CN107721344A - 一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料和止水方法 - Google Patents

一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料和止水方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料和止水方法，针对第四系松散岩类地质条件，添加了含碳添加剂，优化了水泥、硅砂和细碎金属粉末、增塑剂、膨润土的配比，改善了拌和物的流变性及硬化的孔结构，在U型管安装完毕后，使用泥浆泵向钻孔中注入回填材料，选择合适的回填料能够有效地提高换热器的换热能力，减少埋管面积，并防止地下水交叉污染，具有良好的导热性和耐久性，且其导热性可根据具体应用环境做出相适应的变化，并易于生产。

Description

一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料和止水方法
技术领域
本发明涉及第四系松散岩类地质条件下土壤源热泵领域，具体的说是一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料和止水方法。
背景技术
第四系松散岩类孔隙含水层主要分布于河谷、山前洪积扇、洪冲积平原，该类含水层具有埋深浅、易于开采、含水量丰富等特点，现己成为许多地区重要的集中供水水源地。第四系松散岩类的孔隙含水层以粉砂、粉细砂层分布最广，埋藏浅, 厚度大, 资源条件较好，在开采过程中，灌浆回填是目前土壤源热泵系统换热管井孔常用技术方案，也是普通钻探工程中常用方法。即通过控制灌浆量保持一定盈余度的情况下压浆泵进行，压浆钻杆边缓慢提升，边回填边注水的方法，通过控制灌浆管提升速度，以管口始终浸没在浆料面以下为准。灌浆材料也通常采用普通材料，容易造成灌浆不密实影响换热效果，同时该方案没有对每个井孔地面采取有针对性的止水措施，特殊是在第四系松散岩类地质条件下地表水容易下渗造成地下水污染的隐患。
凿取大量换热管井孔是该系统建设的重要环节，通过井孔中换热管完成热交换，通过凿取几百眼甚至上千眼井孔以确定换热量多少，在井孔钻探施工过程中一般采用大统一的灌浆回填止水方式，灌浆回填是竖直埋管换热器施工过程中的重要环节，即U型管安装完毕后，使用泥浆泵向钻孔中注入回填材料。影响回填效果除设计、施工、管理等方面的因素外，回填材料自身的性能起着重要作用。选择合适的回填料能够有效地提高换热器的换热能力，减少埋管面积，并防止地下水交叉污染，对于促进土壤源热泵系统的发展有着积极作用。灌浆回填没有根据不同的水文地质条件采取不同的技术方案，常常导致由于回填不密实影响热交换和存在施工区域地面成“筛孔”状况下止水效果差污染地下水的安全隐患。本方案是针对第四系松散岩类地质条件下对换热管井孔提出一种新型灌浆材料和止水的技术方案。本发明针对第四系松散岩类地质条件下岩性多为亚砂土、中粉细砂、细粉砂、亚粘土互层的特点，对换热管井孔采用的一种新型灌浆材料和止水技术方案，已解决换热效果差和地表水下渗的技术问题。
发明内容
由于回填材料，不但要具有良好的导热性、工作性能和一定的强度、抗渗性和膨胀性，更重要的是这些性能还要与地下岩土体的热物性及地下水的渗流情况相适应。本发明是针对第四系松散岩类地质条件下土壤源热泵系统换热管井孔施工，研制一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，其导热性、工作性、强度、抗渗及微膨胀能够根据具体的地质条件做出相应的变化，并能很方便就实现工业化生产，对于改善回填效果，提高土壤源热泵系统换热器的换热性能。
本发明提供的一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，包括：水和水泥的混合物制成的导热水泥浆，一种或多种硅砂和细碎金属粉末，增塑剂，膨润土，含碳添加剂；其中，浆液配比为：水固质量比为0.6－0.7，固相质量比（水泥:膨润土）4:6。
碳添加剂约为0％至25％重量份，碳添加剂优选为碳纤维，其纤维直径从0.007mm到0.013mm不等，纤维长度范围从0.1mm到7mm不等。纤维的碳含量不低于96％。
硅砂的重量份大于水泥重量份，硅砂也可以用石英替代。
金属粉末优选银和/或铝粉。
水泥选自以下至少一种：为水泥，石灰，熟石灰，石灰窑灰，水泥窑灰，硫酸钙和/或其任何组合。
本发明的水泥浆料可以包括另外的组分，包括热塑性加气剂，胶乳，减缩缩合剂，氧化钙或其组合。水泥泥浆也可以包括膨润土或水泥替代品，例如高炉矿渣或粉煤灰。
以重量百分比计，所述灌浆材料由约20至约50重量％的水泥，约6至约30重量％的水，约45至约75重量％的硅砂和细碎金属粉末，约0.1至约2重量％百分比增塑剂，水泥浆料还可包括约0.1至约2重量百分比的膨润土，0％至25％重量含碳添加剂。
水泥浆料的水与水泥材料的重量比为约0.3:1石英或硅砂至约1:1，优选约0.5:1至约0.7:1。水泥浆料的重量比基于约1:1至约5:1，硅砂与水泥质材料的比例，优选约1.6:1至约2.8:1。
细碎金属粉末可以包括以下的至少一种或以下的铁化合物：赤铁矿（Fe 2 O 3），磁铁矿/铁素体尖晶石（Fe 3 O 3），金属铁（Fe），和/或其任何组合。
所述的导热水泥浆可以包括以下的至少一种或多种的硫酸钙化合物：硫酸钙或无水石膏（CaSO 4），硫酸钙二水合物或石膏（CaSO 42H 2 O），半水合硫酸钙（CaSO 41 / 2H 2O）和/或其任何组合。如前所述，如本说明书和权利要求书中所使用的，组件的上述选择可以包括特定组分，特定组分中的每一种或组分的任何组合。
本发明的土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，其导热性：例如，k>约1.0，最小收缩率：例如，<约-0.15％，即没有开裂，低渗透性：例如约100-250psi）和可接受的流变性。
在本发明中，土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，不再考虑使用石墨作为灌浆材料的添加剂，而选择碳纤维作为灌浆材料的添加剂，并且通过添加碳纤维的不同类型和体积分数来提高膨润土基灌浆材料的导热系数和比热容。这是因为传统的膨润土/石墨混合物的导热系数随着石墨含量的增加而增加，但是石墨这种材料可能对钢铁腐蚀产生影响。针对于第四系松散岩类地质条件下，不同于热导率对温度不敏感的膨润土，随着温度升高，石墨的导热性降低。
碳纤维被选为灌浆材料的添加剂。其优点包括高导热性，高拉伸强度和刚性，耐腐蚀性，耐疲劳性，耐火性，低热膨胀系数，无毒性，生物惰性和自润滑性。除了增加灌浆的导热性外，采用纤维作为添加剂还有效防止了干燥裂缝的发展，提高了土壤的加工性能和压实特性，降低了复合砂浆的水力传导性。
此外，对不同的纤维长度的碳纤维。通过实验可以得到，较高的纤维体积分数导致较高的复合砂浆热导率。本发明的土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料加到基准灌浆中的碳纤维的体积分数为0.4％至1.5％，其中，纤维纵横比越大，浆料热导率越高。
灌浆含水量是影响灌浆热导率的另一个重要因素，通过研究了灌浆混合物的导热性与水含量或干密度之间的相关性，可以有效提高热导率差。如：干膨润土和完全饱和膨润土之间的热导率差可以大于2倍。
本发明的土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料具有比传统使用的纯水泥和膨润土浆料显着更高的热导率，并且在干燥条件下具有较高的热导率保留率。此外，本发明的水泥砂浆料在还具有低渗透性，低收缩率，机械强度和耐久性。
本发明公开的土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料对于广泛的地下水pH和盐度条件是稳定的，适用于商业和住宅用途，其中，高导热性可以减小钻孔和相关管道的尺寸，从而大大降低钻井和材料使用成本。
一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料和止水方法，一种土壤源热泵系统通常包括泵，埋在地下的管道系统，地上传热装置和通过泵循环通过管道系统的传热流体；地面用作热源以加热循环流体或作为散热器来冷却流体固定地下管道系统的灌浆；用于土壤源热泵的垂直取向的地面热交换器需要将浆料置于U形环和周围地层之间。当安装土壤源热泵系统的U形回路时，在地面上钻一个孔，并将管道下降到位。然后将灌浆浇在管道周围，以保护管道免受地面和地下水的流动。
本发明还提供了一种土壤源热泵系统换热管井孔的止水方法，包括以下步骤：
步骤（1），采用如上所述的土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料；
步骤（2），根据第四系松散岩类地质条件下，选择砂粒的大小；
步骤（3），确定水与水泥的比例和所用的增塑剂的量；
步骤（4），砂粒尺寸的变化需要在使用前对灌浆混合物进行测试，以确保灌浆是可泵送的，并且灌浆将适当地固化；
步骤（5），彻底干燥工业用砂和膨润土粉末与碳纤维;
步骤（6），将所需量的混合物使用电动桨混合器混合至少3分钟; 步骤（7），将混合后的混合物连续倒入圆柱形PVC容器（每个灌浆的两个容器）中，并尽可能减少灌浆中被捕获的空气的量;
步骤（8），在混合和浇注过程中，在一定的真空压力下，去被捕获的空气;
步骤（9），水泥浆提供传热介质，并充当密封剂，以防止供水污染。
土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料的主要功能是促进U形环和周围地层之间的热传递，但也必须使土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料充当有效的井眼密封剂；这个作用对于防止表面污染物渗透到含水层或含水层之间的交叉污染很重要。
当选择水泥浆配方时，为了提高导热性，必须考虑几个因素，同时满足常规设备的混合和泵送要求，渗透性，收缩率，与U形环的粘合，耐久性，易于处理和经济性。如：高水硬水泥材料（w / c）易于收缩，往往会在灌浆中产生孔隙，从而导致热导率的显着降低。因此，必须考虑的其他因素是收缩，耐硫酸盐，出血，环境影响和热膨胀系数。
U型管安装完毕后，使用泥浆泵向钻孔中注入回填材料，选择合适的回填料能够有效地提高换热器的换热能力，减少埋管面积，并防止地下水交叉污染，对于促进土壤源热泵系统的发展有着积极作用。本发明提供的一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料和止水方法，针对第四系松散岩类地质条件，添加了含碳添加剂，优化了水泥、硅砂和细碎金属粉末、增塑剂、膨润土的配比，改善了拌和物的流变性及硬化的孔结构，因此，具有良好的导热性和耐久性，且其导热性可根据具体应用环境做出相适应的变化。
附图说明
图1为本发明一种土壤源热泵系统换热管井孔的止水方法的系统流程图。
具体实施方式
实施例一。
一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，包括：水和水泥的混合物制成的导热水泥浆，一种或多种硅砂和细碎金属粉末，增塑剂，膨润土，含碳添加剂；其中，浆液配比为：水固质量比为0.6－0.7，固相质量比（水泥:膨润土）4:6。
当选择水泥浆配方时，为了提高导热性，必须考虑几个因素，同时满足常规设备的混合和泵送要求，渗透性，收缩率，与U形环的粘合，耐久性，易于处理和经济性。如：高水硬水泥材料（w / c）易于收缩，往往会在灌浆中产生孔隙，从而导致热导率的显着降低。因此，必须考虑的其他因素是收缩，耐硫酸盐，出血，环境影响和热膨胀系数。
为了测量导热率，将水泥浆料浇注成块75mm×125mm×25mm。每批三批样品。将块密封以防止蒸发，24小时后脱模并置于水浴中固化。在14天的时间内测试硬化的浆料的热导率。然后将浆料在40℃的烘箱中在7天的时间内干燥，使其冷却并重新测试以确定水分损失的影响。此外，测定了固化条件对混合物111的热导率的影响。脱模后将一些标本置于密封容器中，而不是在水浴中。使用Shotherm QTM-D2热导仪测量导热系数。表1显示了具有不同水与水泥比的三个纯水泥浆料的配方。
（表1）
在相同硅砂和细碎金属粉末，增塑剂，膨润土，含碳添加剂含量下，并作为对本发明的水泥砂浆的试验结果进行评价的基础进行了试验。如表2所示，混合浆液在加入空气、胶乳、0Conbextra S随着温度的变化而变化，其电导率也随着温度的变化呈下降趋势。
（表2）
表2显示，混合编号1，优选的水泥砂浆料制剂在潮湿和干燥状态下都具有相对较高的热导率，平均热导率为2.423 W / rn。混合编号1的K显着高于以前用于GHP系统的其他灌浆的热导率值。由此可见，湿式灌浆混合物的热导率高于干混合物。当湿浆开始干燥时，水分消失，导热性降低。当选择灌浆配方时，当灌浆湿润时，以及当灌浆干燥时，灌浆提供高导热性很重要。干燥后导电率的降低在灌浆的饱和度上是可逆的。随着周围地表水的变化，水泥浆的饱和度将发生变化。
如图1所示，本发明还提供了一种土壤源热泵系统换热管井孔的止水方法，包括以下步骤：
步骤（1），采用如上所述的土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料；
步骤（2），根据第四系松散岩类地质条件下，选择砂粒的大小；
步骤（3），确定水与水泥的比例和所用的增塑剂的量；
步骤（4），砂粒尺寸的变化需要在使用前对灌浆混合物进行测试，以确保灌浆是可泵送的，并且灌浆将适当地固化；
步骤（5），彻底干燥工业用砂和膨润土粉末与碳纤维;
步骤（6），将所需量的混合物使用电动桨混合器混合至少3分钟; 步骤（7），将混合后的混合物连续倒入圆柱形PVC容器（每个灌浆的两个容器）中，并尽可能减少灌浆中被捕获的空气的量;
步骤（8），在混合和浇注过程中，在一定的真空压力下，去被捕获的空气;
步骤（9），水泥浆提供传热介质，并充当密封剂，以防止供水污染。
实施例二
一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，包括：水和水泥的混合物制成的导热水泥浆，一种或多种硅砂和细碎金属粉末，增塑剂，膨润土，含碳添加剂；其中，浆液配比为：水固质量比为0.6－0.7，固相质量比（水泥:膨润土）4:6。
为了将本发明的水泥砂浆料的液压密封性能与现有技术中使用的水泥砂浆进行比较，用纯水泥浆料进行试验。在不同的水与水泥比和不同的温度下测试整齐的水泥浆料，以确定水与水泥的比例和温度的变化如何影响纯净水泥浆的渗透性。本发明的水泥砂浆料和纯净水泥浆料的渗透性试验的结果在表3中示出。
如表3所示水和水泥的比例在0.4时，其渗透性范围波动为4.61×10-6±3.3×10-7；
如表3所示水和水泥的比例在0.6时，其渗透性范围波动 为4.98×10-6±5.93×10-7；
如表3所示水和水泥的比例在0.8时，其渗透性范围波动 为5.11×10-5±5.76×10-6；
以此可得出水和水泥的比例在0.8时，其渗透性范围波动幅度最小。
（表3）
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，其特征在于，包括：水和水泥的混合物制成的导热水泥浆，一种或多种硅砂和细碎金属粉末，增塑剂，膨润土，含碳添加剂；其中，浆液配比为：水固质量比为0.6－0.7，固相质量比（水泥:膨润土）4:6。
2.根椐权利要求1所述的一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，其特征在于：所述含碳添加剂约为0％至25％重量份，碳添加剂优选为碳纤维，其纤维直径从0.007mm到0.013mm不等，纤维长度范围从0.1mm到7mm不等，纤维的碳含量不低于96％。
3.根椐权利要求1所述的一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，其特征在于：所述硅砂的重量份大于水泥重量份，硅砂也可以用石英替代，所述金属粉末优选银和/或铝粉。
4.根据权利要求1所述的一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，其特征在于：所述灌浆材料由约20至约50重量％的水泥，约6至约30重量％的水，约45至约75重量％的硅砂和细碎金属粉末，约0.1至约2重量％百分比增塑剂，水泥浆料还可包括约0.1至约2重量百分比的膨润土，0％至25％重量含碳添加剂。
5.根椐权利要求1所述的一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，其特征在于：所述水泥浆料的水与水泥材料的重量比为约0.3:1，石英或硅砂至约1:1，优选约0.5:1至约0.7:1。
6.水泥浆料的重量比基于约1:1至约5:1，硅砂与水泥质材料的比例，优选约1.6:1至约2.8:1。
7.根椐权利要求1所述的一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，其特征在于：所述细碎金属粉末可以包括以下的至少一种或以下的铁化合物：赤铁矿（Fe 2 O 3），磁铁矿/铁素体尖晶石（Fe 3 O 3），金属铁（Fe），和/或其任何组合，水泥浆料可以包括另外的组分，包括热塑性加气剂，胶乳，减缩缩合剂，氧化钙或其组合，水泥选自以下至少一种：为水泥，石灰，熟石灰，石灰窑灰，水泥窑灰，硫酸钙和/或其任何组合。
8.根椐权利要求7所述的一种土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料，其特征在于：导热性k>约1.0，最小收缩率<约-0.15％，低渗透性约100-250psi。
9.一种土壤源热泵系统换热管井孔的止水方法，包括以下步骤：
步骤（1），采用如上所述的土壤源热泵系统换热管井孔的灌浆材料；
步骤（2），根据第四系松散岩类地质条件下，选择砂粒的大小；
步骤（3），确定水与水泥的比例和所用的增塑剂的量；
步骤（4），砂粒尺寸的变化需要在使用前对灌浆混合物进行测试，以确保灌浆是可泵送的，并且灌浆将适当地固化；
步骤（5），彻底干燥工业用砂和膨润土粉末与碳纤维;
步骤（6），将所需量的混合物使用电动桨混合器混合至少3分钟; 步骤（7），将混合后的混合物连续倒入圆柱形PVC容器（每个灌浆的两个容器）中，并尽可能减少灌浆中被捕获的空气的量。
10.根据权利要求9所述的一种土壤源热泵系统换热管井孔的止水方法，其特征在于：灌浆材料导热性k>约1.0，最小收缩率<约-0.15％，低渗透性约100-250psi。
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