蔣水青 盧 驁 戴 力 王 震 張 揚(yáng)

目前，全球傳統(tǒng)能源匱乏日益嚴(yán)重。在能源危機(jī)面前，各國的能源政策都是以開發(fā)并利用新能源為主，大力推廣地源熱泵技術(shù)對于我國新能源的開發(fā)與利用有著重要意義[1]。與傳統(tǒng)熱泵相比，利用地源熱泵能夠節(jié)約40%的能源[2]。地源熱泵技術(shù)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(shù)，從節(jié)能減排方面來看，采用地源熱泵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的目的[3]。

地源熱泵實(shí)施面臨以下兩個問題：一是系統(tǒng)初始投資高，需要開挖大量地埋井，且地源熱泵機(jī)組與空調(diào)系統(tǒng)接口處的設(shè)計(jì)、安裝難度高，需要定期維護(hù)、專業(yè)性強(qiáng)；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(fù)利用程度有限[4]。針對當(dāng)前存在的問題，本文開展土壤與建筑基礎(chǔ)復(fù)合埋設(shè)管網(wǎng)的地源熱泵系統(tǒng)綜合建造關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 地源熱泵系統(tǒng)概述

目前，地源熱泵主要應(yīng)用于大型廠房、公共建筑設(shè)施，用于民用建筑的實(shí)例較少。以“世界計(jì)算·長沙智谷”項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目為裙樓與塔樓結(jié)合的公民建筑，擬采用復(fù)合埋管地源熱泵與多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)相結(jié)合的方式，提高建筑節(jié)能水平。通過研究該項(xiàng)目，對于復(fù)合埋管地源熱泵技術(shù)的推廣和應(yīng)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(zhì)量，并對整個地源熱泵系統(tǒng)的正常使用產(chǎn)生一定的影響。地源熱泵管道施工技術(shù)是目前比較先進(jìn)的一種施工技術(shù)，有必要將其應(yīng)用在地下水源熱泵施工中[6]。受到其技術(shù)性能的影響，地源熱泵技術(shù)的推廣受到限制。目前，該項(xiàng)技術(shù)在歐美國家已廣泛應(yīng)用。

土壤與建筑基礎(chǔ)復(fù)合埋設(shè)管網(wǎng)的地源熱泵系統(tǒng)具有以下5 個特點(diǎn)。第一，與其他地源熱泵系統(tǒng)相比，土壤與建筑基礎(chǔ)復(fù)合埋設(shè)管網(wǎng)的地源熱泵系統(tǒng)投資少，占地面積少，施工進(jìn)度快，且運(yùn)行狀況相對平穩(wěn)。第二，地源熱泵在能源消耗方面比電熱、燃?xì)鉅t、空調(diào)等制冷或采暖設(shè)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(chǔ)復(fù)合埋設(shè)管網(wǎng)的地源熱泵系統(tǒng)不會占用除建筑物以外的土地面積，能夠大量節(jié)省地下空間。第四，大大節(jié)省埋管和鉆孔帶來的額外成本支出，對于加快工程施工進(jìn)度具有重要的促進(jìn)作用。第五，此類型地源熱泵系統(tǒng)所采用的回填材料為混凝土，這種材料具有極強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，能夠帶來更加理想的換熱效果。

2 復(fù)合埋設(shè)地源熱泵管網(wǎng)的注意事項(xiàng)

目前，我國對大型群體建筑樁筏基礎(chǔ)地源熱泵直埋管施工關(guān)鍵技術(shù)的研究較少，因此在進(jìn)行大型群體建筑樁筏基礎(chǔ)地源熱泵直埋管施工設(shè)計(jì)時，容易存在預(yù)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(chǔ)地源熱泵直埋管施工關(guān)鍵技術(shù)，會嚴(yán)重污染地下水[7]。復(fù)合埋設(shè)地源熱泵管網(wǎng)不宜應(yīng)用在施工密度高、地質(zhì)條件差的地區(qū)，由于我國地質(zhì)條件復(fù)雜，只能通過地質(zhì)勘探來判斷能否使用此項(xiàng)技術(shù)，故存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，無法大范圍應(yīng)用該技術(shù)[8]。在具體施工中，這種施工方式的創(chuàng)新性體現(xiàn)在：地埋井位置設(shè)計(jì)在地下室筏板下，地埋井與抗浮錨桿合并設(shè)計(jì)、施工，部分地埋管設(shè)置在樁基中，水平管設(shè)計(jì)在筏板內(nèi)與筏板基礎(chǔ)同步施工。

3 地源熱泵管網(wǎng)系統(tǒng)地埋管綜合施工技術(shù)

3.1 工程概述

本文所選工程“世界計(jì)算·長沙智谷”項(xiàng)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(qū)域夏季設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為18.5 MW，算力中心為16.3 MW。該項(xiàng)目的埋管類型為雙U25型地埋管，數(shù)目為1 000 口，鉆井深度達(dá)到120 m[9]。本項(xiàng)目擬采用復(fù)合埋管地源熱泵與多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)相結(jié)合的方式，提高建筑節(jié)能水平。

3.2 地埋管施工技術(shù)

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

表1 地埋管的施工與安裝數(shù)據(jù)表

在進(jìn)行地埋管施工時，需要與灌注樁同步進(jìn)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(hù)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(cè)，埋管水從3.5℃的埋管進(jìn)入樁基埋管，并與土壤進(jìn)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(cè)；冬季分水器一側(cè)，埋管水從5 ℃的埋管進(jìn)入樁基埋管入口，并與地下土壤進(jìn)行充分換熱，出口水溫7.47 ℃，最終匯集在集水器一側(cè)。在調(diào)整過程中，保證了并聯(lián)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(jù)不同的系統(tǒng)負(fù)載，利用切換閥對換熱器埋管進(jìn)行控制，從而確保了整個埋管系統(tǒng)的工作效率[10]。將地埋井和抗浮錨桿的鉆孔結(jié)合起來使用，能夠減少鉆孔的數(shù)量，節(jié)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(shù)

在明確地埋管施工技術(shù)的基本內(nèi)容后，對地埋管進(jìn)行試壓。試驗(yàn)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(shè)計(jì)要求對管道進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)；在沒有壓力的情況下，必須進(jìn)行封閉測試。用水壓試驗(yàn)方法對壓力管線進(jìn)行強(qiáng)度測試，表2 為地埋管試壓參數(shù)表。

表2 地埋管試壓參數(shù)表

在壓力試驗(yàn)時，低點(diǎn)排放的入口一般設(shè)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(yīng)由質(zhì)量檢查員、技術(shù)員、監(jiān)工和業(yè)主共同驗(yàn)收。在試壓系統(tǒng)充滿水之前，管底進(jìn)行土方回填，焊接處作加強(qiáng)處理。用于試驗(yàn)的壓力表必須經(jīng)過檢驗(yàn)并在有效期內(nèi)，其準(zhǔn)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(yè)的工作效率，根據(jù)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(dú)組成一個試壓包，然后依次進(jìn)行試驗(yàn)。

3.4 管道保壓穩(wěn)壓技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)管道保壓、穩(wěn)壓，在管道上設(shè)置DN65 閥門，以便在地源熱泵檢測時進(jìn)行排水。排放達(dá)一定程度后，可將其直接排放到泵站蓄水池。當(dāng)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(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓回流措施。實(shí)踐中存在消防水量小于水泵選定流量的情況，而水泵揚(yáng)程大于設(shè)計(jì)時，如果沒有采取回流措施，則會導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。在給水系統(tǒng)中設(shè)置安全穩(wěn)定閥，在管線超壓的情況下，通過回流管線進(jìn)行減壓，將回水引入消防水池中，即使管道壓力不穩(wěn)，也能保持平穩(wěn)。

4 結(jié)語

地源熱泵系統(tǒng)利用地表儲藏的太陽能實(shí)現(xiàn)對建筑物的供暖和制冷，是一種節(jié)能、環(huán)保、高效的能源利用技術(shù)。通過應(yīng)用地源熱泵管網(wǎng)系統(tǒng)地埋管綜合施工技術(shù)，能夠充分利用建筑物的占地面積，不額外占用場地，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)營維護(hù)工作的自動化和科學(xué)化，解決傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)安裝受限的問題。本文通過案例分析了地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用，以期為相關(guān)研究提供參考，促進(jìn)地源熱泵系統(tǒng)的推廣。