地埋管换热系统施工技术

地埋管换热系统施工技术（一）、换热器埋管技术

闭式地源热泵系统将换热器管埋于地下，埋管形式有水平埋管和竖直埋管两种。

水平埋管通常浅层埋设，开挖技术要求不高，初投资低于竖直埋管，但其占地面积大，开挖工程量大。这种形式在地源热泵技术的早期应用中较多，现国外工程己很少采用。

竖直埋管地源热泵系统占地面积小，受外界的影响极小，恒温效果好；施工完毕后，需要的维护费用极少，用电量也低，运行成本得到了大幅度降低。它比较适合我国这样人多地少的国家建造，同时，它也是国际地热组织(1GS卿A)的推荐形式。目前国外应用较多，发展也较快。如何提高钻孔效率，降低初投资中的钻孔费用是当前该领域研究的重点。

1．竖直埋管换热器形式

竖直埋管换热器根据埋设的方式不同大体可分为U型管形式，套管形式，单管形式。

目前，以U型管的形式运用较多，U型管管径一般在50mm以下，流量不宜太大。U型管换热器的埋深取决于可提供的场地面积以及施工技术，一般在60m—100m。目前国外最深的U型管埋深己超过180m。

套管式换热器外管的直径可达200mm，由于增大了换热面积，可减少钻孔数和埋深。但内管与外腔中的液体发生热交换会带来热损失，而且下管的难度和施工费用也增加。

单管型埋设方式可以降低安装费和运行费。在地下水位以上用钢管作为护套，直径和孔径一致，典型的孔径为150Dxn，地下水位以下为自然孔洞，不加任何设施。这种方式受水文地质条件限制，使用有限。

2．换热器的回路形式及其优缺点

换热器的回路有串联和并联布置两种形式。两种形式各有优缺点：

(1)串联系统。

优点是：①单一的流程和管径；②管道的线性长度有较高的换热性能；②系统的空气和废渣易排除。

缺点表现在：①需要较大的流体体积和较多的抗冻剂；②管道费用和安装费用较高；②单位长度压力降特性限制系统能力。

(2)并联系统。

优点是：①管径较小，管道费用较低；②抗冻剂用量较少；②安装费用较低。

缺点表现在：①一定要保证系统空气和废渣的排除：②在保证等长度环路下，每个并联路线之间流量要保持平衡。

3．换热器管路间距

U型或套管式换热器的进出水管之间存在热交换的短路现象，通常可通过增大套管换热器的内管壁的热阻以及U型管两用可能占到整个系统初投资的50％以上)。下面就从地热换热器施工的角度对钻孔方法与相应的施工机械进行概述。

1．钻孔方法

钻孔主要有螺旋钻孔法、全套管法、回转斗钻孔法、冲击法等方法。这些方法将结合具体施工机械作简要介绍。先来谈一下对钻于L质量与效率影响较大的两个方面：排屑与注入物。

(1)排屑

对钻孔效率影响最大的是切屑的排除速度。排渣(屑)的方法主要有正循环法和反循环法。

①正循环法为泥浆、水或空气从钻杆中心于L中压入孔底，携带切屑从钻杆与于L壁之间溢出到沉淀池。正循环法排渣速度较慢，易造成泥沙包住钻头，增大进钻阻力。

②反循环为泥浆、水或空气沿孔壁压入于L底，从钻杆中心孔中吸出到沉淀池的方法。由于流体沿孔壁的流速相对较慢，不易因冲刷孔壁造成塌孔，此法因排渣效率高而应用较多。

②还有一种双管反循环法。循环物质流经独立的进管和出管，这有助于减少塌于L和裂缝，但目前较少采用。

(2)循环注入物质

循环物质的选择对钻于L质量与效率也有很大影响，常采用的有水、空气或者泥浆、黏土等。它们的作用一是冷却钻头，二是带走切屑。

对于黏土、亚黏土层一般选择水作为注入物，由本土自行制浆护壁；对于沙土、沙层一般选择注入黏土或泥浆进行护壁。清孔时一般选择清水或清浆。在地下水位较低，较硬的土层和岩层中，经常使用压缩空气或水作为循环物质。

2．钻孔机械

根据上述不同的钻孔方法形成了不同种类的钻孔机械。主要有以下儿大类：

(1)转盘式钻孔机

转盘式钻机是通过转盘旋转或悬挂动力头旋转带动钻杆，并传递动力到钻具上，并可通过钻杆对钻具施加一定的压力钻孔，增加钻进能力，变更钻头型号可满足各种不同土质条件的要求。目前地源热泵施工中多数采用的岩心钻机和工勘钻机就属于液压给进的转盘式钻机。其主要特点及适用范围是：

①钻孔直径：几毫米至几米，钻孔深度大于100m。

②对地层的适应性强，从软土到极硬的岩层(变更钻头和调整钻杆压力)，但对较大的松散卵石层不行(卵石直径＞2／3钻杆内径)。一般适于平原和山区作业。

(2)冲击式钻孔机

冲击式钻孔机用于钻孔灌注施工，尤其在卵石、漂石地层条件下它具有明显的优点。其优点是造价低、结构简便，综合施工费用低；适用于从土质土壤到岩层的多种地质条件。其缺点是施工速度较慢。

(3)潜水式钻孔机

潜水式钻孔机的动力装置与工作装置连成一体，潜入泥水中工作，多采用反循环排渣。这类钻机通过潜水电机旋转带动钻具切土，电机跟随钻具工作，潜入孔底，整个钻具悬挂方式工作，故成孔垂度好，无须撤装钻杆，能连续工作。其特点及适用范围是：

①设备简单、体积小，移动方便。

②能连续工作，成孔速度快。

②经济孔深50m，若大于50m时，需采用钢管作为排渣管；钻孔直径一般较大。

④塌孔不易处理。

(4)螺旋式钻孔机

螺旋式钻机工作原理与麻花钻相似，钻具旋转、利用钻具下部切削刃切土。根据钻头形式又分为长螺旋式和短螺旋式。长螺旋式切下的土沿钻杆上的螺旋叶片上升，排到地面，成孔速度很快，适用于直径小的钻孔作业。短螺旋式则将钻具提到地面反转排土，适用于大直径孔，最大钻孔深度较小(／J、于70m—80m)。

当土壤地质条件不好时，可采用空心钻杆。钻孔时，空心螺旋钻杆充当保护套管。钻孔完毕后，将钻杆底部的钻尖击落，从钻杆内部插入埋管，然后将钻杆取出。

(5)全套管钻孔机

该种钻机主要用于大型建筑基础钻孔桩施工。成孔过程是将套管边晃边压入土壤中，并用锤式抓斗在套管中取土。成孔后，再将套管取出。

(6)回转斗式钻机

回转斗式钻孔机主要用于钻孔桩施工，使用传动杆带动的钻斗挖土成孔，钻斗上有切土的刀片和装土的空腔，钻削过程中切土进入钻斗中，装满后停止旋转，提升钻头排土，如此重复。传动杆是伸缩式或多节连接式以适应孔深要求。

上述钻机各有其适用面和优势，如何结合地源热泵的施工特点，开发出一种新型的适于不同地质条件与施工要求的高效钻机是急需解决的问题。若能将钻孔过程与下管、封井工艺相结合甚至是同时进行，将极大的推进地源热泵技术的工程化应用。这就需要对钻孔机理与施工工艺、设备进行更深入的研究。

（四）、结束语