地源熱泵系統設計施工基本原則研究

焦小雨

（重慶交通大學土木與建筑學院，重慶400074）

0 引言

地源熱泵系統是采集淺層地溫能，將其從低品位熱能轉變為高品位熱能，用于供暖和制冷的裝置。淺層地溫能是蘊藏在地表以下一定深度（一般為200m）范圍內的地下土壤、地下水中具有開發利用價值的地溫熱能，是一種新型可再生能源，具有清潔環保、分布廣、儲量大、埋藏較淺、可就近開發利用等特點［1］。將地源熱泵系統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 地源熱泵設計、施工存在的問題

淺層地溫能主要利用形式為地埋管地源熱泵系統和地下水源熱泵系統，國內很多地源熱泵工程在設計、施工過程中都存在著一些問題，出現了地源熱泵效率低、項目投資過高等情況，造成節能工程不節能的后果［3］。地埋管地源熱泵系統主要問題表現在機組選型不合適，地下換熱器冬夏負荷不平衡。地下水源熱泵系統主要問題表現在抽取的地下水不能完全回灌，長期開采地下水導致建筑物沉降，對地下水溫度場和水質造成一定影響。本文系統研究了地源熱泵系統設計、施工的基本原則，為地源熱泵工程的前期準備、設計和施工提供了建議。

2 地源熱泵系統設計、施工的基本原則

（1）地埋管地源熱泵系統的應用條件沒有嚴格限定，只要能滿足地埋管系統布設要求的建設項目，在經濟、技術條件均可行的前提下，均可使用地埋管地源熱泵系統。相比之下，使用地下水源熱泵需要對地下水進行吸熱或放熱，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，經濟成本較高，且要保證回灌水的質量，為降低成本，一些運營商采用多抽少灌或只抽不灌的對策，造成了地下水資源的浪費和地質的破壞，有些地區甚至出現了地面沉降。而地埋管地源熱泵不需要回灌，再加上國內部分地區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勢就很明顯了。

（2）在地源熱泵系統應用的基本原則指導下，各具體的單個建設項目還應在設計前做好地質狀況、建設條件、經濟效益等方面的可行性研究。地下水豐富的地區地埋管換熱效果較好；地源熱泵系統的關鍵技術是地埋管的敷設，地埋管敷設面積要得到保證；采用地埋管熱泵系統的主機系統投資比其他形式的空調系統略高（一般高10%～15%），考慮其節約的運行費用，一般多投入的部分回收年限為3～5年［4］。因此，并不是任何項目都適合使用地源熱泵，地源熱泵建設前要進行嚴格的可行性分析，避免出現低效、不穩定以及質量問題。

（3）在淺層地溫能開發利用區，嚴格限制選擇地下水源熱泵系統開發利用淺層地溫能資源，優先選擇雙U地埋管，地埋管穿過咸水底界時，應做好咸水止水，以防地下淡水受到污染。地下水的抽取和回灌可能會引起不良的水文地質和工程地質現象，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還需考慮是否會引發地質災害，我國部分地區的地下水位已呈下降趨勢，這種條件下，必須分析使用地下水源熱泵系統會不會帶來不均勻沉降從而引發系統地下部分損毀，導致地質惡化。國內部分地區山區較多，使用地下水源熱泵還需分析崩塌、滑坡、泥石流等自然災害發生的可能性，以避免應用地下水源熱泵系統遭受地質災害的影響或引發、加劇區域地質災害。

（4）地源熱泵系統在地區建設方面的優先選擇順序為新建建筑地區—在建建筑地區—已有建筑地區。該順序是從建設難易程度、經濟性綜合考慮的，凡符合地源熱泵技術推廣應用要求具備應用地源熱泵條件的新建、改建、擴建民用建筑項目，鼓勵將淺層地溫能作為建筑供暖、制冷的能量來源。

（5）地源熱泵系統在使用建筑方面的優先選擇順序為辦公建筑—商業建筑—高檔小區住宅樓—一般小區住宅樓。辦公、商業建筑，如政府辦公樓、寫字樓、商場、醫院、酒店、學校等，對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，可列為開發利用淺層地溫能的主要對象。高檔小區住宅樓中多數居住者經濟條件相對較好，對生活質量的要求相對較高，對夏天供冷和冬天供暖需求量相對較大，經濟承受能力相對較強，可作為淺層地溫能的開發對象。一般小區住宅樓多數居住者為工薪階層，經濟條件相對不是很好，經濟承受能力也相對較弱，對夏天供冷和冬天供暖需求量相對較小。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，但如果按照一個夏天或一個冬天來計算，其總成本要比利用電能或化石能源高，因此一般小區住宅樓居住者大多不愿承擔由此帶來的費用，且小區收費管理相對較復雜，難度大，不宜作為開發對象［6］。

（6）地埋管埋設用地一般選擇較為平整的空地，包括綠地、停車場、廣場及建筑周圍的空地，甚至地下停車場、新建建筑物基礎的下方也可用于地埋管的埋設。地埋管的作用是與周圍土壤進行換熱，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；豎直埋管出于經濟性考慮，一般埋深較淺，這樣就增加了打井的數量，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留充足的空間。

（7）已經埋設地埋管系統的場地上方應避免通過可能有較大承重的主要道路、消防通道等，必須穿越時，應采用蓋板、管溝等技術措施保證地下埋管不被破壞。國內已經出現地埋管地源熱泵質量事故的例子，有一些單位和個人受經濟利益驅使，常常忽視安全生產和管理，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，造成嚴重碾壓地埋管現象，引起基礎下沉，造成管道彎曲變形甚至損壞。

（8）地埋管的埋設應主動避開已存在的地下建筑、設施、管線等，保證在施工和運行中與其他地下系統和設施互不影響。盡量避免后期出現會影響到地埋管的施工，防止管道被破壞。經濟發達地區或城鎮范圍內，由于建筑施工、道路等基礎設施的建設，各種地下管線的敷設往往涉及眾多管理部門，難以協調，因此在施工時會有損壞地埋管的現象發生。

（9）地埋管埋設場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，應保證足夠距離，避免對地埋管造成損害。以重慶地區常見高大喬木黃角樹和香樟樹為例，黃角樹生長速度快，根系不斷向四周擴散，滲透力強，對地埋管危害極大，必須對其嚴格控制，在無法移栽的情況下應采取人為措施，引導其根的生長方向，并對管道加強保護。香樟樹根性強，根系如果作用于管道上，會導致管道變形，因此要嚴格控制。經過調查發現，植物根對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境后加速管道腐蝕老化，其中尤以穿入破壞影響最嚴重［7］，建議根據現場實際情況采取不同措施。

3 結語

本文研究了地源熱泵設計、施工的基本原則，從前期準備、設計施工和管理方面對地源熱泵系統的合理建設提出了9點建議，以減少開發風險，促進地源熱泵系統在全國的規模化應用。此項研究對地源熱泵工程實踐和應用具有一定的借鑒意義，對各地推動地源熱泵技術同樣能起到參考作用。

［1］DZ／T0225—2009 淺層地熱能勘查評價規范［S］.

［2］欒英波，鄭桂森，衛萬順.淺層地溫能資源開發利用發展綜述［J］.地質與勘探，2013，49（2）：379－383.

［3］龍嬌.重慶地區淺層地溫能開發利用適宜性分區研究［D］.重慶：重慶交通大學，2012.

［4］雷飛.地源熱泵空調系統運行建模研究及能效分析［D］.武漢：華中科技大學，2011.

［5］王陳棟.地下水地源熱泵系統的節能診斷與優化［D］.北京：北京工業大學，2008.

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

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