地源热泵系统在建筑工程中的安装技术研究

罗新立

（中铁五局集团建筑工程有限责任公司，贵州 贵阳 550000）

伴随着我国整体经济发展水平的快速提升，环保问题逐渐成为现代发展进程中一大阻碍性因素，各国纷纷追求对资源的高效和重复开发利用。地源热泵系统作为集地热能交换系统、水源热泵机组以及建筑物系统于一体的供热空调系统，从起步到发展仅用了十几年时间。当前阶段，我国地源热泵系统通过大量应用实践，基本已形成一整套覆盖系统设计、材料供应、设备生产、工程安装等多个环节的产业链。尽管我国在地源热泵市场规模方面整体处于增长趋势，且较世界同期平均发展速度呈现超出迹象，但仍需直面地源热泵行业发展过程中的缺陷与不足，通过与实际情况的有效结合，确保地源热泵行业未来发展的健康性与稳定性。

1 地源热泵工作原理及分类

1.1 工作原理

相较于西方发达国家，我国地源热泵的开发与利用整体较晚，具体可追溯至20世纪末，并迅速在全国范围内普及。从系统原理角度来看，地源热泵主要是通过对水源热泵这一形式的有效利用，以水能和地能等为介质展开冷热交换，冬季“取”出地能中的热量，起到对室内的有效供给，被称为“热源”；夏季将室内热量取出，在地下水、地表水以及土壤中进行释放，也就是“冷源”。而从系统结构来看，地源热泵系统主要分为三个部分，即地源热泵机组、室内采暖空调末端系统及室内地热能换热系统。

地源热泵主要包括水—水式或水—空气式两种形式。三个系统在传递热量时，主要以水或空气换热为主要依据，而水源热泵与地能以及建筑采暖空调末端换热的主要介质主要有两种，一种是水，另一种是空气。

1.2 地源热泵的分类

按照室外换热方式，可将地源热泵系统分为三类：地下水系统、土壤埋管系统以及地表水系统。而通过对循环水密闭性进行分析，又可将地源分为闭环系统和开环系统两种。闭环系统的主要运行方式有地表水安置换热器方式和埋盘管方式两种；开环系统的主要方式为地表水和抽取地下水，另外一种为直接膨胀式，该方式直接在地下进行换热，将换热器直接埋入地下。

2 地源热泵中央空调系统在建筑工程中的应用特点

2.1 可再生性

地源热泵系统中的冷热源主要来自地球表面浅层地热资源，是一种通过能量的有效转化从而形成有效供暖。地下水、河流、地表土壤、湖泊等均属于地表浅层地热资源，其蕴藏了大量地热能、太阳能等低温位热能，总体来说均为一种地能资源。某种程度上，可以将地表浅层视为一种太阳能集热器，可对太阳所散发的能量进行收集，是人类年平均能量利用的500倍左右。除资源及地域等条件的限制之外，地源热泵中央空调系统还具有十分显著的特点，如量大、面广等。在某种程度上与可再生资源相似，可确保地能成为一种清洁度高的可再生能源形式。

2.2 节能性

地表浅层或地能资源常年稳定在相对可靠的温度，进入冬季后温度比环境空气温度相对较高，夏季则相反。该资源在环境温度中的特性，使地源热泵在运行效率方面超出传统空调系统的40%，相对减少了对成本费用的浪费，费用节省率达到40%左右。除此之外，地能的恒温特性，为地泵机组运行的可靠性与稳定性提供了保障，且在一定程度上使系统可以更加高效和经济地运行。

2.3 环境效益性

与空气源热泵系统的污染物排放量相比，地源热泵系统则有所改善，具体降低规模可达40%左右，与电供暖系统相比，大约可降低70%的污染物，若结合其他节能技术和措施，将取得更加显著的节能减排效果。目前，制冷剂在部分系统中的应用逐渐频繁，但与常规空调装置相较而言，在冲灌量上有所减少，整体降低率大约为25%，属自含式系统，主要指在工厂车间内事先将该装置进行密封处理，最大限度地减少制冷剂泄漏的可能性。根据对相关数据资料信息的初步预算和推测，若安装40万台地源热泵，其气体排放量约为60万t，相较于化石能源而言有所降低。与此同时，各空间的热泵空调安装有单独的能量分配器，可对温度进行自主调节。

2.4 易维护性

地源热泵系统在实际建筑工程中的有效应用，可避免建筑物后期在维护和保养方面的成本投入。一般情况下，锅炉供热系统对电能或燃料的转化只能达到70%～90%，故与电锅炉加热系统相比，地源热泵系统的节电能力更为显著，且稳定性相对良好，基本维持在10～25℃，3.5～4.4为其具体的制冷系数和制热系数，是常规空调运行费用的1/2左右。地源热泵中的机械运动部件相对较少，部件可在地下进行潜埋，同样也可在室内进行安装，并且可有效抵御建筑空间以外的极端恶劣天气。其地上和地下部件在有效年限方面有所区别，分别为50年和30年，由此可见，地源热泵系统对后期维护的要求相对较低，省去了大量的维护工作。

3 地源热泵室外地埋管系统安装

3.1 钻孔

在直埋式地源热泵实际施工过程中，需借助具体的钻机设备，并且对钻机深度有着较为明确的要求。通常需达到150～200m的深度，结合工程实际情况将钻头直径控制在100～150mm。但受钻孔深度较浅等因素的影响，在钻进方法上一般主要以常规循环钻进方法为主。目前，国内普通工程常用钻机主要包括工程勘察钻机、岩心钻机两种。在完成钻孔施工后需确保整个孔壁的完整性与平滑性。如果施工区地层土质质量相对较高，在钻进方式上可采用裸孔方式进行钻进；若钻进地段为砂层地质条件，且孔壁极其容易发生坍塌，则需下套管。在实际钻进过程中，泥浆密度一般需控制在1125g/cm3，从而形成相对稳定的孔壁，并降低泥浆浓度。在后期成孔过程中，最后上返的泥浆密度应升高至1108g/cm3，且泥浆中基本不含砂粒。

3.2 U型管的制备

以预先设计好的接管方案作为参考条件，制备相应的PVC型管，完成U型管弯接头的熔接作业，有效熔接接头。在场地内展开U管，顺利进入地下空洞，并进行防冻液的有效注入。注入防冻液的主要目的是提高U型管的整体质量，便于后期下管，并起到良好的传热作用。在对防冻液密封性进行全面检查，在检查确定无严重的泄漏现象后，在PVC管的U型接头处进行捆绑配种。通常情况下，配种材料以8～15mm的钢筋为主，结合所下PVC管的根数，对配筋数量进行有效确定，一般3根PVC管配1根钢筋，5根PVC管则配2根筋。

3.3 下U型管

在建筑工程地源热泵系统安装施工中，最为关键的环节就是下放U型管，因为采取热量的总量取决于U型管的下放深度，故需确保U型管下放深度的精确性。依据热交换原理，对U型管的下放深度进行确定，相关计算应以下管长度为依据。通常情况下，下U型管的方法主要以人力下管为主，其优势在于可对U型管的完好程度进行有效判断，并且可将人力完全深入地下空洞。在具体施工过程中，受孔内复杂性情况的影响，U型管下放过程中可能受到来自孔壁摩擦阻力的影响，针对这种情况，可将粗麻绳直接套在PVC管上，通过加力杠杆作用于粗麻绳上，为U型管下放提供便利。

3.4 灌注

注浆主要是为了有效填充U型管和钻孔孔壁之间的空隙，促使其传热性能的有效发挥。通常，选用热阻抗较小的填充材料，有助于提升系统整体的运行效率。目前国外主要是将钻孔内所取出的岩土体进行回填，但在具体操作上难度较大，因此，在具体灌注过程中主要选用特殊物质制成的材料。此外，在实际注浆过程中，还应确保注浆的连续性，避免对系统传热效果以及工程质量的直接影响。

4 地源热泵系统在建筑工程中应用的两点建议

4.1 加强行业政策的有效引导作用

当地相关政府部门应充分发挥带头作用，创新性地将地源热泵系统引入政府所承建的相关工程项目中，通过技术带头应用形成良好的推广。其次，进一步加大对地源热泵系统的宣传与普及，促使消费者以及相关开发商更加全面、系统地认识和了解地源热泵技术，引导其树立正确的环保意识、节能意识以及低碳消费意识。

4.2 加大法律法规执行力度

在地源热泵技术实际推广过程中，应充分发挥当地政府管制作用，通过各种法律法规的有效制定与完善，促使管理作用的全面发挥。从本质角度来看，政府管制主要指通过创新性地使用可再生能源建筑，加快完成对相关节能指标以及污染指标的有效制定，提高建筑工程在实际开展环节的各项要求，鼓励和支持开发商在建筑工程设计过程中引入节能环保理念和技术。与此同时，应进一步加大执法力度，通过政府执法来保证地源热泵中央空调系统在建筑中的应用推广，针对存在与标准不符的问题，要承担相应的责任。

5 结束语

综上所述，地源热泵工程中所呈现出的一系列问题，反映了其在实际安装过程中科学性和规范性的极度匮乏，且随着科技的不断进步与完善，建筑工程地源热泵的安装与施工中涌现出一大批新技术、新材料、新工艺。地源热泵技术在建筑暖通工程中的合理应用，不但能够有效降低工程整体的能源消耗，还能削弱建筑的实际消耗，在建筑节能方面发挥积极的作用。此外，在实际工程应用中，还应严格控制地源热泵装置的安装质量，确保地源热泵的运行更加安全、稳定，从而全面发挥系统的实际节能作用。