1、地源熱泵地埋換熱器的施工安裝引言 按照地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范GB50366-2005的規(guī)定,地源熱泵系統(tǒng)是指利用地下土壤、地表水、地下水溫度穩(wěn)定的特性,通過消耗少量電能,將土壤中低品位的能量進行提升,供末端空調采暖設備使用或提供生活熱水的系統(tǒng)裝置,包括3種不同的系統(tǒng)形式:利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵（也有資料文獻稱為地下耦合熱泵系統(tǒng)或叫地下熱交換器熱泵系統(tǒng)）；以利用地下水為冷熱源的地下水熱泵系統(tǒng)；利用地表水為冷熱源的地表水熱泵系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)將制冷、制熱功能合一，可以取代鍋爐或熱力及空調冷源為建筑供熱、供冷和提供生活熱水。地源熱泵系統(tǒng)最大優(yōu)勢是可以利用低品位的能源，并將其進行有效的能量提

2、升并加以利用，是實現(xiàn)國家節(jié)能減排目標的有效應用技術。在地源熱泵的三種系統(tǒng)形式中，采用地埋熱換器的土壤源熱泵的施工難度最大，所以一直是地源熱泵技術的核心技術所在，應進行合理的設計、施工與安裝。1 地埋管換熱器的設計地埋管換熱器必須與熱泵機組和空調末端系統(tǒng)進行優(yōu)化匹配，地源熱泵系統(tǒng)才能正常工作。因此，設計關鍵主要集中在地下部分，包括冷熱負荷的確定、地下?lián)Q熱器的選型和布置形式等。地埋管換熱器不是兩種流體之間的換熱，而是埋管中的流體與固體（地層）的換熱，因此與傳統(tǒng)的換熱器傳熱計算有著很大的不同。計算宜根據(jù)現(xiàn)場實測巖土體和回填料熱物性參數(shù)（可按照地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范附錄B選取）進行計算，也可以采用專

3、用的計算軟件計算。地埋管熱換器的最終計算結果應結合換熱器的具體形式以及地埋管道長度、井數(shù)、井間距和井深來描述。在理論計算上，地埋熱換器系統(tǒng)應按照全年動態(tài)負荷進行計算，最小計算周期為1年，當冷熱負荷不平衡時，計算周期可取到十幾年或更長時間，在計算周期內，總吸收熱量應與總釋放量相平衡。設計時應注意最大釋熱量（末端最大冷負荷時）與最大吸熱量（末端最大熱負荷時）之間的關系，分別計算所需負荷計算埋地換熱器管道長度，相差不大時，宜通過技術經濟比較確定，有時需要采用輔助冷熱源進行調峰。在設計過程中，應重視對地源熱泵系統(tǒng)設計的基礎資料的準確性和真實性進行鑒別，特別是水文地質、地表情況、試驗井（坑）、水質等資料

4、，以免造成系統(tǒng)不正常運行。有專家通過應用有限單元法對土壤熱源地下U型垂直管周圍土壤的非穩(wěn)態(tài)溫度場進行了數(shù)值模擬，找出了U型垂直埋管向地下放熱量與埋管的埋深及埋管的熱作用半徑的對應關系，為U型垂直埋管換熱器的埋深、數(shù)量、及間距的設計提供了參考依據(jù)。地埋管換熱器土壤端取熱率的估算數(shù)值可參見表1，可作為設計的參考依據(jù)使用。由于地埋管換熱器管需要長期埋于地下工作，首先考慮的是使用壽命，因此從材料選擇上應選擇耐腐蝕、壽命長的材料，其次要求其熱交換效率要高、宜加工、造價低的材料。地埋管道采用聚乙烯管（PE80或PE100）、聚丁烯管（P8），不宜使用氯乙烯（PVC）管。管道與管件應使用相同的材料，管道的公

5、稱壓力及使用溫度應滿足設計要求，通常根據(jù)系統(tǒng)的凈水壓和增壓考慮管道的承壓，按照管道的標準尺寸比SDR（SDR=外徑/壁厚）或管系列（許用環(huán)向應力與額定壓力之比）S（S=（SDR-1）/2進行選擇。管道承壓不應小于1.0Pa。2 地埋管換熱器的埋管與連接方式2.1地埋換熱器的形式土壤源熱泵地埋管換熱器有多種形式，分為開式和閉式，多采用閉式系統(tǒng)，閉式換熱器系統(tǒng)的埋管形式又分為水平埋管和豎直埋管兩種形式，這兩種埋管形式各有特點和應用環(huán)境要求。水平埋管通常采用淺層敷設，在軟土地區(qū)較為合適，可以不設坡度，最上層管應在冰凍線下0.4m，據(jù)地面深度不小于0.8m。由于開外技術要不高，初投資較豎直埋管低，但其

6、占地面積打，不適合我國地少人多的國情，目前國內較少采用。為增加有效換熱長度，目前多采用螺旋式布管方式，水平埋管方式參見圖1。豎直埋管換熱器的構造有多種，主要有豎直套管與豎直U形埋管，每個鉆孔中可以設置1組或2組U形管，U形管管徑一般在50mm以下，其埋管深度取決與可提供的場地面積以及施工工藝和技術，鉆孔孔徑不宜小于0.11mm通常每個鉆孔中可設置1組或2組U形管，鉆孔的深度一般為60-100m。國外最深的U型管埋深已超過180m。井數(shù)、井位、井深應根據(jù)負荷、布管方式等情況確定，井孔的間距多在4-6m之間。有試驗報告顯示因為鉆孔內熱阻僅是埋管傳熱總熱阻的一部分，而孔外的巖土層熱阻都是相同的，雙U

7、形埋管只比單U形埋管提高15%-20%的熱換能力，且雙U形埋管管材用量大，安裝較復雜，因此，在一般地質條件下、每m鉆孔費用不高的情況下，多采用單U形埋管， 在遇到堅硬的巖石層時，由于鉆孔費用較高，巖石層的導熱能力較強，埋設雙U形管，能有效地減少鉆孔內熱阻，降低費用，從技術上、經濟上分析都是合理可行的。豎直埋管換熱器具有節(jié)約用地面積、換熱效能好、受外界的影響小、恒溫效果良好等特點，甚至還可安裝在建筑物基礎、道路、綠地、廣場、操場的下面而不影響上部的正常使用功能，亦可在建筑物的樁基中設置埋管，充分利用可利用的土地面積，這種埋管形式在我國較為適用。幾種垂直管換熱器形式可參見圖2.2.2 地埋換熱器之

8、間的連接方式地熱換熱器各鉆孔之間的連接方式既可采用串聯(lián)，也可采用并聯(lián)，串并聯(lián)的連接示意圖如3所示。由于串并聯(lián)系統(tǒng)中只有1個流體通道，而并聯(lián)系統(tǒng)中流體在管路中可有2個或更多的流道，因此，并聯(lián)管路與串聯(lián)管路相比，U形管的管徑可以更小，鉆孔孔徑也相應變小，從而可以降低鉆孔費用以及管路費用和充填的防凍液費用，較小的管路制作安裝容易，也可以相應減少人工費用。目前工程上多以并聯(lián)系統(tǒng)為主，為確保各并聯(lián)的U形埋管進、出口壓力基本相同，流量相同，每個環(huán)路長度應盡量保持一致，一般使用較大管徑的管道作為水平集箱連管（參見圖4），或制作分集水器（參見圖5），提高地下循環(huán)管路的水力穩(wěn)定性和控制能力。 3 地埋管換熱器的

9、施工安裝3.1 地埋管道的敷設管道在施工安裝前，應對管材、管件及附屬設備、閥門、儀表按設計要求進行校隊，并應在施工現(xiàn)場進行檢查，聚乙烯管道施工應執(zhí)行建設部行業(yè)標準埋地聚乙烯給水管道工程技術規(guī)程（CJJ101-2004）的有關規(guī)定。由于聚乙烯管較金屬管的強度低，管道承受外荷載的能力差、抗防凍問題突出，因此要特別注意管道的埋深。埋地換熱器的水平埋管應埋設在其他市政管道之下，一般覆土厚度為1.5-2.0m，埋設在車行道下的管道，不應小于0.8m，埋設在非車行道下時，不應小于0.6m。聚乙烯管很容易彎曲，但彎曲后的管道內側將產生壓應力，因此彎曲半徑根據(jù)不同管徑應控制在30D-75D之間，管段上有承接接

10、頭時，彎曲半徑不應小于125D。聚乙烯管的線膨脹系數(shù)較大，為避免產生拉應力，敷設應采取蛇形方式。由于聚乙烯管埋設后，難以用常規(guī)方式巡視，給管網(wǎng)的維護管理帶來困難，因此，管道敷設后宜沿管道走向埋設金屬示蹤線。3.2 地埋管換熱器連接管道的安裝地埋管的連接按照管材的要求進行焊接，通常選用熱熔連接和電熔連接。熱熔連接多采用熱熔焊機對管道進行熱熔對接，也有采用熱熔承插連接方式，圖6、圖7為現(xiàn)場熱熔焊接圖片。 電熔連接采用帶有電熱絲的專用電熔連接管件，見圖8；使用專用電熔機向管件的電極通電加熱，使其融化與管道連接在一起，見圖9。 在管道與閥門連接處，還要采用鋼塑過渡接頭或剛法蘭連接，小管徑管道（管徑小于

11、63mm）一般采用一體式接頭，大管徑管道則采用鋼塑法蘭連接。3.3 地埋管換熱器的施工安裝3.3.1 施工準備施工前應對埋管場地的工程地質勘查狀況和地下管線、構筑物進行充分調研勘查，確定其準確位置，規(guī)劃施工場地，并進行地面清理和平整，應根據(jù)管道平面布置圖確定鉆孔的具體位置和系統(tǒng)各管道的標高，并根據(jù)現(xiàn)場情況調整埋管布局。正式打井前應先打測試孔，其標準、規(guī)格同換熱井孔，建筑小于3000m2的豎直埋管系統(tǒng)可使用1個測試孔，面積較大應采用2-3個測試孔，測試孔深于U型管5m，以后可作為正式換熱井或觀察孔。有時還需要根據(jù)現(xiàn)場情況、地質情況確定鉆機的形式。通常在主管溝末端挖1個泥漿池，使鉆井過程中產生的泥

12、漿可順管溝流入泥漿池中沉積，并可收集作為回填物之用。地埋換熱器管路的間距主要是為了保證換熱效果和防止換熱短路現(xiàn)象發(fā)生。U型或套管式換熱器的進出水管之間可通過增大套管換熱器的內管璧的熱阻以及U型管2支管之間的距離來減少熱短路。U形管豎直埋管鉆孔的水平間距通常為4-6m，某工程U型管管孔間距情況見圖10.3.3.2 放線鉆孔鉆孔是豎埋管換熱器施工中最重要的工序。鉆孔的主要方法有螺旋鉆孔法、全套管法、回轉斗鉆孔法、沖擊法等方法。為保證鉆孔施工完成后于孔壁保持完整，如果施工區(qū)地層土質比較好，可以采用裸孔鉆進；如果是砂層，孔壁容易坍塌，則必須下套管。由于地埋熱換器的鉆孔深度較淺，一般采用常規(guī)的正循環(huán)鉆進

13、方法。鉆孔的孔徑應略大于U型管與灌漿管組建的尺寸為宜，一般要求鉆機的鉆頭直徑根據(jù)需要在100mm-150mm 之間，套管式換熱器外管的直徑可達到200mm鉆進深度可達到150m-200m，鉆孔總長度由供熱面積大小、負荷的性質和大小，以及地層及回填材料的導熱性能所決定，對于大中型的工程應通過詳細的設計計算確定，地層的導熱性能也應通過當?shù)氐膶崪y得到。對鉆井質量與效率影響較大的有排屑與注入物2大因素，對鉆孔效率影響最大的是切屑的排除速度。排渣（屑）的方法主要有正循環(huán)法和反循環(huán)法。正循環(huán)法的泥漿、水或空氣從鉆桿中心孔壓入孔低，攜帶切屑從鉆桿與井壁之間溢出到沉淀池，正循環(huán)法排渣速度較慢，易造成泥沙包住鉆

14、頭，增大鉆進阻力。反循環(huán)法為泥漿、水或空氣沿孔壁壓入井底，從鉆桿中心孔中吸出到沉淀池的方法。由于使用該種方法時流體沿孔壁的流速相對較慢，不宜沖刷孔壁造成塌井，切排渣效率較高，因此應用較多。還有一種雙管反循環(huán)法。循環(huán)物質流進獨立的進管和出管，這有助于減少塌井和裂縫，但目前較少采用。循環(huán)介質的選擇對鉆井質量與效率也有很大影響，它們的作用是冷卻鉆頭和帶走切屑，通常采用的有水、空氣或者泥漿、黏土等作為介質。對于黏土、亞黏土層一般可直接選擇水作為注入物，由井壁原土自行制漿護壁。對于沙土、沙層一般需要選擇攪拌好的黏土或泥漿進行護壁。清孔時一般選擇清水或清漿，在地下水位較低，較硬的土層和巖層中，經常使用壓縮

15、空氣或水作為循環(huán)物質。在鉆孔過程中，根據(jù)地下地質情況、地下管線敷設情況及現(xiàn)場土層熱物性的測試結果，適當調整鉆孔的深度、個數(shù)及位置，而不是非要鉆一定深度的孔。總鉆孔深度一定，就可以根據(jù)現(xiàn)場的地質條件決定鉆孔的個數(shù)和經濟合理的鉆孔深度。如果局部遇到堅硬的巖石層，應更換位置重新鉆孔。3.3.3 鉆孔機械的選擇鉆孔機械主要有以下幾大類：轉盤式鉆孔機、沖擊式鉆孔機、潛水式鉆孔機、螺旋式鉆孔機、全套管鉆孔機、回轉斗式鉆孔機等。在我國可以選擇普通的工程勘查鉆機、巖心機等進行施工。轉盤式鉆機是通過轉盤旋轉或懸掛動力頭旋轉帶動鉆桿，并傳遞動力到鉆具上，并通過鉆桿對鉆具施加一定的壓力，增加鉆進能力，變更鉆頭型號可

16、滿足各種不同土質條件的要求。目前單頁熱泵施工中多數(shù)采用的巖心鉆機就屬于液壓進給的轉盤式鉆機。該機組對地層的適應性較強，可通過變更鉆頭和調整鉆桿壓力，適應從軟土到極硬的巖層的土層結構，但對于卵石直徑2/3鉆桿內徑的較大的松散卵石層不能使用。該鉆機一般適用于平原和山區(qū)作業(yè)。其主要適用范圍為直徑幾十mm到幾m，深度大于100m的場所。沖擊式鉆孔機用于鉆孔灌注施工，尤其在卵石、漂石地層條件下它具有明顯的優(yōu)勢。其優(yōu)點是造價低、結構簡便，綜合施工費用低；適用于從土質土壤到巖層的多種地質條件。其缺點是施工速度較慢。潛水式鉆孔機的動力裝置與工作裝置連成一體，潛入泥水中工作，多采用反循環(huán)排渣。這類鉆機通過潛水電

17、機旋轉帶動鉆具切土，電鋸跟隨鉆具工作，潛入孔底，整個鉆具懸掛方式工作，故成孔垂度好，無須撤裝鉆桿，能連續(xù)工作。其特點是設備簡單、體積小、移動方便、能連續(xù)工作，成孔速度快，但塌孔不宜處理。其適用范圍是經濟孔深50m左右，當井深大于50m時，需采用鋼管作為排渣管，該鉆井機鉆孔直徑一般較大。螺旋式鉆機工作原理與麻花鉆相似，鉆具旋轉、利用鉆具下部切削刃切土。根據(jù)鉆頭形式又分為長螺旋式和短螺旋式。長螺旋式切下的土沿鉆桿上的螺旋葉片上升，排到地面，成孔速度較快，適用于小直徑鉆孔作業(yè)。短螺旋式則將鉆具提到地面反轉排土，適用于大直徑孔，最大鉆孔深度較小，在70-80m。當土壤地質條件不好時，可采用空心鉆桿。鉆

18、孔時，空心螺旋鉆桿充當保護套管。鉆孔完畢后，將鉆桿底部的鉆尖擊落，從鉆桿內部插入埋管，然后將鉆桿取出。全套管鉆孔機主要用于大型建筑基礎鉆孔樁施工。成孔過程是將套管邊晃邊壓入土壤中，并用錘式抓斗在套管中取土，成孔后，在將套管取出。回轉斗式鉆孔機主要用于鉆孔樁施工，使用傳動桿帶動的鉆斗挖土成孔，傳動桿是伸縮式或多節(jié)連接式以適應孔深要求，鉆斗上有切土的刀片和裝土的空腔，鉆削過程中切土進入鉆斗中，裝滿后停止旋轉，提升鉆頭排土，如此反復。國內常規(guī)鉆孔方式見圖11，國外打井專用機械見圖12。 3.3.4 下管下管是地埋換熱器施工的關鍵之一，下管的深度決定采取熱量的多少，因此，必須保證下管的深度。下管方法有

19、人工下管和機械下管2種，在鉆孔完畢后，應立即進行下管施工。目前，U形管的組裝已經可以在塑料管生產廠內完成，由生產廠家按照訂貨單的長度要求，生產組裝U形管和配套相應的管件，現(xiàn)場只需做簡單的裝配即可。垂直地埋管換熱器U型管安裝應在控洞鉆好且孔壁固化后進行。下管過程中，應將U型管與灌漿管捆綁在一起，管中宜充滿水，并采取措施保證U型管的2支管處于分開狀態(tài)。井孔內如果有大量積水，由于受水的浮力影響，對放管工作會造成一定的困難，水中含有大量的泥沙沉積會減少井孔的有效深度。因此，每鉆完1口井孔，應及時把U型管放入，并采取防止上浮的固定措施。在安裝過程中，應始終注意保持套管的內外管同軸度和U型管進出水的距離。

20、對于U型管換熱器，可采用專用的彈簧把U型管的2 個支管撐開，以減小2個支管間的熱量回流。下管完畢后要保證U型管露在地面，以便于后續(xù)施工。圖13為不同U型換熱器的下管圖片。3.3.5 水壓試驗埋地管的水壓試驗原則上應參照相關工程的技術規(guī)范執(zhí)行。當系統(tǒng)工作壓力1.0MPa時，試驗壓力應為工作壓力的1.5倍，且不應0.6MPa；當工作壓力1.0MPa時，試驗壓力加0.5 MPa。垂直地埋換熱器管路的水壓試驗一般分為4次進行，插入鉆孔前，應做第1次水壓試驗，并在試驗壓力穩(wěn)壓至少15min，壓力降不應大于試驗壓力的3%，且無泄露現(xiàn)象；將其密封后，在有壓狀態(tài)下插入鉆孔，完成灌漿之后保壓1h。水平地埋換熱器放入溝槽前，應做第1次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少15min，穩(wěn)壓后壓力降不應大于試驗壓力的3%，且無泄露現(xiàn)象為合格。埋管換熱器與環(huán)路集管裝配完成后回填前，應進行第2次試驗，在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少30min，穩(wěn)壓后壓力降不應大于試驗壓力的3%，且無泄露現(xiàn)象為合格。確定U型管無滲漏后方可進行封井。當環(huán)路集管與機房集水器連接完成后室外管溝回填前，還應進行第3次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少2h，且無泄露現(xiàn)象為合格。地埋管換熱系統(tǒng)全部安裝完畢，且沖洗、排氣及回填完成后，應進行第4次水壓