垂直埋管式地源热泵地下埋管的实验装置及施工安装

垂直埋管式地源热泵地下埋管的实验装置及施工安装
　　（大连理工大学土木水利学院暖通教研室，辽宁 大连 116024）徐秋敏，端木琳
　　摘要：本文阐述了地源热泵的工作原理，介绍了大连理工大学的地源热泵实验系统装置及地下埋管的施工安装。
　　1 概述
　　地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。垂直埋管式地源热泵通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在垂直埋于土壤内部的封闭环路（土壤换热器）中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。冬季通过热泵将大地中的低位热能提取出来为建筑供暖，同时储存冷能量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下，对建筑进行降温，同时储存热量，以备冬用。
　　2 大连理工大学垂直埋管式地源热泵实验系统装置
　　大连理工大学地源热泵实验系统装置采用闭式垂直埋管式地下耦合热泵系统，地下埋设10根U型HDPE管，温度测量全部采用PT100热电阻，流量测量采用LWGY-15型涡轮流量计。所有参数测点全部引入采控系统，实行不间断自动采集和控制，并自动存储数据。
　　2.1 地下埋管换热器的布置
　　地下埋管打井14口，其中直埋井9个，总深度450m，测温井5个，总深度350m，合计800m地下埋管换热器水平布置如图1所示。地下埋管换热器的深度分别为1根75米埋深，6根50米埋深，1根25米埋深，1根双耦合50米埋深（图2），在75米深埋管的周围设四口70米深的测试井，以测试实验过程中不同埋深的换热量和热扩散情况。
　　2.2 温度测点的布置
　　整个地下埋管系统共设有80个测点。垂直测点布置如图3所示，其中50米埋深的测点布置相同。水平管段上的测点布置如图1所示。
　　3 地下埋管系统的施工
　　地下埋管是影响地源热泵换热效率的主要部分，其施工的工艺流程如下：
　　3.1 钻孔
　　垂直埋管式地源热泵的地下埋管钻孔深度在本实验系统中最深处达到75米，要求钻孔
　　完毕后孔壁必须保持完整，测量给定井孔位置、孔口标高后，使用汽车钻机泥浆护壁、回转钻进方法成孔，施工要求钻孔深度误差不大与5cm，垂直度小与1%孔深，根据地层的不同采用不同的钻进工艺，直到达到设计要求孔深。
　　3.2 制作U型管
　　由于本实验系统采用整根HDPE管作为地下埋管，故埋管在地下无接头，在下管前将热电阻按设计要求的位置在不同的U型管长度处预先使用支架固定在距U型中心18mm处，并将热电阻的导线沿U型管长度方向绑缚在U型管上（图4）。为保证热电阻及导线正常工作，必要时可另设双道热电阻及导线。
　　3.3 下U型管
　　在本实验系统中U型管的下放采用人力下管，下放U型管时要求保证管道不会扭曲、变形； U型管连同热电阻及其导线一起埋入井中后，热电阻及其导线要保证完好，并能正常使用，同时测点的位置在下管后不发生位移。
　　3.4 回灌砂浆
　　回灌砂浆是为了填充Ｕ型管与钻孔孔壁间的间隙，使其具有更好的传热性能。填充材料的选择决定了传热率的大小，选择一种热阻比较小的材料可以提高整个系统的效率。美国、加拿大、日本等国的观点认为，最好是把钻孔所取出的岩土体进行回填，但是这在工程上实现起来比较困难，所以一般选用特殊物质制成的专门的回灌材料。本实验分别采用三种不同的回灌材料：一种采用水泥砂浆，砂浆配合比为：砂子1450kg，水泥300kg，膨胀剂UAE替代10%水泥；一种为水；一种为砂子。以测验不同回填材料对地下埋管换热器换热性能的影响。其中采用水泥砂浆回灌时使用砂浆搅拌机进行砂浆搅拌，砂浆注浆泵回灌，回灌时使用1.5#尼龙导管从井底向上进行，并注意避免碰撞热电阻及其导线、测点位置，回灌连续进行，直至水泥砂浆密实填满管井为止。
　　4 垂直埋管式地源热泵系统的前景展望
　　垂直埋管式地源热泵系统一直是国内外理论研究和实验研究的重点，而且其地下埋管系统远比地下水源热泵系统和地表水源热泵系统复杂，当前急需解决的是：
　　（1） 各地不同地质的地质参数，因为土壤的性能直接影响地下换热器的换热性能；
　　（2） 成熟可靠的可供工程设计参考的设计计算方法；
　　（3） 规格齐全，品种多样的相关产品；
　　（4） 完善的地下换热器的安装、施工技术和安装队伍；
　　（5） 系统初投资过高，大大限制了垂直埋管式地源热泵的发展应用。
　　因此，要使地源热泵在我国进行广泛应用，除了进行系统的实验研究外还要积累施工经验。
　　参考文献：
　　1 殷平主编：现代空调。中国建筑工业出版社， 2001， 3
　　2 徐伟等译：地源热泵工程技术指南. 中国建筑工业出版社