暖通工程中應用地源熱泵技術的實踐研究

鄭超

(北京市設備安裝工程集團有限公司 北京 100045)

地源熱泵技術作為一種新興的能源利用方式，在暖通工程中引起了廣泛的關注和研究。地源熱泵技術利用地球表面的熱能資源，通過熱泵系統將低溫熱能提升到適宜的溫度，實現供暖、制冷和熱水的需求。相比傳統的暖通系統，地源熱泵技術具有諸多優勢，包括高效節能、環境友好、穩定可靠等。然而，盡管地源熱泵技術在理論上具備許多優勢，但在實際應用中仍面臨一些挑戰和限制。因此，有必要進行實踐研究，深入了解地源熱泵技術在暖通工程中的應用效果和優化策略。期望通過本研究的實踐探索，為暖通工程領域中應用地源熱泵技術提供實用的經驗和理論指導，促進該技術在建筑領域的廣泛應用，并為可持續能源發展做出貢獻。

1 地源熱泵技術在應用過程中的優勢

1.1 高效節能

地源熱泵技術通過熱泵系統從地下的土壤或地下水中吸收熱能，實現熱能的回收利用。相比傳統的供暖和制冷系統，地源熱泵系統可以從較低溫度的熱源中提取熱能，并通過壓縮機的工作將其升溫，達到建筑物所需的供暖或制冷溫度，這種回收和利用熱能的方式極大地提高能源利用效率，減少能源浪費。由于地源熱泵系統采用了熱泵循環工作原理，通過壓縮機和制冷劑的循環運行，將低溫熱能提升到高溫狀態。與傳統的供暖系統相比，地源熱泵系統在提供相同供暖或制冷效果的同時，所需的能源消耗更低，利用制冷劑的相變過程和壓縮機的工作原理，實現能量的傳遞和提升，從而實現高效的能量轉換。

1.2 環境友好

地源熱泵技術使用地下的熱能作為能源來源，不需要直接燃燒化石燃料來供暖或制冷。相比傳統的供暖系統，地源熱泵系統減少了燃燒過程中產生的溫室氣體排放，如二氧化碳（CO2）和氮氧化物（NOx），這對減少碳排放和延緩氣候變化具有積極的影響。地源熱泵系統在運行過程中不產生燃燒產物，不會釋放有害氣體和顆粒物到大氣中，地源熱泵技術有效降低空氣污染物的排放，改善室內和周圍環境的空氣質量[1]。

1.3 穩定可靠

地源熱泵系統通常采用地下熱交換器（水平埋管或垂直地埋管）來吸收或釋放熱能，地下熱交換器處于地下穩定溫度的環境中，不受外界氣候變化的影響，因此，地源熱泵系統的熱源和熱匯具有相對穩定的溫度，從而實現系統的長期穩定運行。同時，地源熱泵系統通常采用多臺獨立運行的熱泵機組，可以實現系統的冗余設計，即使某臺熱泵機組發生故障或維修，其他機組仍然能夠正常運行，確保供暖或制冷的連續性，提高系統的可靠性，減少因故障而導致的中斷和停工時間。

2 地源熱泵技術的應用領域

2.1 地源熱泵技術在家用系統中的應用

地源熱泵技術在家用系統中的應用越來越普遍，它為家庭供暖、制冷和熱水提供了高效、節能、環保的解決方案。地源熱泵系統可用于家庭的供暖，它通過地下熱交換器吸收地下的熱能，利用熱泵循環系統提供熱量給家庭供暖系統。地源熱泵系統能夠在冬季提供穩定、舒適的室內供暖，并且在溫度調節方面具有較高的靈活性[2]。同時，地源熱泵系統還可以為家庭提供熱水供應，通過利用地下的熱能，熱泵系統可以高效地加熱水源，提供熱水給家庭的生活和洗浴使用，地源熱泵系統在熱水供應方面具有高效、穩定的特點，能滿足家庭的熱水需求，如圖1所示。

圖1 地源熱泵技術家用系統

2.2 地源熱泵技術在集中系統中的應用

地源熱泵技術在集中系統中可以實現能源管理和優化，通過集中監測和控制系統，可以對地源熱泵系統進行集中管理和調節，根據不同的負荷需求和氣候條件進行優化運行，集中系統的能源管理可以提高能源利用效率，降低運行成本，并實現對能源消耗的監測和分析。地源熱泵技術在集中系統中具有較高的靈活性和可擴展性，可以根據需要靈活調整和擴展地下熱交換站的規模和數量，以適應不同規模和需求的集中系統，根據實際情況進行系統的規劃和設計，實現靈活的能源供應[3]。

2.3 地源熱泵技術在混合系統中的應用

在混合系統中，地源熱泵技術可以與其他能源形式配合使用，如太陽能、燃氣鍋爐或電鍋爐等。當地源熱泵系統的效能受到氣候條件或能源供應限制時，輔助能源可以為系統提供額外的熱能，這種混合系統可以根據實際情況智能地選擇最優能源組合，以提高整體能源利用效率[4]。同時，混合系統中的地源熱泵技術可以與其他供熱設備配合使用，實現負荷平衡和靈活調節，當系統負荷較大時，地源熱泵系統可以發揮主導作用，提供穩定的供熱或制冷。而在負荷較小時，其他供熱設備可以參與供熱，減少地源熱泵系統的負荷，以提高系統的運行效率。

3 地源熱泵施工技術在暖通工程中的具體應用

3.1 鉆孔施工技術

地源熱泵施工技術中的鉆孔施工技術是其中一個重要環節，用于獲取地下的熱能或冷能。

3.1.1 鉆孔類型

地源熱泵系統的鉆孔施工通常采用垂直鉆孔方式。根據具體需求和地質條件，常見的鉆孔類型包括直徑為100～200 mm的單孔鉆孔和直徑為300～500 mm的雙孔鉆孔。單孔鉆孔適用于較小規模的系統，而雙孔鉆孔適用于較大規模的系統。

3.1.2 鉆孔深度

鉆孔深度是根據地下溫度的變化和系統的熱負荷需求來確定的。一般來說，地源熱泵鉆孔的深度在30～150 m之間，但也會根據具體項目的需求而有所變化[5]。

3.1.3 鉆孔設備

鉆孔施工需要使用專用的鉆機和鉆頭，常見的鉆機包括旋挖鉆機、回轉鉆機和沖擊鉆機等。鉆頭的選擇要根據地質情況和鉆孔類型來確定。

3.1.4 鉆孔過程

鉆孔施工通常包括以下幾個步驟：建立鉆孔平臺，在施工現場設立鉆孔平臺，用于安裝鉆機和提供施工空間。（1）鉆孔定位，根據設計要求和布置方案，確定鉆孔的位置和布置。（2）鉆孔操作，根據設計深度，通過鉆機逐漸向下鉆孔。在鉆孔過程中，需要定期沖洗鉆孔，以清除孔內雜質和保持鉆孔的穩定。（3）鉆孔管安裝，鉆孔完成后，安裝鉆孔管以保持鉆孔的穩定性和防止孔壁坍塌。（4）封孔處理，在鉆孔管安裝完成后，進行封孔處理，包括注入水泥漿或其他密封材料，以確保鉆孔的完整性和密封性。

3.1.5 鉆孔質量控制

在鉆孔施工過程中，需要進行質量控制，確保鉆孔的質量和符合設計要求。質量控制包括鉆孔位置的準確性、鉆孔直徑的控制、鉆孔深度的測量和控制等，如圖2所示。

圖2 鉆孔施工示意圖

3.2 現場預組裝施工技術

地源熱泵施工技術中的現場預組裝施工技術是一種將地源熱泵系統的組件在預制車間或現場臨時組裝并調試，然后再進行現場安裝的技術，這種施工方式能夠提高施工效率、降低施工風險，并確保地源熱泵系統的穩定性和可靠性。第一，地源熱泵系統的各種設備和組件，如熱泵機組、熱交換器、水泵、管道等，在預制車間或現場臨時進行組裝，這包括連接管道、電氣線纜和控制系統等。預組裝的設備可以在車間進行質量檢查和測試，確保其正常運行。第二，在設備預組裝完成后，進行系統的調試和測試[6]，這包括設備的性能測試、管道系統的漏水測試、電氣線纜的連通性測試以及控制系統的功能測試等。通過在預制車間或現場進行調試和測試，可以盡早發現和解決問題，確保系統的正常運行。第三，完成設備預組裝和調試后，將預組裝好的設備和組件運輸到實際安裝現場。在現場安裝過程中，可以大大降低施工時間和人工成本，因為很大一部分工作已經在預制車間或現場完成。第四，在現場安裝完成后，進行設備的聯調與調試，這包括設備之間的連接和調試、管道系統的沖洗和壓力測試、控制系統的調試與調整等。通過現場聯調與調試，可以確保地源熱泵系統的各個組件正常運行，并達到設計要求。第五，在現場預組裝施工過程中，需要進行質量控制，確保施工質量和符合設計要求，這包括設備安裝的準確性、管道連接的牢固性、電氣線纜的正確連接以及控制系統的穩定性等。現場預組裝施工技術在地源熱泵施工中的應用，能夠提高施工效率、降低施工風險，并保證地源熱泵系統的穩定性和可靠性。通過提前組裝和調試，在現場安裝時可以減少工作量和時間，提高工作效率，同時減少現場施工的不確定性和風險。這種施工技術適用于各種規模的地源熱泵項目，從小型家庭系統到大型商業和工業系統。

3.3 下管施工技術

地源熱泵施工技術中的下管施工技術是指將地源熱泵系統中的地埋管道埋設于地下的施工過程，下管施工技術的質量和施工方式直接影響著地源熱泵系統的運行效果和壽命。第一，要選擇適當的管道材料對于下管施工非常重要，常見的地源熱泵管道材料包括聚乙烯（PE）管、聚丙烯（PPR）管和鋼管等，根據實際需要和地質條件選擇合適的管道材料，并確保其耐腐蝕、耐壓和耐熱性能。第二，要根據地源熱泵系統的設計要求和建筑物的布局，進行管道的布局設計，包括確定地下管道的路徑、深度和斜度等[7]。合理的管道布局可以最大限度地減少壓力損失和能源損耗，提高系統的運行效率，詳見圖3。第三，下管施工過程中需要進行掘槽，將地下管道埋設于地下，掘槽的深度和寬度應符合設計要求，確保管道的安全埋設，掘槽施工過程中要注意地下管道與其他地下設施（如電纜、管線等）的交叉和沖突，確保施工安全。第四，在下管施工中，需要進行管道的連接，根據不同的管道材料，采用相應的連接方式，如熱熔連接、電熔連接、螺紋連接等，確保連接的牢固性和密封性，以防止漏水和能量損失。第五，在地下管道安裝完成后，進行填埋與回填工作，使用合適的填充材料將掘槽填平，并進行合理的壓實，填埋與回填工作的質量直接影響地下管道的穩定性。第六，地下管道容易受到外力損害，如地震、地面變形等，因此，在下管施工中需要采取適當的管道保護措施，如安裝護套、設置防震支架等，以增加管道的穩定性和壽命。下管施工技術的正確應用可以確保地源熱泵系統中的地下管道安全可靠地運行。合理的管道布局和連接、掘槽施工的質量控制與管道保護措施的采取，都對系統的性能和可靠性起著重要的作用。在實際應用中，需要根據具體項目的要求和地質條件選擇合適的下管施工技術，并進行嚴格的質量控制。

圖3 管道布局設計

3.4 管道壓力試驗

地源熱泵施工技術中的管道壓力試驗是確保地下管道系統的密封性和承壓性能的關鍵環節。通過進行管道壓力試驗，可以檢測管道系統是否存在泄漏或其他缺陷，以確保系統的正常運行和安全性。

（1）在進行管道壓力試驗之前，需要進行試驗準備工作，確保管道系統已完成安裝和連接，并且所有的閥門、管件和連接件已經緊固和密封，確保試驗過程中能夠施加并保持穩定的試驗壓力。

（2）進行管道壓力試驗需要使用專用的試驗設備，如壓力泵、壓力表、壓力傳感器等，根據試驗壓力的要求選擇合適的試驗設備，并確保其精確度和可靠性。

（3）進行管道壓力試驗時，通常按照以下步驟進行：施加試驗壓力，使用壓力泵將試驗介質（通常是水或氮氣）注入管道系統，逐漸施加試驗壓力。試驗壓力應根據設計要求確定，通常是系統額定工作壓力的1.5倍或其他規定數值。壓力保持在達到試驗壓力后，保持試驗壓力穩定一段時間，通常是30 min 或其他規定時間。這樣可以觀察管道系統是否存在泄漏，并評估其密封性能。觀察和記錄，在試驗期間，仔細觀察管道系統是否出現壓力下降或漏水現象。同時記錄試驗壓力、時間和觀察結果等信息。

（4）完成試驗后，對試驗結果進行評估，如果管道系統保持試驗壓力穩定且沒有泄漏現象，則說明管道系統的密封性能良好，如果出現壓力下降或漏水現象，則需要找到泄漏的位置，并進行修復或更換。

（5）在進行管道壓力試驗時，需要注意以下安全事項：選擇適當的試驗壓力，不超過管道系統和設備的承壓能力；確保試驗過程中的工作區域安全，并遵守相關的安全操作規程；防止過高的試驗壓力導致管道系統或設備的損壞。在試驗過程中，嚴格控制試驗壓力的變化，以免對管道系統造成過大的壓力沖擊。通過管道壓力試驗，可盡早發現和解決管道系統的泄漏問題，確保地源熱泵系統在運行過程中的安全性和穩定性。在實際應用中，需按照相關標準和規范進行管道壓力試驗，并記錄試驗結果和相關數據，以備后續參考和審查。

4 結語

在暖通工程中應用地源熱泵技術是一項具有廣闊前景的研究領域。通過對地源熱泵技術的實踐研究，可以深入了解該技術在節能、環保、穩定可靠等方面的優勢特點，并為其應用提供更加科學和可行的解決方案。地源熱泵技術在實際應用過程中的高效節能特點使其成為可持續發展的重要選擇，通過地下能源的利用，地源熱泵系統可以有效地回收和利用能量，實現供熱和制冷的節能效果。再者，其在應用中具備廣泛的可行性，能夠減少對化石燃料的依賴，降低碳排放和環境污染。地源熱泵技術在暖通工程中的實踐研究也揭示了其在高效節能、環境友好和穩定可靠等方面的優勢特點。通過進一步深入研究和應用，可以不斷提高地源熱泵技術的性能和效益，為實現可持續發展的暖通工程貢獻力量。