1、 暖通空调 年第卷第期 主题专栏地源热泵系统竖直地埋管设计中的几个原则浙江大学建筑设计研究院有限公司刁岳峰浙江万合能源环境科技有限公司周家志摘要重点介绍了竖直地埋管地源热泵空调系统各种埋管类型和技术特点，从材料费、综合钻井费、井内回填费个方面对比了不同深度埋管的造价，总结出影响竖直地埋管类型选用的关键因素，进而提出单体建筑地源热泵系统竖直地埋管的设置原则。关键词地源热泵地埋管类型影响因素设置原则 ， ， ， ， ， ， ， 引言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。由于地下一定深度的土壤和水温度相对稳定，因此地源热泵与空气源热泵相比，可获得
2、较高的性能参数和可靠的运行状态。在地源热泵系统中，常见的方式有水平埋设和竖直埋设。由于竖直地埋管换热器占地面积小、换热能力强，在国内外被更多关注，也是本文讨论的重点。地埋管换热器的换热能力除受地理条件（包括气候、季节、土壤的性质、地质的结构等）影响较大外，同时与地埋管类型、埋管形式有关；在运用该项技术时必须因地制宜仔细比对，精心设计。本文将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。 竖直地埋管的类型和技术特性竖直地埋管的主要形式有：单形管、双形管、小直径螺旋盘管、大直径螺旋盘管、立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管和
3、单管型换热器等。目前国内使用最多的是单形、双形和套管式埋管方式，如图所示。图竖直地埋管换热器剖面图形管埋管方式是在地层中钻直径为的钻孔，在钻孔中设置一组（根）或两组 刁岳峰，男，年月生，硕士，高级工程师 杭州市西湖区天目山路号浙江大学建筑设计研究院（）：收稿日期：ChaoXing（） 刁岳峰，等：地源热泵系统竖直地埋管设计中的几个原则 （根）形管并用灌浆材料填实。工程应用中多采用双形管埋管方式，即在同一竖井中埋入两组形管，通常钻孔越深，单位面积地埋管换热器的换热量越大，但施工成本也越高。该方式具有施工简单、换热性能较好、承压高、管路接头少、不易泄漏等优点，目前在国内广泛应用。套管式换热器的外管
4、直径一般为，内管为。其优点是增大了管外壁与岩土的换热面积，进而提高了单位井深换热量，根据试验结果，其换热效率较形管提高。其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较困难，初投资比形管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，适用于深度的竖直管。应用范围有限。单管型换热器在国外常称为“热井”，这种埋管方式与套管式有点类似，不同之处在于其仅在地下水位以上用钢套作为护套，地下水位以下为自然孔洞，循环水不仅直接与岩土换热，还与地下水进行热量交换，换热效率高。单管型地埋管埋设方式的优点是可以降低安装费和运行费，缺点是受水文地质条件限制，应用范围有限。杨敏等人在广州大学城内的研究结果显示，日均单位埋
5、深平均换热量套管式地埋管为，双形地埋管为，单形地埋管为。双形管日均单位埋深平均换热量为单形管的倍，是套管式地埋管的倍。胡映宁等人在距广西邕江左右区域内的研究成果显示，单形、双形和套管式地源热泵地埋管换热器日均单位埋深换热量分别约为，。双形管日均单位埋深换热量为单形管的倍，是套管式地埋管的倍。虽然这两组数字相差悬殊，无法横向比较，但单形地埋管与双形地埋管的性能参数的相对关系还是可以比较的。至于套管式地埋管，可以得出易受材料和环境影响难于广泛使用的结论。综上所述，从换热效果和使用可靠性来看，可以得到如下结论：）单形地埋管换热系统是性价比最高的地埋管系统。）双形地埋管换热系统的日均单位埋深换热量比单
6、形地埋管换热系统稍高，至多不超过单形地埋管换热系统的。）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。 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（）、中埋（）和深埋（）。浅埋管优点是：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。中埋管介于浅、深埋两者之间，塑料管可用普通承压型。深埋管的优点是：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。
7、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。）同一类型（以形埋管为例）竖直管埋设的造价组成以及与埋深的关系竖直管埋设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。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。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。井内回填费井内
8、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。）综合钻井费的影响因素地层可钻性ChaoXing 暖通空调 年第卷第期 主题专栏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
9、钻井效率的基本因素。根据地层本身固有抗钻能力的大小，结合不同钻井方式，对地层的可钻性进行划分，几种常见地层的可钻性见表。表地层可钻性地层 状态 对于传统钻机的可钻性砂土层 松散状、可塑状 好卵石 薄层 稍密中密 较好厚层 稍密中密 一般漂石 稍密中密 较差基岩 软岩 强风化、中风化 一般硬岩 强风化、中风化 较差不良地质（如溶 全充填 发育中等 较差洞破碎带）无充填 发育中等 差结合地层的可钻性、项目规模等影响造价的相关因素，可大致对各单一地层钻井费用进行归纳，如表所示。地质条件纷繁复杂，在不同的地方、不同的深表单一地层造价地层市场价（元）砂土层 卵石 漂石 基岩软岩 硬岩 不良地质（溶洞破碎
10、带） 度内，都不可能只存在单一地层，岩性变化较大，一般情况以砂土层、卵石、基岩按照一定顺序排列，所以在竖直地埋管施工过程中，根据地区不同、钻井深度不同，有可能会遇到全部土层或者大部分土层，局部卵石等多种组合，组合不一样，其施工难度、钻井成本等都会不一样，现假设无卵石（或薄层卵石）、漂石及不良地质，以深度为例，将土层与基岩组合，其造价见表。表综合地层统计造价地层情况 综合报价（元） 备注砂土层 根据施工场地作砂土层岩石 业面、层位变砂土层岩石 化、岩性不同砂土层岩石 等因素综合考砂土层岩石 虑下面以砂土层岩石情况为例，假定地层情况见表，不同孔深对应的综合造价见图。表地层情况层底深度 层底高程 层
11、厚 岩土情况 杂填土：灰黄色，稍湿，松散状，颗粒组成杂乱，由碎石、砖块、混凝土及砾石、黏性土组成，土质均匀性差，碎块块径大小不一，不等 粉质黏土：褐黄色，硬可塑，含铁质氧化物及灰白色钙质条纹，含少量砾石，砾石粒径以为主，含量约占，表层为种植土，呈灰色软塑状粉质黏土 黏土：黄褐色，可塑，局部含少量细砂，含量约 粉质黏土：褐黄色，硬可塑，含铁质氧化物及灰白色钙质条纹，含少量砾石，砾石粒径以为主，含量约占，表层为种植土，呈灰色软塑状粉质黏土 砂质页岩：深黄色，强风化，原岩结构，构造大部分被破坏，尚能辨析，粉砂泥质结构，页理构造，岩芯多呈鳞片状，岩质软，遇水易软化，其中以上呈紫红色 砂质页岩：灰黑色，
12、中风化，砂质结构，层状构造，以上夹灰岩呈互层状，厚度约，岩体相对较硬图同样地层不同深度造价对比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。目前主要的室外埋管钻井机械有工程钻机和潜孔锤。工程钻机主要型号有，（增强型）；潜孔锤型号是按所配置空气压缩机的容量确定，常用潜孔锤空气压缩机的容量为。不同地层钻具选择见表。合适的机具，科学的施工方法和工艺，及有经验的施工作业人员，是保证钻井质量和钻井施工效率的三大要素。显然，在同一地层情况下，随着孔深的增加其综合造价会相应增加，但增加
13、的部分不大且在可控范围之内。设计师在考虑竖直埋管深度时，应优先ChaoXing（） 刁岳峰，等：地源热泵系统竖直地埋管设计中的几个原则 表不同地层钻具选择地层岩性 钻具 钻头砂土层 工程钻机 合金三叶其他卵石（浅部） 薄层（） 工程钻机 合金其他厚层（） 工程钻机 复合片牙轮其他卵石（深部） 薄层（） 潜孔锤冲击器其他厚层（） 潜孔锤冲击器（跟管）其他漂石 潜孔锤冲击器其他基岩 软岩（如泥岩） 潜孔锤冲击器其他硬岩（如花岗岩） 潜孔锤冲击器其他不良地质（溶洞破碎带）无充填 工程钻机 合金其他综合考虑工程的需求、供应量、场地地层及施工工艺等因素，结合每个工程实验井的特点，选择适合的埋管深度。 影
14、响地埋管换热效果的其他重要因素）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应在冻土层以下。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。）地埋管的间距文献指出，竖直地埋管在连续运行之后，热扰动将趋于平稳，此时稳定层的扰动半径都趋于，而最远端边界半径正好是。）持续运行时间和单位面积放热量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。 地源热泵地埋管系统的选择原则 张冀豪，等水平埋管换热器换热能力实际测试比较暖通空调标准与质检，综上所述，影响地埋管系统选择的核心因素有：）建筑物周边的地理环境；）地埋管换热系统的类型；）
15、地埋管换热系统的深度；）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：）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。南方地区地埋管的水平连接管的深度距地面不宜小于。）地埋管的间距。埋管的竖井合理间距应不小于，有条件的区域应放大到。）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，增加地埋管的埋管余量，以实现地埋管换热系统间歇运行。）在条件允许的情况下，应首选单形地埋管换热系统。）从施工的进度、难度和造价上看，竖直地埋管深度宜小于。）在平面
16、竖井安排不下时，应首先增加深度，但竖井的深度不宜大于。参考文献：杨敏，陈颖，史保新地埋管换热器非稳态换热性能的实验研究广东工业大学学报，（）：胡映宁，熊理国，刘渊不同垂直埋管形式地源热泵热水系统换热性能研究工程建设与设计，（）：胡志高土壤热泵垂直型管温度场与扰动分析武汉：华中科技大学，檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨（上接第页）通常需要综合考虑项目初投资、运行费用、项目收入、利润、利息等因素，通过财务分析计算动态回收期和内部收益率等指标来判断区域供能项目的经济性。 结语区域供能系统作为建筑节能的新途径，具有非常好的发展前景。区域供
17、能可以利用其规模效应、集群效应来集成应用常规冷热源、冷热电三联供系统、低品位能源、蓄能技术、可再生能源，形成多能互补的耦合冷热源系统。同时在区域供能的冷热源系统选择时应综合考虑可靠性、安全性、匹配性、节能减碳性和经济性，这些因素均会对区域供能项目的成败产生重大影响。参考文献：屠启宇国际城市发展报告（）北京：社会科学文献出版社，清华大学建筑节能研究中心中国建筑节能年度发展研究报告北京：中国建筑工业出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部燃气冷热电三联供工程技术规程北京：中国建筑工业出版社，葛斌热电冷联产原理与技术北京：中国电力出版社，马最良，吕悦地源热泵系统设计与应用北京：机械工业出版社，周建斌生物质能源工程与技术北京：中国林业出版社，ChaoXing
