地源热泵系统施工技术建筑装修论文发表

　　摘要：本文通过工程实例探讨了地源热泵系统的工作原理、分类及特点，分析了地源热泵系统相关施工工艺及特点,阐述了地源热泵目前的发展状况,指出了在国内发展地源热泵所面临的一些问题,展望了地源热泵的发展前景。

　　关键词:地源热泵系统,影响因素,发展状况,问题,发展前景

　　地源热泵是利用地能进行供热制冷的新型能源利用技术,是利用浅层和深层的大地能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源，然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统，是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统。

　　1、地源热泵系统工作原理、分类及特点

　　1.1 地源热泵系统工作原理

　　地源热泵利用地下土壤、地下水温度相对稳定的特性，冬季通过消耗少量的高位能量把土壤储存的低品位热能转移到需要供暖的室内;夏季将室内的热量转移释放到土壤中，从而达到冬季供暖、夏季制冷的目的。地源热泵不需要燃用化石燃料，达到降低化石燃料消耗量、减少温室气体排放、减轻城市大气污染压力、减少运行成本的目的。

　　地源热泵也被称为地热泵。根据利用地热源的种类和方式不同可以分为以下三类：土壤源热泵(GCHP),地下水热泵(GWHP),地表水热泵(SWHP)。

　　本文探讨的工程实例为土壤源热泵，本地源热泵工程地处天津市东丽区军粮城示范镇，项目总建筑面积15000m2，分为办公楼、派出所和博物馆三个公建区域，采用地源热泵与中央空调系统，井位数共计288口，井深130m，换热孔径140-180mm，每孔下如双U型换热管，每孔冬季取热量40W/m,夏季散热量60W/m。

　　1.2土壤源热泵的分类及特点

　　土壤源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水—水热泵机组或水—气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。

　　垂直埋管换热器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分为浅层(<30m),中层(30～100m)和深层(>100m)三种。埋管深，地下岩土温度比较稳定，钻孔占地面积较少，但相应会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压埋管的造价提高。总的来说，垂直埋管换热器热泵系统优势在于：(1)占地面积小;(2)土壤的温度和热特性变化小;(3)需要的管材最少，泵耗能低;(4)能效比很高。而劣势主要在于：由于相应的施工设备和施工人员的缺乏，造价偏高。

　　水平埋管换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占地面积最大，虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少，但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平埋管换热器热泵系统由于施工设备广泛使用而且施工人员易

　　找，又加上工程有足够大的施工场地，因此造价就可以减下来。除需要较大场地外，水平埋管换热器系统的劣势还在于：运行性能上不稳定(由于浅层大地的温度和热特性随着季节、降雨以及埋深而变化);泵耗能较高;系统效率降低。

　　蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器20%～30%,但是用管量会明显增加，这种方式优缺点类似于水平埋管换热器。

　　2、地源热泵系统地埋管施工工艺及特点

　　本文只针对工程实例中土壤源热泵系统地埋管的施工工艺及特点进行分析。

　　2.1地埋管钻井施工技术

　　2.1.1 地埋管钻井具体施工工艺

　　2.1.2 换热钻孔剖面图

　　2.1.3 钻井成井方法

　　采用泥浆护壁正循环方法成井，施工机械采用GP-150型钻机，配置BW-600/30泥浆泵，选用外肋骨钻头，孔壁完整，孔径满足要求，钻孔垂直。

　　2.1.3.1钻井方式：使用正循环回转钻井。

　　2.1.3.2正循环回转钻井的原理介绍：

　　在地层不漏失或对漏失进行不效处理之后，正循环冲洗液充满钻杆与孔壁之间的外环状空间，液柱本身重量对孔壁产生较高的侧压力，在液柱与地层之间的压差作用下，泥浆向地层渗透，其粘土颗粒将在孔壁形成一层泥皮，液柱侧压力和泥皮都能有效地加固孔壁，防止孔壁坍塌。

　　冲洗液在较高压力作用下，以较高的速度从钻头小眼中呈射流状态喷射孔底，不仅能有效地冲起孔底岩屑，对松软地层还具有不小的破碎作用，有利于提高软层的钻井效率。

　　依靠的排水压力，通过管线向孔输送冲洗液，管线及其接头部位即使有少量泄漏，也不会导致冲洗液循环和钻井过程中断。在地层漏失情况下只要冲洗液连续补给，仍可继续钻井。

　　2.1.3.3正循环回转钻井施工简述

　　正循环回转钻井：在钻机驱动钻具回转钻井的同时，利用泥浆泵通过水龙头、钻杆内孔向孔底输送冲洗洗液(清水，常用的是泥浆)，冲洗孔底。携带岩屑的冲洗液沿钻杆与孔壁之间的外环状空间上升，从孔口流向沉淀池，形成正循环排碴系统;因此，称之为冲洗液正循环回转钻井。

　　2.1.4 下管

　　下管是地源热泵工程中关键工序之一，因为下管的深度决定采取热量的多少，所以必须保证下管的深度。为保证下管深度和打井深度能够尽量接近，必须要做到提完钻杆后不停顿立即下管，此工艺通过测量上来钻杆的总长度确定打井深度，在下管前通过PE管上的标尺核实整个管道的长度，下管后根据留出的管道长度计算下管深度。

　　下管之前，在U型管上每隔3m~4m设一固定支卡将两支管分开，以提高换热效果。

　　下管的方法：人工下管、机械下管和重物下管。因本工程地质为粘土，成孔后孔壁完整，且孔内没有泥浆等杂物，所以本工程采用人工下管。下管前将U型管与灌浆管捆绑在一起下管。下管时，U型管是应长出垂直孔1-2m以便于查找和水平集管的连接。

　　2.1.5 管路水压试验、水冲洗

　　2.1.5.1垂直埋地管插入钻孔前，应做第一次水压试验，单个换热管采用1.6Mpa水压试验，在试验压力下，稳压至少15分钟，压降不超过3%后，将其密封后插入钻孔。完成灌浆之后做第二次水压试验，单个换热管采用0.6Mpa水压试验，在试验压力下，稳压至少30分钟，压降不超过3%后，则认为合格。

　　2.1.5.2埋地管换热器与环路集管装配完成后，回填前应进行第三次水压试验。联络管采用0.6Mpa水压试验，在试验压力下，稳压至少2小时，压降不超过3%后，则认为合格。

　　2.1.5.3环路集管与机房分集水器连接完成后，回填前应进行第四次水压试验。联络管采用0.6Mpa水压试验，在试验压力下，稳压至少2小时，压降不超过3%后，则认为合格。

　　2.1.5.4埋地管换热系统全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后，应进行第五次水压试验。整个系统联络管采用0.6Mpa水压试验，在试验压力下，稳压至少12小时，压降不超过3%后，则认为合格。

　　2.1.5.5水压试验宜采用手动泵缓慢升压，升压过程中应随时观察与检查，不得有渗漏。

　　2.1.5.6管道分段试压合格后应对整条管道进行冲洗。

　　2.1.6 回填

　　回填工序也称为灌浆封井，正确的回填要达到两个目的：一是要强化埋管与钻孔壁之间的传热，二是要实现密封的作用，避免地下含水层受到地表水等可能的污染。

　　回填工艺：将回填材料在搅拌池中按以上配方混合均匀，使其细小、松散、均匀，且不应含石块及土块。经泥浆泵由灌浆管将回填物料输送到孔内，利用泥浆泵的压力和物料自重达到孔底，由孔底部自下而上填充，洞口见回填料时再匀速抽出导浆管。待导管出孔后停泥浆泵。等填充物沉淀密实后，在孔内铲入钻孔产生的粉末或细砂进行封孔。回填压实过程要均匀，回填料应与管道接触紧密，且不得损伤管道。至此，回填完毕。

　　2.2 水平管施工工艺及特点

　　2.2.1 水平管施工工艺

　　2.2.2 水平管与支管连接如下图

　　地源热泵国内目前的发展状况

　　目前在中国，地下水热泵系统已开始广泛使用，而土壤源热泵系统尚处于研究机构工程摸索和研究阶段。

　　从有关资料来看，地下水热泵工程真正成功的并不多。原因在于要实现100%的回灌，并回灌到同一含水层，不污染地下水，且能长时间稳定运行，并不容易做到。同时，还出现了大量不进行回灌的热泵工程，更有甚者，出现了直接利用地下水通入风机盘管内进行空调。这样做，一则污染水体，二则浪费水资源。

　　通过查阅相关资料，我国对于土壤源热泵的发展主要是从1998年开始，国内数家大学建立了土壤源热泵实验台，且大多数进行了地下换热器与地面热泵设备的长期联合运行。其中1998年重庆建筑大学建设了包括浅埋竖埋管换热器和水平埋管换热器在内的热泵系统;1998年青岛建工学院建成了聚乙烯垂直土壤源热泵系统;湖南大学1998年建设了水平埋管土壤源热泵系统;1999同济大学建设了垂直土壤源热泵系统。这些系统为中国推广土壤源热泵奠定了基础。从2000年开始，在国内长春、济南、温州、重庆、米泉建立了一系列土壤源热泵系统的示范工程。土壤源热泵系统越来越多的被房地产商所关注和采用。

　　3、地源热泵系统发展面临的问题

　　3.1 观念方面：空气源热泵和燃气、燃煤供热技术相对成熟，使得人们选择地源热泵系统时会面临阻力。

　　3.2 暖通空调技术与其它技术的配合：地源热泵技术是暖通空调技术与钻井技术相结合的综合技术，两者缺一不可，这要求工程组织者和工程技术人员能够合理协调、做好充分的技术经济分析。

　　3.3 对环境的影响：目前地下水的回灌技术不完善，在一定程度上会影响以水为低位热源的地源热泵的进一步推广;此外土壤源热泵空调系统钻井对土壤热、湿及盐分迁移的影响研究有待进一步深入，如何使不利因素减少到最小是必须考虑的问题。

　　3.4 初投资问题：并不是所有的地源热泵系统都是经济合理的，由于钻井费用可能占到整个系统初投资的50% 以上，有些投资者可能会回到传统的空调形式。

　　3.5 安装维护：目前地源热泵系统的安装费用较高，与电制冷、天然气加热系统相比显然是高的;而且地源热泵系统的维护较为困难，这在一定程度上会影响它的使用。

　　3.6 土壤特性：土壤的特性随地点的变化而有所差别，在一地区的研究结果可能完全不适用于另一地区，必须进行相应的修正甚至重新研究。

　　4、地源热泵系统国内发展前景

　　鉴于国内的国情和地源热泵系统自身的特点，对其地源热泵系统在国内的前景作分析。随着地下水热泵工程技术改进和规范化，由于其突出的节能和保护大气环境的功能，还是存在着巨大的潜在的市场。水平埋管土壤源热泵，虽然占地面积大，但靠地表换热可以自然恢复地温，在年排热量和吸热量不平衡的地区应用比较有优势。而垂直埋管土壤源热泵，随着专业安装队伍的发展，钻孔设备的完善，势必会使造价大幅度降低，无疑会成为今后最有竞争力空调方式。

　　5、结语

　　地源热泵空调系统在我国是一项新的技术，它是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术，需要通过相关专业技术人员的通力协作，做好勘测、设计、施工、调试等各项工作才能使系统达到要求的节能、环保性能。近几年在全国各地已经有大量工程投入使用，应该积极对实际运行经验进行总结，以其使地源热泵这项利国利民的可再生能源利用技术得到健康有序的发展。

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