論奧林匹克森林公園建筑物地源熱泵的施工技術(shù)

齊水艷

北京市設(shè)備安裝工程集團(tuán)有限公司，北京 100045

論奧林匹克森林公園建筑物地源熱泵的施工技術(shù)

齊水艷

北京市設(shè)備安裝工程集團(tuán)有限公司，北京 100045

奧林匹克森林公園作為2008年北京奧運(yùn)會標(biāo)志性建設(shè)項(xiàng)目之一，采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，充分體現(xiàn)“綠色奧運(yùn)”的理念。此系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成，即室內(nèi)空調(diào)末端設(shè)備、熱泵機(jī)組主體、地下埋管換熱器。根據(jù)一般地源熱泵特點(diǎn)，按照冷負(fù)荷選配主要機(jī)組，利用淺層地溫能作為地源熱泵機(jī)組的冷熱源，選擇熱回收式地源熱泵機(jī)組提供空調(diào)和生活熱水，生活熱水由一個不銹鋼生活熱水水箱蓄存，生活熱水夏季通過空調(diào)供冷開機(jī)時的冷凝熱回收得到，冬季時主機(jī)制熱量有富余，完全滿足供暖使用要求。另外，需要3臺普通地源熱泵機(jī)組，夏季提供冷量。冬季機(jī)組可以小負(fù)荷運(yùn)行，最大熱負(fù)荷情況下，僅需要開3臺主機(jī)，即可滿足使用要求。熱泵機(jī)房安裝工程，主要包括室外管線進(jìn)入機(jī)房與室內(nèi)管網(wǎng)的連接，機(jī)房內(nèi)主機(jī)、循環(huán)泵、集分水器、控制柜、管道等設(shè)備的安裝。換熱孔的設(shè)計(jì)及鉆探施工是整個工程的關(guān)鍵。本項(xiàng)目根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)冷、熱負(fù)荷的需求量，需要擬鑿換熱孔921個，單個地埋換熱孔深40～100m，孔深總長度為76 110m，孔徑大于150m，換熱孔通過地面連接管分區(qū)連接后，再匯集進(jìn)入熱泵機(jī)房。

地源熱泵系統(tǒng)；冷熱負(fù)荷；熱泵機(jī)組；地埋換熱孔

1 概述

早在20世紀(jì)50年代我國就已經(jīng)開始空氣源熱泵方面的研究工作，而地源熱泵的發(fā)展比較緩慢。近年來，隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，以可再生的地?zé)嵩礊槟茉吹牡卦礋岜靡鹆巳藗兊闹匾暋?000年以來，地源熱泵的開發(fā)利用在全國得到普遍推廣，每年以10～15%的速度增長。京津地區(qū)發(fā)展速度最快。據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局的資料顯示，至2005年末，淺層地溫能應(yīng)用面積約2 000萬m2。2005年以來，中國水源熱泵的應(yīng)用明顯加快，由于這項(xiàng)技術(shù)比較成熟，在中國將進(jìn)入大規(guī)模推廣應(yīng)用階段。

奧林匹克森林公園園區(qū)有20個單體建筑物組成，每個建筑物都是獨(dú)立的，森林公園占地面積大，建筑物分散，小面積建筑數(shù)量比重較大，作為2008年奧運(yùn)會標(biāo)志性建設(shè)項(xiàng)目之一，為充分體現(xiàn)“綠色奧運(yùn)”的理念，在進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時充分考慮經(jīng)濟(jì)性、綠色環(huán)保等因素，確定地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)成為奧林匹克森林公園空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選方案。

地源熱泵技術(shù)，是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩(wěn)定的特性，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，在夏天還可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達(dá)到降溫或制冷的目的。地源熱泵不需要人工的冷熱源，可以取代鍋爐或市政管網(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)系統(tǒng)。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱,向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空調(diào)向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時，它還可供應(yīng)生活用水，是一種有效地利用能源的方式。

2 地源熱泵系統(tǒng)簡介

2.1 地源熱泵的發(fā)展歷史

1912 年，瑞士Zoelly最早提出了“地?zé)嵩礋岜谩钡母拍睢?946年美國開始對地源熱泵進(jìn)行系統(tǒng)研究，在俄勒岡州建成第一個地源熱泵系統(tǒng)，運(yùn)行很成功，由此掀起了地源熱泵系統(tǒng)在美國的商用高潮。1985年美國安裝地源熱泵14 000臺，1997年則安裝了45 000臺，目前已安裝了400 000臺以上的地源熱泵，并且以每年10%的速度遞長。1998年美國商用建筑的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)占到空調(diào)保有量的19%以上，其中在新建筑里面占30%。在歐洲國家里更多的是利用淺層地?zé)豳Y源，來供熱或者取暖。

早在20世紀(jì)50年代我國就已經(jīng)開始空氣源熱泵方面的研究工作，而地源熱泵的發(fā)展比較緩慢。近年來，隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，以可再生的地?zé)嵩礊槟茉吹牡卦礋岜靡鹆巳藗兊闹匾暋?000年以來，地源熱泵的開發(fā)利用在全國得到普遍推廣，每年以10～15%的速度增長。京津地區(qū)發(fā)展速度最快。據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局的資料顯示，至2005年末，淺層地溫能應(yīng)用面積約2 000萬m2。2005年以來，中國水源熱泵的應(yīng)用明顯加快，由于這項(xiàng)技術(shù)比較成熟，在中國將進(jìn)入大規(guī)模推廣應(yīng)用階段。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)的分類

地源熱泵系統(tǒng)包括3種不同的系統(tǒng)：以利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵，也有資料文獻(xiàn)稱為地下耦合熱泵系統(tǒng)或者叫地下熱交換器熱泵系統(tǒng)；以利用地下水為冷熱源的地下水熱泵系統(tǒng)；以利用地表水為冷熱源的地表水熱泵系統(tǒng)，見圖1。

圖1 地源熱泵的分類

2.3 地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能特性：

傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷換熱器或水冷換熱器，其換熱環(huán)境直接或間接為大氣，而大氣換熱不可避免地受到環(huán)境條件交換的影響。在夏季，當(dāng)室外溫度達(dá)到40℃時，由于換熱效率降低，冷量將下降20%～40%；在冬季，當(dāng)室溫下降到-10℃時，供熱量下降到15%～30%，而且要反復(fù)地沖霜來保證機(jī)組的運(yùn)行。對于地源熱泵，換熱器是介質(zhì)和大地地表淺層換熱，地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能，相當(dāng)于人類每年利用熱量的500多倍。地能不受氣候、資源、地域、地質(zhì)結(jié)構(gòu)限制。其溫度大約為年平均氣溫，基本不受外界環(huán)境影響。由于地源溫度一年四季相對穩(wěn)定，使地源熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定、也保證了系統(tǒng)的高效性。

3 奧林匹克森林公園地源熱泵系統(tǒng)

3.1 項(xiàng)目簡介

奧林匹克森林公園園區(qū)有20個單體建筑物組成，每個建筑物都是獨(dú)立的，森林公園占地面積大，建筑物分散，小面積建筑數(shù)量比重較大，本工程地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：室內(nèi)空調(diào)末端設(shè)備，熱泵機(jī)組主體，地下埋管換熱器。

奧林匹克森林公園建筑物地源熱泵利用淺層地溫能作為地源熱泵機(jī)組的冷熱源，以實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的夏季制冷和冬季供暖。工程項(xiàng)目主要包括：熱泵機(jī)房安裝工程和室外管網(wǎng)工程。

3.2 地源熱泵機(jī)房安裝工程（20個）

主要包括室外管線進(jìn)入機(jī)房與室內(nèi)管網(wǎng)的連接，機(jī)房內(nèi)主機(jī)、循環(huán)泵、集分水器、控制柜、管道等設(shè)備的安裝。

1）地源熱泵機(jī)房設(shè)備安裝

機(jī)房設(shè)備安裝流程：如圖2。

圖2 機(jī)房設(shè)備安裝流程

在設(shè)備與基礎(chǔ)之間加裝減震裝置。機(jī)組的蒸發(fā)器進(jìn)出口必須加裝橡膠軟連接，包括水冷機(jī)組的冷卻水進(jìn)出水管。蒸發(fā)器的進(jìn)出水管需加裝截止閥。在蒸發(fā)器、冷凝器的進(jìn)水口必須安裝過濾器，以確保蒸發(fā)器、冷凝器的循環(huán)水不能含任何雜質(zhì)，如金屬料體、焊渣、鋼絲等。安裝冷凍水循環(huán)泵管道時，需在蒸發(fā)器的進(jìn)出口端安裝短路循環(huán)管，在短路循環(huán)管上需加截止閥，并作水路循環(huán)、除污后確認(rèn)水質(zhì)達(dá)到要求后，方可連接機(jī)器。調(diào)試前要求能夠保證供電，能保證機(jī)組全部啟動運(yùn)行。在冷凍水循環(huán)管道上的最高點(diǎn)安裝自動排氣閥。在蒸發(fā)器出口端的水平管道上需安裝一個流量開關(guān)。在冷凍水循環(huán)管道上的最低點(diǎn)安裝排水閥。

2）地源熱泵機(jī)房內(nèi)管道安裝

機(jī)房內(nèi)管道施工安裝流程：如圖3。

圖3 機(jī)房管道安裝流程

機(jī)房內(nèi)設(shè)備布置較多，其管道又大多為總管，口徑大數(shù)量多。因此在機(jī)房管道施工時，要根據(jù)管道系統(tǒng)工藝流程，理順管道走向，力爭使管道的空間布局合理，避免產(chǎn)生雜亂無章、相互交叉等現(xiàn)象。

機(jī)房大口徑成排管道的支吊架，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)詳圖的要求制作安裝。支吊架與結(jié)構(gòu)的連接，應(yīng)設(shè)置在建筑的梁、柱等處，盡可能采用預(yù)埋鋼板焊接連接，不宜使用膨脹螺栓（嚴(yán)禁膨脹螺栓朝天向上安裝）。如不得不使用膨脹螺栓固定，則應(yīng)通過計(jì)算來確定所需膨脹螺栓的規(guī)格和數(shù)量。

機(jī)房管道安裝應(yīng)遵循先總管、后支管，先大口徑管、后小口徑管的原則，與泵、冷水機(jī)組等設(shè)備的連接嚴(yán)禁強(qiáng)行對口，泵、冷水機(jī)組的進(jìn)出口接管要安裝避震軟接頭。設(shè)備進(jìn)出口的接管、配管前，還要詳細(xì)核對設(shè)備本體法蘭的規(guī)格，如該法蘭與標(biāo)準(zhǔn)法蘭不符，則應(yīng)及時加工一片法蘭配對。

機(jī)房管道施工完畢后，一般應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試壓合格后交付防腐和保溫施工。

3.3 地源熱泵室外管網(wǎng)工程

主要包括：室外換熱孔鉆鑿及驗(yàn)收、管道試壓及驗(yàn)收—管道下放及試壓驗(yàn)收—管溝土方開挖鋪細(xì)沙—水平管敷設(shè)試壓及驗(yàn)收—回填工程。換熱孔的設(shè)計(jì)及鉆探施工是整個工程的關(guān)鍵。本項(xiàng)目根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)冷、熱負(fù)荷的需求量，需要擬鑿換熱孔921個，孔深總長度為76 110m，孔徑＞150m

森林公園地下埋管換熱器的施工為隱蔽工程，施工質(zhì)量對后期地源熱泵的運(yùn)行影響很大。按施工步驟劃分，可分為10個主要部分，其中每個關(guān)節(jié)都要抓住重點(diǎn)，控制到位。

1）鉆孔施工：

按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，并根據(jù)現(xiàn)場情況放線，使鉆機(jī)就位，鉆頭直徑不小于152mm，核查孔位，鉆機(jī)水平度、鉆頭直徑，確認(rèn)無誤后按施鉆要求開鉆。鉆進(jìn)過程中，要求記錄員嚴(yán)格記錄起停鉆的時間、鉆桿長度，以及鉆進(jìn)過程中的其它問題。達(dá)到要求深度后，報現(xiàn)場負(fù)責(zé)人查驗(yàn)鉆孔深度和孔徑，在下管程序沒有準(zhǔn)備好以前不能過早提起鉆具，并且必須保證泥漿循環(huán)。

2）垂直管管材準(zhǔn)備：

HDPE換熱管運(yùn)達(dá)現(xiàn)場后，已由廠家熔接好雙U型接頭，并已進(jìn)行專業(yè)清洗打壓實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場需查驗(yàn)管材合格證、規(guī)格型號，抽檢管徑大小和長度，保證管材管件無損傷。按圖紙要求間隔現(xiàn)場安裝管卡，做現(xiàn)場第一次水壓試驗(yàn)，自來水沖洗后注水排盡空氣進(jìn)行打壓，試驗(yàn)壓力1.0MPa，穩(wěn)壓至少15min，穩(wěn)壓后壓力降不應(yīng)大于3%，確保無滲漏現(xiàn)象。

3）下管：

鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，開始組織下管，保持換熱管里注滿清水，將預(yù)制好的垂直U形管捆縛在鉆桿上均勻平穩(wěn)下入，受阻時不可強(qiáng)行用力下頂，需查明原因并處理后再操作；下入后，留在地上部分管段不得小于2m。垂直管上刻度可作為下管深度的復(fù)核依據(jù)。

4）二次打壓試驗(yàn)：

下管后，為確保垂直管完好無損，需進(jìn)行二次壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力0.8MPa，帶壓觀測30min以上，無滲漏無破裂，壓力降不超過3%即為合格。壓力試驗(yàn)完成后，每組雙U型換熱管的管頭上應(yīng)立即封口。冬季施工過程中，由于氣溫低不適宜采用水壓試驗(yàn)的情況下，可以先采用氣壓試驗(yàn)，待天氣條件轉(zhuǎn)好后，補(bǔ)做水壓試驗(yàn)。

5）垂直孔回填：

二次打壓成功后，可進(jìn)行鉆孔回填，因孔深且直徑小，對回填要求高，為要嚴(yán)格控制填料的速度，沿孔壁四周均勻慢速回填，減少因回填過快而造成填料在孔內(nèi)搭橋；嚴(yán)禁一次性將回填料堆積在孔口，以免造成回填堵塞；回填料需攪拌均勻，水量比適中，使填料呈流體狀，均勻下沉，避免填料在孔內(nèi)形成搭橋，即使形成搭橋也可由于水的進(jìn)入而沖開；回填要分階段間歇進(jìn)行，逐漸填滿，確?；靥蠲軐?shí)。

6）第三次壓力試驗(yàn)：

回填后，豎直地埋管換熱器與水平環(huán)路集管連接前，應(yīng)進(jìn)行再次壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力0.7MPa。在試驗(yàn)壓力下，穩(wěn)壓至少30min，保證無泄漏現(xiàn)象。

7）水平管連接：

現(xiàn)場使用的四、六通為保證質(zhì)量，采取室內(nèi)專人熔接，其他管線均在施工場地內(nèi)熔接，溝內(nèi)管道焊接和連接前必須清潔管腔，將焊接處擦凈，找平找直，擺放平穩(wěn)踏實(shí)。確保管材管件不得有任何損傷。聚乙烯管材、管件以及管道附件的連接應(yīng)采用熱熔連接（熱熔承插連接、熱熔鞍形連接）或機(jī)械連接（法蘭連接、鋼塑過渡連接），必須符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》CJJ101的有關(guān)規(guī)定。連接后與機(jī)房分集水器匯合。

8）第四次壓力試驗(yàn)：

水平管與垂直管連接成功后，需進(jìn)行壓力試驗(yàn)，保證連接質(zhì)量，試驗(yàn)壓力為0.7MPa，穩(wěn)壓至少2h，保證無泄漏現(xiàn)象。

9）水平溝回填：

先用細(xì)沙填實(shí)管底，同時回填管道兩側(cè)，然后用細(xì)土回填至管頂500mm處。若溝內(nèi)有積水時，需全部排盡后，再行回填。管道兩側(cè)及管頂以上500mm以內(nèi)的回填土，不得含有碎石、磚塊、垃圾等雜物，不得用凍土回填?；靥钔练謱雍粚?shí)，每層厚度為200～300mm，管道兩側(cè)及管頂500mm以上的回填土需人工夯實(shí)；當(dāng)回填土超出管頂500mm時，可使用小型機(jī)械夯實(shí)，每層松土厚度應(yīng)為250～400Mm?；靥钪辆嚯x地表800mm時必須鋪設(shè)專用警示帶。

10）管道系統(tǒng)打壓：

地埋管換熱系統(tǒng)全部安裝完畢，且沖洗、排氣及回填完成后，應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力0.7MPa。在試驗(yàn)壓力下，穩(wěn)壓至少12h，穩(wěn)定后壓力降不大于3%。

4 需要注意的問題

地源熱泵從開始研究到應(yīng)用的過程中，雖然是環(huán)保、節(jié)能、先進(jìn)的空調(diào)方式，但在奧林匹克森林公園施工過程中仍然發(fā)現(xiàn)存在一些需要注意的問題：

1）地質(zhì)勘察資料的準(zhǔn)確性

巖土層的特性對地埋管換熱器施工進(jìn)度和初始投資均有很大影響，堅(jiān)硬的巖土體將增加施工難度和初投資，而松軟巖土體的地質(zhì)變形對地埋管換熱器也會產(chǎn)生不利影響。因此，前期勘察報告的準(zhǔn)確性非常重要。

2）水文地質(zhì)情況的詳細(xì)了解

利用地下?lián)Q熱系統(tǒng)時，要了解地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料。要在當(dāng)?shù)赝瓿蓪こ趟诘氐木睢⑺疁亍⑺?、水質(zhì)等原始資料的采集，并保證這些資料的有效性和正確性，對這些資料進(jìn)行分析研究。這是一項(xiàng)很重要的工作。

3）合理地配置整個系統(tǒng)

地源熱泵雖然是綠色的空調(diào)方式，但是沒有一套合理的系統(tǒng)，它的節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢就無法發(fā)揮出來。

4）地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)

地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要集中在系統(tǒng)地下部分的設(shè)計(jì)，包括冷熱負(fù)荷的確定，地下?lián)Q熱器的選型、布置，室內(nèi)空氣氣流的組織形式，熱泵的容量等，設(shè)計(jì)要注意對建筑負(fù)荷、回填材料、土壤地層特性等進(jìn)行精確的勘測和分析。對于地下水熱泵系統(tǒng)、土壤源熱泵系統(tǒng)、地表水熱泵系統(tǒng)，都有不同的設(shè)計(jì)步驟和施工方法。

5）國產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量問題

國內(nèi)生產(chǎn)的地源熱泵產(chǎn)品的廠家很多，大部分的產(chǎn)品質(zhì)量和性能堪憂。由于過去沒有水源熱泵的國家標(biāo)準(zhǔn)，所以各廠家的規(guī)格、參數(shù)不一。2002年12月6日全國制冷設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化委員會會議已審訂了《水源熱泵》國家標(biāo)準(zhǔn)，以后可以逐漸達(dá)到統(tǒng)一。不過，中國暖通空調(diào)界需要更多其他的相關(guān)的地源熱泵的國家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。

6）施工條件的保證

奧林匹克森林公園由于工期緊、任務(wù)急，必須進(jìn)行冬季施工，為確保工程質(zhì)量，必須采取一系列的保溫措施，如：以防凍液代替潔凈水、水平溝封閉作業(yè)、溝內(nèi)采用各種加熱措施等?？傮w上認(rèn)為，地源熱泵施工應(yīng)控制在5℃以上進(jìn)行。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，冬季氣溫較低，不適宜地源熱泵工程施工。

5 結(jié)論

2008 年奧運(yùn)會對于中國來說是一種機(jī)遇也是一種挑戰(zhàn)，在“綠色奧運(yùn)、人文奧運(yùn)”的感召下，地源熱泵作為一種環(huán)保節(jié)能的空調(diào)方式，應(yīng)該得到很好的應(yīng)用，奧林匹克森林公園建筑物地源熱泵是一項(xiàng)標(biāo)志性工程，在施工運(yùn)行的同時應(yīng)進(jìn)行更為深入的研究，探索其關(guān)鍵性技術(shù)。國內(nèi)地源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等各個方面還沒有成型的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，推廣應(yīng)用還有待時日。但作為一門新技術(shù)，它為我們的國家的可持續(xù)發(fā)展帶來了契機(jī)，在不遠(yuǎn)的將來，隨著國富民強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高和生活水平的進(jìn)步，研究和技術(shù)人員的努力，在中國一定有廣闊的市場前景。

[1]建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) GB50300-2001.

[2]地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范 GB50366-2005.

[3]通風(fēng)與空調(diào)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范 GB50243-2002.

[4]建筑給排水及采暖工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范 GB50242-2002.

[5]給水、排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范 GB50268-97.

TU831

A

1674-6708（2010）24-0152-03

齊水艷，暖通工程師、館員，專業(yè)：土地管理與地籍測量，研究方向：節(jié)能環(huán)保工程的施工