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傳統空調系統采用空氣源熱泵機組，能耗高、破壞大氣環境；水源熱泵機組受地域條件限制，為保護地下水資源，多數城市限制打井采用地下水換熱。尋求綠色環保、低能耗的換熱形式已成為空調的發展方向。

安陽建工（集團）有限責任公司組織工程技術人員對地源熱泵換熱技術進行了施工應用研究。2008年在安陽市信訪接待中心空調工程中，采用U形垂直埋管換熱系統，解決了垂直埋管和回填換熱孔以及換熱管聯絡等技術難題，2009年在安陽市農畜產品檢驗農技推廣中心工程應用當中，形成了系統、詳實、完整的節能減排施工技術，并編制了《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》，實現了、低功耗的閉式循環換熱系統。^[1]

《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》的工法特點是：

垂直埋入地表淺層的U形管作為土壤換熱器，地源熱泵空調的換熱匯條件得到明顯改善，空調機組每消耗1千瓦電能，可產生4~5千瓦供暖、制冷量。冬季在制熱運行時，地下土壤溫度比環境溫度高，使水源熱泵的蒸發溫度，比風冷熱泵的蒸發溫度提高，且沒有化霜操作，所以能效比提高很多；夏季制冷時由于地下溫度比環境氣溫低，冷凝壓力降低，壓縮機輸入功率減小使制冷性能比風冷機組有較大提高。測試數據表明，采用垂直埋管換熱技術的地源熱泵空調系統制冷、供暖效率提高，節能40%以上。風冷熱泵效率與地源熱泵相比差距大。的風冷空調能耗比只有2.8，而地源熱泵夏季空調時的能耗比也在4.0以上。地源熱泵垂直埋管換熱系統，充分利用地表淺層土壤源冷熱能，保護了大氣環境和地下水資源的穩定。以節能環保、穩定高效、維護、運行費用低等優點成為一種值得推廣與發展的可再生能源利用技術。^[1]

《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》適用于嚴寒、寒冷和夏熱冬冷地區，工業與民用建筑中空調工程的換熱系統。該工法換熱介質屬于閉式循環，不受地下水位的限制，充分保護了地下水資源的穩定，是國家鼓勵應用的節能、環保的空調換熱技術。^[1]

《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》的工藝原理敘述如下：

垂直埋管換熱系統是地源熱泵系統的核心和關鍵。室外垂直埋管換熱系統是先鉆換熱孔，然后在換熱孔內安裝PE100高密度聚乙烯U形垂直換熱管；再敷設水平管道，分區域將U形垂直換熱管連接到地下式集管檢查井，最后敷設水平干管，連接各集管檢查井內的雙排分水器到空調機房。通過水泵加壓，使管內的液體不斷循環，實現地表淺層土壤源與換熱液、換熱液與機組、機組與房間內空氣之間的熱交換。達到制冷、供暖，環保、節能的目的，工藝原理詳見下圖。^[1]

《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》的施工工藝流程詳見下圖。^[1]

《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》的操作要點如下：

一、垂直埋管換熱孔定位放線

1.根據垂直換熱孔的工作特性，要求垂直埋管換熱孔位置應遠離水井及室外排水設施；垂直埋管換熱孔距水井≥3.0米，距室外排水設施≥2.0米，距室外地下管線≥1.0米。

2.在布置換熱孔的區域內采用經緯儀測定平面控制點（經緯儀檢定合格），要求平面控制點允許偏差≤5毫米。依據平面控制點，采用經檢定合格的鋼尺測定縱、橫向垂直埋管換熱孔的位置，要求垂直埋管換熱孔位置的允許偏差≤10毫米。測定的各換熱孔位置應及時采用木樁定位標識，同時要求形成垂直埋管換熱孔定位放線記錄。

3.對完成定位放線后場地內的定位樁，應采取護樁措施，由專業技術負責人和專業質量檢查員進行復核，并報專業監理工程師核準，方可進行下道工序。

二、鉆機就位和配套泥漿池施工

1.鉆機就位前，檢查鉆機的安全裝置應齊全有效，檢查電氣線路應安全可靠；根據施工方案擬定的鉆孔線路，以施工鉆機之間不產生相互干擾，減少設備移位，就近利用泥漿池的原則；分片合理布置鉆機的位置。

2.按照一個泥漿池就近滿足周邊鉆機使用的原則組織施工。采用人工開挖，深度為1.5米，長度、寬度均為2米。挖好泥漿池后，為防止泥漿池滲水，破壞天然地基，影響天然地基的承載力，故在泥漿池內設兩層塑料薄膜和一層土工布，防止泥漿滲漏。

三、進場管材、管件、器具檢查驗收與保管

1.進場管材、管件、器具及配套焊接設備包裝完整，標識清晰，質量證明文件齊全。管材、管件等材料應符合國家標準《給水用聚乙烯（PE）管材》GB/T 13663-2000的規定。

2.施工現場應有存放進場材料、器具和設備的庫房，材料、設備庫房地面平整，通風、采光良好，并遠離熱源；存放PE管材的庫房，不得同時存放可燃性氣體和溶劑。

四、鉆換熱孔

鉆孔設備就位后，核查鉆孔位置、鉆機垂直度、鉆頭直徑。鉆進過程中要保證泥漿循環，為促使鉆孔護壁成孔，可在泥漿料中添加膨潤土，添加比例為15~20千克/立方米。操作工要及時記錄啟、停鉆的時間，鉆進尺度，以及在鉆進過程中出現的其他問題鉆進到達要求深度后，查驗鉆孔深度和孔位：鉆孔垂直度偏差≤1%，換熱孔深度偏差+50毫米；在換熱管安裝工作沒有準備好以前不能過早提起鉆具，并且保證泥漿循環。

五、U形帶連通垂直換熱管加工制作

U形垂直換熱管采用PE100 dn32高密度聚乙烯管材及管件，利用熱熔連接技術，在臨時車間進行連接；為防止U形管堵塞，每個U形管距端部850米處利用PE100正三通管件熔接連通管。埋地管道采用熱熔承插連接或對接連接，聚乙烯管道連接應符合國家標準《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》CJJ 101-2004的有關規定；熔接完成后，進行清洗、水壓試驗；水壓試驗應符合《地源熱泵系統工程技術規范》GB 50366-2005的有關規定。

六、U形垂直換熱管安裝及換熱孔回填

1.U形垂直換熱管安裝前，先用自來水對管道進行沖洗，然后封堵U形管端口進行水壓試驗。水壓試驗應符合《地源熱泵系統工程技術規范》GB 50366-2005的有關規定。水壓試驗合格后，保持承壓狀態。為垂直安裝換熱管做準備。

2.為保證換熱管能盡可能貼近孔壁，在U形垂直換熱管間安裝管卡，管卡間距嚴格控制在3米以內，管卡安裝要牢固。保證換熱管之間的凈距減少PE管之間的換熱干擾。同時選用混凝土管靴，換熱管安裝過程中確保與地面垂直的地上管段不得小于1米。雙U形垂直換熱管，要保證4根管均勻平穩沉入換熱孔。

3.換熱管安裝就位后，及時回填細砂，換熱管與鉆孔之間回填細砂直至換熱孔底。填料時要求填料由四周緩慢填入，回填細砂的同時根據需要向孔內注水，確保換熱孔內回填料密實。在土質堅硬地質條件下，可采用水泥基料回填，其中：水泥摻入量為25~50千克/立方米，在換熱孔回填過程中，注意觀察U形垂直換熱管上的壓力表數值是否有明顯下降，確保管壁無劃傷破損。回填工作完成后，U形垂直換熱管在承壓狀態下，帶壓觀測1小時以上，壓力下降不超過0.02兆帕為合格。換熱孔一次填滿后過兩三天就會自然下沉，發現下沉要及時再次填滿，加適量的水灌注以促進下沉，確保填料密實，不再下沉。

4.地埋管換熱器安裝完成后，應在埋管區域做出標識，同時標明管線的定位帶，并應采用2個標識進行現場定位。

七、分區域開挖管溝和地下式集管檢查井施工

1.管溝及檢查井工作坑必須按照施工圖設計文件，結合定位放線記錄，分區域開挖，主管道管溝及檢查井采用小型機械，配合人工開挖清理一次開挖到位，聯絡管支管管溝采用人工開挖。開挖過程中，必須采取可靠措施避免破壞地下管線和U形換熱管。

2.地下式集管檢查井采用磚混結構，下部設100厚C15混凝土墊層，井壁采用240厚MU10粉煤灰磚，砌筑砂漿為M10水泥砂漿。按照管道位置預留管孔，待管道安裝就位后，再進行管根部細部處理。砌筑到設計標高后，預留現澆混凝土井蓋的位置，進行檢查井內外壁水泥砂漿抹灰，水泥砂漿為1:2.5。抹灰厚度為20毫米。地下式集管檢查井做法詳見下圖。

八、水平聯絡管敷設和檢查井內雙排分水器安裝

1.水平聯絡管運到施工現場，按事先編碼順序擺放。先在管溝內鋪細砂150毫米厚，然后敷設水平聯絡管道進行連接，管道的連接方式按管徑大小分為熱熔承插連接和對接連接。稱外徑≤63毫米的管道可采用熱熔承插連接；公稱外徑>63毫米的管道可采用熱熔對接連接。管道敷設與連接時，首先分區域將各垂直換熱管與聯絡管（分支水平管）連接，再將聯絡管敷設到集管檢查井與雙排分水器連接。施工時，PE100高密度聚乙烯管道敷設與連接以及分段回填土，應符合《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》CJJ 101-2004的有關規定。

2.地下式集管檢查井內雙排分水器，采用PE100高密度聚乙烯管材，委托PE管生產廠家定制，具體做法詳見集管檢查井平面圖。各環路聯絡管與分區域地下雙排分水器連接完成后，應分區域進行水壓試驗，水壓試驗應符合《地源熱泵系統工程技術規范》GB 50366-2005的有關規定。

九、換熱系統供、回水干管施工

1.根據施工圖設計文件，結合定位放線記錄，復核換熱系統供回水干管的位置和標高，管溝內鋪細砂，厚度150毫米；公稱外徑>63毫米的管道可采用熱熔對接連接，聚乙烯（PE）管道連接質量應符合《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》CJJ 101-2004的有關規定。

2.分區域將各地下式集管檢查井內的雙排分水器，分別連接到換熱系統供回水干管，供回水干管連接時，采用熱熔連接設備加工對接。供回水干管穿越建筑物地下室外墻時，應按照設計要求，通過柔性防水套管進入地下室，再連接到循環水泵。

3.換熱系統管道施工完畢后，應及時進行換熱系統水壓試驗，水壓試驗應符合《地源熱泵系統工程技術規范》GB 50366-2005的有關規定。

4.管溝回填：

（1）回填時應先填實管底，再同時回填管道兩側，然后回填至管頂0.5米處。溝內有積水時，必須全部排盡后，再行回填。

（2）管道兩側及管頂以上0.5米內的回填土，不得含有碎石、磚塊、垃圾等雜物，不得用凍土回填，距離管頂0.5米以上的回填土內允許有少量直徑不大于。1米的石塊和凍土，數量不得超過填土總體積的15%。

（3）回填土應分層夯實，每層厚度應為0.2~0.3，管道兩側及管頂0.5米以內的回填土必須人工夯實，每層虛鋪厚度應為0.25~0.3米。

（4）當管道覆土較深，且管道回填土質及壓實系數設計無規定時，回填土土質及壓實系數應符合《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》CJJ 101-2004的有關規定。要求管底應有0.1米以上、壓實系數85%~90%的墊層；管道兩側每0.2米分層回填夯實，壓實系數為95%；管頂0.3米以內壓實系數不小于90%。

十、垂直埋管換熱系統沖洗和系統試運行

1.垂直埋管換熱系統全部施工完畢后，應按照《地源熱泵系統工程技術規范》GB 50366-2005的規定進行水壓試驗。

2.沖洗水應清潔，濁度應小于5NTU，沖洗流速>1.0米/秒，直到沖洗水的排放水與進水的濁度相一致為止。

3.垂直埋管換熱系統試運行前，應編制專項試運行方案。對于同程式換熱系統，沖洗和試運行；應按照“由遠到近”的原則，先開啟系統末端的分水器閥門，使之循環后，再按照遠近順序逐次開啟各分水器的閥門，直到整個換熱系統循環正常。

十一、地源熱泵空調系統調試及試運行

1.水源熱泵機組試運轉前應進行水系統及風系統平衡調試，確定系統循環總流量、各分支流量及各末端設備流量均達到設計要求。

2.空調系統水力平衡調試完成后，再進行水源熱泵機組的試運轉，并填寫運轉記錄，運行數據應達到設計技術要求。

3.水源熱泵機組試運轉正常后，應進行連續24小時的系統試運轉，并填寫運轉記錄。

4.地源熱泵系統調試應分冬、夏兩季進行，且調試結果應達到設計要求。調試完成后應編寫調試報告及運行操作規程，并提交甲方確認后存檔。^[1]

《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》所用的材料及設備明細如下：

一、根據地源熱泵系統的要求及工程實際經驗，埋地換熱器管材應符合以下規定：

1、埋地換熱器管材采用高密度的PE管（PE100系列）應符合國家標準《給水用聚乙烯（PE）管材》GB/T 13663-2000的要求。

2、管道材料構成、管材抵抗環境應力的能力要滿足埋設在地下的要求，地下埋管在使用條件下，壽命大于30年，宜按50年使用壽命選擇。

3、管材宜按用戶要求的管道長度，成捆供應，以減少埋管接頭數量。

4、PE管材性能參數如下表。

二、施工器具、機械設備

1、工程施工用器具、機械設備按計劃進場后，應核對器具、設備的型號、規格和數量；重點檢查器具、設備的安全裝置和電氣性能。確保進場器具、設備安全裝置齊全有效，電氣性能良好。滿足施工的需要。

2、施工用器具、機械設備詳見下圖。^[1]

《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》的質量控制要求如下：

一、地源熱泵U形垂直埋管換熱系統，所用高密度聚乙烯管材、管件采用PE100-SDR11系列，產品質量和運輸、儲存應符合《給水用聚乙烯（PE）管材》GB/T 13663-2000的規定。

二、高密度聚乙烯管道敷設與連接，應符合《埋地聚乙烯管道工程技術規程》CJJ 101-2004的規定。

三、地源熱泵U形垂直埋管換熱系統的施工、試驗與檢驗應符合《地源熱泵系統工程技術規范》GB 50366-2005的規定。

四、施工前，由建設單位組織監理單位和相關專業施工單位，認真核對室外各專業管線，給水排水設施包括已有管線和地下構筑物以及各專業管線進出建筑物的位置、標高。發現沖突和矛盾，應及時形成書面文件，由建設單位轉設計單位，出具工程變更文件。

五、U形垂直換熱管的加工制作，屬于關鍵工序。為防止換熱管堵塞，延長換熱管的使用壽命，操作時，在U形管的端部增加了連通裝置。由于U形換熱管要深埋在換熱孔內，不可更換；為保證質量，要求U形換熱管制作時，在臨時車間內進行，并保證室外環境溫度≥-5攝氏度。

六、在U形換熱管沉入換熱孔之前，為保證換熱管鉛垂安裝，可以在U形換熱管端部綁扎混凝土管靴，綁扎成型的U形管端部外徑≤120毫米，附加混凝土重量為4.0~5.0千克。U形換熱管下入換熱孔的過程中，確保地面以上換熱管垂直長度≥1.0米。

七、U形垂直換熱管沉入換熱孔后，應及時回填。普通土壤條件，采用細砂回填；土質堅硬條件下，采用水泥基料進行回填。換熱孔回填時，要嚴格控制填料的速度，填料沿換熱孔四周均勻回填，并根據現場情況注水回填，避免填料在孔內搭橋。

八、根據分配到每個檢查井的環路數量PE100高密度聚乙烯雙排分水器規格委托生產廠家定制。雙排分水器與水平聯絡管連接，水平管道之間連接；采用熱熔承插連接或熱熔對接連接，室外環境溫度低于-5攝氏度時，應采取防護措施并調節熱熔連接設備的參數，保證管道熱熔連接的質量。^[1]

采用《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

一、建立三級安全管理體系，項目經理為施工安全主要負責人，項目專業質檢員、專職安全員必須持證上崗。開工前，對施工人員進行安全教育，學習安全生產法規，全面提高施工人員的安全意識，確保施工安全。

二、進入施工現場必須佩戴安全帽，管理人員還須佩戴胸卡，加強對鉆機操作人員和特種機械操作人員的安全教育培訓。

三、溝槽開挖前必須明確地下管線的現狀和分布情況，避免損壞管線，造成事故。溝槽邊設置圍擋，高度≥1.10米，防止車輛、人員墜入。

四、每班派專職電工對現場用電進行安全檢查，施工用電采用“TN-S”接零保護系統，并對所有用電設備進行接地保護，確保用電安全。

五、現場工棚、倉庫內嚴禁堆放易燃易爆物品，并配備完好的消防器材，并對施工人員進行用電用火和施工作業安全教育。^[1]

《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》的環保措施如下：

一、施工前要編制環境保護實施計劃。明確機構設置和責任分工，建立危險源和污染源清單，對各工序有預防措施和應急處置措施。

二、加強對現場施工人員環境保護意識的教育。施工現場，嚴禁焚燒塑料制品、保溫材料和可燃溶劑。

三、施工現場專人回收施工機械、設備的廢棄潤滑油和其他包裝材料，避免污染環境。

四、管溝開挖與回填工作，杜絕拋灑物料，大風天氣，可采取灑水措施避免揚塵，保護施工現場的環境。

五、換熱孔施工過程中，確保泥漿溝通暢，保證泥漿有組織回流到泥漿池，施工各環節水壓試驗和沖洗，在泄水時，必須有組織排放到排水設施內。^[1]

《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》的效益分析如下：

現以安陽市信訪接待中心工程為例，換熱系統基本情況：垂直埋管深度70米，系統形式四管制，換熱系統換熱孔67個；綜合單價60元/米，年節省運行成本23.4萬元，換熱系統合理使用年限25年。

一、工法應用經濟效益計算分析：

1.增加初投資計算：換熱管總長：L=67個×70米×4=18760米；換熱系統增加初投資：18760米×60元/米=112.6萬元。

2.收回初投資年度計算：112.6萬元÷23.4萬元=4.81年。

3.增加經濟效益計算：（25年-4.81年）×23.4萬元=472.45萬元。

二、社會效益分析：

年節電30萬千瓦·小時，折合標準煤120噸/年；減少二氧化碳排放量299噸/年，減少二氧化硫排放量9噸/年，減少氮氧化物排放量4噸/年。普通空調對環境的影響是不言而喻的，它不僅對大氣臭氧層造成嚴重破壞，夏季，風冷機組將廢熱排入大氣，使室外溫度升高；冬季，風冷機組吸收大氣環境中的熱量，導致惡劣的大氣環境更加惡劣。因此，要保證空調運行對環境不產生任何影響，必須要改變換熱對象，即不與大氣換熱，而改變為和大地淺層土壤換熱。在換熱過程中，地下換熱器在夏季將多余的熱量排到大地中，在冬季又將熱量取回，以達到冬夏兩季的室內供暖和供冷，對大氣環境不產生任何影響。綜上所述，無論是技術層面還是產生的社會效益和經濟效益，地源熱泵系統在21世紀的應用前景是很廣闊的。^[1]

《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》的應用實例如下：

一、安陽市農畜產品檢驗農技推廣中心工程，位于安陽市行政東區永明路東側；該工程為框剪結構，地下1層、地上21層，外墻外保溫，圍護結構采用加氣混凝土砌塊。建筑規模及設計指標見下表。

1、室外系統為四管制（雙U）垂直式地埋管換熱系統，即在主樓南側空地鉆換熱孔360個，東西方向共18列，南北方向共20行，孔深70米，孔間距3米，孔徑150毫米，孔內埋設垂直雙U形（PE100 SDR11 De32）換熱管，室外換熱系統水系統布置方式采用多環路同程集管+檢查井的連接方式，即每9個換熱孔組成一個換熱單元，采用PE100 SDR11 De63集水管同程連接，每個環路De63水平集管均接入本區域附近的檢查井內集分水器（共設置4個室外檢查井），每環路供回水管均設置閥門，在保證流量調節的同時，如有一個環路發生滲漏可將其切斷，進行檢修，其他環路可正常運行。每組集分水器的主供回水管在進入空調機房前匯集，并在集分水管末端設置循環泵，與室內地源熱泵機組的換熱器形成一個閉式循環系統，通過系統中的循環介質與地表淺層土壤進行換熱，將能量在空調室內和地下的土壤之間進行交換，實現建筑物夏季制冷，冬季供暖。

2、應用效果：該工程應用垂直埋管換熱系統，整個空調系統經過冬夏季的實際運行，情況良好，節能，全年節電120萬千瓦·小時，折合標準煤480噸/年；減少二氧化碳排放量196噸/年，減少二氧化硫排放量36噸/年，減少氮氧化物排放量18噸/年，取得了社會效益。

二、安陽市辦公樓及接待大廳工程，位于安陽市行政東區文明大道南側，該工程為框剪結構，地上5層，外墻外保溫，圍護結構采用加氣混凝土砌塊，建筑規模及設計指標見下表。

1、室外系統為四管制（雙U）垂直式地埋管換熱系統，即在辦公樓南側空地鉆換熱孔67個，東西方向共11列，南北方向共6行+1，孔深70米，孔間距3米，孔徑150毫米，孔內埋設垂直雙U形（PE100 SDR11 De32）換熱管，室外換熱系統水系統布置方式采用多環路同程集管連接方式，即每10個換熱孔組成一個換熱單元，采用PE100 SDR17 De63集水管同程連接，每個環路De63水平集管均接入設備機房內六路集、分水器，每環路供回水集管均設置閥門。在集分水器末端設置循環泵，與室內地源熱泵機組的換熱器形成一個閉式循環系統，通過系統中的循環水與地表淺層土壤進行換熱，將能量在空調室內和地下的巖土體之間進行轉換，實現建筑物夏季制冷，冬季供暖。

2、應用效果：該工程應用垂直埋管換熱系統，整個空調系統經過冬夏季的實際運行，情況良好，節能，全年節電30萬千瓦·小時，折合標準煤120噸/年；減少二氧化碳排放量299噸，減少二氧化硫排放量9噸，減少氮氧化物排放量4噸，取得了社會效益。^[1]

2011年9月30日，中華人民共和國審定《2009-2010年度國家二級工法名單》，以建質[2011]154號文件公布，《地源熱泵U型垂直埋管換熱系統安裝工法》被評定為中國國家二級工法。^[2]