传统空调系统采用空气源热泵机组，能耗高、破坏大气环境；水源热泵机组受地域条件限制，为保护地下水资源，多数城市限制打井采用地下水换热。寻求绿色环保、低能耗的换热形式已成为空调的发展方向。

安阳建工（集团）有限责任公司组织工程技术人员对地源热泵换热技术进行了施工应用研究。2008年在安阳市信访接待中心空调工程中，采用U形垂直埋管换热系统，解决了垂直埋管和回填换热孔以及换热管联络等技术难题，2009年在安阳市农畜产品检验农技推广中心工程应用当中，形成了系统、详实、完整的节能减排施工技术，并编制了《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》，实现了、低功耗的闭式循环换热系统。^[1]

《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》的工法特点是：

垂直埋入地表浅层的U形管作为土壤换热器，地源热泵空调的换热汇条件得到明显改善，空调机组每消耗1千瓦电能，可产生4~5千瓦供暖、制冷量。冬季在制热运行时，地下土壤温度比环境温度高，使水源热泵的蒸发温度，比风冷热泵的蒸发温度提高，且没有化霜操作，所以能效比提高很多；夏季制冷时由于地下温度比环境气温低，冷凝压力降低，压缩机输入功率减小使制冷性能比风冷机组有较大提高。测试数据表明，采用垂直埋管换热技术的地源热泵空调系统制冷、供暖效率提高，节能40%以上。风冷热泵效率与地源热泵相比差距大。的风冷空调能耗比只有2.8，而地源热泵夏季空调时的能耗比也在4.0以上。地源热泵垂直埋管换热系统，充分利用地表浅层土壤源冷热能，保护了大气环境和地下水资源的稳定。以节能环保、稳定高效、维护、运行费用低等优点成为一种值得推广与发展的可再生能源利用技术。^[1]

《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》适用于严寒、寒冷和夏热冬冷地区，工业与民用建筑中空调工程的换热系统。该工法换热介质属于闭式循环，不受地下水位的限制，充分保护了地下水资源的稳定，是国家鼓励应用的节能、环保的空调换热技术。^[1]

《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》的工艺原理叙述如下：

垂直埋管换热系统是地源热泵系统的核心和关键。室外垂直埋管换热系统是先钻换热孔，然后在换热孔内安装PE100高密度聚乙烯U形垂直换热管；再敷设水平管道，分区域将U形垂直换热管连接到地下式集管检查井，最后敷设水平干管，连接各集管检查井内的双排分水器到空调机房。通过水泵加压，使管内的液体不断循环，实现地表浅层土壤源与换热液、换热液与机组、机组与房间内空气之间的热交换。达到制冷、供暖，环保、节能的目的，工艺原理详见下图。^[1]

《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》的施工工艺流程详见下图。^[1]

《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》的操作要点如下：

一、垂直埋管换热孔定位放线

1.根据垂直换热孔的工作特性，要求垂直埋管换热孔位置应远离水井及室外排水设施；垂直埋管换热孔距水井≥3.0米，距室外排水设施≥2.0米，距室外地下管线≥1.0米。

2.在布置换热孔的区域内采用经纬仪测定平面控制点（经纬仪检定合格），要求平面控制点允许偏差≤5毫米。依据平面控制点，采用经检定合格的钢尺测定纵、横向垂直埋管换热孔的位置，要求垂直埋管换热孔位置的允许偏差≤10毫米。测定的各换热孔位置应及时采用木桩定位标识，同时要求形成垂直埋管换热孔定位放线记录。

3.对完成定位放线后场地内的定位桩，应采取护桩措施，由专业技术负责人和专业质量检查员进行复核，并报专业监理工程师核准，方可进行下道工序。

二、钻机就位和配套泥浆池施工

1.钻机就位前，检查钻机的安全装置应齐全有效，检查电气线路应安全可靠；根据施工方案拟定的钻孔线路，以施工钻机之间不产生相互干扰，减少设备移位，就近利用泥浆池的原则；分片合理布置钻机的位置。

2.按照一个泥浆池就近满足周边钻机使用的原则组织施工。采用人工开挖，深度为1.5米，长度、宽度均为2米。挖好泥浆池后，为防止泥浆池渗水，破坏天然地基，影响天然地基的承载力，故在泥浆池内设两层塑料薄膜和一层土工布，防止泥浆渗漏。

三、进场管材、管件、器具检查验收与保管

1.进场管材、管件、器具及配套焊接设备包装完整，标识清晰，质量证明文件齐全。管材、管件等材料应符合国家标准《给水用聚乙烯（PE）管材》GB/T 13663-2000的规定。

2.施工现场应有存放进场材料、器具和设备的库房，材料、设备库房地面平整，通风、采光良好，并远离热源；存放PE管材的库房，不得同时存放可燃性气体和溶剂。

四、钻换热孔

钻孔设备就位后，核查钻孔位置、钻机垂直度、钻头直径。钻进过程中要保证泥浆循环，为促使钻孔护壁成孔，可在泥浆料中添加膨润土，添加比例为15~20千克/立方米。操作工要及时记录启、停钻的时间，钻进尺度，以及在钻进过程中出现的其他问题钻进到达要求深度后，查验钻孔深度和孔位：钻孔垂直度偏差≤1%，换热孔深度偏差+50毫米；在换热管安装工作没有准备好以前不能过早提起钻具，并且保证泥浆循环。

五、U形带连通垂直换热管加工制作

U形垂直换热管采用PE100 dn32高密度聚乙烯管材及管件，利用热熔连接技术，在临时车间进行连接；为防止U形管堵塞，每个U形管距端部850米处利用PE100正三通管件熔接连通管。埋地管道采用热熔承插连接或对接连接，聚乙烯管道连接应符合国家标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ 101-2004的有关规定；熔接完成后，进行清洗、水压试验；水压试验应符合《地源热泵系统工程技术规范》GB 50366-2005的有关规定。

六、U形垂直换热管安装及换热孔回填

1.U形垂直换热管安装前，先用自来水对管道进行冲洗，然后封堵U形管端口进行水压试验。水压试验应符合《地源热泵系统工程技术规范》GB 50366-2005的有关规定。水压试验合格后，保持承压状态。为垂直安装换热管做准备。

2.为保证换热管能尽可能贴近孔壁，在U形垂直换热管间安装管卡，管卡间距严格控制在3米以内，管卡安装要牢固。保证换热管之间的净距减少PE管之间的换热干扰。同时选用混凝土管靴，换热管安装过程中确保与地面垂直的地上管段不得小于1米。双U形垂直换热管，要保证4根管均匀平稳沉入换热孔。

3.换热管安装就位后，及时回填细砂，换热管与钻孔之间回填细砂直至换热孔底。填料时要求填料由四周缓慢填入，回填细砂的同时根据需要向孔内注水，确保换热孔内回填料密实。在土质坚硬地质条件下，可采用水泥基料回填，其中：水泥掺入量为25~50千克/立方米，在换热孔回填过程中，注意观察U形垂直换热管上的压力表数值是否有明显下降，确保管壁无划伤破损。回填工作完成后，U形垂直换热管在承压状态下，带压观测1小时以上，压力下降不超过0.02兆帕为合格。换热孔一次填满后过两三天就会自然下沉，发现下沉要及时再次填满，加适量的水灌注以促进下沉，确保填料密实，不再下沉。

4.地埋管换热器安装完成后，应在埋管区域做出标识，同时标明管线的定位带，并应采用2个标识进行现场定位。

七、分区域开挖管沟和地下式集管检查井施工

1.管沟及检查井工作坑必须按照施工图设计文件，结合定位放线记录，分区域开挖，主管道管沟及检查井采用小型机械，配合人工开挖清理一次开挖到位，联络管支管管沟采用人工开挖。开挖过程中，必须采取可靠措施避免破坏地下管线和U形换热管。

2.地下式集管检查井采用砖混结构，下部设100厚C15混凝土垫层，井壁采用240厚MU10粉煤灰砖，砌筑砂浆为M10水泥砂浆。按照管道位置预留管孔，待管道安装就位后，再进行管根部细部处理。砌筑到设计标高后，预留现浇混凝土井盖的位置，进行检查井内外壁水泥砂浆抹灰，水泥砂浆为1:2.5。抹灰厚度为20毫米。地下式集管检查井做法详见下图。

八、水平联络管敷设和检查井内双排分水器安装

1.水平联络管运到施工现场，按事先编码顺序摆放。先在管沟内铺细砂150毫米厚，然后敷设水平联络管道进行连接，管道的连接方式按管径大小分为热熔承插连接和对接连接。称外径≤63毫米的管道可采用热熔承插连接；公称外径>63毫米的管道可采用热熔对接连接。管道敷设与连接时，首先分区域将各垂直换热管与联络管（分支水平管）连接，再将联络管敷设到集管检查井与双排分水器连接。施工时，PE100高密度聚乙烯管道敷设与连接以及分段回填土，应符合《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ 101-2004的有关规定。

2.地下式集管检查井内双排分水器，采用PE100高密度聚乙烯管材，委托PE管生产厂家定制，具体做法详见集管检查井平面图。各环路联络管与分区域地下双排分水器连接完成后，应分区域进行水压试验，水压试验应符合《地源热泵系统工程技术规范》GB 50366-2005的有关规定。

九、换热系统供、回水干管施工

1.根据施工图设计文件，结合定位放线记录，复核换热系统供回水干管的位置和标高，管沟内铺细砂，厚度150毫米；公称外径>63毫米的管道可采用热熔对接连接，聚乙烯（PE）管道连接质量应符合《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ 101-2004的有关规定。

2.分区域将各地下式集管检查井内的双排分水器，分别连接到换热系统供回水干管，供回水干管连接时，采用热熔连接设备加工对接。供回水干管穿越建筑物地下室外墙时，应按照设计要求，通过柔性防水套管进入地下室，再连接到循环水泵。

3.换热系统管道施工完毕后，应及时进行换热系统水压试验，水压试验应符合《地源热泵系统工程技术规范》GB 50366-2005的有关规定。

4.管沟回填：

（1）回填时应先填实管底，再同时回填管道两侧，然后回填至管顶0.5米处。沟内有积水时，必须全部排尽后，再行回填。

（2）管道两侧及管顶以上0.5米内的回填土，不得含有碎石、砖块、垃圾等杂物，不得用冻土回填，距离管顶0.5米以上的回填土内允许有少量直径不大于。1米的石块和冻土，数量不得超过填土总体积的15%。

（3）回填土应分层夯实，每层厚度应为0.2~0.3，管道两侧及管顶0.5米以内的回填土必须人工夯实，每层虚铺厚度应为0.25~0.3米。

（4）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，回填土土质及压实系数应符合《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》CJJ 101-2004的有关规定。要求管底应有0.1米以上、压实系数85%~90%的垫层；管道两侧每0.2米分层回填夯实，压实系数为95%；管顶0.3米以内压实系数不小于90%。

十、垂直埋管换热系统冲洗和系统试运行

1.垂直埋管换热系统全部施工完毕后，应按照《地源热泵系统工程技术规范》GB 50366-2005的规定进行水压试验。

2.冲洗水应清洁，浊度应小于5NTU，冲洗流速>1.0米/秒，直到冲洗水的排放水与进水的浊度相一致为止。

3.垂直埋管换热系统试运行前，应编制专项试运行方案。对于同程式换热系统，冲洗和试运行；应按照“由远到近”的原则，先开启系统末端的分水器阀门，使之循环后，再按照远近顺序逐次开启各分水器的阀门，直到整个换热系统循环正常。

十一、地源热泵空调系统调试及试运行

1.水源热泵机组试运转前应进行水系统及风系统平衡调试，确定系统循环总流量、各分支流量及各末端设备流量均达到设计要求。

2.空调系统水力平衡调试完成后，再进行水源热泵机组的试运转，并填写运转记录，运行数据应达到设计技术要求。

3.水源热泵机组试运转正常后，应进行连续24小时的系统试运转，并填写运转记录。

4.地源热泵系统调试应分冬、夏两季进行，且调试结果应达到设计要求。调试完成后应编写调试报告及运行操作规程，并提交甲方确认后存档。^[1]

《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》所用的材料及设备明细如下：

一、根据地源热泵系统的要求及工程实际经验，埋地换热器管材应符合以下规定：

1、埋地换热器管材采用高密度的PE管（PE100系列）应符合国家标准《给水用聚乙烯（PE）管材》GB/T 13663-2000的要求。

2、管道材料构成、管材抵抗环境应力的能力要满足埋设在地下的要求，地下埋管在使用条件下，寿命大于30年，宜按50年使用寿命选择。

3、管材宜按用户要求的管道长度，成捆供应，以减少埋管接头数量。

4、PE管材性能参数如下表。

二、施工器具、机械设备

1、工程施工用器具、机械设备按计划进场后，应核对器具、设备的型号、规格和数量；重点检查器具、设备的安全装置和电气性能。确保进场器具、设备安全装置齐全有效，电气性能良好。满足施工的需要。

2、施工用器具、机械设备详见下图。^[1]

《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》的质量控制要求如下：

一、地源热泵U形垂直埋管换热系统，所用高密度聚乙烯管材、管件采用PE100-SDR11系列，产品质量和运输、储存应符合《给水用聚乙烯（PE）管材》GB/T 13663-2000的规定。

二、高密度聚乙烯管道敷设与连接，应符合《埋地聚乙烯管道工程技术规程》CJJ 101-2004的规定。

三、地源热泵U形垂直埋管换热系统的施工、试验与检验应符合《地源热泵系统工程技术规范》GB 50366-2005的规定。

四、施工前，由建设单位组织监理单位和相关专业施工单位，认真核对室外各专业管线，给水排水设施包括已有管线和地下构筑物以及各专业管线进出建筑物的位置、标高。发现冲突和矛盾，应及时形成书面文件，由建设单位转设计单位，出具工程变更文件。

五、U形垂直换热管的加工制作，属于关键工序。为防止换热管堵塞，延长换热管的使用寿命，操作时，在U形管的端部增加了连通装置。由于U形换热管要深埋在换热孔内，不可更换；为保证质量，要求U形换热管制作时，在临时车间内进行，并保证室外环境温度≥-5摄氏度。

六、在U形换热管沉入换热孔之前，为保证换热管铅垂安装，可以在U形换热管端部绑扎混凝土管靴，绑扎成型的U形管端部外径≤120毫米，附加混凝土重量为4.0~5.0千克。U形换热管下入换热孔的过程中，确保地面以上换热管垂直长度≥1.0米。

七、U形垂直换热管沉入换热孔后，应及时回填。普通土壤条件，采用细砂回填；土质坚硬条件下，采用水泥基料进行回填。换热孔回填时，要严格控制填料的速度，填料沿换热孔四周均匀回填，并根据现场情况注水回填，避免填料在孔内搭桥。

八、根据分配到每个检查井的环路数量PE100高密度聚乙烯双排分水器规格委托生产厂家定制。双排分水器与水平联络管连接，水平管道之间连接；采用热熔承插连接或热熔对接连接，室外环境温度低于-5摄氏度时，应采取防护措施并调节热熔连接设备的参数，保证管道热熔连接的质量。^[1]

采用《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》施工时，除应执行国家、地方的各项安全施工的规定外，尚应遵守注意下列事项：

一、建立三级安全管理体系，项目经理为施工安全主要负责人，项目专业质检员、专职安全员必须持证上岗。开工前，对施工人员进行安全教育，学习安全生产法规，全面提高施工人员的安全意识，确保施工安全。

二、进入施工现场必须佩戴安全帽，管理人员还须佩戴胸卡，加强对钻机操作人员和特种机械操作人员的安全教育培训。

三、沟槽开挖前必须明确地下管线的现状和分布情况，避免损坏管线，造成事故。沟槽边设置围挡，高度≥1.10米，防止车辆、人员坠入。

四、每班派专职电工对现场用电进行安全检查，施工用电采用“TN-S”接零保护系统，并对所有用电设备进行接地保护，确保用电安全。

五、现场工棚、仓库内严禁堆放易燃易爆物品，并配备完好的消防器材，并对施工人员进行用电用火和施工作业安全教育。^[1]

《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》的环保措施如下：

一、施工前要编制环境保护实施计划。明确机构设置和责任分工，建立危险源和污染源清单，对各工序有预防措施和应急处置措施。

二、加强对现场施工人员环境保护意识的教育。施工现场，严禁焚烧塑料制品、保温材料和可燃溶剂。

三、施工现场专人回收施工机械、设备的废弃润滑油和其他包装材料，避免污染环境。

四、管沟开挖与回填工作，杜绝抛洒物料，大风天气，可采取洒水措施避免扬尘，保护施工现场的环境。

五、换热孔施工过程中，确保泥浆沟通畅，保证泥浆有组织回流到泥浆池，施工各环节水压试验和冲洗，在泄水时，必须有组织排放到排水设施内。^[1]

《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》的效益分析如下：

现以安阳市信访接待中心工程为例，换热系统基本情况：垂直埋管深度70米，系统形式四管制，换热系统换热孔67个；综合单价60元/米，年节省运行成本23.4万元，换热系统合理使用年限25年。

一、工法应用经济效益计算分析：

1.增加初投资计算：换热管总长：L=67个×70米×4=18760米；换热系统增加初投资：18760米×60元/米=112.6万元。

2.收回初投资年度计算：112.6万元÷23.4万元=4.81年。

3.增加经济效益计算：（25年-4.81年）×23.4万元=472.45万元。

二、社会效益分析：

年节电30万千瓦·小时，折合标准煤120吨/年；减少二氧化碳排放量299吨/年，减少二氧化硫排放量9吨/年，减少氮氧化物排放量4吨/年。普通空调对环境的影响是不言而喻的，它不仅对大气臭氧层造成严重破坏，夏季，风冷机组将废热排入大气，使室外温度升高；冬季，风冷机组吸收大气环境中的热量，导致恶劣的大气环境更加恶劣。因此，要保证空调运行对环境不产生任何影响，必须要改变换热对象，即不与大气换热，而改变为和大地浅层土壤换热。在换热过程中，地下换热器在夏季将多余的热量排到大地中，在冬季又将热量取回，以达到冬夏两季的室内供暖和供冷，对大气环境不产生任何影响。综上所述，无论是技术层面还是产生的社会效益和经济效益，地源热泵系统在21世纪的应用前景是很广阔的。^[1]

《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》的应用实例如下：

一、安阳市农畜产品检验农技推广中心工程，位于安阳市行政东区永明路东侧；该工程为框剪结构，地下1层、地上21层，外墙外保温，围护结构采用加气混凝土砌块。建筑规模及设计指标见下表。

1、室外系统为四管制（双U）垂直式地埋管换热系统，即在主楼南侧空地钻换热孔360个，东西方向共18列，南北方向共20行，孔深70米，孔间距3米，孔径150毫米，孔内埋设垂直双U形（PE100 SDR11 De32）换热管，室外换热系统水系统布置方式采用多环路同程集管+检查井的连接方式，即每9个换热孔组成一个换热单元，采用PE100 SDR11 De63集水管同程连接，每个环路De63水平集管均接入本区域附近的检查井内集分水器（共设置4个室外检查井），每环路供回水管均设置阀门，在保证流量调节的同时，如有一个环路发生渗漏可将其切断，进行检修，其他环路可正常运行。每组集分水器的主供回水管在进入空调机房前汇集，并在集分水管末端设置循环泵，与室内地源热泵机组的换热器形成一个闭式循环系统，通过系统中的循环介质与地表浅层土壤进行换热，将能量在空调室内和地下的土壤之间进行交换，实现建筑物夏季制冷，冬季供暖。

2、应用效果：该工程应用垂直埋管换热系统，整个空调系统经过冬夏季的实际运行，情况良好，节能，全年节电120万千瓦·小时，折合标准煤480吨/年；减少二氧化碳排放量196吨/年，减少二氧化硫排放量36吨/年，减少氮氧化物排放量18吨/年，取得了社会效益。

二、安阳市办公楼及接待大厅工程，位于安阳市行政东区文明大道南侧，该工程为框剪结构，地上5层，外墙外保温，围护结构采用加气混凝土砌块，建筑规模及设计指标见下表。

1、室外系统为四管制（双U）垂直式地埋管换热系统，即在办公楼南侧空地钻换热孔67个，东西方向共11列，南北方向共6行+1，孔深70米，孔间距3米，孔径150毫米，孔内埋设垂直双U形（PE100 SDR11 De32）换热管，室外换热系统水系统布置方式采用多环路同程集管连接方式，即每10个换热孔组成一个换热单元，采用PE100 SDR17 De63集水管同程连接，每个环路De63水平集管均接入设备机房内六路集、分水器，每环路供回水集管均设置阀门。在集分水器末端设置循环泵，与室内地源热泵机组的换热器形成一个闭式循环系统，通过系统中的循环水与地表浅层土壤进行换热，将能量在空调室内和地下的岩土体之间进行转换，实现建筑物夏季制冷，冬季供暖。

2、应用效果：该工程应用垂直埋管换热系统，整个空调系统经过冬夏季的实际运行，情况良好，节能，全年节电30万千瓦·小时，折合标准煤120吨/年；减少二氧化碳排放量299吨，减少二氧化硫排放量9吨，减少氮氧化物排放量4吨，取得了社会效益。^[1]

2011年9月30日，中华人民共和国审定《2009-2010年度国家二级工法名单》，以建质[2011]154号文件公布，《地源热泵U型垂直埋管换热系统安装工法》被评定为中国国家二级工法。^[2]