地源热泵地埋管相关知识

地埋管相关知识1.实施原则

(1)作为可再生能源的一种应用形式，地埋管地源热泵系统技术先进、高效节能，是理想的空调冷热源整体解决方案。因此，天津市辖区所有新建、扩建或改建的公共建筑项目在规划设计阶段，均应优先考虑采用地埋管地源热泵系统作为项目的空调冷热源。

(2)地埋管换热器系统的设计施工应符合以下标准、规程、规范的规定：《采暖通风与空调调节设计规范》(GB50019-2003)：《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366—2005)：《通风与空调工程质量验收规范》(GB50243—2002)；《制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范》(GB50274—98)：《天津市地埋管地源热泵系统应用技术规程》(DB29—178—2007)。

2.采用地埋管地源热泵系统的运作程序

(1)项目建设单位或代理人应委托咨询机构，基于LCC(生命周期费用)方法、项目所在地的能源条件与价格及实施地埋管地源热泵系统的基本条件，进行空调冷热源多方案比较，评估项目采用地埋管地源热泵系统的技术经济可行性，并出具咨询报告书。

超过2万m2以上的大型建筑，应采用专家论证的方式对咨询机构出具的咨询报告书进行确认。

(2)可行性方案确认后，项目建设单位或代理人应委托专业单位进行针对地埋管地源热泵系统的土壤换热器冷、热两种工况下的热响应测试。测试单位应提供具有项目针对性且附有连续自动数据纪录的测试报告书。

(3)项目建设单位或代理人必须委托有设计资质及相关设计经验的单位，以测试分析报告提供的数据为依据，进行包括机房系统与地埋管换热器系统在内的整体设计。

(4)招标承办者或代理人应根据设计文件制定严格的招标文件技术规格书，此技术规格书应作为投标书技术评价的主要依据。

(5)项目开工前，应到当地工程质量、安全监督机构办理工程质量、安全监督手续。

(6)项目竣工验收后应按要求进行项目的登记备案，并在运行后定期申报运行情况。

在建筑中应用地埋管地源热泵技术必须纳入建设监督和管理程序中，开发、设计、施工、监理及监督等各有关部门应按照国家及地方有关标准和规范严格把关，保证在建筑中应用地埋管地源热泵技术的工程质量和技术水平。3.地藕埋管施工

3.1地埋施工原则

(1)由外而内的原则；

(2)由垂直到水平的原则；

(3)由支管到主管的原则。

3.2施工流程(见图2)

图2地理施工流程图

3.3地埋管物资准备

(1)根据施工预算、施工方案和施工进度计划，合

理编制材料、机具进场及使用计划，以免现场材料、机

具堆放过多；

(2)搭设临时材料堆放、存储仓库，搭设管道预制

加工棚；

(3)采用专业供货厂商提供的热熔连接工具、机

具、严格按使用说明书操作；

(4)本工程地藕系统采用的高密度聚乙烯HDPE3408

管材，该产品压力等级为1.2

MPa，热导率为0.46～

0.57

W/(m·K)。

(5)本工程的主要岩土层为中密粉砂层，其热导率

为2.1～2.3

W/(m·K)。为保证回填的密实、低温不龟

裂以及回填材料的热导率须大于土壤岩层的热导率，

故回填料选用5%的膨润土加95%的细砂混凝土混凝

土混合料，其热导率为2.4～2.8

W/(m·K)；

(6)本工程传热介质采用自来水，满足传热介质的

必须的安全性、传热性、较低的摩擦阻力且经济适用

的技术要求。

3.4材料检验及存储

地埋管及管件应符合设计要求，应用的管材、管件及附件等应有企业质量检验部门的产品合格证及相关检测部门的质量检验报告。

地埋管应采用化学性能稳定性好、耐腐蚀、热导率大、流动阻力小的塑料管材及管件，宜采用聚乙烯管(PE)或聚丁烯(PB)，不宜采用聚氯乙烯(PVC)管。管

材、管件及附件应为相同材质。

地埋管质量应符合国家现行标准中的各项规定。

管材应标明规格、商标或生产厂名、公称压力以及生

产日期，包装应符合要求、还应标明长度。

管材的公称压力及使用温度应满足设计要求，且

管材的公称压力不应＜1.0

MPa，地埋管外径及壁厚

可按《给水用聚乙烯(PE)管材》GB/T13663及《冷热水

用聚丁烯(PB)管道系统》GB/T19473.2之规定选用。

管材和管件的外观质量符合下列要求：管件应完

整，无缺陷、无变形，合模缝交口应平整，无开裂。管材、管件运输储存应符合以下规定：

(1)管材、管件运输、储存不应损坏外包装，不得暴晒、淋雨。成捆、成箱盘状管材及管件应堆放整齐，对

方高度不应＞2

m。支点物应采用木块，宽度≥0.2

m，

间距宜<1

m；

(2)管材在运输时应避免尖硬物件划伤刻痕，沾染

污物，管材不得用钢丝绳成捆吊装及重压。管材、关键

应存放在通风良好、温度不超过40℃的库房内。工地

临时堆放场应有防雨、防晒遮盖措施。管材、关键应远

离货源，不得与油、酸、碱及易燃等危险品存放在一个

库房内；

(3)管道在运输储存过程中不得剧烈撞击、滚、拖、抛、摔。

3.5钻孔施工技术

(1)钻孔前应勘测现场，做好和其他专业(如土建、给排水、消防、电缆等)的交叉与衔接。根据施工钻孔平面图的孔数、行距和面积，进一步核实现场的施工面积以满足打孔要求；

(2)核实无误后，按施工平面图检查定位放线，排

水、泥浆倒运工序，合理安排土方、泥浆池、安全通道

及堆土场的位置，保持通道畅通无阻；

(3)钻孔就位，要保证钻机钻杆垂直度，防止垂直

偏差将已埋管道损坏。钻井机械定位保证水平度偏

差≤1%；保证垂直偏差≤0.5%；

(4)在钻孔的两孔之间挖1

400

mm×700

mm×500

mm

泥浆池，位置在地埋管挖沟方向两孔之间，用作钻井

机在施工中水循环载体，不至于流到其他地方，保证

施工现场的整洁；

(5)根据在其他工程的施工经验，本工程采用正循

环回转钻井；

(6)正循环回转钻井的优点：①在地层漏失或对漏

失处理无效之后，正循环冲洗液充满钻杆与孔壁之间

的外环状空间，液柱本身重量对孔壁产生较高的侧压

力，在液柱与地层之间的压力差作用下，泥浆向地层

渗透，其黏土颗粒将在孔壁形成一层泥皮，液柱侧压

力和泥皮都能有效地加固孔壁，防止孔壁坍塌；②冲洗液在较高压力作用下，以较高的速度从钻头中呈射

流状态喷射孔底，能有效地冲起孔底岩屑；③依靠排

水压力，通过管线向孔洞输送冲洗液，管线及其接头

部位即使有少量泄漏(这在实际工作难以完全避免)，

也不会导致冲洗液循环和钻井过程中断。在地层漏失

情况下，冲洗液连续补给，仍可继续钻井；

(7)钻孔过程中安排质量检查员随时检查钻孔的

位置，确保钻孔位置的正确性，并做好检查记录工作，

如发现偏差超过标准要求，应及时纠正重新进行定位；

(8)钻孔完成后，检查钻孔深度和钻孔的质量并做

好隐蔽工程记录报建设单位(监理)验收；

(9)钻孔过程中产生的土方和土方开挖的土壤应

集中堆放，并用彩条布覆盖；

(10)在钻孔过程中为避免钻孔塌方，在钻孔过程

中灌入泥浆对钻孔的井壁进行泥浆凝固护壁，防止

塌孔。

3.6地埋管现场预组装施工技术

(1)地埋U型管宜在现场预组装，管材预组装前

应水平堆放在平整的地面上，不应局部受压使管材变

形，堆放高度不宜超过2

m；管件贮存应成箱存放在

货架上或码堆在平整平面上，地面上码堆高度不宜超

过2

m。HDPE管运至工地采用彩条布覆盖，严禁长时

间太阳下暴晒；

(2)HDPE管连接时应注意热熔管头清洁，管材切

割时当管径≤de50时，采用旋转切刀；当管径＞de50

时，采用手工木工锯；

(3)HDPE管在地面连接完成，试压、合格后方可

埋管；井回填后再次试压、合格后方可连接水平干管；

水平总管连接完试压、合格后方可回填土。总管连接

完后进行系统试压；

(4)HDPE管道的连接可采用热熔连接(热熔承

插连接、热熔对焊连接)，与金属管道连接应采用法

兰连接；

(5)热熔承插连接：热熔承插连接应采用质量可靠

的热熔机具，便携式熔接工具适用于Φ≤63

mm管道

及系统最后连接，台式熔接机具适用于Φ≥63

mm管

道预装备连接。将加热工具加热到熔接温度260±10℃，

插口管末端应切割平整，与轴线垂直。用笔在承口和

插口上做适当的标记，以利于连接定位。用加热工具

的凹模熔化插口管端的外表面，凸模熔化承口的内表

面。加热完毕后，迅速移走加热模具，将插口端平直插

入承口端，达到连接强度后固定接头，自然冷却至环

境温度；

(6)热熔对接：管材外径Φ≥63

mm的HDPE管

均可采用热熔对接方式连接，该方法经济可靠，其接

头在承拉和承压时都比管材本身具有更高强度。热熔

连接温度：200～210℃。使用该方法时，设备仅需热熔对接机，步骤如下：①把待连接管材置于焊机夹具

上并夹紧；②清洁管材连接端并铣削连接面；③校直

两对接件，使其端面错位量不大于管道壁厚的10%；

④放入加热板加热；⑤加热完毕，取出加热板；⑥迅速

接合两加热面，升压至熔接压力并保压冷却。

(7)HDPE管连接的注意事项：

①管道连接前应对管材、管件及附属设备、阀门、

仪表按设计要求进行核对，并在施工现场进行外观检

查，符合要求方准使用。连接时应使用同一生产厂家

的管材和管件，如确需将不同厂家(品牌)的管材、管件

连接则应经试验证明其可靠后方准使用。每次连接完

成后，应进行外观质量检验，不符合要求的必须返工；

②施工人员应进行上岗培训；

③每次施工后，管口应临时封堵；

④当室外温度＜0℃时，塑料地埋管物理力学

性能将有所降低，容易造成地埋管的损害，故当室外

环境温度＜0℃时，尽量避免地埋管热换器的施工，

若赶工期，施工时应采用保护措施或调整施工工艺

参数。

3.7下管施工技术

钻孔完成后应立即下管，下管前应对U型管进行

试压、冲洗。停留时间越长，孔内的积压现象越严重，

管子也就越难放。

在本工程施工中，我们采用预制砼导头下井施工

法。预制导头直径略小于钻孔直径，大于4根HDPE

循环管所占位置的直径(预制导头制作后应进行试压

试验)。依靠导头的重量和HDPE管内水的重量下井，

这样既保证下管的速度又可保证HDPE管能有效地

到达地源井底，同时，还能保护HDPE管材在下井过

程中免受井壁尖石的刮伤、损坏。一般采用人工下管，

下管时必须多人合作，提起管子时不得在地上拖拉，

不应形成不自然的弯曲，更不允许产生角度。

为避免热桥损失，U型管管间距应严格按设计要

求，下管时尽量保持同心度并且管与管不要接触太

紧，施工时每隔2～4

m设置固定支卡将U型管分

开，以确保垂直地源换热管的相对位置不变，垂直换

热管不会贴在一起。

HDPE管下井完成后，须将U型管两个端口密封。

3.8回填施工技术

为确保灌浆回填的质量，本工程在预制混凝土导

头下井的同时，灌浆管同时随导头下井，如图3所示。

在下井工程中，必须有专人分别拉住灌浆管和4

根HDPE管，当PE管下到井底时，将灌浆管松开，并

人为地将灌浆管往下捅，让连接分管的托盘与导头上

的拉钩脱离开来，然后应立即采用灌浆管将混合浆灌

入钻孔内进行回填封孔，隔离含水层。灌注施工中应保证灌浆的连续性，根据机械灌浆的速度确定灌浆管的提升速度，确保浆体由底部涌上而充满腔内。当上

返泥浆与灌注材料的密度相等时表明灌浆工作已经完成。

采用膨润土回填时，在确认U型管无渗漏后，可

用筛选过的≤15

mm×15

mm回填料进行回填，回填

料采用网孔≤15

mm×15

mm的漏筛进行过筛，保证

回填料内无无碎石及尖利石块、混凝土碎块。竖直地

埋管进行回填时应在管道两侧同步回填，水平地埋管

在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

实面高度不宜超过30

cm。以保证必须将管和孔井之

间空隙填实，第一次填完后应多次检查，多次回填。

对于管腋等比较难以回填的部位，应采用人工回

填，确保回填密实。

回填土应重点做好每层管道上方15～20

cm范

围内的回填。管道上方及两侧50

cm范围内，应采用

木夯轻轻夯实，严禁采用压实机具直接作用于管道

上。

每区下管全部完成后连接到集、分水器，先人工

沟槽开挖，将分、集水器置于检查井并与U型管连

接，构成完整的闭式环路。分、集水器设置排气和排污

装置。埋管区整体回填时，应分层用木夯夯实。

整体回填时应将混在其中的尖利石块、混凝土碎

块拣出。

4.地埋管换热系统冲洗

为保证地埋管换热系统的可靠运行必须进行系

统冲洗，系统冲洗主要在以下几个施工阶段：

①地埋管换热器安装前；

②地埋管换热器与环路集管装配完成后；

③地埋管换热系统全部安装完成后。

5

地埋管换热系统试压

试验压力：当工作压力≤1.0

MPa时，应为工作压

力的1.5倍，且不应＜0.6

MPa；当工作压力＞1.0

MPa

时，应为工作压力加0.5

MPa。

水压试验步骤：

(1)竖直地埋管换热器插入钻孔前，应做第一次水

压试验。在试验压力下，稳压后至少15

min，稳压后压

力不应＞3%，且无泄露现象；将其密封后，在有压状

态下插入钻孔，完成灌浆之后保压1

h。

(2)水平地埋管换热器放入沟槽前，应做第一次水

压试验。在试验压力下，稳压后至少15

min，稳压后压

力降不应＞3%，且无泄露现象。

(3)竖直或水平地埋管换热器与环路集管装配完

成后，回填前应进行第二次水压试验。在试验压力下，

稳压至少30

min，稳压后压力降不应＞3%，且无泄露

现象；

(4)环路集管与机房分集水器连接完成后，回填前

应进行第三次水压试验。在试验压力下，稳压至少2

h，

且无泄露现象；

(5)地埋管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气、

回填完成后，应进行第四次水压试验。在试验压力下，

稳压至少12

h，稳压后压力降不应＞3%。

系统试压不得以气压代替水压试验；水压试验时

应采用手动泵缓慢加压，加压过程中应安排专人随时

观察与检查线路，不得有渗漏现象。

本工程采用分区设计的施工方法，每个分区设置

分、集水器，地源孔与分区分、集水器采用PE阀门连

接。整个地源系统埋地部分没有任何金属构、配件。每

个分区通过地源干管与总分、集水器连接，在总分、集

水器检修井内设置每个分区的流量平衡阀。一旦当地

源系统在运行中出现意想不到的故障，可采用反推法

即可马上找出出现故障的地源井。出现故障时，先在

总分、集水器处通过压力表读数查出故障的地源分

区；找到故障地源分区，进入检修井，同样，通过开、关

PE阀，进行压力检测，立即就能查出有故障的地源

井，将其对应的PE阀关闭。整个系统的检查、检修无

需系统停机。

6

试验和鉴定

自觉主动接受业主、监理单位来工地现场监督试

验，并按如下内容提出报告：

(1)全部竖井的位置和深度以及热交换器的长度

是否符合设计要求；

(2)回填过程的检验与安装土壤热交换器同步

进行；

(3)监督循环管路、循环集管和管线的试压是否按

上述要求进行，以保证没有泄漏。

隐蔽工程记录交业主、监理验收，合格后才能进

行下一道工序的工作。

按上面的试验和鉴定结果提交报告给业主，并保

证将实际竣工情况记录在设计平面图上。

7

地源热泵机组安装

本工程地源热泵机组主机采用集中式，整个工程

的冷冻水由机房统一协调输出，主机大小搭配，保证

了在各种情况下的最佳配比，也保证了不同负荷下运

行不同的机组和水泵，使机组始终保持在满负荷运行

状况，处于最佳工况，使COP值始终维持在最佳值，

达到长期运行的最佳节能效果。

8

地源热泵系统运转、调试与验收

地源热泵系统整体运转、调试与验收必须符合

GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》、

GB50243《通风与空调工程施工质量验收规范》、

GB50274《制冷设备、空气分离设备安装工程施工及

验收规范》。

地源热泵系统交付使用前，应进行整体运转、调试与验收。

整体运转与调试方案报专业监理工程师审核批准后方可实施。

地源热泵系统整体验收需要进行一个相对较长

的时间，系统整体验收调试应分冬、夏两季进行，系统

整体验收对地源热泵系的实测性能做出评价，调试完

成后应编写调试报告及运行操作规程，并提交业主单

位确认后存档。

地源热泵系统运转、调试与验收主要包括以下

内容：

(1)系统的压力、温度、流量等各项技术数据应符

合有关技术文件的规定；

(2)系统连续运行应达到正常平稳；水泵的压力和

水泵电动的电流不应出现大幅的波动；

(3)各种电动计量检测元件和执行机构的工作应

正常；满足建筑设备自动化系统对被测定参数进行检

测和控制的要求；

(4)控制和检测设备应能与系统的检测元件和执

行机构正常沟通，系统的状态参数应能正确显示，设

备连锁、自动调节、自动保护应能正确运转；

(5)调试报告应包括调试前的准备记录、水力平

衡、机组及系统试运转的全部测试数据；

(6)地源热泵系统的冬、夏两季运行测试包括室内

空气参数及系统运行能耗测定，系统运行能耗包括所

有水源热泵机组、水泵和末端设备的能耗。

9

系统质保

地源热泵中央空调系统，经过科学设计，并按严

格的质量标准施工，保障地下部分免维护保用50年，

地上部分保用20年。根据建设部第80号令《房屋建

筑工程质量保修办法》第七条，认真履行系统保修及

售后服务职责。

系统质保期3年，即系统保修期从工程竣工验收

开始3年内免费保修。

10

结语

正是因为地源热泵空调系统利用浅层地热能资

源进行供热与空调，具有良好的节能、环保、美观、不

消耗矿物质的固有特性，近年来在国内得到日益广泛

的支持和推广应用，但并不是只要采用了地源热泵系

统，其节能的幅度就能达到理想的状态。同样，和传统

的空调系统一样，在系统设计时，必须考虑末端、主

机、水泵的部分荷载时的最大运行节能，本项目设计

多机头主机，大、小搭配，末端采用电动二通阀控制，

水泵配置一套变频泵，整个系统采用台数和变频来满

足运行过程中的负荷变化，从而确保系统节能的最大

化。本工程地处我国华东沿海地区，作为该地区新兴

的施工技术才刚刚开始，本工程的施工无疑为该地区

进行类似工程施工积累了丰富的经验。

地埋管换热器的施工一、施工设备

1.1钻孔与挖掘机械

1.竖直钻孔机械

按钻进方法可把钻机分为四类：冲击式钻机：钢丝绳冲击式钻机、钻杆式冲击钻机。回转式钻机：立轴式-手把给进式钻机、螺旋差动给进式钻机、液压（油压）给进式钻机、转盘式-钢绳加压式钻机、机械动力头式钻机等振动钻机复合式钻机：振动冲击、回转、静压等功能以不同组合式复合在一起的钻机

2.链式（轮式）挖掘机

链式（轮式）挖掘机、推土机、反向铲和振动开沟机是埋设水平地下换热器的常用机械。可根据现场条件和费用来选择机械。通常选择移动土量少的机械较经济。

许多情况下，使用挖沟机是提高工效的选择之一，因为与其他方法相比其移动土量最少。目前设计的地埋管系统常在一条沟中铺设多条管道。这种设计可大大缩短沟的长度，减少水平埋管系统所需的面积。

3.推土机

如果挖出的土另有用途或集管系统很大，宜采用推土机。在一些较大型水平地热换热器安装工程中，常使用有轨机械来同时进行开沟和回填的作业。回填作业由一个楼料斗和斜槽完成。

4.水平钻孔机械

使用水平钻孔机械在安装地热换热器时可以避免影响地表现状。在这种方法中，钻头与地表面成30度夹角，钻头旋转时利用水压使其推进。钻孔深度和方向由一个附在钻头上的信号发送器和地表面的便携式控制系统来监控。这种操纵可以使得钻头避开岩层和地下出现的其他障碍。

非开挖导向钻机图

1.2焊接与回填设备

地埋管换热器通常采用聚乙烯管。聚乙烯或聚丁烯管道系统连接技术的优劣，直接关系到地埋管系统的运行效果和使用寿命。焊接方式的不同，聚乙烯管道的连接一般分为两种---热熔连接和电熔连接。相应的焊接设备为热熔焊机和电熔焊机。焊接通用原理是聚乙烯一般可在190-240度之间的范围内被熔化（不同原料牌号的熔化温度一般也不一样）此时若将管材（或管件）两熔化的部分充分接触，并保持有适当的压力（电熔焊接的压力来源于焊接过程中聚乙烯自身产生的热膨胀），冷却后便可牢固的融为一体。由于是聚乙烯材料之间的本体熔接，因此接头处的强度与管材本身的强度相同。热熔焊机热熔焊机用于热熔对接。它利用加热板将待接聚乙烯管段界面加热熔融后相互对接熔合，经冷却固定而连接在一起。

热熔焊机图电熔焊机?电熔焊机是通过对预埋于电熔管件内表面的电热丝通电而使其加热，从而使管件的内表面及管材（或管件）的外表面分别被熔化，冷却到要求的时间后而达到焊接的目的

电熔焊机图泥浆泵?泥浆泵是在钻孔回填过程中使用的设备。当U型管插入钻孔中之后，泥浆泵将回填材料（或称灌浆材料）输送到钻孔中，自下而上将U型埋管钻孔密封。

泥浆泵图

二、施工前的准备

2.1现场勘察

现场勘察是设计环节的第一步。在决定使用地埋管地源热泵系统之前，应对现场情况、地质资料进行准确详实的勘察与调研。这些资料是系统设计的基础。

现场地质状况是现场勘察的主要内容之一。地质状况决定使用何种钻孔、挖掘设备或安装成本的高低。一般应基于测试孔的勘测情况或当地地质状况对施工现场的适应性做出评估。包括松散土层在自然状态和在负载后的密度，含水土层在负载后的状况，岩石层岩床的结构，以及其他特点等，如地下水质量和有无天然气及相关碳氢化合物等。同时应对影响施工的因素和施工周边的条件进行调研与勘察。主要内容包括：土地面积的大小和形状。已有的和计划建的建筑或构筑物。是否有树木和高架设施，如高压电线等自然或人造地表水源的等级和范围。交通道路及其周边附属建筑及地下服务设施。现场已敷设的地下管线布置和废弃系统状况。钻孔挖掘所需的电源、水源情况。其他可能安装系统的设置位置等。如果建设单位能够提供施工现场的水文地质报告，这对确定采用何种形式的地埋管地源热泵系统非常有利。2.2现场规划2.2.1提出施工与设计方案细致的场地规划，有助于选用合适的材料和设备，确定合理的施工组织方案，为顺利完成地热换热器地埋管的安装奠定基础。精心的规划将会大大减少安装的时间和成本。规划过程中应当考虑以下几个方面的因素。挖沟深度。应考虑气候、土质、人工挖沟还是机械挖沟的影响挖沟长度。应考虑可利用的地表面积、冷热负荷、沟中埋设管道的数量、土质以及土壤含水量的影响。竖直钻孔的深度及数量。应考虑可利用的地表面积、障碍物、冷热负荷以及土壤和岩石类型的影响。采用单U埋管还是双U埋管。应考虑钻孔难易程度、可用埋管地下空间大小以及U型管材的价格等因素。沟的结构。应考虑地上地下障碍物、地表坡度、沟转向半径限制、回填和复原要求的影响。必须保证找出所有以前埋设的管线并做出标识。2.2.2确定地下设施现场规划另一个主要任务就是对施工区域内地下所埋的公用事业管道系统进行描述说明。应注意以下几条：随着年代的久远，地下管道系统会发生改变，不能单凭记忆或原有设计图纸确定地下管线。应通过有关部门准确确定出电力、电话、煤气、给排水等市政工程所有埋设管线的位置。施工中若切断或挖断其他管线，将导致增加安装费用，延长施工周期应标示出地热换热器的位置，以备将来再次挖掘。该位置应当根据现场的两个永久目标进行定为。2.2.4征求业主意见

本着对业主高度负责的精神，对施工过程中有可能涉及业主自身利益的问题，应充分征询业主的意见后，再做决定。应避开的区域。树木、灌木、花园等应当避开的地方应做出标示。可以进出重型设备的位置。应当注意车道的负荷限制，轮胎较大的轻型机械对公路和院子的负荷较小。承包商不宜标示或不可能了解的地下管线的位置。2.2.5水文地质调查

对于要安装地源热泵现场的水文地质调查，主要应注意以下几个方面的问题：应了解在施工现场进行钻孔、挖掘时应遵守的规章条例、允许的水流量和利用电量以及附属建筑物等其他约束因素。查阅曾经发表的地质以及水文报告和可以利用的地图检查所有的差测井测试记录和其他已有的施工现场周围地质水文记录，对总的地下条件进行评估，包括地下状况、地下水位、可能遇到的含水层，以及相邻井之间潜在的干扰等。地下状况的调查方法应与采用的系统形式相匹配。对于竖直U型埋管地热换热器系统需要钻测试孔。如果需要勘测后再确定采用哪种系统，那么选择勘测井的方法较为合适。因为他可以满足任何一种系统形式的需要，即使这些勘测井最终对于热泵系统本身没有用，但它可以用作钻孔或打井以及施工期间的水源。2.2.6测试孔与监测孔1.测试孔测试孔能够提供设计和安装竖直埋管地热换热器系统所需要的岩土层热物性及其构造的基础数据。因为无需用泵抽水，所以可以使用小直径的钻杆。一般采用与待埋设U型管钻孔相同的直径。测试孔可用作后期施工中的U型埋管钻孔，也可作为竣工后的监测孔使用。当测试孔到达地下水的深度时，他所采集的地下水样不但能够反映最初的地下水水质，而且能够长时间的测量地层温度、地下水位及水的质量。

对于建筑面积小于3000m2的竖直埋管地热换热器系统，可以使用一个测试孔。对于大型建筑，则应采用两个或两个以上的测试孔。测试孔的深度应比U型埋管深5m

通过测试孔采集不同深度的土石样品，对其进行热物性测试与分析，为地埋管设计提供基础数据。钻探测试孔，探明施工现场岩土层的构造，为合理选用钻孔设备，估算钻孔费用和钻孔时间提供第一手资料。同时可根据测试孔的钻探结果，对地埋管深度和单、双U型埋管的选择提出建议。对于不再使用的测试孔，应及时从底部到顶部进行灌浆封孔，以免污染地下水质。

在地埋管安装前，施工现场常常不具备钻孔条件，如缺少水电等，尤其是无现成的钻孔设备。因此，工程上常常根据已掌握的地质资料，对地埋管换热系统进行初步设计。然后在首批地埋管安装完毕后，对其中一个或几个U型管进行实际测试。然后根据钻孔现状和测试结果对地埋管方案及初步设计进行必要的修正。2.监测孔监测孔通常用来搜集地下数据，包括岩土温度、地下水深度以及地下水水质等。长期监测这些数据，便于观察地埋管地源热泵系统长期运行对地层温度、地下水质等的影响，有利于评价地埋管换热器的设计与安装效果，及时总结经验与教训。有时也可选择部分有代表性的U型埋管，安装传感侧头，兼作监测孔。

三、钻井或与灌注桩同步施工（略）

四、地埋管管道的连接4.1为可靠起见，所有地下聚乙烯管道的连接接头必须用热熔或电熔连接方法，而不得使用机械连接方法。热熔连接接头的强度比管道自身的强度都要大。接头或连接件都是塑料材质，不存在腐蚀问题。管道连接方法的选择取决于管道制造商的要求和推荐说明，以及现场施工人员所掌握的技术。热熔连接和电熔连接方式的优缺点比较见下表表1热熔连接和电熔连接方式的对比

项目要求电熔连接热熔连接焊接机具需要有专用的电熔焊机需要有专用的热熔焊机管径范围适用于所有规格尺寸的管材一般适用于公称直径大于63mm的管材管材与管件可用于不同牌号、材质的管材与管材、管材与管件连接适用于同牌号、材质的管材与管材、管材与管件的连接。性能相似，不同牌号、材质的管材与管材、管材与管件连接，需试压验证影响因素不易受环境、认为因素影响易受环境、人为因素影响投资设备投资低，连接费用高设备投资费用高，连接费用低技术要求连接操作简单易掌握操作人员需进行专门培训，具有一定的经验4.2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。对于小直径的聚乙烯管（DN小于63mm），一般采用钢塑法兰连接。

《埋管聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101-2004），列出了常用规格的聚乙烯管和金属管、阀门的相应配套关系表，见下表

常用规格的聚乙烯管和金属管、阀门的相应配套关系：

聚乙烯管公称外径De324050637590110160200315400450500560630阀门、金属管公称内径DN2532405065801001502003003504004505006004.3聚乙烯管道连接与施工时应注意事项4.3.1管道连接管道连接前应对管材、管件及附属设备、阀门、仪表按设计要求进行校对，并应在施工现场进行外观检查，负荷要求方准使用。每次连接完成后，应进行外观质量检验，不符合要求的必须切开返工。操作人员应培训上岗。每次收工时，管口应临时堵封。在寒冷气候（-5度以下）和大风环境下进行连接操作时，应采取保护措施或调整施工工艺。4.3.2管道施工时应注意事项聚乙烯管道施工需遵守建设部行业标准《埋管聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101-2004）的有关规定。1.水平管道埋深聚乙烯管道埋设在土壤中，应遵循聚乙烯管敷设的特殊要求。由于聚乙烯管较金属管的强度低，所以一定要注意埋深，这涉及管道承受的外荷载和防冻的问题。同时，竖直式的地热换热器的水平埋管设在其他市政管道之下，一般为1.5-2.0m。水平式地热换热器的聚乙烯管道的最小管顶覆土厚度应在冻土层以下且应复合如下规定：

埋设在车行道下时，不应小于0.8m；埋设在非车行道下时不应小于0.6m。2.管材敷设允许的弯曲半径聚乙烯管柔性好，因此很容易使其弯曲，但弯曲后的管道内侧将产生压应力，外侧将产生拉应力。当材料形变超过一定限度时，会因蠕变发生破坏。聚乙烯管道敷设时，应符合下表的规定。管段上有承插接头时，允许的弯曲半径R不应小于125D

管道公称外径D允许的弯曲半径RD≤50mm30D50mm＜D≤160mm50D160mm＜D≤250mm75D3.蛇形敷设由于聚乙烯管的线膨胀系数比金属管高十余倍，所以对温度的变化比较敏感。为避免产生拉应力，聚乙烯管应采取蛇形敷设。4.金属示踪线聚乙烯管埋于地下后，难以用常规方式巡示，给管网的维护管理带来困难，故聚乙烯管道施工需遵守建设部行业标准《埋管聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101-2004）中4.2.10条规定，管道敷设后宜沿管道走向埋设金属示踪线。

五、地埋管换热器的安装

5.1水平式地埋管换热器水平式地埋管换热器安装要点按平面图开挖地沟按所提供的热交换器配置在地沟中安装塑料管道。应按工业标准和实际情况完成全部连接缝的熔焊。循环管道和循环集水管的试压应在回填之前进行。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。在回填之前进行管线的试压在所有埋管地点的上方做出标志，标明管线的定位带。管道安装步骤管道安装可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的方式设置换热器，也可使用推土机等施工机械，挖掘埋管场地如图

管道安装的主要步骤：首先清理干净沟中的石块，然后在沟底铺设100-150mm厚的细土或沙子，用以支撑和覆盖保护管道。检查沟边的管道是否有切断、扭结等外伤；管道连接完成并试压后，再仔细地放入沟内。回填材料应采用网孔不大于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。为保证回填均匀且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。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。若土壤是粘土且气候非常干燥时，宜在管道周围填充细沙，以便管道与细沙的紧密接触。或者在管道上方埋设地下滴水管，以确保管道与周围土层的良好换热条件。

5.2竖直式U型埋管换热器放线、钻孔将地热换热器设计图上的而钻孔排数、位置逐一落实到施工现场。单U型埋管钻孔孔径约110-130mm。双U型埋管钻孔孔径大约130-150mm。孔径的大小以能够较容易的插入所设计的U型管及灌浆管为准。钻孔小需要的泥浆流量较小、钻头直径较小且价格低、泥浆池和泥浆泵较小，泥浆泵所受的磨损小。这会降低钻孔费用。U型埋管外径为25-40mm。目前工程上大多采用外径为32mm的U型管。灌浆用管采用相同材料和规格。为确保U型管顺利安全的插入孔底，孔径要适当。下图为钻孔施工现场

钻孔常用两种技术：泥浆或空气旋转钻孔（湿）钻孔和标准螺旋钻或空心杆螺旋钻钻孔（干钻孔）。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、水或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，将取出的泥浆放入放入泥浆池中以便再回填封孔，或者将其运离作业现场。空心杆螺旋钻机钻孔时，钻机驱动带有切削齿的钻头旋转，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面。钻孔时，空心螺旋钻杆充当了钻孔的保护套筒。钻孔完成后，钻杆底部的钻头被击落，插入埋管，然后将钻杆拉出或旋出。在有些设计中，可以用栓在绳子上的重锤将一次性钻头击落。螺旋钻机只能在某些土壤中使用，它可以防止在粘土或碎石中钻孔时常遇到的钻孔塌陷、堵塞等问题。在潮湿的土壤中作业，螺旋钻孔要比螺旋泥浆或空气钻孔慢一些。如果钻孔区域有大量坚硬的岩石，则采用振动锤钻孔效果较好。在卵石层中钻孔，冲击式钻机较之其他形式钻机适应性更强。

在钻孔过程中，根据地下地质情况、地下管线敷设情况及现场土层热物性的测试结果，适当调整钻孔的深度、个数及位置，以满足设计要求，同时降低钻孔、下管及封井的难度，减少对已有地下工程的影响。在竖直买管系统中安装一定长度的U型埋管是首要目的，而不是非要钻一定深度的孔。即总钻孔深度一定，可根据现场的地质条件决定钻孔的个数和经济合理的钻孔深度。如果局部遇到坚硬的岩石层，更换位置重新钻孔可能更经济一些。一般情况下，钻浅孔比钻深孔更经济一些。由于靠近地表的土壤受气温影响温度波动较大，因此，对竖直埋管来说，钻孔深度不宜太浅，一般应超过30m。随着钻孔深度的增加，土壤湿度和温度稳定性增加。钻孔数量少意味着水平埋管的连接少，减少所需要的地表面积。用于埋设U型管的钻孔与用来取水的钻井是两种完全不同的任务。钻孔安装埋管要简单的多。钻孔无须下护壁套管。但如果孔壁周围土壤不牢靠或者有洞穴，造成下管困难或者回填材料大量流失时，则需要下套管或对孔壁进行固化。钻孔只是为了能够插放U型管，通过正确的控制和使用泥浆，大多数问题可以得到解决。2.U型管现场组装、试压与清洗随着地埋管地源热泵空调系统的产业化，U型管的组装已逐步在塑料管生产厂内完成。即塑料管生产厂按照订货单长度的要求，生产组装U型管。

但是如上所述，由于种种原因，实际钻孔深度常常与其设计深度有差别，因此U型管在现场组装、切割为宜，以满足有可能出现的设计变更，尤其是钻孔深度变化的需要。竖直地埋管换热器的U型弯管接头，宜选用定型的U型弯头成品件，如图所示

不宜采用直管道煨制弯头。下管前应对U型管进行试压、冲洗。然后将U型管两个端口密封，以防杂物进入。冬季施工时，应将施压后U型管内的水及时放掉，以免冻裂管道。

3.下管与二次试压

下管前，应将U型管的两个支管固定分开，以免下管后两个支管贴靠在一起，导致热量回流。一种方法是利用专用的地热弹簧将两支管分开，同时使其与灌浆管牵连在一起。当灌浆管自下而上抽出时，地热弹簧将将两个支管分开（下图）。

地热弹簧简图另一种方法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。两支撑物沿管长方向的间距一般为2-4m。U型管端部应设防护装置，以防止在下管过程中受损伤；U型管内充满水，增加自重，抵消一部分下管过程中的浮力，因为钻孔内一般情况下充满泥浆，浮力较大。

钻孔完成后，应立即下管。因为钻好的孔搁置时间过长，有可能出现钻孔局部堵塞或塌陷，这将导致下管的困难。下管是将U型管和灌浆管一起插入孔中，直至孔底。下管方式有人工下管和机械下管两种。当钻孔较浅或泥浆密度较小时，宜采用人工下管（如图）

人工下管反之可采用机械下管。常用的机械下管方式是将U型管捆绑在钻头上，然后利用钻孔机的钻杆，将U型管送入钻孔深处。此时U型管端部的保护尤为重要。这种方式下管常常会导致U型管贴靠在钻孔内一侧，偏离钻孔中心，同时灌浆管也较难插入钻孔内，除非增大钻孔孔径。

U型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，做第二次水压试验，确认U型管无渗漏后，方可封孔。

3.回填封孔与岩土热物性测定

回填封孔是将回填材料自下而上灌入钻孔中。合适的回填材料能够加强岩土层和埋管之间的热交换能力，防止各含水层之间水的掺混和污染物从地面向下渗漏。主要的回天方法是利用泥浆泵通过灌浆管将回填材料灌入孔中。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，确保钻孔回灌密实，无空腔。根据钻孔现场的地质情况和选用的回填材料特性，在确保能够回填密实无空腔的条件下，有时也可采用人工的方法回填封孔。除了机械回填封孔的方法外，其他方法应慎用。

封孔结束一段时间后，可利用岩土热物性测试仪进行现场U型管地埋管传热性能测定，并根据测定结果对原有设计进行必要的修正。

对回填材料的选择取决于地埋管现场的地质条件。回填材料的导热系数应不少于埋管处的岩土层导热系数。宜选用专用的地质回填材料。国外已有专门生产回填材料的厂商。我国在这方面的研究与应用刚刚起步。值得指出的是，在导热系数大的岩土层上的钻孔埋管，更应选用专用的导热系数大的回填材料。否则，回填材料有可能变成U型管的保温隔热层。如石英砂岩或花岗岩的导热系数在2.7w/(m..k)左右，而常用的回填材料膨润土、细沙和水泥的混合浆的导热系数在1.4w/(m..k)左右，用这种材料回填到花岗岩石的钻孔中，将使具有良好传热性能的岩层难以达到应有的换热效能。

4.环路集管连接

将地下U型管与水平管的连接称为环路集管连接。下图为集管连接的施工现场。

为防止未来其他管线敷设对集管连接管的影响或破坏，水平管埋设深度应大一些，一般可控制在1.5-2.0m之间。管道沟挖好后，沟底应夯实，填一层细沙或细土，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成若干个管段，再置于地沟与U型管相接，构成完整的闭式环路。在分、集水器的最高端或最低端宜设置排气装置或除污排水装置，并设检查井。管道沟回填时，应分层用木夯夯实。

水平集管连接的方式主要有两种。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埋设地下U型管区域的中央位置。六、地埋管换热系统的检验与水压试验

6.1地埋管换热系统的检验

应由一个最好是来自专业试验机构的独立的第三承包商来工地现场做试验鉴定，并按如下内容提出报告：

（1）管材、管件等材料应符合国家现行标准的规定。

（2）全部竖直U型的位置和深度以及地热交换器的长度是否符合设计要求。

（3）灌浆材料及其配比应符合设计要求。灌浆材料回填到钻孔内的检验应与安装地埋管换热器同步进行。

（4）监督循环管路、循环集管和管线的试压是否按下述要求进行，以保证没有泄露。

（5）如有必要，需监督不同管线的水力平衡情况。

（6）检验防冻液和化学防腐剂的特性及浓度是否符合设计要求

（7）循环水流量及进出水温差均应符合设计要求。

6.2地埋管水压试验

1.水压试验的特点

聚乙烯管道的水压试验，是为了间接证明施工完成后的管道系统密闭的程度。但聚乙烯管道与金属管道不同，金属管线的水压试验期间，除非有漏失，其压力能保持恒定；而聚乙烯管线即使是密封严密的，由于管材的蠕变特性和对温度的敏感性，也会导致试验压力随着时间的延续而降低，因此应全面的理解压力降的含义。国内地埋管换热系统应用时间不长，在水压试验方法上缺乏试验和实践数据。《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》（CJJ101-2001）适用于埋地聚乙烯给水管道工程，但其水压试验方法与地埋管换热系统工程应用实践有较大差距，也不宜直接采用。

2.试验压力的确定

当工作压力小于等于1.0MPa时，试验压力应为工作压力的1.5倍，且不应小于0.6MPa；当压力大于1.0MPa时，试验压力应为工作压力加0.5MPa。

3.水压试验步骤

（1）竖直地埋管换热器插入钻孔前，应做第一次水压试验。在试验压力下，稳定至少15min，稳定后压力降不应大于3%，且无泄露现象；将其密封后，在有压状态下插入钻孔，完成灌浆之后保压1h。水平地埋管换热器放入沟槽前，应做第一次水压试验。在试验压力下，稳定至少15min稳压后压力降不应大于3%，且无泄露现象。

（2）竖直或水平地埋管换热器与环路集管连接完成后，回填前应进行第二次水压试验。在试验压力下，稳压至少30min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄露现象。

（3）环路集管与机房分、集水器连接完成后，回填前应进行第三次水压试验。在试验压力下，稳压至少2h，且无泄露现象。

（4）地埋管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后，应进行第四次水压试验。在试验压力下，稳压至少12h，稳压后压力降不应大于3%。

4.水压试验方法

水压试验宜采用手动泵缓慢升压，升压过程中应随时观察与检查，不得有渗漏；不得以气压试验代替水压试验。

聚乙烯管道试压前应冲水浸泡，时间不应小于12h，彻底排净管道内空气，并进行水密封检查，检查管道接口及配件处，如有泄露应采取相应措施进行排除。第二篇：埋管长度的计算相关论文垂直地下换热器埋管长度计算中的误差分析土壤源热泵作为一种新兴的ＨＶＡＣ系统,有着广阔的应用前景。但与其他ＨＶＡＣ系统相比,其经济性优势很大程度上要取决于地下埋管换热器的计算长度。尽管现在有很多商业计算软件能够进行计算,但是在使用这些软件时,常常需要输入很多估计值。例如,土壤传热系数的精确值以及土壤每年吸收或释放的热量值。过多的估计值会使计算误差过大,导致地下埋管换热器的设计选型过大,从而使整个工程失去经济性。为此,笔者提出一种计算方法来确定埋管长度计算中导致误差的因素以及其影响。

1管长计算公式

地埋管管长计算公式是来源于1999年的ＡＳＨＲＡＥＨａｎｄｂｏｏｋ

ＨＶＡＣＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ[1]。文中的计算方程是以Ｃａｒｓｌａｗ,Ｊａｅｇｅｒ和Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ等人所研究的传统理论为基础。后来Ｂｅｒｎｉｅｒ[2]对该方程作了修改,如下:

其中,Ｌ是钻孔总长(ｍ),其值等于埋管管长的1/2。ｑｈ表示每小时土壤传热量的最大值(Ｗ)(包括吸收热量和释放热量);ｑｍ表示每月的土壤平均传热量(Ｗ)。如果式(1)用于确定制冷工况下的设计管长,那么ｑｍ即是夏季最热月的平均土壤传热量。相反,如果是计算制热工况的管长,ｑｍ就是冬季最冷月的平均土壤传热量。ｑｙ表示每年的平均土壤传热量(Ｗ)。Ｒｂ表示有效钻孔热阻(ｍ·Ｋ/Ｗ),Ｒ10ｙ表示10年热扰动的有效传热热阻,Ｒ1ｍ表示1个月热扰动的有效传热热阻,Ｒ1ｈ表示1小时热扰动的有效传热热阻。影响以上3个热扰动的因素有:钻孔直径(ｄ)、土壤导热系数(ｋｓ)、土壤热扩散率(αｓ)以及热扰动时间间隔。Ｒｂ的影响因素[3

5]有:钻孔直径、Ｕ型管直径、Ｕ型管支管间距、回填材料导热系数(ｋｇ)、管壁导热系数(ｋｐ)以及流体流速。Ｔｐ表示管壁温度(℃),它对应于相邻钻孔内两埋管间热干扰后达到的稳定温度。要注意的是Ｔｐ的值在供热时越来越大而在制冷时越来越小。Ｔｇ表示无扰动土壤温度(℃),其值会因Ｔｐ的变化而上升或下降;Ｔｉｎ,ｇｒｏｕｎｄ表示Ｕ型管进水温度,Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ表示出水温度。

2误差分析

在式(1)中可能只有Ｔｉｎ,ｇｒｏｕｎｄ和Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ值是可以定性的设计初始条件,其他参数都不能100%准确的获得,这就使得在实际的工程设计中,设计者很难直接由公式计算确定这些参数。国外有一些人对此做过一定的研究,虽然针对的是一些特殊情况,但也提供了土壤和回填材料的导热系数影响管长计算的依据。这里,笔者介绍一种更具有概括性的计算方法,该方法利用经典的误差分析法[4,6]测定每个参数的单个误差因子如何重组产生Ｌ值的总体误差增益。

假设所有的误差因子都是随机无关的,在计算Ｌ的总体误差中,首先给出ＵＬ的计算式:

其中,ＵＬ是Ｌ的绝对误差,ＵＸｉ是Ｘｉ参数的单个误差因子,那么偏导数aL/Xi的近似值就是:

那么,式(2)中所需条件都可以通过式(1)中的管长计算ｎ+1次即可确定。首先,利用基本条件(每个参数的初始设定值)来确定Ｌ值的下限,如ＬＸｉ。然后,通过已定参数的下限值确定其他参数,利用每个参数的微分变换ΔＸｉ来确定ＬＸｉ+ΔＸｉ。Ｌ/Ｘｉ的每个值对应参数Ｘｉ的灵敏系数,而由Ｌ/Ｘｉ计算得到的ＵＸｉ值就表示参数Ｘｉ对整体误差ＵＬ的影响。

3实例计算

3.1负荷

这里使用的是一个以制冷为主的建筑负荷资料,如表1所示。根据经验公式,假定在制热和制冷工况的ＣＯＰ值均为3.5,从而由建筑负荷求得土壤负荷,列于表1(注:表中传热量均是指土壤每小时排出的热量,也指土壤负荷)。

式中,ｑｇｒｏｕｎｄ表示土壤传热量(土壤负荷),ｑｌｏａｄ表示建筑负荷。ＣＯＰ是指热泵的运行效率。“+”表示热泵的制冷工况,“-”表示热泵的制热工况。

根据以上负荷数据可分析计算ｑｈ,ｑｍ和ｑｙ值。因为建筑是以制冷为主,所以此时制冷工况下的管长计算是决定因数,制热工况下的管长计算可以不用考虑。另外,表1中的第2栏和第3栏分别表示给定的一个月内的最大建筑负荷和总的建筑负荷,第4栏表示土壤负荷。ｑｈ值可以在第4栏中获得:其值为-192.9ｋＷ(负号表示热量被释放到土壤中)。第5栏是每月土壤传热量(或是冬季从土壤中吸收的能量)。每年的土壤传热量就是12个月的能量总和,其结果列于表中最下面栏。再把这个能量总和按照每年8760个小时平均分配即得到土壤的年平均传热量ｑｙ,在本例中其值就是-44.83ｋＷ。最后一栏中的最大值就是ｑｍ,表示土壤的月平均传热量,在本例中其值就是-119.3ｋＷ。

3.2钻孔尺寸及土壤的热物性

表2和表3分别给出了钻孔尺寸以及土壤热物性参数。根据文献[2]中的程序计算求得所需的有效热组:Ｒｂ=0.0965ｍ·Ｋ/Ｗ;Ｒ10ｙ=0.174ｍ·Ｋ/Ｗ;Ｒ1ｍ=0.170ｍ·Ｋ/Ｗ;Ｒ1ｈ=0.093ｍ·Ｋ/Ｗ。

3.3温度

Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ的选择很重要,它等效于热泵机组的进水温度,是热泵在最不利情况下运行时的设定温度。在制冷工况下的Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ值越高,循环周期就越短。当然,Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ值也不能够超过热泵出厂设定的安全运行范围。这里取推荐值Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ=32.2℃,因循环水每ｋＷ的热流量为5.4×10-5ｍ3/ｓ,则由公式Ｑ=ｃｐｍΔｔ可得出Ｔｉｎ,ｇｒｏｕｎｄ=36.6℃。无扰动温度Ｔｇ设定值是10℃,管壁温度Ｔｐ取4℃,该值也表示系统运行10年后的稳定温度。

4计算结果

4.1最小管长

通过以上求得的负荷值和土壤特性参数,可得出制冷工况下最小的设计管长(ｍ)计算值:

Ｌ=[(-192900×0.0965)+(-44830×0.174)+(-119300×0.170)+(-192900×0.093)]/[(10+4)-34.4]

=(-18614-7800-20281-17940)/(-20.4)

=3165

从上式可以看出,与年负荷相关的一组数(分子的第2项)仅占总的计算管长的12%,这就意味着,在这种特殊情况下,ｑｙ的误差不会对Ｌ值产生很大的影响。相比之下其他参数的影响较难估计,如土壤传热的影响包括3个有效热阻值,必须通过较复杂的Ｇ函数法才能求解。针对这些情况,误差分析就是很必要的。

4.2误差计算与分析

表4给出了误差分析结果。表中的第2栏是各个参数的下限条件,由这些条件计算得出制冷工况下的设计管长为3165ｍ。第3栏中,除了2个温度参数Ｔｐ和Ｔｇ的误差值设定为±1Ｋ外,其他的均设定为±10%。最后2栏分别表示灵敏系数和每个参数对整体误差值的增益的绝对值。

表4中的结果有一定的实用性。首先可以由此来检测单个参数的影响。例如当其他参数都假定准确时,土壤导热系数±10%的误差值就会导致Ｌ出现±225.3ｍ(或7.1%)的误差值。由最后一栏可知,某些参数的影响较之其他参数更为显著,如土壤导热系数±10%的误差值产生的影响就是回填料导热系数产生的影响的4倍多(225.3ｍ与52.2ｍ比较)。由单个误差值相加之后得到关于Ｌ的整体误差值为±369ｍ(或±11.7%)。

由表4可知,在给定下限条件后,灵敏系数是一个常量(如果条件改变,则灵敏系数将随之改变),这就表示该值可以用于不同ＵＸｉ的值,如当土壤热扩散率的误差值变为±20%时,那么αｓ对整体误差的增益值就变为63.8ｍ。基于换热能效度的竖直地埋管埋设深度设计

摘要：根据地埋管传热特性,提出了地埋管换热能效度概念。建立了竖直地埋管换热器的三维传热模型,模拟计算了地埋管换热器能效度在不同埋设深度条件下的分布。揭示了区段能效度的迁移特性,将地埋管换热区域沿埋设深度范围分为无效换热区域和有效换热区域,

并给出了基于换热能效度的地埋管换热器长度设计方法。

关键词：地源热泵地埋管换热器能效度迁移特性

1竖直地埋管换热器埋设深度确定原则常用的竖直U形地埋管换热器如图1所示。按照管内流体流动的方向,U形管分为上升支管和下降支管。

地埋管内来自热泵机组的流体进入到下降管,

沿程与周围土壤进行换热,管内流体温度发生变化

后从地埋管上升管回到热泵机组中,从而完成一个

换热循环。在流量一定的条件下,流体与土壤的温

差越大,地埋管的单位井深换热能力就越大。在地源热泵的设计中,较普遍的做法是在满足地埋管换

热量的要求下根据单位井深换热量、埋管面积和间

距来确定埋管深度,根本没有考虑保障一定埋管出

水温度要求以达到热泵主机的高效运行。实际上,

当地埋管地源热泵运行到一定的时间后,由于土壤

的蓄能特性,周围土壤冷热量堆积使得地埋管换热

器的运行状态还要受到前一个状态的影响,地埋管换热器的换热能力随着时间增加逐渐下降,地埋管

内流体的进出口温差降低,热泵主机的运行性能变差,增加了费用。在工程项目现场已有的条件下要使地埋管的出口温度能够持续地满足主机高效运行,适当地增加地埋管换热器的埋设深度是最有效的方法。

本文以地埋管内工作流体出口温度随深度的瞬时变化程度为判定原则,通过建立地埋管换热器传热的三维传热模型,分析地埋管换热器埋设深度的设计方法。

2地埋管换热器三维传热模型

导热型地埋管换热器的传热过程十分复杂,其换热效果受很多因素影响,如地埋管几何结构,土壤的类型、导热系数、热扩散率、含水率以及热泵运行时间,间歇运行工况,负荷大小等等。为便于理

论分析求解,作如下假设:

1)在整个传热过程中土壤的物理成分、热物性参数各向同性且保持不

变。

2)忽略地表面温度变化对顶层土壤温度的影响,使用全年平均气温作为地表面的边界条件;忽略地表面温度波动对土壤温度的影响,认为土壤的

初始温度均匀一致,且无穷远处恒定不变。

3)不

考虑水分迁移和地下水对热量传递的影响,地埋管与土壤之间的热量传递过程只是纯导热的传热过程。

4)忽略地埋管与回填材料、回填材料与井壁间的接触热阻。竖直U形地埋管换热器数学模型包括两部分:一部分是U形管壁、回填材料及土壤的导热传热模型,一部分是U形管内的流体流动与对流传热模型。

2.1导热传热模型

U形管壁、回填材料及土壤在直角坐标系中三维瞬态导热控制方程可表示为

2.2对流传热模型

为提高地埋管内流体换热效果,U形管内流体在湍流状态下流动。湍流流动的模型很多,K-ε双方程模型是湍流黏性系数模型中使用最多、应用最成功的一种模型,本文采用该湍流模型。

竖直U形管内的湍流流体与周围土壤传热的控制方程包括固体导热传热方程,对流换热的连续性方程、动量方程、能量方程、湍流动能方程以及湍流动能耗散率方程,所有这些方程满足如下通用形式的方程[1]:

2.3初始化和边界条件

土壤、管壁、回填材料以及流体计算初始温度均取同一温度值,无穷远边界处的温度始终保持该

温度值。土壤与回填材料、管壁与回填材料交界处

的传热采用整体离散、整体耦合求解,其界面热流相同。管内流体与管壁间的对流传热为第三类边

界条件,采用高Re求解流体与固体间的传热,壁面附近的黏性支层区域采用标准壁面函数法来处理。U形地埋管换热器表面边界条件包括地埋管进水温度、与周围空气相邻的土壤表面换热,前者为恒定的进水温度,后者为第三类边界条件,其表面传热系数取19

W/(m2·℃)[2]。

3地埋管换热能效度

3.1换热能效度定义

地埋管地源热泵机组的出水进入到地埋管换热器的下降支管与周围土壤进行换热,从理论上来说地埋管出口流体温度均可以最大限度地接近土壤初温。而实际的状况是,不管是冬季还是夏季,

地埋管换热器的流体出口温度均远离了土壤初温,

造成了换热效率下降。其主要原因一方面是埋管越深钻井难度越大,成本急剧增加,从经济角度上不允许单井长度较大的地埋管;另一方面地埋管周围土壤经过一段时间的排/取热堆积了大量的热/

冷量而温度升高/降低,因而换热能力随着时间推移逐渐下降,导致出口温度逐渐上升/降低,使得地埋管出口温度远离土壤初始温度。

针对地埋管换热器能量交换的特性,为量化地埋管换热效率,定义U形地埋管换热器能效度E为地埋管换热器实际换热量Q与最大理论换热量

Q′的比值,其表达式为

式中tin,tout,t0分别为U形地埋管换热器流体进口温度、出口温度、土壤初始温度,℃;G为地埋管内流体的质量流量,kg/s。

地埋管能效度是一个量纲一的量,在取热或排热工况下其取值范围为0~1,表征了U形地埋管与周围土壤换热后管中流体出口温度能够达到的最低或最高的能力,是换热能力的质特征体现,与地埋管换热器的设计参数相关。它是一个随换热时间增加

而变化的瞬时量,这与文献[3]中定义的效能概念有着很大的不同。理论上地埋管能效度E=0时失去换热能力,但一般认为当E<0.05时就可近似处理

为工程意义上的换热失效;若地埋管换热器的流体出口温度能够无限接近土壤初温,实际换热量就达到最大理论换热量,此时地埋管能效度E=1。

在流量一定的条件下,U形地埋管支管局部每一段与土壤的换热能力都对地埋管进出口温差产生作用,可以认为地埋管进出口温差由每小段的温差逐步叠加而成。为分析各段对地埋管整体换

热能效度的影响,可将地埋管换热器任意分成N

段,则整个地埋管进出口温差可表示为

Δt

=

tin-tout=Δt1+Δt2+…+Δtn(4)

式中Δt为进出口温差,Δti(i=1,2,…,n)表示分

区段流体温差。

将式(4)两侧同时除以tin-t0,则有

（5）

借鉴能效度E的定义,将如下量纲一参数称

为地埋管区段换热能效度Ei

则地埋管总能效度(全局系数)E为区段换热

能效度Ei之和,即

E

=

E1+E2+…+En(7)

3.2地埋管换热能效度迁移变化特性为了简便分析研究地埋管换热能效度变化规律,本文针对地埋管地源热泵系统夏季空调工况进行计算分析。

1)基本模拟计算条件(见表1)

2)地埋管埋设深度对能效度的影响

图2为埋设深度H分别为80,60,40

m条件下地埋管换热器能效度变化情况。

运行初期,埋设深度不同的地埋管中水与周围土壤换热的时间不同,排出的热量也有很大的差别,因而地埋管出水温度有较大差异,对应的地埋管换热器能效度分布有较大的差别,如在地埋管运行1h后,埋设深度为80,60,40

m的地埋管换热器能效度分别为0.424,0.337,0.238,相对应的进

出口温差为8.4,6.7,4.7℃。随着运行时间的增加,地埋管周围的土壤均不同程度地产生热堆积效应,对地埋管换热器能效度的影响占主导地位,能效度与前一时间段相比均有不同程度的降低,但埋设深度较大的地埋管换热器能效度比其他埋设深度小的换热器大,换热能力强。类似分析可得到冬季工况存在同样的变化规律。

由此可知,加大地埋管换热器埋设深度可以增大换热器能效度和延长地埋管持续高效换热的时间,但工程中钻井费用占整个空调系统初投资的比例很大,而且钻井越深,单位长度的费用将成倍增长,因而一般工程设计地埋管的埋设深度时大多会考虑当地的钻井费用。当然,钻井深度也并非越大越好,应根据需要和实际情况选择埋管深度,避免盲目提高地埋管换热器的埋设深度。

3)能效度迁移特性

图3为埋设深度为40

m的地埋管换热器在运行到第100

h,

1

000

h和5

000

h时下降支管的各区段换热能效度分布情况。

从图3可以看出,地埋管换热器能效度的分布既不同于等热流,也不同于等壁温的工况,也没有表现出统一的变化趋势,而是根据埋管深度的不同而有所不同。热泵机组的水流进入到地埋管的下降管中运行一段时间后,土壤上端由于靠近土壤表面可以与空气对流换热,地埋管排出的热量能够得到及时补充,因而其能效度相对于其他区段要高些。底段部分由于邻接的土壤很广,因而能效度在此段加大。

地埋管换热器中间段埋管周围的土壤由于持续排热产生热堆积,导致土壤的温度不能够及时恢复,各段埋管内流体温度会有不同程度的变化,地埋管的换热能力显现出很强的区段特性。

当地埋管内流体与周围土壤的换热达到一定时间时,地埋管换热器的换热达到准稳定期。在进水温度保持不变的情况下,下降支管在一定的深度范围内的能效度相对很小,接近于0,表明该段进

出水温度没有发生很明显的变化,可近似认为此换热段的换热已接近饱和或准饱和状态,对提高整个地埋管的换热能力所起作用不大,但它是U形地埋管换热过程必不可少的部分。这是由于该段处

于下降支管的顶端,换热过程中排热量较大,使得地埋管周围的土壤温度极度上升,传热动力———埋管内流体与土壤间温差相对较小,换热效果相对于其他部位很差,如图3所示的第5

000

h工况下钻

井深度在2~6

m的范围之内。随着地埋管埋设深度的增加,区段的能效度有明显的变化。从这一

深度起,随着深度的增加,埋管内水温开始明显下降。当地埋管换热器内的流体温度下降到一定程度时,与周围土壤的温差逐渐减小,能效度逐渐降低。当接近底部后温度又有所回升。根据模拟数据分析,在地埋管换热过程中,U形地埋管换热器上升管和下降管对应深度的换热特性变化类似,因而可用下降管的换热特性为代表来分析地埋管整体换热过程,冬季工况同样如此。

从地埋管换热器区段能效度分布规律来看,地埋管内流体的温度分布有很强的分段特性。根据能效度是否大于给定值(由工程意义上的换热能力确定),可以将地埋管埋设深度范围,分为无效换热

区和有效换热区。无效换热区在地埋管埋设深度起始段,当地埋管换热器通过管壁与周围土壤的换热量和换热时间达到一定程度时,周围土壤热量产生大量堆积,区段能效度数值很小;换热器内流体

与土壤之间的换热处于准饱和换热状态,不再具有

工程意义上的价值。这个即为无效换热区,如图3中的2~6

m的钻井范围。除准饱和换热区外的区段均为有效换热区,在此区域地埋管能效度沿埋设深度变化。

在图3中,区段换热能效度随着时间的变化而变化,这种变化既表现在数值上的不同,也表现在数值发生变化的区段不同。随着地埋管地源热泵系统运行时间的增加,地埋管承担的换热量是持续的,这就导致了换热器周围的土壤温度持续上升或持续下降,换热器的换热能力也逐步下降,地埋管无效换热区逐渐增加,向深度方向推移,该区段的能效度均保持很低的状态,可将

地埋管换热器的这种特性称为换热区段能效度迁移特性。

4基于换热能效度的地埋管换热器长度设计

4.1地埋管换热负荷特性下的埋设深度确定

地埋管换热器的换热负荷是随着室内和机组工况动态变化的。而对于地埋管换热器埋设深度的设计,普遍存在的问题是没有根据换热器所承担负荷的动态特性作出相应的改变。甚至在地埋管换热负荷发生变化的条件下,依赖已有的试验测试或计算结果,盲目增大或主观减小埋设深度,不符合地埋管换热器实际的传热机理。从能效度量化评价角度来看,在保证了地埋管的动态换热负荷的前提下,过度增加埋设深度对加大地埋