地源热泵优缺点及工程监理中需注意的问题.doc

浅谈地源热泵优缺点及工程监理中需注意的问题 成 巍 【摘要】本文通过对地源热泵和普通热泵从原理上进行比较，得出地源热泵的优缺点，并结合笔者经验对实际应用最多的垂直埋管地源热泵工程的监理工作做了浅要的分析。 【关键词】 地源热泵 原理 优缺点 监理重点随着现代科技的发展，节能减排已经成为举世瞩目的焦点，特别是最近召开的哥本哈根气候峰会更是将全世界的焦点都集中在环保问题上，同样在建筑领域也是如此，而最近几年地源热泵已经在我国悄然兴起，这项十分节能环保的技术在未来的建筑领域中必将得到越来越多的重视和应用，因此做为工程监理人员也应与时俱进，对这项技术进行及时的了解。1 热泵的工作原理 想要了解地源热泵和普通热泵相比的优缺点，首先应先了解两者原理上的区别1.1 普通热泵的工作原理 图 1 如图1所示为热泵的制热循环的原理图。制冷剂在蒸发器中吸取环境大气或市政供水中的热能蒸发成气体进入压缩机，经压缩机压缩加温加压后的制冷剂在冷凝器中凝结成饱和液体，并放出热量加热供热系统的回水，然后经膨胀阀（节流阀）降压降温进入蒸发器，蒸发吸热，气化为干饱和蒸汽，从而完成一个循环。将图1中的系统反转，“向其他介质输出热量”，便是制冷系统，原理相同。1.2 地源热泵的工作原理 地源热泵与普通热泵最大的区别就在图1中的“其他介质热量输入”上。我们知道地下土壤的温度和季节变化并没有关系，它能够保持一年四季始终保持在一定的温度范围内，因此地源热泵便是把管道埋入地下或地下水中，使管道中的水与地下土壤或地下水充分换热，然后进入热泵机组中供制冷剂吸收其热量完成蒸发。因此，地源热泵能做到进入机组的水冬天时气温比室外气温高，夏天时气温比室外气温低，而普通热泵则是将与室外环境温度相同的室外空气或水送入机组，由此地源热泵比普通热泵的优势显而易见。 图 2如图2，地源热泵按照换热方式不同可分为三类：www.21tym1.，地下水系统2. 地表水系统 3 土壤埋管系统。其中土壤埋盘管系统分为水平埋管和垂直埋管系统，由于水平埋管占地面积过大，地下水系统存在回灌技术的硬伤，地表水系统受到地理条件限制，因此大多数使用地源热泵的商业和机构的工程都用的是垂直埋管系统。2 地源热泵的优点 从地源热泵的原理可以分析出地源热泵有以下优点： 1、地源热泵技术属可再生能源利用技术地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。2、地源热泵属经济有效的节能技术地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户3040的供热制冷空调的运行费用。 3、地源热泵环境效益显著地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40以上，与电供暖相比，相当于减少70以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料物的场地，废且不用远距离输送热量。4、地源热泵一机多用，应用范围广地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、购物商场、家电电脑办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。5、地源热泵空调系统维护费用低在同等条件下，采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用，它的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候，其地下部分可保证50年，地上部分可保证30年，因此地源热泵是免维护空调，节省了维护费用，使用户的投资在3年左右即可收回。6、不用锅炉或冷却塔。3 地源热泵的缺点 1、一次性投资价格高。中央空调空调属于高档次的商品，地源热泵中央空调空调比一般中央空调档次又要高许多，节能高达百分之六十，但比一般中央空调投资高约百分之四十左右，如果有能力使用中央空调，地源热泵的高投入部分实际上是一种高回报投资；2、地源热泵中央空调的使用受到场地限制，热交换是在地下进行的，没有足够的场地满足不了能量交换，浅表地层热能也是来源于太阳；3、如果使用地下水地源热泵，对地下水和地质有不好的影响，保护不好会污染地下水，回灌不好会影响地基下沉；4、设计难度大，由于我国对地源热泵的研发还不够深入，目前还没有一个统一、简便的计算方法。地下埋管换热是一种非常复杂的不稳态传热现象，地下埋管的安装几何特性、地下土壤特性、回填材料特性都对地下埋管的热量交换起着重要的影响。另外设计时必须考虑到土壤热平衡。5、施工工艺有待完善。在我国地源热泵技术尚未发展成熟，相关的一系列施工工具、工艺、人员水平都有待发展。比如在笔者参加监理的苏州中级人民法院的工程中，钻孔所用的机械便是施工单位自制的，施工时效率低下而且时常损坏。并且由于一口竖井打完，必须马上下管灌浆回填避免塌方，因此如果钻井时角度不够垂直就有可能将已隐蔽的地埋管钻坏，再修复十分困难。6、维修难度大。虽然地源热泵理论上后期基本不会出现维修的情况，但由于设计和施工难度较大加上施工人员素质问题，一旦出现问题需要维修，代价十分巨大。7、某些地源热泵系统还会对结构有所影响。比如在苏州朗诗国际街区，便是将管道埋入楼板层，水在地埋管内与土壤换热后进入楼板向室内辐射放热，实现室内恒温（2026摄氏度），但这无疑大大增加了楼板的厚度和重量，并且公共部位的管道加上其保温层，直径很大，给装饰工程也带来难度，不可避免要降低层高。4 地源热泵监理工作的重点从上文的分析可以看出，地源热泵虽然受到自然条件限制，在我国从设计到施工技术都还不成熟，在实际操作时还存在很多需要解决的问题，但与普通热泵相比在节能，环保上有着巨大的优势，因此在当今能源紧缺的社会还是有着很大的发展前景，比如在北京和沈阳等地，政府已出台政策对地源热泵进行政府补贴，可见地源热泵已成为空调供暖行业的发展趋势，作为监理人员应对这项技术有着充分的了解才能在施工监理过程中做到充分发挥其优点，合理规避其缺点。因垂直埋管系统在实际应用中使用最多，所以本文以此系统为例，对监理在该系统工程中应做到的工作进行浅要分析。4.1 施工前准备阶段 1、系统施工前，应了解埋管场地内已有地下管线，其它地下构筑物的功能及其准确位置，并进行场地清理平整，应仔细审核埋管区域的工程勘察资料、设计文件、施工组织设计和经审查批准的施工图纸，进行图纸会审及技术交底工作。 2、系统施工应由具有该类工程施工资质的专业队伍完成，其专业施工人员应持有此专业的上岗证书，在开始施工之前，应作好施工准备工作，承包商应获得与工作项目有关的所有开工许可。3、审图时应特别注意：就苏州地区来说，系统夏季对土壤的排热量将大于冬季的取热量，应注意设计图纸是否有措施处理这一部分多余的排热量，否则土壤热平衡将受到破坏，使土壤温度发生改变，严重影响若干年后的可靠使用，比如在南京朗诗项目中，设计便采用了带热回收的地源热泵机组，夏季利用制冷机的冷凝废热（这部分热量本来是要排到地下土壤中去的）来制取免费的生活热水，既免费得到了供住户使用的卫生热水，又减少了系统对大地的热排放，解决了土壤热平衡问题； 为避免换热短路，钻孔间距应满足换热需要，宜为36m，水平连接管的深度应在冻土层以下 0.6m，距地面不宜小于1.5m;埋管环路两端应分别与供 、回水环路集管相连接 ，且宜同程布置 ；每对供 、回水环路集管连接的管环路数宜相等，供、回水环路集管的间距不应小于 06m 。由于该系统为闭式系统，所以设计时有自动补水定压系统（如膨胀水箱、定压罐等），应设在水泵入水口处；设计图纸中应对回填所用泥浆的成分和配合比有明确的规定，因为其对管道与土壤的换热有很大影响。 4.2 施工阶段 1、进入现场的地埋管及管件应严格报审手续，逐件进行检查，其厚度和强度应符合相应的国家标准； 2、钻孔井的位置和深度、埋管的直径及长度均应符合设计要求3、管道搬运时应小心轻放，采用柔韧性能好的皮带、吊带或吊绳进行装卸，不得抛摔和沿地拖曳，以免破换管道。4、竖直地埋管换热器 U 型管的组对长度应能满足插入钻孔后与环路集管连接的要求，组对好的U 型管的两个开口端部，应及时密封。5、埋地管道应采用热熔或电熔连接，竖直地埋管换热器的U型弯管接头，宜选用定型的U 型弯头成品件，不宜采用直管道煨制弯头。6、竖直地埋管换热器插入钻孔前，应做第一次水压试验。在试验压力下稳定15min ，稳压后压力降不大于3，无泄漏现象为合格将其密封后，在有压状态下插入钻孔，完成灌浆之后保压1h。7、竖直地埋管换热器与环路集管装配完成后，回填灌浆前进行第二次水压试验，环路集管与机房分、集水器连接完成后，回填前应进行第三次水压试验，在系统全部安装完毕回填完成后，还应进行最后一次水压试验，每次水压试验都要留下记录； 8、竖直地埋管换热器 U 型管安装完毕后，应立即灌浆回填封孔，隔离含水层，灌注合适的浆液可以加强土壤和热交换器之间的热接触，防止污染物从地面向下渗漏和防止各含水层之间水的移动，是带有强制性的要求。 9、灌浆所用泥浆必须严格按照设计要求进行配比，泥浆泵的泵压应足以使孔底的泥浆上返至地表，当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时，即认为灌浆过程结束，此处施工单位为求速度很容易偷工减料(或泥浆配合比不符合要求或不把孔洞灌满)，需特别注意。 10、一定要严格控制钻孔的垂直度，避免倾斜钻坏已回填的管道。 4.3 调试、验收阶段1、地源热泵系统在进行整体运转、调试前，应进行系统试运转与调整。其主要内容包括：系统的压力、温度、流量等各项技术数据应符合有关技术文件的规定；系统连续运行应达到正常平稳；水泵的压力和水泵电机的电流不应出现大的幅度波动； 控制和检测设备应能与系统的检测元件和执行机构正常沟通，系统的状态参数应能正常显示，设备连锁、自动调节 、自动保护应能正常动作；调试报告应包括调试前的准备记录、水力平衡机组及系统试运转的全部测试数据。 2、竖直地埋管地源热泵系统整体运行和调试应符合下列规定： 整体运转与调试前应制定整运转与调试方案，应对其进行审核；热泵系统机组试运转前应进行 水系统及风系统平衡调试，确定系统循环总流量，各分支流量及各末端设备流量均达到设计要求：水力平衡调试完成后 ，应进行热泵系统机