某工程地埋管換熱系統若干問題分析

呂亮

上海市地礦工程勘察院

0 引言

地源熱泵空調系統是利用地下淺層地熱能資源作為冷熱源的空調換熱系統，它是一種通過輸入少量的電能，實現從淺層地能（土壤熱能、地下水中的低位熱能或地表水中的低位熱能）向高位熱能轉移的熱泵空調系統。目前，常規做法為采用高強度PE管埋置于地下，組成封閉式循環系統，用水作為熱量交換的介質，冬季把熱量儲存在地下，夏季取出，由于地下溫度常年穩定沒有大幅度的變化，相對與常規空調，該系統的節能性穩定性更加突出[1-3]。

當今社會上，環境問題和能源問題越來越多，使節能概念變得越來越突出。據相關統計，建筑能耗中，空調能耗高達40%～50%，設計人員和建設單位為了降低后期系統運行的能耗，絕大多數都選擇采用地源熱泵空調系統。

據不完全統計，約1/3的地源熱泵空調系統的使用效果不能達到設計預期，許多項目地源熱泵空調系統在運行上不僅沒有起到節能的目的，甚至完全偏離了設計初衷，個別項目甚至放棄了原有方案。經過對已投入運行的地源熱泵空調系統的考察，發現主要有以下幾個問題：設計方案不合理；地源熱泵空調系統地埋管施工質量差，無法為整個系統提供足夠換熱量，達不到設計要求；整個系統調試工作沒有起到應有的作用。

1 工程概況

本文結合筆者參與的工程案例來分別討論上述問題。該項目位于上海市崇明縣某地塊，占地面積15418 m2，前期相關單位經過熱響應測試測得施工區域換熱孔有效深度范圍內的巖土體熱物性參數、初始平均巖土溫度和地質狀況等參數，并根據測試結果，計算冬夏季特定工況下單位孔深換熱量，提出相關建議。該建議反饋至設計院，經過校核得出該區域換熱孔孔深及數量，最終設計方案如下：地埋管換熱系統共設計換熱孔680個，地埋管埋設與地下室底板下，間距不小于4.0 m×4.0 m（部分地區不同），換熱管采用單U32，有效孔深100 m。

施工單位相關技術人員，根據設計院給出的依據對布孔方案進行優化設計（標高微調、孔間距微調），主要結合樁基圖紙調整布孔方案，并結合不同區域標高不同來連接集水器與水平管等。

2 設計與施工難點

該項目占地面積15418 m2，根據實際圖紙理論上可以布孔1024個，但考慮到樁基、集水井和道路等不可布孔區域，使地埋孔的數量大大減少。在考慮滿足該項目使用功能的前提下，對該項目進行了合理的區域劃分，在滿足規范要求的最小孔間距的情況之下，進行地埋孔布孔設計。

本文結合筆者實際工作經驗主要討論施工單位深化設計以及施工期間所遇到的問題。

2.1 施工單位深化設計存在的問題

1）設計沒有足夠的預見性

目前，地源熱泵空調系統的主要涉及模式為：設計院進行空調系統的整體把控，末端系統的繪圖，初步繪制地埋管換熱器的分布區域；地埋管換熱系統由施工單位深化設計。無論設計院還是深化設計單位，對后期孔位調整考慮不周，存在為補孔預留空間不足的問題，個別項目孔間距過小，后期甚至無法進行補孔操作。該項目在施工時所遇到的地質條件較為適合地埋管施工，現場鉆孔施工時，因鉆孔時間或者施工人員水平問題，出現地埋管有效換熱深度達不到設計要求的現象。在場地的西南區域，施工人員進行施工時，發現鉆機下鉆困難，后經過多次嘗試，效果均不理想。與設計人員溝通，因沒有理想區域進行施工，只能在允許補孔的區域進行補孔（此部分補孔間距小于設計要求的4 m）。

2）布孔區域復核不夠嚴謹

對地埋管換熱系統布孔時，若不結合樁基、圍護和降水的圖紙，無法準確詳細的進行施工圖的繪制。例如，布孔時除了需要盡量避開樁基和集水井等，還需要考慮后期樁基施工中的塔吊（塔吊區域無法進行布孔）、基坑降水的疏水干井位置等，在調整孔位的過程中，不可避免的改變局部區域孔間距，造成局部區域孔間距變小，影響埋管系統與地下巖土的換熱效果。

所有的孔位調整或者補孔都應該反饋到設計人員，重新復核計算水力平衡等，該情況在施工現場很少能夠有效反饋到設計人員進行核實，對后期空調系統的運行埋下不確定因素。

2.2 施工問題

在地埋管施工階段（圖1～4）中，主要存在以下問題：

圖1 豎埋孔鉆孔

圖2 管材預制

圖3 水平管鋪設

圖4 成品保護

1）操作問題

①工人往往根據施工經驗或者為了打孔的便捷，擅自移動孔位。小幅度的移位不影響使用，大面積大幅度的孔移位有可能會對將來的換熱效果產生影響；

②施工單位未安排專職的質量員，監督施工質量，出現鉆孔下管不到位，工人擅自剪斷管材，埋管深度不夠；下管過程中，工人野蠻操作，強制下管，基坑開挖后檢測不滿足使用條件（多數為保壓不合格，U型接頭有所損壞）等情況；

③某些情況下，保壓進度跟不上施工進度，使保壓時間達不到要求，甚至會出現剛保壓就下管的現象，管道嚴密性得不到保證，為后期運行埋下問題隱患；

④施工隊伍中，若有較多施工人員施工水平達不到要求，或者施工中沒有按照要求進行施工，會造成竣工后的地埋管換熱系統換熱性能達不到要求，出現問題后較為嚴重且無法整改，只能后期添加其他系統。

該項目，經筆者現場統計，由于以上原因造成高達36個孔不符合要求，被標為廢孔，后期只能反饋至設計院，重新補孔，此時的地埋孔換熱孔間距已不能滿足設計要求。

2）工期問題

地埋管換熱系統的施工同樁基施工分區域同步進行，或者樁基施工全部完成之后施工，地埋管施工工期需要結合樁基工程的施工工期進行調整。同步施工中，還會面臨施工先后等現場的協調問題。施工中存在的最大的問題是，某些項目由于工期問題，不能嚴格按照施工規范所規定的施工程序執行，會出現如下管前保壓時間達不到規定的15 min、施工和成品保護不到位等問題，可能造成施工質量存在隱患，后期地源熱泵系統運行效果大打折扣。

上述問題中，設計問題影響全局，地埋管換熱系統的施工問題直接影響使用效果，而且地埋管施工具有不可逆性，某個地埋管出現問題，該埋管直接報廢的幾率較大，現場監管人員發現可以在周邊進行補孔，補孔后新孔與其他孔之間的間距不一定滿足要求，也會對換熱量造成影響。

地源熱泵系統按照建設單位的要求安裝完成投入使用，不僅要求設計人員精心考慮設計各個環節，還要求施工單位嚴格執行按照設計圖紙和規范進行施工，施工完成之后還必須進行一定時間的調試才能正式投入運行。

3 結論

針對設計和施工中可能遇到的問題，筆者結合項目經驗提出一些可能有幫助的解決辦法。在設計地埋管換熱系統時，應該考慮到以下因素：

1）對地埋管數量進行合理的計算，其中包括地埋管換熱器的數量應考慮到后期施工中可能存在的廢孔問題。

2）在以下情況需要考慮是否需要加裝輔助裝置：①對孔間距須必考慮到位，孔間距達不到換熱距離時會引起嚴重后果；②場地條件有限，主要指可以進行地埋管換熱器施工區域滿足不了整個空調系統的換熱需求時。

目前，國家《地熱能開發利用“十三五”規劃》頒布實施，地源熱泵空調系統又面臨一個新的發展機遇，在對節能環保的大力提倡下，政府對于地源熱泵項目不斷大力支持，實行項目資金補助政策。其中北京市對地源熱泵項目的補助金額高達到項目地源熱泵空調系統金額的50%，上海市的補助金額為55元/m2，其他省市也有不同的補貼方案，對地源熱泵行業的發展起到了促進作用。對于地源熱泵行業來說，設計方案的合理可行、施工單位嚴格按照規范要求執行并進行施工以及安裝單位的充分調試，三者缺一不可。在當前節能環保的大環境下，地源熱泵的節能優勢也越來越突出，其發展前景也更加廣闊。