地源热泵地下换热器施工工艺

贠晓明 陈小松 王 勇

地源热泵空调换热是一种利用含有大量能源的土壤(地下热)作为吸热或排热的热交换器,实现空气调节的系统,本工艺适用于地源热泵换热器系统节能工程施工。

1 工艺原理

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在冬季,把地能中的热量“取”出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量取出来,释放到地能中去。热泵机组的能量流动是利用其所消耗的能量(如电能)将吸取的全部热能(即电能+吸收的热能)一起排输至高温热源。而其所耗能量的作用是使制冷剂压缩至高温高压状态,从而达到吸收低温热源中热能的作用。

2 施工工艺

2.1 施工工艺流程

地源热泵地下换热器施工工艺流程见图1。

2.2 操作方法

1)钻孔。钻孔是竖埋管换热器施工中最重要的工序。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。

2)下管。下管必须保证下管的深度。下管采用人工下管或机械下管,下管前应将U形管与灌浆管捆绑在一起,在钻孔完毕后,立即进行下管施工。钻孔完毕后孔洞内有大量积水,由于水的浮力影响,将对放管造成一定的困难;而且由于水中含有大量的泥砂,泥砂沉积会减少L洞的有效深度。每钻完一孔,应及时把U形管放入,并采取防止上浮的固定措施。在安装过程中,应注意保持套管的内外管同轴度和U形管进出水管的距离。对于U形管换热器,可采用专用的弹簧把U形管的两个支管撑开,以减小两支管间的热量回流。下管完毕后要保证U形管露出地面。

3)灌浆封井。灌浆封井即回填工序。在回填之前应对埋管进行试压,确认无泄漏现象后方可进行回填。回填物中不得有大粒径的颗粒,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,减少传热热阻。当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时,回填过程结束。

4)换热器安装及管道连接。对于高密度聚乙烯(PE)管段和管件之间的连接都采用专用设备进行热熔焊接。对于埋深不大或场地允许时,应在地面把套管连接好,然后利用钻塔进行放管。对于承插式连接,一定注意在活性胶干了之后才能使用。

2.3 操作要点和难点

2.3.1 施工难点

1)联络管防水处理。换热孔管道经水平联络管汇集,穿结构底板进入检查井内的分集水器,各个分集水器通过管道汇集,最终进入到机房内与热泵机组相连。2)施工中对基底的扰动问题。由于地埋管位于底板下,钻孔施工中的泥浆坑开挖、设备碾压、联络管管沟开挖等等均会破坏原状土,从而对基底产生扰动,见表1。

表1 扰动分类及采取措施

2.3.2 施工要点

1)一般规定。a.地埋管换热系统施工前应具备埋管区域的工程勘察资料、设计文件和施工图纸,并完成施工组织设计。b.地埋管换热系统施工前应了解埋管场地内已有地下管线、其他地下构筑物的功能及其准确位置,并应进行地面清理,铲除地面杂草、杂物和浮土,平整地面。2)施工工序。a.按照图纸要求开钻竖井。b.U形管换热器的制作。c.U形管换热器的第一次试验打压。d.下管。e.U形管换热器的第二次试验打压。f.回填。3)钻凿竖井施工工艺。a.在泥浆旋转钻孔方式中,应沿钻管内部送入高压水或泥浆,并沿着钻杆的外侧将钻屑送回地面。钻孔过程中产生的泥浆水从钻孔位置冒出地面,在施工前应制订好排水措施,可顺地势挖出排水沟,并在沟的末端挖一个泥浆池,钻孔过程中产生的泥浆在泥浆池中沉淀,作为回填物使用。b.安装竖直埋管土壤热交换器需要竖直钻孔机械。根据地质条件可选用泥浆旋转钻孔机械。c.在保证设计埋管总长度的前提下,根据现场施工出现的特殊情况,如遇到坚硬的岩石层或泥砂层,可适当调整钻孔的位置、深度与数量。d.如出现土壤极不牢固的情况,宜采用空心杆螺旋钻机钻孔。钻孔时,空心螺旋钻杆可充当钻孔的保护套管。钻孔完成后,将钻杆底部的钻尖击落,从钻杆内部插入埋管,然后将钻杆拉出或旋出。e.当钻孔深度的增加对钻孔速度的降低和费用的增加影响不大时,钻孔深度宜增大。4)U形管换热器的制作。a.首先按照设计图纸的要求,使用专业的管剪截取相应的管道长度(U形管的单管长度应能满足插入钻孔后与环路集管连接的长度要求)。b.U形埋管换热器的U形弯管接头,宜选用定型的U形弯头成品管件热熔或电熔连接。也可以采用两个90°的弯头加短管对接的方式构成U形弯管接头,但应保证管件、管材接点符合设计、使用要求。c.连接完成的U形换热器管的两开口端部,在完成打压后,应及时密封。5)U形管道换热器的安装。a.等竖井孔壁固化后,应立即将焊接完毕、打压合格并注满清水的U形换热管道垂直的放入开钻完成的竖井内,下管时应注意保持管道与竖井的同心度,减少管材、管件与竖井管道的摩擦,U形管下部端头应设保护装置。b.下管结束后,应立即进行管道打压,确认无泄漏方可进行回填。c.打压合格后要对U形管两端口采取有效的临时封堵措施。6)回填工艺及下管工艺。a.钻孔深度及孔内地下水水位较浅时,宜采用人工下管。当下管较困难时,可采用机械下管。b.垂直土壤热交换器下管完成后应在12 h内用灌浆材料回灌封孔。灌浆应密实,无空腔。

3 结语

随着空调工业的发展,先进的中央空调系统不断的出现,空调在现代建筑中扮演着越来越重要的角色。人们对空调的要求也不断提高,节能、环保、灵活成为今后共同追求的目标。近年来,随着国际经济技术合作的不断深入,地源热泵中央空调系统进入了我国,并通过在工程中的成功运用得到了空调界人士的认可和推崇,成为了我国中央空调发展的趋势,体现了节能、环保、灵活、舒适的新概念。

[1] GB 50189-2005,公共建筑节能设计标准[S].

[2] GB/T 13663-2000,给水用聚乙烯(PE)管材[S].

[3] GB 50242-2002,建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范[S].

[4] SL 291-2003,水利水电工程钻探规程[S].

[5] JGJ 87-92,建筑工程地质钻探技术标准[S].

[6] JGJ 79-2002,建筑地基处理规程[S].