地源热泵空调土壤源技术及运用

胡行亚

【摘 要】本文简述了地源热泵与普通空调的区别，介绍了地源热泵土壤换热器的相关技术及其主要施工步骤和工艺；并对在地源热泵运用过程中，与地埋管相关联工作的应注意事项，进行了说明。

【关键词】地源热泵；土壤源换热器；U形管；施工技术；热平衡

一、地源热泵空调与其他热泵空调的区别和优势 ：

地源热泵空调是一种利用浅层地热资源，既可供热又可制冷的高效节能空调技术。地源热泵空调与其他热泵空调相比，主要区别就是冷热源的不同，地源热泵是利用地壳表层低温热资源，作为空调机组的制冷、制热的冷热源。土壤的温度一年四季相对稳定，一般18℃左右，无论相对于夏季还是冬季，都有十几度的环境温差。地源热泵正是利用了这种温差，使得能效比得以大幅提高，机组能效能高能达5.0以上。夏季，冷却效果好于风冷式热泵和带冷却塔的中央空调系统；冬季，不存在空气源热泵除霜难问题，不需要外置锅炉，克服了常规空调因外界气温的变化引起的多耗电，效果差等弊端。

二、土壤换热器

地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，其选择的形式是否合理，设计是否完善，施工是不是安全，关系到整個地源热泵空调系统能否满足功能要求和正常使用。

2.1土壤源换热器埋管形式：地源热泵土壤源换热器地下埋管主要有两种布置型式，即水平埋管和垂直埋管。考虑埋管占地面积以及换热效果等多方面因素，地源埋管多采用垂直埋管的方式。按垂直埋管的形式不同，又可分为：单U 形管、双U形管、简单套管式埋管等几种形式。

图一：垂直埋管方式图

U形管是在钻孔的管井内安装U形管道。由于U形埋管施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏等原因，目前应用最多。施工实践经验证明，双U形埋管换热量大约是单U埋管的1.15～1.25倍左右，一般会在埋管场地受限制的情况下采用。U 形管径一般选择在φ50mm 以下，设计时，根据选定的设备流量来计算管道管径，管径要大到能保持最小的输送功率，小到足够使管道内保持紊流，以达到良好的换热效果，通常取φ25mm或φ32mm管施工。

2.2土壤源换热器水平管的连接方式：土壤源换热器水平管的连接，如下图有两种方式：一种是集管式连接；另一种是非集管式连接。

图二：集管式连接方式

图三：非集管式连接方式

非集管式是将单口地源井管道，单独汇至检查井集分水器（各口井管道呈并联状态）；集管式连接是将多口地源井管道，串联变径后汇总至检查井集分水器（各口井管道呈串联状态）。非集管连接方式优点是检修方便，在某个地源井管道出现泄漏的情况下，可以随时关闭该回路，而不影响其他回路的正常使用。相对集管式连接方式而言，非集管式分集水器回路比较多，水平管管道长度有所增加。无论是集管式连接方式还是非集管式连接方式都要求管道能做到同程布置，确保整体水力平衡和单孔得到充份的热交换。

2.3埋管长度：土壤源换热器的埋管长度跟地埋管换热能力和土壤源换热器总换热量有关；

2.3.1根据空调冷热负荷计算出冬、夏两季土壤换热量：

夏季向土壤排放的热量（KW）：Q11=Q1*（1+1/COP1）

冬季从土壤吸收的热量（KW）：Q21=Q2*（111/COP2）

其中Q1：夏季设计总冷负荷（KW）；Q2：冬季设计总热负荷（KW）；

COP1：设计工况下热泵机组制冷系数；COP2：设计工况下热泵机组制热系数；

2.3.2地埋管长度计算：地埋管长度计算可通过下面三种方式进行；

2.3.2.1通过计算公式进行计算；其计算的基础是根据各种技术参数，进行单钻孔传热分析，多井孔在单井基础上，运用叠加原理进行扩展，这种计算方式理论性较强。

2.3.2.2通过施工现场进行土壤热特性测试，根据实际钻孔埋管试验测得的单位管长取、放热换热量，及土壤总换热量，计算出埋管管长。这种方法比较准确，因为浅层土壤热特性因地埋管施工地的地质情况不同，差异较大，实际测试值有较强的说服力。

2.3.2.3根据实际工程经验数据，确定单位管长取放、热换热量，计算埋管管长。这种方法单位管长换热量的取值，通常参照邻近地质条件相类似的工程。一般运用于设计规模相对较小的项目，如别墅项目等。这类项目现场有埋管位置，对适量增加的埋管长度投资要求不高。采用经验数据计算，无需进行土壤热特性测试，仅考虑增大地下埋管总量，确保土壤源换热效果即可。这种经验取值法，也常常作为对理论计算管长值进行校核的一种依据。根据工程实例证明，一般垂直埋管换热量为：50～100W/m（井深）或25～50W/m（管长）；水平埋管换热量为：15～40W/m（管长）左右。

考虑长期土壤热平衡措施、土壤源换热器的投资和利用率，在最终地埋管长度确定时，应适当考虑一定的埋管余量。至于是按夏季放热量还是冬季吸热量计算埋管长度，可视具体情况综合考虑。

2.4土壤源换热器钻孔：目前，国内施工的土壤换热器钻孔直径一般在φ110～200mm之间，孔径大小以保证埋管和回填料回填为条件。如钻孔直径过大，会造成施工成本提高，同时回填料施工难度也会增大，一般钻孔孔径为φ130mm比较适宜。至于钻孔间距，地源热泵系统工程技术规范（GB580366-2005）4.3.8条建议埋管间距为3～6m。设计施工时，钻孔埋管间距应视施工现场位置，各孔间热干扰的影响程度综合考虑。一般取5米左右。竖直埋管钻孔深度应根据当地地质情况、埋管区域场地的大小、钻孔成本、管内流速等到情况综合考虑，井深在10～200m之间。

三、钻孔埋管施工技术

3.1主要施工机械：旋扭式钻机、泥浆泵。

3.2材料选用：地源管采用化学稳定性好，耐腐蚀、导热系数大，流动阻力小、热膨胀性好的高密度聚乙烯（HDPE100）管，公称压力为：1.6MP；U形头宜采用同厂生产的专用接头配件，也可采用两个等口径900C弯热熔承插连接替代。

3.3主要施工步骤：

3.3.1钻孔：准确确定钻孔位置，钻孔前做好机台调平、设备布置、塔架竖立、钻机安放等工作；钻机钻孔工作过程中要确保钻杆垂直，避免深度钻孔垂直交叉，损坏先埋设的U形管；钻孔时应根据不同土层结构，选择不同的钻头，调节钻进速度；在遇到砂土层时，需增加膨润土，加大泵送泥浆粘度，进行井壁造壁；垂直钻孔深度应超出理论埋管深度50cm左右，以防止地下换热环路产生沉降时，换热管硬着陆爆管。

3.3.2PE管连接：竖直地埋管换热器U形管组对长度，应能满足插入钻孔后与环路连接的长度要求。可以跟厂家定尺发货，尽量减少中间接头。在U形头预制连接时，应注意焊接质量，接头部位不要有瘤焊现象（会影响以后运行时的水流量，进而增加水阻，影响换热效果）。预制好的PE管应进行水压试验，试验合格后，保压，压力表不拆除打捆成卷推放，便于半成品向下管点运送。

3.3.3 PE管的下管：待钻孔孔壁固化后，即可进行下管工作。U形管不拆除压力表、灌水带压下管，可减少下管浮力，即时观测下管过程中是否对管道产生损坏。埋管深度或孔内泥浆水位较浅时，宜采用人工下管。当下管较困难时，可采用机械下管。机械下管时，机械叉通过绑扎，不直接与U形PE管接触，防止机械损伤U型管。U型管依靠钻杆自重牵引缓慢下管，当垂直下到管底时，观测压力表无压降，证明下管成功。拆除压力表后。井口多出的PE管应以封头绑扎保护。

3.3.4钻孔回填：U形管安装完毕后，应立即用灌浆材料回填封孔，隔离含水层。灌浆材料一般为膨润土和细砂的混合浆。当埋管深度超过40米时，宜采用泥浆泵通过灌浆管自下而上进行灌注封孔，确保钻孔灌浆密实，无空腔，否则会影响传热效果。如灌浆未满，可二次进行补灌。

3.3.5水平管施工：水平管道与竖直管道连接后，应沿坡向集分水器的方向，水平蜿蜒铺设。供、回水管分层敷设，上下两层管间确保有100～200mm的回填层，试压合格后，进行回填。回填料应进行过筛，并保证回填均匀且回填料与管道紧密接触。水平管接入分集水器井，完面相关压力试验和验收后，地埋管施工工作结束。

四、必须考虑的土壤热平衡问题

地源热泵空調系统设计时，应考虑冬夏两季向地下排放和吸收的换热量不同的影响。一般情况下，夏季空调负荷大于冬季采暖负荷，相应夏季主机向土壤释放的热量会大于冬季从地下取出的热量。如方案设计不合理，经年累月，地下温度将逐年升高，当温差超出土壤自身有限的调节能力后，会导致机组无法正常从地下取、放热，造成机组效率低下或失效。解决土壤热平衡的方法是：通过计算把多余的热量散发出去，不向地下排放，保证地下取放热平衡。通常采用：1、采用热回收技术，在制冷的同时，制备生活热水。这样，不仅可以增加一项生活热水功能，而且减少了热量向地下排放，更大提高了地源热泵机组的能效比。2、设置冷却塔向空气中释放多余的热量；同时，可利用冷却塔在夏季高峰负荷时进行调峰。当然通过冷却塔向大气中释放多少热量，需要通过热平衡理论计算后进行。同时，冷却塔开启的时间区间，也会对地源热泵机组的系统能效产生直接的影响，这一般纳入地源热泵机组运行管理的范畴。

五、应进行温度监测

在地埋管设计施工中，应考虑在埋管区域设置地源温度测试监测点，通过设置地源温度测试井，在测试井中不同标高位置，布置测温探头，实时监测地下温度随系统运行变化，并形成分析图表，作为土壤热场理论研究的基础。对于监测过程中发现的温度异常变化，应讯速分析、及时处理。

六、总述

地源热泵技术是一项节能环保的可再生能源技术，具有广阔的推广和运用前景。同时，作为一项新技术，其中的：土壤源换热器传热的强化、最佳参数匹配研究、土壤的热场特点等问题，尚需我们在运用的过程中不断研究、总结。最终，使地源热泵技术更好的为生活服务。

参考文献：

《地源热泵系统工程技术规范》（GB580366-2005）