地源热泵空调土壤源技术及运用

地源热泵空调土壤源技术及运用

胡行亚

恒通建设集团有限公司，江苏 扬州 225009

摘要：本文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 中图分类号：TU833 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)12-0282-02

1 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，关系到整个地源热泵空调系统能否满足功能要求和正常使用。

1.1 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。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。

1.2 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

地源井集分水器接热泵机房图三：非集管式连接方式

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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。

1.3 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；

1.3.1 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；

1.3.2 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；

（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）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。

（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。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。

1.4 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地质情况、钻孔成本、管内流速等到情况综合考虑，井深在10~200m之间。

2 钻孔埋管施工步骤 2.1 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；

中国科技期刊数据库 工业C

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。

2.2 PE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。

2.3 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。

2.4 钻孔回填

当埋管深度超过40米时，宜采用泥浆泵通过灌浆管自 （上接第 281 页） 响着桩的质量，当钻进至设计标高后，停止钻进，开始泵送混凝土，同时开始拔管，严禁先提管后泵料。成桩的提升速度控制在2~3m/min。提升压灌的过程中，如发现支腿下沉，立即停止提升，并调节钻机水平，方可继续压灌。机手提升钻杆时要时刻保证管内充满混凝土,保持一定的压力，钻具内无混凝土严禁提升。

3.7 桩的检测情况

本段CFG桩施工完成后，桩数、桩位偏差、桩顶标高、桩身质量、完整性以及处理后的单桩承载力和复合地基承载力检验严格按照《高速铁路路基工程施工质量验收标准》执行。成桩28d后及时进行桩身质量、完整性检测或单桩承载力检测，同时测定标准试块的抗压强度。低应变检测数量不小于总数的10%，平板荷载试验桩数不小于总数量的2%且每检验批不小于3根。

3.8 桩帽施工

在施工桩帽前，各技术负责人必须熟悉图纸，有什么疑问尽快与部门领导联系，以确保CFG桩桩帽施工质量。CFG桩桩帽采用C25混凝土，混凝土原材料应经检测合格后方可使用。CFG桩质量检测合格后，需将桩顶凿毛，立模浇注C25

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。

2.5 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。

3 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

[1]王子彪, 田伟龙, 范长娜. 地源热泵单、双U型地埋管换热器换热性能分析[J]. 科技致富向导, 2013, (33):294. [2]马健, 张吉炎, 郑中援. U形管地下换热系统的传热数值模拟[J]. 科技信息, 2011, (24):340-341.

[3]刘胜超. 某金融广场地源热泵地埋管换热系统施工技术探讨[J]. 建筑知识：学术刊, 2012, (5):343-345.

混凝土桩帽，桩帽直径1.1m，厚0.5m，桩顶嵌入桩帽不小于0.1m；模板安装要稳定牢固，接缝严密不漏浆，模板内涂有隔离剂，模板内无杂物、无积水；桩帽施工期间，下雨时应用彩条布或厚塑料布覆盖，防止桩间土被水浸泡；桩帽施工完成后应及时进行混凝土养护；桩帽间土使用A、B组填料夯填密实，压实系数K≥0.9。

4 结论

综上所述，CFG桩由于施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低，有非常好的经济效益和社会效益，现已得到广泛应用。

参考文献

[1]任鹏,邓荣贵,于志强.CFG桩复合地基试验研究[J].岩土力学,2012,01:81-86.

[2]曾召田,吕海波,尹闯,谢超,周文.CFG桩复合地基加固机理及工程实例分析[J].铁道建筑,2014,01:79-81.

[3]李红建,赵坚,黄河.浅谈CFG桩复合地基技术工程应用[J].江苏水利,2014,S1:49-50+52.

[4]万翔,尹志伟,邵庆良.CFG桩复合地基设计方法与实例[J].工程与建设,2014,01:77-79.

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