设计地源热泵竖直地埋管需要注意的原则

 地源热泵技术是一种利用地表浅层地热资源(也称地热能，包括地下水、土壤和地表水等)的空调技术。地大热能根据各类竖直地埋管的特点、需要的技术条件和经济条件罗列出来，并进行比较，最终提出选择地源热泵地埋管系统的埋管类型、埋管形式的原则。

    （1）竖直地埋管的类型和技术特性

 

    竖直地埋管的主要形式有：单U型管、双U型管、螺旋盘管和套管式管等。目前国内用得比较多的是单U型、双U型和套管式等埋管方式。

 

    通过大量的工程实践研究，从换热效果和使用可靠性来看，可以得到如下结论：

 

    1）单U型地埋管换热器系统是性价比最高的地埋管系统；

 

    2）双U型地埋管换热系统的单位埋深换热量比单U型地埋管换热系统稍高，至多不超过单U型地埋管换热系统的30%；

 

    3）套管式换热器和单管型换热器的换热效果受地理环境影响较大，且与套管尺寸和规格有很大关系，使用前必须做现场的比对实验。

    （2）同一类型竖直地埋管埋设深度与造价的关系

 

    埋管形式按埋设深度不同分为浅埋（≤30m）、中埋（31~80m）和深埋（＞80m）。

 

    浅层埋管优点是：投资少、成本低、钻机要求不高、钻井质量(如钻井垂直度)易控制，由于受地面温度影响，一般地下岩土冬夏季热平衡性较好。其缺点是占用场地面积大、管路接头多、埋管换热效率比中埋、深埋低。

 

    中层埋管介于浅、深埋两者之间，塑料管可用普通承压型。

 

    深层埋管的优点是：占用场地面积小、地下岩土温度稳定、换热效率高、单位管长换热量大、管路接头少。其缺点是投资稍有增加，钻机性能要求高，钻井技术要求严格。

 

    1)同一类型(以U形埋管为例)竖直管埋的造价组成以及与埋深的关系

 

    竖直管埋的造价主要由材料费(管材及配件)、综合钻井费(人工及机械)、井内回填费(回填料及人工)三部分组成。当总换热量一定时，三者对不同深度埋管造价的影响如下。

 

    ①材料费：换热量一定时，几种埋深的管材总用量变化不大。因地层分布规律一般为浅部土层、深部基岩，而基岩换热量优于土层，所以在总换热量一定的情况下，浅埋方案比深埋的管材和配件用料会相应增多。

 

    ②综合钻井费：作为室外埋管造价的重要组成部分，综合钻井费也受很多因素影响，如地层的可钻性、钻井机具的合理选择、施工队伍的技术水平。

 

    ③井内回填费：井内回填费主要由回填料造价和人工费组成，在总换热量一定的情况下，人工费变化不大，主要是不同地层，回填料的材料选择和配比有所不同，但增加值在整个造价中所占比例很小，可忽略。可以看出，三项费用中材料费和井内回填费与埋深几乎无关。但综合钻井费用与埋深关联密切。

 

    （2）综合钻井费的影响因素

 

    ①地层可钻性

 

    地层的可钻性是衡量钻井过程中地层被破碎的难易程度，地层的可钻性不仅取决于地层自身的物理力学性质，还与钻井的工艺技术措施有关，所以它是地层在钻井过程中显示出来的综合性指标，是指导地质分层及钻头选型工作的重要参数，也是提高机械钻速、降低钻井成本的重要参数，地层的可钻性是决定钻井效率的基本因素。

 

    ②合理钻井机具的选择和钻井工艺的确定

 

    在钻井施工准备阶段，钻井施工人员会根据施工现场地质条件，配置合适的钻具类型和钻头，并根据不同深度、不同厚度的卵石层，制定不同的钻井工艺。

 

    （3）影响地埋管换热效果的其他重要因素

 

    1）地埋管的水平管深度

 

    北方地区地埋管深度的水平连接管的深度宅冻土层以下0.6~1.0m。南方地区地埋管的水平连接管的深度应在年温度波影响之下。

 

    2）地埋管的间距

 

    有关文献指出，竖直地埋管在连续运行300h之后，热扰动将趋于平稳，此时稳定层的扰动半径都趋于1m，而最远端半径正好是2m。

 

    3）持续运行时间和单位面积放热量

 

    相关文献研究表明，换热介质平均温度随运行时间延长而不断升高，由于埋管单位面积放热量不同，可造成达到系统运行控制温度的时间有差别。

 

    （4）地源热泵地埋管系统的选择

 

    综上所述，影响地埋管系统选择的核心因素有：1)建筑物周边的地理环境；2)地埋管换热系统的类型；3)地埋管换热系统的深度；4)地埋管竖井的水平间距。综合这四方面因素，地埋管系统选择的原则如下：

 

    1)地埋管的水平管埋深。北方地区地埋管的水平连接管的深度距地面不宜小于2.0m；南方地区地埋管的水平连接管的深度距地面不宜小于3.0m。

 

    2)地埋管的间距。埋管的竖井合理间距应不小于4m，有条件的区域应放大到6m。

 

    3)持续运行时间和单位面积放热量。持续运行时间越长，单位面积放热量越大，地埋管的换热效果越差，直至地埋管换热系统失效。对需持续不间断运行的空调系统，地埋管应分区设置，增加1/4地埋管的埋管余量，以实现地埋管换热系统间歇运行。

 

    4)在条件允许的情况下，应首选单U形地埋管换热系统。

 

    5)从施工的进度、难度和造价上看，竖直地埋管深度宜小于80m。

 

    6)在平面竖井安排不下时，应首先增加深度，但竖井的深度不宜大于120 m

 

    地大热能由中国地质大学（武汉）控股，依托中国地质大学的学术优势，组建了一批由海内外学者组成的世界一流的交叉人才团队，聚集了十大优势学科领域（地质学、矿产勘查、地球物理、地球化学、水文地质学、工程地质、环境地质、地理信息系统、管理科学与工程、旅游资源管理）三十多位专家学者，定期研讨地热科学问题、问诊地热实际难题，在地（水）源热泵换热不够、冷热不均、填充不实、漏水、土壤温度过低、井深不够、水质不好、回灌量小、含沙量大造成塌陷等问题有着丰富的经验及客户案例。