浅析地源热泵系统中竖直埋管施工的重难点及对策

摘要：地源热泵是利用地球表面浅层水源和土壤源中吸收的太阳能和地热能，并采用热泵原理，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低品位热能向高品位热能转移。

关键词：地源热泵、承压水、孔内压浆

Abstract： ground source heat pump is the use of the earth's surface shallow water and the soil to absorb solar energy and geothermal energy source， and USES the principle of heat pump， as well as heating and cooling of high efficiency and energy saving air conditioning system. By entering a small amount of high-grade energy （e.g.， electricity）， implemented by low grade heat energy to the high grade heat transfer.

Key words： ground source heat pump， confined water， Hole grouting

1、工程概况

项目位于南京河西某地，地上建筑面积为34950，地下2层，地上19层。该项目空调冷热源采用竖直地埋管地源热泵系统，工程设计地下埋管换热器采用垂直埋管方式，并联双U型PE管，设计埋管有效深度为90m，钻孔深度101.5m。

2、竖直埋管地源热泵施工

2.1工艺流程

①定位放线――②开孔――③工程钻孔――④U型PE管下埋（下埋前PE管进行水压实验）――⑤灌浆回填――⑥PE管端头临时封堵

2.2施工节点控制

2.2.1 定位放线

1、参照甲方提供的基准点和施工图纸，采用专门的测量仪器全站仪进行测量、放线、定位，测量每口井的井口标高，并在定位处固定木桩，以保证打孔位置准确。

2.2.2 开孔

1、以钻孔点定位塔架底盘，采用水平尺对底盘横向、纵向进行找平；

2、底盘定位后，安装塔架竖杆，利用铅锤和直尺测量塔架的垂直度，保证塔架竖杆垂直；

3、安装钻机头、钻机提升装置和钻头充水（泥浆）等附属装置，按要求挖好沉淀池及泥水沟，并使其畅通。

4、对钻机及附属装置接电、接水管，对每台设备进行点试，确定转向。

5、钻机运行前的准备工作完成后，一般空载运行不少于5分钟，经检查，各运动部件、显示仪表正常后，才可以正常工作。

2.2.3 工程钻孔

a） 钻孔操作

① 开动钻机行走到应钻孔位置，调整钻机垂直度。

② 操纵钻臂起落及摆角动作，将滑架置于钻孔位置。

③ 操纵钻杆推进到地面钻井点，调节转速获得适当的推进力，开始可以慢速低转推进，到一定深度可以匀速钻进。

b） 钻杆接杆

钻完一根杆后，需要进行接杆操作，其过程如下：

① 停止推进，升起旋转钻杆至连接外，用钻机专用扳手卡住钻杆连接处；

② 把旋转钻杆与连接钻杆卸扣分开，移开滑架；

③ 用缆绳吊起新钻杆，并与井内连接钻杆连接；

④ 取下专用板手，把钻杆放入井内至上端，在用专用扳手卡住连接处；

⑤ 移动滑架至井口，连接旋转钻杆和连接钻杆，取下卡钻杆的专用板手；

c） 卸杆操作

① 停止回转，提起旋转钻杆；

② 用钻机专用板手卡住孔口第二根钻杆公接头卡扁处；

③ 卸开旋转钻杆与连接钻杆，放下缆绳卸下连接钻杆；

④ 用缆绳栓住井内的连接钻杆，取下扳手，提起钻杆至连接处，重复2、3操作方法，取下第二根杆，直到全部取出。

2.2.4 U型PE管下埋

1、下管安装要求及重点

下换热管之前按设计要求进行水压试验。在试验压力下，稳压至少15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象。将其密封保持有压状态，准备下管。

竖直地埋管换热器U型管安装应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行。当钻孔孔壁不牢固或者存在孔洞、洞穴等导致成孔困难时，应设护壁套管。钻孔完毕后孔洞内有大量积水，由于水的浮力影响，将对放管造成一定的困难；而且由于水中含有大量的泥沙，泥沙沉积会减少孔洞的有效深度。因此下管过程中，U型管下井操作时管内必须充满水，保持规定的压力，杜绝U型管无压力下井。下管前将U型换热管与灌浆管捆绑在一起，并采取防止U形管上浮的措施。

埋管深度及孔内地下水（或泥浆）水位较浅时，宜采用人工下管。当下管较困难时，可采用机械下管。U形管底部用软质塑料带等进行绑扎，使下井的机械叉不直接与U型PE管接触，防止碰坏U形管，机械下管时宜在孔口设置软布或橡塑衬垫，将PE管顺着井口缓慢下井，机械操作人员要控制钻杆自重下管，速度不能过快，不可施加外力强制下管。

如果钻孔深度已经达到设计要求，但是U型管下井时碰到卵石层不能下到孔的底部时，不要把剩余部分剪掉，可通过往钻孔内灌水或经过下大雨及回填后可能自然下沉达到理想深度，防止预留管沉下去后造成废井。

地源井有效深度的计算可根据井口标高，筏板标高和下管深度差确定下管的有效深度，确保达到图纸设计有效深度90米。

2、下管注意事项

1） 在下管过程中，应注意保持套管的内外管同轴度和U型管进出水管的距离。对于U型管换热器，可采用专用的弹簧把U型管的两个支管撑开，以减小两支管间的热量回流。；

2） 地源管下管要及时，钻孔完毕验收后立即进行下管。

2.2.5 灌浆回填

1、地质水文

该项目位于南京河西地区，开挖深度为9.6m依据工程勘察报告相关数据，潜水层位于粉质粘土、淤泥质粘土层，该层层顶埋深11.0-15.8m，层厚在6.5-13.7m；承压水层由下部的粉细砂和细砂层组成，层顶埋深20.8-27.4m，层厚2.7-10.2m。

2、孔内压浆回填

双U型PE管安装完毕后应立即用回填材料封孔，回填采用专用的砂浆泵机来进行，图纸设计回填材料采用水泥加膨润土、粗砂制作的复合回填料，钻孔深度101.5m，底板下有效深度90m。钻孔底部以上70m回填料（60%原浆、30%水泥砂浆和10%膨润土），底板下20m采用水玻璃混合砂浆（50%原浆、30%水泥砂浆、15%膨润土、5%水玻璃）回填，上部11.5m采用黄砂回填至地面。

3、孔内压浆的控制措施

根据地质水文资料，底板下20m回填段基本位于潜水层和承压水层，因此该段灌浆回填采用何种材料尤为关键，回填的效果直接关系到基坑开挖的安全，同时也关系到地源热泵后续利用地下热能的效果。依据实验报告相关数据，底板下20m采用水玻璃混合砂浆（50%原浆、30%水泥砂浆、15%膨润土、5%水玻璃）完全能够防止基坑开挖造成承压水和潜水喷涌现象。灌浆回填过程严格按照设计配比，现场称重搅拌均匀；砂浆机带压（2.5mpa）压浆，充分利用膨润土吸水后高度膨胀的作用和水玻璃粘结性强的特点，从而保证孔内压浆的密实度，灌浆的深度通过灌浆量及灌浆拔导管的长度进行双控制。

2.2.6 PE管封堵

当U型管垂直下到井底达到设计要求深度，且下井后15分钟以上保持0.5MPa的压力，即下管成功。完成后即可剪表泄压。剪标泄压须做好井口标记标识，为基坑开挖做好成品保护。

3、结语

综上所述，在同时存在地下潜水和承压水的地区进行地源热泵施工，应结合地质水文条件，全面分析施工存在的影响，采取切实可行的封堵地下潜水和承压水的相关措施，不但能保证基坑的安全，而且同时能为地源热泵后期可持续施工和使用提供了技术保障。

参考文献

1、地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005

2、《江苏省工程建设标准-地源热泵系统工程技术规程》（DGJ32/TJ89-2009）