地埋管地源熱幫浦系統

1樓：中地數媒

1.地埋管地源熱幫浦系統原理、特點

地埋管地源熱幫浦系統獲取淺層地溫能方式是採用地埋管換熱系統，其工作原理是傳熱介質（主要是水或乙二醇）在密閉的豎直或水平地埋管中迴圈，利用傳熱介質與地下巖土層、地下水之間的溫差進行熱交換，達到利用淺層地溫能的目的，並進而通過熱幫浦技術實現對建築物的供暖和製冷，工作原理圖見3-11和圖3-12。

圖3-11　夏季地埋管地源熱幫浦工作原理圖

圖3-12　冬季地埋管地源熱幫浦工作原理圖

地埋管地源熱幫浦除具有地源熱幫浦的所有特點外，還具以下顯著的特點是：

（1）專案需根據的冷、熱負荷大小鑽鑿數量眾多的鑽孔，下入有一定強度、抗腐蝕和傳熱效能好的密閉迴圈管，然後將所有的迴圈管連線起來進入機房和主機。

（2）地源熱幫浦系統與地下岩土體、地下水之間通過傳導散（吸）熱，區別於地下水地源熱幫浦系統主要通過對流散（吸）熱，熱交換效率低於地下水地源熱幫浦系統。

（3）與傳統空調系統相比，地埋管地源熱幫浦系統的主要缺點是其地埋管換熱器初投資較高，並且一般情況下也高於地下水地源熱幫浦系統的初投資，這也是阻礙地源熱幫浦系統發展的主要原因之一。

（4）與地下水地源熱幫浦系統相比，地埋管換熱器占地面積較地下地下水熱幫浦系統大。這也是阻礙地埋管地源熱幫浦系統在人口、建築密集區發展的另一重要原因。地埋管換熱器一般布置在綠地、道路、停車場、廣場、學校操場等下面，也有布置在建築物基礎下和建築物的樁基內。

（5）與地下水地源熱幫浦系統相比，地埋管地源熱幫浦系統因不從地下取水，從理論上講對地下空間環境影響較地下水地源熱幫浦系統小，辦理手續也較地下水地源熱幫浦系統簡單。

（6）具有綠色環保、高效節能、執行成本低、一機多用、技術成熟、應用範圍廣（原則上適用於任何地層和建築）、無需抽取地下水等特點，未來應用前景廣闊。

（7）從水文地質角度講，鬆散層孔隙地下水的富水性主要受含水層的粒徑影響，粒徑越大，孔隙度越大，地層富水性越好、滲透性越強。因此，地下水地源熱幫浦和地埋管地源熱幫浦專案對水文地質條件要求具有一定的互補性，也就是不適合地下水的地區，往往適合地埋管。以北京地區為例，地下水地源熱幫浦主要分布在永定河衝洪積扇中上部的海淀、豐台兩區，而地埋管地源熱幫浦主要分布在順義、昌平、朝陽、海淀山後地區，也就是溫榆河、永定河、潮白河衝洪積扇的中下部的廣大地區。

2.地源熱幫浦系統的組成和基本情況介紹

地埋管地源熱幫浦系統與地下水地源熱幫浦系統相似，由地埋管換熱系統、機房系統和末端系統三部分組成。從專業技術角度上講，末端系統的設計和施工屬於由暖通空調專業；機房系統主要由主機、電氣自控系統和水流控制系統組成，其核心是熱幫浦機組技術；地埋管換熱系統的設計和施工屬於地質和水文地質專業，必須由有地質勘察和鑿井施工資質的專業部門來完成。因此，地埋管地源熱幫浦系統的核心實際上是以單獨的暖通空調技術、熱幫浦機組技術和地質勘察技術為支撐的、多學科相互配合和有機組成的綜合新型、環保、節能技術。

根據地埋管路埋置方式的不同，地埋管換熱系統可分為水平地埋管換熱器和豎直埋管換熱器，見圖3-13和圖3-14。水平地埋管是在地面挖1.5～2.

5m深的溝，每個溝中埋設2、4或6根換熱塑料管，因水平埋管占地面積較豎直埋管大，效率較豎直埋管低，故我國已建的地埋管地源熱幫浦系統大多採用豎直埋管系統。

圖3-13　水平地埋管換熱器

圖3-14　豎直地埋管換熱器

豎直地埋管系統埋管深度一般在50～150m之間，以100m左右深度的鑽孔居多，鑽孔口徑一般在120～150mm之間，大多數鑽孔施工在第四系鬆散層中，少部分專案鑽孔施工在基岩中，如北京市昌平區山水宜家別墅、房山區天湖國際會議酒店專案等；鑽孔與地埋管之間採用回填料填實，回填方式主要有原漿回填、中砂回填、素土回填和水泥砂漿回填等；地埋管材質以hdpe管為主，直徑絕大多數φ32mm。

根據豎直地埋管埋入換熱孔內u形管的數量，系統又可分為單u和雙u埋管系統，見圖3-15和圖3-16；地埋管與周圍岩土體換熱方式為傳導散熱或吸熱，為避免換熱孔之間的相互干擾和節省占地，地埋管孔設計間距一般4～6m；根據設計要求的不同，地埋管內的迴圈液（換熱介質）可以是水或防凍液。

圖3-15　單u豎直埋管地源熱幫浦換熱系統

圖3-16　雙u豎直埋管地源熱幫浦換熱系統

3.地源熱幫浦系統核心技術——單孔換熱能力分析

在推廣地埋管地源熱幫浦技術實踐過程中，由於各地區地質和水文地質條件的複雜性和多變性，尤其是地下水位埋深和地下水的滲透速度的差異，導致各地區巖（土）層的導熱性和地埋管單延公尺換熱能力差異巨大，在乙個地區能成功應用的地下換熱系統，在另一地區往往並不適用，即使在同一地區，也因專案地點位於河道衝洪積扇的上、中、下游的不同，導致專案設計的單孔換熱能力不同。因此，與地下水地源熱幫浦系統相同，地質勘察技術仍是地埋管地源熱幫浦系統技術的核心，也是淺層地溫能開發利用工程能否成功應用於實踐的關鍵。

地埋管換熱器是地源熱幫浦技術的核心，它由眾多的地埋管孔及其連線它們的u型管、水平管組成。在一定的冷、熱負荷情況下，如果地埋管孔數量設計偏多，單孔換熱量未達到最佳的單孔換熱能力，就意味著專案初投資偏大，占地面積也越大，地埋側末端迴圈幫浦也越大，執行的經濟性降低；如果地埋管孔數量設計偏少，單孔換熱量不能滿足負荷要求，就意味著迴圈液在冬季出水溫度會越來越低，出現「末寒」現象，夏季出水溫度會越來越高，出現「末熱」現象，降低主機執行的能效比，甚至導致主機停機保護，系統無法執行，其結果最終是影響系統的經濟性和系統的穩定性。

地埋管換熱器設計是否合理，決定著地源熱幫浦系統的經濟性和執行可靠性。因此，單孔換熱能力分析是地埋管換熱器設計的核心。增強地埋管換熱器傳熱的方法與傳統的換熱器基本相同，即應提高傳熱溫差，增加傳熱面積，減少傳熱熱阻。

傳熱溫差的改變要受到地層溫度、迴圈液溫度及熱幫浦主機的引數的限制。地層溫度在各地區是恆定的，無法改變。迴圈液溫度也就是蒸發器或冷凝器出口溫度，它受主機效能和引數控制，過高或過低的出口溫度會降低主機執行的能效比，影響系統的經濟性。

增加傳熱面積實際上就是增加地埋管換熱器長度，這也就是增加專案初期投資，增大占地面積，過度的地埋管換熱器長度不但不會提高系統的經濟性反而會降低地埋管地源熱幫浦專案的經濟性。

因此，增強地埋管換熱器傳熱的方法主要是降低傳熱熱阻。迴圈液與地下岩土體、地下水之間的傳熱過程受以下兩種因素控制：一是地埋管換熱器；二是岩土體、地下水的傳熱效能。

在工程實踐過程中，通常以鑽孔壁為界，把所涉及的空間區域劃分為鑽孔內的地埋管、回填料部分和鑽孔以外的岩土體部分。鑽孔以外部分的傳熱由兩部分組成，一是從鑽孔壁到末端未受到干擾的遠端介質的巖土層熱阻，該項熱阻主要取決於岩土體導熱係數；二是各地埋管之間溫度場的相互干擾而形成的附加溫變熱阻，這部分熱阻主要取決於地埋管的布置形式和間距，及其釋、放熱量的平衡程度。鑽孔內部的傳熱熱阻主要由管內熱阻和管外回填料的熱阻構成，這部分熱阻容易通過工程措施控制，可增加單孔換熱能力。

1）鑽孔外熱阻

岩土體的導熱係數和熱擴散率對地埋管換熱器設計非常重要，決定了地埋管換熱器長度、地埋管的布置形式和間距、占地面積。岩土體導熱係數表示通過大地的熱傳導能力。熱擴散率是衡量大地傳遞和儲存熱量能力的尺度。

岩土體的含溼量對岩土體的導熱係數和熱擴散率有很大影響，夏季工況執行時地埋管換熱器內迴圈液溫度高於岩土體溫度，導致地埋管周圍的岩土體水分擴散減少，岩土體變得乾燥，降低其導熱係數，形成熱不穩定現象。在設計換熱器長度時，在地下水缺乏或地下水埋藏較深的地區，尤其需要注意。

地埋管換熱器執行過程中，地埋管周圍的岩土體溫度場會發生變化，隨著地溫變化程度的增加和區域的擴大，相鄰地埋管之間換熱將受影響，把這種因地溫變化而引起的換熱阻力的增加與換熱量的減弱，稱為溫變熱阻。如果一年內，地埋管換熱器從岩土體中吸收或散發的熱量不平衡，會引起多餘熱量（冷量）的積累，引起地下恆溫的變化，導致溫度熱阻的增加。

地下水滲流對地埋管換熱能力有著非常重要的影響。由於地下水的熱容量大，吸收或散發熱量也大，在有地下水滲流情況下，熱量或冷量很容易被流動的地下水帶走，形成另一條熱流通道，大大降低傳熱熱阻。即使冷、熱負荷不平衡的區域，地下水流動也將減弱「溫變熱阻」的影響。

2）鑽孔內熱阻

鑽孔內熱阻主要由地埋管和回填料的傳熱效能所控制。地埋管應採用化學穩定性好，有一定強度（主要是考慮埋管較深時，迴圈液對埋管的壓力）、耐腐蝕、導熱係數大、流動阻力小的塑料管材和管件。在目前技術、經濟水平的情況下，大多已建工程採用聚乙烯管（pe管），這是綜合考慮上面各項要求的選擇結果。

在目前技術、經濟水平的情況下，選擇恰當的回填料是大多數地埋管地源熱幫浦專案能夠減少投資、提高系統執行經濟性的最適宜手段。回填料介於地埋管與孔壁之間，其目的是增強地埋管與周圍岩土體的換熱能力，同時防止地表水通過鑽孔向地下滲透，汙染地下水和避免不同含水層地下水之間的交叉汙染。回填材料的選擇以及正確的回填施工對保證地埋管換熱器效能有重要意義。

採用導熱性能不良的回填材料將顯著增大鑽孔內的熱阻，在同樣情況下導致所需的鑽孔總長度增加，同時也意味著系統初投資以及執行費用增加。

根據《地源熱幫浦工程技術規範》（gb50366—2005），「灌漿回填材料宜採用膨潤土和細沙（或水泥）的混合漿或專用回填材料；當地埋管換熱器設在密實或堅硬的岩土體中時，宜採用水泥基料灌漿回填；回填材料及其配比應符合設計要求」。筆者建議：在地下水位面以下採用粗砂、礫石回填，在地下水位面以上採用水泥砂漿回填，其原因是：

（1）在地下水位面以下的鑽孔區域，採用粗砂、礫石（d2～4mm，要求磨圓度好）回填將能夠充分利用地下水熱容量大和流動性好的特點，將產生的熱量或冷量盡快帶走，形成對流散（吸）熱通道。由於存在地下水交叉汙染的風險，在地下水有分層汙染情況的地區，謹慎採用；

（2）在地下水位面以上的鑽孔區域，回填料必須回填密實、完整，完全隔絕空氣與地埋管之間接觸，徹底避免空氣混入回填料中，採用水泥砂漿回填將能夠做到上述要求，更重要的是水泥砂漿回填具有良好的導熱性、經濟性及足夠的耐久性等。

4.地源熱幫浦系統設計和施工技術要求

地源熱幫浦系統設計和施工應嚴格遵守《地源熱幫浦工程技術規範》（gb50366—2005）。根據多年地埋管地源熱幫浦專案施工及執行監測經驗，同時應注意以下幾點：

（1）在場地條件許可的情況下，地埋管換熱器的施工盡量靠近的控制機房，以最大幅度節省地埋側迴圈功率，提高系統的功效比。據調查，北京昌平區某地埋管地源熱幫浦專案夏季執行時迴圈幫浦耗電量（包括末端迴圈幫浦）佔到總耗電量40%～50%，明顯高於正常值，其原因是地埋管換熱器施工場地距機房較遠，迴圈幫浦功率過大所致。

（2）在條件許可的情況下，地埋管地源熱幫浦專案建成後最好首先執行製冷季，其目的是保證冬季執行效果，防止發生迴圈液（如果是水的話）冰凍的風險。

（3）地下水對地埋管孔的換熱能力有非常重要的影響，但一般情況下地下水滲流速度快的區域含水層顆粒較大，施工地埋管孔難度較大，增大了專案的施工成本，故應綜合考慮施工成本和換熱能力的關係。

（4）當建築物分散，且場地條件許可的情況下，宜採用分布式機房，有利於提高專案的經濟性。

（5）地埋管孔一般深度在100m左右，一旦地埋管地源熱幫浦系統建成並投入執行後，就需要永久占用地下空間（2m以下區域），將對區域規劃（如地鐵線路）和管線布置產生影響；

（6）在進行回填料回填施工時，務忙用鐵鏟一鏟一鏟的回填，速度不宜過快，防止因過快回填導致的回填料不實的情況發生。嚴禁用小推車整車灌入式回填。

（7）專案執行階段，應密切關注和記錄主機的供回水溫度，主機和迴圈幫浦耗電量，為科學分析專案的運**況打下基礎。

（8）由於地埋管孔的單孔換能力測試試驗時間有限（一般為10天左右），並且未能考慮到「溫變熱阻」的影響，因此其熱物性結果往往並不能完全反映乙個供暖或乙個製冷季的運**況，建議設計時參考相同地區、相同水文地質條件已建專案的經驗值。

（9）地埋管孔的布置應綜合考慮「溫變熱阻」影響和專案經濟性。

（10）在進行地埋管地源熱幫浦專案設計時，必須保證各地埋管孔的水力平衡，確保每個迴圈管內流速基本一致。

（11）應精確計算地埋管內流速，流速過大不會增加換熱量，反而降低專案的經濟性；流速過小將降低單孔換熱能力。

地埋管地源熱幫浦專案由於施工地埋管鑽數量眾多，因此地埋管鑽施工成本往往是初投資大小的主要決定因素，建議在專案的論證階段務必施工勘探試驗孔，掌握專案的施工難度和施工成本大小，為專案的預算打下基礎。根據《地源熱幫浦工程技術規範》（gb50366-2005）要求，地源熱幫浦系統方案設計前，也應進行工程場地狀況調查，並應對淺層地熱能資源進行勘察。地埋管地源熱幫浦系統方案設計前，應對工程場區岩土體地質條件進行勘察，勘察內容包括：

（1）巖土層結構；

（2）岩土體熱物性；

（3）岩土體溫度；

（4）地下水靜水位埋深、水溫、水質及分布；

（5）地下水徑流方向、速度；

（6）凍土層厚度。

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