地源热泵暖通中央空调设计选型技术手册

地源热泵空调设计选型部分

第一章地源热泵空调系统工程设计

一、概述

地源热泵系统（groundsourcehealpumpsystem）是一种利用地下浅层地热源资源（也称

地热能，包括地下水，土壤或地表水等）的既可制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）实现低品位热能向高品位转移，地热能分别在冬季作

为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源。在冬季，把地热能中的热取出来，提高温度后供给室内

采暖：在夏季，把室内热量取出来，释放到土壤中去。由于系统采取了特殊的换热方式，使之

具有传统空调无法比拟的高效节能优点。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为

地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。

地埋管式土壤源热泵系统也称地下耦合热泵系统（Ground-coupleheatpumps）或土壤

热交换器地源热泵（Groundheatexchangerheatpumps）包括一个土壤耦合地热交换器，它或

是水平地安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井之中。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，使中间介质在土壤耦合地热交爽器的封闭环路中循环流动，

从而实现与大地土壤进行热交换的目的。

1.地源热泵中央空调的特点

1）系统在北欧、北美已普遍应用，近几年在中国开始大规模地推广应用，技术成熟、可靠：

2）属可再生能源利用技术、节能环保，获得政策支持；

3）运行节能：地源热泵系统能充分利用蕴藏于土壤和湖泊中的巨大能量，循环再生，实现对

建筑物的供暖和制冷。因而运行费用较低。地源热泵比风冷热泵节能30%,比电采暖节能

60%o比燃气炉效率提高48%O

4）运行安全可靠：基本不受环境气温的影响，系统简单，省去冷却塔等部件的维护工作，可

稳定持续地供冷供热：

5）地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨

中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命；

6）由于地源热泵系统的供冷、供热更为平稳，降低/停、开机的频率和空气过热和过冷的峰

值。这种系统更容易适合供冷、供热负荷的分区；

2.地源热泵技术在中国的发展及优势

1）初期投资费相对国外较少：一方面，我国城市的建设步伐加快，每年城镇新建住宅2.4

亿n?。而在建设新建筑Z前并入集中地源热泵系统其成本要远远低于I日建筑的改造（甚至可以低

于一般空调系统！）另一方面，我国由于人工费用比较低，与西方发达国家相比，我国的

基建费用低。基建费用是地源热泵最主要的成本增加部分。由此可见，我国与国外发达国

家相比，初期投资相对要少一些。

2）能够缓解能源紧张问题：在生产力高速发展的条件下，人们越来越认识到地球上的资源和

能源日益匮乏。我国能源短缺是一个不争的事实，与此同时，我国又存在能源率低的矛盾

。据统计，我国总的能源利用率约为30%,这仅相当于发达国家50年代的水平。

我国建筑耗能约占总耗能的25%,其中供热采暧能耗约占一半。而地源热泵所需要的热量

有70%来自地下，夏天制冷时，将建筑物中的热量传入地下所消耗的电力也非常少，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。

3）受到国家相关政策的支持：为了减少我国由于冬季采暖所造成的大气污染，减低国内现有

制冷空调的能源消耗，国家科技部与美国能源部分别代表两国政府签署了中美两国政府地

源热泵合作协议，引进和推广美国先进的地源热泵技术。近年来，国家乂出台一系列相关

政策，在全国范围内，大规模设立可再生能源建筑应用示范城市，建立专项基金，用于补助

太阳能应用、节.能建筑、地源热泵等口能工程。为推动地源热泵等可再生能源推广应用提

供强大动力。

3.应用前景

地源热泵系统的能量来源于地下能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种

理想的“绿色空调”。由于其节能环保稳定的特点，在全球得到快速的发展，在中国也逐步打

开局面，某些地区已经表现出如火如荼的势头。地源热泵技术，无论是设计水平还是施工水平

,都日益成熟和完善。

地源热泵系统最重要的是需要一个整体优化方案，而不是简单的将室内、机组和埋管简

单的组合。地源热泵设”•应当采用大流量小温差的设计思路。相对应的应采用集分水器型式的

水平管联结设计和专用地源热泵机组。地源热泵系统被认为是目前可使用的对环境最友好和最有

效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用,可广阔应用在办公楼、宾馆

、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别壁、住宅等领域。

二、地埋管换热器系统的形式与连接

地埋管换热器有水平和竖直两种埋管方式。水平地埋管换热器(horizontalgroundheat

exchanger)是在浅地层中水平埋设；〔胴直地埋管换热器(verticalgroundheat

exchanger)是在地层中垂直钻孔埋设。通常.大多数采用竖直埋管方式：只有当建筑物周

困有很多可利用的地表而枳，浅层岩上体的温度与热物性受气候、雨水、埋设深度影响较小时

,或受地质构造限制时才采用水平埋管方式。

1)水平埋管地源热泵系统horizontalground-coupledheatpump)比较简单的方式是，

当室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短,可以把与单回路管子随开挖土方施工直接埋入地

下.

Pipeintrench

当室内负荷比较大，土壤换热器长度比较长，就需要考虑换热器的布置问题，常有的布置方式

有以下两种.

•串联式水平埋管

•并联式水平埋管

2)垂直埋管地源热泵系统(Verticalboreholeground-coupledheatpump)

•比较简单的方式是,当室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短，换热器井数比较少

可以直接接入机房

•当室内负荷比较大，土壤换热器长度比较长,就需要考虑换热器井群的布置问题，

一般是若干U井汇集到集水器也然后统一由干管接入机房。

•垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式叫：桩基换热器(或叫做能量桩，Energy

Piles),即在桩基里布设在换热管道。

•地热智能桥,类似桩基换热器，由桥板中埋管的地源热泵自动融雪的桥被称为地热

智能桥。雪落到桥面后，这些盘管利用地热符雪融化。地源热泵的开启靠输入的当地气象参数

来控制。

ManifoldinsideorConnectioninthefield

atthebuilding

换热器并管路直接接入机房换热器并管路汇集到集水器

ofpile

WHeat

!>exchanger

rjPipes

>4steelcage

(reinforcement)

ca900mm

3）螺旋埋管地源热泵系统（slinkyground-coupledheatpump）

•长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统

•长轴竖直布置的螺族埋管地源热泵系统（盘旋布置埋管地源热泵系统）

•螺旋埋管地源热泵系统有一种特殊布置形式叫：沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系

统，也有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统。

"Slinky"collector

Svecspiralcolector

trenchcollector

三、设计方法及步骤

1.设计基础

影响地埋管换热器设计的主要因素如表，均是系统设计的基础;

影响地埋管换热耀设计的主要因素

影响因单位说影响因素单说明

素明位

心℃埋管区域岩土体的传热介质与U形

初

aW/(m2*K管内壁的对流换

始温度

)热系

3W/(m-K岩土体的导热系数

数

)

入bW/(m-K回填料的导热系数土层深度m用于确定埋管深

)度

2

QkW地源热泵系统的负可埋管而m用于确定埋管方

荷积式

1）岩土热物性测试技术

岩土体热物性指岩土体的热物性参数，包括岩土体导热系数、密度及比热等，这些都是设

计地源热泵地埋管换热器的关键参数，必须通过现场测试取得的平均值作为设计计算的依据：测试

工作一般应在测试埋管安装完毕72h后（埋管状况稳定后）进行。

一.测试要求

对于建筑面枳小于3000Y的竖直埋管地热换热器系统，可使用一个测试孔。地埋管地源

热泵系统的应用建筑面积大于等于10000m?时，测试孔的数量不应少于2个。对于地埋管换热

器埋设面枳较大，或他1黯换热器埋设区域较为分散，或岖地质条件差异性大的情况，应根据设计和施

工要求选定具有代表性的几个测试孔分别测试，对两个测试孔及两个以上测试孔的测试，其测试

结果取算术平均值。

测试孔的深度应比U型埋管深5m。竖直地埋管换热器埋管深度宜大于20m,钻孔深度一

股为50'100m,钻孔孔径不宜小于0.11m.

二.岩十.热响应试验的测试步骤

♦制作测试孔；

♦平整测试孔周边场地，提供水电接驳点：

♦测试岩土初始温度；

♦测试仪器与测试孔的管道连接；

♦水电等外部设备连接完毕后，应对测试设备本身以及外部设备的连接再次进行检查；

♦启动电加热、水泵等试验设备，待设备运转稳定后开始读取记录试验数据：

♦岩土热响应试验过程中，应做好对试验设备的保护工作：

♦提取试验数据，分析计算得出岩土综合热物性参数；

♦测试试验完成后，对测试孔应做好防护工作。

三.测试仪表

1)在输入电压稳定的情况下，加热功率的测量误差不应大于±1%。

2)流量的测量误差不应大于±1趾

3)温度的测量误差不应大于±0.

四.岩上热响应试验报告内容

1)项目概况；

2)测试方案；

3)参考标准：

4)测试过程中参数的连续记录，应包括：循环水流量、加热功率、地埋管换热器的进出水

温：

b)项目所化地岩土柱状图；

6)岩土热物性参数：

7)测试条件下，钻孔单位延米换热量参考值。

2)冷热平衡要求与计算

全年冷、热负荷平衡失调，会导致地埋管区域岩土体温度持续升高或降低，从而影响地埋

管换热器的换热性能，使效率降低。因此，设计地埋管换热系统时，必须考虑全年冷热负荷的

影响。

地源热泵系统负荷计算主要包含以下几个方面：

♦建筑设计冷热负荷：是用来确定系统设备(如热泵)的大小和型号，以及根据设计

负荷设计室内末端系统。

♦全年动态负荷：地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为

一年，在计算周期内，地源热泵系统的总释热量与总吸热量宜相平衡。

♦地源热泵系统的最大释热量Q(kW)：地源热泵系统的最大释热量，与空调设计

冷负荷相对应。供冷工况下释放至循环水中的总热量，包括：

♦各空调分区内水源热泵机组释放到循环水中的热用(空调负荷和机组压缩机耗功〉Q>

(kW)；

♦循环水在输送过程中得到的热量Q2(kW)；

♦水泵释放到循环水中的热量Q式kW)。

上列三项热量之和，即为供冷工况下释放至循环水的总热星Q(kW)；

Q=Q+Q+。力。•(1+—^)]+。+。

123I3

EER2

式中ql—各分区的空调冷负荷，kW；

EER一机组的能效比。

♦地源热泵系统的最大吸热量Q'(kW)：地源热泵系统的实际最大吸热量，与空调

设计热负荷相对应。供热工况下循环水的总吸热量包括：

1)各空调分区内水源热泵机组或集中式水源热泵机组从循环水中吸收的热量(空调热负

荷，并扣除机组压缩机的耗功)(kW)；

2)循环水在输送过程中的失热量Q:冬(kW)；

3)水泵释放至循环水中的热量Q3'(kW)

上述三项热量的代数和，即为供热工况下循环水的总吸热量Q'(kW)；

Q'=Q'+2'+Q'=ZW'•(1--!一)1+-Q'

Q

123I3

COP2

式中qJ—各分区的空调热负荷，kW；

COP一机组的性能系数。

（5）地埋管换热器的设冲负荷：最大吸热量与最大释热量相差不大时，可分别计算供热与

供冷工况下地埋管换热器的长度，按其大者法行上西!管换热器的设计。当两者相差较大时，应通过技术

经济比较，通过增加辅助热源或增加冷却塔辅助散热的方式来解决。

（6）最大吸热量与最大释热量相差较大时，也可以通过水源热泵机组间歇运行来调节：还

可以采用热回收机组，降低供冷季节的释热量，增大供热季节的吸热量。

3）热泵系统及设备选择

（1）系统选择

热泵系统的选择中存在•个问题，那就是选择依据究竟是热负荷还是冷负荷。热力循环原

理表明同一热泵不可能同时满足冷热两种负荷。我国地域广阔，例如，在北方地区，由冷负荷

选定的热泵通常不能满足冬季供热需要：而由热负荷选定的热泵对夏季冷负荷来说，其容量过

剩。在南方，则反之，由热负荷选定的热泵通常不能满足夏季供冷需要，而由冷负荷选定的热

泵对冬季热负荷来说，其容量过剩。

通常，初步选择系统形式时，可参考以下原则：

4）对于别型等小型低密度建筑（每栋建筑的占地面积较大.但建筑负荷较小）：宜取冷

/热负荷中的高值作为热泵机组的选型依据，不必采用其他辅助冷热源。必要时，可根据冬

/夏季负荷的不平衡情况，适当调整地下换热器的间距。

5）对于中型建筑：如设i-热负荷高于设计冷负荷，宜按冷奂荷来选配热泵机组，夏季仅

采用地卜环路式水源热泵机组来供冷，冬季采用地下环路式水源热泵IIL组和辅助热源联合供热：若

设计冷负荷高于设计热负荷，宜按热负荷来选配热泵机组，冬季仅采用地下环路式

水源热泵机组供吸，夏季采用地下环路式水源热泵机组和常规制冷方式联合供冷。3

）大型建筑：由于设计冷热峰值负荷出现的时间短，按设计冷热负荷匹配，会导致机

组容量和系统投资增加。为保证系统的安全可靠和降低系统投资，宜采用复合式系统。即地埋

管式水源热泵系统承担基本负荷，常规系统承担峰值负荷。

系统形式的选择应在全年能耗分析的基础上，全而考虑系统的初投资和运行费用，最终以

寿命周期费用来作为判断的依据。

（2）热泵机组的选择：

1）热泵机组工作的冷（热）源温度范围（引自《水源热泵机组》GB/T19409-2003）：

制冷时1C〜40c

制热时-5~25C。

2）当水温达到设定温度时，热泵机组应能减载或停机。

3）不同项目地下流体温度相差较大，设计时应按实际温度参数进行设备选型。末端设备

选择时应适应水源热泵机组供回水温度的特点，提高地卜环路式水源热泵系统的效率和行能性。

4）夏季运行时，空调水进入机组蒸发器，冷源水进入机组冷梃器。冬季运行时，空调水进入

机组冷凝器，热源水进入机组蒸发器。冬、熨季节的功能转换阀门应性能可靠，严密不漏。

4）地下换热器的传热理论及设计计算

地埋管换热器设计计算是地源热泵系统设计所特有的内容，由于地埋管换热器换热效果受岩

上体热物性及地下水流动情况等地质条件影响非常大，使得不同地区，甚至同地区不同区域

岩土体的换热特性差别都很大，为保证地埋管换热器设计符合实际，满足使用要求，通常，设

计前需要对现场岩土体热物性进行测定，并根据实测数据进行计算。此外建筑物全年动态负荷

、岩土体温度的变化、地埋管及传热介质特性等因素都会影响地埋管换热器的换热效果。因此

,考虑地埋管换热器设计计算的特殊性及复杂性，宜采用专用软件进行计算。该软件应具有以

下功能：

1、能计算或输人建筑物全年动态负荷：

2、能计算当地岩土体平均温度及地表温度波幅：

3、能模拟岩土体与换热管间的热传递及岩土体长期储热效果；

4、能计算岩土体、传热介质及换热管的热物性：

5、能对所设计系统的地埋管换热器的结构进行模拟，(如钻孔直径、换热器类型、灌浆情

况等)。

目前，在国际上比较认可的地埋管换热器的计算核心为瑞典隆德大学开

发的g-functions克法。根据程序界面的不同主要有:国际地源热泵协会的GLD软件，瑞典

隆德I_und大学开发的EED程密美国威斯康星Wiscon-sin-Madison大学SolarEnergy实验室

(SEI_)开发的TRNSYS沸颊俄剧何家HOklahoma将升如GLHEPRO断。牺内，许多大

专院校也曾对地埋管换热器的计算进行过研究开编制了计算软件。

垂直地埋管换热器的设计计算，也可以按以卜方法进行(本•算的基础是单个钻孔的传热

分析，在多个钻孔情况下，可在单孔的基础上运用叠加原理加以扩展)

1)传热介质与U形管内型的对流换热热阻电(m*K/W),可按下列公式汁算：

期•4•4

式中dt——管道的内径，m；

k——传热介质与U形管内壁的对流换热系数，W/(m、k)

2)U形管的管壁热阻IU(m*K/W),可按下列公式计算:

R=.17皿7A4.八J

八星2〃■•几«)

peoi

式中L-U形管导热系数，W/(m・K)；d.

-U形管的外径，m；

de—U形管的当量直径，m；对单U形管，n=2；对双U形管，n=4。3

)钻孔回填材料的热阻■(m-K/W),可按下列公式计算：

R=]In..

h2兀。入7r

be

式中3一回填材料导热系数，w/(m-K).db

一钻孔的直径，mo

4）地层热阻，即从孔壁到无穷远处的热阻R,<nrK/W）,可按下列公式冲算：a.

单个钻孔：

K'S.

)

指致积分:

]r3

/(W)=T[——去

2J”s

b.对于多个钻孔（由n个平行钻孔组成集群的U形地埋管换热器》

式中I一一指数积分公式；入

s——岩土体的平均导热系数，W/（m-K）a

2

-岩土体的热扩散率，m/s；rb-

一钻孔的半径，m：

T一一运行时间，S：

x（一一第i个钻孔与所计算钻孔之间的距离，m。

5）短期连续脉冲负荷引远的附加热阻电（m-K/W）：

嗫=2万.4♦

式中TP——短期脉冲负荷连续运行的时间，例如8h0

竖直地埋管换热器钻孔的长度计算宜符合下列要求；

♦制冷工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下式计算:

式中L—制冷工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m）Q

一水源热泵机组的额定冷负荷（kW）

EER一水源热泵机组的制冷性能系数：

U.一制冷工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取33°C〜36

t«一一埋管区域岩土体的初始温度（°C）

A-制冷运行份额：

ZL-个制冷季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取•个月时，△为最热

月份水源热泵机组的运行小时数：

，「一个制冷季中的小时数，当运行时间取一个月时，%为最热月份的小时数。

♦供热工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下式计算；》

1000(?+R+R+RxF+Rx(l-F)](COP-\^

hfbshxn人

(「输n)(COP

R=Th>/Th2

式中L--供热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m>Qz

——水源热泵机组的额定热负荷（kN）

COP一水源热泵机组的供热性能系数；

心.一一供热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取-2℃〜6

£,—供热运行份额：

配一一个供热季中水源热泵机组的运行小时数：当运行时间取一个月时，容为最

冷月份水源热泵机组的运行小时数；

7）,2——个供热季中的小时数：当运行时间取一个月时，Th2为最冷月份的小时数。

四、设计注意事项

•设计水平地埋管换热器时，最上层埋管的顶部，应在冻土层以下400mm,且距地面

不应少于800mm：沟槽内的间距及沟槽间的距离，除应满足换热需要外，还应考虑挖掘机械施

工的需要。

•竖直地埋管换热器的坦管深度应大于20m：水平连接管的深度应在冻土层以卜.600mm,

且距地面不宜小于1500mm。

♦地埋管环路两端应分别与供、回水环路集管相连接，且宜同程布置，每对供、回水环

路集管连接的地埋管环路数宜相等。供、回水环路集管的间距不应小于600mm。

•竖直地埋管环路也可以采取分/集水器连接方式，一定数量的地埋管环路供、回水管

分别接入相应的分/集水器，但分/集水器应有平衡和调节各地埋管环路流量的措施。

•通过空调水路系统进行冷、热工况转换的系统，应在水系统管路上设置冬/夏季节工

况转换的阀门，转换阀的性能应可靠，并确保严密不漏。

•地埋管换热器管内的介质，应保持为紊流流动状态（&>2300）：

•地埋管换热器的安装位置，应远离水井及室外排水设施，旦宜靠近机房或以机房为中

心设置。敷设供、回水集管的管沟应分开布置。

•地埋管换热系统应根据地质特征确定回填料的配方，回填料的导热系数应大于或等于

钻孔外或沟槽外岩土体的导热系数。

•地埋管换热系统应设置自动充液及泄漏报警装置，并配置反冲洗系统.冲洗流量可取

工作流量的两倍。

•地埋管换热系统宜采用变流量调节方式，每IkW供冷/热量的循环水泵耗电量不应

大于43kWo

•若室内系统的压力超过地埋管换热器的承压能力时，应设置中间换热器，将地埋管

换热器与室内系统隔开

•地埋管换热器的换热量，应满足计算周期内地源热泵系统实际最大吸释热量的要求。当最大

吸释热量相差较大时，应设辅助热源或冷源，与地埋管换热器并联运行。

•地埋管道应采用热熔或电熔连接。竖直地埋管换热器的U形弯管接头，应选用定型

的U形成品弯头。

•铺设水平地埋管换热器前，沟底部应先钿设厚度相当于管径的细砂。

•竖直地埋管换热器的U形管安装完毕后，应立即进行港浆、回填、封孔。当埋管深

度超过40m时，灌浆回填应在周围临近钻孔均钻凿完毕后进行。

•竖直地埋管换热器的泥桨回填料，宜采用膨润土和细砂（或水泥）的混合浆或专用

泥桨材料。当地埋管换热器设在密实或坚硬的岩土体中时，宜采用水泥基料泥浆回填。

第二章地源热泵地埋管换热器工程设计

一、概述

1、地埋管系统施工程序

1、工艺流程

的

查

管

检

土

管

基阀

试

道

底

方

沟JF

验

安

处

回

开

砌

筑

理

装

填

挖女

2、地埋管系统主要施工工序

地埋管系统施工工序包括垂直埋管换热器施工和水平管连接施工两部分内容。垂

直埋管换热器施工部分：

平整场地、测量划线、管孔定位、木桩标记及编号：

2建钻机进场落位安装、水源电源连接、挖泥浆沟、泥浆池、探沟、试钻与调整：

2建开钻、钻孔测斜、钻孔记录、泥浆清运及场地清扫；

管进场检验、冲洗与水仄试验、检验与实验迎、垂直PE管管组编号与标识；

”垂直PE管设置管卡，间距2〜4m,人工配合机械下管、PE管保压至灌浆后Iho

2西泥浆泵进场、灌浆填料进场、确定灌浆填料试块的配比或用原泥砂浆回填，及时回填到

位，不得有空穴。

2」从钻孔底部开始由下至上注浆、封孔、管组做同、异程标识、管口可靠封堵。水

平管连接部分：

工全部（或分区域）钻孔完毕后场地平整、水平管沟测量划线、沟槽机械或人工开挖，沟槽

底部敷设砂垫层及支架。

"水平干管敷设、调整及连芟

%1Q水平干管与垂直埋管换热器连接、试压及回填

2.11各环路干管与分集水器连接、试压及回填

区亚系统完成后冲洗试压及调试

2、地埋管系统施工特点

1）整个地埋管系统属于永久性的隐蔽工程，每个环节，每道工序都必须严把质量关。地

埋管的施工应做到每道工序必须完成到位,每个钻孔必须建立完整和真实的（包括钻孔、垂直PE

管试验、下管、回灌等工序〉施工记录档案。

2）工序作业的紧密性

地埋管系统施工程序主要由钻孔、垂宜PE管连接与实验、下管、灌浆、水平沟槽开挖、水平年

管敷设以及与垂直PE管连接及试验、沟槽回填、地埋管系统试验、地源热泵系统试运行等工序组

成。上一道工序完成后，才能进行下一道工序。

3）地埋管换热器管道的施工对于室外温度及风速有一定的要求，当室外温度低于零摄氏

度或风速过大时，将不能保证地埋管的焊接强度，因此，当室外温度低于零摄氏度或风速过大

时.，则需要采取措施将施工区域进行围挡并采取加热措施使焊接的环境温度高于0C才可进行

施工。

二、垂直埋管换热器施工工艺

1、垂直地埋管换热器施工工艺流程

垂直地埋管换热器安装主要包括钻孔、试压、下管、回填等工序，主要施工工艺流程如下

2、垂直地埋管换热器施工工序

1）、施工准备

根据换热孔的设计情况，以及项目的实际情况，在进行换热孔施工前应对施工现场和环境

进行实地踏勘，以便合理配备施工设备和人员。

•施工图纸及其它有关技术文件齐备。

•勘测现场施工条件，钻机、管材等设备和物资的进场条件和堆放位置施工场地用水

、用电和材料堆放地、仓库及其它临时设施等均能满足正常施工需要。根据施工的需要在施工

现场搭设遮阳蓬和加工场地。

•勘测施工中的噪音、污水、废土对周围环境的影响，并制定相应的措施。

•施工用材料已经过外观质量检查，管材、管件配套齐全.并经连接检查合格。施工机

具、施工力量能保证正常施工需求。

•对照施工图纸对钻孔场地的位置、大小、障碍物等进行咳实，特别注意已有地卜管

线的准确位置，以免在施工过程中造成不必要的事故和经济损失。

•施工前必须熟悉施工现场及施工图纸，并对施工人员进行有针对性的安装技能培训、

施工作业指导培训、技术与施工安全交底。

•提交《开工报审表晨

2）、定位放线

•了解埋管区域内已有地下管线、其他地下构筑物的功能及其准确位置，清理地面杂物

和浮土，铲除地面杂草，平整地面。

•清理地面后即可对钻井孔位进行放线，事先将地埋管系统在设计图上对钻孔的纵横向

逐一进行排列编号。

•参照现场建筑基准点和已有建筑物作为参照物，经测量放线，井逐一在场地上标明和

确定钻孔位置。按照施工图纸标定的钻孔位置，在每个钻孔中心点用木桩作标记，并经校核确

认钻孔位置。

•如发现埋管部位下有地下管线或构筑物时，允许稍有偏差，可适当调整局部钻孔位置

,并及时更正绘制最终钻孔定位图。然后根据垂直埋管平面布置图以及钻孔定位图，最终确定

钻孔及水平埋管沟槽的具体位置和埋管系统的标高。现场钻孔定位图应报监理工程师和业主同意

批准。

•当调整局部钻孔位置的位移较大时，应及时向现场监理工程师和业主反应。

•定位放线完成后，根据现场钻孔位置，应确定2〜3个钻孔位置为永久定位标志，以

便后续的管理施工。

3）、竖立钻机

根据就近施工且钻机间不相互干扰、减少设备远距离调动、就近利用泥浆坑的原则布置钻

机。

•在睡立钻机之前应在已确定的打孔位置进行探沟的开挖.开挖深度根据现场已有管线

的埋设深度，一般开挖深度为L5m—2m。

•以钻孔点定位塔架底盘，采用水平尺对盘底横向、纵向进行找平，水平度应WO.5mm

/mo底盘定位后，安装塔架竖杆，利用铅锤和直尺测量塔架的垂直度，保证塔架竖杆垂直。3

）安装钻机头、钻机提升装置和钻头充水（泥浆）等附属装置，对钻机及附属装置接

电、接水管，对每台设备进行点试，确定转向。

D检查每台钻机的动力电缆线、照明线路符合用电管理规范并绝缘是否良好。现场应设

施工专用电源控制箱，并有专人看护。电源控制箱至钻机的电源线应架空敷设，不允许在地面

随意拉扯，更不允许在水面或泥浆上摆放敷设。

2）按要求挖好沉淀池及泥浆沟，并使其畅通，同时泥浆坑内必须采取铺设塑料布和彩条

布等必要措施防止渗漏。标准形式如下图所示：

孔温浆沟

3）钻机移位或就位时，要保证钻机钻杆垂直度，防止钻孔内垂直偏差过大将己埋管道损

坏。

4）、钻孔

♦正循环回转钻井工艺

在钻机驱动钻具回转钻井的同时，利用泵将泥浆、水或空气从钻杆中心孔中压入孔底，冲洗孔

底。泥浆、水或空气携带切屑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

正循环回转钻井，原理图如F所示：

钻机水平度、钻头直径、竖杆垂直度，经确认无任何异常时方可开钻。（注意：开钻前必须根据

设计钻孔的深度确认钻杆的数量）

♦钻井操作要点

初钻：先启动泥浆泵和转盘，使之空转一段时间，待泥浆输井一定数量后，方可开始钻井

0

开钻时：慢速启动，逐步加速，钻井时进尺应适当控制。若有套管，在套管刃脚处，应低

档慢速钻井，使刃脚处有坚固的泥皮护壁。钻至刃脚下1m后，可按土质以正常速度钻井。

如套管上质松软发现漏浆时，可提起钻锥，向孔中倒入粘上，再放下钻锥倒转，使胶泥挤入孔

壁堵住漏浆孔隙，稳住泥浆继续钻井。

施钻过程中还应根据地层地质变化，控制泥浆的稀稠度，做好应对措施，对于不同的地层

地质应采用不同的钻头。在泥土、壤土等覆盖层中钻井，由于泥浆粘性大，钻锥所受阻力也大

,易堵钻。应选用尖底钻锥、中等钻速、大泵量、稀泥浆钻井。在砂土或软土层钻井时，易塌孔

,应选用平底钻锥，控制井尺，轻压，低档慢速，大泵量，稠泥浆护壁。

接、卸钻杆的动作要迅速、安全、争取在尽快的时间内完成，以免停钻时间过长，增加孔

底泥浆沉淀。

施钻过程中应适当控制钻进速度，密切注意钻机及附属设备的运行情况，发现异常应及时

处理，防止拉断钻杆和接头丝扣、跌落钻头等现象发生。

施钻过程中钻机长和操作手应定时对钻机及附属设备进行巡回检查，及时做好维护和保养工

作

♦钻孔过程中安排专业质量检查员随时检查钻孔情况，确保钻孔的质量并认真填写钻进

记录表，记录启停钻的时间、玷进尺度，以及在钻进过程中出现的其它问题。

♦在钻孔过程中，根据地卜地质情况、地卜.管线敷设情况，适当调整钻孔的深度、个数

及位置.，以满足设计要求，降低钻孔、下管及封井的难度。

♦为最大限度的保证钻孔的垂直度，要求垂直钻孔深度50m内，测斜不应少于1次。当检

测出钻孔发生偏斜时，应及时调整钻杆或钻机，避免钻孔偏斜过大，发生穿孔事故。

♦钻孔过程中产生的泥浆应集中堆放或组织排放，在钻孔完成后及时处理干净。

♦在钻孔的过程中为避免管孔塌方，在钻孔过程中灌入泥炭对打孔孔壁的进行泥浆凝固

护壁。如在打孔即将完成时发生塌方造成打孔深度不够，应灌入浓度较大泥浆再行钻孔。

♦当钻孔达到要求深度后，应对钻孔反复进行通孔，为下换热管创造顺利条件，同时报

质检员查验钻孔深度和孔径，在下管程序没有准备好以前不能过早提起钻杆，并且必须保证泥

浆循环，以防止井下塌方。

5)、管材及管件进场检验与管理

♦埋地聚乙烯PE管采用的管材、管件应分别符合现行国家标准《给水用聚乙烯(PE)管材

》GB/T13663s《给水用聚乙烯(PE)管件》GB/T13663.2的规定。

♦PE管材、管件及附件的验收应重点检查下列项目：

①出厂合格证;②检测报告；③使用的聚乙烯原料级别(HDPE80,HDPE100)和牌号:④外观

;⑤长度：⑥颜色：⑦不圆度；⑧外径及壁厚；⑨生产日期。

♦地埋管材料应按设计要求长度成捆和盘卷供应，中间不得有机械接口及金属接头。

♦进入施工现场和投入使用的预制管和管件必须逐件进行外观检查，外观破损和不合格

产品严禁使用。管材运抵工地后，入库前应进行试压和检漏试验。

♦管材、管件存放、搬运和运输时，应小心轻放，排列整齐，采用柔韧性好的吊带进行

装卸，不得抛摔和沿地拖拽。

♦管材堆放场地要平整，无突出尖棱物块，不适宜露天堆放。室内存放时应保证通风良

好，温度不宜大于40C,必须远离热源，还必须注意避免接触腐蚀性试剂和溶液。

♦管材、管件在工地短期露天堆放时，应用彩条布覆盖，严禁长时间在太阳下暴晒，防

止PE管发生热变形或老化。

♦管材直管堆放高度应小于或等于1.50mo管件应码放整齐，堆放高度不应超过2.0m

o堆放场地或库房应设灭火器和消防栓。

♦下管前应对预制的单双U垂直埋管进行水压试验和冲洗。试验后的垂直埋管应充满水，

排尽空气并保持静压。其端口在试验过程中应及时密闭，防止杂物进入管内。

♦冬季施工时，当气温较低时，应将试压后埋管管内的水及时放掉，避免管子冻裂。

6）、下管准备

在钻孔的同时做下管的准备工作

♦下换热管之前必须对换热管按设计要求进行水压试验，若设计无具体要求则必须按照

规范要求进行。在试验压力（一般为1.6MPa）下，稳压至少15min,稳压后压力降不超过3%

,且无渗漏现象，即为合格。将换热管密封保持有压状态，等待进行下道工序。

♦为保证换热效果，防止供回水支管间发生热回流现象，换热支管之间需保持距离，下

管前采用分离定位管卡或弹簧卡将换热管进行分离定位，分离定位管卡的间距宜为2—4米

,管卡现场组装，安装一定要牢固，经现场质检员检查无误后，方可进行下一步工序。

7）、下换热管

♦在通孔完成后应立即下管，防止由于长时间歇停造成孔内局部的堵塞及塌方，孔底泥

浆沉淀导致下管的困难。

♦垂直埋管一般采用机械下管方法。

♦下管时，换热管内必须充满水并保持一定的压力，一般情况下保持0.5—0.6MPa的压

力，在下管过程中随时检查管组严密性和渗漏情况。

♦下管速度要均匀，防止下管过程中损坏PE管，如果遇有阳碍和不顺畅现象，暂停止下管

，应及时查明原因，待查明原因并做好处理后才能继续下管。

♦下管时必须有保证PE管不会扭曲、变形的措施。

♦换热管下到位后地面匕必须保留1.5m左右的换热管，将换热管进行固定，防止其下滑或

七乳然同1起卜管龈提杆过程幽止换热管阳，如划吐浮必须邮J喇昔施必须确保换热管下

设计深度。

♦下管完成后，应使换热管内的压力继续保持30min以上，当管内压力下降不超过3%,且不

渗不漏无破裂时，即为合格，可进行下一道工序。

8）、回填

♦在I可填过程中换热管须保持一定的压力，并时刻注意压力的变化，一旦发现压力出现

异常，立即停止，查明原因并及时进行处理后方可继续回填。

♦回填的方式一般有三和：反浆回填、人工回填、原浆回填。

♦反浆回填：回填泵采用进口高压力的柱活塞泵，由钻孔底部注入填料向上反填，逐步

排除空气，确保无回填空隙，保证了传热效果，但此种回填方式费用较高，并且容易造成管

材的浪费。

反浆回填原理图

♦人工回填：用人工将回填料由钻孔四周缓慢填入钻孔内，回填的同时间断性地向孔内

注水，尽可能的确保孔内填料密实，但是由于钻孔内存在大量空气以及泥浆很难确保回填密实

,一般需要第一次填完后还应进行多次补充。

♦原浆回填：在完成•个成孔后，进行下一个孔钻孔时，让循环泥浆流经上•个已下管

的成孔内，泥浆循环过程中的沉淀物会沉淀在成孔内，表层不能浪满部分采用I口I填料填密实，

此种回填方式目前较为常用。

♦管孔中的垂直PE管埋完后应等待3〜4h,待压力无下降后方可拆卸压力表，为确保换

热效果，第一次填完后应多次检杳。

♦回填完后将留在地面的管道管口进行封堵保护，防止进入杂物和后续施工造成损坏。

三、水平管连接施工工艺1

、水平管连接施工工艺流程

水平管连接施工工艺主要包括:室外管沟土方开挖、水平管道连接、回填等工序，主要施

工工艺流程如下：

1、管沟开挖

［及水平沟槽开挖前，应掌握管道沿线的以下地上和地下情况和资料：现场地形、地貌、

建筑物、各种管线和其他各专业设计的情况：施工供水、供电等条件。

沟槽测量应根据现场已有临时水准点和建筑轴线控制桩的位置，同时根据实际钻井孔

位的分布作为控制过程测量放浅的基准。

1通根据垂直钻井孔位以及图纸先确定管道变向点、分支点和变坡点，并据此确定管路走

向，在确定的点上打坐标桩，标出管沟中心及挖沟深度，沿桩用线绳拉直，撒上白灰，即为沟

槽边沿线。

1.6坐标及标高数据以建设单位及土建单位提供的建筑物、道路的坐标及标高为准，并

以此为室外水平埋管管线的施工基础。

U沟槽开挖必须在定位放线验收合格后进行，开挖前，必须对开挖区域内埋设的市政管

网、通讯电缆等管线进行准确标注，防止开挖时发生事故，造成不必要的经济损失。在开挖过

程中遇有管道、电缆、地下构筑物时，应停止施工并采取保护措施，及时与有关部门联系协同

处理。

工建管沟开挖由于土方量较大，如果条件允许一般都采用机械开挖，人工配合清理的方式

0

Li管沟开挖的深度及宽度应符合设计要求，当设计无具体要求或现场条件无法按设计施

工时，管沟开挖的深度一般应保证水平埋管的深度在冻土层以下0.6m,且距地面不小于

1.5m；

1.10在含水地层或软土、不稳定地层内开槽时.，要进行施工排水、设置沟槽支撑等措施。

1.11开挖沟槽时要严格控制槽底标高和防止扰动槽底原状土，防止超挖，超挖部分要

用细沙回填密实。槽底有石块等坚硬物体时，要在清除后用细沙回填进行处理。

1.12人工挖槽时,堆土高度不宜超过1.5m,且距槽口边缘不宜小于0.8m。

2、基底处理

2.3机械开挖时要沟底预留10cm-20cm的土层采用人工清理，以保证底部的平整。垂直

埋管换热器周围0.5m范围内需开挖的部分应用人工开挖清理。

41水平地埋管沟槽挖好后，应将沟槽内的石块清理干净，沟底应夯实。

”管道敷设前沟槽底部分实后应先铺设不少于管径厚度的细沙或200〜300mm的细砂

或细粘土垫层。

3、管沟验收

按设计图纸及钻井孔位开挖完沟槽后，应及时组织相关人员进行沟槽验收。沟槽的验收主

要有以下几个方面：

”沟槽的宽度、深度和坡度是否符合设计及规范要求。

沟槽底部是否已开挖至设计标高，沟槽底部是否已完成人工夯实。

3至沟槽内防止雨水、地下水的施工措施是否到位，排水设施是否齐备。

3忑沟槽底部垫层（200〜300mm厚细砂垫层）是否已按设计和施工要求铺设。

3」当沟槽满足设计和施工要求并通过验收后，应及时交给地埋管施工班组施工。

4、管