地源热泵简介及

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1、地源热泵简介及工程勘察、施工第一章地源热泵简介地源热泵（geothermal heat pump, ground-source heat pump）是把地面做低 温热源的热泵，即从地面土壤中吸热来取暖的循环设备。它是利用地球表面浅层 水源（如地下水、河流和湖泊）和土壤源中吸收的太阳能和地热能，并采用热泵 原理，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。1946年，美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波兰特市中心区安装成功， 1997年，中国和美国能源部（DOE）科技部签署了中美能效与可再生能源合 作议定书，其中主要内容之一是“地源热泵”项目的合作o 2006 年, 1月，国 家建设部颁布地源热泵系统工

2、程技术规范国家标准。一、地源热泵工作原理在自然界中，水总是由高处流向低处，热量也总是从高温传向低温。人们可 以用水泵把水从低处抽到高处，实现水由低处向高处流动，热泵同样可以把热量 从低温传递到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，工作时它本身消耗很少一部分电能， 却能从环境介质（水、空气、土壤等）中提取4-7倍于电能的装置，提升温度进 行利用，这也是热泵节能的原因。地源热泵是热泵的一种，是以大地或水为冷热源对建筑物进行冬暖夏凉的空 调技术，地源热泵只是在大地和室内之间“转移”能量。利用极小的电力来维持 室内所需要的温度。从匕圧中按U?冉用替代議炉夏天基斗瓯理中的林.潜优冷却塔水为璋弁自士轰散

3、黙图一 夏季土壤源热泵原理图二 冬季土壤源热泵原理二、地源热泵的一般形式地源热泵有开式和闭式两种。1、开式系统：是直接利用水源进行热量传递的热泵系统。该系统需配备防 砂堵，防结垢、水质净化等装置。2、闭式系统： 是在深埋于地下的封闭塑料管内，注入防冻液，通过换热器与水或土壤交换 能量的封闭系统。闭式系统不受地下水位、水质等因素影响。a. 垂直埋管-深层土壤 垂直埋管可获取地下深层土壤的热量。垂直埋 管通常安装在地下 50-150 米深处，一组或多组管与热泵机组相连，封闭的塑料 管内的防冻液将热能传送给热泵，然后由热泵转化为建筑物所需的暖气和热水。 垂直埋管是地源热泵系统的主要方式，得到各个国家

4、的政府部门大力支持。b. 水平埋管-大地表层 在地下2米深处水平放置塑料管，塑料管内注满防 冻的液体，并与热泵相连。水平埋管占地面积大，土方开挖量大，而且地下换热 器受地表气候变化的影响。c. 地表水 江、河、湖、海的水以及深井水统称地表水。地源热泵可以 从地表水中提取热量或冷量，达到制热或制冷的目的。利用地表水的热泵系统造 价低，运行效率高，但受地理位置（如江河湖海）和国家政策（如取深井水）的 限制。H4卜水系统水源式系统（开路系绒）水平岬谊（3）土壤埋骨代系统（闭路京统图三 地源热泵的一般形式三、地源热泵的组成地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、地源热泵机组和 室内采暖空调

5、末端系统。 其中地源热泵机主要有两种形式：水水式或水空 气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，地源热泵与地能之间 换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。四、地泵的分类热泵是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中吸热，此时从环境取热的对象 称为热源；相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排 热的对象称为冷源。蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水 换热两种形式。 热泵根据与环境换热介质的不同，可分为：水水式，水空 气式，空气水式，和空气空气式共四类。 利用空气作冷热源的热泵，称之 为空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史

6、，而且其安装和使用都很方便，应用 较广泛。但由于地区空气温度的差别，在我国典型应用范围是长江以南地区。在 华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，普通空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳 定性差，而且因为存在结霜问题，效率低下、现在新出了一款超低温空气源热泵 专门针对华北地区的，超低温空气源热泵稳定性好，效率高，具有高效除霜功能。 利用水或地热作冷热源的热泵，称之为地源热泵。水和地热是一种优良的热源， 其热容量大，传热性能好，一般地源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵， 但地源热泵的应用常受到水源或地热的限制。五、市场状况2006年，9月，沈阳被国家建设部确定为地源热泵技术推广试点城市，到 2010

7、年底，实现全市地源热泵技术应用面积约占供暖总面积的1/3。地源热泵 技术在我国应用时间较短，总计不到10年时间。在近5年内，随着市场的 需要，热泵事业发展十分迅猛。90年代后期，政府部门为治理大气污染，在 一些大中城市相继实行了禁止烧煤，取消小锅炉（烟囱）一些措施，地源（水 源）热泵系统才从实验室里、教科书上、设计手册的理论研究阶段进入市场实 际应用阶段。奥运村实例1：奥运村：国内 首个“绿色居住区”，奥运 村运动员居住区利用清河 污水处理厂排入河道的再 生水建设的“再生水源热 泵系统”，它是用热交换的 技术方式提取再生水中的 温度能量，为奥运村提供 冬季供暖和夏季制冷。城市中（污）水的大型热

8、泵系统，在欧洲等发达国已有几 十年的运行历史，而在国内还没有此类大型项目，将水源热泵技术与城市污水处 理相结合，在扩大城市污水利用范围，拓展城市污水治理效益方面具有重要的推 广意义，将使我国可再生水能源的利用技术，达到国际先进水平。实例2：世博轴，世界最大地源 热泵基地，上海世博轴借其毗邻黄浦 江边的天然优势，在设计师的巧手装 扮下，成为一条冬暖夏凉的“环保走 廊”，世博轴全部使用黄浦江水源热 泵和地源热泵技术提供空调，可能是 当今世界上规模最大的桩基地源热 泵技术应用。实例3：无锡翠竹芙蓉山庄，据比较 显示，传统中央空调不仅是“电老虎”，而 且还排放大量有害气体;而热泵技术，却只 需要消耗少

9、量电能，不污染环境，无燃烧, 零排放。同时，一般的分体空调和热水器 的使用寿命为810年，三联供系统外部系 统正常使用是2025年。并且，三联供系无锡翠竹芙蓉山庄统是采用的国际最节能的地源、水源热泵机组，使用费用比传统采暖、制冷方式 节约运行费用4060%，就能在城市建筑中采暖、制冷、供热水。相比之下， 传统空调的电耗能效比（能效比:即消耗lkW的电力，产生lkW的热能。空调在 所有制热产品中的能效比最高，可以达到1:3左右，即消耗lkW的电力，能够 移动3kW左右的热量，所以空调节能省电）为1:22.2，三联供系统为1:44.5， 三联供系统的节能效果突出。六、经济分析热泵的实用性和应用前景

10、在很大程度上依赖于它的经济性，通过对经济性进 行分析比较，有利于找到各种热泵的优点和缺陷，以利于更进一步地研究和改进。 在此对地源热泵、太阳能辅助的地源热泵系统进行了经济性分析，以空气源热泵 系统为对象，定量计算并比较了地源热泵和太阳能辅助地源热泵的节能效果，验 证了这两者在经济上的优越性，并指出了节能与降低成本的环节与措施。热泵初投资比较：（1）土壤源热泵初投资与风冷热泵相比，土壤热源热泵采用了地下盘管散热，而地下盘管作为中间 换热器与冷凝器进行热交换，主机部分价格相差不大，只须将风冷热泵的风冷冷 凝器价格减去，再加上土壤热泵的地下换热设备以及水冷冷凝器的价格就是土壤 热源热泵的价格。地源热

11、泵地下换热器系统的造价构成如下：a. 钻孔费用；b. 开挖及回填管沟，并加盖板、PVC管材费，包括活接头及阀门等；c. 水泵、膨胀水箱费用；d. 人工及保温材料费用。（2）太阳能辅助地源热泵初投资太阳能在热泵系统中的利用有多种方式，目前太阳能热泵的技术水平已经可 以经济的提供超过 45的热水。本文中研究系统采用太阳能热水与热泵并联方 式，直接用热水来采暖。本系统冬季运行的部分负荷要靠太阳能来承担，按照太 阳能提供 30%所需的热量。参考当前的市场行情，采用以下计费标准：a. 考虑到地源热泵要维持夏季制冷运行，铺设盘管的费用不变。b. 太阳能吸热器的吸热量为208W/m2，价格为1000元/m2

12、，则单位换热量造价为4.808元/m2。各系统的各项初投资见表1。表两种热泵的初投资比较热泵(kW)制热呈合计kW）玄阳能吸热器補设盘 管元）水泵风冷冷凝器元）器元）整个系统初 投资（元、空气源热泵23221200057000地源热泵24274907.512007800103075太阳能輔助地源热泵2427389454907.5.1200143020热泵的运行费用比较：实际运行中，热泵的运行费用主要体现在它对电能的消耗。由于土壤热源热 泵性能系数高，所以比风冷热泵节省了电能耗。因而虽然土壤热源热泵比风冷热 泵的初投资高，但是它的运行费用却比风冷热泵要低。不同热泵运行费用比较见 表 2 。表2不

13、同热泵运行费用比较热泵每天耗费电一年需要的寿命期内节省 特殊维修合计 初投资折合寿命期后的能（kWh）电费（元）的总电费（元）费用（元）（元） 费用（元）总费用（元）空气源热泵娶囂163.64161.098509.288376.68182203179364513936670681410448116地源热泵矍蠶123.4312L766418.366331.521374321355725512278516147216425732太阳能辅助夏季供冷 的地源热泵冬季供热86.485.234492.84431.969620194899180202091202M268413388通过对空气源、地源和太阳能

14、辅助的地源热泵系统的户式小型家用热泵空调器经 济性的分析和比较，可以得出：a. 显示了不同类型热泵系统各部分的费用情况，为小型户式热泵空调系统的 选型、进一步提高热泵空调系统性能、降低初投资和运行成本提供了理论依据。b. 显示了地源热泵，尤其是太阳能辅助地源热泵系统与常规空气源热泵相 比，在技术上和经济性上的较大优势（主要是在太阳能吸热器、敷设盘管等初投 资费用和运行费用均具有优势的地区）,为今后热泵系统的节能、供热质量的提 高以及新型能源的利用指明了方向。（引自：热泵系统的经济性分析，包 涛，董 玉军等）第二章 地源热泵工程勘察地源热泵的发展是典型的 “需求推动、 市场引导、 企业运作、政府

15、规范” 的模式。各个企业在开拓市场方面投入较大， 先期工程勘察投入不足， 从而诱 发一系列地质问题发生， 在此环境下建设部编制 规范 是十分必要的， 尽 管在某些技术细节上还有需要进一步完善的地方，但技术上有个标准是非常有必 要的规范 明确指出： 地源热泵系统工程在设计之前要先勘察， 勘察中要 做试验， 在此基础编制水资源勘察报告， 最后确定设计方案， 这也充分说明 了政府部门明确指出了工程勘察的重要性。一、资质要求为保证工程质量， 勘察工作要有勘察资质的专业部门完成。 勘察资质包括 几种：第一、建设部颁发的工程勘察资质。 第二、国土资源部颁发的地质勘察资质。 第三、水利部颁发的“水资源调查评

16、价”资质和“建设项目水资源论证” 资 质。二、工程勘察内容首先应开展调查、 调研工作， 目的主要是了解场地地貌特征及区域水文地 质特征， 据此提出勘察方案。 如场地周边地表水体及浅井的情况、 地下水是 否丰富、 赋存的特征等， 据此初步设想换热方式， 再编制有侧重点的勘察方 案。 工程所在地如为贫水地区， 无法利用地下水， 制定勘察方案时应侧重于 对土体结构、 成分、 热物理性进行勘查或测试， 没必要设计水文勘探井， 更 没必要进行抽灌试验。在周边资料多 （包括：水井、工勘、 其它地泵系统） ， 也可适当减少勘探井的数量， 勘察工作强度可适当降低。地源热泵系统的工程勘探报告与一般工程勘察中的水

17、文地质调查报告主要 区别为：应对浅层地温可利用情况进行论述， 并提出相应建议。第三章 地源热泵施工工艺及资质要求、作业工具1无压磅、DN140自由钳两把、DN127自由钳两把、200KG铁铊、DN140 套管、大扳手、 12 吋管子钳、 24 吋管子钳、钢卡、套筒扳手、梅花扳手、梅花 改锥、克丝钳等2钻进设备2.1 使用合格钻机，回转和给进系统工作必须正常，滑轨和机器之间不能有 松旷。2.2设备安装应符合质量标准。钻机必须正确水平安装在基台上，保证滑轮、 立轴和孔的中心在一条直线上。2.3 钻具组配要合理。粗钻具与孔壁的间隙要小，可采用扶正器来加强钻具 的稳定性，粗钻具长度要合理，一般为58m

18、。钻具要准确、规范；不同岩层改 换不同钻具；钻具不弯曲，不偏心。二、钻孔准备1了解并确定土壤地质条件。2确定地下综合管线分布及设置情况，并做好明显的标识记号。3平整土地，根据地埋管施工图，标示具体钻孔位置及总管管沟位置。4确认钻孔支架打设位置。5确认钻孔机械电源容量及供给情况。6提供水源至钻孔现场。三、工程钻孔1根据工程实际情况，随时填写记录表并及时分析土壤实际状况。2预先挖好泥浆池，利于泥浆收集和清理。3采用原浆混合黄沙、膨润土进行泥浆护壁，防止产生孔壁坍塌。4采用地源热泵专用全液压钻井机，以确保钻孔深度和垂直度，钻孔实际深 度要大于设计深度。5利用岩芯管取出岩芯，观察地质情况，从而选择不同

19、的钻头。6钻孔完毕后，应及时埋设管道并注浆回填。7地埋管施工完毕后应及时对现场进行清理，以利于土建单位下一步工作的 顺利进行。四、钻机操作步骤1下钻联动操作步骤当钻场准备工作完成后，要实现下钻联动操作步骤是：1）回转手柄处于中位，实现主副泵合流状态；2）起下钻功能阀手柄处于下钻位置，夹转联动与分离功能阀手柄处于夹转 分离位置，副泵溢流加压给进与卡盘增压减压给进功能阀手柄置于副泵溢流加压 给进位置；3）操作起下钻手柄即可实现下钻联动功能。2起钻操联动操作步骤完成钻进工作或需要起钻时，要实现起钻联动操作步骤是：1）回转手柄处于中位，实现主副泵合流状态；2）起下钻功能阀手柄处于起钻位置，夹转联动与分

20、离功能阀手柄处于夹转 分离位置，副泵溢流加压给进与卡盘增压减压给进功能阀手柄置于副泵溢流加压 给进位置；3）操作起下钻手柄即可实现起钻联动功能。3夹转分离溢流给进操作步骤。准备实现钻进时，要实现夹转分离溢流给进操作步骤是：1）回转手柄处于中位，各功能阀手柄处于：下钻位置、夹转分离位置、副 泵溢流加压给进位置；2）操作起下钻手柄，将动力头置于机身前端位置，使油路产生高压，将夹 持器张开，同时关闭夹持器主油缸上的截止阀，使夹持器始终保持张开状态；3）将副泵组减压溢流阀阀杆逆时针旋开至动力头停止状态；4）将回转手柄置于回转位置，动力头产生回转；5）逐渐旋转溢流阀螺杆，调整钻进所需压力。4拧卸钻杆操作

21、步骤。准备实现起钻时，要实现拧卸钻杆操作步骤是：1）起下钻功能阀手柄置于起钻位置；2）夹转分离与联动功能阀手柄置于夹转分离位置；3）操作起下钻控制阀手柄往复操作，并且给动力头留出至少10cm的退扣 距离；4）操作控制阀反转手柄，实现退扣操作。五钻井工艺地埋管土壤换热器的竖直孔采用冲洗正循环全面钻进法。钻进中对孔底岩石 进行全面破碎，只要钻头还能工作就不断钻进而不提钻。钻头不断地破碎孔底岩 石，产生大量岩粉堆积在孔底，同时又因钻头与岩石之间摩擦而积蓄了大量的热 能，如不及时排除孔内岩粉和冷却钻头，钻进就无法继续进行。冲洗钻孔是钻进 中的一个重要环节，冲洗不仅排除孔内岩粉和冷却钻头，而且利用冲洗介

22、质的特 殊性能来维护孔壁，保证正常钻进。有效地冲洗钻孔是保证正常钻进的必不可少 的条件。冲洗介质总的来讲可分为以下三类： 气体利用高压空气吹洗钻孔，达到清除孔底岩粉的目的。 液体利用水泵将液体压送入孔内进行冲洗，以达到清除孔底岩粉和冷却钻头的目的。常用的有清水、乳状液、泡沫和人们常用的一种冲洗介质泥浆。粘土和水是组成水基泥浆的最基本原料，粘土的种类较多，以蒙脱石为主 的膨润土，其水化性能强、吸附性能好是配制泥浆的优质材料。在松软壤土、硅藻土、粘土和黄土地层钻孔，借助泥浆泵自然造浆，将一定 量的清水送入钻孔内，再从钻具或钻孔的环状间隙返回到地面的泥浆池，就这样 清除岩粉和冷却钻头。经过几个环路，

23、清水变成泥浆，对破碎地层的孔壁起保护 作用，减轻了坍塌损坏程度，减轻了漏水量。对于复杂的地层，在钻孔中要特意 配制泥浆进行冲洗，这样可以提高钻探效率，保证质量，降低成本。 泡沫由气体、液体及发泡剂等组成。在漏失地层可减轻漏失量。钻井时泵量的大小应根据所钻岩层的性质，和所选择的钻压转速参数来确 定，也就是由单位时间内所产生的岩粉量来确定。增大冲洗液量，对提高转速有 一定的好处。如果冲洗液量不足时，孔底颗粒大的岩粉不能被冲洗，会造成孔底 重复破碎量的增大，使破碎效率下降。保持合适的粘度，可使泥浆有效悬浮固相颗粒和有效护井，稳定井孔。加入 膨润土提高泥浆粘度，最佳粘度为40g/L左右。膨润土为高岭石

24、、蒙脱石为主的 粘土质，又名钠土。配浆时，要检查水的PH值，PH值为89的水能使膨润土 造浆达到最佳状态。维持PH的最佳方法是加纯碱。泥浆中添加聚合物聚丙烯酰 胺来提高粘度，增加润滑性，降低失水，防止失水量过大造成的井塌和缩孔的可 能性。六、钻孔理论利用钻机和其他钻探设备向地下进行钻凿孔眼，目前采用较多的是机械方法 钻孔，主要分冲击钻进、回旋钻进和冲击回旋钻进三种。冲击钻进是利用钻头凿刃，周期的对孔底岩石进行冲击，使岩石受到突然的 集中冲击载荷而破碎，当孔底岩石粉达到一定数量后，应提起钻头，用专门工具 将岩粉捞出清除，然后再下入钻头继续冲击，如此反复的进行冲击、捞砂，以加 深钻孔。回旋钻进是利

25、用钻头在轴向压力和水平回转力同时作用下，在孔底以切削、 压皱、压碎和剪切等方式粉碎岩石，被粉碎的岩屑、岩粉随冷却钻头的冲洗液及 时带出孔外，孔深随钻进时间延长而增加。回旋钻进过程中可以控制钻压、转速 及冲洗液量三个参数值，使钻进达到最好钻孔经济指标。冲击回旋钻进是钻头在孔底回转破碎岩石的同时，施加以冲击载荷。冲击回 旋钻进主要应用于坚硬岩石地源热泵系统中的地埋管土壤换热器的垂直孔一般钻进在第一、二类松软岩 石，如次生土、壤土、黄土、粘土等第四纪地层及泥炭、矽藻土等。破碎岩石容 易，岩石研磨性小，钻进效率高，相应的缺点是孔内产生的岩粉多、岩粉颗粒大， 有时孔壁易坍塌。此类岩石大都是塑岩层，都有粘

26、性，钻进时易产生糊钻、憋水、 缩径等现象，所以钻进时要解决的关键是憋水、糊钻，保持孔内清洁并保护孔壁 等。应选用高转速、大泵量、较小钻压的钻进规则。如果钻进时遇到泥岩、泥质 岩时，应选用小切削具钻头，采用钻压大、泵量大、转速快的规则。钻孔是地源 热泵工程中的主要施工项目之一。松软、松散、软硬不均的第四季地层（粘土、粉砂、粗砂、砂砾、卵石）以 及风化基岩。岩石性质的复杂多变必然导致钻孔方法的多样化。采用机械回旋式 钻机，正循环方式冲洗钻进，不仅能高效率的适应复杂多变的地层，钻机成孔， 而且还具有安装地埋管和孔的回填功能。因此要求钻机具备以下特点：1. 地埋管钻孔数量多，密度大，孔径小，成孔速度快

27、，钻进时间短，设备 迁移频繁等特点，要求钻孔设备便于迁移、拆装。2. 钻孔设备能简便的水平安装在基台上，并且确保滑轮、立轴、和孔轴呈 一直线。3. 钻孔设备要完成钻孔、成孔、安装和回填等多项工艺过程，要求实现钻 具、钻杆的拧卸和提升要机械化、省力、快速。4. 钻具组配要合理，钻具要安装准确、规范、不弯曲、不偏心，连接后其 轴线要同心。七、钻孔钻具所谓钻具是指方钻杆、钻杆、钻键、接头、稳定器、减震器以及在特定的钻 井条件下使用的其他井下工具的统称。在钻井的过程中，将方钻杆、钻杆、钻键 等各种接头连接起来组成的入井管串称为钻柱。1钻具的合理组合合理的组合钻具对有效的控制井斜、保证井深质量，使钻头工

28、作稳定，提高 钻速、减少钻具事故，增加钻具的可下深度及延长钻具的使用寿命都有重要的意 义。钻具的组合主要考虑钻头尺寸，钻机的提升能力和工程现场的地质条件、岩 土结构等。钻具的组合应尽量简单，以便于钻柱的卸下操作和井下事故的处理； 应尽量选用较大尺寸的方钻杆，下接头的外径与相连接的钻杆接头外径相近。随 井深的增加可选用两种尺寸的钻杆组成的复合钻柱，其尺寸只能相差一级，而且 是将壁厚大的和强度高的放在上面，而所选用的钻键要根据计算来确定，尺寸应 与钻杆尺寸相近。2钻头钻进时，根据地层结构、岩石性质和钻孔的目的，采用不同钻进方式，选用 不同的钻具，借助钻机，切削粉碎岩石，逐步使钻孔加深。在地埋管土壤

29、换热器 工程中，钻孔多采用硬质合金钻进、牙轮钻进和冲击回转钻进。2.1干式回旋全面钻进用钻头作为一种干式回转钻进方法，螺旋钻杆不断的将岩粉输送至地面，而不是用 循环冲洗液清除岩粉。在钻进过程中，螺旋钻杆与钻孔实际组成一个螺旋输送 机”，在无砾石及硬夹层的松软岩石中钻进时，钻进效率会提高。较多的是用短 螺旋钻进作井孔钻进，钻头由钻头体、翼片、螺旋带和连接部分组成。钻头上带 有螺旋带，钻杆为普通钻杆，反复进行四次钻进，每次钻进深度与螺杆长度相等。2.2硬质合金全面钻进用钻头把不同几何形状和一定尺寸的硬合金块，按照一定要求镶嵌在钻头体上。这 种钻头应用范围广，在软岩和中硬岩石中钻进效率高、钻进质量好

30、、钻进材料消 耗量小、成本低、钻进操作简便、钻进方法灵活，为了提高钻进效率和质量，可 选用不同结构的钻头。在全面钻进不取心钻孔时，常采用翼片钻头。a. 鱼尾钻头：切削刀翼用高强度合金钢锻造成曲面形状或用两个翼片焊在粗 径管或接头料上，切削翼片底、外侧镶有硬质合金，该钻头用于钻进松软疏散的 次生土、壤土、黄土、粘土、风化变质的页岩、泥灰岩等岩石中。b. 三翼钻头：将三个翼片焊在贯眼接头体上，三翼成120。，钻头尖端成30。 60，合金密集均匀分布，此类钻头适用于钻进风化变质的覆盖层、粘土、砂质 粘土、灰质粘土及少部分流沙岩层等。2.3金刚石全面钻进用钻头钻头工作面成冠状，常见的外形有：双锥阶梯形

31、和脊圈式。它适用于钻进软、 中硬和较硬的岩石，钻头寿命长，效率高。在地埋管土壤换热器工程钻孔时因成 本高很少采用。2.4牙轮钻头牙轮钻头最常用的是三牙轮钻头，钻头由钻头体、牙轮爪、牙轮轴承、水眼、 储油密封补偿系统等部分组成。牙轮钻头工作时，牙轮滚动，牙齿交替接触井底，破岩扭矩小，牙轮的牙齿 与井底接触面积小、比压大，易吃入地层，工作刃总长度大，因此相对减少了磨 损。钻头绕轴线作顺时针旋转时，牙轮也绕钻头轴线旋转，这种旋转称为钻头公 转。牙轮绕钻头轴线旋转的同时，受到井底岩石牙轮的摩擦阻力，牙轮向钻头前 进的方向绕牙轮的轴线作反时针旋转，这种旋转称为牙轮自转。钻头在井底工作时，钻头和牙轮绕钻头

32、轴线公转，同时牙轮绕其自身轴线自 转，牙轮交替的以单、双齿轮流接触井底，如此交替进行，钻头便随牙轮轴心高 低的位移而产生上下、往复的运动振动。这种振动对井底岩石产生冲击，可 有效的破碎岩石。因此，牙轮钻头适用于从软到硬的多种地层，在卵石层钻进效 果最佳。八、钻孔的技术要求钻孔中心的平面位置最大允许偏离是20cm，钻头轴心与垂直线的允许最大 垂直倾角为2，孔越深允许垂直倾角越小。成孔要在一定的时间内不存在沉陷 现象，保证换热器顺利按装。1造成钻孔垂直倾角的原因：1.1地质因素：由于钻孔所穿过的岩层状态多变，结构复杂，尤其穿过具有 一定倾角的，硬度不均的岩层时，因软硬岩石的抗破碎能力不同，使孔底对

33、钻头 产生不均匀阻力而引起钻孔变斜。1.2钻孔设备：陈旧的设备，技术性能不良，钻进中立轴或机身晃动严重， 都会使钻具回转稳定性差，极易造成钻孔弯曲变斜。设备安装不能保证滑轮、立 轴和孔中心在一直线上。1.3钻具结构装配不合理：钻具本身有弯曲度，钻具失去了导向作用，均已 造成钻孔弯曲。1.4钻进工艺掌握不熟练，转速不当，钻压过大，泥浆的配置和流量不合理， 必然造成钻孔弯曲。2钻孔的护壁与堵漏钻进过程中，随着钻孔的形成，破坏了岩层的原始状态。于是一些松散、破 碎、风化、溶洞遇水膨胀等。地层中的钻孔易出现缩径、坍塌、掉块、涌漏水等 现象，会严重影响钻孔工作的顺利进行。为防止这些现象的发生，就要采取一

34、些 相应的护孔堵漏的措施，来保证正常顺利的钻进。泥浆在钻进中的循环过程由于失水而在孔壁上形成泥皮。泥皮很薄，有韧性， 不易破坏。由于泥皮的存在减弱了钻具对孔壁的直接敲击，防止了循环液对孔壁 的直接冲刷，有利孔壁的稳定。调节泥浆的密度，可起到稳定孔壁，防止和减轻 泥浆漏失，孔壁坍塌，掉块，涌水，缩径的作用。在一些复杂的地层可采用水泥浆护壁堵漏和化学浆护壁堵漏。在漏水特别严 重的地表层，利用向孔内下入套管来封隔坍塌或漏失。钻头使用注间事项:1钻头正确使用的方法是开钻时要匀速开钻，由慢到快，保持匀速稳定回转;停钻时要匀速停转，由快到慢，避免急开急停的操作方式；2在钻进中要尽量保持匀速钻进，不能忽快忽

35、慢钻进；3钻头接触孔底岩石时要保持温柔操作，切忌不可用力冲撞，破坏钻头；4要保持钻头水眼出水畅通，随时观察孔内出水情况，若发生水量减少、断 水等情况时，应及时停钻，判断孔内发生的具体情况，避免发生钻头烧毁；5在处理孔内事故时应尽量减少长时间的强力起拔、回转方式来处理事故， 除非在不得已的情况下而为之；6要禁止钻头在提离孔底的情况下，空载回转。附：泡沫钻井技术泡沫钻进在钻孔钻进中，会遇到各种各样的地层，所施工的区域也是千变万化的。在 那些比较复杂的地层中钻进则常常需要使用泥浆进行钻进和护壁堵漏。但对于那 些严重漏失，地面压力比较低的生产层，或是缺水干旱的沙漠地区，需经常使用 低密度的流体作为钻孔

36、的冲流介质。所谓低密度钻井流体是指密度小于l.Okg/L 的钻孔流体，如稳定泡沫、硬胶泡沫、充气泥浆等。泡沫钻进技术是一项新的，用于对付特殊的自然地理条件、复杂的地质条件 的钻孔技术，它利用均匀稳定的泡沫流体作为钻孔时的循环介质，因为泡沫的上 返速度慢，对孔壁的冲刷作用小，因此在易坍塌的、胶结性差的地层中可有效的 防止孔内事故的发生，有效的解决了在高原、沙漠等干旱缺水地区的钻进技术难 题。泡沫把孔内岩屑连续不断、有效的从孔内携带到地表，从而减少了在孔底形 成岩粉垫，有利于提高钻进效率。泡沫降低了热量在钻头上的聚集，避免了烧钻， 提高了钻头的使用寿命。 泡沫剂和稳泡剂泡沫剂又称发泡剂，是在搅拌的

37、条件下易定向吸附在气、液两相界面上而形 成泡沫的表面活性剂。泡沫剂的种类很多，人工合成的泡沫剂有阴离子型、非离子型和复合型。阴 离子型产品有肥皂、十二烷基硫酸钠、十二烷基璜酸钠，非离子型的有聚氯乙烯 醚、氯化叔胺等，复合型的有脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸脂钠盐。稳泡剂就是以延长 泡沫持久性为目的而加入的外加剂，如尼钠尔就是一种很好的稳泡剂。 泡沫钻进设备泡沫钻进除正常钻进所需的设备外，还有空气机、泡沫注入泵、泡沫发生器, 消泡设置、孔口密封设置。泡沫钻进的方式有开式循环和闭式循环。闭式循环系 统比较复杂，需要专用的机械消泡装置。泡沫的上返速度和泡沫灌注量根据地层的变化需要调节，因此，泡沫泵排量 采用的

38、档级范围应大些较有利。泡沫钻进具有很多优点，良好的安全措施是实现这些优点的根本保证。4坑道钻孔坑道钻孔又称地下钻，是在坑道内进行的钻孔工作。坑道钻孔与地表钻孔虽 然同等于钻孔过程，但由于其施工空间条件不同，而且通常属于不同角度的“定 向”，所以形成了区别于其它钻孔方法的坑道钻孔施工技术。我国早期生产的坑道钻孔机有ZSK-50, DK-100机械动力头钻机。目前，生 产的坑道钻井机有采用电动机驱动的KY系列通用型坑道钻孔机，和电动机驱 动、机械回转、油压拉送钻具的MK系列全液压坑道钻孔机。坑道钻孔机可钻不同倾角的孔，如俯孔、仰孔和水平孔，只是设备安装和施 工工艺不同。在施工过程中要注意的是防水、

39、卡钻、堵塞、跑钻和孔斜等问题。 九资质要求目前地源热泵处于无人管理的尴尬位置，缺乏可操作的准入制度和科学评价 体系。市场比较混乱，没有一个准入制度，任何人都可以成立公司做这项业务， 对操作者个人没有资质，对实施单位没有资质。对于最前段、最核心的设计部分, 设计院通常回避，对于陌生的技术，设计院通常采取谨慎保守的态度，这无可厚 非。所以很多情况下水源热泵项目的设计都是由专业公司来完成。从技术角度讲, 这样做最大的问题是企业不是从整个系统角度进行设计而是简单的从某一环节， 或机组或室外，进行考虑，这样做最终导致的结果是或不节能或可靠性降低。当下，有民用建筑设计资质的设计院都可以做地源热泵设计，一般来说都是 些机电安装，空调安装等公司。图纸由设备专业，暖通专业出。参考文献1 地源热泵系统工程技术规范(GB 50366-2005)2 冉伟彦 丁连靖, 北京市地质勘察技术院,工程勘察在地源热泵系统工程中的重要 性，地源热泵专题3 keven , 地源热泵施工工艺，网易博客，4 包 涛，董玉军等，西安交通大学，热泵系统的经济性分析，制冷5 章建平 胡唐伯,江苏省地质工程勘察院,地源热泵系统工程技术介绍