地源热泵埋管系统应用设计与施工工艺研究

地源热泵埋管系统应用设计与施工工艺研究
发布时间：2021-07-16T08:23:04.926Z 来源：《防护工程》2021年8期作者：杜进华
[导读] 本文对项目的工况进行简单地介绍，明确地源热泵埋管系统的运行原理。

结合实际总结系统应用设计要点，即地下水源选择、人工回灌、水井设计、系统设计。

阐述地源热泵埋管系统施工工艺，应该实施地埋管平面布置分析、基坑钻孔埋管、孔井回填、地源热泵埋管系统“三试压”。

杜进华
上海碧晨国中能源工程有限公司 201112
摘要：本文对项目的工况进行简单地介绍，明确地源热泵埋管系统的运行原理。

结合实际总结系统应用设计要点，即地下水源选择、人工回灌、水井设计、系统设计。

阐述地源热泵埋管系统施工工艺，应该实施地埋管平面布置分析、基坑钻孔埋管、孔井回填、地源热泵埋管系统“三试压”。

关键词：地源热泵埋管系统；应用设计；施工工艺
引言：现阶段，节能和环保理念在国际范围内受到充分地认可，各个国家逐渐加强对可再生资源的重视度，实施科学的开发和利用。

地源热泵系统是效果最为明显的冷暖中央空调技术，这个系统在夏天时不需要配置冷却塔，冬天不需要燃气、燃油和燃煤，夏天可以供热、冬天能供冷。

一、项目工况
天津市宁河区煤改电项目，该项目的总面积为100万m2。

天津市宁河区致力于打造蓝天保卫计划，为区域内的26个村，17000户居民进行集中供热改造，彻底消除传统的小煤炉取暖，提升供暖的节能性、清洁性和安全性。

本项目的疑难点为农村规划较为分散，影响集中供暖施工工作；农村部分供暖设备较为老旧，无法与新设备进行匹配。

因此，在施工时应该科学应用地源热泵系统，及时改造旧的系统，优化埋管模式。

地源热泵系统的运行原理为：利用双管路水系统把建筑物中的地源热泵进行连接，从而形成一个封闭环路的空调系统。

因为大地深处具有冬暖夏凉且温度波动较小的属性，所以在地下埋设管道，借助循环闭水对热量进行交换，这样就能消耗较少电量来驱动热泵进行供暖和制冷工作[1]。

二、地源热泵埋管系统应用设计要点
（一）地下水源选择
应用地源热泵时，要对地下水进行科学把控，保障水温适宜、水量充足、供水稳定以及水质良好。

要以工程的实际情况为出发点，探究能否借助地下水源。

项目工程的需水量，主要由它的冷热负荷以及水温决定。

满足要求的地下水位：水文地质的特点为砾石、卵石、砂以及断裂区域；含水层的厚度不能低于5m；冬季时水温在零上10℃以上。

同样，需要对水质情况进行分析，明确浑浊度以及砂砾的含量，必要时需要检查水的化学属性。

因为浑浊度过高或者砂砾含量过多的地下水会磨损或者腐蚀管壁，回灌时易发生堵塞的情况。

所以，地下水的含砂量要控制在20万分之一以内，浑浊度需要控制在20mg/L，矿化度不能高于3g/L。

如果地下水的腐蚀性较强，设计人员在规划时应该提升整体的抗腐蚀性。

（二）人工回灌
我国的水资源较为稀缺，相关部门对地下水有着严格的管控措施，规定除非拥有较大的需水客户进行二次使用，否则一定要实施回灌。

此外，为了保障地源热泵埋管系统能处于稳定的运行状态，需要对水位进行调节，保障储量处于平衡的状态。

为了规避实施回灌的地下水因为短路的问题出现又被抽回的情况，应扩大取水井和回灌井之间的距离。

虽然目前国际没有发布明确的回灌水标准，但是它的水质应该等同于地下水，这样才能避免回灌后出现污染的情况。

因此，应用设计时要对以下要点进行把控：（1）保证地下水在封闭的系统中实施输送。

（2）地源热泵埋管空调系统与地下水直接接触的区域应使用耐腐蚀的构件。

（3）取水和回灌水管路上应配置水表和采集样品的旋塞阀。

（4）要制定明确的地下水检查计划，并向有关部门提交备案的结果。

（5）如果地下水井存在异常情况，比如出现异物或者化学物质，要立即与有关部门取得联系，采取对应的处理措施[1]。

（三）水井设计
首先，应该根据水文地质情况进行设计，对回水井和给水井的井距、井深以及井径进行科学地把控，采取一给多回的模式，确保能对所有的热源水进行回灌，避免造成污染。

其次，要把给水井设置在地下水的上游区域，把回水井设置在地下水的下游区域。

在处理地下水流淌速度较慢的区域时，应把回水井设计在水井漏斗曲线的范围内。

最后，要想提升水井的耐用性，给水井和回水井可以进行交替使用。

（四）系统设计
在对地源热泵埋管系统进行应用优化设计时，要对热湿负荷的数值进行严格地把控，掌握流动阻力情况，确定具体的循环泵扬程以及主机功率，同时借助变频设置提高地下水的利用率，这样才能提升循环系统的能量消耗。

三、地源热泵埋管系统施工工艺
（一）地埋管平面布置分析
当确定地源热泵埋管系统之后，要对地埋管的平面进行科学把控，对现阶段的地埋管的热换器情况进行分析，应以线热源的理论为基础，结合每年最冷月和最热月的负荷以及热能情况进行分析，根据热泵机的季节性的系数从而明确埋管热器的具体尺寸。

在处理热换器时要对这些问题进行重点地把控：第一，结合项目的根本特点以及实施的条件，确定建筑的实际峰值负荷情况，并且同步实施计算工作明确系统的制冷量以及制热量[1]。

第二，结合之前计算出的制冷量和制热量的数值，参考项目对制冷以及供热的参数需求和系统的机组性能，最终确定使用的热泵机的型号与规格，在获取整个机组在实施制冷或者制热时流体流出的最高或者最低的限值，明确热泵制冷和制热的属性。

第三，计算在地源热泵埋管系统峰值负荷的时候埋管换热器需要承担的热负荷。

第四，结合埋管换热器的传热和热负荷情况，明确具体埋设管道的管径、深度、管内流速情况以及管子之间的距离，明确埋设管道的数量以及水的温度，从而形成完整的制冷和制热结构。

（二）基坑钻孔埋管
因为项目的施工密度较大，所以可以采用基坑钻孔的模式，要结合工程项目的重难点、特点和要求，科学地应用各项施工工艺。

第一，在实施施工打井操作，随后再开展挖土方的操作，当完成建筑桩基的沉桩工作后对未开挖的区域进行竖管，当完全完成基坑挖掘后，再进行横管施工。

利用这项施工工艺，能减少对地层土层的扰动，缩小坑底的暴露时间。

但是在施工的过程中存在一定的局限性，因为在挖掘基坑时可能会对竖管造成影响，需要增加钻孔的深度，导致管材过度地损耗。

第二，先进行开挖，再进行施工。

当完成建筑物桩基的沉降工作后，在开挖时先埋管同步推进施工，然后再进行垫层操作。

这项施工的主要优势为地埋管的施工难度有所降低，但需要对土层进行大范围地搅动，坑底将长时间暴露在空气中。

并且会对土建的施工周期造成一定的影响，导致坑内的余土量增加，提高泥浆清洗的难度。

第三，利用预留施工法进行操作，应该进行二次浇层处理。

在进行第一次浇层的时候，应该对地埋管施工的区域进行定位，并预留70cm左右的横沟，当完成横管施工操作后再开展二次浇筑工作。

这个施工操作的主要优势为不会对坑底的土层进行过度的搅动，施工量较少，难度较低。

它的主要局限为需要增加二次垫层的施工成本，对土建工程施工周期的影响较小。

第四，使用二次垫层法进行施工操作，进行土建施工时应该先开挖再进行浇垫层操作，随后跟进地埋管施工。

在第一次垫层的上面设置横管，再在横管的上面浇筑第二次的垫层。

这项施工工艺的优势为避免对地层的土层造成扰动影响，地埋管的操作较为简单，施工时间较短，但存在二次土建的费用。

经过多次的分析和探究，如果基坑在后期操作时存在反梁，那就可以采用二次垫层施工法。

如果没有设置反梁，就可以使用预留施工法。

值得注意的是，无论使用这四种方法中的哪一种，为了避免竖管施工对桩基承载力的影响，都应该在桩基沉降后再进行施工。

（三）孔井回填
在进行地源热泵埋管系统施工时，应该采用基坑钻孔的施工模式，所以要对孔径回填进行重点把控，为了提升换热的效果，提高土建结构的稳定性，本项目应该综合应用水泥与膨润土混合、黄沙和膨润土混合的模式进行填充。

这两个方案都存在一定的优势和局限性。

水泥与膨润土混合不会对桩基的承载力造成较大的影响，并且能对回填的各项不确定因素进行把控，优化埋管的热换量。

在回填横沟时使用黄沙和膨润土混合进行填充，在底部铺设黄沙，再在上面覆盖粗砂。

在对横管处理时要进行浅埋，防止压力过大出现变形的问题。

（四）地源热泵埋管系统“三试压”
水压试验在整个施工中占据着重要的地位，要对施工的质量进行重点把控。

在试压时应贯彻以下的原则：第一，当试压的压力小于0.8MPa时，应在管道系统可以放在试压包内进行检验。

第二，在探究试压数值时要以高点压力数为基准，气压以现场压力表中的数为基准，要详细采集各项数据。

第三，在实施试压时环境温度不能低于5℃，如果温度不足，要进行防冻处理。

第四，当各项数据符合要求后，要立即泄压排水，避免管道出现破损。

结论：综上所述，地源热泵埋管系统是一项新型的节能、节能、环保的技术，有效避免煤尘的污染，利用智能化技术，减少劳动量，降低成本支出，具有广阔的发展前景。

所以在施工时应该综合把控应用设计和施工工艺，为地源热泵埋管系统的发展提供坚实的助力。

参考文献：
[1]张荣，张勇，刘凯，等.西北地区太阳能－地源热泵复合供热系统应用分析[J].能源与节能，2020(09):53-56.
[2]陈冠廷.太阳能耦合地源热泵地板供暖系统优化及预测研究[D].重庆交通大学，2019.
[3]李宗翰.寒冷地区绿色建筑地源热泵设计预期与实际运行差异性分析[D].沈阳建筑大学，2019.。