浅谈地源热泵地埋管系统施工质量控制要点

浅谈地源热泵地埋管系统施工质量控制要点

林琳

浙江陆特能源科技股份有限公司浙江杭州310000

摘要：文章以某工程为例，结合现场地埋管系统的实际施工经验，对地埋管系统的施工方法、技术要点和技术措施进行了总结，着重阐述了地埋管系统施工的质量控制要点并对施工不当引起的质量问题作了进一步阐述，同时文中指出了相应的解决办法，以便使地源热泵系统真正实现高效、节能、环保的目标。

关键词：地源热泵；地埋管施工；质量控制

1工程概况

该工程总建筑面积55290m2，总空调面积54826m2；建筑层数为3层（其中地下3层，地下1层），建筑高度22.5m。设计冷负荷为5879kW，设计热负荷为4278kW。地埋管换热孔设计深度108m，地埋管换热孔设计孔间距4.5m，地下换热器采用单U型（SDR11）HDPE换热管，规格为φ32*3.0，钻孔直径为φ130mm。

2施工流程基本要求

（1）成井过程应由水文地质专业人员进行监督管理；

（2）选用2个现场的永久目标进行定位放线，为满足换热需要，钻孔间距宜为3～6m；

（3）施工前应熟悉掌握埋管区域的工程勘察资料、设计文件和施工图纸，并完成施工组织设计，同时应充分了解埋管场地内已有地下管线；

（4）场地应满足“三通一平”要求，以方便钻孔施；

（5）场地内应设有完善的排浆设施。

3施工工程的质量控制

3.1原材料的选择

地埋管的质量对地埋管换热系统至关重要。地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管，不宜采用聚氯乙烯（PVC）管，管件与管材应为同厂出的相同材料。

本工程地埋管换热器采用单U型（SDR11）HDPE高密度聚乙烯换热管，采用PE100原料，换热管外径32mm、壁厚3mm、承压能力1.6MPa，管材及管件承压能力满足设计要求，为一次挤塑成型，地埋管系统的管路使用寿命50年以上。单U型高密度聚乙烯换热管成组供应，换热管连单U管件按设计要求厂内定制好以后成套进场，管身上有长度标识；定货长度应满足安装要求，除单U型换热管底部外，中间无任何接头，为避免误接，安装时管身有供回水管道区分标识。

进场时，地埋管应具有质量检验报告和生产厂的合格证，管材的公称压力及使用温度应满足设计要求。进入现场的地埋管及管件应逐件进行外观检查，破损和不合格产品严禁使用。不得采用出厂已久的管材，宜采用刚制造出的管材，高密度聚乙烯管应符合《给水用聚乙烯（PE）管材》GB/T13663的要求。

地埋换热管管材为黑色，管身上沿纵向有三条共挤出蓝色色条。管件和管材内外表面应清洁、光滑，无气泡、针孔、裂纹、明显划伤、凹陷、杂质、颜色不均等缺陷。管端头切割平整，并与管轴线垂直，管材、管件及附件颜色一致，色泽均匀，无分解变色。地埋换热管管材以及配件装卸运输和搬运时应小心轻放，采应用柔韧性好的皮带、吊带或吊绳进行装卸，不能受到剧烈碰撞和尖锐物体冲击，不能抛、摔、滚、拖、拽，避免其接触油污，在储存以及施工的过程中要严防泥土和杂物进入管内，存放处避免阳光直射，符合相关规范的要求，所有供本工程使用的管材及配件均必须为不含石棉物质的产品。

3.2地埋管系统施工过程质量控制

3.2.1钻孔施工

工程钻孔是地下换热器施工过程中最重要的环节。确认无误签字后方可开机试钻，试钻过程中应按每小时进尺5m速度为宜。保证钻机严按操作规程操作，施钻过程中应密切注意钻机及附属设备运行情况，发现异常及时处理。钻井过程中，施工人员应认真填写钻井记录表，记录起停钻的时间、钻杆长度，以及在钻井过程中的其它问题。钻井到达要求深度后，报质检员查验钻孔深度和孔径并确认。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。

钻孔施工过程中质量控制要点如下：

（1）钻孔过程中产生的泥浆水从钻孔的位置冒出地面，所以在钻孔施工前，应先设计并布置好排浆沟，并在沟末端连接一个泥浆池。

（3）在所有的埋管点上方，或者标明管线定位带，确保钻孔位置偏差在10cm以内。

（4）施工前应做好机台调平、设备布置、器材堆存、塔架竖立以及钻机安放等工作。

（5）施工过程中钻机应确保钻机钻杆垂直度，避免深部钻孔垂直交叉窜孔，损坏已埋设U型管。另外，还需要注意钻孔垂直度检测与控制，《建筑工程地质钻探技术标准》（JGJ/T87－2012）规定：对垂直钻孔，50m测量一次垂直度，每100m深允许偏差为±2°。

（6）已下管完的换热井应进行保压，在临近的钻孔施工完毕方可进行回填，并拆除压力表。

（7）钻机钻孔深度应超过设计深度0.2～1m，确保埋管深度达到设计要求。

（8）钻孔时必须进行泥浆护壁，防止成孔坍塌；同时在钻至规定深度因采用反向退出钻杆进行清空，保证钻孔直径及其内壁光滑。

（9）施工过程中产生的废土和岩石在钻孔完毕应及时清理，并堆放至指定位置。

钻孔施工过程中常出现的问题及解决办法：

在大规模埋管中，钻孔偏斜问题非常严重，为了避免钻孔交叉，防止对已经安装的地下换热系统产生破坏，必须尽量防止钻孔偏斜，主要方法是尽量直接在钻头上部加压，以保证孔的垂直度。施工中常用的工艺还有在钻杆处做圆形护圈，通常25～30m做一个，这样既能保证孔的垂直度，又可防止缩孔造成下管困难。通常室外地埋区域相对较大时孔与孔之间的间距最好不少于4.5m，这样换热效果也大大提高了，同时大大降低了钻孔偏移带来的不利影响。施工中遇到较软砂土层时，上层施工容易造成塌方。通常这种情况下需要填充红黏土或者膨润土进行护壁，如还不能解决问题，就需要添加护壁套管，通常要加至砂土层以上，避免塌方带来损失。

3.2.2下管过程

下管是一个非常关键的步骤，下管的深度决定换热量的多少，所以必须保证下管深度，下管的成功与否决定了系统是否能够安装成功。下管过程到目前为止还没有达到机械化、自动化的程度，几乎都采用人工下管，需要的人力比较多，要求扶正、下压、送管等几个分工。

地埋管换热器U型管安装应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行。当钻孔孔壁不牢固或者存在孔洞、洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管。钻孔完毕后孔洞内有大量积水，由于水的浮力影响，将对放管造成一定的困难；而且由于水中含有大量的泥沙，泥沙沉积会减少孔洞的有效深度，因此下管过程中，U型管内宜充满水并设置配重防止上浮，同时在孔口处放置麻袋之类的衬垫物品，以防止U型管下管过程中换热管磨损而导致其耐压等性能下降。

下管施工过程中质量控制要点如下：

（1）为保证换热效果，防止支管间发生热回流现象，四根换热支管之间需保持距离，下管前采用分离定位管卡将四根换热管进行分离定位，分离定位管卡之间的间距为3～3.5m。

（2）下管前应将孔内稠泥浆进行稀释，提出钻杆，将孔口周边1m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，以免划伤换热管。

（3）下管时，在有压状态下插入钻孔，应尽量保持同心度，下管速度要均匀，并且管与管不要紧密接触，防止下管过程中损坏管道，完成灌浆后保压1h。如果遇有障碍和不顺畅现象，应及时查明原因，待做好处理后才能继续下管，最后地面上要保留2m左右的换热管，将换热管进行固定，防止下滑到井内，造成管道无法使用，甚至废井。

（4）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，确保换热管无任何损伤。

（5）换热管道到位后，提起下管钻杆，提杆过程中应防止换热器上浮，如发现上浮立即采取措施，确保管下到位。

下管施工过程中常出现的问题及解决办法：

钻孔完毕后应及时下管，因为钻孔有大量的沉积泥砂，这就减少了钻孔的有效深度，因此，每钻完一个孔，应及时把U形管放入。在下管过程中，由于孔内壁摩擦力及孔内泥浆的浮力，下管时会遇到很大的阻力，所以下管时，把立埋管路在有压状态下插入到井中；水增加了管材的重量，下管时增加下坠力，同时也便于观察下管过程中是否对管材造成破坏。

3.2.3管井回填

第二次打压试验后，宜采用水泥砂浆回填。回填料的热工性能好坏直接影响到地下换热器周围温度场的分布和局部换热量的大小。因此要求回填料有较好的传热性能，并要求有较好可塑性、耐压性。地埋管换热系统应根据地质特征确定回填料配方，回填料导热系数不应低于钻孔外或沟槽外岩土体的导热系数。本工程回填料采用水泥和沙子按一定比例（3：7）人工搅拌而成。这种专用回填料的导热性能优异，高于岩石与粘土的导热系数，在国内同行处于领先水平，圆满解决了打井回填对地质层导热系数的破坏问题。

管井回填过程中质量控制要点如下：

为了提高填料的密实度，一方面，严格控制回填速度，沿孔壁四周均匀漫细砂，减少因填料过快而造成填料在孔内搭桥的机会；另一方面，让回填料需均匀下沉，从而避免填料在孔内形成搭桥；回填过程分阶段进行，一次回填下沉密实后，再进行下一次回填，循序渐进，回填3～5次，回填至孔口以下200mm即可，确保填料密实，严禁一次性将回填料直接堆至孔口，严禁用混凝土将孔口堵住。回填完后将留在地面的管道管口进行封堵保护并进行标记，防止后续施工造成损坏。

3.2.4管道连接

水平管施工前应安排人工开槽找平并留有一定的坡度，以方便水平汇总管向集水器方向保持一定坡度以利排气，严禁U型管倒坡、上下蜿蜒造成管道积气，同时水平管应留有一定的膨胀、收缩空间，避免管道应热胀冷缩影响管道使用寿命，沟槽底部应先铺设相当于管径厚度的细砂。施工过程中应防止石块等重物撞击管身，同时管道不应有折断、扭结等问题，转弯处应光滑，且应采取固定措施。

管道连接过程中质量控制要点如下：

（1）管材、管件以及管道附属件存放处与施工现场温差较大时，连接前应将聚乙烯管材、管件以及管道附属件在施工现场放置一段时间，使其温度接近施工现场温度。

（2）管材及管件下沟前，应检查沟底标高、沟宽尺寸是否符合设计要求，需要保温的管道应检查保温层是否有损伤。采用人工下管均应将管缓慢平直的下入沟内，不得造成管道扭曲。

（3）根据施工图纸，选材下料，预制管材及管件必须采用专用工具。各种管材及管件预制好后，在场区排放整齐。

（4）沟内管道焊接和连接前必须清洁管腔，将焊接处擦净，找平找直，摆放平稳踏实。所有管材管件不能进行摔、敲、砸、扭结和强力弯曲等任何破坏性操作，确保管材管件不得有任何损伤。

（5）管材切割应采用专用割刀或切管工具，切割断面应平整、光滑、无毛刺，且应垂直于管轴线。

（6）管道连接应采用相应的专用工具，连接时严禁明火加热。

（7）聚乙烯管材、管件以及管道附件的连接采用热熔连接时（详见详见图1PE管热熔连接操作示意图1一切管、图2PE管热熔连接操作示意图2—清理以及图3PE管热熔连接操作示意图3—加热），应注意以下几点：

图3PE管热熔连接操作示意图3—加热

1）热熔连接工具的温度控制应精确，加热面温度分布应均匀，加热面结构应符合焊接工艺要求热熔连接前、后应使用洁净棉布擦净加热面上的污物。

2）热熔连接加热时间、加热温度和施加的压力及保压、冷却时间，应符合热熔连接工具生产企业和聚乙烯管材、管件以及管道附件生产企业的规定。在保压、冷却期间不得移动连接件或在连接件上施加任何外力。

3）热熔对接连接还应符合下列规定：

ａ）两待连接件的连接端应伸出焊机夹具一定自由长度，并校直两对应的待连接件，使其在同一轴线上，错边不宜大于壁厚的10%。

ｂ）管材、管件以及管道附件连接面上的污物应使用洁净棉布擦净，并铣削连接面，使其与轴线垂直。

ｃ）待连接件的断面应使用热熔连接对接工具加热。

ｄ）加热完毕，待连接件应迅速脱离加热工具，检查待连接件的加热面熔化的均匀性和是否有损伤。然后，用均匀外力使连接面完全接触，并翻边形成均匀一致的凸缘，凸缘的高度和宽度应符合有关规定。

4）热熔承插连接还应符合下列规定：

ａ）管材端口外部宜进行倒角，角度不宜小于30°，且管材表面坡口长度不大于4mm。

ｂ）测量管件承口长度，并在管材插入端标出插入长度和刮除插入段表皮。

ｃ）管材、管件连接面上的污物应用洁净棉布擦净。

ｄ）公称外径大于或等于63mm的管道热熔承插连接，应采用机械装置的热熔承插连接，并校直两对应的待连接件，使其在同一轴线上。公称外径小于63mm的管道热熔承插连接，在整圆工具配合下，可采用手动热熔承插连接，且需保证两对应的待连接件在同一轴线上。

ｅ）管材插口外表面和管件承口内表面应使用热熔承插式加热工具加热。

ｆ）加热完毕，待连接件应迅速脱离承插连接加热工具，检查待连接件的加热面熔化的均匀性和是否有损伤。然后，用均匀外力将管材插入管件承口内，至管材插入长度标记位置，使其承口端形成均匀凸缘。

（8）地埋水平管采用等径连接，每组供、回水管道高差间距不小于600mm，所有管线连接以尽量减少接口为原则。

（9）竖直换热管与水平管连接时，既要确保管材不被损坏，又要保证各分支不能有集气。熔接时，局部开挖操作坑，增加竖直换热管曲率半径（De32的管材，曲率半径必须保证在960mm以上），对管材轻弯慢揉，使水流能够正常运行，杜绝集气点和死弯出现。

（10）在寒冷气候（﹣5℃以下）或大风环境条件下进行热熔连接操作时，应采取保护措施，或调整机具的工艺参数。

（11）管道连接后，应及时检查接头外观质量，不合格者必须返工。

管道连接过程中常出现的问题及解决办法：

若管材和管件熔接的时间过长，会造成管材的外壁和内壁全部变软，熔接时，因用力过猛而造成管材内部卷边，缩小了管材的口径，影响了水的流量，即影响制冷量，所以热熔焊接一定要把握好时间和温度。温度一般控制在不低于250℃，根据热熔器温升的不断提高，掌握热熔时间的长短，温度高了熔接的时问相对就缩短了；根据管径的粗细其热熔的时间也有所不同，在掌握热熔器的特性的情况下来熟练把握焊接技术。熔接的质量直接影响系统的稳定性。

3.2.5管沟回填

回填料应采用网孔不大于15mmｘ15mm的筛进行过筛，保证回填料不含有尖利的岩石块和其它碎石。为保证回填均匀且回填料与管道紧密接触，回填应在管道两侧同步进行，同一沟槽中有双排或多排管道时，管道之间的回填压实应与管道和槽壁之间的回填压实对称进行。各压实面的高差不宜超过30cm。管腋部采用人工回填，确保塞严、捣实。分层管道回填时，应重点做好每一管道层上方15cm范围内的回填。管道两侧和管顶以上50cm范围内，应采用轻夯实，严禁压实机具直接作用在管道上，使管道受损。

管沟回填过程中质量控制要点如下：

（1）管道铺设后应及时进行回填，回填时应留出管道连接部位，连接部位应待管道水压试验合格后再进行回填，回填前应对管道系统进行加固。

（2）回填时应首先调整水平管的间距、平整度。施工时应先用细砂填实管底，水平管下垫沙层0.1m，同时回填管道两侧，管上覆盖不低于管径厚度的细砂，再用细土回填至管顶0.5m处。沟内有积水时，必须全部排尽后，再行回填。

（3）管道两侧及管顶以上0.5m内的回填土，不得含有碎石、砖块、垃圾等杂物，不得用冻土回填。冬季回填时距离管顶0.5m以上的回填土内允许有少量直径不大于0.1m的石块和冻土，其数量不得超过填土总体积的15%。

（4）回填土应分层夯实，每层厚度应为0.2～0.3m，管道两侧及管顶0.5m以上内的回填土必须人工夯实；当回填土超过管顶0.5m时，可使用小型机械夯实，每层松土厚度为0.25～0.4m。

（5）当管道覆土较深，且管道回填土质及压实系数设计无规定时，其回填土土质及压实系数应符合：管底应有0.1m以上、压实系数85%～90%的垫层；管道两侧每0.2m分层回填夯实，压实系数为95%；管顶0.3m以内压实系数不小于90%。

（6）管道经试压且通过隐蔽工程验收，人工回填到管顶以上0.5m后，方可采用机械回填，但不得在管道上方行驶。机械回填时应在管道内充满水的情况下进行。

（7）回填至距地表800mm时必须铺设专用警示带。

（8）注意回填过程中管道需保持工作压力。

3.3水压试验

水压试验应符合以下规定：

试验压力：当工作压力小于等于1.0MPa时，应为工作压力的1.5倍，且不应小于0.6MPa；当工作压力大于1.0MPa时，应为工作压力加0.5MPa。水压试验步骤如下：

（1）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，稳压至少15mm，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象；将其密封后，在有压状态下插入钻孔，完成灌浆之后保压1h。水平地埋管换热器放入沟槽前，应做第一次水压试验。在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象。

（2）垂直或水平地埋管换热器与环路集管装配完成后，回填前应进行第二次水压试验。在试验压力下，稳压至少30min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象。

（3）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。在试验压力下，稳压至少2h，且无泄漏现象。

（4）地埋管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后，应进行第四次水压试验。在试验压力下，稳压至少12h，稳压后压力降不应大于3%。

（5）水压试验宜采用手动泵缓慢升压，升压过程中应随时观察与检查，不得有渗漏；不得以气压试验代替水压试验。

4施工管理中应加以预控的主要问题

4.1场地要求

钻孔过程中将会产生大量的泥浆，如果场地强度、平整度达不到要求且没有可靠的泥浆收集、排放设施，将造成场地内覆盖泥浆层，这将会造成移机困难，钻机垂直度不易控制以及地源井定位困难等一系列问题。因此钻孔前的场地要求为标高应低于场地内道路50cm，且有可靠的泥浆收集、排放系统并保证足够的平整度、强度以保证钻孔工作顺利进行。

4.2钻孔深度

在实际钻孔施工中，由于地质构造复杂、其他不可抗力等因素，有可能造成钻孔深度并不能达到设计深度，进而影响整体的钻孔延米数，在一般工程项目中一般是靠增加其它井位数量或其它井位深度来保证总的延米数，但是这种方式并不是最科学的补救措施，因为改变了设计深度和埋管数量，即使达到了总的延米数，整体的埋管流速、换热量还是会与设计参数有所偏差，故我们在实际钻孔施工中遇见这种情况时，首先采取的是以科学的计算方式计算来确定应该增加的延米数与增加的孔位，可能补救后的总延米数大于设计总延米数，因此，我们只有采取科学、合理的计算以后才能确定补救的方式和措施。

4.3管井回填

虽然管井回填工作对整个地埋管系统的最终效果影响非常大，但从实践操作来看，此项工作实施不是特别规范。施工方有时为抢工期，不按要求制配回填料，且没有保证回填密实或采用原浆回填，这也使得管井回填工作形同虚设，回填效果差，从而影响到地埋管系统的工程质量以及进度，因此施工管理方要督促施工方严格按照方案要求实施管井回填工作。

4.4场地限制

由于受场地限制，在土方开挖过程中，不可能都开挖出来，然后再进行打压、回填，为了避免开挖面积过大，土方堆积过多，在施工过程中应采用多点作业，流水施工的方法。在土方开挖时，应不要集中开挖，在多点进行同时施工，开挖出来的土方集中堆放，管沟开挖完毕后，尽快完成水平管连接和压力试验，然后由专人进行回填，水平管连接人员继续下一个管沟的连接。

4.5管道敷设

由于水平管上不宜留没接头，因此水平管施工将给土建垫层施工进度带来重大影响，因此在安排土建施工时应充分考虑水平管施工的影响。水平管管槽施工时有时也不规范，主要表现在开槽深度、坡度不能满足要求以致影响挚层厚度，同时铺底料、覆盖层常常也不能满足规范要求从而影响了水平管的保护治理，因此施工管理方应加强垫层施工前的隐蔽验收。

4.6成品保护

由于土方开挖时挖土机械可能扯拉到U型管而造成U型管损坏，地下室垫层施工、保温板施工、砼支撑破除、地下室外侧回填等都可能对U型管造成损坏，因此施工过程中应制定可靠的保护措施以保证U型管的成品保护。而且直埋的室外管线也应严格做好防腐、保温等专项保护工作，以确保U型管成品质量。

5结论

地源热泵利用可再生能源，是高效节能环保的空调系统。经过近几年的研究与应用，地源热泵系统在我国已经取得了好的开头，尽管还存在着这样或那样的问题，但总的发展趋势是良好的。在地源热泵施工过程中，需要注意钻孔、下管、回填、管道连接与敷设等施工问题。文章以某工程为例，结合现场地埋管系统的实际施工经验，对地埋管系统的施工方法、技术要点和技术措施进行了总结，着重阐述了地埋管系统施工的质量控制要点并对施工不当引起的质量问题作了进一步阐述，同时文中指出了相应的解决办法，以便使地源热泵系统真正实现高效节能环保的目标。由于项目存在特征差异，因此不能一概而论，但地源热泵作为一个新技术，施工管理方应结合工程实际，并按照规范设置质量控制点，以保证最终使用效果最大化。

参考文献：

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［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ/T87－2012建筑工程地质钻探技术标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

［3］中华人民共和国建设部.CJJ101－2016埋地聚乙烯给水管道工程技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

［4］黄真.地源热泵系统集成中的关键环节[J].城市建设理论研究：电子版，2014（36）.

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