地埋管换热器施工工艺及质量监控要点探讨

摘要：地埋管换热器的施工工艺和施工质量是地埋管地源热泵系统能否安全可靠运行的关键。本文介绍了地埋管换热器的主要施工工艺，并阐述了地埋管换热器施工前的准备、竖直和水平埋管施工、水压试验、管道冲洗及系统校验调试等环节的质量监控要点。 序言 地源热泵系统因具有经济节能、安全高效的特点，在实际工程中不断得到推广应用［1］。地源热泵系统可分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。其中地埋管地源热泵系统，因其不受水源条件的制约，是应用较多的一种地源热泵形式。 在地埋管地源热泵系统中，地埋管换热器与土壤进行热交换，利用地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环，这也是整个地埋管地源热泵系统的核心部分，并且均为隐蔽工程。因此，合理的地埋管换热器的安装和施工工艺，可靠的工程质量直接关系到整个系统能否经济合理的运行。地埋管的设置形式主要有水平埋管和竖直埋管。竖直埋管比水平埋管节省工程占地，在我国大部分工程采用了竖直埋管形式。本文根据工程实践，总结和探讨了地埋管换热器的施工工艺及质量监控要点。 1·施工准备 在地埋管施工前，要详细了解工程岩土勘察测试、土壤热物性能测试和施工图。根据现场地质特点，制定完善的施工方案和施工组织设计，选择合适的施工设备。首先进行施工场地地面清理，铲除杂物并进行场地平整，为钻机和地埋管的连接、材料的堆放及人员的操作场所留出足够的空间。由于管道连接、灌浆回填及水压试验和冲洗等工序不宜在环境温度低于0℃时进行，寒冷地区应尽量避开冬季施工。 本阶段应对地下管线、市政设施和构筑物要准确标出指示标记以防施工时损毁。 2·管材准备、连接及保护 地埋管管材质量应符合国家规范规定的各项指标，管材工程压力不得小于1.0MPa，工作温度在－20℃～50℃范围内。并有质量检验部门的产品合格证及认证证书，管材和管件上要标明规格、工程压力、生产厂家及商标。包装上应有批号数量、生产日期和检验代号。地埋管材料应按设计要求长度成捆供应，中间不得有机械接口及金属接头。管件和管材的内外壁应平整、光滑，无气泡、裂口、裂纹、脱皮和明显痕纹、凹陷。管件和管材颜色一致，色泽均匀。 聚乙烯(PE)为地埋管的首选。聚乙烯(PE)应采用热熔或电熔连接，连接的技术要求要符合《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》(CJJ101－2004)和供货厂家的具体技术要求。 管材装卸运输和搬运时不能受到剧烈碰撞和尖锐物体的冲击，避免抛、摔、滚、拖；避免接触油污；避免阳光直射而发生热变形；在储存和施工过程中要严防泥土和杂物进入管内。 本阶段应重点做好以下监控工作：U形弯头应采用定型产品，不应采用直管道煨制弯头，也不能采用两个90°弯管对接；操作人员应经过专门培训、考试和技术评定合格后方可上岗实施管道连接工作；管道连接应严格按热或电熔的技术要求进行，连接紧密、不渗漏，尤其注意U型弯头处的连接。 3·竖直地埋管施工 竖直地埋管施工包括竖直钻孔、竖直下管和灌浆回填三道工序，各工序工艺要求和质量监控要点如下： (1)竖直钻孔 应根据土壤不同的结构层，选用合适的钻机和钻头，并结合设计图纸和安装成本确定井孔深度和井数，采用合理的施工工艺进行施工。钻孔尽可能垂直，孔壁整齐，下管通畅。 施工过程中应严格按施工图要求放线定位，钻孔定位误差±100mm，以钻孔点定位塔架底盘，并采用水平尺对底盘横向、纵向找平，钻机塔架底盘水平度≤0.5mm/m；底盘定位后，安装塔架竖杆，保证塔架竖杆垂直。竖杆水平与垂直度无误后方可开机施钻。 施钻速度5m/h为宜，最高不应超过10m/h。钻孔过程中，密切观察钻机等设备运行状况，出现异常及时处理，钻孔缓慢或根本不进尺时应立即停钻，提升钻杆，查明原因。随时察看泥浆成份，根据泥浆浓、稠密度，适时加水调节。施钻过程中应经常对钻机等设备进行巡回检查，做好钻机维护保养工作。严禁违规操作，如强拉、硬提、撞击钻机。钻孔完成后，要对竖直孔反复进行通孔，尤其注意粘泥层的通孔。 本阶段监控工作重点是钻孔垂直度不得大于1%的孔深；钻孔深度应超过设计深度0.2～1.0m(但不应大于2m)，确保埋管深度达到设计要求。 (2)竖直下管 裸孔搁置时间不宜过长，否则有可能出现管孔局部堵塞，导致下管困难［2］，孔壁固化后应立即进行竖直地埋管安装。当钻孔孔壁不牢固或存在孔洞洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管［3］。下管过程中，管内应充满水，以增加自重，减小下管过程中的浮力［2］。下管前需检查管道是否有划、碰、压伤等现象，并作压力试验，查看是否有渗漏点；每隔2～4m在U型管各支管间设一专用弹簧卡(或固定支卡)，将各支管分开，避免各支管间热量回流［4］；在距U型导头1m处采用胶带、木板、钢筋(10mm)、铁丝将地埋管和灌浆管捆绑结实，保护U型头和地埋管，避免其在下管过程中受到损伤。下管时操作人员必须牢固控制换热管，以均匀的速度下管，防止顺下过快导致脱杆。遇有障碍或粘泥缩径下不到底时，应查明原因，作好记录，作适当处理后续下(若不能续下，应增补新井补足下管的米数)。灌浆管和U形管一起插入孔中，直至孔底。 竖直地埋管下到底后不得立即提杆，将U形管固定在钻架上，待沉淀一个小时以上后方可提杆，以防地埋管浮出或自然下沉。地面上要保留1～2m左右的换热管并将换热管固定，防止滑入井内。 本阶段监控工作重点是地埋管应下置到设计位置，下管深度误差为±0.5m；严禁人工强砸、硬捣下管对U型导头和管子的伤害。 (3)灌浆回填 下管并试压后，应立即用灌浆材料回填封口。灌浆可以加强土壤和换热器之间的热交换，防止地面污染物下渗及不同含水层之间的地下水越流。钻孔应使用泥浆泵通过导管进行灌浆，泥浆泵的压力应满足灌浆回填的要求。 回填材料应根据现场地质条件和地埋管换热器的预期运行温度选用。回填材料的热导率应不小于埋管处的岩土层热导率。一般可选用膨润土和细砂(或水泥)的混合浆或专用回填材料。当地埋管设在坚硬或密实的岩土体中时，宜采用水泥基料灌浆回填。如钻孔取出的原浆体积变化不大，也可采用部分或全部原浆进行回灌。 灌浆回填时根据灌浆的速度将灌浆管逐渐抽出，逐步排除空气，使回填材料自下而上灌注封孔［2］。在灌浆回填过程中管道须进行保压，如压力出现异常，应停止灌注，查明原因并进行处理后方可继续回填［2］。第一次回填完毕后应多次检查，若未填实，进行人工补浆。 灌浆回填结束后，钻机移机时，应防止倒架、划伤地埋管事故发生；钻机移位后应做好成品保护工作，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。 本阶段监控工作重点是确保钻孔灌浆密实、无空腔，避免因回填不实而影响热效率。 4·水平地埋管的施工 竖直地埋管安装完毕后，应进行水平地埋管的安装。水平地埋管安装的基本步骤是：定位放线、沟槽开挖、沟槽支撑、管道垫层、管道施工、沟槽检验与回填、同时进行检查井的砌筑。水平地埋管的施工要求和验收应符合《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB50268－97)的有关规定。检查井的砌筑可参见国家或地区相关标准图集。 管道沟挖掘完毕，应夯实沟底并铺100mm厚度的细砂；水管坡度应以2‰～3‰的坡度由低向高坡向集分水器，严禁倒坡，折断和扭结，避免存气；水管在水平方向蛇形铺设，留有一定胀缩的空间，避免管道因热胀冷缩影响管道寿命。转弯处应光滑且必须采取固定措施。 水平管回填前应完成水压试验并在确定无漏点时持压回填。回填料应细小、松散、均匀，不允许含有尖利的石块及其他碎石。回填压实过程应均匀，回填料应与管道接触紧密，并且不得损伤管道。分层管道回填时，应重点做好管道层上方150mm范围内的回填。 本阶段监控工作重点是管道在水平方向采用蛇形铺设；回填料应采用网孔不大于15mm×15mm的筛子进行过筛，避免填料对管道的损伤。 5·地埋管的水压试验与冲洗 为验证施工完成后的管道系统密闭程度，要分阶段进行地埋管的水压试验。聚乙烯(PE)与金属管道不同，金属管线的水压试验期间，除有漏失外，其压力应保持恒定；而聚乙烯(PE)管即使密封严密，由于管材的徐变特性和对温度的敏感性，也会导致试验压力随时间的延续而降低。地埋管的水压试验一般分四次完成，具体要求见表1。

试验压力可以按以下方式选用：当工作压力小于等于1.0MPa时，试验压力应为工作压力的1.5倍，最小不应小于0.6MPa；当工作压力大于1.0MPa时，试验压力应为工作压力加0.5MPa［3］。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［3］。竖直地埋管换热器试压后，密封，在有压状态下插入钻孔，完成灌浆之后应保压1h。管道试压合格前后均应对整条管道进行冲洗。冲洗水应清洁，浊度应小于5NTU，冲洗流速应大于1.0m/s，直到排放水与进水的浊度一致为止。本阶段监控要点是试验方法、压力和时间要满足要求，要仔细观察漏点，及时完成管道封口，并如实做好试验记录。 6·地埋管换热系统的检验和调试 地埋管换热系统安装过程中，应由专业检测机构来现场进行试验鉴定，提供检验报告。检验和调试内容应符合《地源热泵系统工程技术规范》(GB－50366－2009)的要求。 本阶段监控要点是调试完成后，应编写调试报告及运行操作规程，提交甲方确认并存档；各项施工记录、试验报告、隐蔽记录及竣工图均应符合实际和设计要求，尤其是地下管网的竣工图纸必须保存好，以备日后查询。