一種新型地源熱泵換熱管下管裝置設計與分析

宋寬強 王亞娟 馬少華

（陜西省一八六煤田地質有限公司，陜西 西安 710065）

自進入工業社會，傳統的煤炭、石油等能源消耗量巨大，能源問題已經發展為全球性問題。化石燃料的燃燒導致空氣污染問題嚴重，為了減少污染，建立節約型社會，尋求清潔可持續能源是解決能源和環境問題的關鍵舉措[1]。結合大量的工程實例，地源熱泵在國內已經形成了廣闊的發展市場，成為極具潛力的產業[2]，地源熱泵的廣泛應用為解決能源危機提供了新的思路。

1 地源熱泵技術概述

地源熱泵技術是一種以地熱為熱泵裝置熱能，實現對建筑供暖或制冷的節能技術[3]。我國居民供熱以煤炭為主，北方地區污染嚴重、能源利用效率較低，發展地源熱泵技術是減少環境污染、確保能源安全的重要保障[4]。

地源熱泵工作原理是通過輸入少量高位能源，將低溫位熱源轉移為高溫位，冬季可以實現地熱能高溫熱源獲取和冷源儲存，夏季可以實現低溫源獲取和高溫熱源存儲。地源熱泵利用地下常溫土壤和地下水相對穩定的特性，在建筑暖通工程中應用廣泛[3]。地源熱泵供暖空調的一體化替代了傳統的鍋爐加空調兩套裝置系統，節省了初期投資、占地和運行費用[5]。

地源熱泵工作原理如圖1所示。

圖1 地源熱泵工作原理

地源熱泵可分為地埋管地源熱泵、地下水地源熱泵和地表水地源熱泵[6]。地埋管地源熱泵以大地土壤為熱源和熱匯，通過將換熱地埋管直接埋入土壤中，使地埋管內水與土壤直接換熱，實現土壤中取放熱[7]。地埋管地源熱泵可分為垂直埋管和水平埋管地源熱泵。水平埋管地源熱泵是將換熱管水平排布在1～2 m的地溝中；垂直埋管地源熱泵是將地下換熱管垂直埋于200 m以內的土壤中[1]。相比水平埋管，垂直埋管具有占地面積小、不受外界因素影響、使用效果可靠、后期維護費用低等優點[8]。

地源熱泵垂直埋管施工時，通孔完成后應該盡快將換熱管放入鉆孔內，防止由于長時間歇停造成孔內局部堵塞、塌方以及孔底泥漿沉淀導致下管困難等情況。地源熱泵換熱管垂直埋管的施工流程為：施工準備→場地開挖、場地平整→管控定位及編號→機械鉆孔、垂直管連接→垂直埋管的一次試壓→下管→垂直埋管的二次試壓→垂直埋管灌漿回填→垂直埋管的三次試壓→垂直埋管成品保護。

下管是地源熱泵工程中的關鍵操作之一，鉆孔時為防止孔壁坍塌，常采用泥漿護壁。鉆孔完成后孔內會充滿泥漿，對下管造成一定困難，由于泥漿中含有大量泥沙，泥沙靜止一段時間后會沉積到鉆孔底部，減少孔洞的有效深度。鉆孔完成后，應立即開展下管作業[9]。為保證換熱管受壓時不變形，管內應充滿水并保持一定壓力。下管方式通常有人工下管和機械下管兩種。人工下管是指通過人工使用鉆桿頂住換熱管頂端U形接頭向下輸送，輔助人員負責拖拽換熱管以控制下降速度。人工拖拽勞動強度較高，易出現安全事故。機械下管是利用現場鉆井設備，通過鉆桿頂住換熱管頂端U形接頭，操控鉆井設備將鉆桿壓入鉆孔。機械下管完成后需要將鉆桿逐一提升回地面放置，工作效率低，耗費時間長，下管途中如遇到其他情況只能依靠人工將鉆桿拉出。

2 地源熱泵換熱管下管裝置的設計與分析

2.1 下管裝置的設計要求

為了降低工人勞動強度，提高施工效率，文章主要研究可以替代人力進行下管作業的設備，用于150 m孔深的單U形換熱管敷設。裝置可以通過機械動能在開始下管作業時傳遞給換熱管推進力，保證順利下管，待換熱管依靠自身重力持續下降時，裝置通過牽引力使換熱管保持勻速下降，防止孔深大于換熱管長度時，換熱管沉入孔內或者其他意外情況。根據國內施工現場的地層情況、現場環境、管材性能以及使用維護等方面的特點，參考國外的同類設備，地源熱泵換熱管下管裝置的設計要求包括：

（1）結構形式。結構緊湊，操作簡單，整體采用推車式移動方式，可實現單人作業。

（2）輸送方向。可以完成換熱管向下輸送的下管作業，在向下輸送途中，當換熱管壓力出現異常或管道破損時，能夠向上提升至地面，并進行檢查或更換。

（3）傳動方式。采用鏈傳動，結構簡單，對中心距要求低，運轉后速度穩定。

（4）傳送速度。速度為8 m/min，按照鉆孔工況、換熱管性能以及下管作業時操作人員能夠實時觀察并做出應對的反應時間進行確定。

（5）下管深度。根據垂直埋管的施工難度和經濟性，選定鉆孔深度為150 m。

（6）控制方式。設置轉換開關，通過手柄式操作桿操控電機正反轉，實現管道的向下輸送和向上提升。

（7）維修與維護。所有零部件通過螺栓固定在骨架上，易于拆卸，便于維修和保養。

2.2 下管裝置的設計組成

地源熱泵換熱管下管裝置主要用于管道敷設時將連接完整的換熱管持續輸送至指定鉆孔內。裝置整體為推車結構，能夠在鉆孔完成后，快速進入施工場地進行下管作業，體積小，重量輕，便于運輸。根據接頭的不同，換熱管一般為單U形管和雙U形管，文章主要介紹單U形管的埋管技術。地源熱泵換熱管下管裝置及主要技術參數如圖2 和表1所示。

圖2 地源熱泵換熱管下管裝置

表1 地源熱泵換熱管下管裝置的主要技術參數

2.3 下管裝置的工作原理

輸送裝置主要依靠兩組主動輪和從動輪，操作時，主動輪與推車水平方向固定于骨架上，將連接完整的單U形換熱管兩端分別通過可拆卸的從動輪壓入輪槽中，通過操作從動輪螺母控制換熱管壓力。驅動裝置設置在骨架下方，由電機驅動蝸輪減速機運轉，帶動與減速機輸出軸連接的鏈輪轉動，通過鏈條傳動，使位于同一平面的兩個等徑鏈輪轉動，帶動與鏈輪同軸的主動輪運轉。夾持在主動輪與從動輪中間輪槽的換熱管在主動輪的帶動下持續傳送，完成換熱管的下管或提升動作。

2.4 下管裝置的操作流程

地源熱泵孔洞通孔完成后，將鉆井設備轉移至下一個標記位置，將下管裝置推運至孔洞處。通過調整過輪高度和車體方向，確定換熱管入孔角度后，將孔口支撐同井口預設套管進行連接，旋緊孔口支撐邊緣螺栓將下管裝置位置固定。接頭和換熱管連接完成并經一次試壓合格后，將頂部放入孔口內一定長度，其余管道沿骨架方向放置于過輪和主動輪輪槽上。從動輪架穿過兩主動輪中間的固定桿后，將換熱管置于主動輪和從動輪的輪槽內，旋轉壓緊手柄使換熱管受壓處于夾持狀態。輸送過程中可以隨下管深度旋轉壓緊手柄改變夾持力。換熱管擺放完成后，操作轉換開關手柄，換熱管受到主、從動輪的夾持轉動，即可將換熱管向下持續輸送。下管過程中若管內壓力明顯下降，可轉動開關停止下管進行檢查，或在管道受傷時可轉動轉換開關的反向手柄開關，向上拔出換熱管。

為了便于換熱管輸送，制作了專門用于下管的轉軸裝置。轉軸裝置底部圓形托盤中央固定一個十字支撐架，支撐架將盤好的換熱管固定，防止滑落。托盤底部安裝軸承便于轉動，盤好的換熱管放置托盤上。換熱管通過下管裝置的推送，自動將托盤上的換熱管牽引輸送，可以有效避免管道與地面摩擦導致的劃傷。換熱管輸送轉軸裝置如圖3所示。

圖3 換熱管輸送轉軸裝置

2.5 下管裝置的優勢

（1）結構合理。裝置將驅動電機、蝸輪減速機、主動輪（驅動輪）、從動輪（壓緊輪）、過輪等組件與手推車骨架整合較好，結構輕便。

（2）靈活性強。電機與蝸輪減速機通過法蘭盤用螺栓緊固連接成一個整體，固定于骨架下部，保證蝸輪減速機連接的鏈輪和主動輪軸一側的鏈輪在同一平面，蝸輪減速機安裝座設有條形孔，使鏈條能夠完成調節活動。

（3）傳動效果較好。傳送過程采用擠壓式驅動，將換熱管置于主動輪和從動輪之間的輪槽中，通過從動輪調節器對換熱管進行擠壓，增大摩擦力，從而進行輸送。

（4）可有效保護管表面。主動輪的輪槽表面進行膠輪（噴涂橡膠層）處理，增大換熱管摩擦力，有效防止傳送過程中換熱管因擠壓造成管道表面損傷。

（5）能夠完成雙向操作。驅動裝置選用單相四極帶電容220 V電動機，在傳送過程中具有雙向性，便于使用轉換開關進行輸送和提升等操作。

（6）細節保護處理。過輪可通過條形孔進行上下調節固定，防止換熱管在傳送過程中與孔口或其他部件產生摩擦而有所損傷。

（7）環境適應性良好。車體的孔口支撐與骨架采用活接式，可以對裝置進行角度調節，從而適應不同環境的下管作業。

2.6 驅動系統參數確定及配重

（1）確定減速機型號。

根據換熱管的設計傳送速度，結合使用環境和使用要求，確定選用WJ系列蝸輪蝸桿輸出減速機。傳送速度為8 m/min，結合結構空間設定，主動輪有效直徑為90 mm，則主動輪軸轉速：

式中：v——傳動速度（m/min）；D——主動輪有效直徑（m）。

計算得主動輪軸轉速為28.3 r/min。根據設計結構，傳動方式采用鏈輪傳動，因鏈輪直徑相同，所以主動輪軸轉速為蝸輪減速機的輸出軸轉速。選定電機為三相異步電動機，轉速1 440 r/min。減速機傳動比：

式中：n輸出軸——減速機輸出軸轉速（r/min）；n輸入軸——減速機輸入軸轉速（r/min）。

計算得蝸輪減速機傳動比約為1:51，根據工況環境，輸入功率1.5 kW，選取傳動比為1:56，蝸輪減速機型號為WJ 87-S，最大輸出轉矩364 N·m。

（2）確定配重重量。

根據施工情況，換熱管在下管作業時孔內充滿泥漿，存在一定浮力，對下降過程形成阻礙，可以為換熱管頂端增加配重用。根據設計要求，埋管深度為150 m，換熱管使用的給水用聚乙烯（PE管材）的公稱直徑32 mm；壁厚3 mm；公稱壓力1.6 MPa；密度0.95 g/cm3。單根PE管自重GPE管為：

式中：D——PE 管外徑（m）；d——PE 管內徑（m）；h——埋管深度（m）；ρPE管——PE管密度（g/cm3）。

計算得單根PE管自重約40 kg。

單根PE管內水重G水為：

式中：D——PE 管外徑（m）；δ——PE 管壁厚（m）；h——埋管深度（m）；ρ水——水的密度（g/cm3）。

計算得單根PE管內水重約80 kg，單U形換熱管工作狀態總重量約240 kg。

單根PE管體積VPE管為：

式中：D——PE 管外徑（m）；h——埋管深度（m）。

計算得單根PE管體積約為0.12 m3。

單根PE管浮力F浮為：

式中：ρ泥漿——泥漿的密度（g/cm3）；g——重力加速度（m/s2）；VPE管——單根PE管體積（m3）。

計算得單根PE管浮力約為141 kg。

得出單U形換熱管工作狀態時受到的浮力約為282 kg。與換熱管工作重量相比，浮力超出重量42 kg，需要為換熱管增加配重。結合實際情況，配重為50 kg。

3 結語

文章研究了一種適合群井換熱管的地源熱泵換熱管下管裝置，通過對換熱管進行機械牽引完成輸送，下管時將換熱管夾持于主動輪與從動輪之間，利用電動機，通過鏈條傳動使主動輪運轉，實現換熱管持續向下輸送，或向上提升。經實際操作，技術成果施工方便、快捷，有效降低了工人勞動強度，提高了施工效率，降低了施工成本，適合群井換熱管下管作業。文章設計地源熱泵系統具有經濟、節能、環保的優點，彌補了傳統的供暖空調方式存在的問題，技術應用領域效果良好，具有推廣價值。