地源热泵系统施工技术概述

地源热泵系统施工技术概述

摘要：介绍了竖直埋管地热换热器施工技术，特别是对地热换热器的钻孔、下管和回填的技术要点和设备等进行了详细的阐述。

不同形式地源热泵系统采用的施工技术也不相同，本文主要对目前采用最多的地热换热器埋管系统施工技术加以详述。

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型管两支管之间的距离来减少热短路。为了尽量减小钻孔与钻孔之间的热影响，应根据可利用土地面积及换热器效能确定两组埋管的间距。U型竖埋管钻孔的水平间距通常为4m～6m，对于具体工程可以通过计算进行方案比较来确定合适由于换热器管需要长期埋于地下工作，因此首先必须是使用寿命长、耐腐蚀的材料；其次要求其热交换效率要高；最后选择易加工、造价低的材料。综合以上因素，目前国内外应用较多的是高密度聚乙烯管(PE)和聚丁烯管。管道直径应以流体压降和传热性能相协调为原则，管壁厚度选择要综合考虑地源热泵系统换热要求、换热管数量、埋深与地质条件等因素而确定。

二、地下埋管换热器施工方法

地下埋管换热器施工前应对埋管场地的工程地质状况和地质剖面图进行研究，特别应注意是否有地下管线，以确定钻机型式和调整埋管布局，根据管道平面布置图确定钻孔的具体位置和系统各管道的标高。在主管沟末端要挖一个泥浆池，钻于L过程中产生的泥浆可顺管沟流入泥浆池中沉积，可收集作为回填物之用。

1．钻孔

钻孔是竖埋管换热器施工中最重要的工序。为保证钻孔施工完成后于孔壁保持完整，如果施工区地层土质比较好，可以采用裸孔钻进；如果是砂层，孔壁容易坍塌，则必须下套管。

孔径的大小略大于U型管与灌浆管组件的尺寸为宜，一般要求钻机的钻头的直径根据需要在100mm—150mm之间，钻进深度可达到150m—200m，钻孔总长度由建筑的供热面积大小、负荷的性质以及地层及回填材料的导热性能决定，对于大中型的工程应通过仔细的设计计算确定，地层的导热性能最好通过当地的实测得到。由于钻孔深度较浅，一般采用常规的正循环钻进方法。在我国，可以选用普通的工程勘察钻机、岩心钻机施工。

2．下管

下管是工程的关键之一，因为下管的深度决定采取热量总量的多少，所以必须保证下管的深度。下管方法有人工下管和机械下管两种，下管前应将U型管与灌浆管捆绑在一起，在钻孔完毕后，立即进行下管施工。

钻孔完毕后孔洞内有大量积水，由于水的浮力影响，将对放管造成一定的困难；而且由于水中含有大量的泥沙，泥沙沉积会减少于L洞的有效深度。为此，每钻完一孔，应及时把U型管放入，井采取防止上浮的固定措施。在安装过程中，应注意保持套管的内外管同轴度和U型管进出水管的距离。对于U型管换热器，可采用专用的弹簧把U型管的两个支管撑开，以减小两支管间的热量回流。

下管完毕后要保证U型管露出地面，以便于后续施工。

3．灌浆封井

灌浆封井也称为回填工序。在回填之前应对埋管进行试压，确认无泄漏现象后方可进行回填。正确的回填要达到两个目的：一是要强化埋管与钻孔壁之间的传热，二是要实现密封的作用，避免地下含水层受到地表水等可能的污染。为了使热交换器具有更好的传热性能，国外常选用特殊材料制成的专用灌注材料进行回填，钻孔过程中产生的泥浆的间距。沉淀物也是一种可选择的回填材料。

回填物中不得有大粒径的颗粒，回填时必须根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽

出，使混合浆自下而上回灌封井，确保回灌密实，无空腔，减少传热热阻。当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时，回填过程结束。系统安装完毕，应进行清洗、排污，确认管内无杂质后，方可灌水。

4．换热器安装及管道联接

U型管换热器应尽量采用成卷供应的管材，以利用单根管制作成一个埋管单元，减少连接管件。

管道连接有焊接、承插和活接头三种方法。对于高密度聚乙烯(PE)管段和管件之间的连接都采用专用设备进行热熔焊接。对于埋深不大或场地允许时，应在地面把套管连接好，然后利用钻塔进行放管。对于承插式连接，一定注意在活性胶干了之后才能使用。活接头连接，优点是比较灵活方便，但造价较高。一般的管道和套管中的内管，特别是壁厚小于3.5mm的塑料管，宜采用活接头连接以利于今后的检修。三、地热换热器施工设备

推广地源热泵技术，就必须开发与之相配套的系列管材、管路配件以及熔接设备和技术，特别需要有专门的钻井、下管及封井的技术规范及相应的施工设备等。当前，最主要的问题是如何解决钻孔效率低的问题。因为钻孔所用时间过长，费用就大(钻井费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

地源热泵充分利用地能资源，具有显著的优势，必将成为今后我国重点推广应用的建筑节能技术之一。然而我国现在对于地热换热器的施工技术及其设备的系统研究相对较少，本文仅就地热换热器的施工技术，包括施工工艺、钻孔方法与设备，为解决复杂地层中钻孔和安管时可能遇到的困难，提高施工效率，降低施工成本做了初步探索。