采用桩基埋管地源热泵工艺的集中供能施工技术方法与技术风险分析
——以尹山湖项目为例

严 烈

(上海泓喆房地产开发有限公司,上海 201100)

0 引 言

近年来，我国面临的能源压力越来越大，自“十三五”以来，我国能源系统整体运行效率还有待提高。能源系统调峰能力不足，电力系统主要靠火电机组调峰，可再生能源并网能力较差，系统效率低，污染排放大等。为妥善解决相关问题，国家倡导构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，其中就重点提到了要坚持系统优化，提高能源协调发展水平，加快调整能源产业结构。国家电网江苏省电力公司总经理尹积军也提出，构建跨区平衡、电为中心、多能互补、高效利用的格局是可行之路。

为响应国家的能源战略号召和城市发展的节能主题，本文探索在房地产项目内以集中供能代替分散供能，将地源热泵的可再生能源与传统的冷水机组结合，区域内供给住宅、商业用电、空调等较大负荷，从其带来的经济效益、技术革新和风险评价等维度，为国家、城市、项目的大能源体系做一次小的探索。

1 项目概况及技术

项目位于苏州尹山湖地区，距离苏州市中心城区约10 km。规划A、B地块总用地面积约6.32万m2，其中A地块2.46万m2，B地块3.86万m2。A、B两地块总建筑面积约29.89万m2，其中A地块16.32万m2，B地块13.57万m2，车库及其他配套共计56 724 m2。A地块为商业与住宅，B地块为纯住宅地块。

目前国内外关于浅层地热能的利用普遍采用地源热泵技术，包括地下水源热泵、地表水源热泵和土壤源热泵。苏州地处属于太湖流域的冲积平原，浅层土是以黏土、亚黏土及粉砂为主的软土，由于地质条件较好，钻井难度不大，土壤源热泵空调地埋管施工成本低，具有良好的经济性。

2 施工技术要点和供能分析比较

2.1 地源热泵系统简介

项目住宅部分采用地源热泵空调系统，冬季地源热泵系统先将循环水通过埋在地下土壤中的封闭管路，从土壤中带走热量，再经由主机将热量送至室内。夏季系统将室内热量收集，通过循环水将热量排至土壤中，从而实现对室内制冷，地源热泵的系统原理如图1所示。地源热泵竖井总数量1 200口，地埋井采用桩基埋管，垂直埋管群井布置于建筑地下室地板，打井区域如图2所示。

图1 地源热泵系统原理图

图2 打井区域图

2.2 地源热泵具体施工要求

首先需对冷冻水、冷却水管道作防腐、防锈处理，防腐、防锈处理方案应在设计文件中明确。水管保温材料采用橡塑，风管保温材料采用离心玻璃棉。机房内的所有管道与分、集水器的保温层须外包装饰材料。各连接点严禁强行连接，各法兰接口同心度和胀口符合要求。转动机械、中心校核、调整、基础平面修正，减振器设置，做好记录交验。系统冲洗要分段分部进行，过滤网不能有杂质、污垢堵塞。最后设备安装完成后要求进行单机试运和全系统整套试运(需与风机盘管和辐射采暖施工安装单位进行全系统联合调试)，要按规范、规程规定进行静态测试和动态测试调整，各种测试数据应符合规定、标准要求，并提交所有的记录和报告。

2.3 地埋管与灌注桩形式的选择

2.3.1 地埋管与桩型简介

热交换桩是指将常规建筑桩基础中的基桩和地热交换器结合的新型基础桩形式，通常也称为能量桩。它把地下U型管换热器埋于建筑物桩基中，使其与建筑结构相结合，充分利用了建筑物的面积，通过桩基与周围大地形成换热，减少了钻孔和埋管费用。根据桩基施工工艺的不同，热交换桩可分为预制桩和现浇桩两种形式，本项目主要以钻孔灌注桩为主。

钻孔灌注桩埋管是指将地下埋管与钢筋笼捆绑在一起下放，其形成的换热方式是地下埋管内的水先与混凝土换热，然后混凝土再与周围的土壤换热来形成热量的转换。灌注桩的孔径较大，可以在钢筋笼上放置多组U型管并在桩身内部并联聚拢后再引出桩身，引出管要做好保护措施以防止土建方在对桩头进行处理时破坏到U型管。U型管可以放置在钢筋笼的内侧，也可以放置在钢筋笼的外侧，用尼龙扎带将其固定在钢筋笼上，并做好对U型管的保护，如图3所示。

图3 U形管换热器示意

2.3.2 桩基埋管的优势及施工注意事项

桩基埋管主要有以下优势：

(1)桩基埋管可以减少建筑物周围空地的占地面积，避免受后期扩建工程施工时对地下换热器的不利影响，更稳定安全。

(2)换热管安装在建筑物桩基内，主要由桩基混凝土与土壤热交换，扩大了换热管与周围土壤的热交换面积，增强了交换效率。

(3)因换热器插管与建筑桩基同时进行，同时不需要和给排水、电缆交叉影响，施工便利缩短了总工期。

桩基埋管也有如下问题在设计阶段需要关注：

(1)桩基埋管属于交叉施工，需要跟土建方密切配合，做好成品和半成品保护。

(2)热交换桩在地热交换的同时，需要承担建筑物上部的荷载，因此桩基沉降是热交换桩系统中一个突出的问题。尤其对于高层建筑来说，由于桩的沉降比较大，将在换热器的管路中产生很大的张力，如果张力过大，将拉断管路，使整个系统瘫痪。因此项目在使用和设计热交换桩系统时需考虑到地基变形对其的影响。针对这样的问题，设计中需合理的选择桩径、桩长及长径比，此外可在垂直埋管和水平埋管的连接处使用一定长度的软接口(高度以桩沉降的计算值为准)，当桩沉降时，可将沉降的影响用软接口的伸长来抵消。

(3)由于地埋管换热器和岩土体之间的传热是非稳态的、无限大区域内的传热，过程十分复杂，影响因素繁多，因此应重视设计初期地热试验的数据采集工作，保证模型和实际工况的一致性。

2.3.3 桩基埋管的施工流程

钻孔灌注桩埋管的施工流程如图4所示。

图4 桩基埋管的施工流程示意

2.3.4 桩基埋管的施工工艺

(1)地耦管预制。严格控制PR管的长度，保证每根管的长度都是垂直孔的设计深度。将U型管件与PE管相熔接并进行压力试验，以确保U型管的完好，无渗漏。充水并封帽，以免下管和存放过程中的沙土等污物进入U型管内。

(2)下管。下管是地源热泵工程中的关键步骤之一，因为下管的深度决定采取热量的多少，所以必须保证下管的深度。下管前应将U型换热管与灌浆管捆绑在一起，并采取防止U型管上浮的措施。在预制管桩口处放置麻袋之类的衬垫物品，以防止下管过程中换热管磨损而导致其耐压等性能下降。如图5所示，在做承台时，管桩内埋管要接出去承台，所以管子的长度应大于桩深度再加承台高度的长度。

图5 U型管下管过程的施工现场图

(3)灌浆回填。回填工序也称为灌浆封井，回填的目的是强化U型换热管与预制管桩壁之间的传热，用注浆泵或泥浆泵将回填物高压从桩底向上封入，回填物中不得含有大粒径的颗粒，回填时必须根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出使混合浆自下而上回灌封井，确保回灌密实，无空腔，减少传热热阻。当上返泥浆密度与灌注材料的密度相同时，回填过程结束，如图6所示。

图6 灌浆回填施工现场照片

2.4 集中供能技术方案

一个区域供应的能源主要在于空调冷热源的选取是否合理，目前较为常见的空调冷源有：设置利用空气带走空调机组冷却水的热量的冷却塔；将热量释放到浅层土壤内的地源热泵系统；利用江、河、湖泊以及海洋带走热量的海水源热泵系统和直接将热量散发到周围空气中的空气源热泵系统等。项目的地质条件选用地源热泵的可再生能源更加可行，对于地埋管地源热泵系统，一般由地埋管换热器、热泵机组和室内空调末端系统组成。夏季，地埋管内的传热介质通过水泵送入冷凝器，将热泵机组排放的热量带走并释放给地层；蒸发器中产生的冷水，通过循环水泵送至空调末端设备对房间供冷。冬季，热泵机组通过地下埋管吸收地层的热量，冷凝器产生的热水，通过循环水泵送至空调末端设备对房间供暖。

(1) 项目如A、B地块统筹集中供能，即A、B地块视为一个供能区域配置冷热源，满足两个地块的冷、热负荷需求。冷热负荷优先由B地块中的冷热源设备提供，不足部分由A地块中的冷热源设备补足。该方案有两个优势，一是利用了多地块间各种业态的错峰效益，可适当降低设备配置容量；二是分享B地块较低的供能成本的可能性。

(2) 针对每个地块单独设置常规的冷热源分散式供能系统，即各地块冷、热源相互独立，自建机房满足本地块内建筑的空调冷热负荷需求。根据负荷分析结果，采用常规冷水机组+承压燃气锅炉作为冷热源，为各地块内的商业和住宅提供空调冷/热水及生活热水。夏季，由冷水机组供冷；冬季，由锅炉经板换换热后供热。

根据综合比较，B地块设置全部热回收式地源热泵+水冷冷水机组+锅炉，A地块内设置水冷冷水机组，由A、B地块联合提供空调冷冻水(7～12℃)、空调热水(50～45℃)及生活热水的集中供能形式。

2.5 地块负荷计算

项目区域建筑业态为商业及公寓(住宅)。空调负荷预测利用HDY-SMAD空调负荷计算及分析软件模拟计算出各典型功能的单体建筑负荷指标，进而估算项目各建筑的冷热负荷及整个区域的总冷热负荷。根据以上单位面积负荷指标，预测供能范围内各地块负荷,见表1。

表1 尹山湖项目不同业态负荷指标及峰值负荷

2.6 集中与分散供能分析比较小结

2.6.1 技术层面分析

(1)集中供能需区域统筹规划，但冷热源系统和供能管网复杂，机房集中管理，对管理技术人员要求高。分散供能机房设置灵活，不需区域供能统筹规划，管理简单。

(2)与分散供能系统相比，集中供能总的装机容量低，配电量也相应较低，系统采用诸如地源热泵等技术，进一步提高机组的运行效率，节能效果显著。

2.6.2 经济层面分析

(1)由于集中供能地下层机房，节省的面积可增加地下停车位或商业铺位，使建筑达到最大经济效益。

(2)从经济性来看，集中供能方案的运行费较低，当集中供能能的源价格按照工商业价格计算时，相对于分散供能(居民价格)，项目预计增加投资的静态回收期为16.5年。

3 集中供能的风险评价

3.1 投资风险

由于区域供热服务系统投资额大，投资回收期较长。此外，由于该类项目的投资回报主要靠收取用户的供冷费或供热费来实现，而整个地块的工程开发进度的快慢、用户入住率多少、收取费用的高低以及收费情况的好坏都将决定投资回报的结果。这些不确定因素将会使项目投资存在一定的投资风险。其中用户入住率对收益率影响较大，需达到70%的入住率以上才能获得盈利。

3.2 运营风险

集中供能服务是一个新型行业，运营回报情况与用户需求密切相关。而受中国的传统消费观念的影响，用户是否能够接纳公共服务很难预料。这就需要得到政府相关政策的扶持，例如，规定小区内用户必须使用区域能源服务系统，而不能自行建设冷热源系统。

运营中与各个用户之间的结算存在一定风险。以目前国内能源收费情况来看，拖欠费用的情况屡见不鲜，在今后的运营管理中如何规避此类风险需要进一步考虑。

3.3 技术风险

对于如此规模的区域供能系统，国内国际上已有不少成功的工程案例，技术风险较小，但尚需对一些技术的精确应用进行分析研究，如机房群控应用、减少输送管线能耗等。

4 结束语

集中供能系统中的地源热泵系统，地埋管采用桩基埋管，其充分利用了建筑物的面积，通过桩基与周围大地形成换热，减少了钻孔和埋管费用，同时节约了总工期,对项目的推进极为有利，因此项目综合决策采用桩基埋管的地埋管布置工艺。

集中供冷供热通过设备的集中化和大型化，可以提高系统效率，并通过商业化运营，实现规模效应，降低供能成本。可以兼顾节能、环保和经济性三个方面的要求，在实现有效节能和减少污染物排放的同时获得较好的运行经济性。权衡利弊后，建议采用集中供能方案(地源热泵+冷水机组+锅炉)。