地源熱泵系統通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊、江河等天然能源，冬季從大地自然界吸收能量，夏季向大地自然界放出能量，再由熱泵機組向建筑物供冷供熱，是一種利用可再生能源的高效節能、無污染的既可供暖又可制冷的新型空調系統，可廣泛應用于公共建筑、住宅、學校、醫院等建筑物。地源熱泵技術是目前建筑中央空調領域正在興起的一項革命性新技術。我們在中國人民銀行定西市中心支行綜合辦公樓工程中，致力于地源熱泵項目的技術引進、產品開發和市場推廣工作，做了一些有益的探索，現淺述如下。
    1·工程概況
    中國人民銀行定西市中心支行綜合辦公樓工程位于安定區西環路東側，為南北走向呈一字型展布的框架結構，主樓為地上8層代帽，裙樓為2層，建筑面積為7912m2。
    地源熱泵系統共有三種形式：①地埋管熱交換器地源熱泵（也稱土壤熱交換器地源熱泵）；②地下水地源熱泵；③地表水地源熱泵。根據定西市城區地下水和地表水均不充足的特征，該工程選用地埋管熱交換器地源熱泵系統。地埋管熱交換器地源熱泵又分為水平地埋管和豎直地埋管兩種形式，鑒于場地的限制，選擇占地面積小的豎直地埋管熱交換器地源熱泵系統。
    地埋管熱交換器中流體流動的回路形式有串聯和并聯兩種，本工程采用U型管并聯同程的熱交換器形式，并聯系統管徑較小，管道費用較低，且布置成同程式。當每個并聯環路之間流量平衡時，其換熱能量相同，其壓降特征有利于提高系統能力。
    按照《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366-2005）的要求，根據現場勘察結果，U型管豎直井的水平間距布置為4.5m，鉆探孔深120m；設計取孔深為100m，孔徑200mm，孔數設計為138個，孔井盡量布置在以機房為中心的周圍。
    2·工程勘察
    工程場地狀況及淺層地熱能資源條件，是能否應用地源熱泵系統和選擇采用哪一種形式的地源熱泵系統的基礎和先決條件。其管理工作主要做好以下幾方面：
    （1）《地源熱泵系統工程技術規范》
    （GB50366-2005）規定，地源熱泵系統方案設計前，應進行工程場地狀況調查，并應對淺層地熱能資源進行勘察。工程勘察應由具有勘察資質的專業隊伍承擔。工程勘察完成后，應編寫工程勘察報告，并對資源可利用情況提出建議。
    （2）工程場地狀況調查以收集資料為主，調查區域半徑宜大于擬定換熱區100～200m。調查應包括下列內容：①場地規劃面積形態及坡度，即地形地貌；②場地內已有建筑物和規劃建筑物的占地面積及分布；③場地內樹林植被、池塘、排水溝、架空輸電線及電信電纜的分布；④場地內已有的、計劃修建的地下管線和地下構筑物的分布及埋深；⑤場地已有水井的位置、類型結構、深度、地層剖面和水位、出水量、水溫及水質情況，還應了解水井的用途、開采方式、年用水量及水位變化情況等。
    （3）巖土體地質條件勘察可參照《巖土工程勘察規范》（GB50021）及《供水水文地質勘察規范》（GB50027）進行。采用豎直地埋管換熱器時，地埋管換熱系統勘察采用鉆探進行，鉆探方案應根據場地大小確定，鉆探孔深度比鉆孔至少深5m。地埋管換熱系統勘察應包括：①巖土層的結構；②巖土體熱物性；③巖土體溫度；④地下水靜水位、水溫、水質分布；⑤地下水徑流方向、速度；⑥凍土層厚度。
    （4）巖土體熱物性指巖土的熱物理參數，包括巖土體導熱系數、密度及比熱等，測定方法可采用試驗室法或現場測定法。
    ①試驗室法：對勘察探孔不同深度的巖土體樣品進行測定，并以其深度加權平均計算該勘探孔的巖土熱物性參數。
    ②現場測定法：現場測試巖土體應在測試埋管狀況穩定后進行。根據埋管深度，測試一般應在測試埋管安裝完畢72h后進行，對兩個鉆探孔及兩個以上鉆探孔的測試，其測試結果取算術平均值。
    3·豎直地埋管換熱系統設計
    豎直地埋管換熱系統是利用地下換熱盤管與土壤進行熱交換，把大地作為熱泵機組的低溫熱源和排熱場所。它由地下盤管和常規水源熱泵機組組成，冬季供熱時，土壤作為熱泵機組的低溫熱源，通過地下盤管獲取土壤中熱量供給室內；夏季供冷時，土壤作為排熱場所，把室內冷負荷以及壓縮機耗能通過地下換熱盤管排入土壤中。亦即土壤夏季蓄存熱量，冬季重新釋放熱量，使大地熱量基本穩定。設計階段主要做好以下管理工作：
    （1）地埋管換熱系統設計前，應根據工程勘察結果評估其實施的可行性及經濟性。工程設計應由具有設計資質的專業機構承擔，工程設計完成后，應經過有關部門對其圖紙進行審查并獲批準。
    （2）系統設計應進行全年動態負荷計算，最小計算周期宜為一年，計算周期內，系統總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。因為全年冷、熱負荷平衡失調，將導致地埋管區域巖土體溫度持續升高或降低，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低其系統的運行效率。
    （3）地埋管換熱系統設計計算是地源熱泵系統設計所特有的內容，為保證設計符合實際、滿足使用要求，通常設計前需要對現場巖土體熱物性、回填料熱物性及傳熱介質特性等因素，根據實測數據進行計算，考慮其計算的特殊性及復雜性，宜采用專用軟件進行；設計計算時，環路集管不應包括在換熱器長度內。
    （4）豎直地埋管換熱器埋置深度由計算確定，最少宜大于20m；鉆孔孔徑不宜小于0.11m；為避免換熱短路，鉆孔間距應滿足換熱需要，通過計算確定，即巖土體吸、釋熱量平衡時，宜取小值；反之宜取大值，間距宜為3～6m。該工程取4.5m，孔徑取200mm，孔深100m；水平連接管的深度應在凍土層以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m。為確保系統及時排氣和加強換熱，管內流體應保持紊流流態。管道推薦流速：雙U形埋管不宜小于0.4m/s；單U形埋管不宜小于0.6m/s。
    （5）埋管環路兩端應分別與供、回水環路集管相連接，且宜同程布置；每對供、回水環路集管連接的管環路數宜相等，供、回水環路集管的間距不應小于0.6m。為了減少水井及室外排水設施的影響，換熱器安裝位置應遠離出水井及室外排水設施；為了縮短供、回水集管的長度，宜靠近機房或以機房為中心設置。
    （6）為增加系統的安全性、可靠性，應設自動充液及泄漏報警系統；為便于系統充液，一般在分水器或集水器上預留沖液管；連接系統的室內送、回液聯管上要安裝閉式膨脹箱、充放液設施、壓力表、溫度計等基本儀器與部件；需要防凍的地區，應設防凍保護裝置；為防止系統堵塞，埋管換熱系統宜設反沖洗系統，沖洗流量宜為工作流量的2倍；設計時應根據實際選用的傳熱介質的水力特征進行水力計算，宜采用變流量設計，以節省用電量；應根據地質特征確定回填料配方，回填料的導熱系數不應低于鉆孔外巖土體的導熱系數。
    4·豎直地埋管換熱系統施工質量管理
    豎直地埋管換熱系統施工前，應了解埋管場地內已有地下管線，其它地下構筑物的功能及其準確位置，并進行場地清理平整；應具備埋管區域的工程勘察資料、設計文件和經審查批準的施工圖紙，并完成施工組織設計，報請審核批準，進行圖紙會審及技術交底工作。
    系統施工應由具有該類工程施工資質的專業隊伍完成，其專業施工人員應持有此專業的上崗證書；施工平面圖上除應清楚標明鉆井的位置以及通往建筑物和機房的入口外，還應標明規劃建設用地范圍內所有地下公用事業設備的位置；應對平面圖進行復核，并在批準之前就存在的實際偏差達成一致；在開始施工之前，應作好施工準備工作，承包商應獲得與工作項目有關的所有開工許可。
    地埋管的質量對豎直地埋管換熱系統至關重要，應嚴格檢查并做好管材保護工作。進入現場的地埋管及管件應嚴格報審手續，逐件進行檢查，應用空氣試壓進行檢漏試驗；材料存放時不得在陽光下長期暴曬，搬運時應小心輕放，采用柔韌性能好的皮帶、吊帶或吊繩進行裝卸，不得拋摔和沿地拖曳；聚乙烯管應符合《給水用聚乙烯（PE）管材》（GB/T13663）的要求；聚丁烯管應符合《冷熱水用聚丁烯（PB）管道系統》（GB/T19473·2）的要求。
    4.1豎直地埋管的連接要求
    （1）埋地管道應采用熱熔或電熔連接。聚乙烯（PE）管道連接應符合國家現行標準《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》（CJJ101）的有關規定。
    （2）豎直地埋管換熱器的U型彎管接頭，宜選用定型的U型彎頭成品件，不宜采用直管道煨制彎頭。
    （3）豎直地埋管換熱器U型管的組對長度應能滿足插入鉆孔后與環路集管連接的要求，組對好的U型管的兩個開口端部，應及時密封。
    4.2豎直地埋管換熱系統的水壓試驗
    豎直地埋管換熱系統的水壓試驗應按如下要求分四次進行。
    （1）豎直地埋管換熱器插入鉆孔前，應做第一次水壓試驗。在試驗壓力下穩定15min，穩壓后壓力降不大于3%，無泄漏現象為合格；將其密封后，在有壓狀態下插入鉆孔，完成灌漿之后保壓1h。
    （2）豎直地埋管換熱器與環路集管裝配完成后，回填灌漿前進行第二次水壓試驗。在試驗壓力下，穩壓至少30min，穩壓后壓力降不大于3%且無泄漏現象為合格；每次試壓均應進行見證，并做好記錄。
    （3）環路集管與機房分、集水器連接完成后，回填前應進行第三次水壓試驗。在試驗壓力下，穩定至少2h，無泄漏現象為合格。
    （4）豎直地埋管換熱系統全部安裝完畢，且進行了沖洗、排泄及回填完成后，進行第四次水壓試驗。在試驗壓力下，穩壓至少12h，穩壓后壓力降不大于3%；水壓試驗采用手動泵緩慢升壓，升壓過程中隨時觀察與檢查，無泄漏為合格。不得以氣壓試驗代替水壓試驗。
    換熱器U型管安裝應在鉆孔鉆好且孔壁固化并經驗收合格后立即進行。當孔壁不牢固或者存在孔洞、洞穴等導致成孔困難時，應設護壁套管；在下管過程中，U型管內宜充滿水，并應采用每隔2～4m設一彈簧卡或固定支卡的方法將U型管兩支管分開，以提高換熱效果。
    系統沖洗是保證豎直地埋管換熱系統可靠運行的必須步驟，在豎直地埋管換熱器安裝前，地埋管換熱器與環路集管裝配完成后及其整個系統全部安裝完成后，均應對管道系統進行沖洗，以防止阻塞。
    4.3豎直地埋管換熱器的灌漿回填
    豎直地埋管換熱器U型管安裝完畢后，應立即灌漿回填封孔，隔離含水層；灌注合適的漿液可以加強土壤和熱交換器之間的熱接觸，防止污染物從地面向下滲漏和防止各含水層之間水的移動，是帶有強制性的要求。
    （1）灌漿即使用泥漿泵通過灌漿導管將混合漿泵灌入鉆井孔中的過程。泥漿泵的泵壓足以使孔底的泥漿上返至地表，當上返泥漿密度與灌注材料的密度相等時，即認為灌漿過程結束。
    （2）灌漿時應保證灌漿的連續性，應根據機械灌漿的速度將灌漿導管從被灌漿的豎直孔中逐漸抽出，使灌漿液自下而上灌注封孔，確保鉆孔內被灌漿密實，無空腔；否則會降低傳熱效果，影響工程質量。
    （3）豎直地埋管換熱器灌漿回填料宜采用膨潤土和細砂或水泥的混合漿，或其他專用灌漿材料。膨潤土的比例宜占4%～6%。
    （4）如果預期熱交換器是在凍土層以下非常密實或堅硬的巖土體或巖石內運行，宜采用水泥基料的灌漿更有優勢，因為孔隙水會凍結并膨脹，這會損壞膨潤土灌漿材料，而且產生的力會導致管道被擠壓并節流。
    （5）為盡量減少每一批灌漿配料之間的準備時間，應使用大容量的灌漿混合器/分離存儲罐；應該用直徑不小于30mm的聚氯乙烯管做導管，寧可將管徑選大些，以減少摩擦阻力損失，并在將其向下放進豎孔之前連接到U型管熱交換器上。
    （6）當埋管超過40m時，灌漿回填宜在周圍鄰近鉆孔鉆鑿完畢后進行，目的在于一旦孔斜將相鄰的U型管鉆傷，便于更換。
    （7）室外環境溫度低于0℃時，塑料地埋管的物理力學性能將有所降低，容易造成埋管損害。故當室外環境溫度低于0℃時，不宜進行地埋管換熱器的施工；如確需施工，則應按冬期施工要求，采取可靠的保溫防凍措施。
    （8）為保證其施工質量，質量管理尚需考慮以下幾點：
    ①監督檢測灌漿的運行操作，以保證灌漿以正確的比例被充分混合，并有足夠的粘性以便用泵將其充入豎井孔內；
    ②灌漿施工應有備用灌漿導管、軟管和在工地上能容易使用的備用設備，以保證灌漿的連續性；
    ③正位移泵（螺旋或活塞型）最適宜于將灌漿向下充入豎井孔內；
    ④內徑80～100mm的吸入管和內徑30～50mm的排放管即可滿足要求；
    ⑤水泥基料灌漿應由純水泥和質量比為5%的膨潤粉組成；
    ⑥水與水泥取0.55比0.6的質量比，即可滿足要求。
    5·系統檢驗、運轉、調試與驗收的質量管理系統安裝過程中，應進行現場檢驗，并應提供檢驗報告。檢驗內容應符合下列規定：①管材、管件等材料應符合國家現行標準的規定；②鉆孔井的位置和深度、埋管的直徑和壁厚及長度均應符合設計要求；③回填料及其配比應符合設計要求，水壓試驗應合格；④各環路流量應平衡，且應滿足設計要求；⑤防凍劑和防腐劑的特性及濃度應符合設計要求；⑥循環水流量及進出水溫差均應符合設計要求。
    換熱系統多采用聚乙烯（PE）管，它是一種熱塑性材料，與鋼管不同，其材料本身具有受壓發生蠕變和應力松弛的特性，因此試驗人員應對壓力降的理解更全面些。①水壓試驗靜水壓力不應小于管道工作壓力的1.5倍，且試驗壓力不應低于0.8MPa；不得以氣壓試驗代替水壓試驗。②試驗應分預試驗與主試驗兩個階段進行，其中預試驗步驟一，將試壓管道內的水壓降至大氣壓，并持續60min，期間應確保空氣不進入管道；步驟二，緩慢將管道內的水壓升至試驗壓力并穩壓30 min，期間如有壓力下降可注水補壓，但不得高于試驗壓力，查無滲漏現象；步驟三，停止注水補壓穩定60min，壓力下降不超過試驗壓力的70%，則預試驗階段工作結束。主試驗階段：在預試驗階段結束后，迅速將管道泄水降壓，降壓量為試驗壓力的10%～15%。期間應準確計量降壓所泄出的水量，設為△V（L），當△V（L）≤△Vma（xL）時，應每隔3min記錄一次管道剩余壓力，記錄30min；此時如30min內管道剩余壓力有上升趨勢時，則水壓試驗結束，試驗結果合格；此時如30min內管道剩余壓力沒有上升趨勢時，則在持續觀察60min，整個90min內壓力下降不超過0.02 MPa，則試驗結果也合格。
    回填過程的檢驗應與安裝豎直地埋管換熱器同步進行。回填過程的內容包括回填料配比、混合程序、灌漿及封孔的檢驗。
    豎直地埋管地源熱泵系統交付使用前，應進行整體運轉、調試與驗收。
    （1）地源熱泵系統在進行整體運轉、調試前，應進行系統試運轉與調整。其主要內容包括：①系統的壓力、溫度、流量等各項技術數據應符合有關技術文件的規定；②系統連續運行應達到正常平穩；水泵的壓力和水泵電機的電流不應出現大的幅度波動；③各種自動計量檢測元件和執行機構的工作應正常，滿足建筑設備自動化系統對被測定參數進行監測和控制的要求；④控制和檢測設備應能與系統的檢測元件和執行機構正常溝通，系統的狀態參數應能正常顯示，設備連鎖、自動調節、自動保護應能正常動作；⑤調試報告應包括調試前的準備記錄、水力平衡機組及系統試運轉的全部測試數據。
    （2）豎直地埋管地源熱泵系統整體運行和調試應符合下列規定：①整體運轉與調試前應制定整體運轉與調試方案，并報專業監理工程師審核批準；②水源熱泵系統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；③水力平衡調試完成后，應進行水源熱泵系統機組的試運轉，并填寫運轉記錄，運行數據應達到設備技術要求；④水源熱泵機組試運轉正常后，應進行連續24h的系統試運轉，并填寫運轉記錄；⑤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。
    （3）豎直地埋管地源熱泵系統整體驗收前，應進行冬、夏兩季運行測試，并對系統的實測性能作出評價。運行測試包括室內空氣參數及系統運行能耗的測定。系統運行能耗包括所有水源熱泵機組、水泵和末端設備的能耗。
    （4）豎直地埋管地源熱泵系統驗收除應符合《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366-2005）的規定外，還應符合國家現行相關標準的規定。