地埋管地源熱泵技術項目應用及施工監理控制要點分析

摘 要：地源熱泵技術已經開始廣泛用于空調系統和制備生活熱水，現對地源熱泵技術的發展及其優缺點進行介紹，在此基礎上，分析了地源熱泵相關施工技術和監理控制要點。

關鍵詞：地源熱泵;施工監理;施工技術;控制要點

1? ? 地源熱泵技術的發展和優勢

地埋管地源熱泵技術在北歐國家起步早，應用比較廣泛，經驗成熟。由于地區差異，國內采用該項技術受到條件的限制，實施較晚，設備技術上依賴國外，一次性投資較高。而開拓綠色資源，推廣應用節能環保項目符合國家的基本國策，因此，從長遠角度來看，采用該項技術具有明顯的環保特性，國家也給予了政策支持。

在建筑領域，地源熱泵技術廣泛用于空調系統和制備生活熱水，基于土壤源開發所需冷熱源，綠色、節能、環保。隨著空調使用面積的增大，地源熱泵機組功率也相應提高。為了充分利用建筑面積，地埋管換熱器施工布置由建筑周圍逐步轉移到建筑基礎底下，將換熱器單U形改為雙U形，打井深度相應增加，加大了換熱面積，以滿足滿液式地源熱泵機組負荷需求。

2? ? 工程概況

白鹿溪岸老年公寓一期工程位于西安市藍田縣城西南方，建筑面積62 847.08 m2，地下一層，地上最低12層，最高18層，設老年公寓房292套，內部配套設施齊全，集休閑、娛樂功能于一體。

地下室一層設中央空調機房，內設3臺制冷量1 031 kW、制熱量1 025 kW的滿液式埋管式地源熱泵機組，夏季向室內風機盤管提供7/12 ℃空調冷水，冬季提供55/45 ℃低溫熱水。

3? ? 地埋管換熱器施工工藝流程

地埋管井開鉆→垂直雙U形管水壓試驗并封堵管口→垂直雙U形管插入井內→細砂回填→水平地埋管安裝→水平地埋管水壓試驗→水平、垂直地埋管熱熔連接→地埋管換熱器與環路管裝配→地埋管換熱器與環路管水壓試驗→環路管與分集水器熱熔連接并進行水壓試驗→地埋管換熱系統全部安裝完畢，沖洗、水壓試驗。

4? ? 施工過程中出現的問題及應對措施

4.1? ? 鉆井

施工現場地處輞河西岸河灘地，地表為鵝卵石層，1～4 m深，較疏松，140～150 m有卵石。前期鉆井施工中，曾發生當鉆井深度已達到150 m，拔鉆桿時，由于鉆頭晃動將卵石掉到已成形的井內卡死（發生此類生產事故4次），以致該井報廢，被迫移位重新開鉆的情況，費工費時，延誤工期。鉆頭不怕石頭硬，就怕碰到同井孔相同的卵石，當鉆頭旋轉時卵石隨著鉆頭轉，因此，防止卵石掉進已成形的井內已成為當前亟需解決的主要問題。經原因分析，制訂了兩步走方案，主要解決卵石層護壁套管問題。首先開鉆卵石層，當井打到土層，采用DN150鋼管制作井壁護套，護壁套管安裝完畢后再開鉆土層。由于采取了有效措施，鉆井工效得到提高，工程質量得到保障，杜絕了該類生產事故的再次發生。

在140～150 m范圍內發現礫石，鉆頭確實再鉆不下去，可以停止鉆井工作。雖然鉆井深度達不到150 m，也判定為合格。目前，在約7 000 m2范圍內有已成形鉆井378眼，鉆井深度達到150 m的占98%。

4.2? ? 豎直換熱管

單U形管插入100 m深井內靠人工可以完成，而對于雙U形管插入150 m深井內人工是無法操作的。影響豎直換熱管安裝的主要原因是井孔豎直高度偏大，大于5‰，下豎直換熱管是靠人工配合機械方式進行的，采用專用？準32圓鋼壓桿（絲扣連接），依靠鉆機自身重量，通過壓桿作用在雙U形頭的頂面，不斷增加連接壓桿，直至將豎直管下插入井底。壓桿圓鋼直徑使4根雙U形頭保持垂直狀態，相互之間距離相等，可不用每隔2～4 m設一彈簧卡（或固定支卡）的方式將U形管兩支管分開，以提高換熱效果。施工過程中，偶爾發現下管阻力較大，施工人員違章操作，將鉆機頭快速提升、快速落下，靠沖擊力使垂直管下插，如此操作容易損壞雙U形頭，嚴重情況下會造成U形頭泄漏，以致整套150 m豎直管更換。發生此類情況，要及時通知施工人員調整鉆機，確保井孔垂直度滿足規范要求，保證鉆井工程質量。由于采用插管新技術，邊施工邊糾偏，378套豎直換熱管經水壓試驗合格，并順利進入下一道工序。

4.3? ? 熱熔連接

地埋管換熱器HDPE管熱熔連接方法采用承插連接。熱熔對接易在熱熔口產生硬棱，產生縮徑現象，增大流動阻力，影響對流換熱，一般用于直徑較大的主干管。雙U形頭同管子連接在生產廠家進行，各種管件要求同材質。管道熱熔連接由專業人員操作，由于HDPE管在運輸或工地受到不同程度的污染，因此，為保證熱熔質量，在熱熔前必須將熱熔面清理干凈，同時，要控制好熱熔時間和溫度。

4.4? ? 細砂回灌

細砂回灌質量直接關系到豎直地埋管換熱效果，應嚴格控制施工各個環節。原漿回灌施工前正處在西安市政府“鐵腕治霾”及文明工地大檢查活動中，要求開挖基礎沙土全覆蓋，文明生產要求加圍擋等，在施工現場直接挖泥漿坑受到限制。為此，為滿足原漿回灌工藝要求，特制6臺泥漿鋼箱6.5 m3，箱內設攪拌功能，整個原漿回灌過程形成循環系統，多余泥漿用罐車運出工地。豎直地埋管換熱器下管完成，回填方式采用原漿反填的方法灌回填材料（回填材料為細砂，直徑約5 mm）。

4.5? ? 水平換熱管

建筑地下室有分集水器13套，分集水器分別兩端布置，中間由地埋水平管有序排列連接豎直換熱器和分集水器。設計水平換熱器在溝槽內，距地面700～800 mm，實際基坑內作業面施工水平管溝槽填砂后達不到700 mm。當時，地埋換熱器和土建基礎施工為交叉作業，難免有重型機械設備碾壓，為驗證是否對已隱蔽的水平地埋管造成損傷，研究出一個模擬實驗方法：在同等土質情況下，挖溝槽400 mm深，將水平管埋入溝槽內，選用22 t壓力機帶震動反復碾壓兩遍，挖出管子檢查，同埋入前基本沒有變化。事實證明，HDPE管材可靠、耐用，滿足設計要求。

5? ? 監理控制要點

5.1? ? 管材的質量控制

（1）管材、管件應相匹配，材質相同，檢查合格證，檢驗上報相關資料;

（2）管內、外壁應光滑，無刮痕、壓痕等外傷性缺陷，外觀質量合格;

（3）管材的直徑、壁厚及承壓等級符合檢驗報告測試項目及偏差符合要求;

（4）管材在搬運和運輸時，應輕拿輕放，裝卸采用柔韌性好的皮帶作吊帶或吊繩，嚴禁拋摔和沿地拖拽;

（5）妥善存放，避免在陽光下暴曬，現場管材要覆蓋，以防老化和變形;

（6）進場管材應用空氣試壓進行檢漏試驗。

5.2? ? 鉆井施工

（1）下套管鉆進。首先用？準150 mm的齒輪鉆頭跟進，鉆深為1 200～1 500 mm，將直徑為146 mm、長度為1 500 mm的鐵套管下至管道上口與地平面相平。為避免上部井口出現坍塌情況，所以必須下管護井壁。

（2）開鉆前需再次確認轉向無誤，并重新校核塔架底盤，鉆桿的垂直度不應大于5‰，并用水平卡尺保證塔架底盤的水平度。

（3）根據該工程所在位置地質現狀：上面卵石層部位在施工過程中應按3 m/h進度跟進，地下砂礫層部位在施工過程中應按7 m/h進度跟進，具體情況根據現場地質現狀可做適當調整。

（4）當鉆孔到要求深度后，應對孔內反復進行通孔，為下換熱管創造有利條件，在抽拔鉆桿時要注意避免與孔壁嚴重碰撞，發生孔壁坍塌情況。

5.3? ? 地埋管換熱器

（1）雙U形頭豎管整套換熱器應由制造廠商加工，熱熔質量和強度均由廠方負責，并標印管子長度（0～151 m），成卷包裝運至現場。

（2）豎直地埋管換熱器雙U形管的組對長度應滿足插入鉆孔后與環路集管連接的要求。組對好的雙U形管的四開口端部應及時密封。

（3）豎直地埋管換熱器雙U形管安裝應在鉆孔鉆好且孔壁固化后立即進行。當孔壁不牢靠或存在孔洞、洞穴等導致成孔困難時，應設護壁套管。下管過程中，雙U形管內宜充滿水承壓下管（壓力為0.6 MPa），并采取措施使雙U形管四支管處于分開狀態。

（4）豎直地埋管換熱器下管完成，回填方式采用原漿反填的方法灌回填材料（回填材料為細砂，直徑約5 mm）。

在下入換熱管后，換熱管與鉆孔之間進行回填，為了提高填料的密實程度，一方面要嚴格控制填料的回填速度，沿井口均勻慢速回填，減少因回填過快而造成填料在孔內搭橋的機會;另一方面，在填料過程中，沿井管向孔內注入少量原漿，使填料均勻下沉，確保填料密實。

（5）水平地埋管換熱器鋪設前，機械開挖水平管溝，溝深一般在300 mm左右，溝底寬度不小于1 500 mm，與溝面坡度成120°以上，該成坡工作由人工完成。溝槽底部應先鋪設相當直徑厚度的細砂。管道不得有折斷、扭結等問題，轉彎處光滑，且應采取固定措施。

（6）水平環路集管坡度宜為2‰，供回水環路管上下鋪設的間距不應小于0.6 m，水平平鋪的管路供回間距不應小于0.5 m。

（7）水平地埋管換熱器回填料應細小、松散、均勻，與管道接觸緊密，且不得損傷管道，距地面不宜小于0.8 m。

（8）地埋管換熱器安裝前后均應對管道進行沖洗。

（9）水平地埋管穿出墊層、筏板需外加套管和防水處理。？準40的PE地埋管外部和筏板接觸部位全部用DN65的鋼性套管。換熱管和鋼性套管之間填充防水涂料，以防此部位滲漏。

5.4? ? HDPE管熱熔連接

（1）熱熔連接前后，清潔焊接表面和加熱工具。焊接表面污染物應用潔凈棉布擦凈，殘留在加熱工具上的聚乙烯采用專用刮刀切除，熔接連接管道與管件的結合面應密實，不得出現過熱縮徑及結合面不緊密的現象。監理人員應隨時檢查熱熔質量。

（2）熱熔連接時，必須采用220 V/50 Hz的交流電，電壓變化在10%以內。

（3）熱熔連接加熱時間和溫度應按熱熔連接工具生產和管材、管件生產廠家說明書進行操作，熱熔溫度通常在200～235 ℃，施工由專職人員操作。

（4）HDPE管插入深度應符合表1要求。

（5）管道熱熔連接應準確掌握加熱時間。加熱時間過短，易造成熱熔面連接不牢靠;加熱時間過長，會造成管材變形，出現縮徑、過多膠狀物質流失的情況。最佳加熱時間選擇可參考表2。

（6）熱熔連接時，不得施加外力，冷卻過程才能恢復強度。只有冷卻時間達到一定程度時，方可實施其他作業。最佳冷卻時間選擇參照表3。

5.5? ? 水壓試驗

（1）地埋管換熱器施工過程水壓試驗，屬強制性條文，應根據施工進度編制旁站計劃，并做好記錄。

（2）水壓試驗宜采用手動泵緩慢升壓，升壓過程中應隨時觀察與檢查，不得有滲漏，不得以氣壓試驗代替水壓試驗。

（3）水壓試驗步驟：

1）豎直地埋管換熱器插入鉆孔前，應做第一次水壓試驗。在試驗壓力下穩壓至少15 min，穩壓后壓力降不應大于3%，且無泄漏現象，將其密封后，在有壓力狀態下插入鉆孔，完成灌漿之后保持1 h，工作壓力為0.4 MPa，試驗壓力為0.6 MPa。

2）豎直或水平地埋管換熱器與環路集管裝配完成后，回填前應進行第二次水壓試驗。在試驗壓力下，穩壓至少30 min，穩壓后壓力降不應大于3%，且無泄漏現象。

3）環路集管與機房分集水器連接完成后，回填前應進行第三次水壓試驗，在試驗壓力下穩壓至少2 h，且無泄漏現象。

4）地埋管換熱系統全部安裝完畢，且沖洗、排氣及回填完成后，應進行第四次水壓試驗，在試驗壓力下，穩壓至少12 h，穩壓后壓力降不應大于3%。

6? ? 結語

白鹿溪岸項目老年公寓一期地埋管換熱器施工由陜西中煤新能源有限公司承擔。該公司依據多年的實踐經驗，結合現場實際情況，對設計方案進行了優化，將地埋管換熱器井避開主樓基礎，集中布置在地下車庫基礎底下，有效利用了占地面積，降低了投資成本。經相關專家現場測試，結合西安日照指數及建筑外墻保溫效果，確定現已完成的378個換熱孔能滿足本工程空調使用面積負荷要求。

[參考文獻]

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收稿日期：2021-03-03

作者簡介：房永權（1988—），男，陜西西安人，工程師，研究方向：機電工程（暖通）。