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地埋管系统介绍

2014.9.13

1.地源热泵的概念

地源热泵的名称最早出现在1912 年瑞士的一份专利文献中，但真正意义的商业应用也就十几年的历史，但发展相当迅速。如美国，截止1985 年全国共有14,000 套地源热泵，而1997 年就安装了45,000套，到目前为止已安装了400,000 套，而且每年以10 ％的速度稳步增长。1998 年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19 ％，其中新建筑中占30 ％。中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，采用地下埋管（埋深< 400 米

深）的地源热泵，用于室内地板辐射采暖或提供生活热水。据1999 年的统计，家用供热装置中，地源热泵所占比例较高，瑞士为96 ％，奥地利为38 ％，丹麦为27 ％。同时，中、北欧海水源热泵的研究和应用也比较多。

在我国，地源热泵的应用起步较晚，但发展潜力十分巨大。一方面，随着城市环境问题的日益重视和能源结构的调整，北方地区新建小区一般不能使用燃煤锅炉房供热，以何种方式解决这些新建小区的供热问题成为目前住宅建设中的大问题。另一方面，近年来我国住宅空调安装率迅速增长。上海居民住宅空调拥有率已超过60 ％，北京也达到34 ％，城镇居民住宅平均拥有率已达20 ％，并且目前家庭拥有率仍在飞速增长。借鉴发达国家的经验，采用地源热泵方式可能成为满足这种要求的最佳方式。

地源热泵的在中国的发展趋势

近年来，在国家科技部、国家环保总局、国家质监局等五部委的大力支持推荐下，地源热泵技术受到了广泛的关注和重视，地源热泵中央空调已经在一些国家机关、部分企业和建筑物上开始广泛推广使用，显示出了广阔巨大的应用前景。目前，中国的地源热泵市场日趋活跃，逐渐成为了21 世纪最有效、最具影响、最有竞争力的空调技术。较少的初期投资我国的城市建设步伐正在加快，每年

城镇新建住宅2. 4 亿平方米。如果这些建筑都配备地源热泵，这对我们这个需要采暖地区占了70% 国土面积的国家而言，节省的费用是巨大的。在美国，一般的一个家庭的安装费在3000 至5000 美元，但是地源热泵仍具备了较强的市场竞争力；而我国劳动力较发达国家低很多，因此最为地源热泵最主要的成本--- 基建成本更是较低，由此可见，我国与国外发达国家相比，地源热泵的初期投资是较低的。提高环境质量、缓解紧张能源据统计，世界大气污染最严重的10 座城市中，中国就占了7 席，这也从一个侧面反映出我国城市空气质量不容乐观，加强空气治理，已经到了刻不容缓的时候。为了彻底整治环境，减少温室气体排放，我国政府已经实施了相关政策。例如北京等城市，已经开始以电代煤方法来解决城市污染问题，每千瓦电能带来4-5 千瓦热量的地源热泵将极具竞争力。由于电力是地源热泵的唯一驱动力，因此没有燃料分散燃烧所造成的大气污染。与此同时由于厂家密封制冷剂，使用过程中不泄露、不补充，减少了对臭氧层的破坏。分析和调查表明，地源热泵的应用对降低温室效应起了积极作用，可见，这项技术应用于中国将缓解城市空气污染问题。

我国能源的短缺已经是一个不争的事实，能源的利用率仅为30% ，这仅相当于发达国家50 年代的水平。我国建筑能耗约占总能耗的25% ，其中供热采暖能耗约占一半。能源短缺导致中国的能源价格越来越接近发达国家水平。我国要在能源每年增长率仅为3%--5% 的条件下满足国民经济持续每年增长8%--9% ，就必须重视节能技术和节能产品的开发利用，这决定了我国必须在空调和采暖这一耗能这一大项上有所改进。就地源热泵技术而言，由于热泵仅仅用来传输热量，而不是产生热量，所需要的热量有70% 来自于地下，夏天制冷时，用来将建筑物中的热量传入地下所消耗的电力非常少，因此地源热泵这项节能技术应用于我国可以在一定程度上缓解我国的能源压力。

2.国家能源政策支持

我国政府高度重视并鼓励浅层地热能的开发利用，先后出台了一系列国家政策。

1）2005年2月28日，国家主席胡锦涛颁布33号主席令：2006年1月1

日《中华人民共和国可再生能源法》开始正式实施。地热能的开发与利用被明确列入新能源所鼓励发展的范围。

2）2005年11月29日，国家发展和改革委员会制订并颁布了《中华人民共和国可再生能源产业发展指导目录》，“地热发电、地热供暖、地源热泵供暖或空调、地下热能储存系统”被列入重点发展项目；“地热井专用钻探设备、地热井泵、水源热泵机组、地热能系统设计、优化和测评软件、水的热源利用”等被列为地热利用领域重点推荐选用的设备。

3）2006年8月，国家财政部发布《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》中明确提出“加强对可再生能源发展专项资金的管理，重点扶持燃料乙醇、生物柴油、太阳能、风能、地热能等的开发利用。”其中第二章有关“扶持重点”第七条中提出“在建筑供热、采暖和制冷的可再生能源开发利用，重点支持太阳能、地热能等在建筑物中的推广应用。”

4）2007年1月，建设部发布《建设事业“十一五”重点推广技术领域》，确定了“十一五”期间九大重点推广技术领域，其中“建筑节能与新能源开发利用技术领域”中重点推广太阳能、浅层地热能、生物质能及其他能源利用技术；其中重点推广建筑节能改造技术：供热采暖制冷系统节能改造技术。

5）2007年6月，国务院发布《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》（国发[2007]15号），明确提出要“大力发展可再生能源，抓紧制订出台可再生能源中长期规划，推进风能、太阳能、地热能、水电、沼气、生物质能利用以及可再生能源与建筑一体化的科研、开发和建设，加强资源调查评价。

6）2009年8月，为贯彻国务院关于节能减排战略部署，深入做好建筑节能工作，国家财政部、建设部联合发出《可再生能源建筑应用城市示范》的通知，

以调整建筑用能结构为目的，以可再生能源城市级规模化应用为基本途径，以项目示范为重点，坚持不懈推进节能减排，提高可再生能源建筑应用比例，实现社会经济的可持续发展的目标。

3.地源热泵的优势

1、属可再生能源利用技术

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于120米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

2、属经济有效的节能技术

地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右,即投入1kw电能可以平均获得4.0kw以上的冷量或热量。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30％～40％的的运行费用。

3、环境效益显著

传统的中央空调以煤、石油、天然气等燃料为主要能源，众所周知这些能源在不断的减少，总有一天，会接近枯竭；而地源热泵中央空调以地下储存的热量为主要能源，这种能源取之不尽、用之不竭。

煤、石油、天然气等燃料的价格逐年上升，而地热资源由于来源于太阳的无私奉献，完全免费。

传统的中央空调以煤、石油、天燃气等燃料为主要能源，在消耗和转换的过程中，造成严重的环境污染。经权威部门测试，燃烧一吨原煤向空中排放15公斤粉尘，20公斤二氧化硫、7公斤氮化钾，而地源空调在使用中不释放任何对环境有害的污染物。

4、一机多用，应用范围广

地源热泵系统可供暖、制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统；可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。

5、维护费用低

在同等条件下，采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用，它的机械运动部件非常少，所有的部件安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候，因此地源热泵是免维护空调，节省了维护费用，使用户的投资在3～5年左右即可收回。

此外，机组使用寿命长，均在20年以上；机组紧凑、节省空间；自动控制程度高，可无人值守。

4.地埋管式热泵系统简介

地源热泵系统原理图

（1）地埋管式地源热泵分类

地耦管土壤源热

泵系统是一个密闭的

闭路循环系统，它保

持了地下水水源热泵

利用大地作为冷热源

的优点，同时又不需要抽取地下水作为传热的介质。地耦管土壤源热泵系统从根本上解决了地下水水源热泵的种种弊端，是一种真正可持续发展的建筑节能的新技术，而且还具有适用范围广、运行费用低、节能和环保效益显著等优点。

土壤源热泵系统中的土壤换热器埋管方式可分为：水平式土壤换热器，垂直U型式土壤换热器，垂直套管式土壤换热器，热井式土壤换热器，直接膨胀式土壤换热器。

1）水平式土壤换热器

水平地埋管普遍使用在单相运行状态的空调系统中，一般的设计埋管深度在2～4米之间，在只用于采暖时，土壤在整个冬天处于放热状态，沟的深度一定要深，管间距要大。

水平式土壤换热器埋管方式垂直U型式土壤换热器埋管方式

2）垂直U型式土壤换热器

垂直U型式土壤换热器是钻孔将U型管深埋在地下，因此与水平土壤换热器的比较具有占地面积小、运行稳定、效率高等优点。

3）垂直套管式土壤换热器

换热器有内套管和外套管的闭路循环系统，水从外套管的上部流入管内，循环时，水沿外套管自上至下的流动，从外套管的底部经内套管上流到顶部出套管。

套管式土壤换热器适合在地下岩石深度较浅，钻深孔困难的地表层使用。通过竖埋单管试验，套管式换热器较U型管效率高20～25%。竖埋套管式孔距在3～5m，孔径在150～200mm，外套管直径Ф63～Ф90～Ф120mm，内套管直径Ф25～Ф32mm。

目前在欧洲的瑞典采用较多的套管式土壤换热器，如下图所示：

垂直套管式土壤换热器埋管方式热井式土壤换热器埋管

（2）土壤传热性能

地热换热器的传热性能在很大程度上依赖于土壤的热物理性质。由于岩土类型（包括粘土、砂石或岩土等）、岩土湿度在不同国家、不同地区、不同城市，甚至在同一城市的不同片区都互不相同。因此，设计和安装地热换热器有许多不确定的因素。这些不确定因素都不同程度地影响着地热换热器的传热性能，进而影响地源热泵空调系统的正常运行。设置在不同场合的竖直埋管地热换热器会涉及不同的地质结构，包括各地层的材质、含水量和地下水的运动等，这些必然会影响到地热换热器的传热性能和地源热泵空调系统的正常运行。在设计过程中应该尽可能地弄清楚这些因素对地热换热器性能的影响，包括进行必要的现场测试，土壤热物性最好在现场用专门的仪器进行测定。

不同岩土热物性参数的单位井深换热量

由上表可以看出，钻孔地点的岩土物性参数对单位埋管换热量的影响非常大。因此，设计地源热泵前，掌握准确的岩土物性参数是非常必要的，研究表明，干燥土壤的地源热泵的性能系数COP要比潮湿土壤的COP低35%，当土壤储水量低于15%时随着含水量的降低，热泵的循环性能系统迅速下降。土壤含水量在25%以上，土壤源热泵的性能将会得到有效的提高，含水量超过50%后，随着含水量的增加热泵循环性能系数提高的趋势减缓。土壤含水量从50%增加到100%,其COP仅增1.5%

岩土体热物性参数有含水率、密度、饱和度、比热容、热导率。根据测试，以上参数均以大者其换热效果好。而纯土壤、纯砂、土砂比分别为1：2及2：1的混合物四种不同的测试对象中，以土砂混合比为1：2的热导率最大，因此若在土壤中的换热器的回填土采用土砂混合比例1：2的土砂混合物，可以提高埋地换热器周围的局部换热量。

热物性测试仪：本热物性测试仪具有多种智能化功能。使用方便，测试结果可靠，为地源热泵系统的设计和方案优化提供了实验数据，已在国内不同地质和气象条件下的许多工程现场应用，效果良好。

“地热之星”模拟计算软件使地热换热器的设计和施工从凭经验估算走向理论指导下的分析计算，大大缩短计算时间，便于优化设计。

(4)不同地区地源热泵设计注意事项

地源热泵的使用具有很强的地域性，南方、北方、中原地区各不相同，南方地下温度较高，北方地下温度较低，而南方以制冷为主，向地下排放热量大于吸热量。北方以采暖为主，从地下吸收的热量大于排热量，形成地下热量不平衡的矛盾。要解决地下热平衡问题需做到如下几点：

首先是对拟建项目进行全年动态负荷计算，这是设计地下埋管换热器大小的依据，对于南方地区，可以按照夏季冷负荷设计土壤换热器的尺寸，对于北方地

区，可以按照冬季从土壤的吸热量来计算换热器的尺寸大小。

系统设计前掌握和了解地下埋管换热器周围土壤温度场的分布，借助于数学和工程软件，对埋管周围的土壤温度场分布进行数值模拟，有利于合理设计地下换热器的埋深、数量及间距，对提高热泵系统的性能系数和经济性，降低系统初投资具有重要意义。

对存在冬夏两季从土壤中吸排热不平衡的地区，应对地源热泵系统辅以其它冷热形式来平衡埋管换热器需要多向土壤吸取的热量。而南方地区，平衡夏季向土壤排热量可以采用辅助冷却塔散热、利用建筑周围的景观喷泉或者地表水来消除峰值负荷。另外就是选取带热回收功能的机组，通过利用制冷机的冷凝废热来制取生活热水而减少了系统对土壤的热排放，也能起到缓解土壤热平衡的目的。

及时对各个地区已建土壤源热泵工程的设计和系统运行情况进行数据和经验总结，分析土壤源热泵技术在各个地区应用的气候、土壤地质条件，从而为后期的工程应用提供技术参考。

地源热泵工程技术流程

5.地埋管换热器安装工程施工工艺

1.地下换热器施工工艺

施工前准备----放线、钻孔---- U型管试压与清洗----下管与二次试压----测量、开挖横沟、布置水平管----水平管熔接、试压----检查井安装----系统试压

(1)施工前准备

(2) 放线、钻孔

将地埋管换热器设计图纸上的钻孔的排列、位置逐一落实到施工现场，孔径约150mm。孔径的大小以能够较容易的插入所设计的U 型管。灌浆用管采用相同材料和规格，为确保U 型管顺利安全的插入孔底，孔径要适当，必要时应固化。在钻孔过程中，根据地下地质情况、地下管线敷设情况及现场土层热物性的测试结果，适当调整钻孔的深度、个数及位置，以满足设计要求，降低转孔、下管及封井的难度，减少已有地下工程的影响。当第一个孔钻成后，应及时对钻孔深度方向上土层的热物性进行测定，以便对地热换热器的设计作适当修正。

(3) U型管试压与清洗

下管前应对U 型管进行试、冲洗。然后将U 型管两个端口密封，以防杂物进入。

(4) 下管与二次试压

工程采用人工下管的方法。U 型管头部设防护装置，以防止在下管过程中的损伤；U 型管内充满水，增加自重，减少下管过程中的浮力。因为钻孔内一般情况下充满泥浆。

钻完一个孔，应接着下管。因为钻好的孔搁置时间过长，有可能出现局部的堵塞，这将导致下管的困难。下管是将聚乙烯管插入孔中，直至孔底。U 型管的长度应比孔深略长，以使其能够露出地面。下管完成后，做第二次水压实验。确认U 型管无渗漏后，方可用细砂封井。

(5)测量、开挖横沟、布置水平管

根据系统设计，分配每个回路上的所连接的U型管位置，确定水平管位置走向，开挖水平横沟，水平横管配管。

(6)水平管熔接、试压

按各回路连接各U型管，待该回路所有接口都熔接好后，在试验压力下，稳压至少30min，且无泄露。确定系统可靠性后回填该回路。

(7)检查井安装

按照检查井详图，在确定的检查井位置完成管路及阀件安装，安装完成后由土建单位砌筑检查井，做好检查井防水处理，并在底部设置排污管至集水井。

(8)系统试压

竖直和水平地埋管系统与环路集管装配完成后，回填前应进行水压试验，在试验压力下，稳压至少30min，且无泄露。

环路集管与机房集分水器连接完成后，回填前，应进行水压试验，，在试验压力下，稳压至少2h,且无泄漏。

2.地耦管两个重要施工工序

(1)、打孔

a. 打孔前根据施工图轴线对现场布线确定打孔位置，确保打孔点误差小于5cm，对打井场地平整。

b. 钻孔就位，要保证钻机钻杆垂直度，防止垂直偏差将已埋管道损坏。

c. 再确定要钻孔的两孔之间挖1400*700*500mm 集水坑，位置再低埋管挖沟方向两孔之间，用来作钻机在施工中水循环载体，不致于流到其他地方，保证施工现场的整洁。

d. 打井过程中安排质量检查员随时检查打井位置确保打井位置的正确性不进行二次返工，并做好检查记录工作，如发现偏差超过标准要求，应及时纠正重新进行定位。

e. 打孔完成后，检查打井深度和打井的质量并做好隐蔽工程记录报监理验收。

f. PE 管下井后，对管道进行试压验收后进行回填。如试压过程中发现不能稳压，应及时将管道拉出，重新埋入试压合格的管道，并分析原因时那道施工工艺问题，提出整改办法。

g. 打井过程中产生的土方和挖出的土壤应集中堆放，在每口井成井后及时将土方运走。

h. 在钻孔过程中为避免钻孔塌方，在打井过程中灌入泥浆对打井井壁的进行泥浆凝固护壁防止塌方。如在打孔即将完成时发生塌方造成打孔深度不够，应灌入浓度较大的泥浆进行钻孔，打孔深度应略大于100 米。灌浆时灌入砂浆浓度应大于平时浓度对井加固。

i. 钻孔完毕后，应尽快将地埋管放入孔内，试验合格后将高出地基300mm 用管头封死。以免地埋管堵塞。砂浆用灌浆泵灌入孔中以免孔壁和地埋管壁之间出现空隙影响热交换。

(2)、回填

a. 孔井中PE 管埋完后应等待3～4 小时，待井中沙、泥浆沉淀后用专用回填料回填，必须将管和孔井之间空隙填实，确保换热效果，第一次填完后应多次检查。

b. 在水平总管连接前应先回填10～15cm 沙，待管道连接完成后在回20cm 砂将管道覆盖，回填泥土时应将混在其中的砖等硬物取出，防止对管道刮伤。

3.. PE 管的连接：

PE 给水管道的连接可采用热熔连接（热熔承插连接、热熔对焊连接）与金属管道连接应采用法兰连接。

（1）. 热熔承插连接：

热熔承插连接应采用质量可靠的热熔机具，便携式熔接工具适用于dn≤

63mm 管道及系统

最后连接，台式熔接机具适用于dn≥63mm 管道预装备连接。将加热工具加热到熔接温度260℃±10℃，插口管末端应切割平整，与轴线垂直。用笔在承口和插口上做适当的标记，以利于连接定位。用加热工具的凹模熔化插口管端的外表面，凸模熔化承口的内表面。加热完毕后，迅速移走加热模具，将插口端平直插入承口端，达到连接强度后固定接头，自然冷却至环境温度。

（2）. 热熔对接：

管材外径dn≥63mm 的PE 管均可采用热熔对接方式连接，该方法经济可靠，其接在承拉

和承压时都比管材本具有更高强度。热熔连接温度：200~210。使用该方法时，设备仅需热熔对接机，步骤如下：

把待连接管材置于焊机夹具上并夹紧；清洁管材连接端并铣削连接面；校直两对接件，使其端面错位量不大于管道壁厚的10%；放入加热板加热；加热完毕，取出加热板；迅速接合两加热面，升压至熔接压力并保压冷却。

（3）. 法兰连接：

将法兰套在法兰连接件上；法兰连接件与PE 管道连接按上述工艺处理；将法兰盘与金属法兰对接。

4．施工要求

1. PE 管运至工地采用彩条布覆盖，严禁长时间太阳下爆晒，防止管道老化。

2. PE 管连接时注意热熔和电熔时间，严禁时间太长，缩小管径、增大阻力。

3. PE 管试压在地面连接完成后试压、合格后方可埋管；井回填后再次试压、

合格后方可连接水平干管；水平总管连接完试压、合格后方可回填沙和土。总管连接完后进行系统试压。

4. 管道试验压力应≥1.25 倍工作压力，持续时间不得少于15 分钟；

5. 钻井机械定位保证水平度偏差≤1%（企业内部施工规范）；

6. 钻井深度及埋管长度必须符合设计要求，井深误差不超过2 米，保证埋管长度。

5.PE 管给水管道试压

（1）、注意事项：

PE 管组对完毕，进行外观检查合格后，方可进行压力试验；

试验介质一般采用水，其温度不宜超过40℃；

试验压力应为管道系统工作压力的1.25 倍或设计明确规定的试验压力。

（2）、过程：

1）. 所有管道和管道连接件必须经过检查以防渗漏；

2）. 所有U 型管在安装之前必须经过压力试验，水平管在回填土之前也必须经过压力试验；

3）. 热交换器必须进行水压试验，试验压力为管道设计工作压力的1.25 倍，或系统运行压力的2.5 倍；

4）. 30 分钟内不应该出现渗漏现象；

5）. 将测得的流量与压降同计算结果进行比较，以判断管路是否有堵塞现象。

地埋管道施工方案

管材安装 1、施工放线首先与业主、监理三方现场交桩，并组织测量人员进行复测，在沿管沟一侧补加沟槽开挖边桩，边桩设定在管沟折点，阀门井和排气井等特征处要求水平段每30米补加一个边桩。然后根据边桩用白灰洒开挖线，经业主代表和现场监理验线合格后进行管沟土方开挖。 2、管沟土方开挖管沟开挖时首先要对砼路面进行切割，或对花砖人行道进行拆除，然后将其地表30cm以内的道路面层及不可回填土及时拉走，回填土放在管沟一侧80cm 以外，堆土高度不得超过1.5米，管沟另一侧留有0.5—2米人行道，便于人工下管。管沟开挖到设计标高后，立即进行管基处理，并组织验收，严禁长时间凉槽，做好安装准备。 3、PVC管安装 1）、PVC管安装安装前必须对管材、管件进行验收，由材料员先验收产品合格证、质量保证书、各项性能检验报告和产品使用说明书等相关资料，并进行外观检验，对有明显沟纹、杂质、气孔、色彩不均等以及局部伤痕超过管道公称壁厚10%，断面圆度误差大于0.5mm，壁厚不均匀度大于12%的不合格管材管件拒绝进场。并根据自检情况及时交业主、监理验收。 PVC管运输时应放在平板上，直管全长应有支撑保护，必须用遮阳布遮盖，并避免与油污及其他化学药品接触。 PVC管在装卸时，严禁沿地面拖拉，不得剧烈撞击，应按材料员、技术员要求在指定地点小心卸管，轻搬轻放，而且材料堆放高度不得超过1.5米。 PVC管在下管前，必须清理管内脏物，对沟底进行检查，确保管材不受损坏，复测沟底标高、沟底宽度、转角大小等均应符合设计要求。管子下沟时，应避免划伤、扭曲、变形，必要时使用合适的木材及尼龙绳下管，不得使用钢丝绳。 2）、热熔连接： ①管焊工应经过专门培训，取得资格证和上岗证。 ②对接连接前，两管段应各伸出夹具一定长度，校直轴线不得错边，错边量不得大于壁厚的10%。