區域夏季設計冷負荷為18.5 MW，算力中心為16.3 MW。該項目的埋管類型為雙U25型地埋管，數目為1 000 口，鉆井深度達到120 m[9]。本項目擬采用復合埋管地源熱泵與多聯機中央空調相結合的方式，提高建筑節能水平。

3.2 地埋管施工技術

針對上述工程項目，地埋管選用聚乙烯（Polyethylene，PE）地埋專用管DN25，其導熱系數為0.41 W/（m·℃），且其類型為雙“U”型。地埋管的施工與安裝數據如表1 所示。

表1 地埋管的施工與安裝數據表

在進行地埋管施工時，需要與灌注樁同步進行施工，同時避免在下管時劃傷PE管，焊接過程中也需要注意保護PE管。圖1 為地埋管局部平面布置圖。

從圖1可以看出，在夏季分水器一側，埋管水從3.5℃的埋管進入樁基埋管，并與土壤進行了充分換熱，埋管換熱器出口的水溫為31.95 ℃，最終匯集在集水器一側；冬季分水器一側，埋管水從5 ℃的埋管進入樁基埋管入口，并與地下土壤進行充分換熱，出口水溫7.47 ℃，最終匯集在集水器一側。在調整過程中，保證了并聯支管之間的流量均衡，保證了分支管之間的流量均衡。此外，還可以根據不同的系統負載，利用切換閥對換熱器埋管進行控制，從而確保了整個埋管系統的工作效率[10]。將地埋井和抗浮錨桿的鉆孔結合起來使用，能夠減少鉆孔的數量，節約施工成本。

圖1 地埋管局部平面布置圖（來源：作者自繪）

3.3 地埋管試壓技術

在明確地埋管施工技術的基本內容后，對地埋管進行試壓。試驗水源為選擇深水井，采用抽水泵將水注入管線。管道安裝完畢后，按設計要求對管道進行強度試驗；在沒有壓力的情況下，必須進行封閉測試。用水壓試驗方法對壓力管線進行強度測試，表2 為地埋管試壓參數表。

表2 地埋管試壓參數表

在壓力試驗時，低點排放的入口一般設置在一個臨時擋板上，若沒有適合的管道，可在容易焊接的地方打開。壓力測試完成后，要馬上封閉，臨時管線的封口應由質量檢查員、技術員、監工和業主共同驗收。在試壓系統充滿水之前，管底進行土方回填，焊接處作加強處理。用于試驗的壓力表必須經過檢驗并在有效期內，其準確度不能小于1.5，最大測距為所用范圍的1.3 ～1.5 倍。為提高試壓作業的工作效率，根據管道的功能和工作壓力，將管道劃分為3 大類，即每一單位單獨組成一個試壓包，然后依次進行試驗。

3.4 管道保壓穩壓技術

為實現管道保壓、穩壓，在管道上設置DN65 閥門，以便在地源熱泵檢測時進行排水。排放達一定程度后，可將其直接排放到泵站蓄水池。當排放容量大時，則可排回消防水池中。此外，在地下水源熱泵的出水過程中，應采取適當的穩壓回流措施。實踐中存在消防水量小于水泵選定流量的情況，而水泵揚程大于設計時，如果沒有采取回流措施，則會導致火災發生。在給水系統中設置安全穩定閥，在管線超壓的情況下，通過回流管線進行減壓，將回水引入消防水池中，即使管道壓力不穩，也能保持平穩。

4 結語

地源熱泵系統利用地表儲藏的太陽能實現對建筑物的供暖和制冷，是一種節能、環保、高效的能源利用技術。通過應用地源熱泵管網系統地埋管綜合施工技術，能夠充分利用建筑物的占地面積，不額外占用場地，實現設備運營維護工作的自動化和科學化，解決傳統地源熱泵系統安裝受限的問題。本文通過案例分析了地源熱泵系統的應用，以期為相關研究提供參考，促進地源熱泵系統的推廣。