地埋管換熱系統(tǒng)施工技術(shù)

地埋管換熱系統(tǒng)施工技術(shù)（一）、換熱器埋管技術(shù)

閉式地源熱泵系統(tǒng)將換熱器管埋于地下，埋管形式有水平埋管和豎直埋管兩種。

水平埋管通常淺層埋設(shè)，開挖技術(shù)要求不高，初投資低于豎直埋管，但其占地面積大，開挖工程量大。這種形式在地源熱泵技術(shù)的早期應(yīng)用中較多，現(xiàn)國外工程己很少采用。

豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)占地面積小，受外界的影響極小，恒溫效果好；施工完畢后，需要的維護費用極少，用電量也低，運行成本得到了大幅度降低。它比較適合我國這樣人多地少的國家建造，同時，它也是國際地熱組織(1GS卿A)的推薦形式。目前國外應(yīng)用較多，發(fā)展也較快。如何提高鉆孔效率，降低初投資中的鉆孔費用是當前該領(lǐng)域研究的重點。

1．豎直埋管換熱器形式

豎直埋管換熱器根據(jù)埋設(shè)的方式不同大體可分為U型管形式，套管形式，單管形式。

目前，以U型管的形式運用較多，U型管管徑一般在50mm以下，流量不宜太大。U型管換熱器的埋深取決于可提供的場地面積以及施工技術(shù)，一般在60m—100m。目前國外最深的U型管埋深己超過180m。

套管式換熱器外管的直徑可達200mm，由于增大了換熱面積，可減少鉆孔數(shù)和埋深。但內(nèi)管與外腔中的液體發(fā)生熱交換會帶來熱損失，而且下管的難度和施工費用也增加。

單管型埋設(shè)方式可以降低安裝費和運行費。在地下水位以上用鋼管作為護套，直徑和孔徑一致，典型的孔徑為150Dxn，地下水位以下為自然孔洞，不加任何設(shè)施。這種方式受水文地質(zhì)條件限制，使用有限。

2．換熱器的回路形式及其優(yōu)缺點

換熱器的回路有串聯(lián)和并聯(lián)布置兩種形式。兩種形式各有優(yōu)缺點：

(1)串聯(lián)系統(tǒng)。

優(yōu)點是：①單一的流程和管徑；②管道的線性長度有較高的換熱性能；②系統(tǒng)的空氣和廢渣易排除。

缺點表現(xiàn)在：①需要較大的流體體積和較多的抗凍劑；②管道費用和安裝費用較高；②單位長度壓力降特性限制系統(tǒng)能力。

(2)并聯(lián)系統(tǒng)。

優(yōu)點是：①管徑較小，管道費用較低；②抗凍劑用量較少；②安裝費用較低。

缺點表現(xiàn)在：①一定要保證系統(tǒng)空氣和廢渣的排除：②在保證等長度環(huán)路下，每個并聯(lián)路線之間流量要保持平衡。

3．換熱器管路間距

U型或套管式換熱器的進出水管之間存在熱交換的短路現(xiàn)象，通?？赏ㄟ^增大套管換熱器的內(nèi)管壁的熱阻以及U型管兩用可能占到整個系統(tǒng)初投資的50％以上)。下面就從地熱換熱器施工的角度對鉆孔方法與相應(yīng)的施工機械進行概述。

1．鉆孔方法

鉆孔主要有螺旋鉆孔法、全套管法、回轉(zhuǎn)斗鉆孔法、沖擊法等方法。這些方法將結(jié)合具體施工機械作簡要介紹。先來談一下對鉆于L質(zhì)量與效率影響較大的兩個方面：排屑與注入物。

(1)排屑

對鉆孔效率影響最大的是切屑的排除速度。排渣(屑)的方法主要有正循環(huán)法和反循環(huán)法。

①正循環(huán)法為泥漿、水或空氣從鉆桿中心于L中壓入孔底，攜帶切屑從鉆桿與于L壁之間溢出到沉淀池。正循環(huán)法排渣速度較慢，易造成泥沙包住鉆頭，增大進鉆阻力。

②反循環(huán)為泥漿、水或空氣沿孔壁壓入于L底，從鉆桿中心孔中吸出到沉淀池的方法。由于流體沿孔壁的流速相對較慢，不易因沖刷孔壁造成塌孔，此法因排渣效率高而應(yīng)用較多。

②還有一種雙管反循環(huán)法。循環(huán)物質(zhì)流經(jīng)獨立的進管和出管，這有助于減少塌于L和裂縫，但目前較少采用。

(2)循環(huán)注入物質(zhì)

循環(huán)物質(zhì)的選擇對鉆于L質(zhì)量與效率也有很大影響，常采用的有水、空氣或者泥漿、黏土等。它們的作用一是冷卻鉆頭，二是帶走切屑。

對于黏土、亞黏土層一般選擇水作為注入物，由本土自行制漿護壁；對于沙土、沙層一般選擇注入黏土或泥漿進行護壁。清孔時一般選擇清水或清漿。在地下水位較低，較硬的土層和巖層中，經(jīng)常使用壓縮空氣或水作為循環(huán)物質(zhì)。

2．鉆孔機械

根據(jù)上述不同的鉆孔方法形成了不同種類的鉆孔機械。主要有以下兒大類：

(1)轉(zhuǎn)盤式鉆孔機

轉(zhuǎn)盤式鉆機是通過轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)或懸掛動力頭旋轉(zhuǎn)帶動鉆桿，并傳遞動力到鉆具上，并可通過鉆桿對鉆具施加一定的壓力鉆孔，增加鉆進能力，變更鉆頭型號可滿足各種不同土質(zhì)條件的要求。目前地源熱泵施工中多數(shù)采用的巖心鉆機和工勘鉆機就屬于液壓給進的轉(zhuǎn)盤式鉆機。其主要特點及適用范圍是：

①鉆孔直徑：幾毫米至幾米，鉆孔深度大于100m。

②對地層的適應(yīng)性強，從軟土到極硬的巖層(變更鉆頭和調(diào)整鉆桿壓力)，但對較大的松散卵石層不行(卵石直徑＞2／3鉆桿內(nèi)徑)。一般適于平原和山區(qū)作業(yè)。

(2)沖擊式鉆孔機

沖擊式鉆孔機用于鉆孔灌注施工，尤其在卵石、漂石地層條件下它具有明顯的優(yōu)點。其優(yōu)點是造價低、結(jié)構(gòu)簡便，綜合施工費用低；適用于從土質(zhì)土壤到巖層的多種地質(zhì)條件。其缺點是施工速度較慢。

(3)潛水式鉆孔機

潛水式鉆孔機的動力裝置與工作裝置連成一體，潛入泥水中工作，多采用反循環(huán)排渣。這類鉆機通過潛水電機旋轉(zhuǎn)帶動鉆具切土，電機跟隨鉆具工作，潛入孔底，整個鉆具懸掛方式工作，故成孔垂度好，無須撤裝鉆桿，能連續(xù)工作。其特點及適用范圍是：

①設(shè)備簡單、體積小，移動方便。

②能連續(xù)工作，成孔速度快。

②經(jīng)濟孔深50m，若大于50m時，需采用鋼管作為排渣管；鉆孔直徑一般較大。

④塌孔不易處理。

(4)螺旋式鉆孔機

螺旋式鉆機工作原理與麻花鉆相似，鉆具旋轉(zhuǎn)、利用鉆具下部切削刃切土。根據(jù)鉆頭形式又分為長螺旋式和短螺旋式。長螺旋式切下的土沿鉆桿上的螺旋葉片上升，排到地面，成孔速度很快，適用于直徑小的鉆孔作業(yè)。短螺旋式則將鉆具提到地面反轉(zhuǎn)排土，適用于大直徑孔，最大鉆孔深度較小(／J、于70m—80m)。

當土壤地質(zhì)條件不好時，可采用空心鉆桿。鉆孔時，空心螺旋鉆桿充當保護套管。鉆孔完畢后，將鉆桿底部的鉆尖擊落，從鉆桿內(nèi)部插入埋管，然后將鉆桿取出。

(5)全套管鉆孔機

該種鉆機主要用于大型建筑基礎(chǔ)鉆孔樁施工。成孔過程是將套管邊晃邊壓入土壤中，并用錘式抓斗在套管中取土。成孔后，再將套管取出。

(6)回轉(zhuǎn)斗式鉆機

回轉(zhuǎn)斗式鉆孔機主要用于鉆孔樁施工，使用傳動桿帶動的鉆斗挖土成孔，鉆斗上有切土的刀片和裝土的空腔，鉆削過程中切土進入鉆斗中，裝滿后停止旋轉(zhuǎn)，提升鉆頭排土，如此重復(fù)。傳動桿是伸縮式或多節(jié)連接式以適應(yīng)孔深要求。

上述鉆機各有其適用面和優(yōu)勢，如何結(jié)合地源熱泵的施工特點，開發(fā)出一種新型的適于不同地質(zhì)條件與施工要求的高效鉆機是急需解決的問題。若能將鉆孔過程與下管、封井工藝相結(jié)合甚至是同時進行，將極大的推進地源熱泵技術(shù)的工程化應(yīng)用。這就需要對鉆孔機理與施工工藝、設(shè)備進行更深入的研究。

（四）、結(jié)束語