地源熱泵是指通過將傳統(tǒng)的空調(diào)冷凝器或蒸發(fā)器延伸至地下，使其與淺層巖土或地下水進(jìn)行熱交換，或是通過中間介質(zhì)作為熱載體，并使中間介質(zhì)在封閉環(huán)境中通過在淺層巖土中循環(huán)流動。從而實現(xiàn)利用低溫淺層地能對建筑物內(nèi)供暖或制冷的一種節(jié)能、環(huán)保型的新能源技術(shù)。根據(jù)《GB50176—1993民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》，夏熱冬冷的長三角洲地區(qū)制冷與供暖的天數(shù)大致相當(dāng)，即冷熱負(fù)荷基本相同。利用該技術(shù)可以充分發(fā)揮淺層地表的儲能儲熱作用，達(dá)到環(huán)保、節(jié)能的雙重功效。因此該技術(shù)被譽(yù)為“21世紀(jì)最有效的空調(diào)技術(shù)”[1]。圖1為地源熱泵的工作原理圖。
目前，國內(nèi)該領(lǐng)域的研究主要集中在直埋式地下?lián)Q熱器方面。因為隨著熱泵技術(shù)運(yùn)用于地源技術(shù)的日漸成熟，對地下?lián)Q熱器的研究已成為該技術(shù)的關(guān)鍵所在。本文是作者參加了長春市地源熱泵土工設(shè)計及施工工程的基礎(chǔ)上所做的進(jìn)一步的研究工作。
地源熱泵地下?lián)Q熱器施工流程如圖2所示。
1工程鉆孔問題
工程鉆孔是地下?lián)Q熱器施工過程中最重要的一個環(huán)節(jié)[2]。由于地源熱泵的地下?lián)Q熱器置入深度在40m～100m之間，施工難度較低，所采用的鉆機(jī)一般為工程勘察鉆機(jī)或者淺層巖芯鉆機(jī)。表1列出了幾種常見的鉆機(jī)類型及其重要參數(shù)。
鉆進(jìn)方法比較簡單，一般采用正循環(huán)或反循環(huán)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法。圖3所示為正循環(huán)鉆進(jìn)。在進(jìn)行工程鉆孔施工時應(yīng)該先對場地的地質(zhì)狀況進(jìn)行了解，掌握已有的地質(zhì)剖面圖。而且應(yīng)該注意是否有地下管線及確定其準(zhǔn)確的位置，特別中指出的是在鉆進(jìn)過程中應(yīng)該及時發(fā)現(xiàn)鉆孔中存在的問題。如鉆孔漏失等情況，這對整個系統(tǒng)的環(huán)境安全至關(guān)重要。然后進(jìn)行場地清理，鏟除地面雜草、清理雜物和浮土。確定鉆孔的具體位置。同時考慮到注漿時漿液會從鉆孔溢出，所以在施工前可以先設(shè)計并布置好排水溝。一般可順地勢挖，并在溝末端連接一個灌漿池。鉆孔過程中產(chǎn)生的泥漿也可以先在灌漿池中沉淀，沉淀后可作回填土。
考慮對環(huán)境的影響，特別要考慮因為施工的原因造成防凍液的滲漏等情況的發(fā)生。在進(jìn)行鉆孔施工時要求對第四紀(jì)松散地層下套管。保證環(huán)境的安全性。所以在進(jìn)行鉆孔施工前，必須根據(jù)工程勘察所得到的地層情況，設(shè)計好工程孔的孔身結(jié)構(gòu)。
在北方，考慮埋管深度時，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐亩緝鐾辽疃却_定其最淺埋管深度。比如長春的凍土深度為140cm～170cm之間。所以，在水平管道時往往要求埋地深度為250cm左右。在南方應(yīng)考慮天氣和季節(jié)變化以及生物的破壞能力等因素的影響。一般要求敷設(shè)管道時應(yīng)該在100cm以下。
2U型管的連接方法
埋入地下的管材首先要保證化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕，并且有良好的導(dǎo)熱性能以保證系統(tǒng)的性能。U型管的連接就是U型管的熱熔連接過程。即首先將U型管修剪、清洗整潔、對齊，然后加熱至熔點，冷卻后連接在一起。為了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須保證U型管的連接可靠，一般采用熱熔連接，主要考慮以下幾方面的原因：
1.熱熔連接接頭的強(qiáng)度比U型管本身的強(qiáng)度大。接頭部位管壁厚度較大，因而其強(qiáng)度也增大；
2.接頭或連接部件是塑料材質(zhì)，不存在腐蝕問題；
3.多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確推薦采用熱熔方法連接U型塑料管。
在工業(yè)上，熱熔技術(shù)有2種:承插連接和對接。承插連接時，兩個需要連接的U型管的端部分別與一個較粗的承接管段兩端部加熱熔接。承接連接方式如圖4所示。
采用對接時，需連接的2根U型管端部被加熱板同時加熱而連接到一起。如圖5所示。每個接頭只須加熱一次。連接時，必須保證2根U型管對齊，并把端部加工平整，熔接后必須固定2個U型管同軸冷卻20s，以保證熔接強(qiáng)度。冬季施工時U型管的連接應(yīng)在室內(nèi)進(jìn)行。
3下管
鉆孔完畢后應(yīng)即時下管。因為鉆空有大量的沉積泥沙，這就減少了鉆孔的有效深度。因此，每鉆完一個孔，應(yīng)即時把U型管或套管放入。
下管是一個非常關(guān)鍵的步驟，下管的成功與否決定了系統(tǒng)是否能夠安裝成功。下管過程到目前為止還沒有達(dá)到機(jī)械化、自動化的程度。都采用人工下管。需要的人力比較多，要求有扶正、下壓、送管等分工。下管時,應(yīng)盡量保持同心度,并且管與管不要緊密接觸,以免產(chǎn)生換熱器的“短路”現(xiàn)象。
在下管完成后要采取防止上浮的固定措施，并將U型管的末端密封,避免雜物掉入管道內(nèi),對系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響。
4注漿工程
注漿時，先將水泥、膨潤土、砂和水按照設(shè)計好的比例放入調(diào)整攪拌機(jī)中攪拌2～3min,然后排入到低速攪拌罐中攪拌。灌漿時,先打開閥門把漿液排入貯漿池中,通過高壓泥漿泵注入孔中。
以漿液的密度是否相等來判斷是否停止注漿,如果相等則表示漿液已經(jīng)充滿了孔內(nèi),可以停止注漿。圖6為注漿系統(tǒng)。
5工程實例
吉林省長春市地源熱泵采暖/制冷實驗示范項目是采用直埋式換熱器進(jìn)行熱交換、采用水暖+風(fēng)機(jī)聯(lián)合作用的室內(nèi)系統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)。
施工場地地處伊通河畔,受河流沉積作用影響,上部1m～3m為雜填土,粉質(zhì)粘土、卵礫石以及含砂第四紀(jì)地層，下部為基巖,包括泥頁巖、砂巖和石灰?guī)r,硬度等級較高。由于地質(zhì)環(huán)境影響,砂層深度變化較大,但總體不超過10m位，(通過隨鉆返回的巖芯得到）共設(shè)計采用16口100m深、直徑為150～200mm的地下?lián)Q熱器,以對不同孔徑的傳熱效果做出評價。
該項目從2001年1月式投入使用以來,使用效果良好,系統(tǒng)運(yùn)行正常,系統(tǒng)本身基本無需維護(hù)(由于該系統(tǒng)具有試驗性質(zhì),所以須讀取試驗數(shù)據(jù))。系統(tǒng)運(yùn)行的COP平均值在3.1[3],節(jié)能效果良好;由于對周圍環(huán)境不造成污染,通過風(fēng)機(jī)送達(dá)室內(nèi)的空氣清新,人體感覺舒適環(huán)保效果也較為理想。
(責(zé)編：zyl)
