地源热泵地埋换热器的施工安装.docx

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地源热泵地埋换热器的施工安装

地源热泵地埋换热器的施工安装

引言

按照《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005的规定,地源热泵系统是指利用地下土壤、地表水、地下水温度稳定的特性,通过消耗少量电能,将土壤中低品位的能量进行提升,供末端空调采暖设备使用或提供生活热水的系统装置,包括3种不同的系统形式:

利用土壤作为冷热源的土壤源热泵（也有资料文献称为地下耦合热泵系统或叫地下热交换器热泵系统）；以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统；利用地表水为冷热源的地表水热泵系统。

地源热泵系统将制冷、制热功能合一，可以取代锅炉或热力及空调冷源为建筑供热、供冷和提供生活热水。

地源热泵系统最大优势是可以利用低品位的能源，并将其进行有效的能量提升并加以利用，是实现国家节能减排目标的有效应用技术。

在地源热泵的三种系统形式中，采用地埋热换器的土壤源热泵的施工难度最大，所以一直是地源热泵技术的核心技术所在，应进行合理的设计、施工与安装。

1地埋管换热器的设计

地埋管换热器必须与热泵机组和空调末端系统进行优化匹配，地源热泵系统才能正常工作。

因此，设计关键主要集中在地下部分，包括冷热负荷的确定、地下换热器的选型和布置形式等。

地埋管换热器不是两种流体之间的换热，而是埋管中的流体与固体（地层）的换热，因此与传统的换热器传热计算有着很大的不同。

计算宜根据现场实测岩土体和回填料热物性参数（可按照《地源热泵系统工程技术规范》附录B选取）进行计算，也可以采用专用的计算软件计算。

地埋管热换器的最终计算结果应结合换热器的具体形式以及地埋管道长度、井数、井间距和井深来描述。

在理论计算上，地埋热换器系统应按照全年动态负荷进行计算，最小计算周期为1年，当冷热负荷不平衡时，计算周期可取到十几年或更长时间，在计算周期内，总吸收热量应与总释放量相平衡。

设计时应注意最大释热量（末端最大冷负荷时）与最大吸热量（末端最大热负荷时）之间的关系，分别计算所需负荷计算埋地换热器管道长度，相差不大时，宜通过技术经济比较确定，有时需要采用辅助冷热源进行调峰。

在设计过程中，应重视对地源热泵系统设计的基础资料的准确性和真实性进行鉴别，特别是水文地质、地表情况、试验井（坑）、水质等资料，以免造成系统不正常运行。

有专家通过应用有限单元法对土壤热源地下U型垂直管周围土壤的非稳态温度场进行了数值模拟，找出了U型垂直埋管向地下放热量与埋管的埋深及埋管的热作用半径的对应关系，为U型垂直埋管换热器的埋深、数量、及间距的设计提供了参考依据。

地埋管换热器土壤端取热率的估算数值可参见表1，可作为设计的参考依据使用。

由于地埋管换热器管需要长期埋于地下工作，首先考虑的是使用寿命，因此从材料选择上应选择耐腐蚀、寿命长的材料，其次要求其热交换效率要高、宜加工、造价低的材料。

地埋管道采用聚乙烯管（PE80或PE100）、聚丁烯管（P8），不宜使用氯乙烯（PVC）管。

管道与管件应使用相同的材料，管道的公称压力及使用温度应满足设计要求，通常根据系统的净水压和增压考虑管道的承压，按照管道的标准尺寸比SDR（SDR=外径/壁厚）或管系列（许用环向应力与额定压力之比）S（S=（SDR-1）/2进行选择。

管道承压不应小于1.0Pa。

2地埋管换热器的埋管与连接方式

2.1地埋换热器的形式

土壤源热泵地埋管换热器有多种形式，分为开式和闭式，多采用闭式系统，闭式换热器系统的埋管形式又分为水平埋管和竖直埋管两种形式，这两种埋管形式各有特点和应用环境要求。

水平埋管通常采用浅层敷设，在软土地区较为合适，可以不设坡度，最上层管应在冰冻线下0.4m，据地面深度不小于0.8m。

由于开外技术要不高，初投资较竖直埋管低，但其占地面积打，不适合我国地少人多的国情，目前国内较少采用。

为增加有效换热长度，目前多采用螺旋式布管方式，水平埋管方式参见图1。

竖直埋管换热器的构造有多种，主要有竖直套管与竖直U形埋管，每个钻孔中可以设置1组或2组U形管，U形管管径一般在50mm以下，其埋管深度取决与可提供的场地面积以及施工工艺和技术，钻孔孔径不宜小于0.11mm通常每个钻孔中可设置1组或2组U形管，钻孔的深度一般为60-100m。

国外最深的U型管埋深已超过180m。

井数、井位、井深应根据负荷、布管方式等情况确定，井孔的间距多在4-6m之间。

有试验报告显示因为钻孔内热阻仅是埋管传热总热阻的一部分，而孔外的岩土层热阻都是相同的，双U形埋管只比单U形埋管提高15%-20%的热换能力，且双U形埋管管材用量大，安装较复杂，因此，在一般地质条件下、每m钻孔费用不高的情况下，多采用单U形埋管，在遇到坚硬的岩石层时，由于钻孔费用较高，岩石层的导热能力较强，埋设双U形管，能有效地减少钻孔内热阻，降低费用，从技术上、经济上分析都是合理可行的。

竖直埋管换热器具有节约用地面积、换热效能好、受外界的影响小、恒温效果良好等特点，甚至还可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场的下面而不影响上部的正常使用功能，亦可在建筑物的桩基中设置埋管，充分利用可利用的土地面积，这种埋管形式在我国较为适用。

几种垂直管换热器形式可参见图2.

2.2地埋换热器之间的连接方式

地热换热器各钻孔之间的连接方式既可采用串联，也可采用并联，串并联的连接示意图如3所示。

由于串并联系统中只有1个流体通道，而并联系统中流体在管路中可有2个或更多的流道，因此，并联管路与串联管路相比，U形管的管径可以更小，钻孔孔径也相应变小，从而可以降低钻孔费用以及管路费用和充填的防冻液费用，较小的管路制作安装容易，也可以相应减少人工费用。

目前工程上多以并联系统为主，为确保各并联的U形埋管进、出口压力基本相同，流量相同，每个环路长度应尽量保持一致，一般使用较大管径的管道作为水平集箱连管（参见图4），或制作分集水器（参见图5），提高地下循环管路的水力稳定性和控制能力。

3地埋管换热器的施工安装

3.1地埋管道的敷设

管道在施工安装前，应对管材、管件及附属设备、阀门、仪表按设计要求进行校队，并应在施工现场进行检查，聚乙烯管道施工应执行建设部行业标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101-2004）的有关规定。

由于聚乙烯管较金属管的强度低，管道承受外荷载的能力差、抗防冻问题突出，因此要特别注意管道的埋深。

埋地换热器的水平埋管应埋设在其他市政管道之下，一般覆土厚度为1.5-2.0m，埋设在车行道下的管道，不应小于0.8m，埋设在非车行道下时，不应小于0.6m。

聚乙烯管很容易弯曲，但弯曲后的管道内侧将产生压应力，因此弯曲半径根据不同管径应控制在30D-75D之间，管段上有承接接头时，弯曲半径不应小于125D。

聚乙烯管的线膨胀系数较大，为避免产生拉应力，敷设应采取蛇形方式。

由于聚乙烯管埋设后，难以用常规方式巡视，给管网的维护管理带来困难，因此，管道敷设后宜沿管道走向埋设金属示踪线。

3.2地埋管换热器连接管道的安装

地埋管的连接按照管材的要求进行焊接，通常选用热熔连接和电熔连接。

热熔连接多采用热熔焊机对管道进行热熔对接，也有采用热熔承插连接方式，图6、图7为现场热熔焊接图片。

电熔连接采用带有电热丝的专用电熔连接管件，见图8；使用专用电熔机向管件的电极通电加热，使其融化与管道连接在一起，见图9。

在管道与阀门连接处，还要采用钢塑过渡接头或刚法兰连接，小管径管道（管径小于63mm）一般采用一体式接头，大管径管道则采用钢塑法兰连接。

3.3地埋管换热器的施工安装

3.3.1施工准备

施工前应对埋管场地的工程地质勘查状况和地下管线、构筑物进行充分调研勘查，确定其准确位置，规划施工场地，并进行地面清理和平整，应根据管道平面布置图确定钻孔的具体位置和系统各管道的标高，并根据现场情况调整埋管布局。

正式打井前应先打测试孔，其标准、规格同换热井孔，建筑小于3000m2的竖直埋管系统可使用1个测试孔，面积较大应采用2-3个测试孔，测试孔深于U型管5m，以后可作为正式换热井或观察孔。

有时还需要根据现场情况、地质情况确定钻机的形式。

通常在主管沟末端挖1个泥浆池，使钻井过程中产生的泥浆可顺管沟流入泥浆池中沉积，并可收集作为回填物之用。

地埋换热器管路的间距主要是为了保证换热效果和防止换热短路现象发生。

U型或套管式换热器的进出水管之间可通过增大套管换热器的内管璧的热阻以及U型管2支管之间的距离来减少热短路。

U形管竖直埋管钻孔的水平间距通常为4-6m，某工程U型管管孔间距情况见图10.

3.3.2放线钻孔

钻孔是竖埋管换热器施工中最重要的工序。

钻孔的主要方法有螺旋钻孔法、全套管法、回转斗钻孔法、冲击法等方法。

为保证钻孔施工完成后于孔壁保持完整，如果施工区地层土质比较好，可以采用裸孔钻进；如果是砂层，孔壁容易坍塌，则必须下套管。

由于地埋热换器的钻孔深度较浅，一般采用常规的正循环钻进方法。

钻孔的孔径应略大于U型管与灌浆管组建的尺寸为宜，一般要求钻机的钻头直径根据需要在100mm-150mm之间，套管式换热器外管的直径可达到200mm钻进深度可达到150m-200m，钻孔总长度由供热面积大小、负荷的性质和大小，以及地层及回填材料的导热性能所决定，对于大中型的工程应通过详细的设计计算确定，地层的导热性能也应通过当地的实测得到。

对钻井质量与效率影响较大的有排屑与注入物2大因素，对钻孔效率影响最大的是切屑的排除速度。

排渣（屑）的方法主要有正循环法和反循环法。

正循环法的泥浆、水或空气从钻杆中心孔压入孔低，携带切屑从钻杆与井壁之间溢出到沉淀池，正循环法排渣速度较慢，易造成泥沙包住钻头，增大钻进阻力。

反循环法为泥浆、水或空气沿孔壁压入井底，从钻杆中心孔中吸出到沉淀池的方法。

由于使用该种方法时流体沿孔壁的流速相对较慢，不宜冲刷孔壁造成塌井，切排渣效率较高，因此应用较多。

还有一种双管反循环法。

循环物质流进独立的进管和出管，这有助于减少塌井和裂缝，但目前较少采用。

循环介质的选择对钻井质量与效率也有很大影响，它们的作用是冷却钻头和带走切屑，通常采用的有水、空气或者泥浆、黏土等作为介质。

对于黏土、亚黏土层一般可直接选择水作为注入物，由井壁原土自行制浆护壁。

对于沙土、沙层一般需要选择搅拌好的黏土或泥浆进行护壁。

清孔时一般选择清水或清浆，在地下水位较低，较硬的土层和岩层中，经常使用压缩空气或水作为循环物质。

在钻孔过程中，根据地下地质情况、地下管线敷设情况及现场土层热物性的测试结果，适当调整钻孔的深度、个数及位置，而不是非要钻一定深度的孔。

总钻孔深度一定，就可以根据现场的地质条件决定钻孔的个数和经济合理的钻孔深度。

如果局部遇到坚硬的岩石层，应更换位置重新钻孔。

3.3.3钻孔机械的选择

钻孔机械主要有以下几大类：

转盘式钻孔机、冲击式钻孔机、潜水式钻孔机、螺旋式钻孔机、全套管钻孔机、回转斗式钻孔机等。

在我国可以选择普通的工程勘查钻机、岩心机等进行施工。

转盘式钻机是通过转盘旋转或悬挂动力头旋转带动钻杆，并传递动力到钻具上，并通过钻杆对钻具施加一定的压力，增加钻进能力，变更钻头型号可满足各种不同土质条件的要求。

目前单页热泵施工中多数采用的岩心钻机就属于液压进给的转盘式钻机。

该机组对地层的适应性较强，可通过变更钻头和调整钻杆压力，适应从软土到极硬的岩层的土层结构，但对于卵石直径＞2/3钻杆内径的较大的松散卵石层不能使用。

该钻机一般适用于平原和山区作业。

其主要适用范围为直径几十mm到几m，深度大于100m的场所。

冲击式钻孔机用于钻孔灌注施工，尤其在卵石、漂石地层条件下它具有明显的优势。

其优点是造价低、结构简便，综合施工费用低；适用于从土质土壤到岩层的多种地质条件。

其缺点是施工速度较慢。

潜水式钻孔机的动力装置与工作装置连成一体，潜入泥水中工作，多采用反循环排渣。

这类钻机通过潜水电机旋转带动钻具切土，电锯跟随钻具工作，潜入孔底，整个钻具悬挂方式工作，故成孔垂度好，无须撤装钻杆，能连续工作。

其特点是设备简单、体积小、移动方便、能连续工作，成孔速度快，但塌孔不宜处理。

其适用范围是经济孔深50m左右，当井深大于50m时，需采用钢管作为排渣管，该钻井机钻孔直径一般较大。

螺旋式钻机工作原理与麻花钻相似，钻具旋转、利用钻具下部切削刃切土。

根据钻头形式又分为长螺旋式和短螺旋式。

长螺旋式切下的土沿钻杆上的螺旋叶片上升，排到地面，成孔速度较快，适用于小直径钻孔作业。

短螺旋式则将钻具提到地面反转排土，适用于大直径孔，最大钻孔深度较小，在70-80m。

当土壤地质条件不好时，可采用空心钻杆。

钻孔时，空心螺旋钻杆充当保护套管。

钻孔完毕后，将钻杆底部的钻尖击落，从钻杆内部插入埋管，然后将钻杆取出。

全套管钻孔机主要用于大型建筑基础钻孔桩施工。

成孔过程是将套管边晃边压入土壤中，并用锤式抓斗在套管中取土，成孔后，在将套管取出。

回转斗式钻孔机主要用于钻孔桩施工，使用传动杆带动的钻斗挖土成孔，传动杆是伸缩式或多节连接式以适应孔深要求，钻斗上有切土的刀片和装土的空腔，钻削过程中切土进入钻斗中，装满后停止旋转，提升钻头排土，如此反复。

国内常规钻孔方式见图11，国外打井专用机械见图12。

3.3.4下管

下管是地埋换热器施工的关键之一，下管的深度决定采取热量的多少，因此，必须保证下管的深度。

下管方法有人工下管和机械下管2种，在钻孔完毕后，应立即进行下管施工。

目前，U形管的组装已经可以在塑料管生产厂内完成，由生产厂家按照订货单的长度要求，生产组装U形管和配套相应的管件，现场只需做简单的装配即可。

垂直地埋管换热器U型管安装应在控洞钻好且孔壁固化后进行。

下管过程中，应将U型管与灌浆管捆绑在一起，管中宜充满水，并采取措施保证U型管的2支管处于分开状态。

井孔内如果有大量积水，由于受水的浮力影响，对放管工作会造成一定的困难，水中含有大量的泥沙沉积会减少井孔的有效深度。

因此，每钻完1口井孔，应及时把U型管放入，并采取防止上浮的固定措施。

在安装过程中，应始终注意保持套管的内外管同轴度和U型管进出水的距离。

对于U型管换热器，可采用专用的弹簧把U型管的2个支管撑开，以减小2个支管间的热量回流。

下管完毕后要保证U型管露在地面，以便于后续施工。

图13为不同U型换热器的下管图片。

3.3.5水压试验

埋地管的水压试验原则上应参照相关工程的技术规范执行。

当系统工作压力≤1.0MPa时，试验压力应为工作压力的1.5倍，且不应＜0.6MPa；当工作压力＞1.0MPa时，试验压力加0.5MPa。

垂直地埋换热器管路的水压试验一般分为4次进行，插入钻孔前，应做第1次水压试验，并在试验压力稳压至少15min，压力降不应大于试验压力的3%，且无泄露现象；将其密封后，在有压状态下插入钻孔，完成灌浆之后保压1h。

水平地埋换热器放入沟槽前，应做第1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试验压力的3%，且无泄露现象为合格。

埋管换热器与环路集管装配完成后回填前，应进行第2次试验，在试验压力下，稳压至少30min，稳压后压力降不应大于试验压力的3%，且无泄露现象为合格。

确定U型管无渗漏后方可进行封井。

当环路集管与机房集水器连接完成后室外管沟回填前，还应进行第3次水压试验。

在试验压力下，稳压至少2h，且无泄露现象为合格。

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4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试验压力的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和检查，不得有渗漏；不得以气压试验代替水压试验。

聚乙烯管道试压前应充水浸泡，时间不应小于12h，彻底排净管道内空气，并进行水密性检查，检查管道接口及配件处，如有泄露应采取相应措施进行排除。

3.3.6灌浆封井

灌浆封井也称为回台南工序。

正确的回填要达到强化埋管与钻孔壁之间的传热和要实现密封2个作用，并避免地下含水层受到地表水污染的可能，通常选用一些特殊材料制成的专用灌注材料进行回填。

回填时必须根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出，使混合浆自下而上回灌封井，确保回灌密实，无空腔，以尽量减小钻孔中的热阻，并防止地面污水流入地下含水层。

回填物中不应含有大粒径的颗粒，当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时，回填过程结束。

系统安装完毕，应进行清洗、排污，确认管内无杂质后，方可进行系统灌水。

4结束语

地源热泵系统是随着全球性的能源危机和环境问题的出现而逐渐兴起的一门热泵技术。

该技术充分利用地能资源，将低品位能量转变可利用的高品位能量，具有显著的能源利用优势，是今后我我国重点推广应用的建筑节能技术之一。

目前，我国对于土壤源热泵系统的递埋管热换热器的施工技术及其专用设备的研究相对较少，施工工艺和设备相对落后，随着与之相配套的管材、管件、施工设备以及施工技术的进一步的发展，地源热泵作为能源阶梯应用技术的典范，具有极大的推广价值和发展前景。

参考文献

1GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范

2马景量，吕悦。

地源热泵系统设计与应用，北京.机械工业出版社，2007