地源热泵施工工艺

□文 /王树伟

在夏季空调、冬季采暖与供热所消耗的能量占建筑物总能耗比例很高。特别是冬季采暖用的燃煤锅炉、燃油锅炉的大量使用，给大气环境造成了极大的污染。因此，建筑物污染控制和节能已是国民经济发展的一个重大问题。传统的采暖空调模式因其产生的环境污染的正面临着严峻的挑战[1]。地源热泵是利用自然环境地表层下贮存的能量，通过吸取、传送、制冷剂循环等系统提高或降低室内温度，提供一个舒适的室内环境。

1 工程概况

天津陈塘科技商务区1-2号地项目分为办公楼和酒店2栋建筑，总建筑面积为103 200 m2，地源热泵系统主要用于办公楼，空调形式为风机盘管。供热时采用地源热泵冷热水机组供热，在能量无法满足时采用2台燃气真空热水机组作为辅助热源，供冷时采用地源热泵冷热水机组供冷，水池单独供冷，地源热泵冷热水机组和水池联合供冷，地源热泵冷热水机组蓄冷四种模式。

2 施工工艺

2.1 钻孔成井

钻孔施工前应对埋管现场的地质情况进行了解，对现场进行勘察，特别要注意是否有地下管线及其准确位置。对地面进行清理，平整场地，确定钻孔具体位置。

2.1.1 测量定位

由专门的测量人员，利用全站仪或经纬仪定出井位控制网，依据控制网逐一定出井位，井位误差≯10 cm并用木桩标示出井口。

2.1.2 引孔

引孔采用XY-100型或XY-150型钻机引孔。钻机就位前，先核对孔位，就位后调平钻机，挖孔泥浆池。

1）泥浆池。每4个井位设置泥浆池1个，尺寸1 m×1 m×1 m，各钻孔口应挖明沟与泥浆池形成循环回路，严禁泥浆在地面散流。泥浆池装满泥浆后，应及时运到指定地点排放，4个钻孔完成后，应及时回填泥浆池[2]。

2）钻进。用直径150 mm三叶钻头或岩芯管钻进，采用泥浆护壁，钻至基岩30 cm后即可终孔。

3）下套管。成孔后，检查是否有垮孔情况，确认无垮孔后，拆除钻杆，用钻机下放φ146 mm套管，至基岩面。

2.1.3 潜孔锤钻机施工

引孔完成后，潜孔锤钻机就位，采用DML-80型潜孔锤钻机施工。

1）首先用潜孔锤钻机下压套管，检查套管是否下到基岩面。

2）做好防尘准备。在钻机开钻前，用木桩或防尘布在孔周围形成围栏，防止飞浆或飞尘。

3）开启空压机。采用用1台"阿特拉斯"中高风压空压机。

4）利用110冲击器钻进，直至达到设计要求。钻进过程中，如果有较大灰尘溢出，则在钻杆中加入适量清水，保证钻进过程中没有岩尘飞溢[3]。

2.2 预制PE管

PE管的预制是将需要下井的PE管、连接件（U型弯等）制作成型，U型弯采用两个90°角弯热熔承插连接，U型管下部端头应设保护装置。

竖直地埋管换热器的U型弯管接头，选用定型的U型弯头成品件，不宜采用直管道人工弯制。

竖直地埋管换热器U型管的组对长度应能满足插入钻孔后与环路集管连接的要求（原则上管道中间不应许有接口），预制好的PE管进行压力试验，试压合格后，管道内维持0.6 MPa的压力，为监控方便，压力表不必拆卸，组对好的U型管的两开口端部，应及时密封。U型管制作试验合格，宜成卷打捆堆放，表面用彩条布覆盖避免在阳光下直接照射，以防发生热变形。

2.3 PE管的下管

竖直地埋管换热器U型管安装应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行。当钻孔孔壁不牢固或者存在孔洞、洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管。钻孔完毕后孔洞内有大量积水，由于水的浮力影响，将对放管造成一定的困难；而且由于水中含有大量的泥砂，泥砂沉积会减少孔洞的有效深度。因此下管过程中，U型管内宜充满水。下管前应将U型换热管与灌浆管捆绑在一起并采取防止U形管上浮的措施。在孔口处放置麻袋之类的衬垫物品,以防止下管过程中换热管磨损而导致其耐压等性能下降。

埋管深度及孔内地下水（或泥浆）水位较浅时，宜采用人工下管。当下管较困难时，可采用机械下管。U形管底部用软质塑料带等进行绑扎，使下井的机械叉不直接与U型PE管接触，防止碰坏U形管，机械下管时顺着井口缓慢下井，PE管操作手注意下管时的机械重量，要求以机械钻杆自重下管，不需外力，当垂直下到井底，操作手查看压力表的压力，当原有压力无下降时，即下管成功。

下管完毕后，留在井口处多出的PE管应卷成圆状，用彩条布等物加以保护并设置禁示牌。

2.4 灌浆和回填

U型管安装完毕后，应立即用灌浆材料回填封孔，隔离含水层。

回填浆料中不得有大粒径的颗粒，灌浆回填料一般为膨润土和细砂（或水泥）的混合浆或其他专用灌浆材料。膨润土的比例宜占4%～6%。钻孔时取出的泥砂浆凝固后如收缩很小时，也可用作灌浆材料。如果地埋管换热器设在非常密实或坚硬的岩土体或岩石情况下，宜采用水泥基料灌浆，以防止孔隙水因冻结膨胀损坏膨润土灌浆材料而导致管道被挤压节流。

地埋管换热系统应根据地质特征确定回填料配方，回填料的导热系数不应低于钻孔外或沟槽外岩土体的导热系数[4]。

当埋管深度超过40 m时，宜采用机械方式进行灌浆回填，使用泥浆泵通过灌浆管将混合浆灌入孔中的过程。泥浆泵的泵压足以使孔底的泥浆上返至地表，当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时，认为灌浆过程结束。灌浆时，应保证灌浆的连续性，应根据机械灌浆的速度将灌浆管逐渐抽出，使灌浆液自下而上灌注封孔，确保钻孔灌浆密实，无空腔，否则会降低传热效果，影响工程质量。灌浆完毕钻机可移位，12 h后进行检查，如未满进行一次人工补浆。

2.5 水平管沟开挖

下井完毕根据施工图尺寸、位置在施工现场画出管沟开挖位置线。采用小型挖掘机或人工进行开挖至施工图规定深度并用人工进行平整。

按照施工图要求进行垫层找平进行找平并留有一定坡度，方便水平汇总管有一定坡度方便排气。

回填料应采用网孔≮15 mm×15 mm的筛进行过筛，保证回填料不含有尖利的岩石块和其他碎石。为保证回填均匀且回填料与管道紧密接触，回填应在管道两侧同步进行，同一沟槽中有双排或多排管道时，管道之间的回填压实应与管道和槽壁之间的回填压实对称进行。各压实面的高差不宜超过30 cm。管腋部采用人工回填，确保塞严、捣实。分层管道回填时，应重点做好每一管道层上方15 cm范围内的回填。管道两侧和管顶以上50 cm范围内，应采用轻夯实，严禁压实机具直接作用在管道上，使管道受损。

2.6 水平管连接

将单口能源井管道单独汇总至检查井集分水器，如条件允许可采用同程敷设。其优点是检修方便，在单个能源井出现泄漏的情况下，关闭该回路即可，不影响其他回路正常使用。

水源热交换器一般宜设置成多个系统接至热泵机房，方便系统检修和调节。

水管坡度应坡向土壤换热器集分水器，严禁倒坡。

在场地限制的情况下，为防止热短路，水平管道供回水管宜分层铺设，但上下两层PE管之间必须有100～200 mm的黄砂回填层。

水管在铺设时严禁管道上下蜿蜒，造成管道积气。

水管应在水平方向蜿蜒铺设，留有一定膨胀、收缩空间，避免管道应热胀冷缩影响管道使用寿命。

2.7 水平管沟保护回填

在水平沟上方铺一层黄砂保护管道，管道连接并试压验收合格再进行回填黄砂，如果在建筑物底埋管或者有其他要求时候，黄砂上面再捣一层素混凝土。

3 结语

地源热泵系统在技术上已经成熟，通过现场的实际施工可以充分验证这一点。地源热泵系统在制冷时配合蓄冷水池能更好的节约能源；地源热泵系统存在地域性，在北方冬天运行时需考虑吸热时是否会导致地下热量不平衡；地源热泵系统的寿命基本可以和建筑寿命相当。