基于被動房項目暗埋式地源熱泵系統的分析

張毅鵬

地熱資源是指能夠被人類利用的地球內部熱能資源，除淺層地熱能外，其他熱能資源都需要繁瑣的轉化步驟才能進行利用，而淺層地熱能不但使用方便、可再生、可循環利用，還具有綠色無污染、使用效率及壽命高等明顯優勢，可以實現節能減排與保護環境的雙贏局面。

1.工程概況

某工程作為被動房技術體驗中心，占地面積4850m2，長約77m，寬約64m，總建筑面積約為13771.30m2，主建筑高度22.13m，其中地上五層共8190.23m2，地下三層共5581.07m2。該體驗項目以土壤熱源泵作為建筑的冷熱源系統依托，以新風及冷梁系統作為其提供渠道，同時為了充分保證地源熱泵系統在冬夏兩季的熱量收支平衡，增加了地埋孔間距，傳熱系數越高則間距越大，提高了地源熱泵的熱回收能力。

1.1 冷熱源及其相關參數

該工程主要包括2 個熱泵機組，其中1 號熱機泵的能效等級為Ⅰ級，額定制冷量為130KW，制熱COP ＞4.6，制冷COP ＞5.1，綜合負荷性能系數＞6.6，供回水溫度41℃/46℃（冬季），2 號熱機泵的能效等級為Ⅰ級，額定制冷量為300KW，制熱COP ＞4.6，制冷COP ＞5.1，綜合負荷性能系數＞6.6，供回水溫度16℃/19℃（夏季）。

1.2 冷熱源系統的工作原理

冷熱源系統的具體工作原理如圖1 所示。

圖1 冷熱源系統原理圖

2.地源熱泵工作原理

暗埋式地源熱泵系統的主要工作原理是利用并轉化地表淺層的地熱資源，從而實現對室內的供暖及制冷，其是一種新型的具有節能作用的清潔能源空調系統。該系統具有以下優點：夏天持續制冷，冬天持續供暖，溫度適宜可控，淺表地能可以直接作為夏、冬兩季的制冷、制熱源。

3.暗埋式地源熱泵系統施工工藝

3.1 施工工藝流程

圖2 施工工藝流程圖

3.2 施工各要點分析

3.2.1 施工前勘察

在施工前要做好所有的準備工作，對周邊環境進行考察，并委托專業人員帶領隊伍進行施工現場及淺層地熱能源的勘察，對施工場地進行詳細調研，記錄影響施工的各種因素，形成具有專業性、科學性、合理性的勘察報告。

3.2.2 測量放線

地源熱泵的進路線要進行精準測量，測量要以特定的標準進行，其設定標準為建筑結構的基準軸線。在設計時保證各定點定位準確，測量結構無誤后進行鉆孔，鉆孔時要保證大小、深度、形狀、間距等符合規定條件。

3.2.3 工程鉆孔

在對各定位線實施鉆孔前需勘察周邊是否有障礙物及其他管線，如果有則要及時避開或采取保護措施，避免鉆孔導致地下管道受損。在開鉆前還需仔細檢查鉆具是否完好、能否正常使用，鉆孔時保證鉆具與定位孔之間有一定距離。之后開通泥漿泵，注入沖洗液，待其循環暢通后再將鉆具移動至孔底，注意速度不宜過快。在鉆具工作過程中若發現壓力不足、回轉阻力增加等情況，應立即停止施工，仔細尋找問題原因，在得到有效解決后再進行工程。對于施工地表上層的疏松土壤在施工時要注意四個要點：松壓、慢速、大泵量、稠泥漿。

3.2.4 豎直地下換熱器施工

（1）下置管道：換熱器在下管前需進行相關測試以驗證其質量是否合格。測試方式為液壓試驗：試驗時需使用純凈水為試驗介質，鋼制換熱器水溫需≥5℃，其他金屬結構的換熱器測試水溫需≥15℃。試壓時壓力大小要符合相關設計技術標準，試壓壓力為設計壓力的1.25 倍。

（2）下管時要注意下管的位置，不可提前或延后下管，正確下管位置為預先設計位置。若下管時間有誤，可能造成鉆孔出現問題，導致出現塌陷或堵塞，造成下管困難或下管有誤，正確的下管時間及位置可避免這一問題。另外，下管時還需保證U 型管中充滿水液。

3.2.5 水平管道施工

水平管道的施工需要注意以下要點：（1）施工時不要破壞原地基，防止開挖管道溝影響地基穩固，出現不均勻沉降現象，影響后期施工。（2）將管道四周40m 范圍內的土層全部換土振實，保證其硬度相同。（3）在對管道底部進行鋪沙前需保證所有雜物、硬物、碎石全部清除，同時保持溝底平整。（4）管道各處的焊接采用熱熔方式進行，操作時環境溫度不得≤0℃。熱熔前需清潔管道連接各面，檢查管材是否完好。熱熔時注意控制加熱的時間、溫度、壓力以及冷卻的溫差及時間，對可能出現的異常做好防范工作及相應的應對措施。（5）水平地埋管換熱器下管前同樣需要做液壓測試，保證能夠正常使用。下管后采用直埋方式進行鋪設。具體操作：鋪設時水平管的深度保持在1.5m～1.6m，管道的上、下方需鋪墊20cm 左右的細沙，防止鋪設過程中出現管道互相擠壓的現象。

3.2.6 系統清洗、試壓

為了保證地埋管的換熱系統能夠正常使用、不出故障，需在安裝前對其進行沖洗、試壓，達到條件后才能進行之后的工作。地埋管各階段的試壓操作及結果如表1 所示。

表1 地下換熱器系統試壓情況

3.2.7 灌漿回填

當所有管道的壓力測試合格、合規之后即可進行回填工作，回填時要注意仔細檢查水平管的間距及其水平度，保證其處于規定范圍內。注意選擇地下換熱器孔的回填材料，目前多使用水泥砂漿進行回填。在回填時要確保換熱器孔周圍土壤、巖層的導熱系數小于回填材料的導熱系數。同時為保證回填后鉆孔無空腔、無縫隙、緊密飽滿，要嚴格控制回填灌漿量，使其具有一定余量。

3.2.8 系統測定及調試

工程最后驗收前還需測定水泵的流量并對系統的水流量進行調整，在水路平衡閥上做好標記。之后進行帶冷熱源的系統聯合運轉測試，測試結果顯示系統可持續8h 以上無異常運轉后方能進行最終驗收。

4.暖通空調動力系統冷熱源控制的具體要求

為了保證暖通空調動力系統正常運行，就要對其冷熱源控制做到以下要求：（1）空調系統的冷熱源控制裝置設置：要將空調系統的冷熱源控制裝置設置于地源熱泵的機房內，地源熱泵空調系統機組設計采用二管制冷熱水機組。從而實現冷熱源設備的連鎖啟停，同時根據冷卻水的溫度調節、控制冷卻塔風機的運作頻率。（2）空調運行負荷計算：為確保啟動冷機的運行負荷達到七成以上，需結合冷凍水的總管流量及供回水的總管溫差來進行系統實際冷負荷的運算，最后根據冷機的額定冷量來確定其開啟臺數。（3）保證循環泵的順利運行：循環泵變頻、變量運行的前提條件是空調供水系統供回水之間的壓力差及溫度差，為了確保循環泵能夠順利運行，需做到冷水機的最小流量大于生產廠家的最低額定冷量標準，因此要在供回水總管上設置壓差旁通閥來進行調控。（4）實現溫度自動調控：為防止出現建筑物及室內過熱現象，需根據室外溫度變化調節供暖的二次供水溫度。

5.結語

暗埋式地源熱泵系統可在施工前結合施工當地的地熱資源及地質環境進行評估、分析、調節，這種模式可以使資源得到充分的、可循環的利用，從而保證系統能夠最大程度地達到節能的目的。同時，該技術還具有綠色環保、沒有污染的優點，與房屋建設結合后可以提高熱回收效率、維持熱收支平衡，符合未來綠色建筑的發展趨勢。