竖直埋管地源热泵技术

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1、世界地质WORLD GEOLOGY第21卷第4期2002年12月Vol. 21 No. 4Dec. 2002竖直埋管地源热泵技术刘冬生,孙友宏（吉林大学建设工程学院，吉林长春130026）摘要：竖直埋管地源热泵技术的重点和核心是地下埋管换热器。地下埋管换热器的设计包括：换热器形式和回路形式的选择，地下换热器尺寸设计，水平间距及热短路，管材的选用和换热能力等。地下埋管 换热器的施工主要包括：钻孔，下管，注浆、回填和换热器的安装。关键词：地源热泵；竖直埋管；换热器中图分类号：P634. 5 文献标识码:A 文章编号：1004 - 5589（2002） 04- 0406- 05地源热泵系统采用的是可

2、再生的地热能，被誉为21世纪一项以节能和环保为特征的技术。该技术起始于1912年，最近10年在欧美工业发达国家取得了迅速的发展，成为一项较成熟的应用技术。中国地源热泵的研究始于20世纪80年代，到90年代末，在国内掀起了一股“地热空调”热潮。它是岩土钻掘工程应用的一个新领域。一卡U飞ft j1 竖直埋管地源热泵系统孔 tfc ia h:； F地源热泵是一个广义的术语，它包括使用土壤、地下水和地表水分别作为热源和冷源的 热泵系统，故也分别称为土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统。由于地下水和地表水热泵系统在一定程度上受到地理条件的限制，所以土壤源热泵系统最具发展潜力。而地下埋管换热器的

3、研究一直是土壤源热泵技术的难点，同时也是该项技术研究的核心和应用的基础 1 。换热器埋管形式有水平埋管和竖直埋管两种。水平埋管通常浅层埋设,开挖技术要求不高，初投资低于竖埋管，多用于早期。由于其占地面积大，开挖工程量大，现国外工程已很 少采用。竖直埋管地源热泵系统占地面积小，特别适合用地紧张的城市，目前国外应用较多,发展也较快，其形式可见文献2 。2 竖直埋管换热器的设计地下埋管换热器中热交换情况的好坏直接关系到地源热泵系统性能的好坏，所以系统的设计主要集中在地下埋管换热器的设计上。2. 1竖直埋管换热器形式的选择竖直埋管根据埋设的方式不同大体可分为三种:U型管形式，套管形式，单管形式（图1）

4、。收稿日期:2002 - 07- 15基金项目：中国地调局国土资源大调查项目（20020170012）作者简介：刘冬生（1977-），男,湖南省衡阳市人，博士生，主要从事岩土工程新技术和浅层地热能的开 采技术研究1f.hina Acatlenik- Jviuttial ElecirtHiic JubhsJMng llousis, AILreset诅.w,cukiiet第4期刘冬生，孙友宏：竖直埋管地源热泵技术407图1竖直埋管形式示意图Fig. 1 The scheme of the types of vertical buried tubes目前以U型管运用较多,U型管管径一般在 50 mm

5、以下，流量不宜太大。埋深越深，换 热性能就越好，但其成本也就越高。目前最深的U型管埋深已达180m。套管式换热器外管的直径可达200 mm,由于增大了换热面积，可减少钻孔数和埋深。但内管与外腔中的液体发生热交换会带来热损失。单管型埋设方式可以降低安装费和运行费。在地下水位以上用钢管作为护套，直径和孔径一致，典型的孔径为150 mm,地下水位以下为自然孔洞 ，不加任何设施。这种方式受水 文地质条件限制，使用有限。2.2换热器的回路形式图2表示竖埋式热交换器在串联和并联流动布置的一些基本单元。图2竖直埋管换热器基本单元示意图Fig. 2The scheme of cells of vertical

6、 buried tubes in the heat exchange串联系统的优点是：单一的流程和管径；管道的线性长度有较高的热性能；系统的空气和废渣易排除。缺点表现在：需要较大的流体体积和较多的抗冻剂；管道费用和安装费用较高；长度压力降特性限制系统能力。并联系统的优点是：管径较小，管道费用较低;抗冻剂用量较少；安装费用较低。 缺点表现在：一定要保证系统空气和废渣的排除；在保证等长度环路下，每个并联路线 994-2( 10 厂Ilina Acadenik Jounul Elecirffliic Fubhshitig Hou松 AIL rights reserved,第4期刘冬生，孙友宏：竖直埋

7、管地源热泵技术411之间流量要保持平衡。实践证明3，回路管长并不是越长越好，每个回路的管长有一最大长度，一旦超过该长度极限，则长度的增加对换热量的影响就非常小。该极限长度还受到管径、地质状况、设计流量的影响。2.3地下换热器尺寸设计地下热交换器尺寸设计时应考虑以下几点:(1)热泵系统的水流量;(2)循环液体的类型；(3)要求最低的进入液体温度。设计步骤如下：(1)确定埋设管道位置；(2)确定地下土壤温度；确定最高和最低地下温度；确定地下热交换器的最高和最低进入液体温度；计算地下到环路的温度；(6)确定达到热流量时的管道阻力；(7)确定土壤/现场对热流量的阻力；(8)计算供热和供冷运转比值；(9

8、)计算地下热交换管道长度(立式系统孔洞深度)。根据系统布置和采用的流体性质，检查系统流体的流量是否符合要求。一般采用的流量(对水来说)为0. 4540. 684 m3/ h。2.4水平间距及热短路对于竖埋管，考虑一定的水平间距，尽量减少各埋管单元之间温度场的相互影响。一般影响单管换热的距离为 1.5- 3m。短时间和间歇运行的换热管间距为1. 5 m较适合，长时间连续运行的间距为 3 m较适合。U型竖埋管的水平间距为 4.5 m左右4。热短路指的是U型或套管式换热器的进出水管之间的热交换。为了避免热短路，要求换热器之间保持一定距离，但具体确定这个距离要考虑多方面因素，最重要的是确定换热器运行时

9、间。通常增大套管换热器的热阻以及U型管两管之间的距离来减少热短路。2. 5管材的选用目前最常用的管道材料是聚乙烯和聚丁烯管材。国外使用较普遍的是PPR管。这种材料做成的地下换热器可使用 40年以上。而且它的重量轻，耐腐蚀，造价低。管子柔韧性 好，可以通过加热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头。2. 6换热能力换热能力指的是单位管长或单位竖埋管深度的换热量，是地下埋管换热器设计中最重要的设计参数，根据它才能确定所需的埋管长度和竖井总深度。根据类似工程所取得的经验数据，U型竖埋管的单位深度换热量一般在 70110 W/m之间。3 地下埋管换热器的施工(1) 钻孔钻孔是竖埋管换热器施工中最重要的工

10、序 。钻孔机械一般可采用中浅孔岩心钻机。钻孔施工前应对埋管场地的地质状况进行了解，特别应注意是否有地下管线及其准确位置 。应对地面进行清理，铲除地面杂草、杂物和浮土，平整地面，确定钻孔的具体位置。钻孔过程 中产生的泥浆水从钻孔位置冒出地面，施工前制定好排水措施，在排水沟的末端挖一个泥浆池,对钻孔过程中产生的泥浆在泥浆池中沉淀，可收集作为回填物之用 。(2) 下管下管是工程的关键之一，因为下管的深度决定采取热量总量的多少，所以必须保证下管的深度。一般采用人力下管，在施工过程中，由于孔内情况复杂，下管时可能遇到很大的阻 力。可以采用下面的方法进行下管：在PVC管上套上粗麻绳，辅以扶正机构，通过加力

11、杠杆 岁勺4工010 .hina Acadenik Jounial Elettrotiiic Publishing Housis, AIL reserved,?作用于粗麻绳上，以便下管。实践证明，该方法行之有效，一般可增加下管1020 m5。(3) 注浆、回填为了使热交换器具有更好的传热性，常选用特殊物质制成的专用灌注材料进行注浆灌注时要求泥浆泵有足够的泵压，保证泥浆上返至地表。同时注浆也必须连续，否则会降低 传热效果。注浆管与U型管一并下入孔内进行注浆。当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时，注浆过程结束。(4) 换热器安装U型管换热器应尽量采用成卷供应的管材，以利用单根管制作成一个埋管单元，

12、减少连接管件。管子联接方法采用热熔联接。热熔技术有两种：承接联接和对接(图3) o1管子承摘联接对接联接图3管子联接方式示意图Fig. 3 The scheme of the ways of tube joint钻孔完毕后孔洞内有大量积水，由于水的浮力影响，将对放管造成一定的困难；而且由于水中含有大量的泥沙，泥沙沉积会减少孔洞的有效深度。为此，每钻完一孔，应及时把U型管放入，并采取防止上浮的固定措施。在安装过程中，应注意保持套管的内外管同轴度和U型管进出水管的距离。在回填之前应对埋管进行试压。确认无泄露现象后方可进行回填。回填物中不得有大 粒径的颗粒，回填过程必须缓慢进行，以保证充实度，减少传

13、热热阻。系统安装完毕，应进行清洗、排污，确认管内无杂质后，方可灌水。4 经济、环境效益分析地源热泵作为供暖/制冷的方案之一是否具有竞争力，其经济性是一个关键因素。据山 东富尔达冷热工程公司统计，地热泵的一次性投资虽然比传统燃煤、燃油锅炉要高一些，但是与溴化锂中央空调和其它耗电空调相比，则费用要低。据美国10年来的统计资料表明，地热泵的运行费用比耗电空调、中央空调节约 22 %25%,比燃油、燃煤锅炉运行费用节约 40 %60%。地热泵的寿命可达1518年，开式循环 系统寿命达30年，封闭循环系统寿命可达 50年。地源热泵系统技术经济效益明显，而且环境效益显著，地源热泵的污染物排放，与空气 源热

14、泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70 %以上，如果结合其它节能措施节能效果会更明显。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧,没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。若每年安 装40万台地源热泵，将减少温室气体排放100万t，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树4. 047 X105 hm2，年节约能源费用达4. 2亿美元。在全世界都以燃烧煤、油、气等矿物质为主获取能源的今天来研究地源热泵，对于减少环境污染、节约能源具有重要意义。5 建议目前竖直埋管式土壤源热泵系统技术在我国属于一个新技术，它还有很多不够完善的地方，当前

15、急需解决的问题是：提供正确可靠供工程设计参考的技术数据；开发成熟的可供工程设计参考的设计计算方法；研制规格齐全、品种多样的相关产品；完善地下换热器的安装、施工技术和施工队伍等。参考文献：1 庄迎春.直埋式地源热泵地下换热器研究及应用D.长春:吉林大学，2002.2孙友宏，胡克，庄迎春，等.岩土钻掘工程应用的又一新领域一地源热泵技术J探矿工程，2002，(增刊)J - 12.3 谢汝镛.地源热泵系统的设计J .现代空调，2001 ,(3) :33 74.4 肖益民，何雪冰.地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例J现代空调，2001，(3) :88 一 100.5 庄迎春，孙友宏.地源热泵地下直

16、埋式换热器的施工J .探矿工程，2002,(2):10 = 11.6殷平.地源热泵在中国J .现代空调，2001 ,(3) : 1 - 10.Vertical Buried Ground Source Heat Pump Tech no logyLI U Don字sheng,SUN You2hong(College of Construction Engineering , Jinlin University , Changchun 130026, China)Abstract: The ground heat exchangeis the critical and core of the v

17、ertical buried ground source heatpump. Its designtechniqueincludes: choosingthe type of the heatexchangerand the circuit, de2 signingthe sizeof the ground heatexchanger; horizontaldistanceand heatlosing, choosingthe pipe and the capability of changing heat. And the process of engineering includes co

18、mnnly: drilling , dow nin gthe tube , grouti ng and backfill and in stall ing the heat excha nger.Key words: groun d source heat pump tech no logy vertical buried tube; heatexcha nger 944-2( 10Ilina Acatlenuk Joutml EleciriHiic Publishing House, AIL rights reserved, tutp-第4期刘冬生，孙友宏：竖直埋管地源热泵技术413 944-2( 10Ilina Acatlenuk Joutml EleciriHiic Publishing House, AIL rights reserved, tutp-第4期刘冬生，孙友宏：竖直埋管地源热泵技术# 944-2( 10Ilina Acatlenuk Joutml EleciriHiic Publishing House, AIL rights reserved, tutp-