樁埋管地源熱泵空調系統設計研究

李燕

摘要：樁埋管是地源熱泵中的埋管形式之一，將其大量推廣應用到地源熱泵中可以降低系統的鉆孔面積和鉆孔數量，且可以減少相應的工程投資、成本，使施工進度得以不斷加快。本文對樁埋管地源熱泵空調系統設計進行了相應的研究，且對比分析了該系統的優點，為該系統的有效運用提供相應的參考條件。

關鍵詞?樁埋管;地源熱泵;空調系統;設計

前言

伴隨環境問題和常規能源有限性等問題的不斷突出，人們越來越重視以可再生、環保為特質的各種新能源。地源熱泵主要是將太陽能資源當作冷熱源，對能量進行轉換的一種供暖制冷的空調系統;地源熱泵屬于一種比較環保節能的技術，且由于其具有節能效果較好、經濟效益顯著、綠色環保等特點，所以在工程中的應用越來越普遍。樁埋管地源熱泵系統屬于地源熱泵空調系統中的其中一種，其雖然也有一定的優點，但目前的應用相對較少，還有待研究、推廣。

1.對樁埋管地源熱泵空調的系統方案進行研究

1.1對巖土熱響應的試驗進行分析

1.1.1室外的鉆孔

在設計相應的方案前，首先應該在與建筑物的南墻相距9m的地方鉆一個相應的測試孔，且孔的深度應為101m，孔徑是150mm，并在孔中將雙U形的De25PE管安裝好，灌漿進行回填，將測試孔封好[1]。再利用巖土熱物性測試儀對地下的巖土進行熱響應試驗，且根據專業的軟件分析得到出：巖土容積的比熱容為2.070×106J/m3·℃，導熱系數是2.112W/m·℃，初始溫度為16.5℃。

1.1.2樁基的設定及測孔

應該在采用厚度為5mm的鋼板將混凝土的空心管底部封堵好，通過打樁機把216根樁打入到地下所設計的相應位置上，再找出一根比較合適的樁將雙U形De25PE管安裝好，并將漿灌入其中進行回填及封孔。通過巖土熱物性測試儀測試了巖土的熱響應后發現：其初始的溫度在16.8℃，容積的比熱容是2.361×100J/（m3·℃），導熱系數為2.157W/（m·℃）[2]。

1.1.3分析具體的測試結果

利用相應的巖土熱響應試驗對巖土進行測試之后，從其測試結果中得出地埋管的周邊的溫度適中，其導熱系數就會顯得較高，比較適合運用樁埋管地源熱泵空調系統。在地下的100m處主要是密度較高的花崗巖，在進行鉆孔時難度比較大，應該選擇雙U型的樁埋管，且樁埋管和常規的地埋管相比，前者巖土層的容積比熱容、導熱系數均比后者稍大，但是沒有較大的差別，對常規的地埋管和樁埋管進行設計時可以采用一樣的參考值來進行參考。夏季，每米孔深在地下所釋放出的熱量應該為63W/m，但在冬季時，從地下提取的每米孔深熱量應在38W/m。

1.2樁埋管的地源熱泵空調系統施工方案

在樁埋管的地源熱泵空調系統是安裝過程中，工程在夏季時空調的冷負荷是375kW，根據熱泵機在夏季的制冷工況對其性能系數進行，其中COP=5.0，此時地埋管應該向地下釋方出450kW的熱量，再根據向地下每米孔深釋放的63W熱量來進行相應的計算，因而可以得出夏季所需的樁埋管鉆孔總長是7100m。但是，在冬季時，空調的熱負荷應該為296kW，參照熱泵機組在冬季中制冷的工況性能系數進行相應的計算，計算時COP=4.0，地埋管應該從地下吸收222kW熱量，根據每米的孔深吸收地下熱量38W進行計算，通過計算得出冬季鉆孔的總長度應該為5840m。

根據上述的分析結果可以讓施工人員根據夏季的工況來設計地埋管數量，且依據100m的鉆孔深度來進行設計，大概需要71個孔。在建筑物中，能夠用來埋管的實際地面面積為650m2，如果設計71個孔，每個孔之間的間距就只有3m。如果考慮到有的構筑物和其它亦有的管線帶來的影響，部分孔間距根本沒有3m，這樣會對地下蓄能和地埋管釋放熱量、吸收熱量造成一定的影響[3]。選擇鋼筋混凝土的預制空心管樁作為地基基礎，能夠利用部分管樁來對地埋管進行安裝，這樣不僅使埋管地面面積達不到施工要求的問題得到解決，而且可以降低鉆孔費用和減少相應的工期。因為需要考慮樁和樁的距離、樁和剪力墻之間的關系、對井的位置進行檢查等因素，所以應選出216根樁中的85根來作埋管樁，且埋管樁總長是1700m，同時室外的鉆孔長度應降低到5400m，且室外的鉆孔只需要54個，孔間距應為3.5m，這樣設計下來可以節省208m2室外的埋管面積。

1.3分析樁埋管的地源熱泵空調系統熱源機房的設計

熱源機房中應設置1臺地源熱泵機組，且還需一級分水器一只和集水器一只，2臺負荷側循環泵和2臺地源側循環泵，準備一套測定負荷的壓補水設備，地源側應設計一只高位定壓的補水箱。

2.分析樁埋管的地源熱泵系統優點

樁埋管地源熱泵系統與其他的埋管方式比較，其主要有以下的優點：不會占用到建筑物之外的面積，且節約了一定的地下空間[4]。可以省去埋管、鉆孔額外的費用，可以使工程投資得到相應的降低，加快工程進度。因為樁基間距相對較大，所以U型熱管之間的熱影響為零，使地下的換熱器工況顯得更加穩定。另外，因為受到建筑物的樁基自身的特點影響，致使樁和大地、地埋管和樁的接觸更加緊密，降低接觸帶來的熱阻，使循環工質和大地土壤之間的傳熱得到了相應的強化。）?回填樁埋管的材料主要是水泥，其導熱性能比其它的回填材料好，致使換熱效果也比其它的埋管方式好。

3.結束語

將樁埋管和室外埋管結合起來的地源熱泵空調系統，具有降低投資成本、加快進度、節約地面面積的特點。對該系統進行設計時，必須考慮到各方面的影響因素，充分利用可用樁基;且進行施工的過程中，安裝設備的工作人員應和土建施工的人員進行密切的配合，進而才可以防止交叉施所帶來的影響，使設計意圖得以實現。多數建筑物在施工過程中都需要將相應的樁基工作做好，將其用作作地源熱泵系統中的能量樁，可以獲得較好的社會、經濟效益。

參考文獻：

[1]李春寶.淺談樁基埋管地源熱泵系統[J].巖土工程技術，2013，35（3）：654-655.

[2]劉俊紅，張文克，方肇洪.樁埋螺旋管式地熱換熱器的傳熱模型[J].山東建筑大學學報，2010，62（2）：418-419.

[3]石磊，張方方，林蕓.樁基螺旋埋管換熱器的二維溫度場分析[J].山東建筑大學學報，2010，57（2）：483-485.

[4]李春寶.淺談樁基埋管地源熱泵系統[J].巖土工程技術，2013，27（3）：148-149.