地源熱泵系統(tǒng)施工技術建筑裝修論文發(fā)表

　　摘要：本文通過工程實例探討了地源熱泵系統(tǒng)的工作原理、分類及特點，分析了地源熱泵系統(tǒng)相關施工工藝及特點,闡述了地源熱泵目前的發(fā)展狀況,指出了在國內發(fā)展地源熱泵所面臨的一些問題,展望了地源熱泵的發(fā)展前景。

　　關鍵詞:地源熱泵系統(tǒng),影響因素,發(fā)展狀況,問題,發(fā)展前景

　　地源熱泵是利用地能進行供熱制冷的新型能源利用技術,是利用淺層和深層的大地能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作為冬季熱源和夏季冷源，然后再由熱泵機組向建筑物供冷供熱的系統(tǒng)，是一種利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空調系統(tǒng)。

　　1、地源熱泵系統(tǒng)工作原理、分類及特點

　　1.1 地源熱泵系統(tǒng)工作原理

　　地源熱泵利用地下土壤、地下水溫度相對穩(wěn)定的特性，冬季通過消耗少量的高位能量把土壤儲存的低品位熱能轉移到需要供暖的室內;夏季將室內的熱量轉移釋放到土壤中，從而達到冬季供暖、夏季制冷的目的。地源熱泵不需要燃用化石燃料，達到降低化石燃料消耗量、減少溫室氣體排放、減輕城市大氣污染壓力、減少運行成本的目的。

　　地源熱泵也被稱為地熱泵。根據(jù)利用地熱源的種類和方式不同可以分為以下三類：土壤源熱泵(GCHP),地下水熱泵(GWHP),地表水熱泵(SWHP)。

　　本文探討的工程實例為土壤源熱泵，本地源熱泵工程地處天津市東麗區(qū)軍糧城示范鎮(zhèn)，項目總建筑面積15000m2，分為辦公樓、派出所和博物館三個公建區(qū)域，采用地源熱泵與中央空調系統(tǒng)，井位數(shù)共計288口，井深130m，換熱孔徑140-180mm，每孔下如雙U型換熱管，每孔冬季取熱量40W/m,夏季散熱量60W/m。

　　1.2土壤源熱泵的分類及特點

　　土壤源熱泵以大地作為熱源和熱匯，熱泵的換熱器埋于地下，與大地進行冷熱交換。土壤源熱泵系統(tǒng)主機通常采用水—水熱泵機組或水—氣熱泵機組。根據(jù)地下熱交換器的布置形式，主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三類。

　　垂直埋管換熱器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分為淺層(<30m),中層(30～100m)和深層(>100m)三種。埋管深，地下巖土溫度比較穩(wěn)定，鉆孔占地面積較少，但相應會帶來鉆孔、鉆孔設備的經(jīng)費和高承壓埋管的造價提高。總的來說，垂直埋管換熱器熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢在于：(1)占地面積小;(2)土壤的溫度和熱特性變化小;(3)需要的管材最少，泵耗能低;(4)能效比很高。而劣勢主要在于：由于相應的施工設備和施工人員的缺乏，造價偏高。

　　水平埋管換熱器有單管和多管兩種形式。其中單管水平換熱器占地面積最大，雖然多管水平埋管換熱器占地面積有所減少，但管長應相應增加來補償相鄰管間的熱干擾。水平埋管換熱器熱泵系統(tǒng)由于施工設備廣泛使用而且施工人員易

　　找，又加上工程有足夠大的施工場地，因此造價就可以減下來。除需要較大場地外，水平埋管換熱器系統(tǒng)的劣勢還在于：運行性能上不穩(wěn)定(由于淺層大地的溫度和熱特性隨著季節(jié)、降雨以及埋深而變化);泵耗能較高;系統(tǒng)效率降低。

　　蛇行埋管換熱器比較適用于場地有限又較經(jīng)濟的情況下。雖然挖掘量只有單管水平埋管換熱器20%～30%,但是用管量會明顯增加，這種方式優(yōu)缺點類似于水平埋管換熱器。

　　2、地源熱泵系統(tǒng)地埋管施工工藝及特點

　　本文只針對工程實例中土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管的施工工藝及特點進行分析。

　　2.1地埋管鉆井施工技術

　　2.1.1 地埋管鉆井具體施工工藝

　　2.1.2 換熱鉆孔剖面圖

　　2.1.3 鉆井成井方法

　　采用泥漿護壁正循環(huán)方法成井，施工機械采用GP-150型鉆機，配置BW-600/30泥漿泵，選用外肋骨鉆頭，孔壁完整，孔徑滿足要求，鉆孔垂直。

　　2.1.3.1鉆井方式：使用正循環(huán)回轉鉆井。

　　2.1.3.2正循環(huán)回轉鉆井的原理介紹：

　　在地層不漏失或對漏失進行不效處理之后，正循環(huán)沖洗液充滿鉆桿與孔壁之間的外環(huán)狀空間，液柱本身重量對孔壁產(chǎn)生較高的側壓力，在液柱與地層之間的壓差作用下，泥漿向地層滲透，其粘土顆粒將在孔壁形成一層泥皮，液柱側壓力和泥皮都能有效地加固孔壁，防止孔壁坍塌。

　　沖洗液在較高壓力作用下，以較高的速度從鉆頭小眼中呈射流狀態(tài)噴射孔底，不僅能有效地沖起孔底巖屑，對松軟地層還具有不小的破碎作用，有利于提高軟層的鉆井效率。

　　依靠的排水壓力，通過管線向孔輸送沖洗液，管線及其接頭部位即使有少量泄漏，也不會導致沖洗液循環(huán)和鉆井過程中斷。在地層漏失情況下只要沖洗液連續(xù)補給，仍可繼續(xù)鉆井。

　　2.1.3.3正循環(huán)回轉鉆井施工簡述

　　正循環(huán)回轉鉆井：在鉆機驅動鉆具回轉鉆井的同時，利用泥漿泵通過水龍頭、鉆桿內孔向孔底輸送沖洗洗液(清水，常用的是泥漿)，沖洗孔底。攜帶巖屑的沖洗液沿鉆桿與孔壁之間的外環(huán)狀空間上升，從孔口流向沉淀池，形成正循環(huán)排碴系統(tǒng);因此，稱之為沖洗液正循環(huán)回轉鉆井。

　　2.1.4 下管

　　下管是地源熱泵工程中關鍵工序之一，因為下管的深度決定采取熱量的多少，所以必須保證下管的深度。為保證下管深度和打井深度能夠盡量接近，必須要做到提完鉆桿后不停頓立即下管，此工藝通過測量上來鉆桿的總長度確定打井深度，在下管前通過PE管上的標尺核實整個管道的長度，下管后根據(jù)留出的管道長度計算下管深度。

　　下管之前，在U型管上每隔3m~4m設一固定支卡將兩支管分開，以提高換熱效果。

　　下管的方法：人工下管、機械下管和重物下管。因本工程地質為粘土，成孔后孔壁完整，且孔內沒有泥漿等雜物，所以本工程采用人工下管。下管前將U型管與灌漿管捆綁在一起下管。下管時，U型管是應長出垂直孔1-2m以便于查找和水平集管的連接。

　　2.1.5 管路水壓試驗、水沖洗

　　2.1.5.1垂直埋地管插入鉆孔前，應做第一次水壓試驗，單個換熱管采用1.6Mpa水壓試驗，在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少15分鐘，壓降不超過3%后，將其密封后插入鉆孔。完成灌漿之后做第二次水壓試驗，單個換熱管采用0.6Mpa水壓試驗，在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少30分鐘，壓降不超過3%后，則認為合格。

　　2.1.5.2埋地管換熱器與環(huán)路集管裝配完成后，回填前應進行第三次水壓試驗。聯(lián)絡管采用0.6Mpa水壓試驗，在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少2小時，壓降不超過3%后，則認為合格。

　　2.1.5.3環(huán)路集管與機房分集水器連接完成后，回填前應進行第四次水壓試驗。聯(lián)絡管采用0.6Mpa水壓試驗，在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少2小時，壓降不超過3%后，則認為合格。

　　2.1.5.4埋地管換熱系統(tǒng)全部安裝完畢，且沖洗、排氣及回填完成后，應進行第五次水壓試驗。整個系統(tǒng)聯(lián)絡管采用0.6Mpa水壓試驗，在試驗壓力下，穩(wěn)壓至少12小時，壓降不超過3%后，則認為合格。

　　2.1.5.5水壓試驗宜采用手動泵緩慢升壓，升壓過程中應隨時觀察與檢查，不得有滲漏。

　　2.1.5.6管道分段試壓合格后應對整條管道進行沖洗。

　　2.1.6 回填

　　回填工序也稱為灌漿封井，正確的回填要達到兩個目的：一是要強化埋管與鉆孔壁之間的傳熱，二是要實現(xiàn)密封的作用，避免地下含水層受到地表水等可能的污染。

　　回填工藝：將回填材料在攪拌池中按以上配方混合均勻，使其細小、松散、均勻，且不應含石塊及土塊。經(jīng)泥漿泵由灌漿管將回填物料輸送到孔內，利用泥漿泵的壓力和物料自重達到孔底，由孔底部自下而上填充，洞口見回填料時再勻速抽出導漿管。待導管出孔后停泥漿泵。等填充物沉淀密實后，在孔內鏟入鉆孔產(chǎn)生的粉末或細砂進行封孔?；靥顗簩嵾^程要均勻，回填料應與管道接觸緊密，且不得損傷管道。至此，回填完畢。

　　2.2 水平管施工工藝及特點

　　2.2.1 水平管施工工藝

　　2.2.2 水平管與支管連接如下圖

　　地源熱泵國內目前的發(fā)展狀況

　　目前在中國，地下水熱泵系統(tǒng)已開始廣泛使用，而土壤源熱泵系統(tǒng)尚處于研究機構工程摸索和研究階段。

　　從有關資料來看，地下水熱泵工程真正成功的并不多。原因在于要實現(xiàn)100%的回灌，并回灌到同一含水層，不污染地下水，且能長時間穩(wěn)定運行，并不容易做到。同時，還出現(xiàn)了大量不進行回灌的熱泵工程，更有甚者，出現(xiàn)了直接利用地下水通入風機盤管內進行空調。這樣做，一則污染水體，二則浪費水資源。

　　通過查閱相關資料，我國對于土壤源熱泵的發(fā)展主要是從1998年開始，國內數(shù)家大學建立了土壤源熱泵實驗臺，且大多數(shù)進行了地下?lián)Q熱器與地面熱泵設備的長期聯(lián)合運行。其中1998年重慶建筑大學建設了包括淺埋豎埋管換熱器和水平埋管換熱器在內的熱泵系統(tǒng);1998年青島建工學院建成了聚乙烯垂直土壤源熱泵系統(tǒng);湖南大學1998年建設了水平埋管土壤源熱泵系統(tǒng);1999同濟大學建設了垂直土壤源熱泵系統(tǒng)。這些系統(tǒng)為中國推廣土壤源熱泵奠定了基礎。從2000年開始，在國內長春、濟南、溫州、重慶、米泉建立了一系列土壤源熱泵系統(tǒng)的示范工程。土壤源熱泵系統(tǒng)越來越多的被房地產(chǎn)商所關注和采用。

　　3、地源熱泵系統(tǒng)發(fā)展面臨的問題

　　3.1 觀念方面：空氣源熱泵和燃氣、燃煤供熱技術相對成熟，使得人們選擇地源熱泵系統(tǒng)時會面臨阻力。

　　3.2 暖通空調技術與其它技術的配合：地源熱泵技術是暖通空調技術與鉆井技術相結合的綜合技術，兩者缺一不可，這要求工程組織者和工程技術人員能夠合理協(xié)調、做好充分的技術經(jīng)濟分析。

　　3.3 對環(huán)境的影響：目前地下水的回灌技術不完善，在一定程度上會影響以水為低位熱源的地源熱泵的進一步推廣;此外土壤源熱泵空調系統(tǒng)鉆井對土壤熱、濕及鹽分遷移的影響研究有待進一步深入，如何使不利因素減少到最小是必須考慮的問題。

　　3.4 初投資問題：并不是所有的地源熱泵系統(tǒng)都是經(jīng)濟合理的，由于鉆井費用可能占到整個系統(tǒng)初投資的50% 以上，有些投資者可能會回到傳統(tǒng)的空調形式。

　　3.5 安裝維護：目前地源熱泵系統(tǒng)的安裝費用較高，與電制冷、天然氣加熱系統(tǒng)相比顯然是高的;而且地源熱泵系統(tǒng)的維護較為困難，這在一定程度上會影響它的使用。

　　3.6 土壤特性：土壤的特性隨地點的變化而有所差別，在一地區(qū)的研究結果可能完全不適用于另一地區(qū)，必須進行相應的修正甚至重新研究。

　　4、地源熱泵系統(tǒng)國內發(fā)展前景

　　鑒于國內的國情和地源熱泵系統(tǒng)自身的特點，對其地源熱泵系統(tǒng)在國內的前景作分析。隨著地下水熱泵工程技術改進和規(guī)范化，由于其突出的節(jié)能和保護大氣環(huán)境的功能，還是存在著巨大的潛在的市場。水平埋管土壤源熱泵，雖然占地面積大，但靠地表換熱可以自然恢復地溫，在年排熱量和吸熱量不平衡的地區(qū)應用比較有優(yōu)勢。而垂直埋管土壤源熱泵，隨著專業(yè)安裝隊伍的發(fā)展，鉆孔設備的完善，勢必會使造價大幅度降低，無疑會成為今后最有競爭力空調方式。

　　5、結語

　　地源熱泵空調系統(tǒng)在我國是一項新的技術，它是一項跨專業(yè)、跨學科的綜合能源利用技術，需要通過相關專業(yè)技術人員的通力協(xié)作，做好勘測、設計、施工、調試等各項工作才能使系統(tǒng)達到要求的節(jié)能、環(huán)保性能。近幾年在全國各地已經(jīng)有大量工程投入使用，應該積極對實際運行經(jīng)驗進行總結，以其使地源熱泵這項利國利民的可再生能源利用技術得到健康有序的發(fā)展。

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