浅析地源热泵系统工程施工技术要求与质量监督控制要点.doc

浅析地源热泵工程地埋管系统
施工的技术要点与质量监控要点

张江中区B-3-6地块研发楼建设项目总建筑面积126771m2，由五栋办公楼（A～E栋）和中间的环形中庭（F栋）组成，五栋办公楼分别为A～E栋办公楼，7～10层，高度为28.3m～44.3m；中间的环形中庭为F栋中庭，为五个办公楼空间联系部分；本项目的暖通专业设有空调风系统、空调水系统、通风系统、防排烟系统，其中空调系统采用了地源热泵换热及冰蓄冷的节能工艺。现以本项目为例，针对地源热泵施工过程中的技术要点与质量监控要点作相关分析与介绍。

一、工程情况
本项目地源热泵地源侧土壤换热器设计总吸热负荷：Q＝6400kw；夏季允许最大散热量8578.2KW；地埋管设计孔间距要求为4m×4m，垂直钻井总数量为1682口，单口井有效深度100米，垂直地埋管管材采用PE100给水管材，管径为De32，公称压力为1.6MPa；水平集管管材采用PE80给水管材，管径为De32、De40、De50、De63，公称压力为1.25MPa；二级集分水器至空调机房水平总管安装采用DN150的无缝钢管且全部采用20mm橡塑保温管保温；一级集分水器至空调机房水平总管采用DN400的无缝钢管且全部采用20mm橡塑保温管保温；系统共设二级集分水器10组，每组集分水器连接17个环路，每个环路连接8～10个垂直地埋孔。

二、地源热泵技术原理
地热泵技术是一种利用地下浅层常温土壤（或水）中的能量作为能源，借助热泵机组向建筑物内用户提供即可供暖、又可供冷的新型空调技术，并具有高效、节能、无污染、低运行成本之优点。通俗的讲，地源热泵技术是利用地下浅层土壤或地下水温度的相对稳定特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水，与建筑物内部进行热交换的技术。冬季，它可代替锅炉的运行，从土壤中取热，向建筑物供暖，夏季，它代替空调普通装置向土壤排热，给建筑物供冷。其实，它还能做到常年供应生活热水，被称为21世纪的“绿化空调”技术。下图为地源热泵系统技术原理示意图，本项目采用的是地埋管型地下换热器。

三、主要施工技术要点
1、系统施工前技术要点
系统施工前应具备区域的工程勘察资料，设计文件和施工图纸，并有经审批的施工组织设计；应了解埋管场地内已有及需要敷设的地下管线，其它地下构筑物的功能及其准确位置；对埋管场地应进行地面清理，铲除杂草、杂物，平整场地的工作。
2、材料选择与制作过程的质量控制
（1）地埋管材料及配件的质量对地埋管换热系统至关重要。地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，管件与管材应为同厂出的相同材料。进场时，地埋管应具有质量检验报告和生产厂的合格证，管材的公称压力及使用温度应满足设计要求。进入现场的材料应逐件检查，不得采用出厂已久的管材，管子进场时要轻拿轻放，严禁遇明火并防止利器损坏管子。竖直地埋管的U形弯管接头，宜选用定型的U形弯头成品件，不宜采用直管道煨制弯头。管道安装前必须清除管内污垢及杂物，必要时用水冲净，安装中的管道敞口应临时封闭。
（2）U型管制作过程的控制：PE管的预制是将需要下井的PE管、连接件制作成型，其形状呈U型，因此简称为U型管换热器，为防止其受损，下部端头应设保护装置。所有暗埋管道应采用热熔或电熔的方法连接，管道连接必须以管道制造商和热熔焊机的技术要求为基础，操作工人要经考试和技术评定合格后方可上岗操作；地埋管应采用切割器垂直切割，去除表面氧化层的长度应适宜，管材插入加热套时要用手握紧，不要太快移动、不要旋转，加热、冷却时间应符合要求，焊接完成后应检查焊瘤形状是否均匀、有无污染；U型管的组对长度应能满足与环路接管连接的要求，PE管应进行压力试验并保压，制作完成后及时密封开口端部，表面用彩条布覆盖，避免阳光直射发生热变形；U形管的组对应满足设计要求，组对好的U型管的开口端部应及时完封。
3、钻孔施工过程控制
钻孔前应根据室外地埋管总平面图做好测量放线及管孔定位工作，应采用专业的钻孔机；垂直钻孔深度应超过设计深度0.2米，根据地层不同采用不同的钻孔工艺。孔壁必须保持完整，钻孔深度误差不大于200mm，成孔垂直度小于1%；钻孔过程中产生的废土和岩石块在钻孔完毕应及时清理，并堆放至规定位置，使场地干净不积污，保持场地平整、清洁；钻孔揭露多层地下水时，采取回填封闭措施处理。
4、下管过程控制
U形管安装应在成孔且孔壁固化后立即进行；当钻孔孔壁不牢固或者存在孔洞、洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管；由于钻孔完毕后孔内通常存有大量积水，将对下管造成一定的困难，水中的沉积物也会影响孔洞的有效深度，因此U型管应设置配重防止上浮，同时孔口应设置衬垫物以防止U型管下管过程中受损。下管水位较浅时可采用人工下管，否则应采取机械下管，U型管底部应设置防护措施以确保底部不受损。下管过程中，U型管宜充满水，并应带压施工，便于下管过程出现破损、泄漏状况时能及时的发现并处理。如在下管过程中发现垂直管泄漏或管内压力突然下降，必须及时将管道拉出重新埋入试压合格的管道，并分析事故原因提出整改办法后，方能重新下管。U形管安装完毕后应立即灌浆回填封孔。需要注意的是，当室外环境温度低于0℃时，不宜进行U型管施工。
5、回灌过程控制
U形管安装完毕后，应立即灌浆回填封孔以强化换热效果，同时满足环保要求，防止地表污染物渗入孔内、不同含水层水质混合串通以及地下水向上泄漏。灌浆回填方式应采用从钻孔底部反浆回填的方法回填；灌浆回填材料宜采用原浆回填。灌浆时应尽量保证连续进行并根据灌浆进度逐渐将灌浆管抽出，从而实现自下而上封孔确保密实、无空腔。灌浆12h后进行复查，如未灌满应采取人工补浆。
垂直竖井回填前必须对垂直换热管再次进行检查，管内压力没有出现异常变化后才能进行回填,在回填过程中管道也须进行保压，一旦发现压力出现异常，立即停止回填，查明原因并进行处理后方可继续回填。必须将管和管孔之间空隙填实，确保换热效果，第一次填完后应多次检查。回填完后将留在地面的管道管口进行封堵保护，防止后续施工有泥沙进入管道，造成管道的被堵；对回填过程的检验与安装地埋管换热器必须同步进行。

地埋管剖面示意图
6、水平管施工过程控制
当地下室水平集管施工开始后，将各分区的水平管道的位置及走向标示出来，对管道走向进行放线后进行管沟开挖，开挖采用人工开挖清理的形式。开挖沟槽时要严格控制槽底标高和防止扰动槽底原状土，槽底超挖部分要用细沙或细土回填密实；水平沟槽有弧石等坚硬物体时，要在清除后用细沙或细土回填进行处理。
PE管道的连接采用热熔连接，dn≤63mm管道，采用便捷式熔接器。用热熔承插连接工具加热管材插口外表面和管件承口内表面，加热时间、加热温度应满足热熔承插连接工具生产企业和管材、管件生产企业的要求； dn＞63mm的管道，采用台式熔接器连接。连接时应用热熔对接连接工具上的铣刀铣削待连接的端面，使其与管道轴线垂直，并应保证待连接面能吻合；在热熔对接连接工具上，应校直对应的待连接件，使其在同一轴线上，错边不宜大于壁厚的10%；用热熔对接连接工具加热连接的端面，加热时间、加热温度应满足热熔对接连接工具生产企业和管材、管件生产企业的要求；若环境温度低于5℃，加热时间应延长50%；水平干管连接保持一定的坡度，保证排气通畅。水平集管坡向各垂直孔，二级集分水器检查井位置为环路的最高点，坡度宜为0.002。
水平管沟的回填，首先调整水平管的间距、平整度。施工时按照土层情况，如水平管沟开挖平整后沟面有较多坚硬石块或硬物的，水平管安装前下垫沙层150mm；如水平管沟土层较好，在水平管沟平整后直接安装水平集管。水平管安装并试压验收后，管道周边人工回填200mm厚细土保护层，淋湿夯实，管道两侧采用人工打夯。再上部用原土回填并进行夯实。每步回填不得超过30cm厚，分层振捣密实后在填下一层。最后整体回填至地下室垫层浇筑面。
7、地埋管系统试压要求
地耦管预置完成后，插入垂直孔前，做一次水压试验。在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无渗漏现象；
垂直钻孔完成后，地耦管安装在带压状态下完成，完成灌浆之后保压2天，压力表无大幅下降则地耦管安装负荷系统要求；
各支路竖直与水平集管装配完成后，回填前进行水压试验；在试验压力下，稳压至少30min，稳压后压力不应大于3%，且无渗漏现象；
每个系统环路集管与地下室二级集分水器连接完成后，进行第四次试压，在试验压力下，稳压至少2h，且无渗漏现象。试验合格后，回填管沟；
地埋管换热系统全部安装完毕后，且冲洗、排气及回填完成后，进行第五次水压试验。在试验压力下，稳压至少12h，稳压后压力降不应大于3%；且全程保压。
8、冲洗与排气要求
在总管连接完毕，进行压力试验合格后，竣工验收前应进行冲洗和排气；冲洗介质一般采用浊度为10NTU以下的净水，其温度不宜超过40℃，以不小于1.0m/s的速度连续冲洗，直至出水口处浊度、色度、与入口处冲洗浊度、色度相同；水流连续，无汽泡为止；而且冲洗时应保证排水管路畅通安全。
9、温度检测孔要求
根据检测孔设置要求，5000平方米设置一个检测孔。检测孔设置位置覆盖布孔中心区域和周边区域，因为埋管管群之间的热干扰是不可避免的，尤其是中心管井，这样布置检测孔的位置，可以得到具有代表性的土壤温度。且可根据拟建地不同地层土质情况，每20米设置一个感温探头，随时监测不同深度地层土壤温度。

检测孔剖面示意图
10、地源侧自控要求
自动冲洗控制：应在集分水器总管上预留接口，连入自动冲洗装置，清洗过滤杂质层。
泄漏报警控制：分别在地埋系统起点及末点安装压力、流量仪表，实现对管道进出口站的压力、流量数据的采集，并通过数传电台将信号传导数控计算机上，以实现对管线的泄漏检测。
通过对全年空调逐时负荷预测以及测试孔提供不同土壤温度的吸、放热能力数据的采集；利用检测孔对不同深度土壤温度进行检测，通过优化控制地源以及其他形式的冷热源的运行模式，使全年土壤吸、放热量达到平衡；从而达到节能环保的效果。
四、管理中应加以预控的主要问题
在工程实施过程中，常常存在以下问题需要特别注意，在管理过程中应采取相应措施加以预控以确保地埋管施工质量。
1、场地要求
钻孔过程中将会产生大量的泥浆，如果场地强度、平整度达不到要求且没有可靠的泥浆收集、排放设施，将造成场地内覆盖泥浆层，这将会造成移机困难，钻机垂直度不易控制以及地源井定位困难等一系列问题。因此钻孔前的场地要求为标高应低于场地内道路50cm，且有可靠的泥浆收集、排放系统并保证足够的平整度、强度以保证钻孔工作顺利进行。
2、钻孔
钻孔最大的难度是穿越卵石层，卵石层的粒径及厚度将决定钻孔、成孔的进度和质量，目前常采用的方法是采用真空泵或偏心钻穿越加厚的卵石层。因此钻孔前应充分了解地质情况，做好应对困难的准备。
3、地埋管制作
地埋管制作的主要问题包括U型管底部保护措施不到位、U型管两支管无可靠措施分开、下管下不到位等、热熔接头外观质量不佳等问题，这需要管理过程中加强验收，严格控制制作质量。
4、回灌
虽然回灌工作对整个地埋管系统的最终效果影响非常大，但从实践操作看，此项工作实施很不规范。施工过程中常常不按要求制配回填料，且没有采用机械灌浆以保证灌浆密实，常常采用原浆回填，也使得回灌工作形同虚设，回灌效果差，遇到地下水丰富的地层将给底板施工带来极大的困难，底板防水层也几乎无法施工从而影响到结构工程质量及进度，因此管理管理过程中要严格督促施工方严格按方案要求实施回灌工作。
5、水平管埋设
由于水平管上不宜留设接头，因此水平管施工将给土建垫层施工进度带来重大影响，因此在安排土建施工时应充分考虑水平管施工的影响。水平管管槽施工时通常也不规范，主要表现在开槽深度、坡度不能满足要求以致影响垫层厚度，同时铺底料、覆盖层常常也不能满足规范要求从而影响了水平管的保护治理，因此管理方应加强垫层施工前的隐蔽验收。
6、成品保护
由于土方开挖时挖土机械可能扯拉到地埋管而造成地埋管损坏，地下室垫层施工、保温板施工、砼支撑破除、地下室外侧回填等都可能对地埋管造成损坏，因此施工过程中应制定可靠的保护措施以保证地埋管的成品保护；而且直埋的室外管线也应严格做好防腐、保温等专项保护工作，以确保地埋管成品质量。
结语
本文主要对地源热泵地埋管系统中地埋管及水平管敷设工作的质量控制要点及易出现的问题进行了简要总结；地源热泵作为一个新技术，管理方应结合工程实际，并按照规范设置质量控制点，以保证最终使用效果最大化。

参考文献
[1]刘文正，王伟．地源热泵埋管施工技术．《建筑工程》第34卷第1期，2012
[2]何育苗．地源热泵空调系统地埋管施工.《建筑科技情报》2010年第2期，2012