地埋管地源热泵技术项目应用及施工监理控制要点分析

摘 要：地源热泵技术已经开始广泛用于空调系统和制备生活热水，现对地源热泵技术的发展及其优缺点进行介绍，在此基础上，分析了地源热泵相关施工技术和监理控制要点。

关键词：地源热泵;施工监理;施工技术;控制要点

1    地源热泵技术的发展和优势

地埋管地源热泵技术在北欧国家起步早，应用比较广泛，经验成熟。由于地区差异，国内采用该项技术受到条件的限制，实施较晚，设备技术上依赖国外，一次性投资较高。而开拓绿色资源，推广应用节能环保项目符合国家的基本国策，因此，从长远角度来看，采用该项技术具有明显的环保特性，国家也给予了政策支持。

在建筑领域，地源热泵技术广泛用于空调系统和制备生活热水，基于土壤源开发所需冷热源，绿色、节能、环保。随着空调使用面积的增大，地源热泵机组功率也相应提高。为了充分利用建筑面积，地埋管换热器施工布置由建筑周围逐步转移到建筑基础底下，将换热器单U形改为双U形，打井深度相应增加，加大了换热面积，以满足满液式地源热泵机组负荷需求。

2    工程概况

白鹿溪岸老年公寓一期工程位于西安市蓝田县城西南方，建筑面积62 847.08 m2，地下一层，地上最低12层，最高18层，设老年公寓房292套，内部配套设施齐全，集休闲、娱乐功能于一体。

地下室一层设中央空调机房，内设3台制冷量1 031 kW、制热量1 025 kW的满液式埋管式地源热泵机组，夏季向室内风机盘管提供7/12 ℃空调冷水，冬季提供55/45 ℃低温热水。

3    地埋管换热器施工工艺流程

地埋管井开钻→垂直双U形管水压试验并封堵管口→垂直双U形管插入井内→细砂回填→水平地埋管安装→水平地埋管水压试验→水平、垂直地埋管热熔连接→地埋管换热器与环路管装配→地埋管换热器与环路管水压试验→环路管与分集水器热熔连接并进行水压试验→地埋管换热系统全部安装完毕，冲洗、水压试验。

4    施工过程中出现的问题及应对措施

4.1    钻井

施工現场地处辋河西岸河滩地，地表为鹅卵石层，1～4 m深，较疏松，140～150 m有卵石。前期钻井施工中，曾发生当钻井深度已达到150 m，拔钻杆时，由于钻头晃动将卵石掉到已成形的井内卡死（发生此类生产事故4次），以致该井报废，被迫移位重新开钻的情况，费工费时，延误工期。钻头不怕石头硬，就怕碰到同井孔相同的卵石，当钻头旋转时卵石随着钻头转，因此，防止卵石掉进已成形的井内已成为当前亟需解决的主要问题。经原因分析，制订了两步走方案，主要解决卵石层护壁套管问题。首先开钻卵石层，当井打到土层，采用DN150钢管制作井壁护套，护壁套管安装完毕后再开钻土层。由于采取了有效措施，钻井工效得到提高，工程质量得到保障，杜绝了该类生产事故的再次发生。

在140～150 m范围内发现砾石，钻头确实再钻不下去，可以停止钻井工作。虽然钻井深度达不到150 m，也判定为合格。目前，在约7 000 m2范围内有已成形钻井378眼，钻井深度达到150 m的占98%。

4.2    竖直换热管

单U形管插入100 m深井内靠人工可以完成，而对于双U形管插入150 m深井内人工是无法操作的。影响竖直换热管安装的主要原因是井孔竖直高度偏大，大于5‰，下竖直换热管是靠人工配合机械方式进行的，采用专用？准32圆钢压杆（丝扣连接），依靠钻机自身重量，通过压杆作用在双U形头的顶面，不断增加连接压杆，直至将竖直管下插入井底。压杆圆钢直径使4根双U形头保持垂直状态，相互之间距离相等，可不用每隔2～4 m设一弹簧卡（或固定支卡）的方式将U形管两支管分开，以提高换热效果。施工过程中，偶尔发现下管阻力较大，施工人员违章操作，将钻机头快速提升、快速落下，靠冲击力使垂直管下插，如此操作容易损坏双U形头，严重情况下会造成U形头泄漏，以致整套150 m竖直管更换。发生此类情况，要及时通知施工人员调整钻机，确保井孔垂直度满足规范要求，保证钻井工程质量。由于采用插管新技术，边施工边纠偏，378套竖直换热管经水压试验合格，并顺利进入下一道工序。

4.3    热熔连接

地埋管换热器HDPE管热熔连接方法采用承插连接。热熔对接易在热熔口产生硬棱，产生缩径现象，增大流动阻力，影响对流换热，一般用于直径较大的主干管。双U形头同管子连接在生产厂家进行，各种管件要求同材质。管道热熔连接由专业人员操作，由于HDPE管在运输或工地受到不同程度的污染，因此，为保证热熔质量，在热熔前必须将热熔面清理干净，同时，要控制好热熔时间和温度。

4.4    细砂回灌

细砂回灌质量直接关系到竖直地埋管换热效果，应严格控制施工各个环节。原浆回灌施工前正处在西安市政府“铁腕治霾”及文明工地大检查活动中，要求开挖基础沙土全覆盖，文明生产要求加围挡等，在施工现场直接挖泥浆坑受到限制。为此，为满足原浆回灌工艺要求，特制6台泥浆钢箱6.5 m3，箱内设搅拌功能，整个原浆回灌过程形成循环系统，多余泥浆用罐车运出工地。竖直地埋管换热器下管完成，回填方式采用原浆反填的方法灌回填材料（回填材料为细砂，直径约5 mm）。

4.5    水平换热管

建筑地下室有分集水器13套，分集水器分别两端布置，中间由地埋水平管有序排列连接竖直换热器和分集水器。设计水平换热器在沟槽内，距地面700～800 mm，实际基坑内作业面施工水平管沟槽填砂后达不到700 mm。当时，地埋换热器和土建基础施工为交叉作业，难免有重型机械设备碾压，为验证是否对已隐蔽的水平地埋管造成损伤，研究出一个模拟实验方法：在同等土质情况下，挖沟槽400 mm深，将水平管埋入沟槽内，选用22 t压力机带震动反复碾压两遍，挖出管子检查，同埋入前基本没有变化。事实证明，HDPE管材可靠、耐用，满足设计要求。

5    监理控制要点

5.1    管材的质量控制

（1）管材、管件应相匹配，材质相同，检查合格证，检验上报相关资料;

（2）管内、外壁应光滑，无刮痕、压痕等外伤性缺陷，外观质量合格;

（3）管材的直径、壁厚及承压等级符合检验报告测试项目及偏差符合要求;

（4）管材在搬运和运输时，应轻拿轻放，装卸采用柔韧性好的皮带作吊带或吊绳，严禁抛摔和沿地拖拽;

（5）妥善存放，避免在阳光下暴晒，现场管材要覆盖，以防老化和变形;

（6）进场管材应用空气试压进行检漏试验。

5.2    钻井施工

（1）下套管钻进。首先用？准150 mm的齿轮钻头跟进，钻深为1 200～1 500 mm，将直径为146 mm、长度为1 500 mm的铁套管下至管道上口与地平面相平。为避免上部井口出现坍塌情况，所以必须下管护井壁。

（2）开钻前需再次确认转向无误，并重新校核塔架底盘，钻杆的垂直度不应大于5‰，并用水平卡尺保证塔架底盘的水平度。

（3）根据该工程所在位置地质现状：上面卵石层部位在施工过程中应按3 m/h进度跟进，地下砂砾层部位在施工过程中应按7 m/h进度跟进，具体情况根据现场地质现状可做适当调整。

（4）当钻孔到要求深度后，应对孔内反复进行通孔，为下换热管创造有利条件，在抽拔钻杆时要注意避免与孔壁严重碰撞，发生孔壁坍塌情况。

5.3    地埋管换热器

（1）双U形头竖管整套换热器应由制造厂商加工，热熔质量和强度均由厂方负责，并标印管子长度（0～151 m），成卷包装运至现场。

（2）竖直地埋管换热器双U形管的组对长度应满足插入钻孔后与环路集管连接的要求。组对好的双U形管的四开口端部应及时密封。

（3）竖直地埋管换热器双U形管安装应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行。当孔壁不牢靠或存在孔洞、洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管。下管过程中，双U形管内宜充满水承压下管（压力为0.6 MPa），并采取措施使双U形管四支管处于分开状态。

（4）竖直地埋管换热器下管完成，回填方式采用原浆反填的方法灌回填材料（回填材料为细砂，直径约5 mm）。

在下入换热管后，换热管与钻孔之间进行回填，为了提高填料的密实程度，一方面要严格控制填料的回填速度，沿井口均勻慢速回填，减少因回填过快而造成填料在孔内搭桥的机会;另一方面，在填料过程中，沿井管向孔内注入少量原浆，使填料均匀下沉，确保填料密实。

（5）水平地埋管换热器铺设前，机械开挖水平管沟，沟深一般在300 mm左右，沟底宽度不小于1 500 mm，与沟面坡度成120°以上，该成坡工作由人工完成。沟槽底部应先铺设相当直径厚度的细砂。管道不得有折断、扭结等问题，转弯处光滑，且应采取固定措施。

（6）水平环路集管坡度宜为2‰，供回水环路管上下铺设的间距不应小于0.6 m，水平平铺的管路供回间距不应小于0.5 m。

（7）水平地埋管换热器回填料应细小、松散、均匀，与管道接触紧密，且不得损伤管道，距地面不宜小于0.8 m。

（8）地埋管换热器安装前后均应对管道进行冲洗。

（9）水平地埋管穿出垫层、筏板需外加套管和防水处理。？准40的PE地埋管外部和筏板接触部位全部用DN65的钢性套管。换热管和钢性套管之间填充防水涂料，以防此部位渗漏。

5.4    HDPE管热熔连接

（1）热熔连接前后，清洁焊接表面和加热工具。焊接表面污染物应用洁净棉布擦净，残留在加热工具上的聚乙烯采用专用刮刀切除，熔接连接管道与管件的结合面应密实，不得出现过热缩径及结合面不紧密的现象。监理人员应随时检查热熔质量。

（2）热熔连接时，必须采用220 V/50 Hz的交流电，电压变化在10%以内。

（3）热熔连接加热时间和温度应按热熔连接工具生产和管材、管件生产厂家说明书进行操作，热熔温度通常在200～235 ℃，施工由专职人员操作。

（4）HDPE管插入深度应符合表1要求。

（5）管道热熔连接应准确掌握加热时间。加热时间过短，易造成热熔面连接不牢靠;加热时间过长，会造成管材变形，出现缩径、过多胶状物质流失的情况。最佳加热时间选择可参考表2。

（6）热熔连接时，不得施加外力，冷却过程才能恢复强度。只有冷却时间达到一定程度时，方可实施其他作业。最佳冷却时间选择参照表3。

5.5    水压试验

（1）地埋管换热器施工过程水压试验，属强制性条文，应根据施工进度编制旁站计划，并做好记录。

（2）水压试验宜采用手动泵缓慢升压，升压过程中应随时观察与检查，不得有渗漏，不得以气压试验代替水压试验。

（3）水压试验步骤：

1）竖直地埋管换热器插入钻孔前，应做第一次水压试验。在试验压力下稳压至少15 min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象，将其密封后，在有压力状态下插入钻孔，完成灌浆之后保持1 h，工作压力为0.4 MPa，试验压力为0.6 MPa。

2）竖直或水平地埋管换热器与环路集管装配完成后，回填前应进行第二次水压试验。在试验压力下，稳压至少30 min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象。

3）环路集管与机房分集水器连接完成后，回填前应进行第三次水压试验，在试验压力下稳压至少2 h，且无泄漏现象。

4）地埋管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后，应进行第四次水压试验，在试验压力下，稳压至少12 h，稳压后压力降不应大于3%。

6    结语

白鹿溪岸项目老年公寓一期地埋管换热器施工由陕西中煤新能源有限公司承担。该公司依据多年的实践经验，结合现场实际情况，对设计方案进行了优化，将地埋管换热器井避开主楼基础，集中布置在地下车库基础底下，有效利用了占地面积，降低了投资成本。经相关专家现场测试，结合西安日照指数及建筑外墙保温效果，确定现已完成的378个换热孔能满足本工程空调使用面积负荷要求。

[参考文献]

[1] 地源热泵系统用聚乙烯管材及管件：CJ/T 317—2009[S].

[2] 建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范：GB 50242—2002[S].

[3] 地源热泵系统工程技术规范：GB 50366—2005[S].

收稿日期：2021-03-03

作者简介：房永权（1988—），男，陕西西安人，工程师，研究方向：机电工程（暖通）。