奥林匹克森林公园地源热泵项目
李志勇
【摘 要】本文结合奥林匹克森林公园地源热泵项目，对地埋管式地源热泵室外地埋管施工流程进行了分析研讨和总结，以期对以后的类似工程有些许借鉴意义。 【关键词】地埋管 地源热泵 森林公园 工艺特点 前景
1 前 言
随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。地源热泵是一种利用浅层和深层的大地能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源，然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统，是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统。相应地，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式。 地下水水源热泵，由于技术限制，全部回灌不易做到，监督实施也比较困难，而且容易造成地下水污染。在国外目前大面积推广使用的是埋管式地源热泵技术，是充分利用浅层地热的最佳技术途径。目前埋管式地源热泵在欧美国家已得到普遍应用，已被充分证明是成熟可行的技术。森林公园地源热泵工程采用的就是埋管式地源热泵工程。
2 工 程 简 介
2.1 工程概况
奥林匹克森林公园为2008年北京奥运会标志性建设项目之一，为充分体现“绿奥运”的理念，结合其占地面积大，建筑物分散，小面积建筑数量多等特点，地源热泵空调系统是奥林匹克森林公园空调系统设计的首选方案。
规划奥林匹克森林公园位于北京市朝阳区，东至安立路，南至辛店村路，西至白庙村路，北至清河北路。以五环路为界，分为南北两园：南园是以大型自然山水为主的景观园区，北园是以植物为主的生态园区。
据业主提供的设计资料，奥林匹克森林公园规划总占地面积6800000m2，规划总建筑面积
126586 m2。2008年前规划建筑占地总面积41271 m2，建筑总面积62689 m2，其中拟采用地源热泵空调系统的总建筑面积为30857 m2。
2.2 施工特点和难点
2.2.1地质条件
区域地质资料表明，工程场区占地面积较大，工程场区第四系厚度变化也较大。工程场区第四系厚度在40-125m左右，自西南向东北逐渐增大，西南部为基岩隆起区。场区第四系孔隙水概化为2大层，其中30m深度范围以内的地下水统称为浅层地下水，30m深度以下的地下水统称为深层地下水。
2.2.2 设计概况
因工程场区占地面积大，建筑物分散，单体建筑建筑面积较小；且第四系厚度差异较大，换热孔的深度设计在40~100m不等，控制钻孔深度在基岩顶板以上，可有效控制钻孔成本。 本次施工共涉及20个单体建筑，共设计钻孔921个，钻探进尺76110 m。
2.2.3 施工特点和难点
因工程场区占地面积大，建筑物分散，地埋管换热系统施工任务量大、交叉作业多、协调量大、技术要求高。地埋管施工中的关键工序是钻孔。该工程钻孔量特大、孔深不等。因整个奥林匹克森林公园所有施工队伍都在抢进度，经常出现交叉施工现象。整个机械钻孔施工期间，协调工作特别大，因此在施工前期选址时遇到的困难较大。协调工作包括机械钻孔作业与土建设计方、施工方的协调；与各种管线设计方、施工方的协调；与水电提供方的协调；机械钻孔作业与配管工序的协调；机械钻孔作业队伍之间的协调等。而单孔垂直度很关键。地上差之毫厘，地下谬之千里，控制不好时将会导致周边孔管遭破坏的质量事故。地表下的管道成品保护难度相当大。
另外，为了保证施工质量，冬季施工难度及成本都加大。
2.3 施工流程简介
主要包括换热孔施工及水平管道施工，流程如下：
换热孔施工：换热孔放线定位—换热孔钻探—地埋管预制及下管前打压—下管—下管后打压—钻孔回填 水平管道施工：安装水平环路集管—环路集管试压—机房集分水器与环路集管连接—冲洗、排气—系统试压—回填隐蔽
2.3.1换热孔施工
1） 换热孔放线定位
按照施工图，出定位基准点，确定换热孔布孔区域，根据换热孔数量和孔间距进行测量换热孔定位。对于现场定位条件简单的场地，可采用地物放线；现场条件复杂且没有参照地物的，可采用专门的测量仪器按照钻孔坐标放线。在放线的过程中，钻孔位置要准确，若遇到影响钻孔施工的地上地下条件，要进行钻孔位置的调整，并反应到施工图纸上。
在钻孔定位完毕后，要做好对孔位的保护工作，以防在钻孔后期施工中对钻孔位置标识的破坏造成钻孔位置的偏差。
2）换热孔钻探
根据每个场地的钻孔数量，孔深确定所需钻探设备的种类及数量，在设备进场后，合理安排每台钻机的位置及施工顺序，在已确认的钻孔位置就位，质检员查核钻机位置，钻机水平度、钻头直径（152mm），确认无误后签字开钻。在有疑问的地点先用小钻探明地下情况，探至老土后开始换钻头开钻。土层建议用三翼钻头;卵砾石层或砂层较厚时钻头宜采用牙轮钻头,并配制合理的泥浆护壁。
钻进过程中，施工人员填写钻进记录表，记录起停钻的时间、钻杆长度，以及在钻进过程中的其它问题。钻进到达要求深度后，由质检员查验钻孔深度，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。
为了确保钻孔的垂直度，在钻机就位前要确保钻机的水平度，避免在钻探的过程中出现窜孔的现象。具体方法可在钻机本体纵横两个方向上选择两个固定平面，用水平尺和塞尺进行调整钻机水平，保证钻头垂直地面。钻机水平误差不大于5‰。施工过程中须进行钻机本体水平度复核。当误差大于5‰时，必须进行调整。
钻进过程中对于运转的部位要严格检查安全防护罩\安全销等安全防护装置是否完好,并严格按钻探有关操作规程进行。
3）管材检查及展管
PE换热管运达现场后，由质检员查验管材合格证、规格型号。将换热管展开，伸直摆放，检查管材及接头是否受损。
在钻孔成孔前，要把管材展开，以准备打压，在展开管材的过程中，要注意地面的杂物，防止在展管的过程中造成管材的损伤。冬季施工气温较低，可能在0℃以下，在展管的过程中要注意轻放，防止管材破坏。
4）PE管地面冲洗打压
冲洗：用干净的自来水对管道进行冲洗，检查管道通畅情况,冲出杂物，并检查双U接头是否完好（两个环路是否串通），将两个U型回路管进行分组，标识明确；冲水直到管口出水均匀水质清澈为止。
打压：用干净的自来水打压，试验压力0.6MPa，稳压15分钟，稳压后压力降不大于3%，且无泄漏现象。达到上述标准（即打压合格后），经现场监理确认后，立即密封每组双U型换热管的管头，保持管内充满水，并做好分组标志。
每套打压管与各钻孔一一对应，并做好每次压力试验记录。冬季施工因气温较低，可能在0℃以下，打压应及时，并辅以防冻液，在下管完毕后要用清水冲出防冻液，避免防冻液对管材及机房设备的腐蚀破坏。
5) 换热管下入
下管前，将孔内稠泥浆进行稀释，提出钻杆，为免划伤换热管，将孔口周边1米内所有泥浆、土块和其它杂物清理干净，确保孔口没有尖锐或带刺的硬物。孔口清理干净后，立即下管。四根PE换热管应均匀平稳下入，下管过程中，U型管内保持充满水状态。下管时，采用钻杆辅助下压，钻杆头与换热管接触点一定做好保护，管道不能有折断和扭结，确保换热管不得有任何损伤。换热管下入后，留在地上部分管段2米左右。
下管过程中要使用的辅助设备_下管器，用于连接双U头和钻杆，下管器的制作要合理，在下管的过程中，下管器的头顶在双U头心杆上，因为在下管的过程中，可能出现缩孔的情况，导致下管不顺利，出现这种情况，要慢慢下压，切勿猛烈下压，导致双U头损坏漏水。在下管初期发现下管不顺的情况要及时拔出PE管，重新扫孔，下管前管材要重新打压，保证管材没有损坏。
6) 二次打压
换热管下入后，为了确保换热管没有在下管过程中破损，进行了二次打压试验，试验压力0.6MPa，稳压观测半小时以上，无渗漏无破裂，压力下降不超过3%。打压完后，每组双U型换热管的管头上立即封口。
二次打压过程中可能发现管材损坏情况，要分析是单U损坏还是整个双U损坏，从而确定补救方案（在其它位置补充钻孔）。每套打压管与各钻孔一一对应，并做好每次压力试验记录。冬季施工因气温较低，可能在0℃以下，下管完毕后要把暴漏在地面管材中的水用泵吹出，防止冻涨破裂。
7) 换热孔回填
地源热泵系统地下换热器就是将大地作为热源和热汇,通过与地层发生热交换而达到换热的目的。位于循环系统中的热交换介质与地层之间的热交换作用总是通过位于其间的回填材料与U 型管的材质来完成的，所以回填材料以及U 型管的材质的导热系数决定着系统热交换的效率。
根据地质结构不同，回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。
正确的回填要达到两个目的：一是要强化埋管与钻孔壁之间的传热，二是要实现密封的作用，避免地下含水层受到地表水等可能的污染。为了使热交换器具有更好的传热性能，国外常选用特殊材料制成的专用灌注材料进行回填。
本工程主要采取了孔口回填的方法，为了提高填料的密实程度，一方面，要严格控制填料的速度，沿孔壁四周均匀慢速填料，减少因填料过快而造成填料在孔内搭桥的机会；严禁一次性将回填料堆积在孔口，以免造成回填堵塞现象；另一方面，回填料需搅拌均匀，水量比适中，使填料呈流体状，均匀下沉，从而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；回填时间分阶段间歇地进行，循序渐进，逐渐填满，确保填料密实。
目前效果较好较为先进的工艺为孔底注浆，回填物中不得有大粒径的颗粒，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。
2.3.1水平管道施工
1）竖直换热管打压
地源热泵换热 对所有竖直换热管进行充水，复核换热管通畅情况和双U回路分组是否正确。对竖直换热管进行压力试验，再次复核换热管是否受损。
2）测量放线及管沟开挖
根据施工图纸测量定位、放线，标出水平管铺设和连接时沟槽的开挖线路。
开挖沟槽前，先了解开挖的土壤性质及地下水和地下管线的情况。开挖时注意保护其它管线和构筑物，管沟与建筑物、基础或相临管道之间的水平、垂直净距离符合规范要求。沟槽放坡按照国家现行标准《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268，同时按照图纸设计标高进行施工。先用机械开挖，在管线部位，为避免损伤管线，用人工开挖。
管沟开挖的过程中一定要注意坡度的控制，防止集气现象的产生。
3）管沟垫层铺设
管沟开挖时将挖出来的土堆放在管沟一侧，土堆底边应与沟边保持500㎜以上的安全距离。将沟底的废旧构筑物、硬石、木头、垃圾等杂物，清除后平整夯实，其密实度不低于原地基天然土的密实度。管沟底铺一层厚度100㎜的细砂垫层，坡度和施工图中管路的坡度一致。
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