地源热泵埋地管存在问题及预防措施

2022-11-12沈卫东

建材发展导向 2022年16期

沈卫东

(苏州建筑工程监理有限公司，江苏苏州 215000)

地源热泵系统工程分为三个：即埋地管换热系统、地表水换热系统和地下水换热系统。地源热泵埋地管施工工艺流程有两种方法：一种施工工艺流程是先把基坑开挖完成后，再进行垂直埋地管施工，然后再水平管施工；另一种施工工艺流程是先垂直埋地管施工完成后，再进行把基坑开挖，然后再水平管施工。

这两种施工工艺优缺点：前一种施工工期较长，基坑暴露时间长，垂直井钻孔深度比后一种较短，垂直外露管不宜被破坏。后一种施工工期较短，基坑暴露时间短，垂直井钻孔深度比前一种工艺较长，基坑开挖垂直埋地管容易被破坏。现在目前大多数采用先垂直埋地管施工、后进行基坑开挖工艺方法。

1 地源热泵埋地管存在的问题

地源热泵埋地管存在的问题有多种因素所导致的。其中，（4M1E）即人、料、机、法、环是主要的五大因素。孔位、孔径、孔深、孔斜、回填料、施工工艺地源热泵地埋竖管施工的重要关键参数。

1.1 竖直埋地管孔井位存在偏差问题

1）竖孔井放线定位前，专业技术人员和定位放线人员对施工图纸及周边环境不熟悉、不了解导致定位放线偏移。

2）放线人员责任心不强，放线定位测量时没有根据定位坐标尺寸测量放线，而是一个紧挨着一个向一个方向测量定位，使后面的井位偏移。

3）由于换热器竖直地埋管点位图与建筑物基础承台有冲突，钻井施工人员为了方便，随意改变位置导致井位偏移。

1.2 竖直埋地管孔径存在问题

换热器竖井孔径尺寸在施工中是最基本的要求，如果孔径偏小了不但影响埋地换热器垂直下管困难导致埋地换热器损坏或将无法下管，就算不影响埋地管换热器下管，就会影响竖井回填灌浆不密实，导致竖井出现涌水、涌砂现象。影响孔径尺寸有以下几个方面：1）没有根据地层条件、孔径及孔深等选择合理的钻孔设备机械和施工工艺；2）在钻孔机钻孔施工当由于地层内的土质有很多不一样的，垂直井钻进过程中如果遇到易塌方的地层，护壁泥浆就要根据塌方实际情况对泥浆的粘密、度度要适当加大一点；3）垂直钻孔完毕并清孔完成后，由于材料货源缺少没有来得及及时下管，导致缩径。

1.3 竖直埋地管孔垂直度存在问题

换热器竖井孔的钻孔垂直度好坏，直接影响埋地换热器下管顺利与否，最为严重的是竖井孔倾斜率超过极限值，钻孔机钻头在钻进过程中会危及到周边已经埋设好的地埋换热器管道，使管道导致破坏而报废。这样会使导致空调制冷、制热能效降低。

1）选配的钻孔机械配备钻杆数量不足，导致钻孔深度不够。

2）钻孔完成后，钻孔虽然深度达到了设计要求，但施工作业人员没有按照规范要求进行清孔，使孔井内泥浆、碎石沉淀在孔井底内，导致井孔深度不够。

3）由于地层条件原因，在钻进时护壁泥浆密度和粘度配比不合理，引起孔壁塌方造成井孔深度不足。

4）本身埋地换热器管长度不够或下管时没有下到设计标高，导致井孔深度不够。

1.4 竖直埋地管孔回填存在问题

换热器竖井孔回填料主要位于换热器管和钻孔井壁之间，主要用于周围的岩土和换热器的换热，并且能够防止竖井内的水通过竖井向上涌出和地表面的水通过竖井向下渗透到迪内，并且回填料的导热系数也是影响换热孔孔里面的热阻重要的因数。因此，换热孔回填质量保证是有重要意义的。换热孔回填存在问题主要有以下几点：1）回填泥浆原材料采用不合格的材料（如：采用不合格的水泥、膨润土，黄砂采用海砂等）；2）回填泥浆料的配合比导热系数没有根据当地地层岩土的导热系数进行做配合比或者回填泥浆料（黄砂：膨润土：水泥）配合比制作随意性；3）回填泥浆料没做配合比，也没做试块，仅靠以往的经验来拌制泥浆作回填料，导致回填料导热系数不满足要求；4）换热器竖井孔回填注浆不密实或不连续性，导致竖井孔渗漏，使导热系数不达标；5）注浆设备选型不匹配或注浆没有达到设计标高要求。也会导致导热系数不达标。

1.5 竖直埋地管换热器存在的问题

竖直埋地管换热器管及管件均埋于在土层当中，因为土内有很多有机生物，时间长了就会慢慢地把竖直埋地管换热器管及管件腐蚀坏，为了能够让竖直埋地管换热器管耐久性时间长一点，那我们就要采用耐腐蚀强、稳定性好的材料。地源热泵换热器管内通常是干净的水为换热介质，所以换热器管要有一定的压力强度和刚度。换热器竖直埋管一般存在以下几点问题：1）竖直埋地管换热器型号不符合设计及规范要求，壁厚厚度偏薄、耐压强度不够，抗腐蚀不强；2）竖直埋地管换热器的弯管未采用U型的弯头，而是采用直段管道煨制而成的。且管道长度采用接头拼接制成的；3）管道在热熔连接的时候由于加温时间短或承插时没有插到或采用电熔连接由于电压调的太低或时间控制不准确等情况导致接头质量不合格；4）换热器管未做强度压力试验，或未按规定要求在保压中进行下管作业，导致受竖井壁或其他外力挤压引起换热器管管壁变形；5）下管过程中，由于施工作业人员操作不当导致换热器U型支管移位靠近在一起，加重两支管间的热影响。

1.6 环路集管安装存在的问题

环路集管作用主要是把竖直换热器管按区域汇集在一根管道上，然后水平方向延伸到建筑基坑外，在引致观窗井内的分集水器上，形成一个循环回路。环路集管存在的问题原因有：1）沟槽开挖时，没有根据地下水深度和表层土的性质来确定沟槽开挖方案，导致沟槽坑壁塌方；2）管道安装时，管道与沟槽底部间铺设细沙偏少或未铺设，导致降低热能量；3）供水、回水环路集管与换热管环路数不相等，导致水力不平衡。供水、回水两环路集管安装间距偏小，导致回、供水管之间的热传递增大；4）环路集水管与管件相连接的型号不同，导致水管强度降低；5）管沟回填时，采用含有石块或杂物等土回填导致集水管破裂损伤等。

2 地源热泵埋地管的预防措施

由于地源热泵系统土壤源换热器均埋于建筑物基础底板下方或绿化、道路地下内，纯属于隐蔽工程，如果一旦出现了问题就看不见摸不着，那就难以维修更换甚至无法维修更换。因此，为了更具体分析地源热泵埋地管的预防措施，下面以参与的某科教研发大楼实践案例为研究对象。

2.1 工程概况

某科教研发大楼地源热泵总有效井数为370口、分为8个区、井距为4.2m*4.2m、井径为150mm，有效埋设深度为110m。地埋管换热器采用垂直钻孔的方式、垂直埋地管群井均布置于建筑物地下室筏板底下方。垂直埋管型式采用双U型De25管，室外地换热器（包括U型理管及水平支管）采用聚乙烯管PE100（SDR11），承压为1.0MPa。室外地热换热器采用HDPE复合管（PE100），承压1.0MPa；供回水水平环路集管相距600mm，各管由各自的水平连接管引至分、集水器。所有水平管均采用同程布置。另设有地温监测井3口。

2.2 具体预防措施分析

2.2.1 做好施工前的准备工作

项目部组建进场后应尽快组织人员熟悉图纸了解工地现场情况，并做好安全、技术交底工作；竖直埋地管井定位放线前，应与基础桩位布置图核查对比是否有互相冲突，及时对图纸进行优化并经原设计单位确认。定位放线采用GPS和水准仪进行测量放基准点，并对竖直埋地管井位做好醒目标记。

2.2.2 优选钻孔设备和施工工艺

竖直埋地管孔钻探施工根据地层条件、孔径及孔深等选择合理的钻孔设备机械和施工工艺。根据本项目地勘报告及苏州地区的特点，地源热泵垂直钻孔施工采用“正循环”钻进方法进行钻孔。施工场地在钻探设备进场前应先对施工场地进行平整，要保证钻探设备放置施工场地平稳。能保证钻探成孔率施工中应注意以下要点。

1）起始管孔冲洗液宜采用泥浆进行钻进，垂直孔刚刚开始钻孔时先要慢慢地轻压和慢慢转并要把泵量控制好，当垂直钻孔机钻孔进入正常钻进的状态工作下，然后再慢慢地逐渐加大钻孔机的转速和钻孔机钻压力。

2）钻进在正常的情况过程中，钻孔机的钻进速度、钻孔机钻进参数应合理控制好的同时，还应严格控制排碴的质量。操作过程中对起重滑轮组钢绳和水龙带的松紧度也一定要掌握好，避免减少晃动影响成孔质量。

3）在钻孔机钻孔施工当由于地层内的土质有很多不一样的，垂直井钻进过程中如果遇到易塌方的地层，护壁泥浆就要根据塌方实际情况对泥浆的粘密、度度进行加大，防止塌孔确保成孔一次成型。

4）在加接钻杆时，应先要提高钻孔的钻头，钻头离孔底的距离要大于20cm以上左右，再等泥浆循环3min时间后，然后再吧接头拧卸下来再加接另一根钻杆。

5）施工过程中钻孔机如果钻进遇到异常情况下，应立即叫现场施工人员关停钻孔机械并派人马上查找原因。原因找到后及时对查找出来的问题进行处理，处理完毕后才可以继续钻进。

6）钻孔机钻孔深度达到设计标高后，要对孔的深度用吊绳进行测量是否满足设计要求深度，垂直孔的深度要比埋地换热管有效深度深2m以上，确保垂直换热管埋管下管时能满足设计深度要求。

7）由于竖直埋地管孔相互间距较近，深度较深。因此，竖直埋地管孔钻机钻孔施工时，应合理布置机位及施工方向，一般是从环路集水管至窗井的方向进行施工，竖直埋地管孔的孔斜率必须保证在1.5%以内，钻机钻杆应确保垂直度，这样才能确保竖直埋地管孔的倾斜度，而不会影响到周边已经埋设好的地埋换热器管道。

2.2.3 竖直埋地管换热器下管及回填

1）竖直换热器埋地管进场后在下管前要对竖直换热器埋地管进行水压试验。试压合格后将关内的压力按照设计及规范要求降到一定的压力值进行保压。保压时间要保到下管结束和环路集水管沟槽开挖结束为止，主要目的是：一是可以观察管道下管时是否有损坏，如果下管时压力下降表示管道可能已损坏，如果压力没有下降表示管道正常完好。另外可防止受竖井壁或其他外力挤压引起换热器管管壁变形。

2）下管前，钻杆端头上安装个反卡器具然后将U型弯管头卡在反卡器，再用钻杆慢慢地向垂直孔内推入换热器埋地管；下管过程中对管道下管速度一定要掌握好，不能过快也不能过慢，在连接钻杆时要保证一个方向不能让钻杆旋转，防止换热器U型支管扭曲在一起，导致两支管间的热影响。

3）垂直埋地管下到设计深度位置后，要慢慢地拔起钻杆（拔杆不宜过快），并进行注浆回填。

4）回填浆料的配合比导热系数要根据当地地层岩土的导热系数进行做配合比试块。回填浆料要通过试验测试导热系数要大于等于原地层综合导热系数。

5）为保证埋地换热器井孔内注浆能达到密实度和注浆的连续性，井孔回填注浆通过注浆泵空心钻杆把搅拌好回填浆料注入到井内，确保注浆质量注浆时对注浆速度以及注浆管的长度要控制好。直到浆液从地面涌出后才可以停止对孔内进行不注浆并将灌浆管拔出，同时固定管口。注浆完成后，竖直埋地管内的压力应不少于1h的时间保压。

6）注浆要进行分次注浆，防止注浆导致垂直换热器管上浮。第一次注浆高度为换热器U型管底平，第二次注浆高度为换热器总高度的0.5H处，第三次注浆高度为换热器总高度的0.25H处，最后注浆至孔口位置平，待灌注完成后，采用人工将用黄砂回填对孔口进行封堵。

2.2.4 环路集水管及沟槽回填

1）沟槽开挖前应根据地下水深度和表层土的性质做好沟槽开挖方案。水平环路集水管管沟挖到沟底设计标高要预留出一定厚度的土层，预留部分的土层在管道敷设前根据图纸设计标高安排人工进行人工开挖至设计标高，并做好保护措施，防止破坏竖直埋地管管头。

2）管道安装前，沟槽底部细沙必须要满铺并压实，厚度要保证；供水水平环路集管和回水水平环路集管与垂直埋地换热管环路数应要相等，保持水力平衡；供水、回水两环路集管安装间距偏小，导致两管之间的热传递增大。

3）管材和管件的级别、牌号要相等，管道热熔承插深度必须要满足厂家技术说明要求，承插要保证粘合度承口端部凸出的缘环要均匀。

4）管沟回填应用无砖块、无杂物的原土回填，并分层压实至设计标高。

3 埋地管水压试验与清洗

地源热泵埋地管水压试验一般分四次试验，第一次试验是在竖直埋地管插入井孔前进行。第二次试验时间是等每个区域的水平环路集管与每个区域的竖直埋地管连接环通后完成后进行对逐个区域的第二次水压试验，试压过程中仔细检查每个连接的接头有无渗漏，如无渗漏在进行土方回填。第三次试验时间是在等每个区域的环路集管汇集管与每个区域分集水器连接完成后进行对逐个区域的第三次水压试，试验结束合格后在进行土方回填，第四次试验时间是在地源热泵埋地管换热系统安装全部结束后，并且对每条管道冲洗结束后，再进行做地源热泵埋地管换热系统最后一次（第四次）水压试验压力。第一次试验压力不小于10kg试验压力，稳压不少于15min，稳压的压力降不得大于试验压力的百分之三十；第二、三、四次试验压力各不小于3kg，第二次试验压力稳压时间不的小于0.5h，稳压压力降不得大于试验压力的30%，第三次试验压力稳压不得小于120min，且没有出现渗漏的现象为合格，第四次试验压力稳压时间不得小于12h，稳压压力降不大于试验压力的30%，且不渗不漏为合格。

每个区域管道进行分段试压合格结束后进行对地源热泵埋地管换热系统整条管道冲洗和消毒，冲洗管道水要用无杂质清洁的水。冲洗流速不小于1.0m/s，冲洗出来的水要与进水的清洁度相一致为合格。