地源热泵系统中桩管与竖井双U型管换热器设计

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摘要：地源热泵是一种利用浅层和深层的大地能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源，然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统，是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统。本文结合工程实例 ,介绍了土壤源热泵系统的设计方法。桩埋管是地源热泵系统新的埋管方式。它与建筑结构相结合，充分地利用了建筑物面积，通过桩基与周围大地形成换热，从而减少了钻孔和埋管费用。

关键词：地源热泵，桩埋管，埋管换热器

1前言

随着经济的发展和人民生活水平的提高 ,公共建筑和居住建筑的供热和供冷已成为普遍需求。传统的空调系统通常需要分别设置冷源 (制冷机 )和热源 (锅炉)才能满足供冷和供热需求 ,而热泵既可供热 ,又能供冷 ,还可供应生活热水。本文结合工程实例 ,对土壤源热泵系统的桩管与竖井双U型管换热器设计进行探讨。

2桩管地源热泵

2．1 桩管埋管方式

桩埋管是地源热泵的一种新的埋管方式。它把地下U型管换热器埋于建筑物混凝土桩基中使其与建筑结构相结合。充分地利用了建筑物的面积。通过桩基与周围大地形成换热。从而减少了钻孔和埋管费用。由于建筑物桩基的自有特点，使U型管与桩、桩与大地接触紧密，从而减少了接触热阻，强化了循环工质与大地土壤的传热。

2.2桩埋管换热器的优点

(1).避免受后期扩建工程施工时对地下换热器的不利影响，更稳定安全；

(2).换热管安装在建筑物桩基内，桩基用混凝土浇实后换热管与桩基混凝土融为一体，由换热管与周围土壤的热交换变为桩基混凝土浇筑体与土壤热交换，扩大了换热管与周围土壤的热交换面积（混凝土的换热性能优于土壤的换热性能），也增强热交换效率；

(3).因换热器插管与建筑桩基同时进行，具有工期优势；并且施工的先期性也使得换热器的安装不需要避让给排水、电缆等，因此设计更简单，施工更便利，缩短总工期。

2.3桩埋管操作工艺

2.3.1桩埋管换热器制作与前期工作

钢筋笼制作过程中，最关键的是保证PE管在笼中的牢固固定，管距底部应留有1-2米的距离。加固管的钢筋笼结构要足够坚固，保护换热单元不受损坏。在浇注混凝土的过程中，很有可能是PE管在垂直方向上发生移动，所以在钢筋笼的底部，焊接横向支撑。最好采用整个钢筋笼整体制作，PE管整体固定。当桩深过大、施工难度加大时，可分段下笼，分步进行钢筋笼固定。

混凝土浇注要格外谨慎，应使用导管将混凝土引至孔底。在导管的安置与提升过程中，要始终保持轴线顺直和居中，这样有利于灌注过程中导管周边阻力以及凝土充实桩体时的流动压力相对均匀，不致挂笼或其它异常故障发生。同时要防止露筋，露筋不但会使钢筋笼生锈，也将会给整个建筑基础造成很大隐患，混凝土柱与孔壁接触不充分，将直接影响换热器的换热效果。出于这种情况，灌注前一定要用清水稀释泥浆, 并掏出部分沉淀的泥石渣, 使钢筋笼外侧的混凝土能正常顶升，有可能的话，应当采用受力面较大的混凝土弧形垫块装置，这样可以有效的防止露筋现象的出现。

2.3.2换热管的绑扎及安装

PE换热管顶端安装球阀和压力表，施工过程中PE换热管需要加压并将顶部密封保护，以防止混凝土灌浆料进入PE管，也避免在混凝土重力作用下PE管被压变形。在整个过程中要保证换热管之间保持合适的间距，并且换热管与钢筋笼之间绑扎牢固，以防止运输过程中或混凝土浇筑过程中换热管脱落。在PE换热管的顶端接出口处安装保护套管并接出钢筋笼，以防止安装灌注桩时对换热管的破坏，同时确保回灌水泥浆料时换热管接头不受水泥浆料的污染，这样才能保证换热管方便连接到水平集管上。

2.3.3水平管的敷设与安装

水平管的敷设方式有两种模式， 第一种方式是将供、回水管与水平干管相连，水平管分别在各自的沟槽中。其优点是水平供、回水管距离相对较远，没有热短路的影响，但其占用地基面积较大，由于地梁的影响往往会加大施工的难度。第二种模式是将供、回水平干管在同一沟槽内，其占用地基面积较少，但容易产生热短路。 在实际工程中， 建议采用后一种模式，尽量将供、回管分开在沟槽两边，并分别用保温材料进行保温，将其热干扰降到最低。

管道在地下连接时，可适当增加接口处槽底宽度，管道槽底宽度不宜小于管外径D+500，且总宽度不得小于700mm。按照标高开挖，最后形成的沟槽底部要求平整、密实、无尖锐硬物。当槽底为监坚硬石时，应将坚硬土石挖深不小于150mm,挖深部分用细砂或细土回填密实。当槽底土质极差时，可将管沟挖深一些，在挖深的管沟底用碎石填平，然后用水泥砂浆灌填均匀，再铺上一层细砂进行回填，密实厚度不小于150mm, 使管底具有足够的支撑力。

结束语

地源热泵是高科技通向节能环保的桥梁，是一种可以较大规模开发利用可再生能源的良好途径。利用地源热泵供暖和供热，其运行费用可比用天然气或电节省70%。在全世界都在以燃烧煤、油、气等矿物质为主获取能源的今天来研究地源热泵，对于减少环境污染、节约能源具有重要意义。从国内外发展趋势看，利用只取热不取水的土壤换热器的地源热泵将会是未来发展方向。完善地下换热器的传热模型，确定最佳地下埋管换热器的尺寸将是发展地源热泵工程应用的关键内容，因此，加快研究开发适合国内应用地源热泵系统很重要。

参考文献

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[2] 刘猛,何雪冰,刘宪英.地源热泵系统夏季运行测试研究[J].暖通空调. 2006,36(1): 12-15