地下换热器系统施工方案
    根据本工程特点，采用竖直埋管形式，打井口径661mm，有效深度45m，井内安装双U管，钻孔平均间距由现场定。
本工程地下换热器主要布置于地下室车库及小区绿化带，共设4个大的分区，每个分区支管连接的地下换热器同程连接。
1、施工工艺
    分析地质资料，用德国专业计算软件进行地下换热器的模拟计算，确定设计和施工方案。
地埋管换热器安装主要包括钻孔、试压、下管、回填等工序，主要施工工艺流程如下：

2、施工准备
熟悉现场及施工图纸，进行施工准备，包括人员、机具及现场临设，对施工人员进行有针对性的交底工作。
1.专用设备材料进场：

1.1钻井机T41（德国产）：钻孔直径50~200mm，最大钻孔深度170m，具有防塌方技术、井下配管6专用装置等多项专利技术，保证打井及配管质量及效率。该钻机为专业土壤热泵系统用小型钻机，可在打孔后直接将预制好的双U型管道下到孔内，施工速度快，质量好，设备使用简便。

钻井机 XY-4：
1.2专用回填泵（德国产）：专为地源热泵井下换热器设计，适用于各类流质回填材料，科学的泵入压力及流速，使回填的材料密实无空隙，保证井下换热器换热效率。
1.3井下换热管（PE管）专用焊机：保证井下及埋地水平管焊缝严密性，提高系统可靠性。
1.4准备专用管材（双U形）、专用回填料（按地质特征进行配方，德国配方）等；本工程地下换热器采用高密度PE管，每口井采用双U形管布管方式。
专用回填料，德国授权配方，确保回填层传热系数接近土壤传热系数，并保证回填料的环保性，保证井下换热器的换热效率。
2.放线
参照现场建筑基准点和已有建筑物进行放线，按照施工图纸标定换热孔的位置，并根据现场基础桩基位置对钻孔进行适当调整，在每口井位置钉40*40mm木桩，以保证打孔位置准确。
3.竖立钻机
3.1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，水平度≤0.5mm/m；
3.2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；
3.3安装钻机头、钻机提升装置和钻头充水（泥浆）等附属装置；
3.4按要求挖好沉淀池及泥水沟，并使其畅通。
3.5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。
3、钻孔
3.1开钻前须确定转向无误，并重新校核塔架底盘，竖杆的水平和垂直度；
3.2施钻过程中应按5米/小时的速度为宜，密切注意钻机及附属设备的运行情况，发现异常应及时处理，防止拉断钻杆和接头丝扣、跌落钻头等现象发生，并时刻注意地层地质变化，做好记录；
3.3施钻过程中钻机长和操作手应定时对钻机及附属设备进行巡回检查，及时做好维护和保养工作，提高工作效率；
3.4当孔钻到要求深度后，应对孔反复进行通孔，为下换热管创造顺利条件。
4、下换热管
4.1试压
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。
4.2下管
4.2.1为保证换热效果，防止支管间发生热回流现象，四根换热支管之间需保持距离，下管前采用分离定位管卡将四根换热管进行分离定位，分离定位管卡的间距为3米（如图所示）；

4.2.2下管采用下管机下管，速度要均匀，防止下管过程中损坏管道，如果遇有障碍和不顺畅现象，应及时查明原因，待做好处理后才能继续下管，最后地面上要保留2m左右的换热管，将换热管进行固定，防止下滑到井内，造成管道无法使用，甚至废井；
4.2.3换热管道到位后，提起下管钻杆，提杆过程中应防止换热器上浮，如发现上浮立即采取措施，确保管下到位。
4.3.回填
4.3.1回填方式：我公司采用从地下反浆回填的方法灌回填料。回填泵采用进口高压力的柱活塞泵，由孔底部位注入填料向上反填，逐步排除空气，确保无回填空隙，保证了传热效果。国产泵则因压力较小难以实现，回填到一半时无法继续回填，另一半只能改为人工回填。（右图为反浆回填示意图）
4.3.2专用回填料：回填材料的导热能力对地下管路的换热能力有着重要的影响，回填料在施工完成后与地下换热器接触最紧密，回填料的配比与选择，决定了其传热性能，传热特性直接影响换热效果。除考虑传热外，还要考虑其凝固强度等级，因地质结构不同、膨胀能力不同，产生的挤压力也差别很大。选择合适的回填料还可以防止挤压破坏地下换热管。因此，依据地质报告，配比选择回填料，也是保证土壤热泵成功应用的重要一环。
根据做热响应实验显示的地质条件，本工程地下基本都是粘土。由此，我公司采用II型回填料，如右图所示。该种回填料由膨润土、沙、水泥按特定的比例（德国配方）混合而成，另外添加一定比例的高导热系数填料石英砂。
4.3.3采用进口专用回填设备：回填料灌料时，要求高压回填。若人工回填，压力不够空隙较多，严重影响传热效果，无法达到设计参数，系统供冷、供热均无法实现。我公司使用的德国进口回填设备，具有很大的回填压力，而且采用由孔底部位注入填料向上反填方式，确保无回填空隙，回填料凝固后有良好的导热能力。
4.3.4回填完后将留在地面的管道管口进行封堵保护并进行标记，防止后续施工造成损坏。
5、水平环路集管施工
5.1.材料检验和储存：管件和管材的内外壁应平整、光滑，无气泡、裂口、裂纹、脱皮和明显痕纹、凹陷；管件和管材颜色应一致，无色泽不均匀；
装卸运输和搬运时应小心轻放，不能受到剧烈碰撞和尖锐物体冲击，不能抛、摔、滚、拖，避免接触油污，在储存和施工过程中要严防泥土和杂物进入管内，存放处避免阳光直射。
5.2.连接方式：管径D63以下（不含D63）的管材采用电熔连接，管径D63（含D63）以上的管材采用热熔连接。
5.3.施工方案：
5.3.1当室外换热器分区施工开始后，将各分区的汇总管道的位置及走向标示出来，对管道走向进行放线后进行管沟开挖，水平管沟开挖深度2.00m，水平管中心相对室外标高-1.80m。
在含水地层或软土、不稳定地层内开槽时，要进行施工排水、设置沟槽支撑或采取地基处理等措施。开挖沟槽时要严格控制槽底标高和防止扰动槽底原状土，槽底超挖部分要用细沙回填密实。槽底有弧石等坚硬物体时，要在清除后用细沙回填进行处理；
5.3.2按图纸要求将各分区内的U形管连接成系统，并分别引至机房主机安装位置。施工时水平管下垫沙层150mm，管道热熔或电熔连接时必须按照厂家施工技术规范标准进行；
5.3.3竖直地埋管换热器与集管装配完成后，回填前应进行第二次水压试
验。在实验压力下，稳压至少30min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄露现象。试压合格后继续将系统密封、保压；
5.3.4水平管道回填：首先调整水平管的间距、平整度。施工时水平管下垫沙层150mm，连接完毕后管上回填250mm厚沙层，淋湿夯实，再上部用原土回填并进行夯实。
5.3.5总管的连接及试压：各分区管道连接并试压完毕后，将各分区分集水器连接到总分集水器。水平管沟回填前，进行的三次水压试压，试验压力0.8MPa，在试验压力下，稳压至少2小时，且无泄漏现象。然后进行回填，回填方式同各分区水平管道。
5.3.6地下换热器系统冲洗、试压及其他
5.3.6.1总分集水器管道连接到热泵机房，所有管道系统连接安装完毕后，进行系统注水冲洗、排气，系统冲洗约30分钟，直至出入水口的流量、清澈度都基本一致，并不再有气泡产生，必要时可用水泵进行冲洗、排气。
5.3.6.2系统管道全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后，进行第四次水压试验，试压压力0.1MPa，在试验压力下稳压12小时，稳压后压力降不应小于3％。
5.3.6.3在管道系统最高点处加自动放气阀，最低点处加手动排水阀

地源热泵工程设计方法
   土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器。
地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。
地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器。
虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。目前缺乏系统设计数据以及较具体的设计指导，本文进行了初步探讨，以供参考。
1 土壤源热泵系统设计的主要步骤
（1）建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算
建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。
冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式[2]计算：
kW （1）
kW （2）
其中Q1＇ ——夏季向土壤排放的热量，kW
Q1——夏季设计总冷负荷，kW
Q2＇——冬季从土壤吸收的热量，kW
Q2——冬季设计总热负荷，kW
COP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数
COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数
一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的 COP1、COP2 。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。
（2）地下热交换器设计
这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容，主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。
（3）几种典型土壤和岩石的热物性系数表：

2 地下热交换器设计
2.1 选择热交换器形式
2.1.1 水平（卧式）或垂直（立式）
在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多[3]，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
根据埋管方式不同，垂直埋管大致有3种形式：（1）U型管（2）套管型（3）单管型（详见[2]）。套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失。单管型的使用范围受水文地质条件的限制。U型管应用最多，管径一般在50mm以下，埋管越深，换热性能越好，资料表明[4]：最深的U型管埋深已达180m。U型管的典型环路有3种（详见[1]），其中使用最普遍的是每个竖井中布置单U型管。
2.1.2 串联或并联
地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般都采用并联同程式。结合上文，即常采用单U型管并联同程的热交换器形式。
2.2 选择管材
一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。

2.3打勘测井获得地下土壤热物性参数

土壤热物性是地埋管设计的基础参数。一个地区一个特制，再不深度地质变化是不同的，此项工作直接关系到地埋管用材数量与整个空调系统效能。

2.4 确定管径
在实际工程中确定管径必须满足两个要求[2]：（1）管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH２O/100m当量长度以下[1]。
2.5 确定竖井埋管管长
地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。文献[2]介绍了一种计算方法共分9个步骤, 很繁琐，并且部分数据不易获得。在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一般垂直埋管为70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管长)，水平埋管为20～40W/m（管长）左右[3]。
设计时可取换热能力的下限值，即35W/m（管长），具体计算公式如下：
（3）
其中L ——竖井埋管总长，m
Q1＇——夏季向土壤排放的热量，kW
分母“35”是夏季每m管长散热量，W/m
2.6 确定竖井数目及间距
国外，竖井深度多数采用50～100m[2]，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目:
（4）
其中 N——竖井总数，个
L——竖井埋管总长，m
H——竖井深度，m
分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。
然后对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深，否则钻孔和安装成本大大增加。
关于竖井间距有资料指出：U型管竖井的水平间距一般为4.5m[3]，也有实例中提到DN25的U型管，其竖井水平间距为6m，而DN20的U型管，其竖井水平间距为3m[4]。若采用串联连接方式，可采用三角形布置（详见[2]）来节约占地面积。
2.7 计算管道压力损失
在同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。可采用当量长度法，将局部阻力件转换成当量长度，和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度，再乘以不同流量、不同管径管段每100m管道的压降，将所有管段压降相加，得出总阻力。
2.8水泵选型
根据上述计算最不利环路所得的管道压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，确定水泵的扬程，需考虑一定的安全裕量。根据系统总流量和水泵扬程，选择满足要求的水泵型号及台数。
2.9 校核管材承压能力
管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和[1]，即：

其中ｐ ——管路最大压力，Pa
ｐo——建筑物所在的当地大气压，Pa
ρ——地下埋管中流体密度，kg/m3
g ——当地重力加速度，m/s2
h——地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m
ρh——水泵扬程，Pa
3 其它
3.1 与常规空调系统类似，需在高于闭式循环系统最高点处（一般为1m）设计膨胀水箱或膨胀罐，放气阀等附件。
3.2 在某些商用或公用建筑物的地源热泵系统中，系统的供冷量远大于供热量，导致地下热交换器十分庞大，价格昂贵，为节约投资或受可用地面积限制，地下埋管可以按照设计供热工况下最大吸热量来设计，同时增加辅助换热装置（如冷却塔＋板式换热器，板式换热器主要是使建筑物内环路可以独立于冷却塔运行）承担供冷工况下超过地下埋管换热能力的那部分散热量。该方法可以降低安装费用，保证地源热泵系统具有更大的市场前景，尤其适用于改造工程[1]。
3.3 回填料的选择
回填料是保证垂直埋管效能的重要保证。