鄭超

(北京市設(shè)備安裝工程集團(tuán)有限公司 北京 100045)

地源熱泵技術(shù)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(guān)注和研究。地源熱泵技術(shù)利用地球表面的熱能資源，通過熱泵系統(tǒng)將低溫?zé)崮芴嵘竭m宜的溫度，實(shí)現(xiàn)供暖、制冷和熱水的需求。相比傳統(tǒng)的暖通系統(tǒng)，地源熱泵技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，包括高效節(jié)能、環(huán)境友好、穩(wěn)定可靠等。然而，盡管地源熱泵技術(shù)在理論上具備許多優(yōu)勢，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)和限制。因此，有必要進(jìn)行實(shí)踐研究，深入了解地源熱泵技術(shù)在暖通工程中的應(yīng)用效果和優(yōu)化策略。期望通過本研究的實(shí)踐探索，為暖通工程領(lǐng)域中應(yīng)用地源熱泵技術(shù)提供實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)和理論指導(dǎo)，促進(jìn)該技術(shù)在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，并為可持續(xù)能源發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 地源熱泵技術(shù)在應(yīng)用過程中的優(yōu)勢

1.1 高效節(jié)能

地源熱泵技術(shù)通過熱泵系統(tǒng)從地下的土壤或地下水中吸收熱能，實(shí)現(xiàn)熱能的回收利用。相比傳統(tǒng)的供暖和制冷系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)可以從較低溫度的熱源中提取熱能，并通過壓縮機(jī)的工作將其升溫，達(dá)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(fèi)。由于地源熱泵系統(tǒng)采用了熱泵循環(huán)工作原理，通過壓縮機(jī)和制冷劑的循環(huán)運(yùn)行，將低溫?zé)崮芴嵘礁邷貭顟B(tài)。與傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)在提供相同供暖或制冷效果的同時(shí)，所需的能源消耗更低，利用制冷劑的相變過程和壓縮機(jī)的工作原理，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和提升，從而實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。

1.2 環(huán)境友好

地源熱泵技術(shù)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(tǒng)的供暖系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)減少了燃燒過程中產(chǎn)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(tǒng)在運(yùn)行過程中不產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物，不會釋放有害氣體和顆粒物到大氣中，地源熱泵技術(shù)有效降低空氣污染物的排放，改善室內(nèi)和周圍環(huán)境的空氣質(zhì)量[1]。

1.3 穩(wěn)定可靠

地源熱泵系統(tǒng)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(wěn)定溫度的環(huán)境中，不受外界氣候變化的影響，因此，地源熱泵系統(tǒng)的熱源和熱匯具有相對穩(wěn)定的溫度，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)通常采用多臺獨(dú)立運(yùn)行的熱泵機(jī)組，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，即使某臺熱泵機(jī)組發(fā)生故障或維修，其他機(jī)組仍然能夠正常運(yùn)行，確保供暖或制冷的連續(xù)性，提高系統(tǒng)的可靠性，減少因故障而導(dǎo)致的中斷和停工時(shí)間。

2 地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 地源熱泵技術(shù)在家用系統(tǒng)中的應(yīng)用

地源熱泵技術(shù)在家用系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越普遍，它為家庭供暖、制冷和熱水提供了高效、節(jié)能、環(huán)保的解決方案。地源熱泵系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)提供熱量給家庭供暖系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)能夠在冬季提供穩(wěn)定、舒適的室內(nèi)供暖，并且在溫度調(diào)節(jié)方面具有較高的靈活性[2]。同時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)還可以為家庭提供熱水供應(yīng)，通過利用地下的熱能，熱泵系統(tǒng)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(tǒng)在熱水供應(yīng)方面具有高效、穩(wěn)定的特點(diǎn)，能滿足家庭的熱水需求，如圖1所示。

圖1 地源熱泵技術(shù)家用系統(tǒng)

2.2 地源熱泵技術(shù)在集中系統(tǒng)中的應(yīng)用

地源熱泵技術(shù)在集中系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)能源管理和優(yōu)化，通過集中監(jiān)測和控制系統(tǒng)，可以對地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和調(diào)節(jié)，根據(jù)不同的負(fù)荷需求和氣候條件進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行，集中系統(tǒng)的能源管理可以提高能源利用效率，降低運(yùn)行成本，并實(shí)現(xiàn)對能源消耗的監(jiān)測和分析。地源熱泵技術(shù)在集中系統(tǒng)中具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性，可以根據(jù)需要靈活調(diào)整和擴(kuò)展地下熱交換站的規(guī)模和數(shù)量，以適應(yīng)不同規(guī)模和需求的集中系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)靈活的能源供應(yīng)[3]。

2.3 地源熱泵技術(shù)在混合系統(tǒng)中的應(yīng)用

在混合系統(tǒng)中，地源熱泵技術(shù)可以與其他能源形式配合使用，如太陽能、燃?xì)忮仩t或電鍋爐等。當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)的效能受到氣候條件或能源供應(yīng)限制時(shí)，輔助能源可以為系統(tǒng)提供額外的熱能，這種混合系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際情況智能地選擇最優(yōu)能源組合，以提高整體能源利用效率[4]。同時(shí)，混合系統(tǒng)中的地源熱泵技術(shù)可以與其他供熱設(shè)備配合使用，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡和靈活調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷較大時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)可以發(fā)揮主導(dǎo)作用，提供穩(wěn)定的供熱或制冷。而在負(fù)荷較小時(shí)，其他供熱設(shè)備可以參與供熱，減少地源熱泵系統(tǒng)的負(fù)荷，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3 地源熱泵施工技術(shù)在暖通工程中的具體應(yīng)用

3.1 鉆孔施工技術(shù)

地源熱泵施工技術(shù)中的鉆孔施工技術(shù)是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，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(tǒng)的鉆孔施工通常采用垂直鉆孔方式。根據(jù)具體需求和地質(zhì)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(guī)模的系統(tǒng)，而雙孔鉆孔適用于較大規(guī)模的系統(tǒng)。

3.1.2 鉆孔深度

鉆孔深度是根據(jù)地下溫度的變化和系統(tǒng)的熱負(fù)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(jù)具體項(xiàng)目的需求而有所變化[5]。

3.1.3 鉆孔設(shè)備

鉆孔施工需要使用專用的鉆機(jī)和鉆頭，常見的鉆機(jī)包括旋挖鉆機(jī)、回轉(zhuǎn)鉆機(jī)和沖擊鉆機(jī)等。鉆頭的選擇要根據(jù)地質(zhì)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(gè)步驟：建立鉆孔平臺，在施工現(xiàn)場設(shè)立鉆孔平臺，用于安裝鉆機(jī)和提供施工空間。（1）鉆孔定位，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和布置方案，確定鉆孔的位置和布置。（2）鉆孔操作，根據(jù)設(shè)計(jì)深度，通過鉆機(jī)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(nèi)雜質(zhì)和保持鉆孔的穩(wěn)定。（3）鉆孔管安裝，鉆孔完成后，安裝鉆孔管以保持鉆孔的穩(wěn)定性和防止孔壁坍塌。（4）封孔處理，在鉆孔管安裝完成后，進(jìn)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(zhì)量控制

在鉆孔施工過程中，需要進(jìn)行質(zhì)量控制，確保鉆孔的質(zhì)量和符合設(shè)計(jì)要求。質(zhì)量控制包括鉆孔位置的準(zhǔn)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(xiàn)場預(yù)組裝施工技術(shù)

地源熱泵施工技術(shù)中的現(xiàn)場預(yù)組裝施工技術(shù)是一種將地源熱泵系統(tǒng)的組件在預(yù)制車間或現(xiàn)場臨時(shí)組裝并調(diào)試，然后再進(jìn)行現(xiàn)場安裝的技術(shù)，這種施工方式能夠提高施工效率、降低施工風(fēng)險(xiǎn)，并確保地源熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。第一，地源熱泵系統(tǒng)的各種設(shè)備和組件，如熱泵機(jī)組、熱交換器、水泵、管道等，在預(yù)制車間或現(xiàn)場臨時(shí)進(jìn)行組裝，這包括連接管道、電氣線纜和控制系統(tǒng)等。預(yù)組裝的設(shè)備可以在車間進(jìn)行質(zhì)量檢查和測試，確保其正常運(yùn)行。第二，在設(shè)備預(yù)組裝完成后，進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試和測試[6]，這包括設(shè)備的性能測試、管道系統(tǒng)的漏水測試、電氣線纜的連通性測試以及控制系統(tǒng)的功能測試等。通過在預(yù)制車間或現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試和測試，可以盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。第三，完成設(shè)備預(yù)組裝和調(diào)試后，將預(yù)組裝好的設(shè)備和組件運(yùn)輸?shù)綄?shí)際安裝現(xiàn)場。在現(xiàn)場安裝過程中，可以大大降低施工時(shí)間和人工成本，因?yàn)楹艽笠徊糠止ぷ饕呀?jīng)在預(yù)制車間或現(xiàn)場完成。第四，在現(xiàn)場安裝完成后，進(jìn)行設(shè)備的聯(lián)調(diào)與調(diào)試，這包括設(shè)備之間的連接和調(diào)試、管道系統(tǒng)的沖洗和壓力測試、控制系統(tǒng)的調(diào)試與調(diào)整等。通過現(xiàn)場聯(lián)調(diào)與調(diào)試，可以確保地源熱泵系統(tǒng)的各個(gè)組件正常運(yùn)行，并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。第五，在現(xiàn)場預(yù)組裝施工過程中，需要進(jìn)行質(zhì)量控制，確保施工質(zhì)量和符合設(shè)計(jì)要求，這包括設(shè)備安裝的準(zhǔn)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(tǒng)的穩(wěn)定性等?，F(xiàn)場預(yù)組裝施工技術(shù)在地源熱泵施工中的應(yīng)用，能夠提高施工效率、降低施工風(fēng)險(xiǎn)，并保證地源熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過提前組裝和調(diào)試，在現(xiàn)場安裝時(shí)可以減少工作量和時(shí)間，提高工作效率，同時(shí)減少現(xiàn)場施工的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)。這種施工技術(shù)適用于各種規(guī)模的地源熱泵項(xiàng)目，從小型家庭系統(tǒng)到大型商業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)。

3.3 下管施工技術(shù)

地源熱泵施工技術(shù)中的下管施工技術(shù)是指將地源熱泵系統(tǒng)中的地埋管道埋設(shè)于地下的施工過程，下管施工技術(shù)的質(zhì)量和施工方式直接影響著地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效果和壽命。第一，要選擇適當(dāng)?shù)墓艿啦牧蠈τ谙鹿苁┕し浅Ｖ匾?，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(jù)實(shí)際需要和地質(zhì)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(jù)地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和建筑物的布局，進(jìn)行管道的布局設(shè)計(jì)，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(tǒng)的運(yùn)行效率，詳見圖3。第三，下管施工過程中需要進(jìn)行掘槽，將地下管道埋設(shè)于地下，掘槽的深度和寬度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，確保管道的安全埋設(shè)，掘槽施工過程中要注意地下管道與其他地下設(shè)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(jìn)行管道的連接，根據(jù)不同的管道材料，采用相應(yīng)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(jìn)行填埋與回填工作，使用合適的填充材料將掘槽填平，并進(jìn)行合理的壓實(shí)，填埋與回填工作的質(zhì)量直接影響地下管道的穩(wěn)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(dāng)?shù)墓艿辣Ｗo(hù)措施，如安裝護(hù)套、設(shè)置防震支架等，以增加管道的穩(wěn)定性和壽命。下管施工技術(shù)的正確應(yīng)用可以確保地源熱泵系統(tǒng)中的地下管道安全可靠地運(yùn)行。合理的管道布局和連接、掘槽施工的質(zhì)量控制與管道保護(hù)措施的采取，都對系統(tǒng)的性能和可靠性起著重要的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體項(xiàng)目的要求和地質(zhì)條件選擇合適的下管施工技術(shù)，并進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

圖3 管道布局設(shè)計(jì)

3.4 管道壓力試驗(yàn)

地源熱泵施工技術(shù)中的管道壓力試驗(yàn)是確保地下管道系統(tǒng)的密封性和承壓性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過進(jìn)行管道壓力試驗(yàn)，可以檢測管道系統(tǒng)是否存在泄漏或其他缺陷，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全性。

（1）在進(jìn)行管道壓力試驗(yàn)之前，需要進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備工作，確保管道系統(tǒng)已完成安裝和連接，并且所有的閥門、管件和連接件已經(jīng)緊固和密封，確保試驗(yàn)過程中能夠施加并保持穩(wěn)定的試驗(yàn)壓力。

（2）進(jìn)行管道壓力試驗(yàn)需要使用專用的試驗(yàn)設(shè)備，如壓力泵、壓力表、壓力傳感器等，根據(jù)試驗(yàn)壓力的要求選擇合適的試驗(yàn)設(shè)備，并確保其精確度和可靠性。

（3）進(jìn)行管道壓力試驗(yàn)時(shí)，通常按照以下步驟進(jìn)行：施加試驗(yàn)壓力，使用壓力泵將試驗(yàn)介質(zhì)（通常是水或氮?dú)猓┳⑷牍艿老到y(tǒng)，逐漸施加試驗(yàn)壓力。試驗(yàn)壓力應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，通常是系統(tǒng)額定工作壓力的1.5倍或其他規(guī)定數(shù)值。壓力保持在達(dá)到試驗(yàn)壓力后，保持試驗(yàn)壓力穩(wěn)定一段時(shí)間，通常是30 min 或其他規(guī)定時(shí)間。這樣可以觀察管道系統(tǒng)是否存在泄漏，并評估其密封性能。觀察和記錄，在試驗(yàn)期間，仔細(xì)觀察管道系統(tǒng)是否出現(xiàn)壓力下降或漏水現(xiàn)象。同時(shí)記錄試驗(yàn)壓力、時(shí)間和觀察結(jié)果等信息。

（4）完成試驗(yàn)后，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評估，如果管道系統(tǒng)保持試驗(yàn)壓力穩(wěn)定且沒有泄漏現(xiàn)象，則說明管道系統(tǒng)的密封性能良好，如果出現(xiàn)壓力下降或漏水現(xiàn)象，則需要找到泄漏的位置，并進(jìn)行修復(fù)或更換。

（5）在進(jìn)行管道壓力試驗(yàn)時(shí)，需要注意以下安全事項(xiàng)：選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)壓力，不超過管道系統(tǒng)和設(shè)備的承壓能力；確保試驗(yàn)過程中的工作區(qū)域安全，并遵守相關(guān)的安全操作規(guī)程；防止過高的試驗(yàn)壓力導(dǎo)致管道系統(tǒng)或設(shè)備的損壞。在試驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)壓力的變化，以免對管道系統(tǒng)造成過大的壓力沖擊。通過管道壓力試驗(yàn)，可盡早發(fā)現(xiàn)和解決管道系統(tǒng)的泄漏問題，確保地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的安全性和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，需按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行管道壓力試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)，以備后續(xù)參考和審查。

4 結(jié)語

在暖通工程中應(yīng)用地源熱泵技術(shù)是一項(xiàng)具有廣闊前景的研究領(lǐng)域。通過對地源熱泵技術(shù)的實(shí)踐研究，可以深入了解該技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定可靠等方面的優(yōu)勢特點(diǎn)，并為其應(yīng)用提供更加科學(xué)和可行的解決方案。地源熱泵技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中的高效節(jié)能特點(diǎn)使其成為可持續(xù)發(fā)展的重要選擇，通過地下能源的利用，地源熱泵系統(tǒng)可以有效地回收和利用能量，實(shí)現(xiàn)供熱和制冷的節(jié)能效果。再者，其在應(yīng)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(huán)境污染。地源熱泵技術(shù)在暖通工程中的實(shí)踐研究也揭示了其在高效節(jié)能、環(huán)境友好和穩(wěn)定可靠等方面的優(yōu)勢特點(diǎn)。通過進(jìn)一步深入研究和應(yīng)用，可以不斷提高地源熱泵技術(shù)的性能和效益，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的暖通工程貢獻(xiàn)力量。