地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工基本原則研究

焦小雨

（重慶交通大學(xué)土木與建筑學(xué)院，重慶400074）

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)是采集淺層地溫能，將其從低品位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺粺崮?，用于供暖和制冷的裝置。淺層地溫能是蘊(yùn)藏在地表以下一定深度（一般為200m）范圍內(nèi)的地下土壤、地下水中具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的地溫?zé)崮?，是一種新型可再生能源，具有清潔環(huán)保、分布廣、儲(chǔ)量大、埋藏較淺、可就近開(kāi)發(fā)利用等特點(diǎn)［1］。將地源熱泵系統(tǒng)用于建筑采暖和制冷，可以大大減少化石燃料的燃燒和污染物的排放［2］。

1 地源熱泵設(shè)計(jì)、施工存在的問(wèn)題

淺層地溫能主要利用形式為地埋管地源熱泵系統(tǒng)和地下水源熱泵系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)很多地源熱泵工程在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中都存在著一些問(wèn)題，出現(xiàn)了地源熱泵效率低、項(xiàng)目投資過(guò)高等情況，造成節(jié)能工程不節(jié)能的后果［3］。地埋管地源熱泵系統(tǒng)主要問(wèn)題表現(xiàn)在機(jī)組選型不合適，地下?lián)Q熱器冬夏負(fù)荷不平衡。地下水源熱泵系統(tǒng)主要問(wèn)題表現(xiàn)在抽取的地下水不能完全回灌，長(zhǎng)期開(kāi)采地下水導(dǎo)致建筑物沉降，對(duì)地下水溫度場(chǎng)和水質(zhì)造成一定影響。本文系統(tǒng)研究了地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工的基本原則，為地源熱泵工程的前期準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)和施工提供了建議。

2 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工的基本原則

（1）地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用條件沒(méi)有嚴(yán)格限定，只要能滿足地埋管系統(tǒng)布設(shè)要求的建設(shè)項(xiàng)目，在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件均可行的前提下，均可使用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。相比之下，使用地下水源熱泵需要對(duì)地下水進(jìn)行吸熱或放熱，換熱后的地下水需全部回灌到含水層中。由于回灌比抽水困難，經(jīng)濟(jì)成本較高，且要保證回灌水的質(zhì)量，為降低成本，一些運(yùn)營(yíng)商采用多抽少灌或只抽不灌的對(duì)策，造成了地下水資源的浪費(fèi)和地質(zhì)的破壞，有些地區(qū)甚至出現(xiàn)了地面沉降。而地埋管地源熱泵不需要回灌，再加上國(guó)內(nèi)部分地區(qū)地下水資源較為匱乏，地下水位分布不均勻，不適合使用地下水源熱泵，選擇地埋管地源熱泵的優(yōu)勢(shì)就很明顯了。

（2）在地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的基本原則指導(dǎo)下，各具體的單個(gè)建設(shè)項(xiàng)目還應(yīng)在設(shè)計(jì)前做好地質(zhì)狀況、建設(shè)條件、經(jīng)濟(jì)效益等方面的可行性研究。地下水豐富的地區(qū)地埋管換熱效果較好；地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是地埋管的敷設(shè)，地埋管敷設(shè)面積要得到保證；采用地埋管熱泵系統(tǒng)的主機(jī)系統(tǒng)投資比其他形式的空調(diào)系統(tǒng)略高（一般高10%～15%），考慮其節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用，一般多投入的部分回收年限為3～5年［4］。因此，并不是任何項(xiàng)目都適合使用地源熱泵，地源熱泵建設(shè)前要進(jìn)行嚴(yán)格的可行性分析，避免出現(xiàn)低效、不穩(wěn)定以及質(zhì)量問(wèn)題。

（3）在淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用區(qū)，嚴(yán)格限制選擇地下水源熱泵系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用淺層地溫能資源，優(yōu)先選擇雙U地埋管，地埋管穿過(guò)咸水底界時(shí)，應(yīng)做好咸水止水，以防地下淡水受到污染。地下水的抽取和回灌可能會(huì)引起不良的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)現(xiàn)象，如地面沉降、土地沉陷后的沙土鹽堿地等［5］。此外，使用地下水源熱泵系統(tǒng)還需考慮是否會(huì)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，我國(guó)部分地區(qū)的地下水位已呈下降趨勢(shì)，這種條件下，必須分析使用地下水源熱泵系統(tǒng)會(huì)不會(huì)帶來(lái)不均勻沉降從而引發(fā)系統(tǒng)地下部分損毀，導(dǎo)致地質(zhì)惡化。國(guó)內(nèi)部分地區(qū)山區(qū)較多，使用地下水源熱泵還需分析崩塌、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生的可能性，以避免應(yīng)用地下水源熱泵系統(tǒng)遭受地質(zhì)災(zāi)害的影響或引發(fā)、加劇區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害。

（4）地源熱泵系統(tǒng)在地區(qū)建設(shè)方面的優(yōu)先選擇順序?yàn)樾陆ńㄖ貐^(qū)—在建建筑地區(qū)—已有建筑地區(qū)。該順序是從建設(shè)難易程度、經(jīng)濟(jì)性綜合考慮的，凡符合地源熱泵技術(shù)推廣應(yīng)用要求具備應(yīng)用地源熱泵條件的新建、改建、擴(kuò)建民用建筑項(xiàng)目，鼓勵(lì)將淺層地溫能作為建筑供暖、制冷的能量來(lái)源。

（5）地源熱泵系統(tǒng)在使用建筑方面的優(yōu)先選擇順序?yàn)檗k公建筑—商業(yè)建筑—高檔小區(qū)住宅樓—一般小區(qū)住宅樓。辦公、商業(yè)建筑，如政府辦公樓、寫字樓、商場(chǎng)、醫(yī)院、酒店、學(xué)校等，對(duì)電能或化石燃料的需求量較大，是供暖、供冷的耗能大戶，利用淺層地溫能來(lái)代替電能和化石燃料可大幅降低電能和化石燃料的消耗，可列為開(kāi)發(fā)利用淺層地溫能的主要對(duì)象。高檔小區(qū)住宅樓中多數(shù)居住者經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)較好，對(duì)生活質(zhì)量的要求相對(duì)較高，對(duì)夏天供冷和冬天供暖需求量相對(duì)較大，經(jīng)濟(jì)承受能力相對(duì)較強(qiáng)，可作為淺層地溫能的開(kāi)發(fā)對(duì)象。一般小區(qū)住宅樓多數(shù)居住者為工薪階層，經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)不是很好，經(jīng)濟(jì)承受能力也相對(duì)較弱，對(duì)夏天供冷和冬天供暖需求量相對(duì)較小。雖然利用淺層地溫能一天的成本比利用電能或化石能源要低，但如果按照一個(gè)夏天或一個(gè)冬天來(lái)計(jì)算，其總成本要比利用電能或化石能源高，因此一般小區(qū)住宅樓居住者大多不愿承擔(dān)由此帶來(lái)的費(fèi)用，且小區(qū)收費(fèi)管理相對(duì)較復(fù)雜，難度大，不宜作為開(kāi)發(fā)對(duì)象［6］。

（6）地埋管埋設(shè)用地一般選擇較為平整的空地，包括綠地、停車場(chǎng)、廣場(chǎng)及建筑周圍的空地，甚至地下停車場(chǎng)、新建建筑物基礎(chǔ)的下方也可用于地埋管的埋設(shè)。地埋管的作用是與周圍土壤進(jìn)行換熱，水平埋管為了防止埋管間的熱干擾，必須保證埋管之間有一定的間距；豎直埋管出于經(jīng)濟(jì)性考慮，一般埋深較淺，這樣就增加了打井的數(shù)量，由于埋管間也要有一定的間距，造成埋管所需空間變大，因此地埋管的施工要預(yù)留充足的空間。

（7）已經(jīng)埋設(shè)地埋管系統(tǒng)的場(chǎng)地上方應(yīng)避免通過(guò)可能有較大承重的主要道路、消防通道等，必須穿越時(shí)，應(yīng)采用蓋板、管溝等技術(shù)措施保證地下埋管不被破壞。國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)地埋管地源熱泵質(zhì)量事故的例子，有一些單位和個(gè)人受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使，常常忽視安全生產(chǎn)和管理，在地埋管附近空地甚至地埋管上方修建公路、房屋、建筑物等，造成嚴(yán)重碾壓地埋管現(xiàn)象，引起基礎(chǔ)下沉，造成管道彎曲變形甚至損壞。

（8）地埋管的埋設(shè)應(yīng)主動(dòng)避開(kāi)已存在的地下建筑、設(shè)施、管線等，保證在施工和運(yùn)行中與其他地下系統(tǒng)和設(shè)施互不影響。盡量避免后期出現(xiàn)會(huì)影響到地埋管的施工，防止管道被破壞。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)或城鎮(zhèn)范圍內(nèi)，由于建筑施工、道路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，各種地下管線的敷設(shè)往往涉及眾多管理部門，難以協(xié)調(diào)，因此在施工時(shí)會(huì)有損壞地埋管的現(xiàn)象發(fā)生。

（9）地埋管埋設(shè)場(chǎng)地上方可以考慮綠化種植，但不適宜布置高大喬木，如必須保留高大喬木，應(yīng)保證足夠距離，避免對(duì)地埋管造成損害。以重慶地區(qū)常見(jiàn)高大喬木黃角樹(shù)和香樟樹(shù)為例，黃角樹(shù)生長(zhǎng)速度快，根系不斷向四周擴(kuò)散，滲透力強(qiáng)，對(duì)地埋管危害極大，必須對(duì)其嚴(yán)格控制，在無(wú)法移栽的情況下應(yīng)采取人為措施，引導(dǎo)其根的生長(zhǎng)方向，并對(duì)管道加強(qiáng)保護(hù)。香樟樹(shù)根性強(qiáng)，根系如果作用于管道上，會(huì)導(dǎo)致管道變形，因此要嚴(yán)格控制。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，植物根對(duì)管道的直接破壞分穿入和擠壓兩種方式，間接破壞方式為根分泌物造成腐蝕性環(huán)境后加速管道腐蝕老化，其中尤以穿入破壞影響最嚴(yán)重［7］，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取不同措施。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了地源熱泵設(shè)計(jì)、施工的基本原則，從前期準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)施工和管理方面對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的合理建設(shè)提出了9點(diǎn)建議，以減少開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)地源熱泵系統(tǒng)在全國(guó)的規(guī)模化應(yīng)用。此項(xiàng)研究對(duì)地源熱泵工程實(shí)踐和應(yīng)用具有一定的借鑒意義，對(duì)各地推動(dòng)地源熱泵技術(shù)同樣能起到參考作用。

［1］DZ／T0225—2009 淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范［S］.

［2］欒英波，鄭桂森，衛(wèi)萬(wàn)順.淺層地溫能資源開(kāi)發(fā)利用發(fā)展綜述［J］.地質(zhì)與勘探，2013，49（2）：379－383.

［3］龍嬌.重慶地區(qū)淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2012.

［4］雷飛.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行建模研究及能效分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

［5］王陳棟.地下水地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能診斷與優(yōu)化［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008.

［6］葉安強(qiáng).淺層地溫能在貴州的發(fā)展方向分析［J］.低碳世界，2014（15）：177－178.

［7］黃海.深根植物對(duì)天然氣管道瀝青涂層的影響及其對(duì)策探討［J］.腐蝕與防護(hù)，2004，25（11）：489－493.