地源熱泵地埋管相關(guān)知識

地埋管相關(guān)知識1.實施原則

(1)作為可再生能源的一種應(yīng)用形式，地埋管地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)先進、高效節(jié)能，是理想的空調(diào)冷熱源整體解決方案。因此，天津市轄區(qū)所有新建、擴建或改建的公共建筑項目在規(guī)劃設(shè)計階段，均應(yīng)優(yōu)先考慮采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為項目的空調(diào)冷熱源。

(2)地埋管換熱器系統(tǒng)的設(shè)計施工應(yīng)符合以下標準、規(guī)程、規(guī)范的規(guī)定：《采暖通風(fēng)與空調(diào)調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50019-2003)：《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366—2005)：《通風(fēng)與空調(diào)工程質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50243—2002)；《制冷設(shè)備、空氣分離設(shè)備安裝工程施工及驗收規(guī)范》(GB50274—98)：《天津市地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DB29—178—2007)。

2.采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運作程序

(1)項目建設(shè)單位或代理人應(yīng)委托咨詢機構(gòu)，基于LCC(生命周期費用)方法、項目所在地的能源條件與價格及實施地埋管地源熱泵系統(tǒng)的基本條件，進行空調(diào)冷熱源多方案比較，評估項目采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟可行性，并出具咨詢報告書。

超過2萬m2以上的大型建筑，應(yīng)采用專家論證的方式對咨詢機構(gòu)出具的咨詢報告書進行確認。

(2)可行性方案確認后，項目建設(shè)單位或代理人應(yīng)委托專業(yè)單位進行針對地埋管地源熱泵系統(tǒng)的土壤換熱器冷、熱兩種工況下的熱響應(yīng)測試。測試單位應(yīng)提供具有項目針對性且附有連續(xù)自動數(shù)據(jù)紀錄的測試報告書。

(3)項目建設(shè)單位或代理人必須委托有設(shè)計資質(zhì)及相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗的單位，以測試分析報告提供的數(shù)據(jù)為依據(jù)，進行包括機房系統(tǒng)與地埋管換熱器系統(tǒng)在內(nèi)的整體設(shè)計。

(4)招標承辦者或代理人應(yīng)根據(jù)設(shè)計文件制定嚴格的招標文件技術(shù)規(guī)格書，此技術(shù)規(guī)格書應(yīng)作為投標書技術(shù)評價的主要依據(jù)。

(5)項目開工前，應(yīng)到當(dāng)?shù)毓こ藤|(zhì)量、安全監(jiān)督機構(gòu)辦理工程質(zhì)量、安全監(jiān)督手續(xù)。

(6)項目竣工驗收后應(yīng)按要求進行項目的登記備案，并在運行后定期申報運行情況。

在建筑中應(yīng)用地埋管地源熱泵技術(shù)必須納入建設(shè)監(jiān)督和管理程序中，開發(fā)、設(shè)計、施工、監(jiān)理及監(jiān)督等各有關(guān)部門應(yīng)按照國家及地方有關(guān)標準和規(guī)范嚴格把關(guān)，保證在建筑中應(yīng)用地埋管地源熱泵技術(shù)的工程質(zhì)量和技術(shù)水平。3.地藕埋管施工

3.1地埋施工原則

(1)由外而內(nèi)的原則；

(2)由垂直到水平的原則；

(3)由支管到主管的原則。

3.2施工流程(見圖2)

圖2地理施工流程圖

3.3地埋管物資準備

(1)根據(jù)施工預(yù)算、施工方案和施工進度計劃，合

理編制材料、機具進場及使用計劃，以免現(xiàn)場材料、機

具堆放過多；

(2)搭設(shè)臨時材料堆放、存儲倉庫，搭設(shè)管道預(yù)制

加工棚；

(3)采用專業(yè)供貨廠商提供的熱熔連接工具、機

具、嚴格按使用說明書操作；

(4)本工程地藕系統(tǒng)采用的高密度聚乙烯HDPE3408

管材，該產(chǎn)品壓力等級為1.2

MPa，熱導(dǎo)率為0.46～

0.57

W/(m·K)。

(5)本工程的主要巖土層為中密粉砂層，其熱導(dǎo)率

為2.1～2.3

W/(m·K)。為保證回填的密實、低溫不龜

裂以及回填材料的熱導(dǎo)率須大于土壤巖層的熱導(dǎo)率，

故回填料選用5%的膨潤土加95%的細砂混凝土混凝

土混合料，其熱導(dǎo)率為2.4～2.8

W/(m·K)；

(6)本工程傳熱介質(zhì)采用自來水，滿足傳熱介質(zhì)的

必須的安全性、傳熱性、較低的摩擦阻力且經(jīng)濟適用

的技術(shù)要求。

3.4材料檢驗及存儲

地埋管及管件應(yīng)符合設(shè)計要求，應(yīng)用的管材、管件及附件等應(yīng)有企業(yè)質(zhì)量檢驗部門的產(chǎn)品合格證及相關(guān)檢測部門的質(zhì)量檢驗報告。

地埋管應(yīng)采用化學(xué)性能穩(wěn)定性好、耐腐蝕、熱導(dǎo)率大、流動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、管件及附件應(yīng)為相同材質(zhì)。

地埋管質(zhì)量應(yīng)符合國家現(xiàn)行標準中的各項規(guī)定。

管材應(yīng)標明規(guī)格、商標或生產(chǎn)廠名、公稱壓力以及生

產(chǎn)日期，包裝應(yīng)符合要求、還應(yīng)標明長度。

管材的公稱壓力及使用溫度應(yīng)滿足設(shè)計要求，且

管材的公稱壓力不應(yīng)＜1.0

MPa，地埋管外徑及壁厚

可按《給水用聚乙烯(PE)管材》GB/T13663及《冷熱水

用聚丁烯(PB)管道系統(tǒng)》GB/T19473.2之規(guī)定選用。

管材和管件的外觀質(zhì)量符合下列要求：管件應(yīng)完

整，無缺陷、無變形，合?？p交口應(yīng)平整，無開裂。管材、管件運輸儲存應(yīng)符合以下規(guī)定：

(1)管材、管件運輸、儲存不應(yīng)損壞外包裝，不得暴曬、淋雨。成捆、成箱盤狀管材及管件應(yīng)堆放整齊，對

方高度不應(yīng)＞2

m。支點物應(yīng)采用木塊，寬度≥0.2

m，

間距宜<1

m；

(2)管材在運輸時應(yīng)避免尖硬物件劃傷刻痕，沾染

污物，管材不得用鋼絲繩成捆吊裝及重壓。管材、關(guān)鍵

應(yīng)存放在通風(fēng)良好、溫度不超過40℃的庫房內(nèi)。工地

臨時堆放場應(yīng)有防雨、防曬遮蓋措施。管材、關(guān)鍵應(yīng)遠

離貨源，不得與油、酸、堿及易燃等危險品存放在一個

庫房內(nèi)；

(3)管道在運輸儲存過程中不得劇烈撞擊、滾、拖、拋、摔。

3.5鉆孔施工技術(shù)

(1)鉆孔前應(yīng)勘測現(xiàn)場，做好和其他專業(yè)(如土建、給排水、消防、電纜等)的交叉與銜接。根據(jù)施工鉆孔平面圖的孔數(shù)、行距和面積，進一步核實現(xiàn)場的施工面積以滿足打孔要求；

(2)核實無誤后，按施工平面圖檢查定位放線，排

水、泥漿倒運工序，合理安排土方、泥漿池、安全通道

及堆土場的位置，保持通道暢通無阻；

(3)鉆孔就位，要保證鉆機鉆桿垂直度，防止垂直

偏差將已埋管道損壞。鉆井機械定位保證水平度偏

差≤1%；保證垂直偏差≤0.5%；

(4)在鉆孔的兩孔之間挖1

400

mm×700

mm×500

mm

泥漿池，位置在地埋管挖溝方向兩孔之間，用作鉆井

機在施工中水循環(huán)載體，不至于流到其他地方，保證

施工現(xiàn)場的整潔；

(5)根據(jù)在其他工程的施工經(jīng)驗，本工程采用正循

環(huán)回轉(zhuǎn)鉆井；

(6)正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆井的優(yōu)點：①在地層漏失或?qū)β?/p>

失處理無效之后，正循環(huán)沖洗液充滿鉆桿與孔壁之間

的外環(huán)狀空間，液柱本身重量對孔壁產(chǎn)生較高的側(cè)壓

力，在液柱與地層之間的壓力差作用下，泥漿向地層

滲透，其黏土顆粒將在孔壁形成一層泥皮，液柱側(cè)壓

力和泥皮都能有效地加固孔壁，防止孔壁坍塌；②沖洗液在較高壓力作用下，以較高的速度從鉆頭中呈射

流狀態(tài)噴射孔底，能有效地沖起孔底巖屑；③依靠排

水壓力，通過管線向孔洞輸送沖洗液，管線及其接頭

部位即使有少量泄漏(這在實際工作難以完全避免)，

也不會導(dǎo)致沖洗液循環(huán)和鉆井過程中斷。在地層漏失

情況下，沖洗液連續(xù)補給，仍可繼續(xù)鉆井；

(7)鉆孔過程中安排質(zhì)量檢查員隨時檢查鉆孔的

位置，確保鉆孔位置的正確性，并做好檢查記錄工作，

如發(fā)現(xiàn)偏差超過標準要求，應(yīng)及時糾正重新進行定位；

(8)鉆孔完成后，檢查鉆孔深度和鉆孔的質(zhì)量并做

好隱蔽工程記錄報建設(shè)單位(監(jiān)理)驗收；

(9)鉆孔過程中產(chǎn)生的土方和土方開挖的土壤應(yīng)

集中堆放，并用彩條布覆蓋；

(10)在鉆孔過程中為避免鉆孔塌方，在鉆孔過程

中灌入泥漿對鉆孔的井壁進行泥漿凝固護壁，防止

塌孔。

3.6地埋管現(xiàn)場預(yù)組裝施工技術(shù)

(1)地埋U型管宜在現(xiàn)場預(yù)組裝，管材預(yù)組裝前

應(yīng)水平堆放在平整的地面上，不應(yīng)局部受壓使管材變

形，堆放高度不宜超過2

m；管件貯存應(yīng)成箱存放在

貨架上或碼堆在平整平面上，地面上碼堆高度不宜超

過2

m。HDPE管運至工地采用彩條布覆蓋，嚴禁長時

間太陽下暴曬；

(2)HDPE管連接時應(yīng)注意熱熔管頭清潔，管材切

割時當(dāng)管徑≤de50時，采用旋轉(zhuǎn)切刀；當(dāng)管徑＞de50

時，采用手工木工鋸；

(3)HDPE管在地面連接完成，試壓、合格后方可

埋管；井回填后再次試壓、合格后方可連接水平干管；

水平總管連接完試壓、合格后方可回填土。總管連接

完后進行系統(tǒng)試壓；

(4)HDPE管道的連接可采用熱熔連接(熱熔承

插連接、熱熔對焊連接)，與金屬管道連接應(yīng)采用法

蘭連接；

(5)熱熔承插連接：熱熔承插連接應(yīng)采用質(zhì)量可靠

的熱熔機具，便攜式熔接工具適用于Φ≤63

mm管道

及系統(tǒng)最后連接，臺式熔接機具適用于Φ≥63

mm管

道預(yù)裝備連接。將加熱工具加熱到熔接溫度260±10℃，

插口管末端應(yīng)切割平整，與軸線垂直。用筆在承口和

插口上做適當(dāng)?shù)臉擞?，以利于連接定位。用加熱工具

的凹模熔化插口管端的外表面，凸模熔化承口的內(nèi)表

面。加熱完畢后，迅速移走加熱模具，將插口端平直插

入承口端，達到連接強度后固定接頭，自然冷卻至環(huán)

境溫度；

(6)熱熔對接：管材外徑Φ≥63

mm的HDPE管

均可采用熱熔對接方式連接，該方法經(jīng)濟可靠，其接

頭在承拉和承壓時都比管材本身具有更高強度。熱熔

連接溫度：200～210℃。使用該方法時，設(shè)備僅需熱熔對接機，步驟如下：①把待連接管材置于焊機夾具

上并夾緊；②清潔管材連接端并銑削連接面；③校直

兩對接件，使其端面錯位量不大于管道壁厚的10%；

④放入加熱板加熱；⑤加熱完畢，取出加熱板；⑥迅速

接合兩加熱面，升壓至熔接壓力并保壓冷卻。

(7)HDPE管連接的注意事項：

①管道連接前應(yīng)對管材、管件及附屬設(shè)備、閥門、

儀表按設(shè)計要求進行核對，并在施工現(xiàn)場進行外觀檢

查，符合要求方準使用。連接時應(yīng)使用同一生產(chǎn)廠家

的管材和管件，如確需將不同廠家(品牌)的管材、管件

連接則應(yīng)經(jīng)試驗證明其可靠后方準使用。每次連接完

成后，應(yīng)進行外觀質(zhì)量檢驗，不符合要求的必須返工；

②施工人員應(yīng)進行上崗培訓(xùn)；

③每次施工后，管口應(yīng)臨時封堵；

④當(dāng)室外溫度＜0℃時，塑料地埋管物理力學(xué)

性能將有所降低，容易造成地埋管的損害，故當(dāng)室外

環(huán)境溫度＜0℃時，盡量避免地埋管熱換器的施工，

若趕工期，施工時應(yīng)采用保護措施或調(diào)整施工工藝

參數(shù)。

3.7下管施工技術(shù)

鉆孔完成后應(yīng)立即下管，下管前應(yīng)對U型管進行

試壓、沖洗。停留時間越長，孔內(nèi)的積壓現(xiàn)象越嚴重，

管子也就越難放。

在本工程施工中，我們采用預(yù)制砼導(dǎo)頭下井施工

法。預(yù)制導(dǎo)頭直徑略小于鉆孔直徑，大于4根HDPE

循環(huán)管所占位置的直徑(預(yù)制導(dǎo)頭制作后應(yīng)進行試壓

試驗)。依靠導(dǎo)頭的重量和HDPE管內(nèi)水的重量下井，

這樣既保證下管的速度又可保證HDPE管能有效地

到達地源井底，同時，還能保護HDPE管材在下井過

程中免受井壁尖石的刮傷、損壞。一般采用人工下管，

下管時必須多人合作，提起管子時不得在地上拖拉，

不應(yīng)形成不自然的彎曲，更不允許產(chǎn)生角度。

為避免熱橋損失，U型管管間距應(yīng)嚴格按設(shè)計要

求，下管時盡量保持同心度并且管與管不要接觸太

緊，施工時每隔2～4

m設(shè)置固定支卡將U型管分

開，以確保垂直地源換熱管的相對位置不變，垂直換

熱管不會貼在一起。

HDPE管下井完成后，須將U型管兩個端口密封。

3.8回填施工技術(shù)

為確保灌漿回填的質(zhì)量，本工程在預(yù)制混凝土導(dǎo)

頭下井的同時，灌漿管同時隨導(dǎo)頭下井，如圖3所示。

在下井工程中，必須有專人分別拉住灌漿管和4

根HDPE管，當(dāng)PE管下到井底時，將灌漿管松開，并

人為地將灌漿管往下捅，讓連接分管的托盤與導(dǎo)頭上

的拉鉤脫離開來，然后應(yīng)立即采用灌漿管將混合漿灌

入鉆孔內(nèi)進行回填封孔，隔離含水層。灌注施工中應(yīng)保證灌漿的連續(xù)性，根據(jù)機械灌漿的速度確定灌漿管的提升速度，確保漿體由底部涌上而充滿腔內(nèi)。當(dāng)上

返泥漿與灌注材料的密度相等時表明灌漿工作已經(jīng)完成。

采用膨潤土回填時，在確認U型管無滲漏后，可

用篩選過的≤15

mm×15

mm回填料進行回填，回填

料采用網(wǎng)孔≤15

mm×15

mm的漏篩進行過篩，保證

回填料內(nèi)無無碎石及尖利石塊、混凝土碎塊。豎直地

埋管進行回填時應(yīng)在管道兩側(cè)同步回填，水平地埋管

在同一溝槽中有雙排或多排管道時，管道之間的回填

壓實應(yīng)與管道和槽壁之間的回填壓實對稱進行。各壓

實面高度不宜超過30

cm。以保證必須將管和孔井之

間空隙填實，第一次填完后應(yīng)多次檢查，多次回填。

對于管腋等比較難以回填的部位，應(yīng)采用人工回

填，確保回填密實。

回填土應(yīng)重點做好每層管道上方15～20

cm范

圍內(nèi)的回填。管道上方及兩側(cè)50

cm范圍內(nèi)，應(yīng)采用

木夯輕輕夯實，嚴禁采用壓實機具直接作用于管道

上。

每區(qū)下管全部完成后連接到集、分水器，先人工

溝槽開挖，將分、集水器置于檢查井并與U型管連

接，構(gòu)成完整的閉式環(huán)路。分、集水器設(shè)置排氣和排污

裝置。埋管區(qū)整體回填時，應(yīng)分層用木夯夯實。

整體回填時應(yīng)將混在其中的尖利石塊、混凝土碎

塊揀出。

4.地埋管換熱系統(tǒng)沖洗

為保證地埋管換熱系統(tǒng)的可靠運行必須進行系

統(tǒng)沖洗，系統(tǒng)沖洗主要在以下幾個施工階段：

①地埋管換熱器安裝前；

②地埋管換熱器與環(huán)路集管裝配完成后；

③地埋管換熱系統(tǒng)全部安裝完成后。

5

地埋管換熱系統(tǒng)試壓

試驗壓力：當(dāng)工作壓力≤1.0

MPa時，應(yīng)為工作壓

力的1.5倍，且不應(yīng)＜0.6

MPa；當(dāng)工作壓力＞1.0

MPa

時，應(yīng)為工作壓力加0.5

MPa。

水壓試驗步驟：

(1)豎直地埋管換熱器插入鉆孔前，應(yīng)做第一次水

壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓后至少15

min，穩(wěn)壓后壓

力不應(yīng)＞3%，且無泄露現(xiàn)象；將其密封后，在有壓狀

態(tài)下插入鉆孔，完成灌漿之后保壓1

h。

(2)水平地埋管換熱器放入溝槽前，應(yīng)做第一次水

壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓后至少15

min，穩(wěn)壓后壓

力降不應(yīng)＞3%，且無泄露現(xiàn)象。

(3)豎直或水平地埋管換熱器與環(huán)路集管裝配完

成后，回填前應(yīng)進行第二次水壓試驗。在試驗壓力下，

穩(wěn)壓至少30

min，穩(wěn)壓后壓力降不應(yīng)＞3%，且無泄露

現(xiàn)象；

(4)環(huán)路集管與機房分集水器連接完成后，回填前

應(yīng)進行第三次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少2

h，

且無泄露現(xiàn)象；

(5)地埋管換熱系統(tǒng)全部安裝完畢，且沖洗、排氣、

回填完成后，應(yīng)進行第四次水壓試驗。在試驗壓力下，

穩(wěn)壓至少12

h，穩(wěn)壓后壓力降不應(yīng)＞3%。

系統(tǒng)試壓不得以氣壓代替水壓試驗；水壓試驗時

應(yīng)采用手動泵緩慢加壓，加壓過程中應(yīng)安排專人隨時

觀察與檢查線路，不得有滲漏現(xiàn)象。

本工程采用分區(qū)設(shè)計的施工方法，每個分區(qū)設(shè)置

分、集水器，地源孔與分區(qū)分、集水器采用PE閥門連

接。整個地源系統(tǒng)埋地部分沒有任何金屬構(gòu)、配件。每

個分區(qū)通過地源干管與總分、集水器連接，在總分、集

水器檢修井內(nèi)設(shè)置每個分區(qū)的流量平衡閥。一旦當(dāng)?shù)?/p>

源系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)意想不到的故障，可采用反推法

即可馬上找出出現(xiàn)故障的地源井。出現(xiàn)故障時，先在

總分、集水器處通過壓力表讀數(shù)查出故障的地源分

區(qū)；找到故障地源分區(qū)，進入檢修井，同樣，通過開、關(guān)

PE閥，進行壓力檢測，立即就能查出有故障的地源

井，將其對應(yīng)的PE閥關(guān)閉。整個系統(tǒng)的檢查、檢修無

需系統(tǒng)停機。

6

試驗和鑒定

自覺主動接受業(yè)主、監(jiān)理單位來工地現(xiàn)場監(jiān)督試

驗，并按如下內(nèi)容提出報告：

(1)全部豎井的位置和深度以及熱交換器的長度

是否符合設(shè)計要求；

(2)回填過程的檢驗與安裝土壤熱交換器同步

進行；

(3)監(jiān)督循環(huán)管路、循環(huán)集管和管線的試壓是否按

上述要求進行，以保證沒有泄漏。

隱蔽工程記錄交業(yè)主、監(jiān)理驗收，合格后才能進

行下一道工序的工作。

按上面的試驗和鑒定結(jié)果提交報告給業(yè)主，并保

證將實際竣工情況記錄在設(shè)計平面圖上。

7

地源熱泵機組安裝

本工程地源熱泵機組主機采用集中式，整個工程

的冷凍水由機房統(tǒng)一協(xié)調(diào)輸出，主機大小搭配，保證

了在各種情況下的最佳配比，也保證了不同負荷下運

行不同的機組和水泵，使機組始終保持在滿負荷運行

狀況，處于最佳工況，使COP值始終維持在最佳值，

達到長期運行的最佳節(jié)能效果。

8

地源熱泵系統(tǒng)運轉(zhuǎn)、調(diào)試與驗收

地源熱泵系統(tǒng)整體運轉(zhuǎn)、調(diào)試與驗收必須符合

GB50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》、

GB50243《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》、

GB50274《制冷設(shè)備、空氣分離設(shè)備安裝工程施工及

驗收規(guī)范》。

地源熱泵系統(tǒng)交付使用前，應(yīng)進行整體運轉(zhuǎn)、調(diào)試與驗收。

整體運轉(zhuǎn)與調(diào)試方案報專業(yè)監(jiān)理工程師審核批準后方可實施。

地源熱泵系統(tǒng)整體驗收需要進行一個相對較長

的時間，系統(tǒng)整體驗收調(diào)試應(yīng)分冬、夏兩季進行，系統(tǒng)

整體驗收對地源熱泵系的實測性能做出評價，調(diào)試完

成后應(yīng)編寫調(diào)試報告及運行操作規(guī)程，并提交業(yè)主單

位確認后存檔。

地源熱泵系統(tǒng)運轉(zhuǎn)、調(diào)試與驗收主要包括以下

內(nèi)容：

(1)系統(tǒng)的壓力、溫度、流量等各項技術(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)符

合有關(guān)技術(shù)文件的規(guī)定；

(2)系統(tǒng)連續(xù)運行應(yīng)達到正常平穩(wěn)；水泵的壓力和

水泵電動的電流不應(yīng)出現(xiàn)大幅的波動；

(3)各種電動計量檢測元件和執(zhí)行機構(gòu)的工作應(yīng)

正常；滿足建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)對被測定參數(shù)進行檢

測和控制的要求；

(4)控制和檢測設(shè)備應(yīng)能與系統(tǒng)的檢測元件和執(zhí)

行機構(gòu)正常溝通，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)應(yīng)能正確顯示，設(shè)

備連鎖、自動調(diào)節(jié)、自動保護應(yīng)能正確運轉(zhuǎn)；

(5)調(diào)試報告應(yīng)包括調(diào)試前的準備記錄、水力平

衡、機組及系統(tǒng)試運轉(zhuǎn)的全部測試數(shù)據(jù)；

(6)地源熱泵系統(tǒng)的冬、夏兩季運行測試包括室內(nèi)

空氣參數(shù)及系統(tǒng)運行能耗測定，系統(tǒng)運行能耗包括所

有水源熱泵機組、水泵和末端設(shè)備的能耗。

9

系統(tǒng)質(zhì)保

地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)過科學(xué)設(shè)計，并按嚴

格的質(zhì)量標準施工，保障地下部分免維護保用50年，

地上部分保用20年。根據(jù)建設(shè)部第80號令《房屋建

筑工程質(zhì)量保修辦法》第七條，認真履行系統(tǒng)保修及

售后服務(wù)職責(zé)。

系統(tǒng)質(zhì)保期3年，即系統(tǒng)保修期從工程竣工驗收

開始3年內(nèi)免費保修。

10

結(jié)語

正是因為地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)利用淺層地?zé)崮苜Y

源進行供熱與空調(diào)，具有良好的節(jié)能、環(huán)保、美觀、不

消耗礦物質(zhì)的固有特性，近年來在國內(nèi)得到日益廣泛

的支持和推廣應(yīng)用，但并不是只要采用了地源熱泵系

統(tǒng)，其節(jié)能的幅度就能達到理想的狀態(tài)。同樣，和傳統(tǒng)

的空調(diào)系統(tǒng)一樣，在系統(tǒng)設(shè)計時，必須考慮末端、主

機、水泵的部分荷載時的最大運行節(jié)能，本項目設(shè)計

多機頭主機，大、小搭配，末端采用電動二通閥控制，

水泵配置一套變頻泵，整個系統(tǒng)采用臺數(shù)和變頻來滿

足運行過程中的負荷變化，從而確保系統(tǒng)節(jié)能的最大

化。本工程地處我國華東沿海地區(qū)，作為該地區(qū)新興

的施工技術(shù)才剛剛開始，本工程的施工無疑為該地區(qū)

進行類似工程施工積累了豐富的經(jīng)驗。

地埋管換熱器的施工一、施工設(shè)備

1.1鉆孔與挖掘機械

1.豎直鉆孔機械

按鉆進方法可把鉆機分為四類：沖擊式鉆機：鋼絲繩沖擊式鉆機、鉆桿式?jīng)_擊鉆機?；剞D(zhuǎn)式鉆機：立軸式-手把給進式鉆機、螺旋差動給進式鉆機、液壓（油壓）給進式鉆機、轉(zhuǎn)盤式-鋼繩加壓式鉆機、機械動力頭式鉆機等振動鉆機復(fù)合式鉆機：振動沖擊、回轉(zhuǎn)、靜壓等功能以不同組合式復(fù)合在一起的鉆機

2.鏈式（輪式）挖掘機

鏈式（輪式）挖掘機、推土機、反向鏟和振動開溝機是埋設(shè)水平地下?lián)Q熱器的常用機械?？筛鶕?jù)現(xiàn)場條件和費用來選擇機械。通常選擇移動土量少的機械較經(jīng)濟。

許多情況下，使用挖溝機是提高工效的選擇之一，因為與其他方法相比其移動土量最少。目前設(shè)計的地埋管系統(tǒng)常在一條溝中鋪設(shè)多條管道。這種設(shè)計可大大縮短溝的長度，減少水平埋管系統(tǒng)所需的面積。

3.推土機

如果挖出的土另有用途或集管系統(tǒng)很大，宜采用推土機。在一些較大型水平地?zé)釗Q熱器安裝工程中，常使用有軌機械來同時進行開溝和回填的作業(yè)?；靥钭鳂I(yè)由一個樓料斗和斜槽完成。

4.水平鉆孔機械

使用水平鉆孔機械在安裝地?zé)釗Q熱器時可以避免影響地表現(xiàn)狀。在這種方法中，鉆頭與地表面成30度夾角，鉆頭旋轉(zhuǎn)時利用水壓使其推進。鉆孔深度和方向由一個附在鉆頭上的信號發(fā)送器和地表面的便攜式控制系統(tǒng)來監(jiān)控。這種操縱可以使得鉆頭避開巖層和地下出現(xiàn)的其他障礙。

非開挖導(dǎo)向鉆機圖

1.2焊接與回填設(shè)備

地埋管換熱器通常采用聚乙烯管。聚乙烯或聚丁烯管道系統(tǒng)連接技術(shù)的優(yōu)劣，直接關(guān)系到地埋管系統(tǒng)的運行效果和使用壽命。焊接方式的不同，聚乙烯管道的連接一般分為兩種---熱熔連接和電熔連接。相應(yīng)的焊接設(shè)備為熱熔焊機和電熔焊機。焊接通用原理是聚乙烯一般可在190-240度之間的范圍內(nèi)被熔化（不同原料牌號的熔化溫度一般也不一樣）此時若將管材（或管件）兩熔化的部分充分接觸，并保持有適當(dāng)?shù)膲毫Γ娙酆附拥膲毫碓从诤附舆^程中聚乙烯自身產(chǎn)生的熱膨脹），冷卻后便可牢固的融為一體。由于是聚乙烯材料之間的本體熔接，因此接頭處的強度與管材本身的強度相同。熱熔焊機熱熔焊機用于熱熔對接。它利用加熱板將待接聚乙烯管段界面加熱熔融后相互對接熔合，經(jīng)冷卻固定而連接在一起。

熱熔焊機圖電熔焊機?電熔焊機是通過對預(yù)埋于電熔管件內(nèi)表面的電熱絲通電而使其加熱，從而使管件的內(nèi)表面及管材（或管件）的外表面分別被熔化，冷卻到要求的時間后而達到焊接的目的

電熔焊機圖泥漿泵?泥漿泵是在鉆孔回填過程中使用的設(shè)備。當(dāng)U型管插入鉆孔中之后，泥漿泵將回填材料（或稱灌漿材料）輸送到鉆孔中，自下而上將U型埋管鉆孔密封。

泥漿泵圖

二、施工前的準備

2.1現(xiàn)場勘察

現(xiàn)場勘察是設(shè)計環(huán)節(jié)的第一步。在決定使用地埋管地源熱泵系統(tǒng)之前，應(yīng)對現(xiàn)場情況、地質(zhì)資料進行準確詳實的勘察與調(diào)研。這些資料是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。

現(xiàn)場地質(zhì)狀況是現(xiàn)場勘察的主要內(nèi)容之一。地質(zhì)狀況決定使用何種鉆孔、挖掘設(shè)備或安裝成本的高低。一般應(yīng)基于測試孔的勘測情況或當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)狀況對施工現(xiàn)場的適應(yīng)性做出評估。包括松散土層在自然狀態(tài)和在負載后的密度，含水土層在負載后的狀況，巖石層巖床的結(jié)構(gòu)，以及其他特點等，如地下水質(zhì)量和有無天然氣及相關(guān)碳氫化合物等。同時應(yīng)對影響施工的因素和施工周邊的條件進行調(diào)研與勘察。主要內(nèi)容包括：土地面積的大小和形狀。已有的和計劃建的建筑或構(gòu)筑物。是否有樹木和高架設(shè)施，如高壓電線等自然或人造地表水源的等級和范圍。交通道路及其周邊附屬建筑及地下服務(wù)設(shè)施?，F(xiàn)場已敷設(shè)的地下管線布置和廢棄系統(tǒng)狀況。鉆孔挖掘所需的電源、水源情況。其他可能安裝系統(tǒng)的設(shè)置位置等。如果建設(shè)單位能夠提供施工現(xiàn)場的水文地質(zhì)報告，這對確定采用何種形式的地埋管地源熱泵系統(tǒng)非常有利。2.2現(xiàn)場規(guī)劃2.2.1提出施工與設(shè)計方案細致的場地規(guī)劃，有助于選用合適的材料和設(shè)備，確定合理的施工組織方案，為順利完成地?zé)釗Q熱器地埋管的安裝奠定基礎(chǔ)。精心的規(guī)劃將會大大減少安裝的時間和成本。規(guī)劃過程中應(yīng)當(dāng)考慮以下幾個方面的因素。挖溝深度。應(yīng)考慮氣候、土質(zhì)、人工挖溝還是機械挖溝的影響挖溝長度。應(yīng)考慮可利用的地表面積、冷熱負荷、溝中埋設(shè)管道的數(shù)量、土質(zhì)以及土壤含水量的影響。豎直鉆孔的深度及數(shù)量。應(yīng)考慮可利用的地表面積、障礙物、冷熱負荷以及土壤和巖石類型的影響。采用單U埋管還是雙U埋管。應(yīng)考慮鉆孔難易程度、可用埋管地下空間大小以及U型管材的價格等因素。溝的結(jié)構(gòu)。應(yīng)考慮地上地下障礙物、地表坡度、溝轉(zhuǎn)向半徑限制、回填和復(fù)原要求的影響。必須保證找出所有以前埋設(shè)的管線并做出標識。2.2.2確定地下設(shè)施現(xiàn)場規(guī)劃另一個主要任務(wù)就是對施工區(qū)域內(nèi)地下所埋的公用事業(yè)管道系統(tǒng)進行描述說明。應(yīng)注意以下幾條：隨著年代的久遠，地下管道系統(tǒng)會發(fā)生改變，不能單憑記憶或原有設(shè)計圖紙確定地下管線。應(yīng)通過有關(guān)部門準確確定出電力、電話、煤氣、給排水等市政工程所有埋設(shè)管線的位置。施工中若切斷或挖斷其他管線，將導(dǎo)致增加安裝費用，延長施工周期應(yīng)標示出地?zé)釗Q熱器的位置，以備將來再次挖掘。該位置應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場的兩個永久目標進行定為。2.2.4征求業(yè)主意見

本著對業(yè)主高度負責(zé)的精神，對施工過程中有可能涉及業(yè)主自身利益的問題，應(yīng)充分征詢業(yè)主的意見后，再做決定。應(yīng)避開的區(qū)域。樹木、灌木、花園等應(yīng)當(dāng)避開的地方應(yīng)做出標示?？梢赃M出重型設(shè)備的位置。應(yīng)當(dāng)注意車道的負荷限制，輪胎較大的輕型機械對公路和院子的負荷較小。承包商不宜標示或不可能了解的地下管線的位置。2.2.5水文地質(zhì)調(diào)查

對于要安裝地源熱泵現(xiàn)場的水文地質(zhì)調(diào)查，主要應(yīng)注意以下幾個方面的問題：應(yīng)了解在施工現(xiàn)場進行鉆孔、挖掘時應(yīng)遵守的規(guī)章條例、允許的水流量和利用電量以及附屬建筑物等其他約束因素。查閱曾經(jīng)發(fā)表的地質(zhì)以及水文報告和可以利用的地圖檢查所有的差測井測試記錄和其他已有的施工現(xiàn)場周圍地質(zhì)水文記錄，對總的地下條件進行評估，包括地下狀況、地下水位、可能遇到的含水層，以及相鄰井之間潛在的干擾等。地下狀況的調(diào)查方法應(yīng)與采用的系統(tǒng)形式相匹配。對于豎直U型埋管地?zé)釗Q熱器系統(tǒng)需要鉆測試孔。如果需要勘測后再確定采用哪種系統(tǒng)，那么選擇勘測井的方法較為合適。因為他可以滿足任何一種系統(tǒng)形式的需要，即使這些勘測井最終對于熱泵系統(tǒng)本身沒有用，但它可以用作鉆孔或打井以及施工期間的水源。2.2.6測試孔與監(jiān)測孔1.測試孔測試孔能夠提供設(shè)計和安裝豎直埋管地?zé)釗Q熱器系統(tǒng)所需要的巖土層熱物性及其構(gòu)造的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因為無需用泵抽水，所以可以使用小直徑的鉆桿。一般采用與待埋設(shè)U型管鉆孔相同的直徑。測試孔可用作后期施工中的U型埋管鉆孔，也可作為竣工后的監(jiān)測孔使用。當(dāng)測試孔到達地下水的深度時，他所采集的地下水樣不但能夠反映最初的地下水水質(zhì)，而且能夠長時間的測量地層溫度、地下水位及水的質(zhì)量。

對于建筑面積小于3000m2的豎直埋管地?zé)釗Q熱器系統(tǒng)，可以使用一個測試孔。對于大型建筑，則應(yīng)采用兩個或兩個以上的測試孔。測試孔的深度應(yīng)比U型埋管深5m

通過測試孔采集不同深度的土石樣品，對其進行熱物性測試與分析，為地埋管設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鉆探測試孔，探明施工現(xiàn)場巖土層的構(gòu)造，為合理選用鉆孔設(shè)備，估算鉆孔費用和鉆孔時間提供第一手資料。同時可根據(jù)測試孔的鉆探結(jié)果，對地埋管深度和單、雙U型埋管的選擇提出建議。對于不再使用的測試孔，應(yīng)及時從底部到頂部進行灌漿封孔，以免污染地下水質(zhì)。

在地埋管安裝前，施工現(xiàn)場常常不具備鉆孔條件，如缺少水電等，尤其是無現(xiàn)成的鉆孔設(shè)備。因此，工程上常常根據(jù)已掌握的地質(zhì)資料，對地埋管換熱系統(tǒng)進行初步設(shè)計。然后在首批地埋管安裝完畢后，對其中一個或幾個U型管進行實際測試。然后根據(jù)鉆孔現(xiàn)狀和測試結(jié)果對地埋管方案及初步設(shè)計進行必要的修正。2.監(jiān)測孔監(jiān)測孔通常用來搜集地下數(shù)據(jù)，包括巖土溫度、地下水深度以及地下水水質(zhì)等。長期監(jiān)測這些數(shù)據(jù)，便于觀察地埋管地源熱泵系統(tǒng)長期運行對地層溫度、地下水質(zhì)等的影響，有利于評價地埋管換熱器的設(shè)計與安裝效果，及時總結(jié)經(jīng)驗與教訓(xùn)。有時也可選擇部分有代表性的U型埋管，安裝傳感側(cè)頭，兼作監(jiān)測孔。

三、鉆井或與灌注樁同步施工（略）

四、地埋管管道的連接4.1為可靠起見，所有地下聚乙烯管道的連接接頭必須用熱熔或電熔連接方法，而不得使用機械連接方法。熱熔連接接頭的強度比管道自身的強度都要大。接頭或連接件都是塑料材質(zhì)，不存在腐蝕問題。管道連接方法的選擇取決于管道制造商的要求和推薦說明，以及現(xiàn)場施工人員所掌握的技術(shù)。熱熔連接和電熔連接方式的優(yōu)缺點比較見下表表1熱熔連接和電熔連接方式的對比

項目要求電熔連接熱熔連接焊接機具需要有專用的電熔焊機需要有專用的熱熔焊機管徑范圍適用于所有規(guī)格尺寸的管材一般適用于公稱直徑大于63mm的管材管材與管件可用于不同牌號、材質(zhì)的管材與管材、管材與管件連接適用于同牌號、材質(zhì)的管材與管材、管材與管件的連接。性能相似，不同牌號、材質(zhì)的管材與管材、管材與管件連接，需試壓驗證影響因素不易受環(huán)境、認為因素影響易受環(huán)境、人為因素影響投資設(shè)備投資低，連接費用高設(shè)備投資費用高，連接費用低技術(shù)要求連接操作簡單易掌握操作人員需進行專門培訓(xùn)，具有一定的經(jīng)驗4.2鋼塑管道的轉(zhuǎn)換連接聚乙烯管道在和鋼管及閥門連接時采用鋼塑過度接頭連接和鋼塑法蘭連接。對于小直徑的聚乙烯管（DN小于63mm），一般采用鋼塑法蘭連接。

《埋管聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ101-2004），列出了常用規(guī)格的聚乙烯管和金屬管、閥門的相應(yīng)配套關(guān)系表，見下表

常用規(guī)格的聚乙烯管和金屬管、閥門的相應(yīng)配套關(guān)系：

聚乙烯管公稱外徑De324050637590110160200315400450500560630閥門、金屬管公稱內(nèi)徑DN2532405065801001502003003504004505006004.3聚乙烯管道連接與施工時應(yīng)注意事項4.3.1管道連接管道連接前應(yīng)對管材、管件及附屬設(shè)備、閥門、儀表按設(shè)計要求進行校對，并應(yīng)在施工現(xiàn)場進行外觀檢查，負荷要求方準使用。每次連接完成后，應(yīng)進行外觀質(zhì)量檢驗，不符合要求的必須切開返工。操作人員應(yīng)培訓(xùn)上崗。每次收工時，管口應(yīng)臨時堵封。在寒冷氣候（-5度以下）和大風(fēng)環(huán)境下進行連接操作時，應(yīng)采取保護措施或調(diào)整施工工藝。4.3.2管道施工時應(yīng)注意事項聚乙烯管道施工需遵守建設(shè)部行業(yè)標準《埋管聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ101-2004）的有關(guān)規(guī)定。1.水平管道埋深聚乙烯管道埋設(shè)在土壤中，應(yīng)遵循聚乙烯管敷設(shè)的特殊要求。由于聚乙烯管較金屬管的強度低，所以一定要注意埋深，這涉及管道承受的外荷載和防凍的問題。同時，豎直式的地?zé)釗Q熱器的水平埋管設(shè)在其他市政管道之下，一般為1.5-2.0m。水平式地?zé)釗Q熱器的聚乙烯管道的最小管頂覆土厚度應(yīng)在凍土層以下且應(yīng)復(fù)合如下規(guī)定：

埋設(shè)在車行道下時，不應(yīng)小于0.8m；埋設(shè)在非車行道下時不應(yīng)小于0.6m。2.管材敷設(shè)允許的彎曲半徑聚乙烯管柔性好，因此很容易使其彎曲，但彎曲后的管道內(nèi)側(cè)將產(chǎn)生壓應(yīng)力，外側(cè)將產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)材料形變超過一定限度時，會因蠕變發(fā)生破壞。聚乙烯管道敷設(shè)時，應(yīng)符合下表的規(guī)定。管段上有承插接頭時，允許的彎曲半徑R不應(yīng)小于125D

管道公稱外徑D允許的彎曲半徑RD≤50mm30D50mm＜D≤160mm50D160mm＜D≤250mm75D3.蛇形敷設(shè)由于聚乙烯管的線膨脹系數(shù)比金屬管高十余倍，所以對溫度的變化比較敏感。為避免產(chǎn)生拉應(yīng)力，聚乙烯管應(yīng)采取蛇形敷設(shè)。4.金屬示蹤線聚乙烯管埋于地下后，難以用常規(guī)方式巡示，給管網(wǎng)的維護管理帶來困難，故聚乙烯管道施工需遵守建設(shè)部行業(yè)標準《埋管聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ101-2004）中4.2.10條規(guī)定，管道敷設(shè)后宜沿管道走向埋設(shè)金屬示蹤線。

五、地埋管換熱器的安裝

5.1水平式地埋管換熱器水平式地埋管換熱器安裝要點按平面圖開挖地溝按所提供的熱交換器配置在地溝中安裝塑料管道。應(yīng)按工業(yè)標準和實際情況完成全部連接縫的熔焊。循環(huán)管道和循環(huán)集水管的試壓應(yīng)在回填之前進行。應(yīng)將熔接的供回水管線連接到循環(huán)集管上，并一起安裝在機房內(nèi)。在回填之前進行管線的試壓在所有埋管地點的上方做出標志，標明管線的定位帶。管道安裝步驟管道安裝可伴隨著挖溝同步進行。挖溝可使用挖掘機或人工挖溝。如采用全面敷設(shè)水平埋管的方式設(shè)置換熱器，也可使用推土機等施工機械，挖掘埋管場地如圖

管道安裝的主要步驟：首先清理干凈溝中的石塊，然后在溝底鋪設(shè)100-150mm厚的細土或沙子，用以支撐和覆蓋保護管道。檢查溝邊的管道是否有切斷、扭結(jié)等外傷；管道連接完成并試壓后，再仔細地放入溝內(nèi)?；靥畈牧蠎?yīng)采用網(wǎng)孔不大于15mm×15mm的篩進行過篩，保證回填料不含有尖利的巖石塊和其他碎石。為保證回填均勻且回填料與管道緊密接觸，回填應(yīng)在管道兩側(cè)同步進行，同一溝槽中有雙排或多排管道時，管道之間的回填壓實應(yīng)與管道和槽壁之間的回填壓實對稱進行。各壓實面的高差不宜超過30cm。管腋部采用人工回填。管道兩側(cè)和管頂以上50cm范圍內(nèi)，應(yīng)采用輕夯實，嚴禁壓實機具直接作用在管道上，使管道受損。若土壤是粘土且氣候非常干燥時，宜在管道周圍填充細沙，以便管道與細沙的緊密接觸?；蛘咴诠艿郎戏铰裨O(shè)地下滴水管，以確保管道與周圍土層的良好換熱條件。

5.2豎直式U型埋管換熱器放線、鉆孔將地?zé)釗Q熱器設(shè)計圖上的而鉆孔排數(shù)、位置逐一落實到施工現(xiàn)場。單U型埋管鉆孔孔徑約110-130mm。雙U型埋管鉆孔孔徑大約130-150mm?？讖降拇笮∫阅軌蜉^容易的插入所設(shè)計的U型管及灌漿管為準。鉆孔小需要的泥漿流量較小、鉆頭直徑較小且價格低、泥漿池和泥漿泵較小，泥漿泵所受的磨損小。這會降低鉆孔費用。U型埋管外徑為25-40mm。目前工程上大多采用外徑為32mm的U型管。灌漿用管采用相同材料和規(guī)格。為確保U型管順利安全的插入孔底，孔徑要適當(dāng)。下圖為鉆孔施工現(xiàn)場

鉆孔常用兩種技術(shù)：泥漿或空氣旋轉(zhuǎn)鉆孔（濕）鉆孔和標準螺旋鉆或空心桿螺旋鉆鉆孔（干鉆孔）。在泥漿或空氣旋轉(zhuǎn)鉆孔方式中，鉆機旋轉(zhuǎn)鉆管并沿鉆管內(nèi)部送入高壓空氣、水或泥漿以潤滑和冷卻鉆頭，并沿著鉆桿的外側(cè)將鉆屑送回地表。在旋轉(zhuǎn)泥漿鉆孔方式中，如果需要的話，將取出的泥漿放入放入泥漿池中以便再回填封孔，或者將其運離作業(yè)現(xiàn)場?？招臈U螺旋鉆機鉆孔時，鉆機驅(qū)動帶有切削齒的鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆孔作業(yè)完全是干式的。因此，施工現(xiàn)場較為干凈。大部分巖土屑被帶到地面，但仍有一部分被就地擠壓進鉆孔壁面。鉆孔時，空心螺旋鉆桿充當(dāng)了鉆孔的保護套筒。鉆孔完成后，鉆桿底部的鉆頭被擊落，插入埋管，然后將鉆桿拉出或旋出。在有些設(shè)計中，可以用栓在繩子上的重錘將一次性鉆頭擊落。螺旋鉆機只能在某些土壤中使用，它可以防止在粘土或碎石中鉆孔時常遇到的鉆孔塌陷、堵塞等問題。在潮濕的土壤中作業(yè)，螺旋鉆孔要比螺旋泥漿或空氣鉆孔慢一些。如果鉆孔區(qū)域有大量堅硬的巖石，則采用振動錘鉆孔效果較好。在卵石層中鉆孔，沖擊式鉆機較之其他形式鉆機適應(yīng)性更強。

在鉆孔過程中，根據(jù)地下地質(zhì)情況、地下管線敷設(shè)情況及現(xiàn)場土層熱物性的測試結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整鉆孔的深度、個數(shù)及位置，以滿足設(shè)計要求，同時降低鉆孔、下管及封井的難度，減少對已有地下工程的影響。在豎直買管系統(tǒng)中安裝一定長度的U型埋管是首要目的，而不是非要鉆一定深度的孔。即總鉆孔深度一定，可根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件決定鉆孔的個數(shù)和經(jīng)濟合理的鉆孔深度。如果局部遇到堅硬的巖石層，更換位置重新鉆孔可能更經(jīng)濟一些。一般情況下，鉆淺孔比鉆深孔更經(jīng)濟一些。由于靠近地表的土壤受氣溫影響溫度波動較大，因此，對豎直埋管來說，鉆孔深度不宜太淺，一般應(yīng)超過30m。隨著鉆孔深度的增加，土壤濕度和溫度穩(wěn)定性增加。鉆孔數(shù)量少意味著水平埋管的連接少，減少所需要的地表面積。用于埋設(shè)U型管的鉆孔與用來取水的鉆井是兩種完全不同的任務(wù)。鉆孔安裝埋管要簡單的多。鉆孔無須下護壁套管。但如果孔壁周圍土壤不牢靠或者有洞穴，造成下管困難或者回填材料大量流失時，則需要下套管或?qū)妆谶M行固化。鉆孔只是為了能夠插放U型管，通過正確的控制和使用泥漿，大多數(shù)問題可以得到解決。2.U型管現(xiàn)場組裝、試壓與清洗隨著地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化，U型管的組裝已逐步在塑料管生產(chǎn)廠內(nèi)完成。即塑料管生產(chǎn)廠按照訂貨單長度的要求，生產(chǎn)組裝U型管。

但是如上所述，由于種種原因，實際鉆孔深度常常與其設(shè)計深度有差別，因此U型管在現(xiàn)場組裝、切割為宜，以滿足有可能出現(xiàn)的設(shè)計變更，尤其是鉆孔深度變化的需要。豎直地埋管換熱器的U型彎管接頭，宜選用定型的U型彎頭成品件，如圖所示

不宜采用直管道煨制彎頭。下管前應(yīng)對U型管進行試壓、沖洗。然后將U型管兩個端口密封，以防雜物進入。冬季施工時，應(yīng)將施壓后U型管內(nèi)的水及時放掉，以免凍裂管道。

3.下管與二次試壓

下管前，應(yīng)將U型管的兩個支管固定分開，以免下管后兩個支管貼靠在一起，導(dǎo)致熱量回流。一種方法是利用專用的地?zé)釓椈蓪芍Ч芊珠_，同時使其與灌漿管牽連在一起。當(dāng)灌漿管自下而上抽出時，地?zé)釓椈蓪蓚€支管分開（下圖）。

地?zé)釓椈珊唸D另一種方法是用塑料管卡或塑料短管等支撐物將兩支管撐開后，將支撐物綁縛在支管上。兩支撐物沿管長方向的間距一般為2-4m。U型管端部應(yīng)設(shè)防護裝置，以防止在下管過程中受損傷；U型管內(nèi)充滿水，增加自重，抵消一部分下管過程中的浮力，因為鉆孔內(nèi)一般情況下充滿泥漿，浮力較大。

鉆孔完成后，應(yīng)立即下管。因為鉆好的孔擱置時間過長，有可能出現(xiàn)鉆孔局部堵塞或塌陷，這將導(dǎo)致下管的困難。下管是將U型管和灌漿管一起插入孔中，直至孔底。下管方式有人工下管和機械下管兩種。當(dāng)鉆孔較淺或泥漿密度較小時，宜采用人工下管（如圖）

人工下管反之可采用機械下管。常用的機械下管方式是將U型管捆綁在鉆頭上，然后利用鉆孔機的鉆桿，將U型管送入鉆孔深處。此時U型管端部的保護尤為重要。這種方式下管常常會導(dǎo)致U型管貼靠在鉆孔內(nèi)一側(cè)，偏離鉆孔中心，同時灌漿管也較難插入鉆孔內(nèi)，除非增大鉆孔孔徑。

U型管的長度應(yīng)比孔深略長些，以使其能夠露出地面。下管完成后，做第二次水壓試驗，確認U型管無滲漏后，方可封孔。

3.回填封孔與巖土熱物性測定

回填封孔是將回填材料自下而上灌入鉆孔中。合適的回填材料能夠加強巖土層和埋管之間的熱交換能力，防止各含水層之間水的摻混和污染物從地面向下滲漏。主要的回天方法是利用泥漿泵通過灌漿管將回填材料灌入孔中?；毓鄷r根據(jù)灌漿的快慢將灌漿管逐漸抽出，使回填材料自下而上注入封孔，確保鉆孔回灌密實，無空腔。根據(jù)鉆孔現(xiàn)場的地質(zhì)情況和選用的回填材料特性，在確保能夠回填密實無空腔的條件下，有時也可采用人工的方法回填封孔。除了機械回填封孔的方法外，其他方法應(yīng)慎用。

封孔結(jié)束一段時間后，可利用巖土熱物性測試儀進行現(xiàn)場U型管地埋管傳熱性能測定，并根據(jù)測定結(jié)果對原有設(shè)計進行必要的修正。

對回填材料的選擇取決于地埋管現(xiàn)場的地質(zhì)條件。回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)不少于埋管處的巖土層導(dǎo)熱系數(shù)。宜選用專用的地質(zhì)回填材料。國外已有專門生產(chǎn)回填材料的廠商。我國在這方面的研究與應(yīng)用剛剛起步。值得指出的是，在導(dǎo)熱系數(shù)大的巖土層上的鉆孔埋管，更應(yīng)選用專用的導(dǎo)熱系數(shù)大的回填材料。否則，回填材料有可能變成U型管的保溫隔熱層。如石英砂巖或花崗巖的導(dǎo)熱系數(shù)在2.7w/(m..k)左右，而常用的回填材料膨潤土、細沙和水泥的混合漿的導(dǎo)熱系數(shù)在1.4w/(m..k)左右，用這種材料回填到花崗巖石的鉆孔中，將使具有良好傳熱性能的巖層難以達到應(yīng)有的換熱效能。

4.環(huán)路集管連接

將地下U型管與水平管的連接稱為環(huán)路集管連接。下圖為集管連接的施工現(xiàn)場。

為防止未來其他管線敷設(shè)對集管連接管的影響或破壞，水平管埋設(shè)深度應(yīng)大一些，一般可控制在1.5-2.0m之間。管道溝挖好后，溝底應(yīng)夯實，填一層細沙或細土，并留有0.003-0.005的坡度。在管道彎頭附近要人工回填以避免管道出現(xiàn)波浪彎。集管連接管在地上連接成若干個管段，再置于地溝與U型管相接，構(gòu)成完整的閉式環(huán)路。在分、集水器的最高端或最低端宜設(shè)置排氣裝置或除污排水裝置，并設(shè)檢查井。管道溝回填時，應(yīng)分層用木夯夯實。

水平集管連接的方式主要有兩種。一種是沿鉆孔的一側(cè)或兩排鉆孔的中間鋪設(shè)供水和回水集管。另一種是將供水和回水集管引至埋設(shè)地下U型管區(qū)域的中央位置。六、地埋管換熱系統(tǒng)的檢驗與水壓試驗

6.1地埋管換熱系統(tǒng)的檢驗

應(yīng)由一個最好是來自專業(yè)試驗機構(gòu)的獨立的第三承包商來工地現(xiàn)場做試驗鑒定，并按如下內(nèi)容提出報告：

（1）管材、管件等材料應(yīng)符合國家現(xiàn)行標準的規(guī)定。

（2）全部豎直U型的位置和深度以及地?zé)峤粨Q器的長度是否符合設(shè)計要求。

（3）灌漿材料及其配比應(yīng)符合設(shè)計要求。灌漿材料回填到鉆孔內(nèi)的檢驗應(yīng)與安裝地埋管換熱器同步進行。

（4）監(jiān)督循環(huán)管路、循環(huán)集管和管線的試壓是否按下述要求進行，以保證沒有泄露。

（5）如有必要，需監(jiān)督不同管線的水力平衡情況。

（6）檢驗防凍液和化學(xué)防腐劑的特性及濃度是否符合設(shè)計要求

（7）循環(huán)水流量及進出水溫差均應(yīng)符合設(shè)計要求。

6.2地埋管水壓試驗

1.水壓試驗的特點

聚乙烯管道的水壓試驗，是為了間接證明施工完成后的管道系統(tǒng)密閉的程度。但聚乙烯管道與金屬管道不同，金屬管線的水壓試驗期間，除非有漏失，其壓力能保持恒定；而聚乙烯管線即使是密封嚴密的，由于管材的蠕變特性和對溫度的敏感性，也會導(dǎo)致試驗壓力隨著時間的延續(xù)而降低，因此應(yīng)全面的理解壓力降的含義。國內(nèi)地埋管換熱系統(tǒng)應(yīng)用時間不長，在水壓試驗方法上缺乏試驗和實踐數(shù)據(jù)?！堵竦鼐垡蚁┙o水管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ101-2001）適用于埋地聚乙烯給水管道工程，但其水壓試驗方法與地埋管換熱系統(tǒng)工程應(yīng)用實踐有較大差距，也不宜直接采用。

2.試驗壓力的確定

當(dāng)工作壓力小于等于1.0MPa時，試驗壓力應(yīng)為工作壓力的1.5倍，且不應(yīng)小于0.6MPa；當(dāng)壓力大于1.0MPa時，試驗壓力應(yīng)為工作壓力加0.5MPa。

3.水壓試驗步驟

（1）豎直地埋管換熱器插入鉆孔前，應(yīng)做第一次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)定至少15min，穩(wěn)定后壓力降不應(yīng)大于3%，且無泄露現(xiàn)象；將其密封后，在有壓狀態(tài)下插入鉆孔，完成灌漿之后保壓1h。水平地埋管換熱器放入溝槽前，應(yīng)做第一次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)定至少15min穩(wěn)壓后壓力降不應(yīng)大于3%，且無泄露現(xiàn)象。

（2）豎直或水平地埋管換熱器與環(huán)路集管連接完成后，回填前應(yīng)進行第二次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少30min，穩(wěn)壓后壓力降不應(yīng)大于3%，且無泄露現(xiàn)象。

（3）環(huán)路集管與機房分、集水器連接完成后，回填前應(yīng)進行第三次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少2h，且無泄露現(xiàn)象。

（4）地埋管換熱系統(tǒng)全部安裝完畢，且沖洗、排氣及回填完成后，應(yīng)進行第四次水壓試驗。在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少12h，穩(wěn)壓后壓力降不應(yīng)大于3%。

4.水壓試驗方法

水壓試驗宜采用手動泵緩慢升壓，升壓過程中應(yīng)隨時觀察與檢查，不得有滲漏；不得以氣壓試驗代替水壓試驗。

聚乙烯管道試壓前應(yīng)沖水浸泡，時間不應(yīng)小于12h，徹底排凈管道內(nèi)空氣，并進行水密封檢查，檢查管道接口及配件處，如有泄露應(yīng)采取相應(yīng)措施進行排除。第二篇：埋管長度的計算相關(guān)論文垂直地下?lián)Q熱器埋管長度計算中的誤差分析土壤源熱泵作為一種新興的ＨＶＡＣ系統(tǒng),有著廣闊的應(yīng)用前景。但與其他ＨＶＡＣ系統(tǒng)相比,其經(jīng)濟性優(yōu)勢很大程度上要取決于地下埋管換熱器的計算長度。盡管現(xiàn)在有很多商業(yè)計算軟件能夠進行計算,但是在使用這些軟件時,常常需要輸入很多估計值。例如,土壤傳熱系數(shù)的精確值以及土壤每年吸收或釋放的熱量值。過多的估計值會使計算誤差過大,導(dǎo)致地下埋管換熱器的設(shè)計選型過大,從而使整個工程失去經(jīng)濟性。為此,筆者提出一種計算方法來確定埋管長度計算中導(dǎo)致誤差的因素以及其影響。

1管長計算公式

地埋管管長計算公式是來源于1999年的ＡＳＨＲＡＥＨａｎｄｂｏｏｋ

ＨＶＡＣＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ[1]。文中的計算方程是以Ｃａｒｓｌａｗ,Ｊａｅｇｅｒ和Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ等人所研究的傳統(tǒng)理論為基礎(chǔ)。后來Ｂｅｒｎｉｅｒ[2]對該方程作了修改,如下:

其中,Ｌ是鉆孔總長(ｍ),其值等于埋管管長的1/2。ｑｈ表示每小時土壤傳熱量的最大值(Ｗ)(包括吸收熱量和釋放熱量);ｑｍ表示每月的土壤平均傳熱量(Ｗ)。如果式(1)用于確定制冷工況下的設(shè)計管長,那么ｑｍ即是夏季最熱月的平均土壤傳熱量。相反,如果是計算制熱工況的管長,ｑｍ就是冬季最冷月的平均土壤傳熱量。ｑｙ表示每年的平均土壤傳熱量(Ｗ)。Ｒｂ表示有效鉆孔熱阻(ｍ·Ｋ/Ｗ),Ｒ10ｙ表示10年熱擾動的有效傳熱熱阻,Ｒ1ｍ表示1個月熱擾動的有效傳熱熱阻,Ｒ1ｈ表示1小時熱擾動的有效傳熱熱阻。影響以上3個熱擾動的因素有:鉆孔直徑(ｄ)、土壤導(dǎo)熱系數(shù)(ｋｓ)、土壤熱擴散率(αｓ)以及熱擾動時間間隔。Ｒｂ的影響因素[3

5]有:鉆孔直徑、Ｕ型管直徑、Ｕ型管支管間距、回填材料導(dǎo)熱系數(shù)(ｋｇ)、管壁導(dǎo)熱系數(shù)(ｋｐ)以及流體流速。Ｔｐ表示管壁溫度(℃),它對應(yīng)于相鄰鉆孔內(nèi)兩埋管間熱干擾后達到的穩(wěn)定溫度。要注意的是Ｔｐ的值在供熱時越來越大而在制冷時越來越小。Ｔｇ表示無擾動土壤溫度(℃),其值會因Ｔｐ的變化而上升或下降;Ｔｉｎ,ｇｒｏｕｎｄ表示Ｕ型管進水溫度,Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ表示出水溫度。

2誤差分析

在式(1)中可能只有Ｔｉｎ,ｇｒｏｕｎｄ和Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ值是可以定性的設(shè)計初始條件,其他參數(shù)都不能100%準確的獲得,這就使得在實際的工程設(shè)計中,設(shè)計者很難直接由公式計算確定這些參數(shù)。國外有一些人對此做過一定的研究,雖然針對的是一些特殊情況,但也提供了土壤和回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)影響管長計算的依據(jù)。這里,筆者介紹一種更具有概括性的計算方法,該方法利用經(jīng)典的誤差分析法[4,6]測定每個參數(shù)的單個誤差因子如何重組產(chǎn)生Ｌ值的總體誤差增益。

假設(shè)所有的誤差因子都是隨機無關(guān)的,在計算Ｌ的總體誤差中,首先給出ＵＬ的計算式:

其中,ＵＬ是Ｌ的絕對誤差,ＵＸｉ是Ｘｉ參數(shù)的單個誤差因子,那么偏導(dǎo)數(shù)aL/Xi的近似值就是:

那么,式(2)中所需條件都可以通過式(1)中的管長計算ｎ+1次即可確定。首先,利用基本條件(每個參數(shù)的初始設(shè)定值)來確定Ｌ值的下限,如ＬＸｉ。然后,通過已定參數(shù)的下限值確定其他參數(shù),利用每個參數(shù)的微分變換ΔＸｉ來確定ＬＸｉ+ΔＸｉ。Ｌ/Ｘｉ的每個值對應(yīng)參數(shù)Ｘｉ的靈敏系數(shù),而由Ｌ/Ｘｉ計算得到的ＵＸｉ值就表示參數(shù)Ｘｉ對整體誤差ＵＬ的影響。

3實例計算

3.1負荷

這里使用的是一個以制冷為主的建筑負荷資料,如表1所示。根據(jù)經(jīng)驗公式,假定在制熱和制冷工況的ＣＯＰ值均為3.5,從而由建筑負荷求得土壤負荷,列于表1(注:表中傳熱量均是指土壤每小時排出的熱量,也指土壤負荷)。

式中,ｑｇｒｏｕｎｄ表示土壤傳熱量(土壤負荷),ｑｌｏａｄ表示建筑負荷。ＣＯＰ是指熱泵的運行效率?！?”表示熱泵的制冷工況,“-”表示熱泵的制熱工況。

根據(jù)以上負荷數(shù)據(jù)可分析計算ｑｈ,ｑｍ和ｑｙ值。因為建筑是以制冷為主,所以此時制冷工況下的管長計算是決定因數(shù),制熱工況下的管長計算可以不用考慮。另外,表1中的第2欄和第3欄分別表示給定的一個月內(nèi)的最大建筑負荷和總的建筑負荷,第4欄表示土壤負荷。ｑｈ值可以在第4欄中獲得:其值為-192.9ｋＷ(負號表示熱量被釋放到土壤中)。第5欄是每月土壤傳熱量(或是冬季從土壤中吸收的能量)。每年的土壤傳熱量就是12個月的能量總和,其結(jié)果列于表中最下面欄。再把這個能量總和按照每年8760個小時平均分配即得到土壤的年平均傳熱量ｑｙ,在本例中其值就是-44.83ｋＷ。最后一欄中的最大值就是ｑｍ,表示土壤的月平均傳熱量,在本例中其值就是-119.3ｋＷ。

3.2鉆孔尺寸及土壤的熱物性

表2和表3分別給出了鉆孔尺寸以及土壤熱物性參數(shù)。根據(jù)文獻[2]中的程序計算求得所需的有效熱組:Ｒｂ=0.0965ｍ·Ｋ/Ｗ;Ｒ10ｙ=0.174ｍ·Ｋ/Ｗ;Ｒ1ｍ=0.170ｍ·Ｋ/Ｗ;Ｒ1ｈ=0.093ｍ·Ｋ/Ｗ。

3.3溫度

Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ的選擇很重要,它等效于熱泵機組的進水溫度,是熱泵在最不利情況下運行時的設(shè)定溫度。在制冷工況下的Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ值越高,循環(huán)周期就越短。當(dāng)然,Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ值也不能夠超過熱泵出廠設(shè)定的安全運行范圍。這里取推薦值Ｔｏｕｔ,ｇｒｏｕｎｄ=32.2℃,因循環(huán)水每ｋＷ的熱流量為5.4×10-5ｍ3/ｓ,則由公式Ｑ=ｃｐｍΔｔ可得出Ｔｉｎ,ｇｒｏｕｎｄ=36.6℃。無擾動溫度Ｔｇ設(shè)定值是10℃,管壁溫度Ｔｐ取4℃,該值也表示系統(tǒng)運行10年后的穩(wěn)定溫度。

4計算結(jié)果

4.1最小管長

通過以上求得的負荷值和土壤特性參數(shù),可得出制冷工況下最小的設(shè)計管長(ｍ)計算值:

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

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

=3165

從上式可以看出,與年負荷相關(guān)的一組數(shù)(分子的第2項)僅占總的計算管長的12%,這就意味著,在這種特殊情況下,ｑｙ的誤差不會對Ｌ值產(chǎn)生很大的影響。相比之下其他參數(shù)的影響較難估計,如土壤傳熱的影響包括3個有效熱阻值,必須通過較復(fù)雜的Ｇ函數(shù)法才能求解。針對這些情況,誤差分析就是很必要的。

4.2誤差計算與分析

表4給出了誤差分析結(jié)果。表中的第2欄是各個參數(shù)的下限條件,由這些條件計算得出制冷工況下的設(shè)計管長為3165ｍ。第3欄中,除了2個溫度參數(shù)Ｔｐ和Ｔｇ的誤差值設(shè)定為±1Ｋ外,其他的均設(shè)定為±10%。最后2欄分別表示靈敏系數(shù)和每個參數(shù)對整體誤差值的增益的絕對值。

表4中的結(jié)果有一定的實用性。首先可以由此來檢測單個參數(shù)的影響。例如當(dāng)其他參數(shù)都假定準確時,土壤導(dǎo)熱系數(shù)±10%的誤差值就會導(dǎo)致Ｌ出現(xiàn)±225.3ｍ(或7.1%)的誤差值。由最后一欄可知,某些參數(shù)的影響較之其他參數(shù)更為顯著,如土壤導(dǎo)熱系數(shù)±10%的誤差值產(chǎn)生的影響就是回填料導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生的影響的4倍多(225.3ｍ與52.2ｍ比較)。由單個誤差值相加之后得到關(guān)于Ｌ的整體誤差值為±369ｍ(或±11.7%)。

由表4可知,在給定下限條件后,靈敏系數(shù)是一個常量(如果條件改變,則靈敏系數(shù)將隨之改變),這就表示該值可以用于不同ＵＸｉ的值,如當(dāng)土壤熱擴散率的誤差值變?yōu)椤?0%時,那么αｓ對整體誤差的增益值就變?yōu)?3.8ｍ。基于換熱能效度的豎直地埋管埋設(shè)深度設(shè)計

摘要：根據(jù)地埋管傳熱特性,提出了地埋管換熱能效度概念。建立了豎直地埋管換熱器的三維傳熱模型,模擬計算了地埋管換熱器能效度在不同埋設(shè)深度條件下的分布。揭示了區(qū)段能效度的遷移特性,將地埋管換熱區(qū)域沿埋設(shè)深度范圍分為無效換熱區(qū)域和有效換熱區(qū)域,

并給出了基于換熱能效度的地埋管換熱器長度設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：地源熱泵地埋管換熱器能效度遷移特性

1豎直地埋管換熱器埋設(shè)深度確定原則常用的豎直U形地埋管換熱器如圖1所示。按照管內(nèi)流體流動的方向,U形管分為上升支管和下降支管。

地埋管內(nèi)來自熱泵機組的流體進入到下降管,

沿程與周圍土壤進行換熱,管內(nèi)流體溫度發(fā)生變化

后從地埋管上升管回到熱泵機組中,從而完成一個

換熱循環(huán)。在流量一定的條件下,流體與土壤的溫

差越大,地埋管的單位井深換熱能力就越大。在地源熱泵的設(shè)計中,較普遍的做法是在滿足地埋管換

熱量的要求下根據(jù)單位井深換熱量、埋管面積和間

距來確定埋管深度,根本沒有考慮保障一定埋管出

水溫度要求以達到熱泵主機的高效運行。實際上,

當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜眠\行到一定的時間后,由于土壤

的蓄能特性,周圍土壤冷熱量堆積使得地埋管換熱

器的運行狀態(tài)還要受到前一個狀態(tài)的影響,地埋管換熱器的換熱能力隨著時間增加逐漸下降,地埋管

內(nèi)流體的進出口溫差降低,熱泵主機的運行性能變差,增加了費用。在工程項目現(xiàn)場已有的條件下要使地埋管的出口溫度能夠持續(xù)地滿足主機高效運行,適當(dāng)?shù)卦黾拥芈窆軗Q熱器的埋設(shè)深度是最有效的方法。

本文以地埋管內(nèi)工作流體出口溫度隨深度的瞬時變化程度為判定原則,通過建立地埋管換熱器傳熱的三維傳熱模型,分析地埋管換熱器埋設(shè)深度的設(shè)計方法。

2地埋管換熱器三維傳熱模型

導(dǎo)熱型地埋管換熱器的傳熱過程十分復(fù)雜,其換熱效果受很多因素影響,如地埋管幾何結(jié)構(gòu),土壤的類型、導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散率、含水率以及熱泵運行時間,間歇運行工況,負荷大小等等。為便于理

論分析求解,作如下假設(shè):

1)在整個傳熱過程中土壤的物理成分、熱物性參數(shù)各向同性且保持不

變。

2)忽略地表面溫度變化對頂層土壤溫度的影響,使用全年平均氣溫作為地表面的邊界條件;忽略地表面溫度波動對土壤溫度的影響,認為土壤的

初始溫度均勻一致,且無窮遠處恒定不變。

3)不

考慮水分遷移和地下水對熱量傳遞的影響,地埋管與土壤之間的熱量傳遞過程只是純導(dǎo)熱的傳熱過程。

4)忽略地埋管與回填材料、回填材料與井壁間的接觸熱阻。豎直U形地埋管換熱器數(shù)學(xué)模型包括兩部分:一部分是U形管壁、回填材料及土壤的導(dǎo)熱傳熱模型,一部分是U形管內(nèi)的流體流動與對流傳熱模型。

2.1導(dǎo)熱傳熱模型

U形管壁、回填材料及土壤在直角坐標系中三維瞬態(tài)導(dǎo)熱控制方程可表示為

2.2對流傳熱模型

為提高地埋管內(nèi)流體換熱效果,U形管內(nèi)流體在湍流狀態(tài)下流動。湍流流動的模型很多,K-ε雙方程模型是湍流黏性系數(shù)模型中使用最多、應(yīng)用最成功的一種模型,本文采用該湍流模型。

豎直U形管內(nèi)的湍流流體與周圍土壤傳熱的控制方程包括固體導(dǎo)熱傳熱方程,對流換熱的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍流動能方程以及湍流動能耗散率方程,所有這些方程滿足如下通用形式的方程[1]:

2.3初始化和邊界條件

土壤、管壁、回填材料以及流體計算初始溫度均取同一溫度值,無窮遠邊界處的溫度始終保持該

溫度值。土壤與回填材料、管壁與回填材料交界處

的傳熱采用整體離散、整體耦合求解,其界面熱流相同。管內(nèi)流體與管壁間的對流傳熱為第三類邊

界條件,采用高Re求解流體與固體間的傳熱,壁面附近的黏性支層區(qū)域采用標準壁面函數(shù)法來處理。U形地埋管換熱器表面邊界條件包括地埋管進水溫度、與周圍空氣相鄰的土壤表面換熱,前者為恒定的進水溫度,后者為第三類邊界條件,其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取19

W/(m2·℃)[2]。

3地埋管換熱能效度

3.1換熱能效度定義

地埋管地源熱泵機組的出水進入到地埋管換熱器的下降支管與周圍土壤進行換熱,從理論上來說地埋管出口流體溫度均可以最大限度地接近土壤初溫。而實際的狀況是,不管是冬季還是夏季,

地埋管換熱器的流體出口溫度均遠離了土壤初溫,

造成了換熱效率下降。其主要原因一方面是埋管越深鉆井難度越大,成本急劇增加,從經(jīng)濟角度上不允許單井長度較大的地埋管;另一方面地埋管周圍土壤經(jīng)過一段時間的排/取熱堆積了大量的熱/

冷量而溫度升高/降低,因而換熱能力隨著時間推移逐漸下降,導(dǎo)致出口溫度逐漸上升/降低,使得地埋管出口溫度遠離土壤初始溫度。

針對地埋管換熱器能量交換的特性,為量化地埋管換熱效率,定義U形地埋管換熱器能效度E為地埋管換熱器實際換熱量Q與最大理論換熱量

Q′的比值,其表達式為

式中tin,tout,t0分別為U形地埋管換熱器流體進口溫度、出口溫度、土壤初始溫度,℃;G為地埋管內(nèi)流體的質(zhì)量流量,kg/s。

地埋管能效度是一個量綱一的量,在取熱或排熱工況下其取值范圍為0~1,表征了U形地埋管與周圍土壤換熱后管中流體出口溫度能夠達到的最低或最高的能力,是換熱能力的質(zhì)特征體現(xiàn),與地埋管換熱器的設(shè)計參數(shù)相關(guān)。它是一個隨換熱時間增加

而變化的瞬時量,這與文獻[3]中定義的效能概念有著很大的不同。理論上地埋管能效度E=0時失去換熱能力,但一般認為當(dāng)E<0.05時就可近似處理

為工程意義上的換熱失效;若地埋管換熱器的流體出口溫度能夠無限接近土壤初溫,實際換熱量就達到最大理論換熱量,此時地埋管能效度E=1。

在流量一定的條件下,U形地埋管支管局部每一段與土壤的換熱能力都對地埋管進出口溫差產(chǎn)生作用,可以認為地埋管進出口溫差由每小段的溫差逐步疊加而成。為分析各段對地埋管整體換

熱能效度的影響,可將地埋管換熱器任意分成N

段,則整個地埋管進出口溫差可表示為

Δt

=

tin-tout=Δt1+Δt2+…+Δtn(4)

式中Δt為進出口溫差,Δti(i=1,2,…,n)表示分

區(qū)段流體溫差。

將式(4)兩側(cè)同時除以tin-t0,則有

（5）

借鑒能效度E的定義,將如下量綱一參數(shù)稱

為地埋管區(qū)段換熱能效度Ei

則地埋管總能效度(全局系數(shù))E為區(qū)段換熱

能效度Ei之和,即

E

=

E1+E2+…+En(7)

3.2地埋管換熱能效度遷移變化特性為了簡便分析研究地埋管換熱能效度變化規(guī)律,本文針對地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季空調(diào)工況進行計算分析。

1)基本模擬計算條件(見表1)

2)地埋管埋設(shè)深度對能效度的影響

圖2為埋設(shè)深度H分別為80,60,40

m條件下地埋管換熱器能效度變化情況。

運行初期,埋設(shè)深度不同的地埋管中水與周圍土壤換熱的時間不同,排出的熱量也有很大的差別,因而地埋管出水溫度有較大差異,對應(yīng)的地埋管換熱器能效度分布有較大的差別,如在地埋管運行1h后,埋設(shè)深度為80,60,40

m的地埋管換熱器能效度分別為0.424,0.337,0.238,相對應(yīng)的進

出口溫差為8.4,6.7,4.7℃。隨著運行時間的增加,地埋管周圍的土壤均不同程度地產(chǎn)生熱堆積效應(yīng),對地埋管換熱器能效度的影響占主導(dǎo)地位,能效度與前一時間段相比均有不同程度的降低,但埋設(shè)深度較大的地埋管換熱器能效度比其他埋設(shè)深度小的換熱器大,換熱能力強。類似分析可得到冬季工況存在同樣的變化規(guī)律。

由此可知,加大地埋管換熱器埋設(shè)深度可以增大換熱器能效度和延長地埋管持續(xù)高效換熱的時間,但工程中鉆井費用占整個空調(diào)系統(tǒng)初投資的比例很大,而且鉆井越深,單位長度的費用將成倍增長,因而一般工程設(shè)計地埋管的埋設(shè)深度時大多會考慮當(dāng)?shù)氐你@井費用。當(dāng)然,鉆井深度也并非越大越好,應(yīng)根據(jù)需要和實際情況選擇埋管深度,避免盲目提高地埋管換熱器的埋設(shè)深度。

3)能效度遷移特性

圖3為埋設(shè)深度為40

m的地埋管換熱器在運行到第100

h,

1

000

h和5

000

h時下降支管的各區(qū)段換熱能效度分布情況。

從圖3可以看出,地埋管換熱器能效度的分布既不同于等熱流,也不同于等壁溫的工況,也沒有表現(xiàn)出統(tǒng)一的變化趨勢,而是根據(jù)埋管深度的不同而有所不同。熱泵機組的水流進入到地埋管的下降管中運行一段時間后,土壤上端由于靠近土壤表面可以與空氣對流換熱,地埋管排出的熱量能夠得到及時補充,因而其能效度相對于其他區(qū)段要高些。底段部分由于鄰接的土壤很廣,因而能效度在此段加大。

地埋管換熱器中間段埋管周圍的土壤由于持續(xù)排熱產(chǎn)生熱堆積,導(dǎo)致土壤的溫度不能夠及時恢復(fù),各段埋管內(nèi)流體溫度會有不同程度的變化,地埋管的換熱能力顯現(xiàn)出很強的區(qū)段特性。

當(dāng)?shù)芈窆軆?nèi)流體與周圍土壤的換熱達到一定時間時,地埋管換熱器的換熱達到準穩(wěn)定期。在進水溫度保持不變的情況下,下降支管在一定的深度范圍內(nèi)的能效度相對很小,接近于0,表明該段進

出水溫度沒有發(fā)生很明顯的變化,可近似認為此換熱段的換熱已接近飽和或準飽和狀態(tài),對提高整個地埋管的換熱能力所起作用不大,但它是U形地埋管換熱過程必不可少的部分。這是由于該段處

于下降支管的頂端,換熱過程中排熱量較大,使得地埋管周圍的土壤溫度極度上升,傳熱動力———埋管內(nèi)流體與土壤間溫差相對較小,換熱效果相對于其他部位很差,如圖3所示的第5

000

h工況下鉆

井深度在2~6

m的范圍之內(nèi)。隨著地埋管埋設(shè)深度的增加,區(qū)段的能效度有明顯的變化。從這一

深度起,隨著深度的增加,埋管內(nèi)水溫開始明顯下降。當(dāng)?shù)芈窆軗Q熱器內(nèi)的流體溫度下降到一定程度時,與周圍土壤的溫差逐漸減小,能效度逐漸降低。當(dāng)接近底部后溫度又有所回升。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)分析,在地埋管換熱過程中,U形地埋管換熱器上升管和下降管對應(yīng)深度的換熱特性變化類似,因而可用下降管的換熱特性為代表來分析地埋管整體換熱過程,冬季工況同樣如此。

從地埋管換熱器區(qū)段能效度分布規(guī)律來看,地埋管內(nèi)流體的溫度分布有很強的分段特性。根據(jù)能效度是否大于給定值(由工程意義上的換熱能力確定),可以將地埋管埋設(shè)深度范圍,分為無效換熱

區(qū)和有效換熱區(qū)。無效換熱區(qū)在地埋管埋設(shè)深度起始段,當(dāng)?shù)芈窆軗Q熱器通過管壁與周圍土壤的換熱量和換熱時間達到一定程度時,周圍土壤熱量產(chǎn)生大量堆積,區(qū)段能效度數(shù)值很小;換熱器內(nèi)流體

與土壤之間的換熱處于準飽和換熱狀態(tài),不再具有

工程意義上的價值。這個即為無效換熱區(qū),如圖3中的2~6

m的鉆井范圍。除準飽和換熱區(qū)外的區(qū)段均為有效換熱區(qū),在此區(qū)域地埋管能效度沿埋設(shè)深度變化。

在圖3中,區(qū)段換熱能效度隨著時間的變化而變化,這種變化既表現(xiàn)在數(shù)值上的不同,也表現(xiàn)在數(shù)值發(fā)生變化的區(qū)段不同。隨著地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行時間的增加,地埋管承擔(dān)的換熱量是持續(xù)的,這就導(dǎo)致了換熱器周圍的土壤溫度持續(xù)上升或持續(xù)下降,換熱器的換熱能力也逐步下降,地埋管無效換熱區(qū)逐漸增加,向深度方向推移,該區(qū)段的能效度均保持很低的狀態(tài),可將

地埋管換熱器的這種特性稱為換熱區(qū)段能效度遷移特性。

4基于換熱能效度的地埋管換熱器長度設(shè)計

4.1地埋管換熱負荷特性下的埋設(shè)深度確定

地埋管換熱器的換熱負荷是隨著室內(nèi)和機組工況動態(tài)變化的。而對于地埋管換熱器埋設(shè)深度的設(shè)計,普遍存在的問題是沒有根據(jù)換熱器所承擔(dān)負荷的動態(tài)特性作出相應(yīng)的改變。甚至在地埋管換熱負荷發(fā)生變化的條件下,依賴已有的試驗測試或計算結(jié)果,盲目增大或主觀減小埋設(shè)深度,不符合地埋管換熱器實際的傳熱機理。從能效度量化評價角度來看,在保證了地埋管的動態(tài)換熱負荷的前提下,過度增加埋設(shè)深度對加大地埋