地源热泵系统室外换热井设计及施工中的技术分析

地源热泵系统室外换热井设计及施工中的技术分析

辜威威林术东

中交二航局第一工程有限公司湖北武汉430000

摘要：对东营港广利港区辅建区工程地源热泵系统室外换热井的施工进行了全过程跟踪分析，总结了地源热泵系统换热井的施工方案及及注意要点。

关键词：地源热泵；换热井；施工要点

目前中国正大力推行地源热泵技术，此技术具有低能耗、环保、低噪、运行稳定等特点。地源热泵系统是利用地下浅层的低品位能源（主要为蕴藏在土壤、岩石、地下水中的能量），通过输入少量高品位能源（电能），对建筑物室内进行暖通供应的综合技术。室外换热井系统是指传热介质（通常为水）通过垂直换热器（管道）与岩土中的地热能交换系统。室外换热井的深度通常为30～150m，井深、井数与工程的冷热负荷（工程的建筑面积、夏季冷负荷、冬季热负荷）以及地下水的丰沛程度、温度息息相关。室外换热井系统分为单U、双U两种。本文主要介绍及分析对地源热泵系统影响最大的室外换热井系统的施工要点。

1、工程概况

东营港广利港区辅建区工程位于东营广利港区内，为港区的枢纽工程，为港区的办公、人员住宿、消防、通信、供电等支持。辅建区工程建筑面积为1.67万m2，地源热泵系统提供夏季7～12℃的冷水，冬季40～45℃的热水；夏季冷负荷为2024.9Kw，夏季可供冷量为2422Kw，冬季热负荷为1535.5Kw，冬季可供热量为2425Kw。

根据工程勘察结果，权衡室外换热井的可施工面积以及整体经济型，确定施工方案如下：换热井采用双U管，换热井共计471井，每个井深120m，井位呈多区域式矩形排列，总钻井深度为：471井*120m/井=56520m。

2、井深、井数、单/双U型换热井的选择

2、1井深与井数的辩证关系

对整个工程项目而已，地源热泵系统涉及到经济性问题，在冷/热负荷确定的前提下，井深、井数并不是一个简单的线性关系，而是一个非线性的函数关系。因为对换热井的热交换而言，换热井顶部区域并不具备热交换功能，或者说由于地下水位问题，换热井顶部换热管线（地下水以上部分）的热交换效率极低，可以忽略。

图1：井深与井数的非线性关系

对地源热泵系统的设计而言，需要在保证冷/热负荷供应的前提下，找出一个井深、井数的最优解，以实现工程项目的经济性。

2、2单/双U的选择

针对工程项目而言，由于换热井需要在无地埋管道的区域施工（如有地埋管道将无法对换热井进行维护），故可供室外换热井施工的区域是有限的；尤其是在城市中采用地源热泵系统的工程项目，可供室外换热井施工的区域就更加有限。而且，单/双U管的实施，也涉及到经济性的问题。

首先，我们要明确地源热泵系统的工作原理：通过对地源侧（低品位能源）的热交换，辅以地源热泵机组（高品位能源，电能），实现对室内暖通的供应。热交换就是夏季将室内的高热能输送给地缘侧，地缘侧由于地下水温度相对恒定的特性，吸收室内输送而来的高热能；而冬季就将地缘侧（地下水）的高热能输送给室内，吸收室内输送而来的低热能，地下水形成温度升降的过程（温度升降小循环，单年份的升降，此过程可逆）。对地源热泵系统换热井而言，夏冬季节的热能输送就是一个收放热的过程。随着地源热泵系统的使用年限增加，由于地缘侧收放热（换热）的不均匀性，地源热泵系统的收放热效率（换热率）会逐年降低。

夏季的收热功率与冬季的放热功率不一致的原因分析：对北方工程项目而言，冬季放热远大于夏季的收热，地下水温度会逐年降低；对南方工程项目而言，夏季的收热远大于冬季的放热，地下水温度会逐年升高（大趋势，此过程不可逆）。地下水的降低/升高会导致换热井换热效率的降低。

图2：某实施地源热泵系统的项目观测的土壤/地下水温度变化

单U换热井，即在换热井中只有一进一出2根管道；双U换热井，即在换热井中有2进2出管道。在相对区域内，土壤及地下水的导热系数固定导致每根换热井都有相对固定的换热响应区域，也就是说，每根换热井能够提供的热交换上限是固定的。通常来讲，换热井之间的间距不得小于4m，间距越大，换热井的热交换上限越高，地下水温度升降的抗性越强，地下水温度的稳定性越强。

在地源热泵系统冷热负荷一定的前提下，若换热井的最小间距满足要求，单U换热井是一个较好的选择。上文提到，换热井的深度通常为30～150m，这个是从换热井施工层面来讲的。换热井深度越深，施工的不确定因素越多，塌孔、垂直度无法保证、灌浆封井的不稳定性越大。

换热井、井数、井深、供冷/热量的公式如下：

其中：W为供冷/热量；

μ为折减系数，含地下水位以上管道因素、水平管热能流失因素、地源热泵机组至室内暖通设备热能流失因素等；

n为换热井数；

m为换热井深度，上限为150m；

α1及α2分别为单U、双U换热井是每延米管道的换热量，在相同施工条件下α1小于α2。

从以上公式我们可以得出，如果单U换热井密度已经最大（间距最小）、换热井深度已到上限（150m）仍不能满足工程项目要求时，采用双U换热井。

从造价成本方面考虑，虽然双U换热井管道的每延米话热量略小于单U换热井管道，也就是提供相同供冷/热量时，双U需要比单U更多的管道，但是双U换热井只需要更少的钻井工程量。虽然双U换热井需求的钻井的工程量更下，但是单口换热井的地下水温度升降比单U换热井温度升降更显著，地源热泵系统的利用率也更低。

综上所述，在选在单/双U换热井时，应充分考虑项目工程可供换热井施工的场地、供冷/热需求量、换热井及管道的施工费用等。

3、换热井施工

3、1钻井施工

换热井钻井施工时，应控制平面位置、垂直度、泥浆护壁情况、钻井深度、管道安装等。

换热井钻井施工前，应对施工现场合理规划，按照施工平面图检查定位放线，排水、泥浆倒运工序，合理规划土方堆存位置、泥浆池、安全通道等。

换热井点位应由测量部门精确测量，避免误差。钻井机械定位水平度偏差应小于1%，换热井垂直度偏差应小于0。5%。

测量完成、钻机就位后，必须保证钻机钻杆的垂直度，防止垂直度偏差将已施工完成的管道损坏并影响周边换热井的热交换效率。在极端工况下：换热井间距为4m，井深为150m，垂直度偏差为1%，如果相邻2个换热井在施工时同时向同一方向偏斜，换热井末端的管道间距只有1m，这将极大影响相邻换热井的热交换攻略；如果换热井垂直度偏差更大，将出现破坏相邻换热井管道、导致整个地源热泵系统无法运行的情况。

为保证钻机钻杆的垂直度，在施工前应将钻井施工区域整平、碾压密实，避免在钻井过程中钻机倾斜、移动、偏位的情况；钻机就位后，应仔细调整钻机的平整、支撑的稳定性，避免在钻井过程中钻井发生较大抖动，并用水平尺符合钻杆垂直度，只有以上情况全部符合要求，方可开钻。

在钻孔的2孔之间，需挖设一个泥浆池，用于钻井施工过程中的水循环，储存回填泥浆，保证施工场地的整洁。

钻井工艺分为正循环回转钻井及反循环回转钻井；根据本工程的特点，结合其他工程的施工经验，本工程采用正循环回转钻井。正循环回转钻井的有点如下：1、在低层漏失或对漏失处理无效后，正循环冲洗液能够充满钻杆与井壁之间的外环状空间，液柱的自重对井壁会产生较高的侧压力，在液柱与地层之间的压力差（液柱压力大于地层的压力）下，护壁泥浆会向地层渗透，会在井壁内形成一层泥皮，可以有效的防止井壁坍塌；2、在冲洗液较高压力作用下，能有效的冲洗出井底岩片/沉砂；3、依靠排水压力，通过钻杆输送冲洗液，钻杆及接头部分即便有少量泄露（在实际施工中难以完全避免），也不会导致冲洗液循环和钻井过程的中断。在地层漏失情况下，冲洗液的连续补给，仍可连续钻井。

如钻井施工的地层中含沙量较高，导致钻井过程中发生塌孔情况，可在冲洗液中加入少量膨润土，提高冲洗液浓度，以便形成更高强度的井壁泥皮。如地层中流塑土层，钻井是应适当增大钻头直径、扩孔。

为保证钻井深度，钻井前应配备适当超过井深的钻杆，钻杆全部使用完即表示钻井深度达到设计要求；应超钻2～4m，避免在钻杆提升、管道下放到位前岩片/泥沙沉积过厚导致管道无法安装到位的情况。

3、2换热管安装

换热管安装是地源热泵系统的关键之一。因为下管深度决定了换热井换热总量的多少，故必须保证下管深度。

钻井完成后应立即进行下管施工，避免出现井底沉沙过厚等情况。

换热管宜在现场预组装U型管件。管道的连接方式根据管材确定：HDPE及PE管道采用热熔承插连接、热熔对焊连接，金属管道的连接采用法兰连接。

针对HDPE及PE换热管，采购订货时，可订购成卷状，单卷长度为换热井深度加2m，并在外管壁上标注长度刻度，以便换热管下管时监测深度。

U型管件安装完成、焊缝冷却后，应对管道进行预压，管道预压与钻井施工同步进行。

在管道下井时，可在U型管件上安装一个直径略小于钻井直径的混凝土/钢制导头，依靠导头及换热管内水的重量下井，这样既保证了换热管的安装速度有保证了换热管能有效的到达换热井底，同时，还能保护换热管在下放过程中避免被井壁的尖石划伤、破坏。换热管下管时，往往也会遇到井壁缩径导致下放困难的情况，此时要辅以机械的力量；在钻杆端部安装一个平底钢制十字花，通过钻杆对U型管件施压，辅助下管。采用机械配合下管的换热管安装到位后，必须对换热管进行二次试压，检查U型管件是否在下管过程中破损。

为避免热桥损失，换热管施工时应严格按照设计要求，保证管道的同心度，且管与管之间不能接触太紧，每隔2～4m设置固定支卡将换热管分开，以确保换热井中的换热管相对位置不变且不会紧贴。

3、3换热井回填施工

回填材料一般为膨润土喝细沙（或水泥）的混合砂浆或者其他专用回填材料。膨润土的掺比宜占4%～6%。如钻井洗出的泥沙浆凝固后收缩较小时，也可作为回填材料。

回填材料应采用网孔不大于15mm*15mm的筛进行过筛，保证回填材料中不含有岩石块或其他碎石。为保证回填料与管道紧密接触，应在换热管两侧同步进行。

回填时必须根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出，使回填料自下而上回灌换热井，确保回灌密实、无空腔，减少传热热阻。当上返回填料与灌注回填料密度相等时，回填过程结束。

4、结语

地源热泵系统最关键的是室外换热井及换热井的换热效率，而室外换热井的换热效率又受多种因素的影响，涉及的因素有：单/双U、管材的选用、换热井的间距、工程所在地的自然环境、土壤成分、地下水位高度、地质结构等。换热井的换热效率直接影响地源热泵系统的运行。结合实际工程，本文重点总结了换影响换热井换热效率的几个工序，对换热井的设计及施工过程提出了一定要求。

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