地源熱泵系統在建筑領域的節能減排應用分析

摘要：地源熱泵技術是一種高效、節能、環保的利用可再生能源的技術，能通過利用地下淺層地熱資源，實現建筑物的冷暖空調和熱水供應。隨著能源結構的轉型和環保要求的提高，地源熱泵的發展前景廣闊。但地源熱泵系統在實際應用中仍面臨地質條件限制、初投資高、公眾認知度不足等挑戰，因此以安徽省滁州市某住宅項目為例，介紹該項目的地源熱泵系統設計、施工情況，以及地源熱泵系統的優缺點和其施工工藝、施工要點，體現地源熱泵系統在建筑節能中的應用效果和實現的建筑節能減排目的，顯著提高能源利用效率。

關鍵詞：地源熱泵；優缺點；施工工藝；施工要點

引言

隨著全球能源危機的日益加劇和環境保護需求的愈發迫切，可再生能源利用成為當前研究的熱點。地源熱泵技術作為一種高效、環保的能源利用技術，正逐漸受到人們的關注。地源熱泵系統可利用地下淺層地熱資源，通過熱泵循環實現建筑物的冷暖空調和熱水供應，不僅能使建筑節能減排，還能為人們創造更加舒適的生活環境。

1 地源熱泵系統介紹

建筑能耗以供熱采暖和空調能耗為主，由于地源熱泵系統既是一種高效節能且環保的空氣調節系統，也是一種使用可再生能源的高效節能、環保型的工程系統，能利用其良好的儲熱性常年保證建筑溫度均衡。因此，地源熱泵系統不僅能在冬天供暖、夏天供冷，還節能降耗、低碳環保。

1.1技術原理

基于熱泵循環，通過地下埋設的換熱器與地下土壤或水體進行熱交換。冬季，地下熱能通過換熱器傳遞到熱泵機組，經機組壓縮提升溫度后供給室內供暖；夏季，室內熱量通過熱泵機組傳遞到地下土壤或水體中，實現降溫。

1.2系統組成

地源熱泵系統主要由熱泵機組、地下埋管換熱器、水系統、控制系統等組成。

1.3環境影響

地源熱泵能夠有效利用地下可再生能源，減少對傳統能源的依賴；地源熱泵運行過程不會產生有害物質排放，對空氣質量沒有負面影響。

1.4應用現狀

地源熱泵系統已經在全球范圍內得到廣泛應用。但由于不同地區的地質條件、氣候條件及經濟發展存在差異，因而地源熱泵應用仍面臨著一定挑戰。

2地源熱泵系統優缺點分析

2.1地源熱泵系統的突出優點

2.1.1高效節能

地源熱泵系統相較于其他類型的供熱系統（鍋爐或電加熱），具有更高的能效，轉換效率可達4.7。

2.1.2綠色環保

地源熱泵系統在運行過程中不會產生廢氣、廢渣或其他有害物質，對環境影響很小。使用的冷媒通常是環保型的，不會導致臭氧層的破壞或溫室效應。

2.1.3使用壽命長

地源熱泵系統的使用壽命通常在15年以上，遠遠超過一般的中央空調系統和其他采暖設備。

2.1.4可靠性強

地源熱泵系統中，每個機組均可獨立工作，個別機組出現問題，也不會影響整個系統的運行。

2.2地源熱泵系統尚存的缺點

2.2.1初始投資高

地源熱泵系統和普通的空調水系統相比，在項目初期投資時需要增加額外的地源熱泵室外地埋管系統的安裝費用，幾乎占整個項目預算費用的25%。

2.2.2安裝限制明顯

地源熱泵系統能量來源于溫度恒定的地埋管系統，由于地埋管系統的占地面積較大，需要大面積的鉆井作業，因而使用地源熱泵系統的項目要保證有足夠大的面積來進行打井。此外，地埋管施工時鉆孔與鉆孔之間需要保持足夠的距離（一般在3～6m），需要一定規模的安裝場地。

2.2.3施工復雜

施工前，需要對地源熱泵系統安裝位置的地理環境做熱物性測試，測定地下巖土層的能量交換效率。做室外部分施工時，需要考慮地源熱泵系統各個回路之間的比例、水平埋管坡度、管路連接應力等因素。

2.2.4地下溫度失衡

我國國土面積大，且不同地區氣候差異也很大，從實際情況來看，南方供冷大于供暖，北方供暖大于供冷，致使北方地區地下熱量過多消耗，不能及時填補，同時南方地區熱量過度注入地下，過剩熱量不能及時散出。長此以往，不僅會導致土壤溫度失衡，還會破壞生態平衡。

3地源熱泵系統應用工程

以安徽省滁州市某住宅小區項目為例，分析地源熱泵系統在建筑領域的節能減排應用。滁州市某住宅小區包含21棟住宅樓，總建筑面積約為120000m2，采用地源熱泵中央空調系統制冷及制熱。地源熱泵埋管系統位于地下室建筑物基礎下，采用De25并聯雙U型埋管，非集管式同程布置。

3.1室外設計參數

3.1.1夏季

空調計算干球溫度為34.5℃，空調計算濕球溫度為28.2℃。

3.1.2冬季

空調計算溫度為-4.2℃，空調計算相對濕度為73％。

3.2空調負荷及冷熱源

3.2.1空調負荷

滁州市某住宅小區地源熱泵工程，夏季空調計算冷負荷8600kW，單位空調面積冷負荷100W；冬季計算熱負荷5500kW，單位面積熱負荷65W。住宅小區取同時使用系數0.8，空調和供暖面積86000m2。

3.2.2空調冷熱源

3.2.2.1采用垂直埋管的地埋管地源熱泵系統

滁州市某住宅小區地源熱泵工程采用垂直埋管的地埋管地源熱泵系統，埋管數量根據空調裝機熱負荷進行計算，夏季地源熱泵系統滿足部分冷負荷，考慮在實際運行過程中出現冬季和夏季取放熱量達不到平衡的因素，輔助配置冷卻塔補充冷負荷和解決土壤熱平衡。

3.2.2.2地源熱泵機組配置

地源熱泵系統采用3臺變頻螺桿式地源熱泵機組、1臺變頻離心式水冷機組，冷水溫度分別為7℃、12℃，熱水溫度分別為40℃、45℃；地源夏季溫度分別為25℃、30℃，冬季溫度分別為10℃、5℃。冷卻塔供/回水溫度為31℃/36℃，全變頻運行。

3.2.2.3輔助冷熱源配置

選用1臺冷卻能力為320t/h的低噪音變頻橫流冷卻塔，設置在通風良好的位置，進/出水溫度為36℃/31℃，冷卻塔對應1臺變頻離心式水冷機組運行。

3.3地埋管系統[1][2]

采用雙U型埋管，埋管按照120m深設計，鉆井總數為1065口，富裕系數10%；地埋管換熱器埋設場地設置為6個區域，水平管采用同程式布局，每個井管道獨立連接至集分水器，每個區域均設有集水檢查井和分水檢查井，每個集水器上均設置有平衡閥；在地埋管6個區域設置6個測溫井，井深120m，每30m設置1個測溫點。

3.4地埋管施工工藝

3.4.1地下換熱系統垂直井施工工藝

根據換熱孔設計情況，在換熱孔施工前對施工現場和環境進行實地踏勘。

3.4.1.1成孔施工

采用的鉆孔設備帶有簡易豎直度顯示裝置，在鉆孔過程中可進行堅直度的微調，保持顯示指針位于零刻度上；鉆孔機械設備到場后，檢查鉆孔位置，以及鉆機的水平度、鉆頭直徑是否滿足要求；鉆進時認真記錄起停鉆的時間、鉆進的尺度，以及鉆進過程中其他問題，并按照要求填寫鉆進記錄表。

3.4.1.2下管準備

管材到場后，檢驗管材的規格型號、合格證等是否符合要求，隨機抽查管徑大小和管材的壁厚。管路選用高密度聚乙烯（HDPE）管[3]，熔接時先把每卷HDPE管拉直，根據埋孔的深度裁管，然后開啟電熔器，待其溫度達到300～400℃，采用短單U接頭將2根裁好的直管連接在一起，形成垂直U形管。先用干凈的自來水沖洗，然后再打壓，下換熱器管前進行水壓試驗，試驗壓力2.0MPa，在試驗壓力下，穩壓至少15min，穩壓后壓力降不大于3%，保證無泄漏現象。確保換熱管和孔壁貼合得越緊密越好，如緊密度不夠，可能會造成換熱管之間短路傳熱，根據設計規定的間隔安裝卡子，卡子制作應在施工現場進行，即做即用，卡子尺寸要滿足偏差不大于5mm的要求。

3.4.1.3下管填料

地下換熱器孔的回填采用專用回填料，確保無回填空隙，回填完成以后，超出地面的管道管口需要進行封堵防護并用顯眼的物品做好標記，盡可能避免在后序施工時，對管路造成破壞。灌漿回填時要將管道和孔井之間的空隙填實，避免管道在后期運行時移位變形、損壞。首次填完后，要再次檢查，發現縫隙繼續回填，如此往復多次，確保緊密嚴實。水平管道回填時必須仔細檢查混在管溝回填土里的磚、石等堅硬雜物，及時將其清理干凈，以防管道被刮傷漏水，影響后期使用效果。

3.4.1.4二次打壓

填料下完，經檢驗合格后，再經沖洗完畢進行第2次水壓試驗，試驗壓力0.8MPa，在試驗壓力下，穩壓至少30min，穩壓后壓力降不大于3％，且無泄漏現象為合格。

3.4.1.5水平主管

地下換熱器系統水平埋管采用直埋敷設，管道下墊150mm厚沙層。將各分區內的地下換熱器連接成系統，并連接到各分區分集水器。連接橫埋管有一定的難度，溝里有水和泥巴，而且在一個窄小的范圍之內操作有一定局限性，不像在地面上操作那樣簡單，這給熱熔增加了難度，因此熱熔連接之前，要先準備好擦布，將管路上的水和泥巴擦干、擦凈。

（1）定位放線

根據施工圖紙、地質勘察報告和水文地質報告、當地氣象情況、施工現場實際情況、交通道路及排水狀況、施工現場的水電等條件，定位放線。現場已安裝的管線、建筑物等與工程項目相關的位置、高程應在施工之前校核檢測。

（2）溝槽開挖

溝槽開挖必須在定位放線驗收合格后進行，當溝槽開挖至設計標高約0.1～0.2m時，按要求盡快采取預防措施以防雨水或其他水進入。溝槽開挖時如果在下方發現地下建設設施或疑似文物，應立即采取保護手段，上報上級領導，通知相關單位處理。開挖的溝槽質量要符合4項規定，即①挖槽土方應妥善安排堆放位置，堆土下坡腳與槽邊的距離根據槽深、土質、槽邊坡來確定，最小距離應為1.0m；②開挖斷面時，要考慮生產安全和工程質量，做到開槽斷面合理；③在挖槽時應跟蹤并對槽底高程進行測量檢驗，使用機械挖槽時，在設計槽底高程以上預留20cm土層，待人工清挖；④溝槽挖好之后，需要將溝槽內的石塊清凈，溝槽底部要夯實穩固，保證管道墊層平實無尖銳物體，管道鋪設完成后需要再鋪設30cm細沙層。

（3）管道交叉處理

管道施工時如若與其他專業或本專業管道交叉，應按相關規范規定進行處理。

（4）溝槽回填

各路管道施工完成并經自檢及監理檢驗合格后，按照相關要求進行溝槽回填，如溝槽中有石塊應及時清理，之后用細沙土填埋平整，最后再將各路管道放入溝槽中。在下方管道的過程中，嚴禁直接將管子滾放進溝槽。管道安裝走向高度要和施工圖紙標準要求相符，而且要采取有效的固定方法。水平地埋管換熱器施工時，注意防止尖銳物體如石塊、鐵皮等碰撞。管道不能出現打彎、扭曲等情況，管道轉彎時彎曲半徑要符合規范要求且必須要采取有效固定方法。水平地埋管需在接分集水器位置預留一定冗余量，水管穿過防水套管前，要完成外墻外側回填土的分層回填夯實作業。

3.5施工要點

鉆機操作過程要注意鉆機水平度和鉆桿垂直度，并檢查鉆孔深度及鉆孔直徑，同時應滿足設計要求。U型管組對與PE管連接時，注意管口的清潔，熔焊的質量（管口無雜質、熔焊牢固無氣孔），且U型管必須使用管卡以保證管間距離及傳熱效果。每組換熱器在下管前必須做壓力試驗，下管時要保證帶壓，下管過程中要時刻觀察壓力表的壓力是否有變化。如果發現下降，管路需要拔出，重新做壓力試驗，處理好問題后重新下管；如果破損嚴重，則不能再使用，需更換新的管道。

垂直地埋管的回填質量直接關系到地源熱泵投入使用后的效果，必須高度重視。采用注漿回填（注漿管從管孔井底部開始，逐漸至頂部）為好，但費用較高。砂石土質也可采用原漿回填，回填時需多次檢查，多次補填。如果鉆孔內地下水沉積較多，則需要在原漿回填料內摻入粗砂或膨潤土，經多次回填到位后，孔口用水泥混合漿封口，防止孔中大量的地下水上冒影響底板結構安全。

垂直地埋管敷設完畢，在管口套安裝一段PVC保護管，并使之標記明顯。水平管溝完成后，溝底要保證平整；溝底采用細砂鋪填，待水平管鋪設完成后，再在其上方及周邊鋪設細砂，然后用原土回填夯實。

此外，地埋管施工全過程中，試壓工作非常重要，也需特別關注。由于地埋管施工是一次性的，后續損壞無法修補，因此必須注重施工全過程的質量管理。

4地源熱泵系統實際應用效果

目前，我國建筑行業上下游的碳排放量相加已超過全國碳排放總量的50%，因此推動建筑減排成為我國實現“雙碳”目標的重要工作之一。從滁州市某住宅小區應用地源熱泵系統可以看出，地源熱泵利用地下淺層地熱資源，不僅能通過熱泵循環實現建筑物的冷暖空調和熱水供應，還能促進住宅建筑的節能減排，對我國建筑領域降碳起到了助力作用。另外，滁州市某住宅小區地源熱泵項目采用的地源熱泵系統和傳統供冷供暖技術相比，節能效果顯著、室內溫度更穩定、室內濕度控制良好、運行噪聲低、環境舒適度高，大大降低了運行費用和維修費用，使得用戶的居住環境體驗感極佳。

結語

地源熱泵系統供熱供冷技術非常成熟，已廣泛應用于住宅、商業、工廠等各個領域，環境效益顯著，不僅能減少建筑的溫室氣體排放，還能緩解城市熱島效應。過去20年，地源熱泵系統在我國建筑領域的應用呈現出高速發展態勢，加之國家“十四五”規劃明確指出“要積極推動地熱能規模化發展”，因此熱源熱泵系統供熱供冷、節能減排前景一片光明。

參考文獻

[1] GB 50366-2005，地源熱泵系統工程技術規范[S].

[2] CECS 344-2013，地源熱泵系統地埋管換熱器施工技術規程[S].

[3] CJ/T 317-2009，地源熱泵系統用聚乙烯管材及管件[S].

作者簡介

王耀晨（1990—），男，漢族，河北唐山人，助理工程師，工學學士，研究方向為新能源技術與應用。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-12