摘要：結合工程實例，介紹地源熱泵系統(tǒng)中地埋管換熱系統(tǒng)的深化施工方案、設備采購及供應、安裝、培訓、調試，竣工驗收，品質保修期內的修、配、換服務。對類似工程具有一定的借鑒意義。
關鍵詞：正循環(huán)回轉鉆井；地藕埋管；灌漿回填；調試；節(jié)能
中圖分類號：TU833+.1文獻標志碼：A文章編號：1673-7237(2009)04-0051-05
引言
地源熱泵系統(tǒng)(ground-source heat pump system)是以巖土、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統(tǒng)、建筑物內系統(tǒng)組成的供熱空調系統(tǒng)。根據(jù)地熱能交換系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。
地埋管換熱系統(tǒng)(ground heat exchanger system)是指傳熱介質通過垂直或水平地埋管換熱器與巖土體(rock-soil body)進行熱交換的地熱能交換系統(tǒng)，故又稱為土壤熱交換系統(tǒng)，見圖1。
1.工程概況：
江蘇省海安縣行政中心地處華東地區(qū)，海安中心城區(qū)，總建筑面積73 000 m2，該工程建筑高度75 m，分為三區(qū)，其中一區(qū)為檔案館，空調面積5 141.5m2；二區(qū)為會議餐飲樓，空調面積5 139.9 m2；三區(qū)為主樓，空調面積48 590.4 m2。本工程采用地埋管換熱系統(tǒng)，選用地源熱泵機組，利用交換液與土壤熱交換，實現(xiàn)了熱泵機夏季冷凍水供回水溫度為7/12℃；冬季提供空調水供回水溫度50/45℃。夏季地源出水溫度為25～30℃，最高不超過35℃；冬季出水溫度10～15℃，最低不低于7.5℃。設計生活熱水，生活熱水機組出水溫度為50℃。
2.施工部署
本工程地埋管地熱泵系統(tǒng)方案設計前，通過對巖土層的結構巖土體熱物性、巖土體溫度、地下水靜水位、水溫、水質及分布、地下水徑流方向、速度、凍土層厚度等主要技術指標進行分析和地埋管換熱系統(tǒng)的安全復核模擬，確定出本工程地源系統(tǒng)夏季的最高出水溫度為35℃和冬季最低出水溫度為7.5℃。
根據(jù)工程勘察結果，評估地埋管熱系統(tǒng)實施的可行性及經(jīng)濟性，確定施工方案如下：
采用室外地源換熱器共為900孔，設置15個分區(qū)，每個分區(qū)負責60個地源孔；每個孔井深90 m，井位呈矩形排列，相鄰兩井間距4 m，總鉆井深度約為81 000 m；水平PE管長度約20 000 m，埋地深度2 m。每個分區(qū)設置分、集水器，地源孔與分區(qū)分、集水器采用PE閥門連接。整個地源系統(tǒng)埋地部分沒有任何金屬構、配件。
每個分區(qū)通過地源干管與總分、集水器連接，在總分、集水器檢修井內設置每個分區(qū)的流量平衡閥。根據(jù)工程施工進度要求，本工程室外地藕埋管施工與地上室內主機系統(tǒng)、空調末端系統(tǒng)施工同時進行。整個地藕系統(tǒng)設計為分區(qū)同程系統(tǒng)，全部采用熱融連接。
3.地藕埋管施工
3.1地埋施工原則
(1)由外而內的原則；
(2)由垂直到水平的原則；
(3)由支管到主管的原則。
3.2施工流程(見圖2)
3.3地埋管物資準備
(1)根據(jù)施工預算、施工方案和施工進度計劃，合理編制材料、機具進場及使用計劃，以免現(xiàn)場材料、機具堆放過多；
(2)搭設臨時材料堆放、存儲倉庫，搭設管道預制加工棚；
(3)采用專業(yè)供貨廠商提供的熱熔連接工具、機具、嚴格按使用說明書操作；
(4)本工程地藕系統(tǒng)采用的高密度聚乙烯HDPE3408管材，該產(chǎn)品壓力等級為1.2 MPa，熱導率為0.46～0.57 W/(m·K)。
(5)本工程的主要巖土層為中密粉砂層，其熱導率為2.1～2.3 W/(m·K)。為保證回填的密實、低溫不龜裂以及回填材料的熱導率須大于土壤巖層的熱導率，故回填料選用5%的膨潤土加95%的細砂混凝土混凝土混合料，其熱導率為2.4～2.8 W/(m·K)；
(6)本工程傳熱介質采用自來水，滿足傳熱介質的必須的安全性、傳熱性、較低的摩擦阻力且經(jīng)濟適用的技術要求。
3.4材料檢驗及存儲
地埋管及管件應符合設計要求，應用的管材、管件及附件等應有企業(yè)質量檢驗部門的產(chǎn)品合格證及相關檢測部門的質量檢驗報告。
地埋管應采用化學性能穩(wěn)定性好、耐腐蝕、熱導率大、流動阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管(PE)或聚丁烯(PB)，不宜采用聚氯乙烯(PVC)管。管材、管件及附件應為相同材質。
地埋管質量應符合國家現(xiàn)行標準中的各項規(guī)定。管材應標明規(guī)格、商標或生產(chǎn)廠名、公稱壓力以及生產(chǎn)日期，包裝應符合要求、還應標明長度。
管材的公稱壓力及使用溫度應滿足設計要求，且管材的公稱壓力不應＜1.0 MPa，地埋管外徑及壁厚可按《給水用聚乙烯(PE)管材》GB/T13663及《冷熱水用聚丁烯(PB)管道系統(tǒng)》GB/T19473.2之規(guī)定選用。
管材和管件的外觀質量符合下列要求：管件應完整，無缺陷、無變形，合?？p交口應平整，無開裂。管材、管件運輸儲存應符合以下規(guī)定：
(1)管材、管件運輸、儲存不應損壞外包裝，不得暴曬、淋雨。成捆、成箱盤狀管材及管件應堆放整齊，對方高度不應＞2 m。支點物應采用木塊，寬度≥0.2 m，間距宜<1 m；
(2)管材在運輸時應避免尖硬物件劃傷刻痕，沾染污物，管材不得用鋼絲繩成捆吊裝及重壓。管材、關鍵應存放在通風良好、溫度不超過40℃的庫房內。工地臨時堆放場應有防雨、防曬遮蓋措施。管材、關鍵應遠離貨源，不得與油、酸、堿及易燃等危險品存放在一個庫房內；
(3)管道在運輸儲存過程中不得劇烈撞擊、滾、拖、拋、摔。
3.5鉆孔施工技術
(1)鉆孔前應勘測現(xiàn)場，做好和其他專業(yè)(如土建、給排水、消防、電纜等)的交叉與銜接。根據(jù)施工鉆孔平面圖的孔數(shù)、行距和面積，進一步核實現(xiàn)場的施工面積以滿足打孔要求；
(2)核實無誤后，按施工平面圖檢查定位放線，排水、泥漿倒運工序，合理安排土方、泥漿池、安全通道及堆土場的位置，保持通道暢通無阻；
(3)鉆孔就位，要保證鉆機鉆桿垂直度，防止垂直偏差將已埋管道損壞。鉆井機械定位保證水平度偏差≤1%；保證垂直偏差≤0.5%；
(4)在鉆孔的兩孔之間挖1 400 mm×700 mm×500 mm泥漿池，位置在地埋管挖溝方向兩孔之間，用作鉆井機在施工中水循環(huán)載體，不至于流到其他地方，保證施工現(xiàn)場的整潔；
(5)根據(jù)在其他工程的施工經(jīng)驗，本工程采用正循環(huán)回轉鉆井；
(6)正循環(huán)回轉鉆井的優(yōu)點：①在地層漏失或對漏失處理無效之后，正循環(huán)沖洗液充滿鉆桿與孔壁之間的外環(huán)狀空間，液柱本身重量對孔壁產(chǎn)生較高的側壓力，在液柱與地層之間的壓力差作用下，泥漿向地層滲透，其黏土顆粒將在孔壁形成一層泥皮，液柱側壓力和泥皮都能有效地加固孔壁，防止孔壁坍塌；②沖洗液在較高壓力作用下，以較高的速度從鉆頭中呈射流狀態(tài)噴射孔底，能有效地沖起孔底巖屑；③依靠排水壓力，通過管線向孔洞輸送沖洗液，管線及其接頭部位即使有少量泄漏(這在實際工作難以完全避免)，也不會導致沖洗液循環(huán)和鉆井過程中斷。在地層漏失情況下，沖洗液連續(xù)補給，仍可繼續(xù)鉆井；
(7)鉆孔過程中安排質量檢查員隨時檢查鉆孔的位置，確保鉆孔位置的正確性，并做好檢查記錄工作，如發(fā)現(xiàn)偏差超過標準要求，應及時糾正重新進行定位；
(8)鉆孔完成后，檢查鉆孔深度和鉆孔的質量并做好隱蔽工程記錄報建設單位(監(jiān)理)驗收；
(9)鉆孔過程中產(chǎn)生的土方和土方開挖的土壤應集中堆放，并用彩條布覆蓋；
(10)在鉆孔過程中為避免鉆孔塌方，在鉆孔過程中灌入泥漿對鉆孔的井壁進行泥漿凝固護壁，防止塌孔。
3.6地埋管現(xiàn)場預組裝施工技術
(1)地埋U型管宜在現(xiàn)場預組裝，管材預組裝前應水平堆放在平整的地面上，不應局部受壓使管材變形，堆放高度不宜超過2 m；管件貯存應成箱存放在貨架上或碼堆在平整平面上，地面上碼堆高度不宜超過2 m。HDPE管運至工地采用彩條布覆蓋，嚴禁長時間太陽下暴曬；
(2)HDPE管連接時應注意熱熔管頭清潔，管材切割時當管徑≤de50時，采用旋轉切刀；當管徑＞de50時，采用手工木工鋸；
(3)HDPE管在地面連接完成，試壓、合格后方可埋管；井回填后再次試壓、合格后方可連接水平干管；水平總管連接完試壓、合格后方可回填土。總管連接完后進行系統(tǒng)試壓；
(4)HDPE管道的連接可采用熱熔連接(熱熔承插連接、熱熔對焊連接)，與金屬管道連接應采用法蘭連接；
(5)熱熔承插連接：熱熔承插連接應采用質量可靠的熱熔機具，便攜式熔接工具適用于Φ≤63 mm管道及系統(tǒng)最后連接，臺式熔接機具適用于Φ≥63 mm管道預裝備連接。將加熱工具加熱到熔接溫度260±10℃，插口管末端應切割平整，與軸線垂直。用筆在承口和插口上做適當?shù)臉擞?，以利于連接定位。用加熱工具的凹模熔化插口管端的外表面，凸模熔化承口的內表面。加熱完畢后，迅速移走加熱模具，將插口端平直插入承口端，達到連接強度后固定接頭，自然冷卻至環(huán)境溫度；
(6)熱熔對接：管材外徑Φ≥63 mm的HDPE管均可采用熱熔對接方式連接，該方法經(jīng)濟可靠，其接頭在承拉和承壓時都比管材本身具有更高強度。熱熔連接溫度：200～210℃。使用該方法時，設備僅需熱熔對接機，步驟如下：①把待連接管材置于焊機夾具上并夾緊；②清潔管材連接端并銑削連接面；③校直兩對接件，使其端面錯位量不大于管道壁厚的10%；④放入加熱板加熱；⑤加熱完畢，取出加熱板；⑥迅速接合兩加熱面，升壓至熔接壓力并保壓冷卻。
(7)HDPE管連接的注意事項：
?、俟艿肋B接前應對管材、管件及附屬設備、閥門、儀表按設計要求進行核對，并在施工現(xiàn)場進行外觀檢查，符合要求方準使用。連接時應使用同一生產(chǎn)廠家的管材和管件，如確需將不同廠家(品牌)的管材、管件連接則應經(jīng)試驗證明其可靠后方準使用。每次連接完成后，應進行外觀質量檢驗，不符合要求的必須返工；
?、谑┕と藛T應進行上崗培訓；
?、勖看问┕ず?，管口應臨時封堵；
?、墚斒彝鉁囟龋?℃時，塑料地埋管物理力學性能將有所降低，容易造成地埋管的損害，故當室外環(huán)境溫度＜0℃時，盡量避免地埋管熱換器的施工，若趕工期，施工時應采用保護措施或調整施工工藝參數(shù)。
3.7下管施工技術
鉆孔完成后應立即下管，下管前應對U型管進行試壓、沖洗。停留時間越長，孔內的積壓現(xiàn)象越嚴重，管子也就越難放。
在本工程施工中，我們采用預制砼導頭下井施工法。預制導頭直徑略小于鉆孔直徑，大于4根HDPE循環(huán)管所占位置的直徑(預制導頭制作后應進行試壓試驗)。依靠導頭的重量和HDPE管內水的重量下井，這樣既保證下管的速度又可保證HDPE管能有效地到達地源井底，同時，還能保護HDPE管材在下井過程中免受井壁尖石的刮傷、損壞。一般采用人工下管，下管時必須多人合作，提起管子時不得在地上拖拉，不應形成不自然的彎曲，更不允許產(chǎn)生角度。為避免熱橋損失，U型管管間距應嚴格按設計要求，下管時盡量保持同心度并且管與管不要接觸太緊，施工時每隔2～4 m設置固定支卡將U型管分開，以確保垂直地源換熱管的相對位置不變，垂直換熱管不會貼在一起。
HDPE管下井完成后，須將U型管兩個端口密封。
3.8回填施工技術
為確保灌漿回填的質量，本工程在預制混凝土導頭下井的同時，灌漿管同時隨導頭下井，如圖3所示。在下井工程中，必須有專人分別拉住灌漿管和4根HDPE管，當PE管下到井底時，將灌漿管松開，并人為地將灌漿管往下捅，讓連接分管的托盤與導頭上的拉鉤脫離開來，然后應立即采用灌漿管將混合漿灌入鉆孔內進行回填封孔，隔離含水層。灌注施工中應保證灌漿的連續(xù)性，根據(jù)機械灌漿的速度確定灌漿管的提升速度，確保漿體由底部涌上而充滿腔內。當上返泥漿與灌注材料的密度相等時表明灌漿工作已經(jīng)完成。
采用膨潤土回填時，在確認U型管無滲漏后，可用篩選過的≤15 mm×15 mm回填料進行回填，回填料采用網(wǎng)孔≤15 mm×15 mm的漏篩進行過篩，保證回填料內無無碎石及尖利石塊、混凝土碎塊。豎直地埋管進行回填時應在管道兩側同步回填，水平地埋管在同一溝槽中有雙排或多排管道時，管道之間的回填壓實應與管道和槽壁之間的回填壓實對稱進行。各壓實面高度不宜超過30 cm。以保證必須將管和孔井之間空隙填實，第一次填完后應多次檢查，多次回填。對于管腋等比較難以回填的部位，應采用人工回填，確?；靥蠲軐崱?/span>
回填土應重點做好每層管道上方15～20 cm范圍內的回填。管道上方及兩側50 cm范圍內，應采用木夯輕輕夯實，嚴禁采用壓實機具直接作用于管道上。
每區(qū)下管全部完成后連接到集、分水器，先人工溝槽開挖，將分、集水器置于檢查井并與U型管連接，構成完整的閉式環(huán)路。分、集水器設置排氣和排污裝置。埋管區(qū)整體回填時，應分層用木夯夯實。整體回填時應將混在其中的尖利石塊、混凝土碎塊揀出。
4.地埋管換熱系統(tǒng)沖洗
為保證地埋管換熱系統(tǒng)的可靠運行必須進行系統(tǒng)沖洗，系統(tǒng)沖洗主要在以下幾個施工階段：
?、俚芈窆軗Q熱器安裝前；
?、诘芈窆軗Q熱器與環(huán)路集管裝配完成后；
?、鄣芈窆軗Q熱系統(tǒng)全部安裝完成后。
5.地埋管換熱系統(tǒng)試壓
試驗壓力：當工作壓力≤1.0 MPa時，應為工作壓力的1.5倍，且不應＜0.6 MPa；當工作壓力＞1.0 MPa時，應為工作壓力加0.5 MPa。
水壓試驗步驟：
(1)豎直地埋管換熱器插入鉆孔前，應做第一次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓后至少15 min，穩(wěn)壓后壓力不應＞3%，且無泄露現(xiàn)象；將其密封后，在有壓狀態(tài)下插入鉆孔，完成灌漿之后保壓1 h。
(2)水平地埋管換熱器放入溝槽前，應做第一次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓后至少15 min，穩(wěn)壓后壓力降不應＞3%，且無泄露現(xiàn)象。
(3)豎直或水平地埋管換熱器與環(huán)路集管裝配完成后，回填前應進行第二次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少30 min，穩(wěn)壓后壓力降不應＞3%，且無泄露現(xiàn)象；
(4)環(huán)路集管與機房分集水器連接完成后，回填前應進行第三次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少2 h，且無泄露現(xiàn)象；
(5)地埋管換熱系統(tǒng)全部安裝完畢，且沖洗、排氣、回填完成后，應進行第四次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少12 h，穩(wěn)壓后壓力降不應＞3%。
系統(tǒng)試壓不得以氣壓代替水壓試驗；水壓試驗時應采用手動泵緩慢加壓，加壓過程中應安排專人隨時觀察與檢查線路，不得有滲漏現(xiàn)象。
本工程采用分區(qū)設計的施工方法，每個分區(qū)設置分、集水器，地源孔與分區(qū)分、集水器采用PE閥門連接。整個地源系統(tǒng)埋地部分沒有任何金屬構、配件。每個分區(qū)通過地源干管與總分、集水器連接，在總分、集水器檢修井內設置每個分區(qū)的流量平衡閥。一旦當?shù)卦聪到y(tǒng)在運行中出現(xiàn)意想不到的故障，可采用反推法即可馬上找出出現(xiàn)故障的地源井。出現(xiàn)故障時，先在總分、集水器處通過壓力表讀數(shù)查出故障的地源分區(qū)；找到故障地源分區(qū)，進入檢修井，同樣，通過開、關PE閥，進行壓力檢測，立即就能查出有故障的地源井，將其對應的PE閥關閉。整個系統(tǒng)的檢查、檢修無需系統(tǒng)停機。
6.試驗和鑒定
自覺主動接受業(yè)主、監(jiān)理單位來工地現(xiàn)場監(jiān)督試驗，并按如下內容提出報告：
(1)全部豎井的位置和深度以及熱交換器的長度是否符合設計要求；
(2)回填過程的檢驗與安裝土壤熱交換器同步進行；
(3)監(jiān)督循環(huán)管路、循環(huán)集管和管線的試壓是否按上述要求進行，以保證沒有泄漏。
隱蔽工程記錄交業(yè)主、監(jiān)理驗收，合格后才能進行下一道工序的工作。
按上面的試驗和鑒定結果提交報告給業(yè)主，并保證將實際竣工情況記錄在設計平面圖上。
7.地源熱泵機組安裝
本工程地源熱泵機組主機采用集中式，整個工程的冷凍水由機房統(tǒng)一協(xié)調輸出，主機大小搭配，保證了在各種情況下的最佳配比，也保證了不同負荷下運行不同的機組和水泵，使機組始終保持在滿負荷運行狀況，處于最佳工況，使COP值始終維持在最佳值，達到長期運行的最佳節(jié)能效果。
8.地源熱泵系統(tǒng)運轉、調試與驗收
地源熱泵系統(tǒng)整體運轉、調試與驗收必須符合GB50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》、GB50243《通風與空調工程施工質量驗收規(guī)范》、GB50274《制冷設備、空氣分離設備安裝工程施工及驗收規(guī)范》。
地源熱泵系統(tǒng)交付使用前，應進行整體運轉、調試與驗收。
整體運轉與調試方案報專業(yè)監(jiān)理工程師審核批準后方可實施。
地源熱泵系統(tǒng)整體驗收需要進行一個相對較長的時間，系統(tǒng)整體驗收調試應分冬、夏兩季進行，系統(tǒng)整體驗收對地源熱泵系的實測性能做出評價，調試完成后應編寫調試報告及運行操作規(guī)程，并提交業(yè)主單位確認后存檔。
地源熱泵系統(tǒng)運轉、調試與驗收主要包括以下內容：
(1)系統(tǒng)的壓力、溫度、流量等各項技術數(shù)據(jù)應符合有關技術文件的規(guī)定；
(2)系統(tǒng)連續(xù)運行應達到正常平穩(wěn)；水泵的壓力和水泵電動的電流不應出現(xiàn)大幅的波動；
(3)各種電動計量檢測元件和執(zhí)行機構的工作應正常；滿足建筑設備自動化系統(tǒng)對被測定參數(shù)進行檢測和控制的要求；
(4)控制和檢測設備應能與系統(tǒng)的檢測元件和執(zhí)行機構正常溝通，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)應能正確顯示，設備連鎖、自動調節(jié)、自動保護應能正確運轉；
(5)調試報告應包括調試前的準備記錄、水力平衡、機組及系統(tǒng)試運轉的全部測試數(shù)據(jù)；
(6)地源熱泵系統(tǒng)的冬、夏兩季運行測試包括室內空氣參數(shù)及系統(tǒng)運行能耗測定，系統(tǒng)運行能耗包括所有水源熱泵機組、水泵和末端設備的能耗。
9.系統(tǒng)質保
地源熱泵中央空調系統(tǒng)，經(jīng)過科學設計，并按嚴格的質量標準施工，保障地下部分免維護保用50年，地上部分保用20年。根據(jù)建設部第80號令《房屋建筑工程質量保修辦法》第七條，認真履行系統(tǒng)保修及售后服務職責。
系統(tǒng)質保期3年，即系統(tǒng)保修期從工程竣工驗收開始3年內免費保修。
10.結語
正是因為地源熱泵空調系統(tǒng)利用淺層地熱能資源進行供熱與空調，具有良好的節(jié)能、環(huán)保、美觀、不消耗礦物質的固有特性，近年來在國內得到日益廣泛的支持和推廣應用，但并不是只要采用了地源熱泵系統(tǒng)，其節(jié)能的幅度就能達到理想的狀態(tài)。同樣，和傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)一樣，在系統(tǒng)設計時，必須考慮末端、主機、水泵的部分荷載時的最大運行節(jié)能，本項目設計多機頭主機，大、小搭配，末端采用電動二通閥控制，水泵配置一套變頻泵，整個系統(tǒng)采用臺數(shù)和變頻來滿足運行過程中的負荷變化，從而確保系統(tǒng)節(jié)能的最大化。本工程地處我國華東沿海地區(qū)，作為該地區(qū)新興的施工技術才剛剛開始，本工程的施工無疑為該地區(qū)進行類似工程施工積累了豐富的經(jīng)驗。
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