1、浅议火车站地源热泵施工难点及改进的建议1. 地源热泵工作原理1.1 地源热泵定义地源热泵（ground-source heat pump system）：以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。1.2 地源热泵的由来及工作原理“地源热泵 “的概念，最早于 1912 年由瑞士的专家 Zoelly 提出，而该技术的提出始于英、美两国。1946 年美国建成第一个地源热泵系统。1998 年美国商用建筑的地源热泵空调系统已占到空调保有量的
2、19%以上，其中在新建筑里面占到 30%，并以每年 10%的速度增长。目前由于能源消耗的急剧增加，热泵作为一种通过消耗高品位能源，把热量由低温级上升到高温级的特殊装置而受到人们的青睐。地源热泵在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，它替代锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，像建筑物供暖。如图一所示：图一：地源热泵冬季供暖地源热泵在夏季可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热将室内的余热转移到低位热源中，达到给建筑物制冷的目的。如图二所示：图二：地源热泵夏季制冷我国地源热泵技术的研究始于上世纪 80 年代。由于国家对建筑节能的重视，尤其对公共建筑节能性严格的执行，使得国内地源热泵
3、备受关注，地源热泵的蓬勃发展使得地源热泵的技术日趋成熟。本文就武广客运专线火车站房（以下简称火车站）所采用的地埋管式地源热泵，对地源热泵做一个简单的介绍，并对实际施工中存在的一些施工问题做出简单的讨论分析。2. 工程简介武广客运专线火车站房采用大跨度网架屋面及玻璃幕墙结构，这种结构散热面大，对空调系统要求高。本工程采用地源热泵系统和集中中央空调系统，配合 VRV 变频系统。地源热泵的采用弥补了集中中央空调运行成本，生命周期成本高的缺点，节约了能源，降低了成本。火车站采用地埋管式地源热泵又称地下耦合热泵系统。地埋管换热系统（ground heart exchanger system）是一种传热介
4、质通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换的地热能交换系统。本工程地埋管采用竖直地埋管换热器。夏季进口水温 36，出口水温 32，释热量 7184KW；冬季进口水温 6，出口水温 9，吸热量 4924KW.按满足冬季供暖负荷设计，地埋管管材为 100 级（承压 1.6MP）的 HDPE,地埋管采用 DN32 双 U 型连接，垂直埋管，钻孔直径 =170mm，南北区共 1500 个孔，钻孔深度 104 米，管埋深度 103 米，水平埋管采用同程式连接。图三为垂直地面管换热器安装示意图。图三：地埋管换热器安装示意图3. 地源热泵空调系统施工工艺流程地源热泵空调系统的施工主要包括：地下埋管系统的
5、施工，地源热泵机组及其他设备的安装。本工程地下埋管系统包括地埋管换热器的垂直埋管，以及环路的水平管安装。3.1 垂直埋管的工艺流程如下图：地埋管钻孔编号地埋孔测量定位钻孔孔径孔深核查管道预制 、 冲洗一次水压试验下管地埋孔回填 、 封堵图四：垂直地埋管换热器施工工艺流程（1） 地埋管测量定位：地源热泵系统工程技术规范规定钻孔孔径 不宜小于 0.11m，钻孔间距应满足换热需要，间距宜为 36m。本工程钻孔直径 =170mm，间距 3.54.5 米，施工过程中如若遇到地质条件不允许的情况下，按规范调整，不影响换热效果。（2） 钻孔：垂直埋管根据管深分为浅层（30m ） 、中层（30100m）深层（
6、100m） 。本工程管深 104m，设计下管 103m。采用冲压式机械钻孔。施工过程，钻杆没下 20m 后对钻机本体水平度复核，严格控制误差不超过 5。（3） 管道冲洗、试压：双 U 管下管前，用清水加压冲洗，直到管内水色一致、无颗粒杂质；管接头内外表面用干布擦拭，保持干燥、无污染。本工程管道采用 HDPE100 高密度聚乙烯管，公称外径 de 为32mm，管接头加热时间按下表的参数控制，确保熔接质量。未熔透或过熔的接头清除后重新熔接，清除长度不小于 6 倍管径。参数控制表公称外径（ mm）热熔深度（mm）加热时间（s ）加工时间（s ）冷却时间（s）32 20 8 4 4管道试压：双 U 型
7、管预制完成后，将双 U 管灌水后加压至 1.6Mpa，稳压时间约为 15 分钟，稳压后压力降不超过 0.048Mpa，检查各接头连接处是否有渗漏。确认 PE 管完好无漏水现象后，管两头降压至0.6 Mpa，分别用压力表和堵头封闭，等待下管。（4）下管，回填：本工程采用人工下管，回填。填充材料选择热阻比较小的材料可以提高整个系统的效率。本工程采用黄沙回填。回填完毕将管头埋入土中约 70CM，做好成品保护。（二）水平管施工工艺流程：垂直管管头开挖垂直管试压管沟定位放线管沟开挖水平管敷设连接垂直管分区试压管沟回填。（1）垂直管管头开挖：前期垂直管成品保护将管头埋入土层下 70cm，水平施工前先将管头
8、挖出，开挖时采用人工开挖，小心不要破坏垂直管。（2）垂直管试压：管头挖出后应进行试压，实验压力 0.6MP，稳压 15分钟，无泄露为合格。（3）管沟开挖：规范规定水平连接管的深度应在冻土层一下 0.6m，且距地面不宜小于 1.5m。本工程南区水平埋管深 2m，北区深 3m。水平管管沟放坡按沟槽开挖按 1：0.25 放坡，沟底宽度按表二施工。管径（mm） 沟底宽度 B（mm）150de300 De+400450de800 De+600表二：沟底最小宽度管道沟挖好后，沟底应夯实。（4）水平管敷设：水平环路敷设前先在管沟底部应先铺设 200mm 的细纱，拐弯处采用角钢+圆钢抱箍固定。 （5）连接垂直
9、管：垂直管管头有约 2 米预留，采用管材自然弯曲，不另加弯头，连接时采用电熔连接。（6）分区试压：单个区的水平施工完毕后，将主管接至集分水井后进行一次试压，实验压力 0.6MP，稳压 30 分钟，压力降不大于 0.018 MP为合格。（7）管沟回填：管道敷设后再铺一层 20cm 的细沙。回填土颗粒采用网孔不大于 15mm15mm 的筛进行过筛。槽底至管顶以上 50cm 范围内，不得含有机物、冻土以及大于 50mm 的砖、石等硬块。图五：沟槽及回填示意图4. 地埋管施工中难点、重点及总结本工程的地埋管在实际施工中由于工作面大，以及火车站施工的特殊性即与土建、铁路箱梁施工以及安装内部的交叉作业面积
10、大，产生许多新的施工难点。而且笔者是第一次接触到地埋管的施工，HDPE 管也是一种新型的材料，地源热泵作为一种新型的节能空调系统，理论和实践方面，笔者的经验都是不足的，但经过不断的学习，以及在实际施工中的积累，逐渐将施工中的一些难点、重点总结起来供大家参考，讨论。（1） 钻孔：本工程钻孔采用汽车钻机，由于很多钻孔位置在于箱梁下，而汽车钻机的高度超过了箱梁底标高。针对这个问题我们采用先用挖土机在施工面挖出一个较低的工作面进行施工。在实际施工中由于武汉地表水的丰富，往往在开挖几米深的时候就会挖出地下水，形成泥浆，对现场文明施工以及箱梁的成品保护造成一定的影响。于是我们采用在一个施工区域旁挖出一个大
11、的集水坑，采用沟渠排除泥浆，对施工可能污染到的箱梁进行局部彩条布包裹，以实现对箱梁的成品保护。（2） 下管：由于地质条件的复杂，容易造成孔井内部塌陷，造成下管困难，下管实际深度不够，其次地下水的丰富，容易造成钻孔后孔井内大量积水，水的浮力使得下管困难。目前尚无好的解决方法，只能采取回填塌陷的废孔，另择地钻孔，增加劳动力克服下管的苦难。（3） 回填：回填是施工中影响最终质量的关键。此工程采用人工回填，回填料采用黄沙。理想的填料应该具有高导热系数，快速凝结性，合适的膨胀系数，以及良好的流动性。在本工程中回填料最初选定的是膨润土加黄沙以 1：10 的配料进行回填，但在实际施工中发现，由于膨润土的吸湿
12、膨胀特性，容易黏着在孔壁，造成回填困难，后采用纯黄沙回填，并及时加水增大黄沙的流动性。但由于地质结构的复杂性，黄沙还是容易粘着在黏土层，所以一般采取二次或者多次回填，但回填效果还是不理想。是考虑到回填对换热效果的影响，笔者认为采用水泥砂浆作为回填料，采用反浆回填（backfilling）方法，即下管前先布好一根注浆管， 然后用高压泥浆泵把回填料压到伸入井底的管子中，使回填料向上溢上来的方法，这样能避免回填料存在的气隙，达到回填充分的效果。这种方法的成本要高于人工回填，但能保证换热效果。（4） 试压：本工程的试压一共有五次。第一次：竖直地埋管换热器插入钻孔前，应做一次水压试验。在1.6MPa 的
13、试验压力下，稳压至少 15min，稳压后压力降不超过3%， 应无泄漏现象。将其密封后，带 0.6MPa 的压力下管，回填完毕后保压一小时。第二次：水平埋管换热器放入沟槽前，做一次水压试验，其试验内容和垂直埋管一样。第三次：地埋管换热器与环路集管装配完毕后，回填前进行第三次水压试验。在 1.6MPa 的试验压力下，稳压至少 30in，稳压后压力不超过 3%，且无泄露现象。第四次：环路集管与机房分集水器连接完成后，回填前应进行第四次水压试验。在.6MPa 的试验压力下，稳压至少 2h，且无泄漏现象。第五次：地埋管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后进行第五次水压试验。在.6MPa 的试验
14、压力下，稳压至少12h 稳压后压力降不超过 3%。由于系统分区比较多，水压试验比较多，地埋管又属于隐蔽工程，特别在以后如果出现问题的情况下，再进行维修困难很大。因此做好每一分区，每一步骤的水压试验对以后的系统调试和维修都是很有必要的。五. 地源热泵系统三种形式对比地源热泵系统分三种形式：一种就是本工程所用的地埋管换热系统，另一种是与地下水进行热交换的地热能交换系统，即地下水换热系统（groundwater system） ，第三种是与地表水进行热交换的地热能交换系统，即地表水换热系统（surface water system） 。地表水换热系统包括开式和闭式。开式地表水换热系统（open-lo
15、op surface water system）：地表水在循环水泵的驱动下，经处理直接流经水源热泵机组或通过中间换热器进行热交换的系统。闭式地表水换热系统（closed-loop surface water system）：将封闭的换热盘管按照特定的排列方法放入具有一定深度的地表水体中，传热介质通过换热管管壁与地表水进行热交换的系统。图六：闭式地表水换热系统由于地下水换热系统涉及井水的回灌，施工技术国内还不是很成熟，容易造成地面下沉，而开式地表水换热系统取水量受地表水位的影响，且容易造成水污染，所以本文针对火车站的具体施工主要就地埋管换热系统和闭式地表水换热系统进行对比。表三：地埋管换热系统与
16、闭式地表水换热系统的比较类型 地埋管换热系统 地表水换热系统水资源法规 不受限制，国家保护 受限制，需审批地理纬度 适用我国长江以北地区 要求地表水温冬季大于 7C，夏季小于 30C建筑物与地源距离 不受影响，在建筑物周围垂直埋管即可取水距离不宜过远寿命及可靠性 不受影响，地下埋管可使用 50 年输水管道的使用寿命比土壤源垂直埋管低初投资成本 钻孔施工费高，钻孔技术含量高土方开挖费用低，技术含量低施工难度 施工过程中回填效果不理想，钻孔的灰尘泥浆，噪音易造成环境污染，工期长。施工简单，工期短。后期维修及调试 隐蔽性工程，维修不方便，不能更换换热器，打压调试繁琐半隐蔽工程，可以维修更换换热器。从
17、以上表格我们可以看出，和地埋管换热系统比，闭式地表水换热系统虽然有一些缺点，但具体到本项目，闭式地表水换热系统可能更适合。首先，武汉地表水丰富，火车站周围就有现成的水源东湖，武汉地区的地表水换热系统的水源深度达到 4m 左右基本就能满足换热要求，我们可以考虑将浅水湖人工开挖达到 780m 以达到更理想的换热效果。 其次针对地表水换热系统输水管道的使用寿命比地埋管换热系统低的情况，由于闭式地表水换热系统的换热器可以更换，因此在一定使用年限下可以将换热器进行维修及更换，而作为百年工程的火车站，地埋管最大使用寿命为 50 年，可能不到 50 年就会出现地埋管换热系统无法使用的情况。再者，可以通过在作
18、为地表水源的湖面种植荷花之类的观赏性水生植物，一方面可以在夏季降低地表水表面温度，起到一个保持水温的作用，另一方面这也将成为这个城市的一道风景线，在枯燥的旅途中，一到武汉站，接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红，直把东湖比西湖，这即是一段美好旅途的开始，也是旅途终点新的希望的起点。这种人文环境的塑造是地埋管换热系统所无法比拟的。六 结束语随着我国经济的发展和人民生活水平的提高,能源已经成为制约国家发展的瓶颈，高效环保节能的供热和制冷空调已成为城镇居民的基本生活需求； 随着国家对建筑节能的重视和倡导，以清洁、可再生的地热源为能源的地源热泵将成为空调系统的主流，地源热泵市场前景看好。随着对地源热泵技术的不断研究，地源热泵技术也逐渐趋向成熟，然而在施工方面，施工工艺有待于总结。地源热泵地下换热系统属于隐蔽工程，设计寿命一般情况下不低于 50 年，在换热器材质及制备方法，换热器安装手段，回填料选择及回填方式，水力平衡措施等方面都缺乏切实可行的技术规范，而我公司更是缺乏地源热泵施工的经验，如何抓住地源热泵发展的契机，培养一批能承担地源热泵设计，能有效的组织施工设计、管理的专业人才；编制相关的施工规范， ；树立自己的品牌，独立承担相关的安装业务，这些都值得我们去思考，讨论。我们相信，在以后的实际施工中，不断的总结，提高，我们会做得更完美，在地源热泵施工领域取得更大的成绩。参考文献
