桩埋管地源热泵空调系统设计研究

李燕

摘要：桩埋管是地源热泵中的埋管形式之一，将其大量推广应用到地源热泵中可以降低系统的钻孔面积和钻孔数量，且可以减少相应的工程投资、成本，使施工进度得以不断加快。本文对桩埋管地源热泵空调系统设计进行了相应的研究，且对比分析了该系统的优点，为该系统的有效运用提供相应的参考条件。

关键词 桩埋管;地源热泵;空调系统;设计

前言

伴随环境问题和常规能源有限性等问题的不断突出，人们越来越重视以可再生、环保为特质的各种新能源。地源热泵主要是将太阳能资源当作冷热源，对能量进行转换的一种供暖制冷的空调系统;地源热泵属于一种比较环保节能的技术，且由于其具有节能效果较好、经济效益显著、绿色环保等特点，所以在工程中的应用越来越普遍。桩埋管地源热泵系统属于地源热泵空调系统中的其中一种，其虽然也有一定的优点，但目前的应用相对较少，还有待研究、推广。

1.对桩埋管地源热泵空调的系统方案进行研究

1.1对岩土热响应的试验进行分析

1.1.1室外的钻孔

在设计相应的方案前，首先应该在与建筑物的南墙相距9m的地方钻一个相应的测试孔，且孔的深度应为101m，孔径是150mm，并在孔中将双U形的De25PE管安装好，灌浆进行回填，将测试孔封好[1]。再利用岩土热物性测试仪对地下的岩土进行热响应试验，且根据专业的软件分析得到出：岩土容积的比热容为2.070×106J/m3·℃，导热系数是2.112W/m·℃，初始温度为16.5℃。

1.1.2桩基的设定及测孔

应该在采用厚度为5mm的钢板将混凝土的空心管底部封堵好，通过打桩机把216根桩打入到地下所设计的相应位置上，再找出一根比较合适的桩将双U形De25PE管安装好，并将浆灌入其中进行回填及封孔。通过岩土热物性测试仪测试了岩土的热响应后发现：其初始的温度在16.8℃，容积的比热容是2.361×100J/（m3·℃），导热系数为2.157W/（m·℃）[2]。

1.1.3分析具体的测试结果

利用相应的岩土热响应试验对岩土进行测试之后，从其测试结果中得出地埋管的周边的温度适中，其导热系数就会显得较高，比较适合运用桩埋管地源热泵空调系统。在地下的100m处主要是密度较高的花岗岩，在进行钻孔时难度比较大，应该选择双U型的桩埋管，且桩埋管和常规的地埋管相比，前者岩土层的容积比热容、导热系数均比后者稍大，但是没有较大的差别，对常规的地埋管和桩埋管进行设计时可以采用一样的参考值来进行参考。夏季，每米孔深在地下所释放出的热量应该为63W/m，但在冬季时，从地下提取的每米孔深热量应在38W/m。

1.2桩埋管的地源热泵空调系统施工方案

在桩埋管的地源热泵空调系统是安装过程中，工程在夏季时空调的冷负荷是375kW，根据热泵机在夏季的制冷工况对其性能系数进行，其中COP=5.0，此时地埋管应该向地下释方出450kW的热量，再根据向地下每米孔深释放的63W热量来进行相应的计算，因而可以得出夏季所需的桩埋管钻孔总长是7100m。但是，在冬季时，空调的热负荷应该为296kW，参照热泵机组在冬季中制冷的工况性能系数进行相应的计算，计算时COP=4.0，地埋管应该从地下吸收222kW热量，根据每米的孔深吸收地下热量38W进行计算，通过计算得出冬季钻孔的总长度应该为5840m。

根据上述的分析结果可以让施工人员根据夏季的工况来设计地埋管数量，且依据100m的钻孔深度来进行设计，大概需要71个孔。在建筑物中，能够用来埋管的实际地面面积为650m2，如果设计71个孔，每个孔之间的间距就只有3m。如果考虑到有的构筑物和其它亦有的管线带来的影响，部分孔间距根本没有3m，这样会对地下蓄能和地埋管释放热量、吸收热量造成一定的影响[3]。选择钢筋混凝土的预制空心管桩作为地基基础，能够利用部分管桩来对地埋管进行安装，这样不仅使埋管地面面积达不到施工要求的问题得到解决，而且可以降低钻孔费用和减少相应的工期。因为需要考虑桩和桩的距离、桩和剪力墙之间的关系、对井的位置进行检查等因素，所以应选出216根桩中的85根来作埋管桩，且埋管桩总长是1700m，同时室外的钻孔长度应降低到5400m，且室外的钻孔只需要54个，孔间距应为3.5m，这样设计下来可以节省208m2室外的埋管面积。

1.3分析桩埋管的地源热泵空调系统热源机房的设计

热源机房中应设置1台地源热泵机组，且还需一级分水器一只和集水器一只，2台负荷侧循环泵和2台地源侧循环泵，准备一套测定负荷的压补水设备，地源侧应设计一只高位定压的补水箱。

2.分析桩埋管的地源热泵系统优点

桩埋管地源热泵系统与其他的埋管方式比较，其主要有以下的优点：不会占用到建筑物之外的面积，且节约了一定的地下空间[4]。可以省去埋管、钻孔额外的费用，可以使工程投资得到相应的降低，加快工程进度。因为桩基间距相对较大，所以U型热管之间的热影响为零，使地下的换热器工况显得更加稳定。另外，因为受到建筑物的桩基自身的特点影响，致使桩和大地、地埋管和桩的接触更加紧密，降低接触带来的热阻，使循环工质和大地土壤之间的传热得到了相应的强化。） 回填桩埋管的材料主要是水泥，其导热性能比其它的回填材料好，致使换热效果也比其它的埋管方式好。

3.结束语

将桩埋管和室外埋管结合起来的地源热泵空调系统，具有降低投资成本、加快进度、节约地面面积的特点。对该系统进行设计时，必须考虑到各方面的影响因素，充分利用可用桩基;且进行施工的过程中，安装设备的工作人员应和土建施工的人员进行密切的配合，进而才可以防止交叉施所带来的影响，使设计意图得以实现。多数建筑物在施工过程中都需要将相应的桩基工作做好，将其用作作地源热泵系统中的能量桩，可以获得较好的社会、经济效益。

参考文献：

[1]李春宝.浅谈桩基埋管地源热泵系统[J].岩土工程技术，2013，35（3）：654-655.

[2]刘俊红，张文克，方肇洪.桩埋螺旋管式地热换热器的传热模型[J].山东建筑大学学报，2010，62（2）：418-419.

[3]石磊，张方方，林芸.桩基螺旋埋管换热器的二维温度场分析[J].山东建筑大学学报，2010，57（2）：483-485.

[4]李春宝.浅谈桩基埋管地源热泵系统[J].岩土工程技术，2013，27（3）：148-149.