论奥林匹克森林公园建筑物地源热泵的施工技术

齐水艳

北京市设备安装工程集团有限公司，北京 100045

论奥林匹克森林公园建筑物地源热泵的施工技术

齐水艳

北京市设备安装工程集团有限公司，北京 100045

奥林匹克森林公园作为2008年北京奥运会标志性建设项目之一，采用地源热泵空调系统，充分体现“绿色奥运”的理念。此系统主要由3部分构成，即室内空调末端设备、热泵机组主体、地下埋管换热器。根据一般地源热泵特点，按照冷负荷选配主要机组，利用浅层地温能作为地源热泵机组的冷热源，选择热回收式地源热泵机组提供空调和生活热水，生活热水由一个不锈钢生活热水水箱蓄存，生活热水夏季通过空调供冷开机时的冷凝热回收得到，冬季时主机制热量有富余，完全满足供暖使用要求。另外，需要3台普通地源热泵机组，夏季提供冷量。冬季机组可以小负荷运行，最大热负荷情况下，仅需要开3台主机，即可满足使用要求。热泵机房安装工程，主要包括室外管线进入机房与室内管网的连接，机房内主机、循环泵、集分水器、控制柜、管道等设备的安装。换热孔的设计及钻探施工是整个工程的关键。本项目根据地源热泵系统冷、热负荷的需求量，需要拟凿换热孔921个，单个地埋换热孔深40～100m，孔深总长度为76 110m，孔径大于150m，换热孔通过地面连接管分区连接后，再汇集进入热泵机房。

地源热泵系统；冷热负荷；热泵机组；地埋换热孔

1 概述

早在20世纪50年代我国就已经开始空气源热泵方面的研究工作，而地源热泵的发展比较缓慢。近年来，随着能源和环境问题的日益突出，以可再生的地热源为能源的地源热泵引起了人们的重视。2000年以来，地源热泵的开发利用在全国得到普遍推广，每年以10～15%的速度增长。京津地区发展速度最快。据中国地质调查局的资料显示，至2005年末，浅层地温能应用面积约2 000万m2。2005年以来，中国水源热泵的应用明显加快，由于这项技术比较成熟，在中国将进入大规模推广应用阶段。

奥林匹克森林公园园区有20个单体建筑物组成，每个建筑物都是独立的，森林公园占地面积大，建筑物分散，小面积建筑数量比重较大，作为2008年奥运会标志性建设项目之一，为充分体现“绿色奥运”的理念，在进行空调系统设计时充分考虑经济性、绿色环保等因素，确定地源热泵空调系统成为奥林匹克森林公园空调系统设计的首选方案。

地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热,向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同时，它还可供应生活用水，是一种有效地利用能源的方式。

2 地源热泵系统简介

2.1 地源热泵的发展历史

1912 年，瑞士Zoelly最早提出了“地热源热泵”的概念。1946年美国开始对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统，运行很成功，由此掀起了地源热泵系统在美国的商用高潮。1985年美国安装地源热泵14 000台，1997年则安装了45 000台，目前已安装了400 000台以上的地源热泵，并且以每年10%的速度递长。1998年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占到空调保有量的19%以上，其中在新建筑里面占30%。在欧洲国家里更多的是利用浅层地热资源，来供热或者取暖。

早在20世纪50年代我国就已经开始空气源热泵方面的研究工作，而地源热泵的发展比较缓慢。近年来，随着能源和环境问题的日益突出，以可再生的地热源为能源的地源热泵引起了人们的重视。2000年以来，地源热泵的开发利用在全国得到普遍推广，每年以10～15%的速度增长。京津地区发展速度最快。据中国地质调查局的资料显示，至2005年末，浅层地温能应用面积约2 000万m2。2005年以来，中国水源热泵的应用明显加快，由于这项技术比较成熟，在中国将进入大规模推广应用阶段。

2.2 地源热泵系统的分类

地源热泵系统包括3种不同的系统：以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵，也有资料文献称为地下耦合热泵系统或者叫地下热交换器热泵系统；以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统；以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统，见图1。

图1 地源热泵的分类

2.3 地源热泵系统的节能特性：

传统的空调系统采用风冷换热器或水冷换热器，其换热环境直接或间接为大气，而大气换热不可避免地受到环境条件交换的影响。在夏季，当室外温度达到40℃时，由于换热效率降低，冷量将下降20%～40%；在冬季，当室温下降到-10℃时，供热量下降到15%～30%，而且要反复地冲霜来保证机组的运行。对于地源热泵，换热器是介质和大地地表浅层换热，地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能，相当于人类每年利用热量的500多倍。地能不受气候、资源、地域、地质结构限制。其温度大约为年平均气温，基本不受外界环境影响。由于地源温度一年四季相对稳定，使地源热泵机组运行更可靠、稳定、也保证了系统的高效性。

3 奥林匹克森林公园地源热泵系统

3.1 项目简介

奥林匹克森林公园园区有20个单体建筑物组成，每个建筑物都是独立的，森林公园占地面积大，建筑物分散，小面积建筑数量比重较大，本工程地源热泵空调系统主要由3部分构成：室内空调末端设备，热泵机组主体，地下埋管换热器。

奥林匹克森林公园建筑物地源热泵利用浅层地温能作为地源热泵机组的冷热源，以实现整个系统的夏季制冷和冬季供暖。工程项目主要包括：热泵机房安装工程和室外管网工程。

3.2 地源热泵机房安装工程（20个）

主要包括室外管线进入机房与室内管网的连接，机房内主机、循环泵、集分水器、控制柜、管道等设备的安装。

1）地源热泵机房设备安装

机房设备安装流程：如图2。

图2 机房设备安装流程

在设备与基础之间加装减震装置。机组的蒸发器进出口必须加装橡胶软连接，包括水冷机组的冷却水进出水管。蒸发器的进出水管需加装截止阀。在蒸发器、冷凝器的进水口必须安装过滤器，以确保蒸发器、冷凝器的循环水不能含任何杂质，如金属料体、焊渣、钢丝等。安装冷冻水循环泵管道时，需在蒸发器的进出口端安装短路循环管，在短路循环管上需加截止阀，并作水路循环、除污后确认水质达到要求后，方可连接机器。调试前要求能够保证供电，能保证机组全部启动运行。在冷冻水循环管道上的最高点安装自动排气阀。在蒸发器出口端的水平管道上需安装一个流量开关。在冷冻水循环管道上的最低点安装排水阀。

2）地源热泵机房内管道安装

机房内管道施工安装流程：如图3。

图3 机房管道安装流程

机房内设备布置较多，其管道又大多为总管，口径大数量多。因此在机房管道施工时，要根据管道系统工艺流程，理顺管道走向，力争使管道的空间布局合理，避免产生杂乱无章、相互交叉等现象。

机房大口径成排管道的支吊架，应严格按设计详图的要求制作安装。支吊架与结构的连接，应设置在建筑的梁、柱等处，尽可能采用预埋钢板焊接连接，不宜使用膨胀螺栓（严禁膨胀螺栓朝天向上安装）。如不得不使用膨胀螺栓固定，则应通过计算来确定所需膨胀螺栓的规格和数量。

机房管道安装应遵循先总管、后支管，先大口径管、后小口径管的原则，与泵、冷水机组等设备的连接严禁强行对口，泵、冷水机组的进出口接管要安装避震软接头。设备进出口的接管、配管前，还要详细核对设备本体法兰的规格，如该法兰与标准法兰不符，则应及时加工一片法兰配对。

机房管道施工完毕后，一般应单独进行压力试验，试压合格后交付防腐和保温施工。

3.3 地源热泵室外管网工程

主要包括：室外换热孔钻凿及验收、管道试压及验收—管道下放及试压验收—管沟土方开挖铺细沙—水平管敷设试压及验收—回填工程。换热孔的设计及钻探施工是整个工程的关键。本项目根据地源热泵系统冷、热负荷的需求量，需要拟凿换热孔921个，孔深总长度为76 110m，孔径＞150m

森林公园地下埋管换热器的施工为隐蔽工程，施工质量对后期地源热泵的运行影响很大。按施工步骤划分，可分为10个主要部分，其中每个关节都要抓住重点，控制到位。

1）钻孔施工：

按图纸设计，并根据现场情况放线，使钻机就位，钻头直径不小于152mm，核查孔位，钻机水平度、钻头直径，确认无误后按施钻要求开钻。钻进过程中，要求记录员严格记录起停钻的时间、钻杆长度，以及钻进过程中的其它问题。达到要求深度后，报现场负责人查验钻孔深度和孔径，在下管程序没有准备好以前不能过早提起钻具，并且必须保证泥浆循环。

2）垂直管管材准备：

HDPE换热管运达现场后，已由厂家熔接好双U型接头，并已进行专业清洗打压实验，现场需查验管材合格证、规格型号，抽检管径大小和长度，保证管材管件无损伤。按图纸要求间隔现场安装管卡，做现场第一次水压试验，自来水冲洗后注水排尽空气进行打压，试验压力1.0MPa，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，确保无渗漏现象。

3）下管：

钻孔达到设计深度后，开始组织下管，保持换热管里注满清水，将预制好的垂直U形管捆缚在钻杆上均匀平稳下入，受阻时不可强行用力下顶，需查明原因并处理后再操作；下入后，留在地上部分管段不得小于2m。垂直管上刻度可作为下管深度的复核依据。

4）二次打压试验：

下管后，为确保垂直管完好无损，需进行二次压力试验，试验压力0.8MPa，带压观测30min以上，无渗漏无破裂，压力降不超过3%即为合格。压力试验完成后，每组双U型换热管的管头上应立即封口。冬季施工过程中，由于气温低不适宜采用水压试验的情况下，可以先采用气压试验，待天气条件转好后，补做水压试验。

5）垂直孔回填：

二次打压成功后，可进行钻孔回填，因孔深且直径小，对回填要求高，为要严格控制填料的速度，沿孔壁四周均匀慢速回填，减少因回填过快而造成填料在孔内搭桥；严禁一次性将回填料堆积在孔口，以免造成回填堵塞；回填料需搅拌均匀，水量比适中，使填料呈流体状，均匀下沉，避免填料在孔内形成搭桥，即使形成搭桥也可由于水的进入而冲开；回填要分阶段间歇进行，逐渐填满，确保回填密实。

6）第三次压力试验：

回填后，竖直地埋管换热器与水平环路集管连接前，应进行再次压力试验，试验压力0.7MPa。在试验压力下，稳压至少30min，保证无泄漏现象。

7）水平管连接：

现场使用的四、六通为保证质量，采取室内专人熔接，其他管线均在施工场地内熔接，沟内管道焊接和连接前必须清洁管腔，将焊接处擦净，找平找直，摆放平稳踏实。确保管材管件不得有任何损伤。聚乙烯管材、管件以及管道附件的连接应采用热熔连接（热熔承插连接、热熔鞍形连接）或机械连接（法兰连接、钢塑过渡连接），必须符合国家现行标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ101的有关规定。连接后与机房分集水器汇合。

8）第四次压力试验：

水平管与垂直管连接成功后，需进行压力试验，保证连接质量，试验压力为0.7MPa，稳压至少2h，保证无泄漏现象。

9）水平沟回填：

先用细沙填实管底，同时回填管道两侧，然后用细土回填至管顶500mm处。若沟内有积水时，需全部排尽后，再行回填。管道两侧及管顶以上500mm以内的回填土，不得含有碎石、砖块、垃圾等杂物，不得用冻土回填。回填土分层夯实，每层厚度为200～300mm，管道两侧及管顶500mm以上的回填土需人工夯实；当回填土超出管顶500mm时，可使用小型机械夯实，每层松土厚度应为250～400Mm。回填至距离地表800mm时必须铺设专用警示带。

10）管道系统打压：

地埋管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后，应进行水压试验，试验压力0.7MPa。在试验压力下，稳压至少12h，稳定后压力降不大于3%。

4 需要注意的问题

地源热泵从开始研究到应用的过程中，虽然是环保、节能、先进的空调方式，但在奥林匹克森林公园施工过程中仍然发现存在一些需要注意的问题：

1）地质勘察资料的准确性

岩土层的特性对地埋管换热器施工进度和初始投资均有很大影响，坚硬的岩土体将增加施工难度和初投资，而松软岩土体的地质变形对地埋管换热器也会产生不利影响。因此，前期勘察报告的准确性非常重要。

2）水文地质情况的详细了解

利用地下换热系统时，要了解地源热泵系统设计的基础资料。要在当地完成对工程所在地的井深、水温、水量、水质等原始资料的采集，并保证这些资料的有效性和正确性，对这些资料进行分析研究。这是一项很重要的工作。

3）合理地配置整个系统

地源热泵虽然是绿色的空调方式，但是没有一套合理的系统，它的节能、环保的优势就无法发挥出来。

4）地下换热器的设计

地源热泵系统的设计主要集中在系统地下部分的设计，包括冷热负荷的确定，地下换热器的选型、布置，室内空气气流的组织形式，热泵的容量等，设计要注意对建筑负荷、回填材料、土壤地层特性等进行精确的勘测和分析。对于地下水热泵系统、土壤源热泵系统、地表水热泵系统，都有不同的设计步骤和施工方法。

5）国产设备的质量问题

国内生产的地源热泵产品的厂家很多，大部分的产品质量和性能堪忧。由于过去没有水源热泵的国家标准，所以各厂家的规格、参数不一。2002年12月6日全国制冷设备标准化委员会会议已审订了《水源热泵》国家标准，以后可以逐渐达到统一。不过，中国暖通空调界需要更多其他的相关的地源热泵的国家标准或规范。

6）施工条件的保证

奥林匹克森林公园由于工期紧、任务急，必须进行冬季施工，为确保工程质量，必须采取一系列的保温措施，如：以防冻液代替洁净水、水平沟封闭作业、沟内采用各种加热措施等。总体上认为，地源热泵施工应控制在5℃以上进行。从经济角度考虑，冬季气温较低，不适宜地源热泵工程施工。

5 结论

2008 年奥运会对于中国来说是一种机遇也是一种挑战，在“绿色奥运、人文奥运”的感召下，地源热泵作为一种环保节能的空调方式，应该得到很好的应用，奥林匹克森林公园建筑物地源热泵是一项标志性工程，在施工运行的同时应进行更为深入的研究，探索其关键性技术。国内地源热泵机组的设计、安装、运行、维护等各个方面还没有成型的行业标准和规范，推广应用还有待时日。但作为一门新技术，它为我们的国家的可持续发展带来了契机，在不远的将来，随着国富民强，经济实力的提高和生活水平的进步，研究和技术人员的努力，在中国一定有广阔的市场前景。

[1]建筑工程施工质量验收统一标准 GB50300-2001.

[2]地源热泵系统工程技术规范 GB50366-2005.

[3]通风与空调工程施工及验收规范 GB50243-2002.

[4]建筑给排水及采暖工程施工质量验收规范 GB50242-2002.

[5]给水、排水管道工程施工及验收规范 GB50268-97.

TU831

A

1674-6708（2010）24-0152-03

齐水艳，暖通工程师、馆员，专业：土地管理与地籍测量，研究方向：节能环保工程的施工