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地埋管地源熱泵原理及施工技術
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地埋管地源熱泵原理及施工技術
地埋管地源熱泵原理及施工技術
目錄：
一、術語
二、地源熱泵技術簡介
1、地源熱泵原理
2、地源熱泵技術特點
3、地源熱泵優點
4、地源熱泵缺點
三、地埋管式地源熱泵系統
四、地埋管式地源熱泵系統安裝要點
五、地埋管地源熱泵系統安裝工藝流程
六、地埋管換熱系統的檢驗與驗收
附錄
一、術語：
1、地源熱泵系統：
以巖土體、地下水和地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱空調系統，根據地熱能交換形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。
2、地埋管換熱系統
傳熱介質通過水平或豎直地埋管換熱器與巖土體進行熱交換的地熱能交換系統，又稱土壤熱交換系統。
3、地埋管換熱器
供傳熱介質與巖土體換熱用的，由埋在地下的密閉循環管組構成的換熱器，又稱土壤熱交換器。根據管路埋設方式不同，分為水平地埋管換熱器和垂直地埋管換熱器。
4、地下水換熱系統
與地下水進行熱交換的地熱能交換系統，分為直接地下水換熱系統和間接地下水換熱系統。
5、 直接地下水換熱系統
由抽水井取出的地下水，經處理后直接流經水源熱泵機組熱交換后返回地下同一含水層的地下水換熱系統。
6、 間接地下水換熱系統
由抽水井取出的地下水，經中間換熱器熱交換后返回地下同一含水層的地下水換熱系統。
7、地表水換熱系統
與地表水進行熱交換的地熱能交換系統，分為開式地表水換熱系統和閉式地表水換熱系統。
8、開式地表水換熱系統
地表水在循環泵的驅動下，經處理直接流經水源熱泵機組或通過中間換熱器進行熱交換的系統。
9、閉式地表水換熱系統
將封閉的換熱盤管按照特定的排列方法放入具有一定深度的地表水體中，傳熱介質通過換熱管管壁與地表水進行熱交換的系統。
10、環路集管
連接各并聯環路的集合管，通常用來保證各并聯環路流量相等。
二、地源熱泵技術簡介
1、地源熱泵原理
地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源既能供熱又能制冷的節能環保型空調系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(電能)，即可實現能量從低溫熱源向高溫熱源的轉移。在冬季，把土壤中的熱量“取”出來，提高溫度后供給室內用于采暖;在夏季，把室內的熱量“取”出來釋放到土壤中去，并且常年能保證地下溫度的均衡。地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。
地下水地源熱泵系統工作示意圖
地埋管地源熱泵系統工作示意圖
2、地源熱泵技術特點：
環保：使用電力，沒有燃燒過程，對周圍環境無污染排放;不需使用冷卻塔，沒有外掛機，不向周圍環境排熱，沒有熱島效應，沒有噪音;不抽取地下水，不破壞地下水資源。
一機三用:冬季供暖、夏季制冷以及全年提供生活熱水。
使用壽命長：使用壽命20年以上，是分體式或窗式空調器的2-4倍。
全電腦控制，性能穩定，可以遙控，可以進行溫濕度控制和新風配送
3、 地源熱泵優點：
1)、地源熱泵技術屬可再生能源利用技術
地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源(通常小于400米深)作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地表淺層地熱資源可以稱之為地能(Earth Energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。
2)、地源熱泵屬經濟有效的節能技術
地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40%，因此要節能和節省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的性和經濟性。
據美國環保署EPA估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節約用戶30～40%的供熱制冷空調的運行費用。
3)、地源熱泵環境效益顯著
地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上，如果結合其它節能措施節能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規空調裝置減少25%的充灌量;屬自含式系統，即該裝置能在工廠車間內事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。
4)、地源熱泵一機多用，應用范圍廣
地源熱泵系統可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統;可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調。
5)、地源熱泵空調系統維護費用低
在同等條件下，采用地源熱泵系統的建筑物能夠減少維護費用。地源熱泵非常耐用，它的機械運動部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內，從而避免了室外的惡劣氣候，其地下部分可保證50年，地上部分可保證30年，因此地源熱泵是免維護空調，節省了維護費用，使用戶的投資在3年左右即可收回。
此外，機組使用壽命長，均在15年以上;機組緊湊、節省空間;自動控制程度高，可無人值守。
4、地源熱泵缺點
當然，象任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如其應用會受到不同地區、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響;一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同;采用地下水的利用方式，會受到當地地下水資源的制約，實際上地源熱泵并不需要開采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不會對水質產生污染。
三、地埋管式地源熱泵系統
1、地埋管式地源熱泵系統組成
1.1 熱泵系統
由地源熱泵機組、源水循環水泵、負載循環水泵、直供(冷)循環水泵、制熱水泵、熱水循環水泵、水處理設備及電器控制組成。熱泵主機是整個系統的“心臟”，負責制冷、制熱和置換生活熱水。
熱泵的工作原理與常規空調的制冷機組或風冷熱泵機組大致相同，這里不再 過多地描述，只對本方案系統進行介紹。本設計選用的熱泵機組，冷暖負載(制冷、制熱)模式機組內部轉換不需要
操作，(管道)系統閥門，一鍵式的單指操作，制冷制熱的溫度設置可調，具有多種檢測(探測)和多項保護功能，不必專人管理、操作*自動運行
地源熱泵空調負荷，很可能會有較為明顯的時間段，節假日或有重大賽事，會出現高的冷暖、熱水空調負荷，而在平時空調負荷不是很大，或者是*停用。供暖季節(冬季)熱泵如果停止工作，會導致系統設備、室內其他管道凍損，通常 的做法是設低熱泵機組和室內風機盤管控制的溫度實現節能的目的。地源熱泵設計了地耦循環系統利用自然能源保持系統和建筑物一定的溫度。
1.2 全熱回收(熱水)系統
利用熱泵的余熱回收系統，置換(加熱)到45-60℃(可調)的生活熱水儲水罐與熱泵機組為承壓密閉方式循環制熱，循環水泵與機組聯動并配有單獨的控制和操作顯示面板，自動運行，熱水利用自來水的壓力送出，在供水管路上設計安裝一臺循環水泵，并設有溫度自動控制裝置使管道內的熱水溫度自動“恒溫”，消除冷水頭，在提供熱水的同時還承擔節水的責任，制熱儲水罐根據熱水用量定制, 采用不銹鋼材料加工制作，管道采用PP-R管材，系統安裝完畢罐體及管道作保溫處理。
1.3地耦循環供冷換熱系統
利用地耦系統的自然(土壤)溫度為建筑物降溫(保溫)，遇到空調峰值制冷負荷時直供系統與熱泵機組接力供冷在冬季泵系統可作為防凍功能使用，較大的利用了自然能源，他是地源熱泵系統的功能擴展，通過設在系統中的調節/分配裝置，可實現自動運行(用戶任選)。
地藕換熱系統關鍵的是換熱效率， 效率又受多種因素的影響，涉及到的主要 因素有：地質結構土壤成分;地區(地域)自然環境、施工場地等。地耦系統的換熱效率直接影響熱泵的工 況，也可以說地耦換熱的效率等于熱泵 的效率，而熱泵的效率直接影響運行成本，當然也直接影響初投資。
四、地源熱泵室外地埋管的安裝要點
地源熱泵室外地埋管一般選用垂直埋管方式，也叫直埋式。直埋式地源熱泵施工時所需場地小,節省建筑空間,是一種經濟、對環境無害的綠色能源利用方式。它運行時無噪聲,可靠、持久,供熱/ 制冷效果好,舒適感好,是一種值得推廣的能源利用新技術。
1、鉆孔
直埋式地源熱泵需要用鉆機進行施工,要求鉆機的鉆進深度達到150～200 m ,鉆頭的直徑根據需要在100～150 mm之間。由于鉆孔深度較淺,一般采用常規的正循環鉆進方法。在我國,可以選用普通的工程勘察鉆機、巖心鉆機,如DKⅢ- 300 型鉆機、DPP100 型車裝鉆機等。
鉆孔施工完成后孔壁必須保持完整。如果施工區地層土質比較好,可以采用裸孔鉆進;如果是砂層,孔壁容易坍塌,則必須下套管。裸孔鉆進時,要求泥漿的密度在1125 g/cm3 左右,以保證形成比較穩定的孔壁并逐漸降低泥漿濃度(加清水) ;成孔時,要求后上返泥漿的密度1108 g/ cm3 左右,且泥漿中基本不含砂粒。
2、U 型管的制備
按照事先設計好的接管方式,把PVC 型管制備好,要求盡可能讓U 型彎接頭的熔接作業在室內進行,以保證接頭熔接的可靠性。在場地內展開U 型管,以使其好地下入孔內。
注入防凍液。防凍液可以增加U 型管的整體重力,使下管更加容易,并作為傳熱介質。確保防凍液無泄漏后,在PVC 管的U 型接頭處捆綁配重。配重一般選用ª8～15 mm的鋼筋,長度為2.5 m 左右,根據下入PVC 管的根數決定配筋的數量,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關鍵,因為下入U 型管的深度決定著采取熱量總量的多少,所以必須保證下入U 型管的深度。按照熱交換原理,計算下入U 型管的深度,是以下管的長度計算,而不是按垂直距離計算。下U 型管的方法十分簡單。一般采用人力下管,一方面人的感覺可以判斷U 型管的完好與否;另一方面,人力也足以使其*地下入孔內。在施工過程中,由于孔內情況復雜,下入U 型管時可能會遇到很大的阻力(主要來自孔壁對U 型管的摩擦阻力) ,可以采用如下方法進行下管:在PVC管上套上粗麻繩,輔以扶正機構,通過加力杠桿作用于粗麻繩上,以便下管。實踐證明,這種方法很有效,一般可以增加下管深度10～20 m。
4、灌注
注漿是為了填充U 型管與鉆孔孔壁間的間隙,使其具有更好的傳熱性能。填充材料的選擇決定了傳熱率的大小,選擇一種熱阻抗比較小的材料,是提高整個系統效率的有效途徑。美國、加拿大、日本等國的觀點認為,好是把鉆孔所取出的巖土體進行回填,但是這在工程上實現起來比較困難,所以一般選用特殊物質制成的專門的灌注材料。灌注時,要求泥漿泵的泵壓足以使孔底的泥漿上返至地表,當上返泥漿密度與灌注材料的密度相等時,認為注漿過程結束。注漿時,必須保證注漿的連續性,否則會降低傳熱效果,影響工程質量。注漿是由與U 型管一并下入孔內的注漿管完成的。
五、地埋管地源熱泵施工工藝流程
六、地埋管地源熱泵施工工藝
1、施工準備
1.1、施工前應具備埋管區域的工程勘察資料、設計文件和施工圖紙，并完成施工組織設計。
1.2、在接到施工圖紙后，分包單位、甲方工程部、監理公司項目部分別對圖紙進行審核，提出相關疑問
1.3、甲方工程部及規劃技術部組織圖紙會審及設計交底，設計交底
1.4、分包單位打井機具、雙U型PE管、回填料(膨潤土混合料、細沙、石硝等)進場報驗，重點控制PE管的長度、壁厚、承壓能力;
1.5、甲方工程部組織相關單位(總包)施工場地地下障礙物及地下管線情況交底;
1.6分包單位報送施工方案及質量控制方案，監理公司審核批準;
2、測量放線
測定井位布置，根據樁基開挖的上口線位置，把施工中有影響的井位及主管線路，進行合理調整，避免開挖損壞管道。定準孔位后，測量每個井位的孔口自然地面標高，作好記錄，以便計算打孔深度。分包單位根據圖紙要求有效換熱長度及水平連管標高結合室外地形確定現狀地形的打井深度(逐井測量)。監理公司、甲方工程部專業人員逐井檢驗，保證有效換熱長度滿足圖紙設計要求;
3、鉆井施工
鉆井施工過程中，應根據不同的地質情況，采取不同的施工工藝。施工期間機長要根據地質情況的變化合理安排進尺深度，不可操之過快，一味追求進度，使豎井沒有*打透，造成下管時的困難，施工時每根鉆桿應反復幾次上下拉動，使孔*打透。如土壤不牢或存在孔洞、洞穴等造成成孔困難時，應設護壁套管保護后再施工;鉆孔揭露多層地下水時，采取回填封閉措施處理。
監理公司專業工程師旁站監理，重點控制鉆機鉆桿垂直度，鉆桿垂直度偏差應小于0.5%，避免出現較大井位垂直偏移，嚴格防止串孔情況出現;
分包單位專業人員記錄成孔地質分層情況，形成逐井成孔記錄
4、水壓實驗
根據設計圖紙及《地源熱泵系統工程技術規范》的要求，下管前管道需做嚴密性實驗，例如，系統大工作壓力為1.3MPa，試驗壓力為1.8MPa，在該試驗壓力下穩壓15分鐘，壓降不大于3%不滲不漏為合格。同時做好水壓試驗記錄便于查看，并報項目監理部審核批準，做好隱蔽工程檢查記錄，方可進行下道工序的施工。
5、下管施工
把立埋管路充水狀態下插入到井中，因為水增加了管子的重量，下管時增加了下墜力，以抵消一部分浮力，還可以防止管道變形，因為鉆孔內一般情況下充滿了泥漿。
鉆孔完成后應立即下管，若成孔擱置時間過長,有可能出現鉆空局部坍塌或堵塞,導致下管困難。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，U型管的長度應比孔深略長，使得其能夠露出地面。下管過程中受阻禁止采用機械下壓的方法，應重新清孔入管。
下管完畢后做好管頭封堵，防止進入雜物，堵塞管道。并做好警示標識，防止破壞。
井管開口用熔接管端封堵，以保護管路系統，避免泥漿石塊和其他異物進入系統，造成系統堵塞影響水流量。
6、灌漿回填
6.1根據工程設計說明、勘探資料及現場鉆井實際情況確定回填材料。例如，井下有砂巖層時，為避免該段巖石擠壞水管，回灌材料宜選用細沙混合水泥進行回填，比例為1：3加壓回灌;若井下為粘土層，回填材料宜選用細沙混合粘土進行回填，比例為1：9，自然回灌效果較好。
6.2檢查水泥沙漿配料的數量，滿足單孔回填的數量要求。
6.3按照圖紙回填要求嚴格控制回填速度及回填量。
6.4當埋管深度超過40M時，灌漿回填應在周圍臨近鉆孔均鉆鑿完畢后進行
7、成品保護
換熱井施工完畢后，為避免場區內其他專業的作業施工對成井的破壞，在每個換熱井旁樹立醒目標識，并掛牌進行警示。
8、分區水平管連接
系統分區孔位成型后進行干管橫聯施工：嚴格按照設計標高進行主管溝的施工。連接橫埋管有一定的難度，因為在溝里有水、泥等，且在一個窄小的范圍內管道熔接有一定局限性，給熱熔增加了難度。熱熔連接之前，首先要準備好擦布，注意擦干、擦凈管道上的水和泥，以免影響熔接質量，造成管道滲漏。
熱熔連接首先要把握熱熔器的特點，達到什么樣的溫度條件下才適合熱熔，不能在溫度不到的情況下熱熔，以免產生熱熔不牢和泄露問題，熱熔的溫度一般不能低于250℃，然后根據熱熔器溫度的不斷提升，來把握熱熔時間的長短，當環境溫度低于5℃時杜絕焊接。
每一組橫埋管做好以后，分清總管的進出水口，把總管對準相應的預留洞口，做好固定，在總管路上標示出進出水，以方便以后辯認，避免以后造成系統的混亂和錯誤的發生。
9、分區水壓試驗
系統分區連接完畢后，應進行二次水壓試驗，根據設計圖紙及《地源熱泵系統工程技術規范》的要求進行水壓試驗，做好試驗記 錄，報給監理部門審核，合格后方可進行回填施工。
10、溝回填
橫連管溝施工前，下部需鋪填200mm厚的細沙，管道上部鋪填300mm的細沙后進行分層回填，逐層夯實，回填料中不能有硬質物體，以免把管道損壞，當回填土填到少800mm后時才可上重型機械施工，回填時系統降至工作壓力觀察，確?；靥顩]有對系統造成損壞，回填完畢后，把壓力降至0MPa。
11、整體連接
各分區系統連接完畢后，按照施工圖紙在分集水器處進行系統整體連接，并對每個分區的管道做好標識，以便查對。
12、整體水壓試驗
各分區系統施工完畢后，連接到機房分集水器處進行第三次打壓試驗。
13、系統水壓試驗
地埋管換熱系統全部安裝完成，且沖洗、換氣及回填全部完成后，進行第四次打壓試驗。
六、地埋管換熱系統的檢驗與驗收
地埋管換熱系統安裝過程中，應進行現場檢驗，并應提供檢驗報告。檢驗內容應符合下列規定：
1、 管材、管件應符合國家現行標準的規定。
2、 埋地管道應采用熱熔或電熔連接。埋地聚乙烯管道連接應符合國家現行標準《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》的有關規定。
3、 鉆孔、水平埋管的位置和深度、地埋管的直徑、璧厚及長度均應符合設計要求。
4、 回填料及其配比 應符合設計要求。
5、 水壓試驗應合格。
4.1、水壓試驗應符合下列規定：
試驗壓力：當工作壓力小于或等于1.0MPa時，應為工作壓力的1.5倍，且不應小于0.6MPa，當工作壓力大于1.0MPa時，應為工作壓力加0.5 MPa。
4.2、水壓試驗步驟
4.2.1、豎直地埋管換熱器插入鉆孔前應作*次水壓試驗，在試驗壓力下，穩壓至少15min，穩壓后壓力降不應大于3%，且無泄漏現象;將其密封后，在有壓狀態下插入鉆孔，完成灌漿后保壓1h。水平地埋管換熱器放入溝槽前應作*次水壓試驗，在試驗壓力下，穩壓至少30min，穩壓后壓力降不應大于3%，且無泄漏現象。
4.2.2、豎直或水平地埋管換熱器與環路集管裝配完成后，回填前應進行第二次水壓試驗。在試驗壓力下穩壓至少30min,穩壓后壓力降不應大于3%，且無泄漏現象。
4.2.3、環路集管與機房分集水器連接完成后，回填前應進行第三次水壓試驗。在試驗壓力下穩壓至少2h，且無泄漏現象。
4.2.4、地埋管換熱系統全部安裝完畢，且沖洗、排氣及回填完成后進行第四次水壓試驗。在試驗壓力下，穩壓至少12h，穩壓后壓降不應大于3%。
4.3、水壓試驗宜采用手動泵緩慢升壓，升壓過程應隨時觀察與檢查，不得有滲漏，不得以氣壓試驗代替水壓試驗。
6、 各環路流量應平衡，且滿足設計要求
7、 防凍劑及防腐劑的特性及濃度應符合設計要求。
8、 循環水流量及進出水溫差應符合設計要求。
9、 回填過程的檢驗應與安裝地埋管散熱器同步進行。
附錄：
引用標準及文獻：
《地源熱泵系統工程技術規范》GB-50366-2009
《地源熱泵系統設計安裝》
《地源熱泵施工工藝》
《埋地聚乙烯給水管道工程技術規程》