地源熱泵系統地埋管換熱器工程實例

范曉虎 （淮南市重點工程建設管理局，安徽 淮南 232001）

0 前 言

地源熱泵是以土壤作為熱源、冷源，通過高效熱泵機組向建筑物供熱或供冷。其原理是依靠少量的電力驅動壓縮機完成制冷循環，利用土壤溫度相對穩定（不受外界氣候變化的影響）的特點，通過深埋土壤的閉環管線系統進行熱交換，夏天向地下釋放熱量，冬天從地下吸收熱量，從而實現制冷或供熱的要求，運行費用低，對環境無污染。地源熱泵技術是建設事業“十一五”推廣應用技術（第一批）,是經國內外大量應用實踐驗證了的成熟的建筑節能技術，將越來越多的應用于各項工程中。

1 項目情況簡介

1.1 地上建筑概況

淮南市政務中心共計7座單體建筑，建筑總面積16×104m2，空調系統均設采用地源熱泵地埋管換熱器系統為建筑提供冷、熱源，通過與末端系統相結合為建筑冬季供暖、夏季供冷。

1.2 場地地質概況

項目區120m深度地層情況如下：上部地層為松散第四系，以素填土和粘土為主，下部為基巖，包括粉質砂巖、粉質泥巖以及風化泥巖（詳見圖1）。地層原始溫度為18.64℃，地層平均熱傳導系數為1.90W/mK。

2 設計措施

項目所在地區的地質條件適合采用設置豎直地埋管換熱器（又稱垂直土壤熱交換器），設計地埋管換熱器長度110m，冬季工況下，地源熱泵中央空調系統冬季負荷側的設計供回水溫度為45/40℃，水源側的設計供回水溫度為7/12℃，流量為1.4m3/h，換熱器的排熱能力為43.8W/m；夏季工況下負荷側的設計供回水為7/12℃，水源側的設計供回水溫度為27/32℃，流量為1.4m3/h，換熱器的排熱能力為54.7W/m。單位長度地埋管換熱器平均傳熱系數Ki=3.62 W/（m·K）。

2.1 埋管位置的分布

圖1 地層巖性剖面圖

圖2 地熱器單個鉆孔截面圖

本工程中室外地源換熱器埋設位置盡量靠近空調機房，以便減少管路壓力損失。地埋管的幾何分布形式根據周邊建筑物實際分布情況進行確定，本方案選取矩陣型排列。鉆孔間距為4m×4m（行間距×列間距），鉆孔直徑約為150mm。地埋管換熱系統進行分區設計，并與單體建筑內機組設置相對應。地埋管環路兩端應分別與供、回水環路集管相連接，且采取同程式布置。

2.2 U型管的確定

本工程采用雙U型豎直埋管的形式。單個鉆孔的截面示意圖如圖2所示。管材采用目前廣泛使用的高密度聚乙烯管（PE100)，其導熱系數為0.42 W/(m℃)；標準尺寸比為SDR11，管外徑為32mm。

2.3 循環液選擇

可根據當地巖土的溫度和實際需要對循環液的類型進行選擇。本方案選擇水作為循環液。循環液的總流量應參考所選的熱泵設備提供的數據。

3 豎直地埋管換熱器施工要求

3.1 施工工藝

施工準備→放線→豎立鉆機→接水、電→施鉆→通孔（同步進行換熱管接管、換熱管試壓）→下換熱管→試壓→溝槽開挖→水平管連接→水壓試驗→水平溝槽回填

3.2 打孔

將室外地源換熱器設計圖紙上的鉆孔的排列、位置逐一落實到施工現場。鉆機就位時，要保證鉆機鉆桿垂直度，防止垂直偏差將已埋管道損壞。孔徑的大小以能夠較容易的插入所設計的U型管為宜。本工程設計選用外徑為Dn32 mm的雙U型管。為確保U型管順利安全的插入孔底，孔徑要適當，一般為φ160mm，必要時應固化。

3.3 U型管現場組裝、試壓與清洗

U型管以在現場組裝、切割為宜，以滿足有可能出現的設計變更，尤其是鉆孔深度的需要。下管前應對U型管進行第一次試壓和沖洗，然后將U型管兩個端口密封，以防雜物進入。

3.4 下管與第二次試壓

下管是地源熱泵工程中關鍵之一，因為下管的深度決定采取熱量的多少，所以必須保證下管的深度。為保證下管深度和打井深度能夠盡量接近，必須要做到提完鉆桿后不停頓立即下管，否則鉆好的孔擱置時間過長，有可能出現局部的堵塞和井壁坍塌，這將導致下管困難。下管之前，在U型管上每隔3m～4m設一固定支卡將U型管分開，以提高換熱效果。本工程采用的是人工下管的方法。U型管頭部設防護裝置，以防止在下管過程中的損傷。下管前應將U型管與下管器捆綁在一起，U型管內充滿水，增加自重，減少下管過程中的浮力。通過人工加壓及管材自身重力導流下管，具體下管方式也可根據現場實際情況安排下管。但應做好孔口防護措施，以免雜物落入孔中。將4根聚乙烯管一起插入孔中，直至孔底。下管完成后，做第二次水壓實驗。確認U型管無滲漏后，方可用細砂或其他回填料回填。

3.5 水平溝槽開挖以及安裝分集水器

分、集水器一般為直埋敷設。水平溝槽挖好后，溝底應夯實，填一層細砂或細土，并留有0.003~0.005的坡度。分、集水器在地上連接成若干的管段，再置于地溝與U型管連接，構成完整的閉式環路。在分、集水器的最高端或最低端宜設置排氣裝置或除污排水裝置，并設檢查井。管道回填時應夯實。

3.6 回填

回填工序也稱為灌漿封井，正確的回填要達到兩個目的：一是要強化埋管與鉆孔壁之間的傳熱；二是要實現密封的作用，避免地下含水層受到地表水等可能的污染。

回填材料屬多孔介質,其導熱系數是決定系統效率高低的關鍵因素。將回填材料在攪拌池中混合均勻，使其細小、松散、均勻，且不應含石塊及土塊。經泥漿泵將回填物料輸送到孔內，利用泥漿泵的壓力和物料自重達到孔底，等填充物沉淀密實后，在孔內鏟入細砂進行封孔。回填壓實過程要均勻，回填料應與管道接觸緊密，且不得損傷管道，確保換熱效果。

4 事故預防及處理

4.1 鉆孔塌方

在鉆孔過程中為避免鉆孔塌方，打井時灌入泥漿，比重為1.08g/cm3~1.1g/cm3,對井壁的進行泥漿護壁，防止井壁塌方。如在打孔即將完成時發生塌方造成打孔深度不夠，應向井孔內投入造漿粘土，增加泥漿濃度，一般大于1.1g/cm3，加以護壁直至達到成井深度。鉆孔完畢后，應盡快將地埋管放入孔內，試壓合格后，將高出地基300mm用管頭封死，以免堵塞地埋管。

4.2 孔徑與設計不符

施工前和施工過程中，經常檢查鉆頭直徑，磨損超過5mm時及時補焊，確保鉆頭直徑達到設計樁徑要求。

4.3 灌漿不密實

孔內灌漿時，保證鉆孔灌漿密實，無空腔。否則會降低傳熱效果，影響工程質量。采取加壓回灌措施，以保證灌漿完全密實。

5 施工注意事項

①開始鉆井時，進尺應適當控制，在護筒刃腳處，應低檔慢速鉆井，使刃腳處有堅固的泥皮護壁。鉆至刃腳下1m后，可按土質以正常速度鉆井。如護筒土質松軟發現漏漿時，可提起鉆錐，向孔中倒入粘土，再放下鉆錐倒轉，使膠泥擠入孔壁堵住漏漿孔隙，穩住泥漿繼續鉆井。鉆井過程中，每井尺2m～3m，應檢查鉆孔直徑和豎直度。

②在水平總管連接前應先回填一層細沙，待管道連接完成后再回填細砂將管道覆蓋。回填泥土時應將混在其中的磚塊等硬物取出，防止對管道刮傷。

③地埋管應在保壓狀態下下管，如下管過程中發現壓力突然降為零，應及時將管道拉出，重新埋入試壓合格的管道，并分析原因，提出整改辦法。下管后，U型管是應高出垂直孔1m~2m，以便于查找和水平集管的連接。

④管道連接按先地埋管，其次環路集管（水平管），最后連接機房分、集水器的順序進行，不同階段都應分別進行水壓試驗，并應有水壓試驗記錄，塑料材質污水換熱器管道應采用熱熔或電熔連接；聚乙烯管道連接應符合《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》（CJJ101）的有關規定。

⑤地埋管工程中包括地埋管鉆孔下管、水壓試驗、管溝開挖、水平管聯接、管溝回填、分集水器安裝及檢查井砌筑七項分項工程。在施工中應遵守《建筑工程施工質量驗收統一標準》、《建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范》、《給水排水管道工程施工及驗收規范》、《通風與空調工程施工質量驗收規范》、《制冷設備、空氣分離設備安裝工程施工及驗收規范》、《風機、壓縮機、泵安裝工程施工及驗收規范》、《建筑節能工程施工質量驗收規范》等國家現行有關標準的規定。

6 經驗及體會

地源熱泵系統成功與否的一個重點就是地埋管換熱器設計，一旦地埋管換熱器設計不好，很容易造成系統工作效率下降，甚至導致熱泵主機無法正常工作，或者地埋管系統設計過大，浪費初投資。不同的回填料、埋管方式對換熱都有影響。進行地埋管打孔前須對地層的巖性進行分析,充分了解項目所在地的地質條件、地層熱物性參數、換熱孔的換熱能力、地層熱恢復能力以及冷熱平衡性能等參數，以便為地源熱泵系統的可行性論證提供基礎參數，并為下一步的空調系統設計和施工提供依據。

系統建成啟動后，換熱孔區域地層溫度會發生變化，對周圍地層的溫度場會產生影響，為了系統運行的安全和穩定，建議設置1～2個地質環境觀測孔，記錄換熱孔區域及周圍地層溫度場的變化情況。系統運行過程中，管理人員應做好機組運行記錄，并隨時注意觀測地質環境監測孔內的溫度變化情況。

7 結 論

地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源。這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高15%~50%。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，保證了系統的高效性和經濟性。與鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，地源熱泵要比電鍋爐加熱節省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節省1/2以上的能量。由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為10℃～25℃，其制冷、制熱系數可達3.5～4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，效率高出40%左右，可以節約大量的能源。對于夏熱冬冷氣候區，有冬季供熱和夏季供冷的雙重需求，建筑物周圍也有空地設置地熱源換熱器，采用地源熱泵技術實現供熱空調不僅能實現建筑節能減排，而且該項目的技術優勢明顯，長期運行的綜合經濟性也優于傳統的供熱空調技術。

[1]GB50366-2005,地源熱泵系統工程技術規范（2009年版）[S].北京：中國建筑工業出版社,2009.

[2]DB34/1800-2012,地源熱泵系統工程技術規程[S].2013.

[3]范曉虎.大型粉煤灰場地軟地基處理工程實例[J].施工技術,2006（11）.

[4]嚴煦世,范瑾初.給水工程（第四版）[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.