地源热泵系统地下换热器的施工技术

1、地源热泵系统地下换热器的施工技术庄迎春 1, 谢康和 1, 校月钿 2, 李西斌 1(1. 浙江大学 , 浙江杭州 310027; 2. 上海隧道工程股份有限公司 , 上海 200040摘 要 : 地下换热器是地源热泵系统中的关键技术之一 。 本文在工程施工的基础上 , 对该系统的施工技术进行了进一 步的研究 , 其中包括工程钻孔问题 、 注浆过程等方面 , 其研究结果可以应用在该系统的设计 、 施工中 , 对实际工程有较强 的指导意义 。关键词 : 地源热泵 ; 地下换热器 ; 施工技术中图分类号 : T U83211 文献标识码 : BConstruction T echnology of

2、 G round H eat Exchanger forG round Source H eat Pump SystemZH UANG Y ing 2chun 1,XIE K ang 2he 1,XI AO Y ue 2tian 2,LI X i 2bin 1(1. Zhejiang University ,Hangzhou 310027, China ;2. Shanghai Tunnel Engineering C o. ,Ltd. ,Shanghai 200233,China Abstract : G round heat exchanger is an important part o

3、f ground s ource heat pump (G SHP system. Based on an international coopera 2 tion practical engineering ,related construction technologies are studied ,which are engineering drilling ,grouting engineering for back filling material and inserting U 2type pipes into the bore holes and s o on. The resu

4、lts indicated can be implied in design and construction of ground s ource heat pump project ,and they are benefit to practical engineering.K ey w ords : ground s ource heat pump ;ground heat exchanger ;construction technology1 引言地源热泵是指通过将传统的空调器的冷凝器 或蒸发器延伸至地下 , 使其与浅层岩土或地下水 进行热交换 , 或是通过中间介质作为热载体 , 并使

5、中间介质在封闭环路中通过在浅层岩土中循环流 动 , 从而实现利用低温浅层地能对建筑物内供暖 或制冷的一种节能 、 环保型的新能源技术 。根据 G B 50176 1993 民用建筑热工设计规范 , 夏热 冬冷的长江三角洲地区制冷与供暖的天数大致相 当 , 即冷热负荷基本相同 。利用该技术可以充分 发挥浅层地表的储能储热作用 , 达到环保 、 节能的 双重功效 , 因此该技术被誉为 “ 二十一世纪最有效 的空调技术” 1。 图 1为地源热泵的工作原理图 。 目前 , 国内该领域的研究主要集中在直埋式地下 换热器方面 。 因为随着热泵技术本身运用于地源 的日渐成熟 , 对地下换热器的研究已成为该技

6、术 的关键所在 。 本文是作者在参加了长春市地源热 泵土 工 设 计 及 施 工 工 程 (中 日 国 际 合 作 项 目 (2002 的基础上所做的进一步的研究工作 2, 国 内还没有相关的研究文献 。图 1 地源热泵系统工作原理 地源热泵地下换热器的施工流程如图 2所 示。 图 2 地源热泵地下换热器的施工流程2 工程钻孔问题工程钻孔是地下换热器施工过程中最重要的 一个环节 3。 由于地源热泵的地下换热器置入深 度在 40100m 之间 , 所以施工难度较低 , 所采用 的钻机一般为工程勘察钻机或者浅层岩芯钻机 。 表 1列出了几种常用的钻机类型及其重要参数 。表 1 常见工程钻机参数 钻

7、机型号 SPC300Y DC10021DK 300IIIDPP100钻孔直径(mm 15030015030056219110200钻进最大 深度 (m 300300300150最大泵量 (L/min 600200100450钻进方法比较简单 , 一般采用正循环或反循 环的回转钻进方法 , 图3所示为正循环钻进 。在 进行工程钻孔施工时应该先对场地的地质状况进 行了解 , 掌握已有的地质剖面图 , 而且应注意是否 有地下管线及确定其准确的位置 , 特别指出的是 在钻进过程中应该即时发现钻孔中存在的问题 , 如钻孔漏失等情况 , 这对整个系统的环境安全至 关重要 。 然后进行场地清理 , 铲除地面

8、杂草 、 杂物 和浮土 , 平整地面 , 确定钻孔的具体位置 。同时 , 考虑到注浆时浆液会从钻孔溢出 , 所以在施工前 , 可以先设计并布置好排水沟 , 一般可顺地势挖 , 并 在沟末端连接一个灌浆池 , 钻孔过程中产生的泥 浆也可以在灌浆池中沉淀 , 沉淀后可作回填土 。 考虑对环境的影响 , 特别是因为施工的原因 造成防冻液的渗漏等情况的发生 , 在进行成孔施 工时要求对在第四纪松散地层下套管 , 保证环境的安全性 。 所以在进行钻孔施工前 , 必须根据工 程勘察所得到的地层情况 , 设计好工程孔的孔身 结构 。图 3 正循环钻进在北方 , 考虑埋管深度时 , 应该根据当地的冬季冻土深度

9、确定其最浅埋管深度 , 比如长春的冻 土深度为 140170cm 之间 , 所以在水平管道时往 往要求埋地深度为 250cm 左右 。 在南方应考虑天 气和季节变化以及生物的破坏能力等因素的影 响 , 一般要求敷设管道时应该在 100cm 以下 。 3 U 型管的连接方法埋入地下的管材首先要保证化学性质稳定 、 耐腐蚀 , 并保证有良好的导热性能 , 以保证系统的 性能 。 表 2为常用管材的导热性能 。表 2 热熔性管道热特性材料 材质 导热系数 W/(m K 聚乙烯 (PE 高密 低密 0. 460. 520. 35聚氯乙烯(PVC 硬质 软质0. 130. 290. 130. 17聚丁烯

10、 (P B 0. 23聚丙烯 (PP 2R 0. 24U 型管的连接就是 U 型管的热熔联接过程 ,即首先将 U 型管修剪 、 清洗整洁 、 对齐 , 然后加热 到其熔点 , 冷却后联接在一起 。为了系统的正常 运行 , 必须保证 U 型管的联接可靠 , 一般采用热 熔联接 , 主要考虑以下几个方面的原因 :(1 热熔联接接头的强度比 U 型管本身的强 度大 。 接头部位管壁厚度较大 , 因而其强度也增大 ;(2 接头或联接部件都是塑料材质 , 不存在腐蚀问题 ;(3 多种工业标准都明确推荐采用热熔方法 联接 U 塑料管 。 在工业上 , 热熔技术有 2种 :承插联接和对 接 。 承插联接时

11、, 两个需要联接的 U 型管的端部 分别与一个较粗的承接管段两端部加热熔接 , 如 图 4所示。 图 4 承接联接方式采用对接时 , 需联接的 2根 U 型管端部被加 热板同时加热而联接到一起 , 如图 5所示。每个接头只需加热一次 。联接时 , 必须保证 2根 U 型 管对齐 , 并把端部加工平整 , 熔接后必须固定 2个 U 型管同轴冷却 20s , 以保证熔接强度 。 冬季施工 时 U 型管的联接应在室内进行。 图 5 对接联接方式4 下管钻孔完毕后应即时下管 , 因为钻孔有大量的沉积泥沙 , 这就减少了钻孔的有效深度 。 因此 , 每 钻完一个孔 , 应即时把 U 型管或套管放入 。下

12、管是一个非常关键的步骤 , 下管的成功与 否决定了系统是否能够安装成功 。 下管过程到目 前为止还没有达到机械化 、 自动化的程度 , 都采用人工下管 。需要的人力比较多 , 要求有扶正 、 下 压 、 送管等几个分工 。下管时 , 应尽量保持同心 度 , 并且管与管不要紧密接触 , 以免产生换热器的 “ 短路” 现象 。在下管完成后要采取防止上浮的固定措施并 将 U 型管的末端密封 , 避免杂物掉入管道内 , 对 系统的运行造成影响 。 5 注浆工程注浆量的计算公式 :V g =(d 2b -ni =1d 2p 4H 式中 V g 注浆量 , m 3 超径系数 , 一般取 1. 31. 5

13、d b 钻头直径 , m d p U 型管直径 , m H 孔深 , m 注浆时 , 先将水泥 、 膨润土 、 砂和水按照设计 好的比例放入调整搅拌机中搅拌 23min , 然后 排入到低速搅拌罐中搅拌 。 灌浆时 , 先打开阀门 , 把浆液排入到贮浆池中 , 通过高压泥浆泵注入孔 内 。 并通过 in =out , 即注入时浆液的密度与溢 出时浆液的密度是否相等来判断是否停止注浆 , 如果相等则表示浆液已经充满了孔内 , 可以停止 注浆 。 图 6为典型的注浆系统。图 6 灌注系统组成示意6 工程实例长春市地源热泵采暖 /制冷实验示范项目是采用直埋式换热器进行热交换 、 采用水暖 +风机 联

14、合作用的室内系统的地源热泵系统 。(下转第 66页(上接第 62页 施工场地地处伊通河畔 , 受河流沉积作用影 响 , 上部 13m 为杂填土 , 粉质粘土 、 卵砾石以及 含砂第四纪地层 , 下部为基岩 , 包括泥页岩 、 砂岩 和石灰岩 , 硬度等级较高 。 由于地质环境影响 , 砂 层深度变化较大 , 但总体不超过 10m 位置 (通过 随钻返回的岩芯得到 。共设 计 采 用 16口 100m 深 、 直 径 为 150 200mm 之间不等的地下换热器 4, 以对不同孔径 的传热效果做出评价 。该项目从 2001年元旦正式投入使用以来 , 使 用效果良好 , 系统运行正常 , 系统本身

15、基本无需维 护 (由于本系统具有试验性质 , 所以需读取试验数 据 。系统运行的 COP 平均值在 3. 15, 节能效果 良好 ; 由于对周围环境不造成污染 , 通过风机送达 室内的空气清新 , 人体感觉舒适环保效果也较为 理想 。 参考文献 :1 高青 , 于鸣 1效率高 、 环保效能好的供热制冷装置 地热热泵的开发和利用 J1吉林工业大学自 然科学学报 ,2001,31(2 :96210212 孙友宏 , 庄迎春 1长春市地热泵实验示范项目施工 研究报告 R1长春 :吉林大学 ,200013 Burkhard Sanner , Olof Anderss on , Drilling methods for shallow geothermal installations A 1Proceedings of the W orld G eothermal C