地源熱泵空調(diào)土壤源技術(shù)及運用

胡行亞

【摘 要】本文簡述了地源熱泵與普通空調(diào)的區(qū)別，介紹了地源熱泵土壤換熱器的相關(guān)技術(shù)及其主要施工步驟和工藝；并對在地源熱泵運用過程中，與地埋管相關(guān)聯(lián)工作的應(yīng)注意事項，進行了說明。

【關(guān)鍵詞】地源熱泵；土壤源換熱器；U形管；施工技術(shù)；熱平衡

一、地源熱泵空調(diào)與其他熱泵空調(diào)的區(qū)別和優(yōu)勢 ：

地源熱泵空調(diào)是一種利用淺層地熱資源，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)技術(shù)。地源熱泵空調(diào)與其他熱泵空調(diào)相比，主要區(qū)別就是冷熱源的不同，地源熱泵是利用地殼表層低溫熱資源，作為空調(diào)機組的制冷、制熱的冷熱源。土壤的溫度一年四季相對穩(wěn)定，一般18℃左右，無論相對于夏季還是冬季，都有十幾度的環(huán)境溫差。地源熱泵正是利用了這種溫差，使得能效比得以大幅提高，機組能效能高能達5.0以上。夏季，冷卻效果好于風冷式熱泵和帶冷卻塔的中央空調(diào)系統(tǒng)；冬季，不存在空氣源熱泵除霜難問題，不需要外置鍋爐，克服了常規(guī)空調(diào)因外界氣溫的變化引起的多耗電，效果差等弊端。

二、土壤換熱器

地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其選擇的形式是否合理，設(shè)計是否完善，施工是不是安全，關(guān)系到整個地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能否滿足功能要求和正常使用。

2.1土壤源換熱器埋管形式：地源熱泵土壤源換熱器地下埋管主要有兩種布置型式，即水平埋管和垂直埋管?？紤]埋管占地面積以及換熱效果等多方面因素，地源埋管多采用垂直埋管的方式。按垂直埋管的形式不同，又可分為：單U 形管、雙U形管、簡單套管式埋管等幾種形式。

圖一：垂直埋管方式圖

U形管是在鉆孔的管井內(nèi)安裝U形管道。由于U形埋管施工簡單，換熱性能較好，承壓高，管路接頭少，不易泄漏等原因，目前應(yīng)用最多。施工實踐經(jīng)驗證明，雙U形埋管換熱量大約是單U埋管的1.15～1.25倍左右，一般會在埋管場地受限制的情況下采用。U 形管徑一般選擇在φ50mm 以下，設(shè)計時，根據(jù)選定的設(shè)備流量來計算管道管徑，管徑要大到能保持最小的輸送功率，小到足夠使管道內(nèi)保持紊流，以達到良好的換熱效果，通常取φ25mm或φ32mm管施工。

2.2土壤源換熱器水平管的連接方式：土壤源換熱器水平管的連接，如下圖有兩種方式：一種是集管式連接；另一種是非集管式連接。

圖二：集管式連接方式

圖三：非集管式連接方式

非集管式是將單口地源井管道，單獨匯至檢查井集分水器（各口井管道呈并聯(lián)狀態(tài)）；集管式連接是將多口地源井管道，串聯(lián)變徑后匯總至檢查井集分水器（各口井管道呈串聯(lián)狀態(tài)）。非集管連接方式優(yōu)點是檢修方便，在某個地源井管道出現(xiàn)泄漏的情況下，可以隨時關(guān)閉該回路，而不影響其他回路的正常使用。相對集管式連接方式而言，非集管式分集水器回路比較多，水平管管道長度有所增加。無論是集管式連接方式還是非集管式連接方式都要求管道能做到同程布置，確保整體水力平衡和單孔得到充份的熱交換。

2.3埋管長度：土壤源換熱器的埋管長度跟地埋管換熱能力和土壤源換熱器總換熱量有關(guān)；

2.3.1根據(jù)空調(diào)冷熱負荷計算出冬、夏兩季土壤換熱量：

夏季向土壤排放的熱量（KW）：Q11=Q1*（1+1/COP1）

冬季從土壤吸收的熱量（KW）：Q21=Q2*（111/COP2）

其中Q1：夏季設(shè)計總冷負荷（KW）；Q2：冬季設(shè)計總熱負荷（KW）；

COP1：設(shè)計工況下熱泵機組制冷系數(shù)；COP2：設(shè)計工況下熱泵機組制熱系數(shù)；

2.3.2地埋管長度計算：地埋管長度計算可通過下面三種方式進行；

2.3.2.1通過計算公式進行計算；其計算的基礎(chǔ)是根據(jù)各種技術(shù)參數(shù)，進行單鉆孔傳熱分析，多井孔在單井基礎(chǔ)上，運用疊加原理進行擴展，這種計算方式理論性較強。

2.3.2.2通過施工現(xiàn)場進行土壤熱特性測試，根據(jù)實際鉆孔埋管試驗測得的單位管長取、放熱換熱量，及土壤總換熱量，計算出埋管管長。這種方法比較準確，因為淺層土壤熱特性因地埋管施工地的地質(zhì)情況不同，差異較大，實際測試值有較強的說服力。

2.3.2.3根據(jù)實際工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定單位管長取放、熱換熱量，計算埋管管長。這種方法單位管長換熱量的取值，通常參照鄰近地質(zhì)條件相類似的工程。一般運用于設(shè)計規(guī)模相對較小的項目，如別墅項目等。這類項目現(xiàn)場有埋管位置，對適量增加的埋管長度投資要求不高。采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)計算，無需進行土壤熱特性測試，僅考慮增大地下埋管總量，確保土壤源換熱效果即可。這種經(jīng)驗取值法，也常常作為對理論計算管長值進行校核的一種依據(jù)。根據(jù)工程實例證明，一般垂直埋管換熱量為：50～100W/m（井深）或25～50W/m（管長）；水平埋管換熱量為：15～40W/m（管長）左右。

考慮長期土壤熱平衡措施、土壤源換熱器的投資和利用率，在最終地埋管長度確定時，應(yīng)適當考慮一定的埋管余量。至于是按夏季放熱量還是冬季吸熱量計算埋管長度，可視具體情況綜合考慮。

2.4土壤源換熱器鉆孔：目前，國內(nèi)施工的土壤換熱器鉆孔直徑一般在φ110～200mm之間，孔徑大小以保證埋管和回填料回填為條件。如鉆孔直徑過大，會造成施工成本提高，同時回填料施工難度也會增大，一般鉆孔孔徑為φ130mm比較適宜。至于鉆孔間距，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（GB580366-2005）4.3.8條建議埋管間距為3～6m。設(shè)計施工時，鉆孔埋管間距應(yīng)視施工現(xiàn)場位置，各孔間熱干擾的影響程度綜合考慮。一般取5米左右。豎直埋管鉆孔深度應(yīng)根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)情況、埋管區(qū)域場地的大小、鉆孔成本、管內(nèi)流速等到情況綜合考慮，井深在10～200m之間。

三、鉆孔埋管施工技術(shù)

3.1主要施工機械：旋扭式鉆機、泥漿泵。

3.2材料選用：地源管采用化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大，流動阻力小、熱膨脹性好的高密度聚乙烯（HDPE100）管，公稱壓力為：1.6MP；U形頭宜采用同廠生產(chǎn)的專用接頭配件，也可采用兩個等口徑900C彎熱熔承插連接替代。

3.3主要施工步驟：

3.3.1鉆孔：準確確定鉆孔位置，鉆孔前做好機臺調(diào)平、設(shè)備布置、塔架豎立、鉆機安放等工作；鉆機鉆孔工作過程中要確保鉆桿垂直，避免深度鉆孔垂直交叉，損壞先埋設(shè)的U形管；鉆孔時應(yīng)根據(jù)不同土層結(jié)構(gòu)，選擇不同的鉆頭，調(diào)節(jié)鉆進速度；在遇到砂土層時，需增加膨潤土，加大泵送泥漿粘度，進行井壁造壁；垂直鉆孔深度應(yīng)超出理論埋管深度50cm左右，以防止地下?lián)Q熱環(huán)路產(chǎn)生沉降時，換熱管硬著陸爆管。

3.3.2PE管連接：豎直地埋管換熱器U形管組對長度，應(yīng)能滿足插入鉆孔后與環(huán)路連接的長度要求?？梢愿鷱S家定尺發(fā)貨，盡量減少中間接頭。在U形頭預(yù)制連接時，應(yīng)注意焊接質(zhì)量，接頭部位不要有瘤焊現(xiàn)象（會影響以后運行時的水流量，進而增加水阻，影響換熱效果）。預(yù)制好的PE管應(yīng)進行水壓試驗，試驗合格后，保壓，壓力表不拆除打捆成卷推放，便于半成品向下管點運送。

3.3.3 PE管的下管：待鉆孔孔壁固化后，即可進行下管工作。U形管不拆除壓力表、灌水帶壓下管，可減少下管浮力，即時觀測下管過程中是否對管道產(chǎn)生損壞。埋管深度或孔內(nèi)泥漿水位較淺時，宜采用人工下管。當下管較困難時，可采用機械下管。機械下管時，機械叉通過綁扎，不直接與U形PE管接觸，防止機械損傷U型管。U型管依靠鉆桿自重牽引緩慢下管，當垂直下到管底時，觀測壓力表無壓降，證明下管成功。拆除壓力表后。井口多出的PE管應(yīng)以封頭綁扎保護。

3.3.4鉆孔回填：U形管安裝完畢后，應(yīng)立即用灌漿材料回填封孔，隔離含水層。灌漿材料一般為膨潤土和細砂的混合漿。當埋管深度超過40米時，宜采用泥漿泵通過灌漿管自下而上進行灌注封孔，確保鉆孔灌漿密實，無空腔，否則會影響傳熱效果。如灌漿未滿，可二次進行補灌。

3.3.5水平管施工：水平管道與豎直管道連接后，應(yīng)沿坡向集分水器的方向，水平蜿蜒鋪設(shè)。供、回水管分層敷設(shè)，上下兩層管間確保有100～200mm的回填層，試壓合格后，進行回填?；靥盍蠎?yīng)進行過篩，并保證回填均勻且回填料與管道緊密接觸。水平管接入分集水器井，完面相關(guān)壓力試驗和驗收后，地埋管施工工作結(jié)束。

四、必須考慮的土壤熱平衡問題

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)考慮冬夏兩季向地下排放和吸收的換熱量不同的影響。一般情況下，夏季空調(diào)負荷大于冬季采暖負荷，相應(yīng)夏季主機向土壤釋放的熱量會大于冬季從地下取出的熱量。如方案設(shè)計不合理，經(jīng)年累月，地下溫度將逐年升高，當溫差超出土壤自身有限的調(diào)節(jié)能力后，會導(dǎo)致機組無法正常從地下取、放熱，造成機組效率低下或失效。解決土壤熱平衡的方法是：通過計算把多余的熱量散發(fā)出去，不向地下排放，保證地下取放熱平衡。通常采用：1、采用熱回收技術(shù)，在制冷的同時，制備生活熱水。這樣，不僅可以增加一項生活熱水功能，而且減少了熱量向地下排放，更大提高了地源熱泵機組的能效比。2、設(shè)置冷卻塔向空氣中釋放多余的熱量；同時，可利用冷卻塔在夏季高峰負荷時進行調(diào)峰。當然通過冷卻塔向大氣中釋放多少熱量，需要通過熱平衡理論計算后進行。同時，冷卻塔開啟的時間區(qū)間，也會對地源熱泵機組的系統(tǒng)能效產(chǎn)生直接的影響，這一般納入地源熱泵機組運行管理的范疇。

五、應(yīng)進行溫度監(jiān)測

在地埋管設(shè)計施工中，應(yīng)考慮在埋管區(qū)域設(shè)置地源溫度測試監(jiān)測點，通過設(shè)置地源溫度測試井，在測試井中不同標高位置，布置測溫探頭，實時監(jiān)測地下溫度隨系統(tǒng)運行變化，并形成分析圖表，作為土壤熱場理論研究的基礎(chǔ)。對于監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)的溫度異常變化，應(yīng)訊速分析、及時處理。

六、總述

地源熱泵技術(shù)是一項節(jié)能環(huán)保的可再生能源技術(shù)，具有廣闊的推廣和運用前景。同時，作為一項新技術(shù)，其中的：土壤源換熱器傳熱的強化、最佳參數(shù)匹配研究、土壤的熱場特點等問題，尚需我們在運用的過程中不斷研究、總結(jié)。最終，使地源熱泵技術(shù)更好的為生活服務(wù)。

參考文獻：

《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB580366-2005）