地埋管技术手册

1、土壤源热泵埋管系统技术手册一、 土壤源热泵系统设计的主要步骤（1）建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册。冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式计算：夏季制冷工况：最大释热量=空调分区冷负荷×（1+1/EER）+输送过程得热量+水泵释热量冬季制热工况：最大吸热量=空调分区热负荷×（1-1/COP）+输送过程失热量-水泵释热量水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的 COP1、C

2、OP2 。若样本中无所需的实际设计工况，可以采用插值法计算。最大吸热量和最大释热量相差不大的工程，应分别计算供热与供冷工况下地埋管换热器的长度，取其大者，确定地埋管换热器；当两者相差较大时，宜通过技术经济比较，采用辅助散热（增加冷却塔）或者辅助供热（锅炉、城市供暖）的方式来解决，一方面经济性比较好，另外也可避免因吸热和释热不平衡引起岩土的温度的升高或降低，导致整个换热系统逐渐失效、不能正常继续使用。（2）地下热交换器设计这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容，主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。（在下文将具体叙述）二、 地下热交换器设计2

3、.1 选择热交换器形式2.1.1 水平（卧式）或垂直（立式）在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。水平埋管时根据一条沟中的埋管的多少和方式分为单管、双管、多管和螺旋管等多种形式。根据埋管方式不同，垂直埋管大致有3种形式：（1）U型管（2）套管型（3）单管型。套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失。单管型的使用范围受水文地质条件的限制。U型管应用最多

4、，管径一般在50mm以下，埋管越深，换热性能越好，钻孔的深度一般为60-100m，最深的U型管埋深已达180m，钻孔之间的配置应考虑可利用的土地面积，两个钻孔之间的距离可在4-6m。U型管的典型环路有单U形管、双U形管和小直径螺旋管，其中使用最普遍的是每个竖井中布置单U型管。2.1.2 串联或并联地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般都采用并联同程式。结合上文，即常采用单U型管

5、并联同程的热交换器形式。2.2 选择管材一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足。地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、热导率大、流动阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯（PE80或PE100）或聚丁烯（PB），它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；不宜使用聚氯乙烯（PVC）管，不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。2.3 确定管径在实际工程中确定管径必须满足两个要求：（1）管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够

6、使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm，管内流速控制在06-1m/s,对更大管径的管道，管内流速控制在1.5-2.0m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m当量长度以下。2.4 确定竖井埋管管长地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。美国和欧洲提出了多种不同的设计计算方法，但是迄今为止还没有统一的规范，地埋管换热器设计计算应根据现实实测岩土及回填料的热物理性，通过

7、专用设计软件进行计算，但是这计算软件很麻烦、繁琐，并且部分数据不易获得。在实际工程中，往往根据行业的设计经验和相关资料，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一般垂直埋管为4060W/m(井深)，水平埋管为2040W/m（管长）左右。 设计时可取换热能力的下限值，即AW/m（井深），具体计算公式如下：L=Q1x 1000/A（3）其中L竖井埋管总深度，m Q1 夏季向土壤排放的热量，kW 分母“A”是夏季每m井深散热量，W/m2.5 确定竖井数目及间距竖井深度多数采用60100m，最深可达到180m，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计

8、算竖井数目:N=L/H 其中 N竖井总数，个 L竖井埋管总长，m H竖井深度，m 然后对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深，否则钻孔和安装成本大大增加。管径偏大的竖直埋管间距也应相应取大值。2.6 计算管道压力损失在同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。可采用当量长度法，将局部阻力件转换成当量长度，和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度，再乘以不同流量、不同管径管段管道的压降，将所有管段压降相加，得出总阻力。2.7 水泵选型根据上述计算最不利环路所得的管道压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，确定水泵

9、的扬程，需考虑一定的安全裕量。根据系统总流量和水泵扬程，选择满足要求的水泵型号及台数。2.8 校核管材承压能力管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和1，即：P=P0+gh+0.5Pk其中： 管路最大压力，Pa o建筑物所在的当地大气压，Pa 地下埋管中流体密度，kg/m3 g 当地重力加速度，m/s2 h地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m Pk水泵扬程，Pa三、 传热介质传热介质应以水为首选，在传热介质（水）有可能冻结的场合，传热介质应添加防冻液，添加防冻液后的介质的冰点宜比设计最低运行温

10、度低3-5.常用的防冻液有：氯化钙、乙醇、乙烯基乙二醇、甲醇、醋酸钾等。四、安装方法地埋管管道的连接地埋管通常采用的是聚乙烯（PE80或PE100）或聚丁烯（PB），连接一般分为两种-热熔连接和电熔连接。焊接的通用原理是聚乙烯一般在190-240之间的范围被溶化，然后相互对接融合，经冷却固定而连接在一起。与之相对应的设备热熔焊机和电熔焊机。1、 热熔连接热熔连接首先把管道修剪、清洗整洁、对齐、然后加热到其熔点并连接在一起，在后冷却形成一体，热熔技术有热熔对接和承插连接两种。1.1热熔对接热熔对接是将待接聚乙烯管段界面，利用加热板加热融合相互对接融合，经冷却固定而连接在一起的方法。采用热熔对焊机

11、来加热管端，使其溶化，迅速将其贴合，保持有一定的压力，经冷却达到熔接的目的。各尺寸的聚乙烯管均可采取热熔对接方式连接。但是公称直径小于63mm的管材推荐采用电熔连接。该方法经济可靠，其接口在承拉和承压时都比管径本身具有更高的强度。（1） 准备工作。对接管段均应材质一致，应尽量采用同一厂配套材料；对接管段外径、壁厚应一致；待焊接管材和管件的内外表面，尤其是端口附近应光滑平整，无异状；管材的尺寸偏差应满足要求；对接管段均应具有与焊机匹配的良好的加工与焊接性能；检查焊接系统及电源匹配情况，清理加热板，将焊机各部件的电源接通，并应有接地保护；按焊机给出的焊接工艺参数设置加热板温度之焊接温度；若是自动焊

12、机，还应设置吸热时间与冷却时间等参数。（2） 热熔对接的操作要点。使用该方法时，设备仅需热熔对接焊机，操作要点如下：将待连接管材置于焊机夹上并夹紧，接着清洁管材待连接管端，并铣削连接面，校直两对接件，使其错位量不大于壁厚的10%。然后放入加热板加热。加热完毕后，取出加热板。最后迅速接合两加热面，升压至熔接压力并保压冷却。1.2 热熔承插连接 在热熔承插连接中，两个需要连接管道端部分别与一个较粗的承接管段两端部加热熔接，这样，每个接口需要两次热熔连接过程。 热熔承插连接时，管道端口应倒角，擦净连接面。在插口端画标线，用加热工具同时对管材、管件的连接面加热。当DN>63mm时，采用机械装置的

13、加热工具，否则为手动加热工具。加热完毕后，立即退出加热工具，用均匀外力将插口伸入承口达标线的深度，在承口端部形成均匀凸缘。2 电熔连接就是将电熔管件套在管材、管件上，预埋在电熔管件内表面的电阻丝通电发热，产生的热能加热、熔化电熔管件的内表面和与之承插的管材外表面，使之融为一体。2.1 准备工作及注意事项。对接管段均应材质一致，同时应尽量采用同一厂配套材料；对接管段外径、壁厚应一致，误差在许可范围；待焊管材和管件的内外表面应光滑平整，无异状；对接管段均应具有与焊机匹配的良好的加工与焊接性能。2.2 电熔连接的操作要点。清洁管材连接面上的污物，标出插入深度，刮除其表皮；管材固定在机架上，将电熔管件

14、套在棺材上；校直待连接件，保证同一轴线上，通电，熔接，冷却。3 钢塑管道的转换连接聚乙烯管道在和钢管及阀门连接时采用钢塑过度接头连接和钢塑法兰连接。对于口径的聚乙烯管（DN<63mm），一般采用一体式钢塑过度接头；对于大口径的聚乙烯管（DN>63mm），一般采用钢塑法兰连接。1、 钢塑过度连接钢塑过渡接头的聚乙烯管端与聚乙烯管道连接热熔和电熔连接方法处理。2、 钢塑法兰连接聚乙烯管端与相应的塑料法兰连接，按热熔和电熔连接方法处理。钢管端与金属法兰连接，应符合相应的钢管连接、法兰连接以及机械连接的规定。4 钻孔与挖掘4.1 水平式地埋管换热器安装要点（1） 按平面图开挖地沟；（2）

15、按所提供的热交换器配置在地沟中安装塑料管道；（3） 应按工业标准和实际情况完成全部连接缝的熔焊；（4） 循环管道和循环集水管的试压应在回填之前执行；（5） 应将熔接的供回水管线连接到循环集管上，并一起安装在机房内；（6） 在回填之前进行管线的试压；（7） 在所有埋管地点上方进行标志，表明管线的位置。4.2 管道安装步骤管道安装伴随着挖沟同步进行，挖沟可使用挖掘机或人工挖沟。如采用全面敷设水平埋管方式设置换热器，也可使用推土机等施工施工机械，挖掘埋管场地。管道安装主要步骤：首先清理干净沟中的石块，然后沟底铺设100-150mm厚的细土或砂子，用一支撑和覆盖保护管道。检查沟边的管道是否有切断、扭结

16、等外伤；管道连接施压后，再小心地放入沟内。回填料采用网孔不大于15mm×15mm的筛进行过筛，保证回填料不含有尖利的岩石块和其他碎石。为保证回填料与管道紧密接触，回填应在管道两侧同步进行，同一沟槽中有双排或多排管道时，管道之间的回填压实应与管道和槽壁之间的回填压实对称进行。各压实面的高差不宜超过30cm。管腋部采用人工回填，确保塞严、捣实。分层管道回填时，应重点做好每一管道层上方15cm范围内的回填。管道两侧和管顶以上50cm范围内，应采用轻夯实，严禁压实机具直接作用在管道上，使管道受损。若是土壤粘土且气候非常干燥时，宜在管道周围填充细砂，以便管道与细砂的紧密接触。或者在管道上方埋设

17、地下滴水管，以确保管道与周围土层的良好换热条件。4.3竖直式U形埋管换热器（1）放线、钻孔根据地下换热器设计图纸上的钻孔排列、位置逐一落实到施工现场，单U形埋管钻孔孔径约110-130mm，双U形埋管管径约为130-150mm。孔径的大小以能够较容易的插入所设计的U形管及灌浆为准。U形埋管外径为25-40mm。钻孔中常用的两种技术：泥浆或空气旋转钻孔和标准螺旋钻或空心杆螺旋钻钻孔。在泥浆或空气旋转钻孔方式中，钻机旋转钻管并沿钻管内部送入高压空气、水和泥浆以润滑和冷却钻头，并沿着钻杆的外侧将钻屑送回地表。在旋转泥浆钻孔方式中，如果需要的话，将取出的泥浆放入泥浆池中以便再回填封孔，或者将其远离作业

18、现场。空心杆螺旋钻机钻孔时，钻机驱动带有切削齿的钻尖旋转，钻孔作业完全是干式的，因此施工现场较为干净。大部分岩土屑被带到地面，但仍有一部分被就地挤压进钻孔壁画，钻孔时，空心螺旋钻杆充当了钻孔的保护套管。钻孔完成之后，钻杆底部的钻尖被击落，插入埋管，然后将钻杆拉出或旋出。（2）U形管现场组装、试压与清洗 随着地埋管地源热泵空调系统的产业化，U形埋管的组装已逐步在塑料管生产厂内完成，即成形的U形管。但实际钻孔深度与设计深度或多或少有些差别，因此U形管在现场组装、切割为宜，以满足实际需要，竖直地埋管的U形弯管接头，宜选用定型的U形弯头成品件。下管前，应将U形管的两个支管固定分开，以免下管后两个支管贴

19、靠在一起，导致热量回流，采取措施：一、利用专用的地热弹簧将两管分开，同时使其与灌浆管牵连在一起，当灌浆管自下而上抽出时，地热弹簧将两个支管弹离分开。另一种就是用塑料管卡或塑料短管等支撑物将两支管撑开，后将支撑物绑缚在支管上。两支撑管间距在2-4m左右，U行管端部应设防护装置，以防止在下管过程中的损伤；U形管中充满水，增加自重，抵消一部分下管过程中的浮力。 钻孔完成之后，应立即下管。当钻孔较浅或泥浆密度较小时，宜采用人工下管，反之采用机械下管，常用的机械下管方法是将U形管捆绑在钻头上，然后利用钻孔机的钻杆，将U形管送入钻孔深处。U形管的长度应比孔深略长些，以使其能够露出地面。下管完成后，做第二次

20、水压实验。确认U形管无渗漏后，方可封井。（3）回填封孔 主要方法：利用泥浆泵通过灌浆管将回填材料灌如孔中，回灌时，根据灌浆的快慢将灌浆管逐渐抽出，使回填材料自下而上注入封孔中，确保钻孔回灌密实，无空腔。 对回填材料的选择取决于地埋管现场的地质条件，回填材料的热导率应不小于埋管处的岩土层热导率。一般选用膨润土、细砂、水泥的混合浆，热导率在1.4w/(m.k)左右，如果在热导率大的岩石层中，必须选用专用的热导率大的回填材料。否则，回填材料有可能变成U形埋管的保温隔热层。（4）环路集管连接 地下U形埋管与水平管的连接称为环路集管连接。水平埋管深度一般控制在1.5-2m之间，管道沟挖好后，沟底夯实，填一层细砂或者细土，并留有0.003-0.005的坡度，在管道弯头附近要人工回填以避免管道出现波浪弯，集管连接管在地上连接层若干个管段，再置于地沟与U形管连接，构成完整的闭式环路，在分、集水器的最高端或最低端设置排气装置和除污排水装置，并设置检查井，管沟回填时，应分层用木夯夯实。 水平集管连接方式主要有两种。一种是沿钻孔的一侧或两排钻孔的中间铺设供水和回水集管；另一种是将供水和回水集管引至地下U形管区域的中央位置。地埋管换热系统的检验与水压实验五 地埋管水压试验1、水压试验特点和压力值（1） 水压实验特点。聚乙