宋寬強 王亞娟 馬少華

（陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司，陜西 西安 710065）

自進(jìn)入工業(yè)社會，傳統(tǒng)的煤炭、石油等能源消耗量巨大，能源問題已經(jīng)發(fā)展為全球性問題。化石燃料的燃燒導(dǎo)致空氣污染問題嚴(yán)重，為了減少污染，建立節(jié)約型社會，尋求清潔可持續(xù)能源是解決能源和環(huán)境問題的關(guān)鍵舉措[1]。結(jié)合大量的工程實例，地源熱泵在國內(nèi)已經(jīng)形成了廣闊的發(fā)展市場，成為極具潛力的產(chǎn)業(yè)[2]，地源熱泵的廣泛應(yīng)用為解決能源危機提供了新的思路。

1 地源熱泵技術(shù)概述

地源熱泵技術(shù)是一種以地?zé)釣闊岜醚b置熱能，實現(xiàn)對建筑供暖或制冷的節(jié)能技術(shù)[3]。我國居民供熱以煤炭為主，北方地區(qū)污染嚴(yán)重、能源利用效率較低，發(fā)展地源熱泵技術(shù)是減少環(huán)境污染、確保能源安全的重要保障[4]。

地源熱泵工作原理是通過輸入少量高位能源，將低溫位熱源轉(zhuǎn)移為高溫位，冬季可以實現(xiàn)地?zé)崮芨邷責(zé)嵩传@取和冷源儲存，夏季可以實現(xiàn)低溫源獲取和高溫?zé)嵩创鎯?。地源熱泵利用地下常溫土壤和地下水相對穩(wěn)定的特性，在建筑暖通工程中應(yīng)用廣泛[3]。地源熱泵供暖空調(diào)的一體化替代了傳統(tǒng)的鍋爐加空調(diào)兩套裝置系統(tǒng)，節(jié)省了初期投資、占地和運行費用[5]。

地源熱泵工作原理如圖1所示。

圖1 地源熱泵工作原理

地源熱泵可分為地埋管地源熱泵、地下水地源熱泵和地表水地源熱泵[6]。地埋管地源熱泵以大地土壤為熱源和熱匯，通過將換熱地埋管直接埋入土壤中，使地埋管內(nèi)水與土壤直接換熱，實現(xiàn)土壤中取放熱[7]。地埋管地源熱泵可分為垂直埋管和水平埋管地源熱泵。水平埋管地源熱泵是將換熱管水平排布在1～2 m的地溝中；垂直埋管地源熱泵是將地下?lián)Q熱管垂直埋于200 m以內(nèi)的土壤中[1]。相比水平埋管，垂直埋管具有占地面積小、不受外界因素影響、使用效果可靠、后期維護(hù)費用低等優(yōu)點[8]。

地源熱泵垂直埋管施工時，通孔完成后應(yīng)該盡快將換熱管放入鉆孔內(nèi)，防止由于長時間歇停造成孔內(nèi)局部堵塞、塌方以及孔底泥漿沉淀導(dǎo)致下管困難等情況。地源熱泵換熱管垂直埋管的施工流程為：施工準(zhǔn)備→場地開挖、場地平整→管控定位及編號→機械鉆孔、垂直管連接→垂直埋管的一次試壓→下管→垂直埋管的二次試壓→垂直埋管灌漿回填→垂直埋管的三次試壓→垂直埋管成品保護(hù)。

下管是地源熱泵工程中的關(guān)鍵操作之一，鉆孔時為防止孔壁坍塌，常采用泥漿護(hù)壁。鉆孔完成后孔內(nèi)會充滿泥漿，對下管造成一定困難，由于泥漿中含有大量泥沙，泥沙靜止一段時間后會沉積到鉆孔底部，減少孔洞的有效深度。鉆孔完成后，應(yīng)立即開展下管作業(yè)[9]。為保證換熱管受壓時不變形，管內(nèi)應(yīng)充滿水并保持一定壓力。下管方式通常有人工下管和機械下管兩種。人工下管是指通過人工使用鉆桿頂住換熱管頂端U形接頭向下輸送，輔助人員負(fù)責(zé)拖拽換熱管以控制下降速度。人工拖拽勞動強度較高，易出現(xiàn)安全事故。機械下管是利用現(xiàn)場鉆井設(shè)備，通過鉆桿頂住換熱管頂端U形接頭，操控鉆井設(shè)備將鉆桿壓入鉆孔。機械下管完成后需要將鉆桿逐一提升回地面放置，工作效率低，耗費時間長，下管途中如遇到其他情況只能依靠人工將鉆桿拉出。

2 地源熱泵換熱管下管裝置的設(shè)計與分析

2.1 下管裝置的設(shè)計要求

為了降低工人勞動強度，提高施工效率，文章主要研究可以替代人力進(jìn)行下管作業(yè)的設(shè)備，用于150 m孔深的單U形換熱管敷設(shè)。裝置可以通過機械動能在開始下管作業(yè)時傳遞給換熱管推進(jìn)力，保證順利下管，待換熱管依靠自身重力持續(xù)下降時，裝置通過牽引力使換熱管保持勻速下降，防止孔深大于換熱管長度時，換熱管沉入孔內(nèi)或者其他意外情況。根據(jù)國內(nèi)施工現(xiàn)場的地層情況、現(xiàn)場環(huán)境、管材性能以及使用維護(hù)等方面的特點，參考國外的同類設(shè)備，地源熱泵換熱管下管裝置的設(shè)計要求包括：

（1）結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，整體采用推車式移動方式，可實現(xiàn)單人作業(yè)。

（2）輸送方向?？梢酝瓿蓳Q熱管向下輸送的下管作業(yè)，在向下輸送途中，當(dāng)換熱管壓力出現(xiàn)異?；蚬艿榔茡p時，能夠向上提升至地面，并進(jìn)行檢查或更換。

（3）傳動方式。采用鏈傳動，結(jié)構(gòu)簡單，對中心距要求低，運轉(zhuǎn)后速度穩(wěn)定。

（4）傳送速度。速度為8 m/min，按照鉆孔工況、換熱管性能以及下管作業(yè)時操作人員能夠?qū)崟r觀察并做出應(yīng)對的反應(yīng)時間進(jìn)行確定。

（5）下管深度。根據(jù)垂直埋管的施工難度和經(jīng)濟性，選定鉆孔深度為150 m。

（6）控制方式。設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過手柄式操作桿操控電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)管道的向下輸送和向上提升。

（7）維修與維護(hù)。所有零部件通過螺栓固定在骨架上，易于拆卸，便于維修和保養(yǎng)。

2.2 下管裝置的設(shè)計組成

地源熱泵換熱管下管裝置主要用于管道敷設(shè)時將連接完整的換熱管持續(xù)輸送至指定鉆孔內(nèi)。裝置整體為推車結(jié)構(gòu)，能夠在鉆孔完成后，快速進(jìn)入施工場地進(jìn)行下管作業(yè)，體積小，重量輕，便于運輸。根據(jù)接頭的不同，換熱管一般為單U形管和雙U形管，文章主要介紹單U形管的埋管技術(shù)。地源熱泵換熱管下管裝置及主要技術(shù)參數(shù)如圖2 和表1所示。

圖2 地源熱泵換熱管下管裝置

表1 地源熱泵換熱管下管裝置的主要技術(shù)參數(shù)

2.3 下管裝置的工作原理

輸送裝置主要依靠兩組主動輪和從動輪，操作時，主動輪與推車水平方向固定于骨架上，將連接完整的單U形換熱管兩端分別通過可拆卸的從動輪壓入輪槽中，通過操作從動輪螺母控制換熱管壓力。驅(qū)動裝置設(shè)置在骨架下方，由電機驅(qū)動蝸輪減速機運轉(zhuǎn)，帶動與減速機輸出軸連接的鏈輪轉(zhuǎn)動，通過鏈條傳動，使位于同一平面的兩個等徑鏈輪轉(zhuǎn)動，帶動與鏈輪同軸的主動輪運轉(zhuǎn)。夾持在主動輪與從動輪中間輪槽的換熱管在主動輪的帶動下持續(xù)傳送，完成換熱管的下管或提升動作。

2.4 下管裝置的操作流程

地源熱泵孔洞通孔完成后，將鉆井設(shè)備轉(zhuǎn)移至下一個標(biāo)記位置，將下管裝置推運至孔洞處。通過調(diào)整過輪高度和車體方向，確定換熱管入孔角度后，將孔口支撐同井口預(yù)設(shè)套管進(jìn)行連接，旋緊孔口支撐邊緣螺栓將下管裝置位置固定。接頭和換熱管連接完成并經(jīng)一次試壓合格后，將頂部放入孔口內(nèi)一定長度，其余管道沿骨架方向放置于過輪和主動輪輪槽上。從動輪架穿過兩主動輪中間的固定桿后，將換熱管置于主動輪和從動輪的輪槽內(nèi)，旋轉(zhuǎn)壓緊手柄使換熱管受壓處于夾持狀態(tài)。輸送過程中可以隨下管深度旋轉(zhuǎn)壓緊手柄改變夾持力。換熱管擺放完成后，操作轉(zhuǎn)換開關(guān)手柄，換熱管受到主、從動輪的夾持轉(zhuǎn)動，即可將換熱管向下持續(xù)輸送。下管過程中若管內(nèi)壓力明顯下降，可轉(zhuǎn)動開關(guān)停止下管進(jìn)行檢查，或在管道受傷時可轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換開關(guān)的反向手柄開關(guān)，向上拔出換熱管。

為了便于換熱管輸送，制作了專門用于下管的轉(zhuǎn)軸裝置。轉(zhuǎn)軸裝置底部圓形托盤中央固定一個十字支撐架，支撐架將盤好的換熱管固定，防止滑落。托盤底部安裝軸承便于轉(zhuǎn)動，盤好的換熱管放置托盤上。換熱管通過下管裝置的推送，自動將托盤上的換熱管牽引輸送，可以有效避免管道與地面摩擦導(dǎo)致的劃傷。換熱管輸送轉(zhuǎn)軸裝置如圖3所示。

圖3 換熱管輸送轉(zhuǎn)軸裝置

2.5 下管裝置的優(yōu)勢

（1）結(jié)構(gòu)合理。裝置將驅(qū)動電機、蝸輪減速機、主動輪（驅(qū)動輪）、從動輪（壓緊輪）、過輪等組件與手推車骨架整合較好，結(jié)構(gòu)輕便。

（2）靈活性強。電機與蝸輪減速機通過法蘭盤用螺栓緊固連接成一個整體，固定于骨架下部，保證蝸輪減速機連接的鏈輪和主動輪軸一側(cè)的鏈輪在同一平面，蝸輪減速機安裝座設(shè)有條形孔，使鏈條能夠完成調(diào)節(jié)活動。

（3）傳動效果較好。傳送過程采用擠壓式驅(qū)動，將換熱管置于主動輪和從動輪之間的輪槽中，通過從動輪調(diào)節(jié)器對換熱管進(jìn)行擠壓，增大摩擦力，從而進(jìn)行輸送。

（4）可有效保護(hù)管表面。主動輪的輪槽表面進(jìn)行膠輪（噴涂橡膠層）處理，增大換熱管摩擦力，有效防止傳送過程中換熱管因擠壓造成管道表面損傷。

（5）能夠完成雙向操作。驅(qū)動裝置選用單相四極帶電容220 V電動機，在傳送過程中具有雙向性，便于使用轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行輸送和提升等操作。

（6）細(xì)節(jié)保護(hù)處理。過輪可通過條形孔進(jìn)行上下調(diào)節(jié)固定，防止換熱管在傳送過程中與孔口或其他部件產(chǎn)生摩擦而有所損傷。

（7）環(huán)境適應(yīng)性良好。車體的孔口支撐與骨架采用活接式，可以對裝置進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不同環(huán)境的下管作業(yè)。

2.6 驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)確定及配重

（1）確定減速機型號。

根據(jù)換熱管的設(shè)計傳送速度，結(jié)合使用環(huán)境和使用要求，確定選用WJ系列蝸輪蝸桿輸出減速機。傳送速度為8 m/min，結(jié)合結(jié)構(gòu)空間設(shè)定，主動輪有效直徑為90 mm，則主動輪軸轉(zhuǎn)速：

式中：v——傳動速度（m/min）；D——主動輪有效直徑（m）。

計算得主動輪軸轉(zhuǎn)速為28.3 r/min。根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)，傳動方式采用鏈輪傳動，因鏈輪直徑相同，所以主動輪軸轉(zhuǎn)速為蝸輪減速機的輸出軸轉(zhuǎn)速。選定電機為三相異步電動機，轉(zhuǎn)速1 440 r/min。減速機傳動比：

式中：n輸出軸——減速機輸出軸轉(zhuǎn)速（r/min）；n輸入軸——減速機輸入軸轉(zhuǎn)速（r/min）。

計算得蝸輪減速機傳動比約為1:51，根據(jù)工況環(huán)境，輸入功率1.5 kW，選取傳動比為1:56，蝸輪減速機型號為WJ 87-S，最大輸出轉(zhuǎn)矩364 N·m。

（2）確定配重重量。

根據(jù)施工情況，換熱管在下管作業(yè)時孔內(nèi)充滿泥漿，存在一定浮力，對下降過程形成阻礙，可以為換熱管頂端增加配重用。根據(jù)設(shè)計要求，埋管深度為150 m，換熱管使用的給水用聚乙烯（PE管材）的公稱直徑32 mm；壁厚3 mm；公稱壓力1.6 MPa；密度0.95 g/cm3。單根PE管自重GPE管為：

式中：D——PE 管外徑（m）；d——PE 管內(nèi)徑（m）；h——埋管深度（m）；ρPE管——PE管密度（g/cm3）。

計算得單根PE管自重約40 kg。

單根PE管內(nèi)水重G水為：

式中：D——PE 管外徑（m）；δ——PE 管壁厚（m）；h——埋管深度（m）；ρ水——水的密度（g/cm3）。

計算得單根PE管內(nèi)水重約80 kg，單U形換熱管工作狀態(tài)總重量約240 kg。

單根PE管體積VPE管為：

式中：D——PE 管外徑（m）；h——埋管深度（m）。

計算得單根PE管體積約為0.12 m3。

單根PE管浮力F浮為：

式中：ρ泥漿——泥漿的密度（g/cm3）；g——重力加速度（m/s2）；VPE管——單根PE管體積（m3）。

計算得單根PE管浮力約為141 kg。

得出單U形換熱管工作狀態(tài)時受到的浮力約為282 kg。與換熱管工作重量相比，浮力超出重量42 kg，需要為換熱管增加配重。結(jié)合實際情況，配重為50 kg。

3 結(jié)語

文章研究了一種適合群井換熱管的地源熱泵換熱管下管裝置，通過對換熱管進(jìn)行機械牽引完成輸送，下管時將換熱管夾持于主動輪與從動輪之間，利用電動機，通過鏈條傳動使主動輪運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)換熱管持續(xù)向下輸送，或向上提升。經(jīng)實際操作，技術(shù)成果施工方便、快捷，有效降低了工人勞動強度，提高了施工效率，降低了施工成本，適合群井換熱管下管作業(yè)。文章設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)具有經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)的供暖空調(diào)方式存在的問題，技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域效果良好，具有推廣價值。