地埋管地源熱泵系統(tǒng)常見問題及解決措施
目前,地埋管地源熱泵系統(tǒng)的工程應(yīng)用中存在的問題是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、設(shè)計(jì)方法、施工質(zhì)量控制與檢測(cè)等方面存在一些問題。以下就對(duì)這三方面的問題及對(duì)應(yīng)解決措施進(jìn)行分析。
一、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
1、存在問題
地埋管地源熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試存在的問題主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：
（1）如果按照每延米換熱量進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，測(cè)試過程應(yīng)該模擬土壤源熱泵系統(tǒng)的哪一種工況，單獨(dú)模擬一種工況是否具有足夠的代表性；
（2）如果按照每延米換熱量進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，測(cè)試孔的孔數(shù)應(yīng)該如何確定；
（3）在某一特定工況下測(cè)試所得的每延米換熱量的數(shù)據(jù)是否需要做相應(yīng)的修正以用來作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)，如果需要修正又該如何修正；
（4）實(shí)測(cè)過程測(cè)試儀器的制熱及制冷功率、地埋管換熱器內(nèi)的水流速度該如何確定。
2、解決措施
在某一特定工況及氣候條件下測(cè)試得出的每延米換熱量的值，若沒有科學(xué)合理的方法被修正為設(shè)計(jì)值，也就沒有達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為力求設(shè)計(jì)精確性的本來目的，這樣的測(cè)試是沒有必要的。通過分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出的應(yīng)是某一相對(duì)固定的設(shè)計(jì)參數(shù)，這一參數(shù)應(yīng)不受外界環(huán)境因素及系統(tǒng)運(yùn)行工況的影響或影響較小，否則即使某一參數(shù)是通過分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算所得也必須經(jīng)過修正。
實(shí)測(cè)得到的每延米換熱量不能夠直接用于換熱器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而應(yīng)首先做科學(xué)合理的修正，因此，獲取的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)被用于計(jì)算不受外界環(huán)境因素及系統(tǒng)運(yùn)行工況影響或影響較小的參數(shù)，這也就是巖土的熱物理參數(shù)，包括巖土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容以及巖土的密度等。
自2009年6月1日起實(shí)行的《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50336－2005）局部修訂的條文（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范），重點(diǎn)增加了巖土熱響應(yīng)的具體試驗(yàn)方法及相關(guān)內(nèi)容的規(guī)定，并在此基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)條文進(jìn)行了修訂，以正確指導(dǎo)地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，如：當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)的應(yīng)用建筑面積在3000～5000㎡時(shí)，宜進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)；當(dāng)應(yīng)用面積大于或等于5000㎡時(shí)，就進(jìn)行巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)等等。此次修訂使規(guī)范的內(nèi)容更加完善合理，對(duì)地源熱泵空調(diào)技術(shù)在我國(guó)的健康發(fā)展起到很好的指導(dǎo)和規(guī)范作用。
二、設(shè)計(jì)方法
1、存在問題
當(dāng)前土壤源熱泵系統(tǒng)的地埋管換熱器的設(shè)計(jì)主要有兩種方法，即“動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬設(shè)計(jì)法”及“每延米換熱量法”。其中動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬設(shè)計(jì)法能夠較為全面的還原土壤源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的工況，是一種比較精確的設(shè)計(jì)方法；每延米換熱量法存在著較多問題，這些問題主要集中在每延米換熱量的確定方法上，與前述測(cè)試方法上存在的問題有所重復(fù)，該方法僅適用于方案設(shè)計(jì)階段，施工圖設(shè)計(jì)階段應(yīng)采用前一種方法。
造成每延米換熱量法存在較多問題的原因主要是這種設(shè)計(jì)方法忽略了土壤源熱泵系統(tǒng)的一個(gè)重要特性，即土壤源熱泵系統(tǒng)的耦合性，表現(xiàn)在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中淺層土壤的溫度場(chǎng)分布受室外氣候因素的影響很大，地埋管部分的進(jìn)出水溫度與建筑負(fù)荷之間聯(lián)系密切，也即地埋管部分的實(shí)際換熱量與建筑負(fù)荷的變化直接相關(guān)。
決定地埋管換熱器實(shí)際換熱量的因素是多方面的，除了工程所在地巖土熱物理性質(zhì)、換熱器內(nèi)水流速度（系統(tǒng)運(yùn)行過程中往往控制換熱器內(nèi)水流速度為經(jīng)濟(jì)流速，即達(dá)到紊流狀態(tài)時(shí)的最小流速）等相對(duì)固定的因素，還包括室外氣象參數(shù)、建筑物負(fù)荷等隨時(shí)間不斷變化且變化幅度也較大的因素。因此，設(shè)計(jì)用每延米換熱量的值若是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)則不可能具有說服力，若是工程所在地實(shí)地測(cè)試，則得到的只能是特定運(yùn)行工況及特定氣候條件下的某一特定數(shù)值，當(dāng)前尚沒有科學(xué)合理的修正計(jì)算方法將每延米換熱量的測(cè)試值修正為設(shè)計(jì)值。每延米換熱量設(shè)計(jì)法，由于其設(shè)計(jì)思想所存在的先天缺陷，使得依照此法設(shè)計(jì)的地埋管換熱器系統(tǒng)為使系統(tǒng)安全運(yùn)行則不得不過度增加保險(xiǎn)系數(shù)。
2、解決措施
與每延米換熱量法不同，動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬設(shè)計(jì)法完全體現(xiàn)了土壤源熱泵耦合性的特性，影響地埋管換熱器換熱量的巖土熱物理參數(shù)是實(shí)地測(cè)試得出的，且熱物理參數(shù)在巖土組成成分一定的前提下是相對(duì)固定的，在模擬設(shè)計(jì)軟件中建立的系統(tǒng)模型考慮了建筑負(fù)荷及室外氣候條件對(duì)地埋管換熱器的影響。動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬設(shè)計(jì)法更全面地考慮了地埋管換熱器系統(tǒng)的影響因素，工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隨時(shí)間及測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行工況的變化相對(duì)固定的土壤熱物理參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)更加科學(xué)合理。
在沒有科學(xué)合理的修正計(jì)算方法將每延米換熱量的測(cè)試值修正為設(shè)計(jì)值之前，動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬設(shè)計(jì)法是解決每延米換熱量設(shè)計(jì)法存在問題的惟一途徑。
三、施工質(zhì)量控制與檢測(cè)
1、存在問題
地埋管換熱器系統(tǒng)的施工質(zhì)量對(duì)其換熱效果具有巨大影響，規(guī)范中在施工質(zhì)量控制方面缺少一些明確的強(qiáng)制性規(guī)定，從而使施工質(zhì)量不易被嚴(yán)格把關(guān)。比較關(guān)鍵的兩個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)包括：U形管地埋管換熱器成孔孔徑的最小值未做強(qiáng)制規(guī)定，回填方式使用機(jī)械回填或是原漿自然回填未做嚴(yán)格規(guī)定。
實(shí)際工程中，有的施工方為節(jié)省回填材料的使用及加快成孔的速度，成孔孔徑盡可能的小，如單U埋管成孔孔徑僅為110mm甚至更小，這種做法會(huì)極大地增加回填難度，若使用機(jī)械回填則泥漿泵導(dǎo)入管將很難深入孔內(nèi)，若使用原漿自然回填則由于孔徑過小回填不易密實(shí)，往往需要反復(fù)回填，即便如此仍無(wú)法保證回填的效果。
規(guī)范中規(guī)定U型管換熱器宜采用機(jī)械回填的方式，但實(shí)際工程中采用這種方式的極少，若采用機(jī)械回填必將增加地源熱泵系統(tǒng)的工程造價(jià)，并且已經(jīng)運(yùn)行的未采用機(jī)械回填的系統(tǒng)，并未出現(xiàn)系統(tǒng)制熱或制冷出現(xiàn)嚴(yán)重問題的情況，因此絕大多數(shù)實(shí)際工程使用的都是原漿自然回填，但這種方式存在質(zhì)量隱患也是事實(shí)。
無(wú)論是原漿自然回填還是機(jī)械回填，施工質(zhì)量的檢測(cè)也即回填密實(shí)性的檢測(cè)都是必須的，但目前還沒有檢測(cè)回填密實(shí)性的方法，因此對(duì)這個(gè)施工技術(shù)環(huán)節(jié)的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量驗(yàn)收目前還無(wú)法操作。
2、解決措施
應(yīng)明確U形管換熱器成孔孔徑的最小值；對(duì)原漿自然回填的效果進(jìn)行評(píng)估，若評(píng)估認(rèn)為自然回填的質(zhì)量隱患很大，會(huì)對(duì)地埋管換熱器的換熱量產(chǎn)生巨大不利影響，則應(yīng)禁止使用原漿自然回填且必須采用機(jī)械回填；應(yīng)盡快建立一套檢測(cè)回填密實(shí)性的測(cè)試方法，并且建立根據(jù)回填密實(shí)程度評(píng)定地埋管換熱器施工質(zhì)量的評(píng)定體系。
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