地埋管換熱系統(tǒng)施工技術(shù)

1、地埋管換熱系統(tǒng)施工技術(shù)地埋管換熱系統(tǒng)施工技術(shù)（一）、換熱器埋管技術(shù)閉式地源熱泵系統(tǒng)將換熱器管埋于地下，埋管形式 有水平埋管和豎直埋管兩種。水平埋管通常淺層埋設(shè)，開挖技術(shù)要求不高，初投 資低于豎直埋管，但其占地面積大，開挖工程量大。這種形式在地源 熱泵技術(shù)的早期應(yīng)用中較多，現(xiàn)國外工程己很少采用。豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)占地面積小，受外界的影響 極小，恒溫效果好；施工完畢后，需要的維護(hù)費(fèi)用極少，用電量也低， 運(yùn)行成本得到了大幅度降低。它比較適合我國這樣人多地少的國家建 造，同時(shí)，它也是國際地?zé)峤M織（1GS卿A的推薦形式。目前國外應(yīng) 用較多，發(fā)展也較快。如何提高鉆孔效率，降低初投資中的鉆孔費(fèi)用 是當(dāng)前該

2、領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。1. 豎直埋管換熱器形式豎直埋管換熱器根據(jù)埋設(shè)的方式不同大體可分為 U 型管形式，套管形式，單管形式。目前，以U型管的形式運(yùn)用較多，U型管管徑一般在50mm以下，流量不宜太大。U型管換熱器的埋深取決于可提供的 場地面積以及施工技術(shù)，一般在 60m- 100m目前國外最深的U型管 埋深己超過180m套管式換熱器外管的直徑可達(dá)200mm由于增大了 換熱面積，可減少鉆孔數(shù)和埋深。但內(nèi)管與外腔中的液體發(fā)生熱交換 會帶來熱損失，而且下管的難度和施工費(fèi)用也增加。單管型埋設(shè)方式可以降低安裝費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)。在地下 水位以上用鋼管作為護(hù)套，直徑和孔徑一致，典型的孔徑為150Dxn,地下水位以下為自然

3、孔洞，不加任何設(shè)施。這種方式受水文地質(zhì)條件 限制，使用有限。2. 換熱器的回路形式及其優(yōu)缺點(diǎn)換熱器的回路有串聯(lián)和并聯(lián)布置兩種形式。兩種形 式各有優(yōu)缺點(diǎn)：(1) 串聯(lián)系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是：單一的流程和管徑；管道的線性長度有較高的換熱性能；系統(tǒng)的空氣和廢渣易排除。缺點(diǎn)表現(xiàn)在：需要較大的流體體積和較多的抗凍劑；管道費(fèi)用和安裝費(fèi)用較高；單位長度壓力降特性限制系統(tǒng)能 力。(2) 并聯(lián)系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是：管徑較小，管道費(fèi)用較低；抗凍劑用量較少；安裝費(fèi)用較低。缺點(diǎn)表現(xiàn)在：一定要保證系統(tǒng)空氣和廢渣的排除：在保證等長度環(huán)路下，每個(gè)并聯(lián)路線之間流量要保持平衡。3. 換熱器管路間距U型或套管式換熱器的進(jìn)出水管之間存在熱交換的短路

4、現(xiàn)象，通?？赏ㄟ^增大套管換熱器的內(nèi)管壁的熱阻以及U型管兩支管之間的距離來減少熱短路。為了盡量減小鉆孔與鉆孔之間的熱影 響，應(yīng)根據(jù)可利用土地面積及換熱器效能確定兩組埋管的間距。U型豎埋管鉆孔的水平間距通常為 4m-6m對于具體工程可以通過計(jì)算 進(jìn)行方案比較來確定合適由于換熱器管需要長期埋于地下工作，因此首先必須是使用壽命長、耐腐蝕的材料；其次要求其熱交換效率要高； 最后選擇易加工、造價(jià)低的材料。綜合以上因素，目前國內(nèi)外應(yīng)用較 多的是高密度聚乙烯管（PE）和聚丁烯管。管道直徑應(yīng)以流體壓降和傳 熱性能相協(xié)調(diào)為原則，管壁厚度選擇要綜合考慮地源熱泵系統(tǒng)換熱要 求、換熱管數(shù)量、埋深與地質(zhì)條件等因素而確定。

5、（二）、地下埋管換熱器施工方法地下埋管換熱器施工前應(yīng)對埋管場地的工程地質(zhì)狀 況和地質(zhì)剖面圖進(jìn)行研究，特別應(yīng)注意是否有地下管線，以確定鉆機(jī) 型式和調(diào)整埋管布局，根據(jù)管道平面布置圖確定鉆孔的具體位置和系 統(tǒng)各管道的標(biāo)高。在主管溝末端要挖一個(gè)泥漿池，鉆于L過程中產(chǎn)生 的泥漿可順管溝流入泥漿池中沉積，可收集作為回填物之用。1鉆孔鉆孔是豎埋管換熱器施工中最重要的工序。為保證 鉆孔施工完成后于孔壁保持完整， 如果施工區(qū)地層土質(zhì)比較好，可以 采用裸孔鉆進(jìn)；如果是砂層，孔壁容易坍塌，則必須下套管?？讖降拇笮÷源笥赨型管與灌漿管組件的尺寸為宜，一般要求鉆機(jī)的 鉆頭的直徑根據(jù)需要在100m 150mm之間，鉆進(jìn)深

6、度可達(dá)到150m200m鉆孔總長度由建筑的供熱面積大小、 負(fù)荷的性質(zhì)以及地層及回 填材料的導(dǎo)熱性能決定，對于大中型的工程應(yīng)通過仔細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算確 定，地層的導(dǎo)熱性能最好通過當(dāng)?shù)氐膶?shí)測得到。由于鉆孔深度較淺， 一般采用常規(guī)的正循環(huán)鉆進(jìn)方法。 在我國，可以選用普通的工程勘察 鉆機(jī)、巖心鉆機(jī)施工。2. 下管下管是工程的關(guān)鍵之一，因?yàn)橄鹿艿纳疃葲Q定采取 熱量總量的多少，所以必須保證下管的深度。下管方法有人工下管和 機(jī)械下管兩種，下管前應(yīng)將U型管與灌漿管捆綁在一起，在鉆孔完畢 后，立即進(jìn)行下管施工。鉆孔完畢后孔洞內(nèi)有大量積水，由于水的浮力影響， 將對放管造成一定的困難；而且由于水中含有大量的泥沙，泥沙沉積

7、 會減少于L洞的有效深度。為此，每鉆完一孔，應(yīng)及時(shí)把U型管放入, 并采取防止上浮的固定措施。在安裝過程中，應(yīng)注意保持套管的內(nèi)外 管同軸度和U型管進(jìn)出水管的距離。對于U型管換熱器，可采用專用 的彈簧把U型管的兩個(gè)支管撐開，以減小兩支管間的熱量回流。下管完畢后要保證U型管露出地面，以便于后續(xù)施 工。3. 灌漿封井灌漿封井也稱為回填工序。在回填之前應(yīng)對埋管進(jìn)行試壓，確認(rèn)無泄漏現(xiàn)象后方可進(jìn)行回填。 正確的回填要達(dá)到兩個(gè)目 的：一是要強(qiáng)化埋管與鉆孔壁之間的傳熱，二是要實(shí)現(xiàn)密封的作用，避免地下含水層受到地表水等可能的污染。 為了使熱交換器具有更好 的傳熱性能，國外常選用特殊材料制成的專用灌注材料進(jìn)行回填，

8、鉆孔過程中產(chǎn)生的泥漿的間距。沉淀物也是一種可選擇的回填材料。回填物中不得有大粒徑的顆粒，回填時(shí)必須根據(jù)灌 漿速度的快慢將灌漿管逐步抽出，使混合漿自下而上回灌封井，確保 回灌密實(shí)，無空腔，減少傳熱熱阻。當(dāng)上返泥漿密度與灌注材料的密 度相等時(shí)，回填過程結(jié)束。系統(tǒng)安裝完畢，應(yīng)進(jìn)行清洗、排污，確認(rèn) 管內(nèi)無雜質(zhì)后，方可灌水。4. 換熱器安裝及管道聯(lián)接U型管換熱器應(yīng)盡量采用成卷供應(yīng)的管材，以利用 單根管制作成一個(gè)埋管單元，減少連接管件。管道連接有焊接、承插和活接頭三種方法。對于高 密度聚乙烯（PE）管段和管件之間的連接都采用專用設(shè)備進(jìn)行熱熔焊 接。對于埋深不大或場地允許時(shí)，應(yīng)在地面把套管連接好，然后利用

9、鉆塔進(jìn)行放管。對于承插式連接，一定注意在活性膠干了之后才能使 用?；罱宇^連接，優(yōu)點(diǎn)是比較靈活方便，但造價(jià)較高。一般的管道和 套管中的內(nèi)管，特別是壁厚小于3.5mm的塑料管，宜采用活接頭連接 以利于今后的檢修。（三）、地?zé)釗Q熱器施工設(shè)備推廣地源熱泵技術(shù)，就必須開發(fā)與之相配套的系列 管材、管路配件以及熔接設(shè)備和技術(shù)，特別需要有專門的鉆井、下管 及封井的技術(shù)規(guī)范及相應(yīng)的施工設(shè)備等。 當(dāng)前，最主要的問題是如何 解決鉆孔效率低的問題。因?yàn)殂@孔所用時(shí)間過長，費(fèi)用就大 (鉆井費(fèi) 用可能占到整個(gè)系統(tǒng)初投資的 50%以上)。下面就從地?zé)釗Q熱器施工 的角度對鉆孔方法與相應(yīng)的施工機(jī)械進(jìn)行概述。1 .鉆孔方法鉆孔主要

10、有螺旋鉆孔法、全套管法、回轉(zhuǎn)斗鉆孔法、 沖擊法等方法。這些方法將結(jié)合具體施工機(jī)械作簡要介紹。 先來談一 下對鉆于L質(zhì)量與效率影響較大的兩個(gè)方面：排屑與注入物。(1) 排屑對鉆孔效率影響最大的是切屑的排除速度。 排渣(屑) 的方法主要有正循環(huán)法和反循環(huán)法。 正循環(huán)法為泥漿、水或空氣從鉆桿中心于L中壓入孔底，攜帶切屑 從鉆桿與于L壁之間溢出到沉淀池。正循環(huán)法排渣速度較慢，易造成 泥沙包住鉆頭，增大進(jìn)鉆阻力。 反循環(huán)為泥漿、水或空氣沿孔壁壓入于L底，從鉆桿中心孔中吸出 到沉淀池的方法。由于流體沿孔壁的流速相對較慢，不易因沖刷孔壁 造成塌孔，此法因排渣效率高而應(yīng)用較多。還有一種雙管反循環(huán)法。循環(huán)物質(zhì)流

11、經(jīng)獨(dú)立的進(jìn)管和出管， 這有助 于減少塌于L和裂縫，但目前較少采用。(2) 循環(huán)注入物質(zhì)循環(huán)物質(zhì)的選擇對鉆于L質(zhì)量與效率也有很大影響，常采用的有水、空氣或者泥漿、黏土等。它們的作用一是冷卻鉆 頭，二是帶走切屑。對于黏土、亞黏土層一般選擇水作為注入物，由本 土自行制漿護(hù)壁；對于沙土、沙層一般選擇注入黏土或泥漿進(jìn)行護(hù)壁。 清孔時(shí)一般選擇清水或清漿。在地下水位較低，較硬的土層和巖層中， 經(jīng)常使用壓縮空氣或水作為循環(huán)物質(zhì)。2.鉆孔機(jī)械根據(jù)上述不同的鉆孔方法形成了不同種類的鉆孔機(jī)械。主要有以下兒大類：(1) 轉(zhuǎn)盤式鉆孔機(jī)轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)是通過轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)或懸掛動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)帶動(dòng) 鉆桿，并傳遞動(dòng)力到鉆具上，并可通過鉆桿對

12、鉆具施加一定的壓力鉆 孔，增加鉆進(jìn)能力，變更鉆頭型號可滿足各種不同土質(zhì)條件的要求。 目前地源熱泵施工中多數(shù)采用的巖心鉆機(jī)和工勘鉆機(jī)就屬于液壓給 進(jìn)的轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)。其主要特點(diǎn)及適用范圍是： 鉆孔直徑：幾毫米至幾米，鉆孔深度大于 100m 對地層的適應(yīng)性強(qiáng)，從軟土到極硬的巖層(變更鉆頭和調(diào)整鉆桿壓 力)，但對較大的松散卵石層不行(卵石直徑2/3鉆桿內(nèi)徑)。一般 適于平原和山區(qū)作業(yè)。(2) 沖擊式鉆孔機(jī)沖擊式鉆孔機(jī)用于鉆孔灌注施工，尤其在卵石、漂 石地層條件下它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。 其優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡便，綜合 施工費(fèi)用低；適用于從土質(zhì)土壤到巖層的多種地質(zhì)條件。其缺點(diǎn)是施 工速度較慢。(3) 潛水式鉆孔

13、機(jī)潛水式鉆孔機(jī)的動(dòng)力裝置與工作裝置連成一體，潛入泥水中工作，多采用反循環(huán)排渣。這類鉆機(jī)通過潛水電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng) 鉆具切土，電機(jī)跟隨鉆具工作，潛入孔底，整個(gè)鉆具懸掛方式工作， 故成孔垂度好，無須撤裝鉆桿，能連續(xù)工作。其特點(diǎn)及適用范圍是： 設(shè)備簡單、體積小，移動(dòng)方便。 能連續(xù)工作，成孔速度快。經(jīng)濟(jì)孔深50m若大于50m時(shí)，需采用鋼管作為排渣管；鉆孔直徑 一般較大。塌孔不易處理。(4) 螺旋式鉆孔機(jī)螺旋式鉆機(jī)工作原理與麻花鉆相似，鉆具旋轉(zhuǎn)、利用鉆具下部切削刃切土。根據(jù)鉆頭形式又分為長螺旋式和短螺旋式。 長螺旋式切下的土沿鉆桿上的螺旋葉片上升，排到地面，成孔速度很快，適用于直徑小的鉆孔作業(yè)。短螺旋式則將鉆

14、具提到地面反轉(zhuǎn)排土， 適用于大直徑孔，最大鉆孔深度較小(/J、于70m-80m)。當(dāng)土壤地質(zhì)條件不好時(shí)，可采用空心鉆桿。鉆孔時(shí)，空心螺旋鉆桿充 當(dāng)保護(hù)套管。鉆孔完畢后，將鉆桿底部的鉆尖擊落，從鉆桿內(nèi)部插入 埋管，然后將鉆桿取出。(5) 全套管鉆孔機(jī)該種鉆機(jī)主要用于大型建筑基礎(chǔ)鉆孔樁施工。成孔 過程是將套管邊晃邊壓入土壤中， 并用錘式抓斗在套管中取土。成孔 后，再將套管取出。(6)回轉(zhuǎn)斗式鉆機(jī)回轉(zhuǎn)斗式鉆孔機(jī)主要用于鉆孔樁施工，使用傳動(dòng)桿帶動(dòng)的鉆斗挖土成孔，鉆斗上有切土的刀片和裝土的空腔， 鉆削過程 中切土進(jìn)入鉆斗中，裝滿后停止旋轉(zhuǎn)，提升鉆頭排土，如此重復(fù)。傳 動(dòng)桿是伸縮式或多節(jié)連接式以適應(yīng)孔深要求。上述鉆機(jī)各有其適用面和優(yōu)勢，如何結(jié)合地源熱泵 的施工特點(diǎn)，開發(fā)出一種新型的適于不同地質(zhì)條件與施工要求的高效 鉆機(jī)是急需解決的問題。若能將鉆孔過程與下管、