地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器的施工技術

1、地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器的施工技術莊迎春 1, 謝康和 1, 校月鈿 2, 李西斌 1(1. 浙江大學 , 浙江杭州 310027; 2. 上海隧道工程股份有限公司 , 上海 200040摘 要 : 地下?lián)Q熱器是地源熱泵系統(tǒng)中的關鍵技術之一 。 本文在工程施工的基礎上 , 對該系統(tǒng)的施工技術進行了進一 步的研究 , 其中包括工程鉆孔問題 、 注漿過程等方面 , 其研究結果可以應用在該系統(tǒng)的設計 、 施工中 , 對實際工程有較強 的指導意義 。關鍵詞 : 地源熱泵 ; 地下?lián)Q熱器 ; 施工技術中圖分類號 : T U83211 文獻標識碼 : BConstruction T echnology of

2、 G round H eat Exchanger forG round Source H eat Pump SystemZH UANG Y ing 2chun 1,XIE K ang 2he 1,XI AO Y ue 2tian 2,LI X i 2bin 1(1. Zhejiang University ,Hangzhou 310027, China ;2. Shanghai Tunnel Engineering C o. ,Ltd. ,Shanghai 200233,China Abstract : G round heat exchanger is an important part o

3、f ground s ource heat pump (G SHP system. Based on an international coopera 2 tion practical engineering ,related construction technologies are studied ,which are engineering drilling ,grouting engineering for back filling material and inserting U 2type pipes into the bore holes and s o on. The resu

4、lts indicated can be implied in design and construction of ground s ource heat pump project ,and they are benefit to practical engineering.K ey w ords : ground s ource heat pump ;ground heat exchanger ;construction technology1 引言地源熱泵是指通過將傳統(tǒng)的空調器的冷凝器 或蒸發(fā)器延伸至地下 , 使其與淺層巖土或地下水 進行熱交換 , 或是通過中間介質作為熱載體 , 并使

5、中間介質在封閉環(huán)路中通過在淺層巖土中循環(huán)流 動 , 從而實現(xiàn)利用低溫淺層地能對建筑物內供暖 或制冷的一種節(jié)能 、 環(huán)保型的新能源技術 。根據(jù) G B 50176 1993 民用建筑熱工設計規(guī)范 , 夏熱 冬冷的長江三角洲地區(qū)制冷與供暖的天數(shù)大致相 當 , 即冷熱負荷基本相同 。利用該技術可以充分 發(fā)揮淺層地表的儲能儲熱作用 , 達到環(huán)保 、 節(jié)能的 雙重功效 , 因此該技術被譽為 “ 二十一世紀最有效 的空調技術” 1。 圖 1為地源熱泵的工作原理圖 。 目前 , 國內該領域的研究主要集中在直埋式地下 換熱器方面 。 因為隨著熱泵技術本身運用于地源 的日漸成熟 , 對地下?lián)Q熱器的研究已成為該技

6、術 的關鍵所在 。 本文是作者在參加了長春市地源熱 泵土 工 設 計 及 施 工 工 程 (中 日 國 際 合 作 項 目 (2002 的基礎上所做的進一步的研究工作 2, 國 內還沒有相關的研究文獻 。圖 1 地源熱泵系統(tǒng)工作原理 地源熱泵地下?lián)Q熱器的施工流程如圖 2所 示。 圖 2 地源熱泵地下?lián)Q熱器的施工流程2 工程鉆孔問題工程鉆孔是地下?lián)Q熱器施工過程中最重要的 一個環(huán)節(jié) 3。 由于地源熱泵的地下?lián)Q熱器置入深 度在 40100m 之間 , 所以施工難度較低 , 所采用 的鉆機一般為工程勘察鉆機或者淺層巖芯鉆機 。 表 1列出了幾種常用的鉆機類型及其重要參數(shù) 。表 1 常見工程鉆機參數(shù) 鉆

7、機型號 SPC300Y DC10021DK 300IIIDPP100鉆孔直徑(mm 15030015030056219110200鉆進最大 深度 (m 300300300150最大泵量 (L/min 600200100450鉆進方法比較簡單 , 一般采用正循環(huán)或反循 環(huán)的回轉鉆進方法 , 圖3所示為正循環(huán)鉆進 。在 進行工程鉆孔施工時應該先對場地的地質狀況進 行了解 , 掌握已有的地質剖面圖 , 而且應注意是否 有地下管線及確定其準確的位置 , 特別指出的是 在鉆進過程中應該即時發(fā)現(xiàn)鉆孔中存在的問題 , 如鉆孔漏失等情況 , 這對整個系統(tǒng)的環(huán)境安全至 關重要 。 然后進行場地清理 , 鏟除地面

8、雜草 、 雜物 和浮土 , 平整地面 , 確定鉆孔的具體位置 。同時 , 考慮到注漿時漿液會從鉆孔溢出 , 所以在施工前 , 可以先設計并布置好排水溝 , 一般可順地勢挖 , 并 在溝末端連接一個灌漿池 , 鉆孔過程中產生的泥 漿也可以在灌漿池中沉淀 , 沉淀后可作回填土 。 考慮對環(huán)境的影響 , 特別是因為施工的原因 造成防凍液的滲漏等情況的發(fā)生 , 在進行成孔施 工時要求對在第四紀松散地層下套管 , 保證環(huán)境的安全性 。 所以在進行鉆孔施工前 , 必須根據(jù)工 程勘察所得到的地層情況 , 設計好工程孔的孔身 結構 。圖 3 正循環(huán)鉆進在北方 , 考慮埋管深度時 , 應該根據(jù)當?shù)氐亩緝鐾辽疃?/p>

9、確定其最淺埋管深度 , 比如長春的凍 土深度為 140170cm 之間 , 所以在水平管道時往 往要求埋地深度為 250cm 左右 。 在南方應考慮天 氣和季節(jié)變化以及生物的破壞能力等因素的影 響 , 一般要求敷設管道時應該在 100cm 以下 。 3 U 型管的連接方法埋入地下的管材首先要保證化學性質穩(wěn)定 、 耐腐蝕 , 并保證有良好的導熱性能 , 以保證系統(tǒng)的 性能 。 表 2為常用管材的導熱性能 。表 2 熱熔性管道熱特性材料 材質 導熱系數(shù) W/(m K 聚乙烯 (PE 高密 低密 0. 460. 520. 35聚氯乙烯(PVC 硬質 軟質0. 130. 290. 130. 17聚丁烯

10、 (P B 0. 23聚丙烯 (PP 2R 0. 24U 型管的連接就是 U 型管的熱熔聯(lián)接過程 ,即首先將 U 型管修剪 、 清洗整潔 、 對齊 , 然后加熱 到其熔點 , 冷卻后聯(lián)接在一起 。為了系統(tǒng)的正常 運行 , 必須保證 U 型管的聯(lián)接可靠 , 一般采用熱 熔聯(lián)接 , 主要考慮以下幾個方面的原因 :(1 熱熔聯(lián)接接頭的強度比 U 型管本身的強 度大 。 接頭部位管壁厚度較大 , 因而其強度也增大 ;(2 接頭或聯(lián)接部件都是塑料材質 , 不存在腐蝕問題 ;(3 多種工業(yè)標準都明確推薦采用熱熔方法 聯(lián)接 U 塑料管 。 在工業(yè)上 , 熱熔技術有 2種 :承插聯(lián)接和對 接 。 承插聯(lián)接時

11、, 兩個需要聯(lián)接的 U 型管的端部 分別與一個較粗的承接管段兩端部加熱熔接 , 如 圖 4所示。 圖 4 承接聯(lián)接方式采用對接時 , 需聯(lián)接的 2根 U 型管端部被加 熱板同時加熱而聯(lián)接到一起 , 如圖 5所示。每個接頭只需加熱一次 。聯(lián)接時 , 必須保證 2根 U 型 管對齊 , 并把端部加工平整 , 熔接后必須固定 2個 U 型管同軸冷卻 20s , 以保證熔接強度 。 冬季施工 時 U 型管的聯(lián)接應在室內進行。 圖 5 對接聯(lián)接方式4 下管鉆孔完畢后應即時下管 , 因為鉆孔有大量的沉積泥沙 , 這就減少了鉆孔的有效深度 。 因此 , 每 鉆完一個孔 , 應即時把 U 型管或套管放入 。下

12、管是一個非常關鍵的步驟 , 下管的成功與 否決定了系統(tǒng)是否能夠安裝成功 。 下管過程到目 前為止還沒有達到機械化 、 自動化的程度 , 都采用人工下管 。需要的人力比較多 , 要求有扶正 、 下 壓 、 送管等幾個分工 。下管時 , 應盡量保持同心 度 , 并且管與管不要緊密接觸 , 以免產生換熱器的 “ 短路” 現(xiàn)象 。在下管完成后要采取防止上浮的固定措施并 將 U 型管的末端密封 , 避免雜物掉入管道內 , 對 系統(tǒng)的運行造成影響 。 5 注漿工程注漿量的計算公式 :V g =(d 2b -ni =1d 2p 4H 式中 V g 注漿量 , m 3 超徑系數(shù) , 一般取 1. 31. 5

13、d b 鉆頭直徑 , m d p U 型管直徑 , m H 孔深 , m 注漿時 , 先將水泥 、 膨潤土 、 砂和水按照設計 好的比例放入調整攪拌機中攪拌 23min , 然后 排入到低速攪拌罐中攪拌 。 灌漿時 , 先打開閥門 , 把漿液排入到貯漿池中 , 通過高壓泥漿泵注入孔 內 。 并通過 in =out , 即注入時漿液的密度與溢 出時漿液的密度是否相等來判斷是否停止注漿 , 如果相等則表示漿液已經(jīng)充滿了孔內 , 可以停止 注漿 。 圖 6為典型的注漿系統(tǒng)。圖 6 灌注系統(tǒng)組成示意6 工程實例長春市地源熱泵采暖 /制冷實驗示范項目是采用直埋式換熱器進行熱交換 、 采用水暖 +風機 聯(lián)

14、合作用的室內系統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng) 。(下轉第 66頁(上接第 62頁 施工場地地處伊通河畔 , 受河流沉積作用影 響 , 上部 13m 為雜填土 , 粉質粘土 、 卵礫石以及 含砂第四紀地層 , 下部為基巖 , 包括泥頁巖 、 砂巖 和石灰?guī)r , 硬度等級較高 。 由于地質環(huán)境影響 , 砂 層深度變化較大 , 但總體不超過 10m 位置 (通過 隨鉆返回的巖芯得到 。共設 計 采 用 16口 100m 深 、 直 徑 為 150 200mm 之間不等的地下?lián)Q熱器 4, 以對不同孔徑 的傳熱效果做出評價 。該項目從 2001年元旦正式投入使用以來 , 使 用效果良好 , 系統(tǒng)運行正常 , 系統(tǒng)本身

15、基本無需維 護 (由于本系統(tǒng)具有試驗性質 , 所以需讀取試驗數(shù) 據(jù) 。系統(tǒng)運行的 COP 平均值在 3. 15, 節(jié)能效果 良好 ; 由于對周圍環(huán)境不造成污染 , 通過風機送達 室內的空氣清新 , 人體感覺舒適環(huán)保效果也較為 理想 。 參考文獻 :1 高青 , 于鳴 1效率高 、 環(huán)保效能好的供熱制冷裝置 地熱熱泵的開發(fā)和利用 J1吉林工業(yè)大學自 然科學學報 ,2001,31(2 :96210212 孫友宏 , 莊迎春 1長春市地熱泵實驗示范項目施工 研究報告 R1長春 :吉林大學 ,200013 Burkhard Sanner , Olof Anderss on , Drilling methods for shallow geothermal installations A 1Proceedings of the W orld G eothermal C