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地埋管地源热泵原理及施工技术
目录:
一、 术语
二、 地源热泵技术简介
1、 地源热泵原理
2、 地源热泵技术特点
3、 地源热泵优点
4、 地源热泵缺点
三、 地埋管式地源热泵系统
四、 地埋管式地源热泵系统安装要点
五、 地埋管地源热泵系统安装工艺流程
六、 地埋管换热系统的检验与验收
附录

一、 术语:
1、 地源热泵系统:
以岩土体、 地下水和地表水为低温热源, 由水源热泵机组、 地热能交换系统、 建筑物内系统组成的供热空调系统, 根据地热能交换形式的不同, 地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、 地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
2、 地埋管换热系统
传热介质经过水平或竖直地埋管换热器与岩土体进行热交换的地热能交换系统, 又称土壤热交换系统。
3、 地埋管换热器
供传热介质与岩土体换热用的, 由埋在地下的密闭循环管组构成的换热器, 又称土壤热交换器。根据管路埋设方式不同, 分为水平地埋管换热器和垂直地埋管换热器。
4、 地下水换热系统
与地下水进行热交换的地热能交换系统, 分为直接地下水换热系统和间接地下水换热系统。
5、 直接地下水换热系统
由抽水井取出的地下水, 经处理后直接流经水源热泵机组热交换后返回地下同一含水层的地下水换热系统。
6、 间接地下水换热系统
由抽水井取出的地下水, 经中间换热器热交换后返回地下同一含水层的地下水换热系统。
7、 地表水换热系统
与地表水进行热交换的地热能交换系统, 分为开式地表水换热系统和闭式地表水换热系统。
8、 开式地表水换热系统
地表水在循环泵的驱动下, 经处理直接流经水源热泵机组或经过中间换热器进行热交换的系统。
9、 闭式地表水换热系统
将封闭的换热盘管按照特定的排列方法放入具有一定深度的地表水体中, 传热介质经过换热管管壁与地表水进行热交换的系统。
10、 环路集管
连接各并联环路的集合管, 一般见来保证各并联环路流量相等。

二、 地源热泵技术简介
1、 地源热泵原理
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。地源热泵经过输入少量的高品位能源( 电能) , 即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。在冬季, 把土壤中的热量”取”出来, 提高温度后供给室内用于采暖; 在夏季, 把室内的热量”取”出来释放到土壤中去, 而且常年能保证地下温度的均衡。地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、 地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。

地下水地源热泵系统工作示意图

地埋管地源热泵系统工作示意图
2、 地源热泵技术特点:
环保: 使用电力, 没有燃烧过程, 对周围环境无污染排放; 不需使用冷却塔, 没有外挂机, 不向周围环境排热, 没有热岛效应, 没有噪音; 不抽取地下水, 不破坏地下水资源。
一机三用:冬季供暖、 夏季制冷以及全年提供生活热水。
使用寿命长: 使用寿命20年以上, 是分体式或窗式空调器的2-4倍。
全电脑控制, 性能稳定, 能够电话遥控, 能够进行温湿度控制和新风配送
3、 地源热泵优点:
1) 、 地源热泵技术属可再生能源利用技术
地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源( 一般小于400米深) 作为冷热源, 进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源能够称之为地能( Earth Energy) , 是指地表土壤、 地下水或河流、 湖泊中吸收太阳能、 地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器, 收集了47％的太阳能量, 比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、 资源等限制, 真正是量大面广、 无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源, 使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。
2) 、 地源热泵属经济有效的节能技术
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定, 冬季比环境空气温度高, 夏季比环境空气温度低, 是很好的热泵热源和空调冷源, 这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%, 因此要节能和节省运行费用40%左右。另外, 地能温度较恒定的特性, 使得热泵机组运行更可靠、 稳定, 也保证了系统的高效性和经济性。
据美国环保署EPA估计, 设计安装良好的地源热泵, 平均来说能够节约用户30～40％的供热制冷空调的运行费用。
3) 、 地源热泵环境效益显著
地源热泵的污染物排放, 与空气源热泵相比, 相当于减少40％以上, 与电供暖相比, 相当于减少70％以上, 如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂, 但比常规空调装置减少25％的充灌量; 属自含式系统, 即该装置能在工厂车间内事先整装密封好, 因此, 制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染, 能够建造在居民区内, 没有燃烧, 没有排烟, 也没有废弃物, 不需要堆放燃料废物的场地, 且不用远距离输送热量。
　4) 、 地源热泵一机多用, 应用范围广
地源热泵系统可供暖、 空调, 还可供生活热水, 一机多用, 一套系统能够替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统; 可应用于宾馆、 商场、 办公楼、 学校等建筑, 更适合于别墅住宅的采暖、 空调。
5) 、 地源热泵空调系统维护费用低
在同等条件下, 采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用, 它的机械运动部件非常少, 所有的部件不是埋在地下便是安装在室内, 从而避免了室外的恶劣气候, 其地下部分可保证50年, 地上部分可保证30年, 因此地源热泵是免维护空调, 节省了维护费用, 使用户的投资在3年左右即可收回。
另外, 机组使用寿命长, 均在 以上; 机组紧凑、 节省空间; 自动控制程度高, 可无人值守。
4、 地源热泵缺点
当然, 象任何事物一样, 地源热泵也不是十全十美的, 如其应用会受到不同地区、 不同用户及国家能源政策、 燃料价格的影响; 一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同; 采用地下水的利用方式, 会受到当地地下水资源的制约, 实际上地源热泵并不需要开采地下水, 所使用的地下水可全部回灌, 不会对水质产生污染。
三、 地埋管式地源热泵系统
1、 1、 地埋管式地源热泵系统组成
    1.1 热泵系统
由地源热泵机组、 源水循环水泵、 负载循环水泵、 直供( 冷) 循环水泵、 制热水泵、 热水循环水泵、 水处理设备及电器控制组成。热泵主机是整个系统的”心脏”, 负责制冷、 制热和置换生活热水。
热泵的工作原理与常规空调的制冷机组或风冷热泵机组大致相同, 这里不再 过多地描述, 只对本方案系统进行介绍。本设计选用的热泵机组, 冷暖负载( 制冷、 制热) 模式机组内部转换不需要

操作, ( 管道) 系统阀门, 一键式的单指操作, 制冷制热的温度设置可调, 具有多种检测( 探测) 和多项保护功能, 不必专人管理、 操作完全自动运行
地源热泵空调负荷, 很可能会有较为明显的时间段, 节假日或有重大赛事, 会出现最高的冷暖、 热水空调负荷, 而在平时空调负荷不是很大, 或者是完全停用。供暖季节( 冬季) 热泵如果停止工作, 会导致系统设备、 室内其它管道冻损, 一般 的做法是设低热泵机组和室内风机盘管控制的温度实现节能的目的。地源热泵设计了地耦循环系统利用自然能源保持系统和建筑物一定的温度。

1.2 全热回收( 热水) 系统
利用热泵的余热回收系统, 置换( 加热) 到45-60℃( 可调) 的生活热水储水罐与热泵机组为承压密闭方式循环制热, 循环水泵与机组联动并配有单独的控制和操作显示面板, 自动运行, 热水利用自来水的压力送出, 在供水管路上设计安装一台循环水泵, 并设有温度自动控制装置使管道内的热水温度自动”恒温”, 消除冷水头, 在提供热水的同时还承担节水的责任, 制热储水罐根据热水用量定制, 采用不锈钢材料加工制作, 管道采用PP-R管材, 系统安装完毕罐体及管道作保温处理。

1.3地耦循环供冷换热系统
利用地耦系统的自然( 土壤) 温度为建筑物降温( 保温) , 遇到空调峰值制冷负荷时直供系统与热泵机组接力供冷在冬季泵系统可作为防冻功能使用, 较大的利用了自然能源, 她是地源热泵系统的功能扩展, 经过设在系统中的调节/分配装置, 可实现自动运行( 用户任选) 。

地藕换热系统最关键的是换热效率,  效率又受多种因素的影响, 涉及到的主要 因素有: 地质结构土壤成分; 地区( 地域) 自然环境、 施工场地等。地耦系统的换热效率直接影响热泵的工 况, 也能够说地耦换热的效率等于热泵 的效率, 而热泵的效率直接影响运行成本, 当然也直接影响初投资。

四、 地源热泵室外地埋管的安装要点
地源热泵室外地埋管一般选用垂直埋管方式, 也叫直埋式。直埋式地源热泵施工时所需场地小,节省建筑空间,是一种经济、 对环境无害的绿色能源利用方式。它运行时无噪声,可靠、 持久,供热/ 制冷效果好,舒适感好,是一种值得推广的能源利用新技术。
1、 钻孔
    直埋式地源热泵需要用钻机进行施工,要求钻机的钻进深度达到150～200 m ,钻头的直径根据需要在100～150 mm之间。由于钻孔深度较浅,一般采用常规的正循环钻进方法。在中国,能够选用普通的工程勘察钻机、 岩心钻机,如DKⅢ- 300 型钻机、 DPP100 型车装钻机等。
  钻孔施工完成后孔壁必须保持完整。如果施工区地层土质比较好,能够采用裸孔钻进;如果是砂层,孔壁容易坍塌,则必须下套管。裸孔钻进时,要求泥浆的密度在1125 g/cm3 左右,以保证形成比较稳定的孔壁并逐渐降低泥浆浓度(加清水) ;成孔时,要求最后上返泥浆的密度1108 g/ cm3 左右,且泥浆中基本不含砂粒。
2、 U 型管的制备
    按照事先设计好的接管方式,把PVC 型管制备好,要求尽可能让U 型弯接头的熔接作业在室内进行,以保证接头熔接的可靠性。在场地内展开U 型管,以使其最好地下入孔内。
    注入防冻液。防冻液能够增加U 型管的整体重力,使下管更加容易,并作为传热介质。确保防冻液无泄漏后,在PVC 管的U 型接头处捆绑配重。配重一般选用ª8～15 mm的钢筋,长度为2.5 m 左右,根据下入PVC 管的根数决定配筋的数量,一般下入3 根PVC 管配1 根筋,下入5 根PVC 管配2 根筋。
3、 下U 型管
    U 型管的下放是工程的关键,因为下入U 型管的深度决定着采取热量总量的多少,因此必须保证下入U 型管的深度。按照热交换原理,计算下入U 型管的深度,是以下管的长度计算,而不是按垂直距离计算。下U 型管的方法十分简单。一般采用人力下管,一方面人的感觉能够判断U 型管的完好与否;另一方面,人力也足以使其完全地下入孔内。在施工过程中,由于孔内情况复杂,下入U 型管时可能会遇到很大的阻力(主要来自孔壁对U 型管的摩擦阻力) ,能够采用如下方法进行下管:在PVC管上套上粗麻绳,辅以扶正机构,经过加力杠杆作用于粗麻绳上,以便下管。实践证明,这种方法很有效,一般能够增加下管深度10～20 m。
4、 灌注
    注浆是为了填充U 型管与钻孔孔壁间的间隙,使其具有更好的传热性能。填充材料的选择决定了传热率的大小,选择一种热阻抗比较小的材料,是提高整个系统效率的有效途径。美国、 加拿大、 日本等国的观点认为,最好是把钻孔所取出的岩土体进行回填,可是这在工程上实现起来比较困难,因此一般选用特殊物质制成的专门的灌注材料。灌注时,要求泥浆泵的泵压足以使孔底的泥浆上返至地表,当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时,认为注浆过程结束。注浆时,必须保证注浆的连续性,否则会降低传热效果,影响工程质量。注浆是由与U 型管一并下入孔内的注浆管完成的。
五、 地埋管地源热泵施工工艺流程

施 工 准 备

测 量 放 线

钻 井 施 工

水 压 试 验( 第 一 次)

下 管 施 工

灌 浆 回 填

分 区 水 平 管 连 接

分 区 水 压 试 验

沟 回 填

系 统 整 体 连 接

系统整体水压试验

六、 地埋管地源热泵施工工艺
1、 施工准备
1.1、 施工前应具备埋管区域的工程勘察资料、 设计文件和施工图纸, 并完成施工组织设计。
1.2、 在接到施工图纸后, 分包单位、 甲方工程部、 监理公司项目部分别对图纸进行审核, 提出相关疑问
1.3、 甲方工程部及规划技术部组织图纸会审及设计交底, 设计交底
1.4、 分包单位打井机具、 双U型PE管、 回填料( 膨润土混合料、 细沙、 石硝等) 进场报验, 重点控制PE管的长度、 壁厚、 承压能力;
1.5、 甲方工程部组织相关单位( 总包) 施工场地地下障碍物及地下管线情况交底;
1.6分包单位报送施工方案及质量控制方案, 监理公司审核批准;
2、 测量放线
精确测定井位布置, 根据桩基开挖的上口线位置, 把施工中有影响的井位及主管线路, 进行合理调整, 避免开挖损坏管道。定准孔位后, 测量每个井位的孔口自然地面标高, 作好记录, 以便计算打孔深度。分包单位根据图纸要求有效换热长度及水平连管标高结合室外地形确定现状地形的打井深度( 逐井测量) 。监理公司、 甲方工程部专业人员逐井检验, 保证有效换热长度满足图纸设计要求;
3、 钻井施工
钻井施工过程中, 应根据不同的地质情况, 采取不同的施工工艺。施工期间机长要根据地质情况的变化合理安排进尺深度, 不可操之过快, 一味追求进度, 使竖井没有完全打透, 造成下管时的困难, 施工时每根钻杆应重复几次上下拉动, 使孔完全打透。如土壤不牢或存在孔洞、 洞穴等造成成孔困难时, 应设护壁套管保护后再施工; 钻孔揭露多层地下水时, 采取回填封闭措施处理。
监理公司专业工程师旁站监理, 重点控制钻机钻杆垂直度, 钻杆垂直度偏差应小于0.5%, 避免出现较大井位垂直偏移, 严格防止串孔情况出现;
分包单位专业人员记录成孔地质分层情况, 形成逐井成孔记录
4、 水压实验
根据设计图纸及《地源热泵系统工程技术规范》的要求, 下管前管道需做严密性实验, 例如, 系统最大工作压力为1.3MPa, 试验压力为1.8MPa, 在该试验压力下稳压15分钟, 压降不大于3%不渗不漏为合格。同时做好水压试验记录便于查看, 并报项目监理部审核批准, 做好隐蔽工程检查记录, 方可进行下道工序的施工。
5、 下管施工
把立埋管路充水状态下插入到井中, 因为水增加了管子的重量, 下管时增加了下坠力, 以抵消一部分浮力, 还能够防止管道变形, 因为钻孔内一般情况下充满了泥浆。
钻孔完成后应立即下管, 若成孔搁置时间过长,有可能出现钻空局部坍塌或堵塞,导致下管困难。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, U型管的长度应比孔深略长, 使得其能够露出地面。下管过程中受阻禁止采用机械下压的方法, 应重新清孔入管。
下管完毕后做好管头封堵, 防止进入杂物, 堵塞管道。并做好警示标识, 防止破坏。
井管开口用专用熔接管端封堵, 以保护管路系统, 避免泥浆石块和其它异物进入系统, 造成系统堵塞影响水流量。
6、 灌浆回填
6.1根据工程设计说明、 勘探资料及现场钻井实际情况确定回填材料。例如, 井下有砂岩层时, 为避免该段岩石挤坏水管, 回灌材料宜选用细沙混合水泥进行回填, 比例为1: 3加压回灌; 若井下为粘土层, 回填材料宜选用细沙混合粘土进行回填, 比例为1: 9, 自然回灌效果较好。
6.2检查水泥沙浆配料的数量, 满足单孔回填的数量要求。
6.3按照图纸回填要求严格控制回填速度及回填量。
6.4当埋管深度超过40M时, 灌浆回填应在周围临近钻孔均钻凿完毕后进行
7、 成品保护
换热井施工完毕后, 为避免场区内其它专业的作业施工对成井的破坏, 在每个换热井旁树立醒目标识, 并挂牌进行警示。
8、 分区水平管连接
系统分区孔位成型后进行干管横联施工: 严格按照设计标高进行主管沟的施工。连接横埋管有一定的难度, 因为在沟里有水、 泥等, 且在一个窄小的范围内管道熔接有一定局限性, 给热熔增加了难度。热熔连接之前, 首先要准备好擦布, 注意擦干、 擦净管道上的水和泥, 以免影响熔接质量, 造成管道渗漏。
热熔连接首先要把握热熔器的特点, 达到什么样的温度条件下才适合热熔, 不能在温度不到的情况下热熔, 以免产生热熔不牢和泄露问题, 热熔的温度一般不能低于250℃, 然后根据热熔器温度的不断提升, 来把握热熔时间的长短, 当环境温度低于5℃时杜绝焊接。
每一组横埋管做好以后, 分清总管的进出水口, 把总管对准相应的预留洞口, 做好固定, 在总管路上标示出进出水, 以方便以后辩认, 避免以后造成系统的混乱和错误的发生。
9、 分区水压试验
系统分区连接完毕后, 应进行二次水压试验, 根据设计图纸及《地源热泵系统工程技术规范》的要求进行水压试验, 做好试验记 录, 报给监理部门审核, 合格后方可进行回填施工。
10、 沟回填
横连管沟施工前, 下部需铺填200mm厚的细沙, 管道上部铺填300mm的细沙后进行分层回填, 逐层夯实, 回填料中不能有硬质物体, 以免把管道损坏, 当回填土填到最少800mm后时才可上重型机械施工, 回填时系统降至工作压力观察, 确保回填没有对系统造成损坏, 回填完毕后, 把压力降至0MPa。
11、 整体连接
各分区系统连接完毕后, 按照施工图纸在分集水器处进行系统整体连接, 并对每个分区的管道做好标识, 以便查对。
12、 整体水压试验
各分区系统施工完毕后, 连接到机房分集水器处进行第三次打压试验。
13、 系统水压试验
地埋管换热系统全部安装完成, 且冲洗、 换气及回填全部完成后, 进行第四次打压试验。
六、 地埋管换热系统的检验与验收
地埋管换热系统安装过程中, 应进行现场检验, 并应提供检验报告。检验内容应符合下列规定:
1、 管材、 管件应符合国家现行标准的规定。
2、 埋地管道应采用热熔或电熔连接。埋地聚乙烯管道连接应符合国家现行标准《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》的有关规定。
3、 钻孔、 水平埋管的位置和深度、 地埋管的直径、 璧厚及长度均应符合设计要求。
4、 回填料及其配比 应符合设计要求。
5、 水压试验应合格。
4.1、 水压试验应符合下列规定:
试验压力: 当工作压力小于或等于1.0MPa时, 应为工作压力的1.5倍, 且不应小于0.6MPa, 当工作压力大于1.0MPa时, 应为工作压力加0.5 MPa。
4.2、 水压试验步骤
4.2.1、 竖直地埋管换热器插入钻孔前应作第一次水压试验, 在试验压力下, 稳压至少15min, 稳压后压力降不应大于3%, 且无泄漏现象; 将其密封后, 在有压状态下插入钻孔, 完成灌浆后保压1h。水平地埋管换热器放入沟槽前应作第一次水压试验, 在试验压力下, 稳压至少30min, 稳压后压力降不应大于3%, 且无泄漏现象。
4.2.2、 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30min,稳压后压力降不应大于3%, 且无泄漏现象。
4.2.3、 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, 且无泄漏现象。
4.2.4、 地埋管换热系统全部安装完毕, 且冲洗、 排气及回填完成后进行第四次水压试验。在试验压力下, 稳压至少12h, 稳压后压降不应大于3%。
4.3、 水压试验宜采用手动泵缓慢升压, 升压过程应随时观察与检查, 不得有渗漏, 不得以气压试验代替水压试验。
6、 各环路流量应平衡, 且满足设计要求
7、 防冻剂及防腐剂的特性及浓度应符合设计要求。
8、 循环水流量及进出水温差应符合设计要求。
9、 回填过程的检验应与安装地埋管散热器同步进行。

附录:
引用标准及文献:
《地源热泵系统工程技术规范》GB-50366-
《地源热泵系统设计安装》
《地源热泵施工工艺》
《埋地聚乙烯给水管道工程技术规程》