CN108060676A - 一种地源热泵地源井回填材料和回填方法 - Google Patents

Abstract

一种地源热泵地源井回填材料和回填方法，属于地源井回填施工领域。技术方案：包括：膨润土、原浆、石英砂，各组分的体积比为：膨润土：0.5‑3，原浆：0‑2.5，石英砂:6‑8。有益效果是：本发明所述的地源热泵地源井回填材料和回填方法，采用该回填材料和方法回填地源井流动性好，施工更便利，回填密实度高，回填无空隙，回填材料综合导热系数高；注浆料从深井底部向上反压注浆填充，通过上溢的浆料，逐步向上排出井内原有的空气和水分，回填地源井不易堵塞，空气排出彻底，回填密实度高，换热效果更好。

Description

一种地源热泵地源井回填材料和回填方法

技术领域

本发明属地源井回填施工领域，尤其涉及一种地源热泵地源井回填材料和回填方法。

背景技术

地源热泵系统在浅层地能应用中日趋活跃，广泛应用于供暖、空调领域中。地源热泵系统中地源井回填材料是系统一项重要因素，回填材料对热泵主机源侧与土壤间传热效果有影响，如果回填材料没选择好，将降低热泵机组的效率，增加打井数量，进而增加初投资。在《地源热泵系统工挰技术规范》中回填材料有15～20％膨润土、80％～20％SiO2砂子混合物，此二种回填料导热系数太低，不到1；另有30％混凝土、70％SiO2砂子混合的回填材料，但是由于混凝土容易凝固，流动性不好，导致施工不便利。

现有的回填方法一部分采用自然回填，一部分将注浆管放在井口的注浆回填，此二种方法都容易阻塞于井的中部，空气排不净，回填效果较差，导致换热效果不好，还有少部分采用底部注浆回填方法，虽能解决密实度问题，但因无法控制其向上提升注浆管速度，速度过快导致注浆管口高于浆面，回填不密实，速度过慢，又会导致注浆管埋在井内拔不出来。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种地源热泵地源井回填材料和回填方法，采用该回填材料和方法回填地源井流动性和膨胀性好，施工更便利，回填密实度高，回填无空隙，回填材料综合导热系数高。

技术方案如下：

一种地源热泵地源井回填材料，包括：膨润土、原浆、石英砂，各组分的体积比为：

膨润土：0.5-3

原浆：0-2.5

石英砂:6-8。

进一步的，各组分的体积比为：

膨润土：1

原浆：2

石英砂:7。

进一步的，各组分的体积比为：

膨润土：3

原浆：0

石英砂:7。

进一步的，在回填材料中加入水，所述回填材料与水的体积比为：

回填材料：1

水：0.7-1。

进一步的，采用80-120目的石英砂。

进一步的，所述膨润土采用钠基膨润土。

本发明还包括一种地源热泵地源井回填方法，采用上述的回填材料，按以下步骤进行回填：

S1、计算所需填料体积，将填料分次加入搅拌机中；

S2、注浆管随双U换热器一并插入地源井底部；

S3、注浆料通过注浆管从深井底部向上反压注浆填充；

S4、逐步提升注浆管，通过上溢的浆料，逐步向上排出井内原有的空气和水分；

S5、直至地源井口有注浆料流出，完成整个深井的回填。

进一步的，提升注浆管的方法为分次提升法，使注浆管距离井底X米，分Y次提升，每次提升Z米。

进一步的，提升注浆管的方法为动态提升法，注浆管距离井底X米，开始注浆，待浆面距离注浆管口N米后，注浆管开始匀速提升，并且同时注浆，确保注浆管口处于浆面以下，距离浆面N米。

进一步的，S1中计算填料体积方法如下；

A1、计算地源井体积：

V1＝S1*h1

其中：V1为地源井体积，S1为地源井底面积，h为地源井高度；

A2、计算双U换热器体积：

V2＝S2*h2*n

其中：V2为双U换热器体积，S2为单根换热器底面积，h2为单根换热器长度，n为换热器根数；

A3、计算理论可回填料体积：

V3＝V1-V2

其中：V3为理论可回填料体积；

A4、计算实际可回填料体积：

V＝V3*80％

其中：V为实际可回填料体积。

本发明的有益效果是：

本发明所述的地源热泵地源井回填材料和回填方法，采用该回填材料和方法回填地源井流动性好，施工更便利，回填密实度高，回填无空隙，回填材料综合导热系数高；注浆料从深井底部向上反压注浆填充，通过上溢的浆料，逐步向上排出井内原有的空气和水分，回填地源井不易堵塞，空气排出彻底，回填密实度高，换热效果更好。

附图说明

图1为本发明实施例5示意图；

图中：1.搅拌机，2.注浆泵，3.注浆管，4.地源井，5.双U换热器，6.填料计量桶。

具体实施方式

实施例1

三种回填材料通过现场回填后进行测试而筛选出来的，具体回填材料配比如下表：

回填材料配比表

材料1	膨润土(1)	石英砂(7)	原浆(2)
				材料2	膨润土(3)	石英砂(7)	原浆(0)
材料3	水泥(1)	石英砂(7)	原浆(2)

注：括号中的数字代表体积份数

在地源热泵施工现场，地源井成孔后，根据钻井的体积和U型换热器体积得出回填料的体积，再根据上表中各组份回填料体积比，计算得出回填料各组分体积，将所有回填材料混和一起，放置搅拌机中，加入水搅拌均匀，通过注浆泵注入地源井中，待回填完毕，经48h后进行热物性测试。

计算采用参数如下：

(1)地源井流量参数

土壤原始温度为14.4℃，单井流量为1.11m³/h，单根U形埋管换热器内循环介质流量为0.55m³/h，管内流速为0.47m/s。

(2)土壤换热器参数

埋管换热器为双U形式，所有埋管换热器并联，井深102m,外径为0.025m，壁厚为0.0023m，内径为0.0204m，U形管供回管道中心距为0.06m，管材导热系数为0.45W/m·K。

根据以上条件，计算得：

回填材料综合导热系数表

名称	综合导热系数(W/m·K)	备注
			材料1	2.84	流动性好，间隙少
材料2	1.86	流动性好，间隙少
			材料3	2.03	易凝固，间隙少

经测试，材料1的回填材料综合导热系数为2.84W/(m·K)，综合比热容为876J/(kg·℃)。

材料1和材料2为本发明的优选方案，经过和其他材料实验对比得出，本方案所提供的材料综合导热系数高，流动性好，间隙少。

实施例2

一种地源热泵地源井回填材料，包括：膨润土、原浆、石英砂，各组分的体积比为：膨润土：2，原浆：2，石英砂:6。石英砂采用90目，膨润土采用钠基膨润土，上述原料混合后，按照1：1的比例加入水，常温混合搅拌而成。

将上述回填料做成固体试块，摆放24小时后，再敲碎，可直观看出内部间隙少，密实度高，体积有所增加，膨胀性能好。

实施例3

一种地源井回填方法，步骤如下：

S1、计算所需填料体积，将填料分次加入搅拌机1中；

S2、注浆管3随双U换热器5一并插入地源井底部；

S3、注浆料通过注浆管3从深井底部向上反压注浆填充；

S4、逐步提升注浆管3，通过上溢的浆料，逐步向上排出井内原有的空气和水分；

S5、直至地源井口有注浆料流出，完成整个深井的回填。

进一步的，提升注浆管3的方法为分次提升法，即注浆管3距离井底X米，分Y次提升，每次提升Z米。

进一步的，提升注浆管3的方法为动态提升法，注浆管3距离井底X米，开始注浆，待浆面距离注浆管口N米后，注浆管开始匀速提升，并且同时注浆，确保注浆管口处于浆面以下，距离浆面N米。

进一步的，S1中计算填料体积方法如下；

A1、计算地源井体积：

V1＝S1*h1

其中：V1为地源井体积，S1为地源井底面积，h为地源井高度；

A2、计算双U换热器体积：

V2＝S2*h2*n

其中：V2为双U换热器体积，S2为单根换热器底面积，h2为单根换热器长度，n为换热器根数；

A3、计算理论可回填料体积：

V3＝V1-V2

其中：V3为理论可回填料体积；

A4、计算实际可回填料体积：

V＝V3*80％

其中：V为实际可回填料体积。

进一步的，注浆管3的提升速度为：

V＝q-p/S1-S2*n

其中：V为注浆管3的提升速度，q为已知的注浆管的浆液流量，p为已知的注浆管3中浆液中含水的流量，S1为地源井底面积，S2为单根换热器底面积，n为换热器根数；

注浆管开始提升前的等待时间为：

T＝(X+N)/V

其中：T为注浆管3开始提升前的等待时间，X为注浆管3到井底的距离，N为注浆管口距离浆面的距离，V为注浆管3的提升速度。

实施例4

以100米地源井为例：

S1、计算所需填料体积，将填料分次加入搅拌机中；

地源井体积：V1＝Sh＝3.14*(0.146/2)²*100＝1.67m³，

地源井直径0.146m,深100m,

V1—地源井体积m³

S—地源井底面积m²

h—地源井高度m

双U换热器体积：V2＝Sh*n＝1/4*3.14(0.025/2)2*104＝0.2m³，

双U管直径0.025m,深104m,

V2—双U换热器体积m³

S—单根换热器底面积m²

h—单根换热器长度m

n—换热器根数，本项目为4，

V3＝V1-V2＝1.67-0.2＝1.47m³

V3—理论上可回填料体积m³

此计算为干料体积，因回填料需加水搅拌，故，干料所体积为计算总体积的80％，即为合格

回填干料体积为：1.47*0.8＝1.2m³；

S2、注浆管随双U换热器一并插入地源井底部；

S3、注浆料通过注浆管从深井底部向上反压注浆填充；

S4、逐步提升注浆管，通过上溢的浆料，逐步向上排出井内原有的空气和水分；

注浆泵每秒流量为q＝0.1m³/min(其中水的体积为0.04m³/min)

因为地源井底面积已知，每分钟填的高度为h＝(0.1-0.04)/(3.14*(0.146/2)²)＝3.6m/min，由于本实施例中双U换热器底面积很小，所以此处忽略。

因为注浆管距井底部5m，注浆注浆时工艺需管在液面5米以下，故，10/3.6＝2.7min，故当启动水泵2.7分钟后，提管机提管以v＝3.6m/min速度进行提管，可使注浆管一直处于浆面5m以下，确保注浆管与水泵注浆速度一致，既不致过快，使管高出液面，也不致过慢使注浆管埋在回填料内，注浆泵为地源井回填专用螺杆式注浆泵。

S5、直至地源井口有注浆料流出，完成整个深井的回填。

实施例5

如附图1所示，注浆管3随双U换热器5一并插入地源井4底部，注浆管口距井底5米。

根据深井的体积和换热器所占的体积，算出回填料的体积，将回填料经填料计量桶6计量后分六次放入搅拌机1中，每次等量，每一次回填料接近全部被注浆泵2泵入地源井4后，再次由填料计量桶6向搅拌机1中加入回填料。

注浆过程中严格控制注浆管的拔管速度，太快容易井内空气排不净，太慢填料容易挤压地埋管，为保证紧实度，每罐料未注完前不拔管，直到完整一罐干料灌浆完毕才开始拔管，确保注浆管埋在浆面以下。

根据计算，每注完一罐料约0.2m³干料，注浆管上拔约15米，根据前面所计算回填料体积，每口井大约需要六罐回填料，注浆管距井底有5米高度，首次拔管10米，第二、三、四、五次每次拔管15米，第六次拔管不以米数做为控制对像，待看到砂浆溢出井口，再将注浆管全部拔出，注浆管设有5道明显刻度标记，利用红绿喷漆标记。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地源热泵地源井回填材料，其特征在于，包括：膨润土、原浆、石英砂，各组分的体积比为：

膨润土：0.5-3

原浆：0-2.5

石英砂:6-8。

2.如权利要求1所述的一种地源热泵地源井回填材料，其特征在于，各组分的体积比为：

膨润土：1

原浆：2

石英砂:7。

3.如权利要求1所述的一种地源热泵地源井回填材料，其特征在于，各组分的体积比为：

膨润土：3

原浆：0

石英砂:7。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种地源热泵地源井回填材料，其特征在于，在回填材料中加入水，所述回填材料与水的体积比为：

回填材料：1

水：0.7-1。

5.如权利要求1-3任一项所述的一种地源热泵地源井回填材料，其特征在于，采用80-120目的石英砂。

6.如权利要求1-3任一项所述的一种地源热泵地源井回填材料，其特征在于，所述膨润土采用钠基膨润土。

7.一种地源热泵地源井回填方法，其特征在于，采用权利要求1-6中所述的回填材料，按以下步骤进行回填：

S1、计算所需填料体积，将填料分次加入搅拌机(1)中；

S2、注浆管(3)随双U换热器(5)一并插入地源井底部；

S3、注浆料通过注浆管(3)从深井底部向上反压注浆填充；

S4、逐步提升注浆管(3)，通过上溢的浆料，逐步向上排出井内原有的空气和水分；

S5、直至地源井口有注浆料流出，完成整个深井的回填。

8.如权利要求7所述的地源热泵地源井回填方法，其特征在于，提升注浆管(3)的方法为分次提升法，使注浆管(3)距离井底X米，分Y次提升，每次提升Z米。

9.如权利要求7所述的地源热泵地源井回填方法，其特征在于，提升注浆管(3)的方法为动态提升法，注浆管(3)距离井底X米，开始注浆，待浆面距离注浆管口N米后，注浆管开始匀速提升，并且同时注浆，确保注浆管口处于浆面以下，距离浆面N米。

10.如权利要求7所述的地源热泵地源井回填方法，其特征在于，S1中计算填料体积方法如下；

A1、计算地源井体积：

V1＝S1*h1

其中：V1为地源井体积，S1为地源井底面积，h为地源井高度；

A2、计算双U换热器体积：

V2＝S2*h2*n

其中：V2为双U换热器体积，S2为单根换热器底面积，h2为单根换热器长度，n为换热器根数；

A3、计算理论可回填料体积：

V3＝V1-V2

其中：V3为理论可回填料体积；

A4、计算实际可回填料体积：

V＝V3*80％

其中：V为实际可回填料体积。