摘要：地源熱泵技術(shù)是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的利用可再生能源的技術(shù)，能通過利用地下淺層地?zé)豳Y源，實(shí)現(xiàn)建筑物的冷暖空調(diào)和熱水供應(yīng)。隨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和環(huán)保要求的提高，地源熱泵的發(fā)展前景廣闊。但地源熱泵系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨地質(zhì)條件限制、初投資高、公眾認(rèn)知度不足等挑戰(zhàn)，因此以安徽省滁州市某住宅項(xiàng)目為例，介紹該項(xiàng)目的地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工情況，以及地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和其施工工藝、施工要點(diǎn)，體現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用效果和實(shí)現(xiàn)的建筑節(jié)能減排目的，顯著提高能源利用效率。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；優(yōu)缺點(diǎn)；施工工藝；施工要點(diǎn)

引言

隨著全球能源危機(jī)的日益加劇和環(huán)境保護(hù)需求的愈發(fā)迫切，可再生能源利用成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。地源熱泵技術(shù)作為一種高效、環(huán)保的能源利用技術(shù)，正逐漸受到人們的關(guān)注。地源熱泵系統(tǒng)可利用地下淺層地?zé)豳Y源，通過熱泵循環(huán)實(shí)現(xiàn)建筑物的冷暖空調(diào)和熱水供應(yīng)，不僅能使建筑節(jié)能減排，還能為人們創(chuàng)造更加舒適的生活環(huán)境。

1 地源熱泵系統(tǒng)介紹

建筑能耗以供熱采暖和空調(diào)能耗為主，由于地源熱泵系統(tǒng)既是一種高效節(jié)能且環(huán)保的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的工程系統(tǒng)，能利用其良好的儲(chǔ)熱性常年保證建筑溫度均衡。因此，地源熱泵系統(tǒng)不僅能在冬天供暖、夏天供冷，還節(jié)能降耗、低碳環(huán)保。

1.1技術(shù)原理

基于熱泵循環(huán)，通過地下埋設(shè)的換熱器與地下土壤或水體進(jìn)行熱交換。冬季，地下熱能通過換熱器傳遞到熱泵機(jī)組，經(jīng)機(jī)組壓縮提升溫度后供給室內(nèi)供暖；夏季，室內(nèi)熱量通過熱泵機(jī)組傳遞到地下土壤或水體中，實(shí)現(xiàn)降溫。

1.2系統(tǒng)組成

地源熱泵系統(tǒng)主要由熱泵機(jī)組、地下埋管換熱器、水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

1.3環(huán)境影響

地源熱泵能夠有效利用地下可再生能源，減少對傳統(tǒng)能源的依賴；地源熱泵運(yùn)行過程不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)排放，對空氣質(zhì)量沒有負(fù)面影響。

1.4應(yīng)用現(xiàn)狀

地源熱泵系統(tǒng)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。但由于不同地區(qū)的地質(zhì)條件、氣候條件及經(jīng)濟(jì)發(fā)展存在差異，因而地源熱泵應(yīng)用仍面臨著一定挑戰(zhàn)。

2地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1地源熱泵系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)

2.1.1高效節(jié)能

地源熱泵系統(tǒng)相較于其他類型的供熱系統(tǒng)（鍋爐或電加熱），具有更高的能效，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)4.7。

2.1.2綠色環(huán)保

地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生廢氣、廢渣或其他有害物質(zhì)，對環(huán)境影響很小。使用的冷媒通常是環(huán)保型的，不會(huì)導(dǎo)致臭氧層的破壞或溫室效應(yīng)。

2.1.3使用壽命長

地源熱泵系統(tǒng)的使用壽命通常在15年以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般的中央空調(diào)系統(tǒng)和其他采暖設(shè)備。

2.1.4可靠性強(qiáng)

地源熱泵系統(tǒng)中，每個(gè)機(jī)組均可獨(dú)立工作，個(gè)別機(jī)組出現(xiàn)問題，也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.2地源熱泵系統(tǒng)尚存的缺點(diǎn)

2.2.1初始投資高

地源熱泵系統(tǒng)和普通的空調(diào)水系統(tǒng)相比，在項(xiàng)目初期投資時(shí)需要增加額外的地源熱泵室外地埋管系統(tǒng)的安裝費(fèi)用，幾乎占整個(gè)項(xiàng)目預(yù)算費(fèi)用的25%。

2.2.2安裝限制明顯

地源熱泵系統(tǒng)能量來源于溫度恒定的地埋管系統(tǒng)，由于地埋管系統(tǒng)的占地面積較大，需要大面積的鉆井作業(yè)，因而使用地源熱泵系統(tǒng)的項(xiàng)目要保證有足夠大的面積來進(jìn)行打井。此外，地埋管施工時(shí)鉆孔與鉆孔之間需要保持足夠的距離（一般在3～6m），需要一定規(guī)模的安裝場地。

2.2.3施工復(fù)雜

施工前，需要對地源熱泵系統(tǒng)安裝位置的地理環(huán)境做熱物性測試，測定地下巖土層的能量交換效率。做室外部分施工時(shí)，需要考慮地源熱泵系統(tǒng)各個(gè)回路之間的比例、水平埋管坡度、管路連接應(yīng)力等因素。

2.2.4地下溫度失衡

我國國土面積大，且不同地區(qū)氣候差異也很大，從實(shí)際情況來看，南方供冷大于供暖，北方供暖大于供冷，致使北方地區(qū)地下熱量過多消耗，不能及時(shí)填補(bǔ)，同時(shí)南方地區(qū)熱量過度注入地下，過剩熱量不能及時(shí)散出。長此以往，不僅會(huì)導(dǎo)致土壤溫度失衡，還會(huì)破壞生態(tài)平衡。

3地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用工程

以安徽省滁州市某住宅小區(qū)項(xiàng)目為例，分析地源熱泵系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排應(yīng)用。滁州市某住宅小區(qū)包含21棟住宅樓，總建筑面積約為120000m2，采用地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)制冷及制熱。地源熱泵埋管系統(tǒng)位于地下室建筑物基礎(chǔ)下，采用De25并聯(lián)雙U型埋管，非集管式同程布置。

3.1室外設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1.1夏季

空調(diào)計(jì)算干球溫度為34.5℃，空調(diào)計(jì)算濕球溫度為28.2℃。

3.1.2冬季

空調(diào)計(jì)算溫度為-4.2℃，空調(diào)計(jì)算相對濕度為73％。

3.2空調(diào)負(fù)荷及冷熱源

3.2.1空調(diào)負(fù)荷

滁州市某住宅小區(qū)地源熱泵工程，夏季空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷8600kW，單位空調(diào)面積冷負(fù)荷100W；冬季計(jì)算熱負(fù)荷5500kW，單位面積熱負(fù)荷65W。住宅小區(qū)取同時(shí)使用系數(shù)0.8，空調(diào)和供暖面積86000m2。

3.2.2空調(diào)冷熱源

3.2.2.1采用垂直埋管的地埋管地源熱泵系統(tǒng)

滁州市某住宅小區(qū)地源熱泵工程采用垂直埋管的地埋管地源熱泵系統(tǒng)，埋管數(shù)量根據(jù)空調(diào)裝機(jī)熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，夏季地源熱泵系統(tǒng)滿足部分冷負(fù)荷，考慮在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)冬季和夏季取放熱量達(dá)不到平衡的因素，輔助配置冷卻塔補(bǔ)充冷負(fù)荷和解決土壤熱平衡。

3.2.2.2地源熱泵機(jī)組配置

地源熱泵系統(tǒng)采用3臺(tái)變頻螺桿式地源熱泵機(jī)組、1臺(tái)變頻離心式水冷機(jī)組，冷水溫度分別為7℃、12℃，熱水溫度分別為40℃、45℃；地源夏季溫度分別為25℃、30℃，冬季溫度分別為10℃、5℃。冷卻塔供/回水溫度為31℃/36℃，全變頻運(yùn)行。

3.2.2.3輔助冷熱源配置

選用1臺(tái)冷卻能力為320t/h的低噪音變頻橫流冷卻塔，設(shè)置在通風(fēng)良好的位置，進(jìn)/出水溫度為36℃/31℃，冷卻塔對應(yīng)1臺(tái)變頻離心式水冷機(jī)組運(yùn)行。

3.3地埋管系統(tǒng)[1][2]

采用雙U型埋管，埋管按照120m深設(shè)計(jì)，鉆井總數(shù)為1065口，富裕系數(shù)10%；地埋管換熱器埋設(shè)場地設(shè)置為6個(gè)區(qū)域，水平管采用同程式布局，每個(gè)井管道獨(dú)立連接至集分水器，每個(gè)區(qū)域均設(shè)有集水檢查井和分水檢查井，每個(gè)集水器上均設(shè)置有平衡閥；在地埋管6個(gè)區(qū)域設(shè)置6個(gè)測溫井，井深120m，每30m設(shè)置1個(gè)測溫點(diǎn)。

3.4地埋管施工工藝

3.4.1地下?lián)Q熱系統(tǒng)垂直井施工工藝

根據(jù)換熱孔設(shè)計(jì)情況，在換熱孔施工前對施工現(xiàn)場和環(huán)境進(jìn)行實(shí)地踏勘。

3.4.1.1成孔施工

采用的鉆孔設(shè)備帶有簡易豎直度顯示裝置，在鉆孔過程中可進(jìn)行堅(jiān)直度的微調(diào)，保持顯示指針位于零刻度上；鉆孔機(jī)械設(shè)備到場后，檢查鉆孔位置，以及鉆機(jī)的水平度、鉆頭直徑是否滿足要求；鉆進(jìn)時(shí)認(rèn)真記錄起停鉆的時(shí)間、鉆進(jìn)的尺度，以及鉆進(jìn)過程中其他問題，并按照要求填寫鉆進(jìn)記錄表。

3.4.1.2下管準(zhǔn)備

管材到場后，檢驗(yàn)管材的規(guī)格型號(hào)、合格證等是否符合要求，隨機(jī)抽查管徑大小和管材的壁厚。管路選用高密度聚乙烯（HDPE）管[3]，熔接時(shí)先把每卷HDPE管拉直，根據(jù)埋孔的深度裁管，然后開啟電熔器，待其溫度達(dá)到300～400℃，采用短單U接頭將2根裁好的直管連接在一起，形成垂直U形管。先用干凈的自來水沖洗，然后再打壓，下?lián)Q熱器管前進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力2.0MPa，在試驗(yàn)壓力下，穩(wěn)壓至少15min，穩(wěn)壓后壓力降不大于3%，保證無泄漏現(xiàn)象。確保換熱管和孔壁貼合得越緊密越好，如緊密度不夠，可能會(huì)造成換熱管之間短路傳熱，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定的間隔安裝卡子，卡子制作應(yīng)在施工現(xiàn)場進(jìn)行，即做即用，卡子尺寸要滿足偏差不大于5mm的要求。

3.4.1.3下管填料

地下?lián)Q熱器孔的回填采用專用回填料，確保無回填空隙，回填完成以后，超出地面的管道管口需要進(jìn)行封堵防護(hù)并用顯眼的物品做好標(biāo)記，盡可能避免在后序施工時(shí)，對管路造成破壞。灌漿回填時(shí)要將管道和孔井之間的空隙填實(shí)，避免管道在后期運(yùn)行時(shí)移位變形、損壞。首次填完后，要再次檢查，發(fā)現(xiàn)縫隙繼續(xù)回填，如此往復(fù)多次，確保緊密嚴(yán)實(shí)。水平管道回填時(shí)必須仔細(xì)檢查混在管溝回填土里的磚、石等堅(jiān)硬雜物，及時(shí)將其清理干凈，以防管道被刮傷漏水，影響后期使用效果。

3.4.1.4二次打壓

填料下完，經(jīng)檢驗(yàn)合格后，再經(jīng)沖洗完畢進(jìn)行第2次水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力0.8MPa，在試驗(yàn)壓力下，穩(wěn)壓至少30min，穩(wěn)壓后壓力降不大于3％，且無泄漏現(xiàn)象為合格。

3.4.1.5水平主管

地下?lián)Q熱器系統(tǒng)水平埋管采用直埋敷設(shè)，管道下墊150mm厚沙層。將各分區(qū)內(nèi)的地下?lián)Q熱器連接成系統(tǒng)，并連接到各分區(qū)分集水器。連接橫埋管有一定的難度，溝里有水和泥巴，而且在一個(gè)窄小的范圍之內(nèi)操作有一定局限性，不像在地面上操作那樣簡單，這給熱熔增加了難度，因此熱熔連接之前，要先準(zhǔn)備好擦布，將管路上的水和泥巴擦干、擦凈。

（1）定位放線

根據(jù)施工圖紙、地質(zhì)勘察報(bào)告和水文地質(zhì)報(bào)告、當(dāng)?shù)貧庀笄闆r、施工現(xiàn)場實(shí)際情況、交通道路及排水狀況、施工現(xiàn)場的水電等條件，定位放線?，F(xiàn)場已安裝的管線、建筑物等與工程項(xiàng)目相關(guān)的位置、高程應(yīng)在施工之前校核檢測。

（2）溝槽開挖

溝槽開挖必須在定位放線驗(yàn)收合格后進(jìn)行，當(dāng)溝槽開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高約0.1～0.2m時(shí)，按要求盡快采取預(yù)防措施以防雨水或其他水進(jìn)入。溝槽開挖時(shí)如果在下方發(fā)現(xiàn)地下建設(shè)設(shè)施或疑似文物，應(yīng)立即采取保護(hù)手段，上報(bào)上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)，通知相關(guān)單位處理。開挖的溝槽質(zhì)量要符合4項(xiàng)規(guī)定，即①挖槽土方應(yīng)妥善安排堆放位置，堆土下坡腳與槽邊的距離根據(jù)槽深、土質(zhì)、槽邊坡來確定，最小距離應(yīng)為1.0m；②開挖斷面時(shí)，要考慮生產(chǎn)安全和工程質(zhì)量，做到開槽斷面合理；③在挖槽時(shí)應(yīng)跟蹤并對槽底高程進(jìn)行測量檢驗(yàn)，使用機(jī)械挖槽時(shí)，在設(shè)計(jì)槽底高程以上預(yù)留20cm土層，待人工清挖；④溝槽挖好之后，需要將溝槽內(nèi)的石塊清凈，溝槽底部要夯實(shí)穩(wěn)固，保證管道墊層平實(shí)無尖銳物體，管道鋪設(shè)完成后需要再鋪設(shè)30cm細(xì)沙層。

（3）管道交叉處理

管道施工時(shí)如若與其他專業(yè)或本專業(yè)管道交叉，應(yīng)按相關(guān)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行處理。

（4）溝槽回填

各路管道施工完成并經(jīng)自檢及監(jiān)理檢驗(yàn)合格后，按照相關(guān)要求進(jìn)行溝槽回填，如溝槽中有石塊應(yīng)及時(shí)清理，之后用細(xì)沙土填埋平整，最后再將各路管道放入溝槽中。在下方管道的過程中，嚴(yán)禁直接將管子滾放進(jìn)溝槽。管道安裝走向高度要和施工圖紙標(biāo)準(zhǔn)要求相符，而且要采取有效的固定方法。水平地埋管換熱器施工時(shí)，注意防止尖銳物體如石塊、鐵皮等碰撞。管道不能出現(xiàn)打彎、扭曲等情況，管道轉(zhuǎn)彎時(shí)彎曲半徑要符合規(guī)范要求且必須要采取有效固定方法。水平地埋管需在接分集水器位置預(yù)留一定冗余量，水管穿過防水套管前，要完成外墻外側(cè)回填土的分層回填夯實(shí)作業(yè)。

3.5施工要點(diǎn)

鉆機(jī)操作過程要注意鉆機(jī)水平度和鉆桿垂直度，并檢查鉆孔深度及鉆孔直徑，同時(shí)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。U型管組對與PE管連接時(shí)，注意管口的清潔，熔焊的質(zhì)量（管口無雜質(zhì)、熔焊牢固無氣孔），且U型管必須使用管卡以保證管間距離及傳熱效果。每組換熱器在下管前必須做壓力試驗(yàn)，下管時(shí)要保證帶壓，下管過程中要時(shí)刻觀察壓力表的壓力是否有變化。如果發(fā)現(xiàn)下降，管路需要拔出，重新做壓力試驗(yàn)，處理好問題后重新下管；如果破損嚴(yán)重，則不能再使用，需更換新的管道。

垂直地埋管的回填質(zhì)量直接關(guān)系到地源熱泵投入使用后的效果，必須高度重視。采用注漿回填（注漿管從管孔井底部開始，逐漸至頂部）為好，但費(fèi)用較高。砂石土質(zhì)也可采用原漿回填，回填時(shí)需多次檢查，多次補(bǔ)填。如果鉆孔內(nèi)地下水沉積較多，則需要在原漿回填料內(nèi)摻入粗砂或膨潤土，經(jīng)多次回填到位后，孔口用水泥混合漿封口，防止孔中大量的地下水上冒影響底板結(jié)構(gòu)安全。

垂直地埋管敷設(shè)完畢，在管口套安裝一段PVC保護(hù)管，并使之標(biāo)記明顯。水平管溝完成后，溝底要保證平整；溝底采用細(xì)砂鋪填，待水平管鋪設(shè)完成后，再在其上方及周邊鋪設(shè)細(xì)砂，然后用原土回填夯實(shí)。

此外，地埋管施工全過程中，試壓工作非常重要，也需特別關(guān)注。由于地埋管施工是一次性的，后續(xù)損壞無法修補(bǔ)，因此必須注重施工全過程的質(zhì)量管理。

4地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果

目前，我國建筑行業(yè)上下游的碳排放量相加已超過全國碳排放總量的50%，因此推動(dòng)建筑減排成為我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要工作之一。從滁州市某住宅小區(qū)應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)可以看出，地源熱泵利用地下淺層地?zé)豳Y源，不僅能通過熱泵循環(huán)實(shí)現(xiàn)建筑物的冷暖空調(diào)和熱水供應(yīng)，還能促進(jìn)住宅建筑的節(jié)能減排，對我國建筑領(lǐng)域降碳起到了助力作用。另外，滁州市某住宅小區(qū)地源熱泵項(xiàng)目采用的地源熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)供冷供暖技術(shù)相比，節(jié)能效果顯著、室內(nèi)溫度更穩(wěn)定、室內(nèi)濕度控制良好、運(yùn)行噪聲低、環(huán)境舒適度高，大大降低了運(yùn)行費(fèi)用和維修費(fèi)用，使得用戶的居住環(huán)境體驗(yàn)感極佳。

結(jié)語

地源熱泵系統(tǒng)供熱供冷技術(shù)非常成熟，已廣泛應(yīng)用于住宅、商業(yè)、工廠等各個(gè)領(lǐng)域，環(huán)境效益顯著，不僅能減少建筑的溫室氣體排放，還能緩解城市熱島效應(yīng)。過去20年，地源熱泵系統(tǒng)在我國建筑領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)出高速發(fā)展態(tài)勢，加之國家“十四五”規(guī)劃明確指出“要積極推動(dòng)地?zé)崮芤?guī)?；l(fā)展”，因此熱源熱泵系統(tǒng)供熱供冷、節(jié)能減排前景一片光明。

參考文獻(xiàn)

[1] GB 50366-2005，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2] CECS 344-2013，地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器施工技術(shù)規(guī)程[S].

[3] CJ/T 317-2009，地源熱泵系統(tǒng)用聚乙烯管材及管件[S].

作者簡介

王耀晨（1990—），男，漢族，河北唐山人，助理工程師，工學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)樾履茉醇夹g(shù)與應(yīng)用。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-12