地源热泵在木结构中的应用

摘 要：浙江德清某度假村项目，建筑规划用地面积为约500000m2 ，以样板区为例，共23套别墅，依山傍水，建 筑面积约5400m2 ，每幢别墅的结构形式为木结构。通过对比，最终选用了地源热泵中央空调系统,其具有高效节能、一 机多用功能、环境效益显著、污染小、寿命长、经济性良好等优势。

1. 项目概况

1.1 项目内容

度假村位于德清县莫干山景区内，包含别墅、会 所、儿童乐园等。样板区含别墅和公寓楼，均为木结构建筑，经过处理的木结构具有防火，防潮，环保，抗震等特点。因木结构间隙有防腐、防潮材料，其隔热、保温 效果比砖混结构建筑更好，建筑能耗更低。

样板区总建筑面积约为5,400㎡，包括80㎡的公寓及一房别墅、230㎡的二房别墅，374㎡的四房别墅。每户别墅为一个独立系统，可提供夏季制冷、冬季供暖，生活热水；每幢公寓楼可作为一个独立系统，满足空调及热水的需要。

1.2 项目地质概况

度假村所在地区地质情况以凝灰岩为主，具体地 层结构详见岩土体热物性测试的钻孔柱状图。拟建场 地上部主要为残坡积含碎石粉质粘土层，酒店主楼位 置中部为冲洪积砂卵石层，下伏基岩为上侏罗统黄尖组 （J3h）凝灰岩。场地地层分布如下：

①耕土：灰褐色，稍湿，软塑，层厚0.3～0.5m；

② 含 碎 石 粉 质 粘 土 ：灰 黄 色 ，可 塑 ，层 厚 2.0～3.0m；

③ 碎 石 混 粘 土 ：灰 褐 色 ，稍 密 ～中 密 。层 厚 3.0～8.0m；

④凝灰岩：紫灰色，强风化层厚度3.0～5.0m。

⑤5m以下为凝灰岩。

⑥水库位于项目场地内，集雨面积0.3平方公里。 根据整个项目的效果图，水库水将来作为景观的一部 分。2008年以后已不作为灌溉和饮用，水库水以天然降水为主要补给水源。据搜集了解的相关资料显示，局部水深10m左右。水深以及水温随季节的变化规律需待 热物性测试 告完成。

2. 设计概况

2.1 室内外设计计算参数（杭州）详见表(1)(2)

2.2 空调冷热负荷

建筑采用了木结构的形式，木结构具有密度小，导 热系数大的特点，在木墙体中又添加了隔热防潮棉，大 大提高了建筑的蓄热能力。空调末端详见表(3)-(6)：

2.3 空调系统方案

中央空调水系统设置很灵活，可以考虑项目整体要 求进行调整。根据项目特点，为了便于日后物业管理，并 且满足独立计费要求，每户公寓和别墅建议做独立的中 央空调系统。

公寓：采用集中式系统，根据每幢公寓的冷热负荷 选取可制冷、供暖、供生活热水的三位一体式主机。夏 季制冷的同时可免费回收压缩机的排气热，免费提供 生活热水；冬季即可以为房间供暖，又可以提供生活热 水，一机多用。室内末端采用风机盘管，与装修风格结 合，美观、大方、便于安装及日后维保。主机与风机盘管 通过水管连接，9户的一幢公寓需要15~17㎡的主机房。

主机安装于公寓的设备间，同时按照住宅区域设置 水泵房或热交换站，运行费用可通过热计量表进行测 量，从而分摊电费。

别墅：建议采用集中式系统，根据每幢别墅的冷 热负荷选择主机，建议采用可制冷、供暖、供生活热水的三位一体式主机，其功能也较为齐全，机组不仅能满 足夏季制冷，冬季供热需要，还可以利用热回收解决夏季热水供应问题，充分发挥一机多用的功能。因别墅为 木质吊脚楼结构，末端建议采用风机盘管的形式，主机 与风机盘管通过水管连接。

每幢别墅需要一个5~7㎡的主机房，主机、地源侧 水泵、水箱等设备置于此机房内。独栋别墅为独立系 统，可独立计费，便于日后管理。

2.4 空调水系统

公寓及联排别墅空调水系统采用两管制，地源水 侧设置变频泵系统；独栋别墅及接待餐厅空调水系统 采用两管制一次泵系统。用平衡阀调节各支管水力平 衡。水系统末端管路的空调器回水管上设二通电动调 节阀，风机盘管回水管上设二通电磁阀。系统设置定压 补水装置。空调冷热水管采用镀锌钢管或无缝钢管， 保温材料采用B级的闭孔橡塑保温材料，供回水管当管径≤DN50，保温厚度32mm；供回水管当管径大于 DN50，保温厚度40mm；冷凝水管保温厚度13mm。

3. 冷热源的介绍

结合莫干山当地的实际情况，以践行节能环保，经 济高效的理念，可采用的冷热源有：太阳能、土壤热能、 地表水体热能、生物能及空气能。

通过了解与对比，我们认为满足冷热源要求的两 个充分必要条件是稳定性及持续性；太阳能、空气能受 气候影响较强，遇到阴天，室外温度较低，太阳能系统 和空气源热泵不能满足采暖及生活热水的需要，稳定 性较差；在项目所在地有一水库，但是此水库的水是死 水，没有流动性，所以若采用地表水源热泵的稳定性 也比较弱；另外，生物能需要配备沼气发生、供给及燃烧设备，不仅要提供一定的场地，还要有较大的经济投 入，所以，不建议采用；那么，地源热泵系统无论从稳定 性、持续性还是从可实施性、经济性的角度出发，都是 该项目中央空调系统的最佳选择。

图2

4.地源热泵的介绍

地埋管换热器是一个由高密度PE塑料管组成的闭 式环路。循环介质为水或加有防冻液的水溶液。系统夏 季运行时，将地源热泵机组冷凝器放出的热量散发给土壤。冬季运行时从土壤中吸收热量并将它传递给地源热 泵机组的蒸发器（见图2）。由于在地表两米以下的土壤 基本上不受大气环境温度的影响，而常年保持恒定温 度。冬季温度远高于冬季大气环境，夏季温度又远低于 夏季大气环境。因此地源热泵能够克服空气源热泵的 技术障碍。空调效果不受大气环境温度的影响，运行稳 定可靠，并且效率大大提高，更重要的是不会对周围环 境产生热与噪声等污染，是国家鼓励使用的一种空调形 式。

4.1 地下换热管的设计及施工介绍

(1） 地下换热管的设计

该度假村的中央空调系统采用节能环保的地源热 泵中央空调系统。根据项目所在地的地质勘测和建筑的 平面布置情况，其冷热源采用安装灵活、易于控制的埋 管式土壤源热泵系统，也称土壤耦合式热泵系统。该系 统是以水作为冷热量载体，水在埋于土壤中的换热管道 内与热泵机组间循环流动，实现机组与大地土壤之间的 热量交换。冬季循环水通过埋在土壤中的高密度聚乙烯 管环路，从土壤中吸收热量，使循环水温度升高，供给 地源热泵机组。夏季循环水通过地埋管将热量排放到 土壤中，使循环水温度降低供给地源热泵机组。通过地 源热泵机组给室内供冷、供热。

可以由下述公式计算：

（2）确定竖井总长度

根据浙江地区地质的经验数据，双U，100米深地 埋管夏季的换热量为32.5W/m（延米），地埋管换热量 为65W/m（井深）。

(3）确定竖井数目及间距

根据以往工程经验，我们建议单孔深度设计为 100m，因此该项目所需的埋管孔数计算如表（7）：

根据上表计算可得，样板区至少需要双U，100米 深的地埋管128个，双U埋管的孔间距为5m，埋管面积 约需要3,200㎡现考虑到系统的水力平衡等因素，地下 埋管环路设计采用同程式。

4.2 地下换热管的施工

地源热泵立埋管的施工包括土壤钻孔、埋管、灌浆、管道连接、试压、清洗剂等内容。具体施工工艺如 下：

(1）钻孔准备

1．了解并确定土壤地质条件。

2．确定地下综合管线分布及设置情况，并做好明 显的标识记号。

3．平整土地，根据地埋管施工图，用白灰标示具体 钻孔位置及总管坑槽位置。

4．确认钻孔支架打设位置。

5．确认钻孔机械电源容量及供给情况。

6．提供水源至钻孔现场。

（2）工程钻孔

1．根据工程实际情况，随时填写记录表并及时分 析土壤实际状况。无特殊情况，每孔必须填写四次深度 记录表。

2．钻孔直径130-180mm。

3．确保钻孔深度。钻孔深度以设计为准，并做好记 录。

4．施工时，可根据工程需要和土壤情况，钻孔深度 可适当增加，并做好记录便于埋设相应的管道。

5．钻孔完毕后，应及时埋设管道并灌浆。

（3）地埋立管施工

1．管材采用HDPE高密度聚乙烯材料（SDR11）， 所有的聚

2．乙烯管都要用专用的热熔设备进行热熔连接。 必须根据生产厂家的说明进行施工。

3．管道拉直。

4．下料，根据钻孔深度确定立埋管深度，采用单U 型埋管，每孔两根管。

5．单U管制作，采用热熔工具焊接单U管。

6．单U管 水压试 压，试 验 压力不小于10 K g f / cm2 。

7．管道检漏，具体参照《地源热泵系统工程技术规 范》中4.5.2条实行。

8．检漏合格后剪掉气头，并在管口做好临时封闭， 且保护接口不受破坏。

9．填写试压验收记录。

10．把捡漏后的U型管子逐渐放入钻好的孔内，放 入时，严禁突然放手，否则管子浮起后难以再放入。

11．放好埋管、灌浆前，应固定埋管，并在孔和管子 之间的缝隙放入一些细黄沙并用石块等固定管口。

12．严格作好到管口临时封闭。记录埋管前端编号 及尾端编号，确保立管深度与孔深相当。

（4）灌浆

1．钻孔结束，放好立埋管后，即开始灌浆。

2．灌浆应采用专用设备（灌浆泵），通过绑扎好的 灌浆管进行。

3．确保根据灌浆速度，同时提升上拔灌浆管。

4．在浆液涌出地面后停止灌浆，并拔出灌浆管，用 石块等固定管口。

5．浆液膨胀凝固需 2 4小时，此前严禁进入下一步 施工。

（5）地埋横管施工

1．根据图纸及现场要求备料。管道连接同样需用 原厂提供专用热熔器对管路进行熔接焊接。

2．立埋管施工完成后，根据设计开挖横埋管沟槽， 深度不宜小于1.5米（具体按设计要求）。沟槽与立管交 叉处应特别注意立管保护不受破坏。管沟内填充至少200mm厚度的细黄沙，且确保周围200mm范围内无石 头及金属硬物。

3．管道连接前应确保管道内壁及接口清洁。

4．待所有接口都熔接好后，整个地埋管系统要充 水试压检漏，试验压力与立埋管试验压力一致。稳压至 少2小时应无明显压力变化，切无泄露。

5．系统检漏合格后，系统排气、注水。注水时，从 回路的一端注水，另一端排气。切忌两端同时注水。

6．横埋管出地面的管道应保温，且做防水保护外 壳。穿墙应按规范设置穿墙套管。

7．地埋管换热系统安装完毕后，且冲洗、排气及回 填完成后，应再进行水压试验，试验压力与上面一致。

（6）回填

1．系统试压合格，确认无漏后，才可以回填土壤。

2．回填土首层应为至少200mm厚度的细黄沙，且 确保其中无石头及其它硬物；200mm以外用一般土回 填

3．横埋管在地表下的深度至少为1.5米，回填后在 相对标高-0.2米处设置对应的横管及立管标识。

（7）系统清洗

系统清洗在水系统设备和管道全部连接完毕后进 行。

清洗步骤：

1、将回水集管上的检修口软管接到建筑物供水管 上；

2、将供水集管上的检修口软管放入一空桶，打开 检修阀门；

3、关闭所有回水干管上的关闭阀；

4、打开所有供水干管上的关闭阀；

5、打开建筑物供水干管阀门，同时打开第一个回 水干管上的关闭阀；

6、当水开始流出进入桶中时，关闭第一个供水干管 上的关闭阀，打开第二个回水干管上的关闭阀；

7、继续重复以上步骤，每次一个干管，直至打开所 有回水干管的关闭阀，关闭所有给水干管的关闭阀；

8、关闭建筑物给水。

5、总结

随着人们越来越注重高品质体验式消费，文旅地 产走向快速发展之路，木结构越来越多的应用到建筑 当中，结合地源热泵中央空调系统，整个建筑能耗降 低，居住体验感提高，相信这样“强强联合”的方式，会 更多的被应用到未来建筑中。

参考文献：

[1]《实用供暖空调设计手册》 陆耀庆 主编

[2]《现代住宅暖通空调设计》 李向东 主编

[3]《见面空调设计手册》 赵荣义 主编

[4]《水源/地源热泵空调系统工程设计与应用手 册》 吴展豪 主编

[5]《美国水源地源热回收系统工程应用手册》 吴展豪 主编