地源热泵系统地埋管换热器工程实例

范晓虎 （淮南市重点工程建设管理局，安徽 淮南 232001）

0 前 言

地源热泵是以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷。其原理是依靠少量的电力驱动压缩机完成制冷循环，利用土壤温度相对稳定（不受外界气候变化的影响）的特点，通过深埋土壤的闭环管线系统进行热交换，夏天向地下释放热量，冬天从地下吸收热量，从而实现制冷或供热的要求，运行费用低，对环境无污染。地源热泵技术是建设事业“十一五”推广应用技术（第一批）,是经国内外大量应用实践验证了的成熟的建筑节能技术，将越来越多的应用于各项工程中。

1 项目情况简介

1.1 地上建筑概况

淮南市政务中心共计7座单体建筑，建筑总面积16×104m2，空调系统均设采用地源热泵地埋管换热器系统为建筑提供冷、热源，通过与末端系统相结合为建筑冬季供暖、夏季供冷。

1.2 场地地质概况

项目区120m深度地层情况如下：上部地层为松散第四系，以素填土和粘土为主，下部为基岩，包括粉质砂岩、粉质泥岩以及风化泥岩（详见图1）。地层原始温度为18.64℃，地层平均热传导系数为1.90W/mK。

2 设计措施

项目所在地区的地质条件适合采用设置竖直地埋管换热器（又称垂直土壤热交换器），设计地埋管换热器长度110m，冬季工况下，地源热泵中央空调系统冬季负荷侧的设计供回水温度为45/40℃，水源侧的设计供回水温度为7/12℃，流量为1.4m3/h，换热器的排热能力为43.8W/m；夏季工况下负荷侧的设计供回水为7/12℃，水源侧的设计供回水温度为27/32℃，流量为1.4m3/h，换热器的排热能力为54.7W/m。单位长度地埋管换热器平均传热系数Ki=3.62 W/（m·K）。

2.1 埋管位置的分布

图1 地层岩性剖面图

图2 地热器单个钻孔截面图

本工程中室外地源换热器埋设位置尽量靠近空调机房，以便减少管路压力损失。地埋管的几何分布形式根据周边建筑物实际分布情况进行确定，本方案选取矩阵型排列。钻孔间距为4m×4m（行间距×列间距），钻孔直径约为150mm。地埋管换热系统进行分区设计，并与单体建筑内机组设置相对应。地埋管环路两端应分别与供、回水环路集管相连接，且采取同程式布置。

2.2 U型管的确定

本工程采用双U型竖直埋管的形式。单个钻孔的截面示意图如图2所示。管材采用目前广泛使用的高密度聚乙烯管（PE100)，其导热系数为0.42 W/(m℃)；标准尺寸比为SDR11，管外径为32mm。

2.3 循环液选择

可根据当地岩土的温度和实际需要对循环液的类型进行选择。本方案选择水作为循环液。循环液的总流量应参考所选的热泵设备提供的数据。

3 竖直地埋管换热器施工要求

3.1 施工工艺

施工准备→放线→竖立钻机→接水、电→施钻→通孔（同步进行换热管接管、换热管试压）→下换热管→试压→沟槽开挖→水平管连接→水压试验→水平沟槽回填

3.2 打孔

将室外地源换热器设计图纸上的钻孔的排列、位置逐一落实到施工现场。钻机就位时，要保证钻机钻杆垂直度，防止垂直偏差将已埋管道损坏。孔径的大小以能够较容易的插入所设计的U型管为宜。本工程设计选用外径为Dn32 mm的双U型管。为确保U型管顺利安全的插入孔底，孔径要适当，一般为φ160mm，必要时应固化。

3.3 U型管现场组装、试压与清洗

U型管以在现场组装、切割为宜，以满足有可能出现的设计变更，尤其是钻孔深度的需要。下管前应对U型管进行第一次试压和冲洗，然后将U型管两个端口密封，以防杂物进入。

3.4 下管与第二次试压

下管是地源热泵工程中关键之一，因为下管的深度决定采取热量的多少，所以必须保证下管的深度。为保证下管深度和打井深度能够尽量接近，必须要做到提完钻杆后不停顿立即下管，否则钻好的孔搁置时间过长，有可能出现局部的堵塞和井壁坍塌，这将导致下管困难。下管之前，在U型管上每隔3m～4m设一固定支卡将U型管分开，以提高换热效果。本工程采用的是人工下管的方法。U型管头部设防护装置，以防止在下管过程中的损伤。下管前应将U型管与下管器捆绑在一起，U型管内充满水，增加自重，减少下管过程中的浮力。通过人工加压及管材自身重力导流下管，具体下管方式也可根据现场实际情况安排下管。但应做好孔口防护措施，以免杂物落入孔中。将4根聚乙烯管一起插入孔中，直至孔底。下管完成后，做第二次水压实验。确认U型管无渗漏后，方可用细砂或其他回填料回填。

3.5 水平沟槽开挖以及安装分集水器

分、集水器一般为直埋敷设。水平沟槽挖好后，沟底应夯实，填一层细砂或细土，并留有0.003~0.005的坡度。分、集水器在地上连接成若干的管段，再置于地沟与U型管连接，构成完整的闭式环路。在分、集水器的最高端或最低端宜设置排气装置或除污排水装置，并设检查井。管道回填时应夯实。

3.6 回填

回填工序也称为灌浆封井，正确的回填要达到两个目的：一是要强化埋管与钻孔壁之间的传热；二是要实现密封的作用，避免地下含水层受到地表水等可能的污染。

回填材料属多孔介质,其导热系数是决定系统效率高低的关键因素。将回填材料在搅拌池中混合均匀，使其细小、松散、均匀，且不应含石块及土块。经泥浆泵将回填物料输送到孔内，利用泥浆泵的压力和物料自重达到孔底，等填充物沉淀密实后，在孔内铲入细砂进行封孔。回填压实过程要均匀，回填料应与管道接触紧密，且不得损伤管道，确保换热效果。

4 事故预防及处理

4.1 钻孔塌方

在钻孔过程中为避免钻孔塌方，打井时灌入泥浆，比重为1.08g/cm3~1.1g/cm3,对井壁的进行泥浆护壁，防止井壁塌方。如在打孔即将完成时发生塌方造成打孔深度不够，应向井孔内投入造浆粘土，增加泥浆浓度，一般大于1.1g/cm3，加以护壁直至达到成井深度。钻孔完毕后，应尽快将地埋管放入孔内，试压合格后，将高出地基300mm用管头封死，以免堵塞地埋管。

4.2 孔径与设计不符

施工前和施工过程中，经常检查钻头直径，磨损超过5mm时及时补焊，确保钻头直径达到设计桩径要求。

4.3 灌浆不密实

孔内灌浆时，保证钻孔灌浆密实，无空腔。否则会降低传热效果，影响工程质量。采取加压回灌措施，以保证灌浆完全密实。

5 施工注意事项

①开始钻井时，进尺应适当控制，在护筒刃脚处，应低档慢速钻井，使刃脚处有坚固的泥皮护壁。钻至刃脚下1m后，可按土质以正常速度钻井。如护筒土质松软发现漏浆时，可提起钻锥，向孔中倒入粘土，再放下钻锥倒转，使胶泥挤入孔壁堵住漏浆孔隙，稳住泥浆继续钻井。钻井过程中，每井尺2m～3m，应检查钻孔直径和竖直度。

②在水平总管连接前应先回填一层细沙，待管道连接完成后再回填细砂将管道覆盖。回填泥土时应将混在其中的砖块等硬物取出，防止对管道刮伤。

③地埋管应在保压状态下下管，如下管过程中发现压力突然降为零，应及时将管道拉出，重新埋入试压合格的管道，并分析原因，提出整改办法。下管后，U型管是应高出垂直孔1m~2m，以便于查找和水平集管的连接。

④管道连接按先地埋管，其次环路集管（水平管），最后连接机房分、集水器的顺序进行，不同阶段都应分别进行水压试验，并应有水压试验记录，塑料材质污水换热器管道应采用热熔或电熔连接；聚乙烯管道连接应符合《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101）的有关规定。

⑤地埋管工程中包括地埋管钻孔下管、水压试验、管沟开挖、水平管联接、管沟回填、分集水器安装及检查井砌筑七项分项工程。在施工中应遵守《建筑工程施工质量验收统一标准》、《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》、《给水排水管道工程施工及验收规范》、《通风与空调工程施工质量验收规范》、《制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范》、《风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范》、《建筑节能工程施工质量验收规范》等国家现行有关标准的规定。

6 经验及体会

地源热泵系统成功与否的一个重点就是地埋管换热器设计，一旦地埋管换热器设计不好，很容易造成系统工作效率下降，甚至导致热泵主机无法正常工作，或者地埋管系统设计过大，浪费初投资。不同的回填料、埋管方式对换热都有影响。进行地埋管打孔前须对地层的岩性进行分析,充分了解项目所在地的地质条件、地层热物性参数、换热孔的换热能力、地层热恢复能力以及冷热平衡性能等参数，以便为地源热泵系统的可行性论证提供基础参数，并为下一步的空调系统设计和施工提供依据。

系统建成启动后，换热孔区域地层温度会发生变化，对周围地层的温度场会产生影响，为了系统运行的安全和稳定，建议设置1～2个地质环境观测孔，记录换热孔区域及周围地层温度场的变化情况。系统运行过程中，管理人员应做好机组运行记录，并随时注意观测地质环境监测孔内的温度变化情况。

7 结 论

地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高15%~50%。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，保证了系统的高效性和经济性。与锅炉（电、燃料）供热系统相比，地源热泵要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2以上的能量。由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10℃～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，效率高出40%左右，可以节约大量的能源。对于夏热冬冷气候区，有冬季供热和夏季供冷的双重需求，建筑物周围也有空地设置地热源换热器，采用地源热泵技术实现供热空调不仅能实现建筑节能减排，而且该项目的技术优势明显，长期运行的综合经济性也优于传统的供热空调技术。

[1]GB50366-2005,地源热泵系统工程技术规范（2009年版）[S].北京：中国建筑工业出版社,2009.

[2]DB34/1800-2012,地源热泵系统工程技术规程[S].2013.

[3]范晓虎.大型粉煤灰场地软地基处理工程实例[J].施工技术,2006（11）.

[4]严煦世,范瑾初.给水工程（第四版）[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.