地源热泵系统地下换热器的施工技术_7
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  0、前言

  地源热泵是指通过将传统的空调冷凝器或蒸发器延伸至地下,使其与浅层岩土或地下水进行热交换,或是通过中间介质作为热载体,并使中间介质在封闭环境中通过在浅层岩土中循环流动。从而实现利用低温浅层地能对建筑物内供暖或制冷的一种节能、环保型的新能源技术。根据《GB501761993民用建筑热工设计规范》,夏热冬冷的长三角洲地区制冷与供暖的天数大致相当,即冷热负荷基本相同。利用该技术可以充分发挥浅层地表的储能储热作用,达到环保、节能的双重功效。因此该技术被誉为21世纪最有效的空调技术。图1为地源热泵的工作原理图。

地源热泵的工作原理图

  目前,国内该领域的研究主要集中在直埋式地下换热器方面。因为随着热泵技术运用于地源技术的日渐成熟,对地下换热器的研究已成为该技术的关键所在。本文是作者参加了长春市地源热泵土工设计及施工工程的基础上所做的进一步的研究工作。

  地源热泵地下换热器施工流程如图2所示。

换热器施工流程

  1、工程钻孔问题

  工程钻孔是地下换热器施工过程中最重要的一个环节[2]。由于地源热泵的地下换热器置入深度在40m~100m之间,施工难度较低,所采用的钻机一般为工程勘察钻机或者浅层岩芯钻机。表1列出了几种常见的钻机类型及其重要参数。

钻机类型

  钻进方法比较简单,一般采用正循环或反循环的回转钻进方法。图3所示为正循环钻进。在进行工程钻孔施工时应该先对场地的地质状况进行了解,掌握已有的地质剖面图。而且应该注意是否有地下管线及确定其准确的位置,特别中指出的是在钻进过程中应该及时发现钻孔中存在的问题。如钻孔漏失等情况,这对整个系统的环境安全至关重要。然后进行场地清理,铲除地面杂草、清理杂物和浮土。确定钻孔的具体位置。同时考虑到注浆时浆液会从钻孔溢出,所以在施工前可以先设计并布置好排水沟。一般可顺地势挖,并在沟末端连接一个灌浆池。钻孔过程中产生的泥浆也可以先在灌浆池中沉淀,沉淀后可作回填土。

  考虑对环境的影响,特别要考虑因为施工的原因造成防冻液的渗漏等情况的发生。在进行钻孔施工时要求对第四纪松散地层下套管。保证环境的安全性。所以在进行钻孔施工前,必须根据工程勘察所得到的地层情况,设计好工程孔的孔身结构。

  在北方,考虑埋管深度时,应该根据当地的冬季冻土深度确定其最浅埋管深度。比如长春的冻土深度为140cm~170cm之间。所以,在水平管道时往往要求埋地深度为250cm左右。在南方应考虑天气和季节变化以及生物的破坏能力等因素的影响。一般要求敷设管道时应该在100cm以下。

灌浆池

  2、U型管的连接方法

  埋入地下的管材首先要保证化学性质稳定、耐腐蚀,并且有良好的导热性能以保证系统的性能。U型管的连接就是U型管的热熔连接过程。即首先将U型管修剪、清洗整洁、对齐,然后加热至熔点,冷却后连接在一起。为了系统的正常运行,必须保证U型管的连接可靠,一般采用热熔连接,主要考虑以下几方面的原因:

  1.热熔连接接头的强度比U型管本身的强度大。接头部位管壁厚度较大,因而其强度也增大;

  2.接头或连接部件是塑料材质,不存在腐蚀问题;

  3.多种工业标准明确推荐采用热熔方法连接U型塑料管。

  在工业上,热熔技术有2种:承插连接和对接。承插连接时,两个需要连接的U型管的端部分别与一个较粗的承接管段两端部加热熔接。承接连接方式如图4所示。

承接连接

  采用对接时,需连接的2根U型管端部被加热板同时加热而连接到一起。如图5所示。每个接头只须加热一次。连接时,必须保证2根U型管对齐,并把端部加工平整,熔接后必须固定2个U型管同轴冷却20s,以保证熔接强度。冬季施工时U型管的连接应在室内进行。

  3、下管

  钻孔完毕后应即时下管。因为钻空有大量的沉积泥沙,这就减少了钻孔的有效深度。因此,每钻完一个孔,应即时把U型管或套管放入。

管安装

  下管是一个非常关键的步骤,下管的成功与否决定了系统是否能够安装成功。下管过程到目前为止还没有达到机械化、自动化的程度。都采用人工下管。需要的人力比较多,要求有扶正、下压、送管等分工。下管时,应尽量保持同心度,并且管与管不要紧密接触,以免产生换热器的短路现象。

  在下管完成后要采取防止上浮的固定措施,并将U型管的末端密封,避免杂物掉入管道内,对系统的运行造成影响。

  4、注浆工程

  注浆时,先将水泥、膨润土、砂和水按照设计好的比例放入调整搅拌机中搅拌2~3min,然后排入到低速搅拌罐中搅拌。灌浆时,先打开阀门把浆液排入贮浆池中,通过高压泥浆泵注入孔中。

  以浆液的密度是否相等来判断是否停止注浆,如果相等则表示浆液已经充满了孔内,可以停止注浆。图6为注浆系统。

搅拌罐

  5、工程实例

  吉林省长春市地源热泵采暖/制冷实验示范项目是采用直埋式换热器进行热交换、采用水暖+风机联合作用的室内系统地源热泵系统。

  施工场地地处伊通河畔,受河流沉积作用影响,上部1m~3m为杂填土,粉质粘土、卵砾石以及含砂第四纪地层,下部为基岩,包括泥页岩、砂岩和石灰岩,硬度等级较高。由于地质环境影响,砂层深度变化较大,但总体不超过10m位,(通过随钻返回的岩芯得到)共设计采用16口100m深、直径为150~200mm的地下换热器,以对不同孔径的传热效果做出评价。

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