CN115949075A - 一种浅层地热能地埋管换热器井筒干式回填方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅层地热能地埋管换热器井筒干式回填方法，属于可再生能源设施建造领域的施工填方工艺。该干式回填方法一是使用干燥的、粒径分布连续的回填料充填井筒内地埋管与井筒壁之间的空腔；二是在地埋管内放入电磁振动器，并通过控制地埋管的振动频率改变井筒内不同深度的回填料密实度，使井筒内深层回填料导热系数大于其浅层回填料的导热系数。从而既提高地埋管与深部地层的热交换性能，降低地埋管的热量损失，又削弱热短路，充分发挥垂直地埋管系统的换热性能。

Description

一种浅层地热能地埋管换热器井筒干式回填方法

技术领域

本发明涉及可再生能源设施建造领域的施工填方工艺，具体是针对浅层地热能地埋管换热器井筒的一种干式回填方法。

背景技术

浅层地热能是一种广泛存在的可再生清洁能源，其实现流程是使用地埋管换热器将地层的热量运送至地面，再利用热泵对建筑供能。其中，地埋管换热器的换热效能是地热系统的关键技术指标。目前多数地埋管换热器采用聚乙烯管材（简称PE管），在地层中有垂直式与水平式两种布置。对于垂直分布地埋管施工流程，首先将地埋管置入井筒内，再向井筒内灌浆回填，使地埋管与地层紧密接触。在土壤导热能力无法人为改变的前提下，井筒回填质量对提高地埋管换热器的换热性能有重要意义。

多数情况下，回填材料是在井筒碎屑中添加水、膨润土或水泥制备成泥浆后灌注井筒。对于含水量较低的地层，如果使用泥浆回填井筒，泥浆中水分会被井筒壁吸收，诱发回填体开裂，使回填料热阻增大，降低了地埋管与周围地层的热交换能效。此外，地源热泵系统运行中，由于地埋管换热器的两支管内热工质（水流）存在温度差，两支管会发生热传递，出现热短路现象，损失热量。如果流出的工质温度高于地表温度时，也会造成热量损失，降低地埋管换热器的换热性能。

中国专利公开号CN114893929A提出了一种基于复合式回填的地埋管换热增强系统及方法。它的井筒回填材料采用渗透性材料和膨润土与细沙混合，膨润土与细沙混合料位于渗透性材料上方，采用分层回填方式，其原理是在地下水层以下井筒采用高渗透性回填材料，利用热激发引起地下水热对流方式提高地埋管的换热效率。然而它无法降低地表温度对地埋管换热器的热损失，另外，采用含水材料进行回填，回填料失水会诱发回填体开裂，且没有采取方法对回填料进行密实，使回填料热阻增大，降低了地埋管与周围地层的热交换能效；另外没有考虑浅层热量损失和热短路现象的存在，不利于地埋管换热器换热效率的提高。

中国专利公开号CN213361297U提出一种地源热泵地埋管施工和回填的成套装置，克服了安装地埋管时支撑架容易脱开或挤压问题，使得注泥浆管对不同深度进行有效填充，可以扩张换热管与回水管的间距，避免“热短路”现象，使用填充物分层填实后，保证地源热泵系统室外地埋管释热效率、取热效率和经济效益最大化。该技术仅考虑了利用管卡撑开换热管与回水管间距避免热短路问题。事实上，回水管的热损失不仅考虑供热管的影响，还需要考虑近地表区域温度的影响，在近地表区域，地层温度与回水管内温度存在温度差，也会造成回水管的热量损失，降低地埋管换热器的换热性能。

中国专利公开号CN113739450A提出了一种提高地源热泵换热井换热效率的装置系统及方法，在地热井回填管体部分安装纳米节水管，可对浅层地热井的回填料自动补水，防止回填料凝固空鼓导致地埋管的换热损失。然而施工复杂，成本高，装置安装与操作流程复杂；对回填料自动补水后，虽然避免了回填料失水引起的开裂，但是忽视了不同深度的地层温度差异引起的热短路问题。

中国专利公开号CN104631463A提出了一种地源热泵深井回填灌浆方法，该专利采用长距离背压式回填灌浆，灌浆材料从深井底部向上反压灌浆回填井道，并配合使用提管机与灌浆泵，可实现回填灌注密实、无空鼓，确保了回填浆料的高密实度，提高了换热井的热传导能力，有效保证了地源热泵系统的施工质量。该技术实质上还是利用灌浆技术进行回填，当浆液凝固后，填充体内部大小不一的孔隙，降低了回填区段的导热系数，同时，无法避免回填浆液固化开裂会增大热阻的不良影响。

中国专利公开号CN214657045U提出了一种地源热泵地埋管回填设备，解决了现有设备由于设置较长灌浆管，不便于运输、浆液混合不均匀，不能根据灌浆速度同时提升上拔灌浆管的问题，该技术能够随灌浆速度提升上拔灌浆管，防止伸缩灌浆管底端长时间沉浸在浆液内，同时伸缩灌浆管可收缩，在不使用时占用空间小，伸缩灌浆管在升起后还可以自动提起，使其脱离地面，进一步方便运输。该技术灌浆材料含水，其中的水分被井筒壁吸收后会发生干裂，导致回填材料的热阻增大；没有密实灌浆材料，不能充分发挥回填料的高导热性能。

发明内容

为了克服常用施工方法的诸多弊端，提升地埋管换热器与地层之间的换热效能，本发明提出一种浅层地热能地埋管换热器井筒干式回填方法，该回填方法使用原位钻井碎屑混合砂料后直接回填井筒，控制地埋管的振动频率改变回填料的密实度，使井筒内回填料的空隙度随深度变化，使回填料对地埋管具有导热与保温性能，克服了常用施工方法的诸多弊端。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种浅层地热能地埋管换热器井筒干式回填方法，所述地埋管是聚乙烯管材，其结构是用U型接头连通两路管形成一个U型管，其中一路是供水管，另一路是回水管，其特征在于，该回填方法一是使用干燥的粒径分布连续的回填料充填井筒内地埋管与井筒壁之间的空腔；二是在地埋管内放入电磁振动器，并通过控制地埋管的振动频率改变井筒内不同深度的回填料密实度，使井筒内深层回填料导热系数大于其浅层回填料的导热系数，充分发挥回填料对深层地埋管的导热性能和对浅层地埋管的保温性能；

所述的回填料指的是在钻井过程中产生的干燥岩石碎屑或土渣中添加一定粒径的砂料，添加一定粒径的砂料的目的是回填料粒径级配连续。

进一步地，所述的电磁振动器包括两支路，一支路设在地埋管任意一管路的底端，另一支路设在地埋管另一管路的底端中，通过在不同深度控制地埋管振动方式，使得两支路振动器在井筒不同深度以一定频率相互吸引或排斥，引起地埋管外围的回填料振动，促使细颗粒充填在粗颗粒之间，进而提高回填料的密实度，使井筒内深层回填料与井筒内浅层回填料的空隙度出现差异性，即：深层的回填料空隙度小，导热系数增大；浅层的回填料空隙度大，导热系数小，实现提升地埋管与深部地层的换热性能，同时降低浅部地层对地埋管热损失。

进一步地，所述电磁振动器的一条支路包括串联在一起的电磁铁和加速度传感器，加速度传感器连接动态数据采集仪；另一支路也包括一电磁铁，两支路的电磁铁并联连接在可编程直流稳压电源上；两支路电磁铁的电压变化方式均可由可编程直流稳压电源控制；要求电磁铁与加速度传感器的直径均小于地埋管的内径。

地埋管在井筒内的安装方法参照浅层地热能竖直地埋管施工技术规程DB37/T4306-2021。

下面详细叙述本发明浅层地热能地埋管换热器干式回填方法。

S1：制备回填料

首先将钻井产生的岩石碎屑干燥后进行筛分，然后计算筛分后岩石碎屑的不均匀系数Cu，根据不均匀系数Cu值确定岩石碎屑的外掺砂料的粒径范围，外掺砂料的用量要保证回填料的粒径级配连续；

进一步：如果不均匀系数Cu<5，表明岩石碎屑粒径较为均匀，属于不良级配，需要外掺粒径小于岩石碎屑的砂料，使得回填料粒径分布连续，达到连续级配；如果不均匀系数Cu>20，说明岩石碎屑中缺失某些粒径，属于不连续级配，需要外掺砂料使回填料粒径分布连续，达到连续级配；

S2：确定井筒分层回填深度

根据钻井地区的地温分布资料，选取温度梯度变化点对应的深度做为回填分层线，分层线以下为深层回填区段，分层线以上为浅层回填区段；

S3：安装电磁振动器

将电磁振动器的一条支路的电磁铁置入地埋管任意一管路的底端，另一条支路的电磁铁与加速度传感器置入地埋管的另一管路的底端；两条支路的电磁铁并联连接在可编程直流稳压电源上，加速度传感器连接动态数据采集器；

S4：分级回填深层回填区段

在回填前，首先使用可编程直流稳压电源对电磁振动器的两条支路提供脉动式电压，并调整两块电磁铁极性相异，使其相互吸引；利用加速度传感器监测地埋管振动加速度值；在可编程直流稳压电源上首先设定输出最大电压，然后改变脉动式电压的周期使地埋管在井筒内的振动加速度达到最大值；

当地埋管的振动加速度达到最大值时开始回填，将制备的回填料从地面井口填入井筒，分级回填深层回填区段需遵循以下原则：如果监测到地埋管振动加速度值开始降低，说明回填高度已经接近电磁铁的位置，需要暂停回填并提升电磁块位置后再进行下一级回填；如果地埋管振动加速度逐渐增大，说明回填高度低于电磁铁位置，可以继续回填直到振动加速度开始降低；

S5：回填浅层回填区段

回填浅层回填区段需遵循以下原则：一是在回填过程中保持电压恒定在最大值，且两路电磁铁极性相同；二是当回填到井口附近时，以相同速度缓慢提升两路电磁铁直到完全从地埋管抽出，然后关闭电源。

浅层回填过程中保持两路电磁铁极性一直相同的目的是：在浅层回填区段内使两路地埋管相互排斥增大两管间距，避免出现热短路现象。

本发明技术方案的优点：

1.本发明采用井筒的干式回填是将干燥的钻屑混合特定粒径骨料，使填料颗粒级配连续，颗粒间隙小，又施加可控的振动使颗粒之间充分密实，降低回填区段的空隙度，可充分提升导热系数，增大地埋管与地层的换热效率。该方法实用性和经济性强，避免了常用的回填料掺水导致材料固化开裂会增大热阻的不良影响。

2.本发明采用分层回填方式，并在深层回填时采用脉动式电压，两路地埋管出现周期性吸引与松弛引起回填料颗粒振动，增大回填料的密实度，而浅层回填时采用稳定电压，两条地埋管始终处于排斥状态，增大地面管的间距，同时保持回填料处于松散状态。正因为如此，才能增大深层回填料的导热系数，减小浅层回填料的导热系数，既提高地埋管与深部地层的热交换性能，可降低地埋管的热量损失，削弱热短路，充分发挥垂直地埋管系统的换热性能。

附图说明

为更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所使用的附图作简单介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例原理图，对于本领域普通技术人员来讲，还可根据这些附图获得其他类似的附图。

图1为本发明回填方法施工原理示意图。

图2为本发明分层回填示意图。

图中：1—可编程直流稳压电源；2—供水管电磁铁；3—地埋管；4—加速度传感器；5—回水管电磁铁；6—深层回填区段；7—浅层回填区段。

具体实施方式

下面结合附图1-2对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定，回填工艺详细步骤如下：

S1：地埋管换热器的安放

在需要取热的地面钻井，收集井筒碎屑，然后将两条聚乙烯管用接头组成U型的地埋管3，地埋管3的一支路是供水管，另一支路是回水管，如图1所示，为了描述方便，将左边地埋管称为供水管，右边地埋管称为供水管；然后将组装后的U型的地埋管3下放到井筒中；

S2：制备回填料

首先筛分钻井碎屑，绘制钻屑中不同粒径组的质量累计曲线，其中横坐标为某一粒径，纵坐标为小于该粒径的钻屑的百分含量，计算钻屑的不均匀系数Cu；

然后根据不均匀系数Cu判断外掺砂料的粒径范围；如果不均匀系数Cu<5，表明钻屑粒径较为均匀，属于不良级配，需要外掺粒径小于钻屑粒径的砂料，使得回填料粒径分布连续，达到连续级配；如果不均匀系数Cu>20，表明钻屑中缺失某些粒径，属于不连续级配，需要外掺砂料使回填料粒径分布连续，外掺砂料的粒径范围可选择质量累计曲线中百分含量增幅较大区段对应的粒径范围；

S3：确定井筒分层回填深度

根据钻井区域的地温分布资料，选取温度梯度变化点对应的深度做为回填分层线，见图1，分层线以下为深层回填区段6，分层线以上为浅层回填区段7；

S4：安装电磁振动器

所述电磁振动器实际上有两支路，一支路包括设在供水管中的供水管电磁铁2，一支路包括设在回水管中的回水管电磁铁5和加速度传感器4，两支路的电磁铁并联在可编程直流稳压电源1上；安装时，用电导线牵引供水管电磁铁2置入地埋管3的供水管中，沿管壁放入供水管的底端，其电导线另一端连接在可编程直流稳压电源1上；再用电导线牵引回水管电磁铁5与加速度传感器4置入地埋管3回水管的底端，回水管电磁铁5导线也连接在可编程直流稳压电源1上，加速度传感器4与地面的动态数据采集器连接；

S5：分级回填深层回填区段6

在回填前，使用可编程直流稳压电源1对电磁振动器的两支路提供脉动式电压，检查供水管电磁铁2和回水管电磁铁5的极性，如果供水管电磁铁2和回水管电磁铁5的极性相同，那么调换任选一个电磁铁的正负极，使两块电磁铁异性相吸；在可编程直流稳压电源1上首先设定输出最大电压，然后调整脉动电压的周期使地埋管3在井筒内的振动加速度达到最大值，当加速度传感器4监测到地埋管3两个管路振动的加速度值达到最大值，开始对深层回填区段6进行回填，具体回填方法为：

将制备的回填料从地面井口填入井筒，在充填过程中一旦加速度传感器4监测到地埋管3振动加速度值开始降低，说明回填高度已经接近电磁铁的位置，就暂停充填；然后以相同的速度提升两路电磁铁到下一级充填位置，等加速度传感器4监测到地埋管3振动加速度值开始逐步增大，说明回填高度低于电磁铁位置，继续充填，循环操作，直至充填至回填分层线位置；

S6：回填浅层回填区段7

S6.1:继续使可编程直流稳压电源1输出最大电压并保持恒定，并调换任意一个电磁铁的正负极，使供水管电磁铁2和回水管电磁铁5的磁极相同，然后开始浅层回填区段7的回填;

S6.2:当回填料在井筒内堆积至井口附近时，以相同速度缓慢提升两路电磁铁，直至将电磁铁提出地埋管3，关闭电压，回填结束。

由于两路地埋管相互排斥，在浅层回填区段7内供水管电磁铁2和回水管电磁铁5的间距变大，可减小热短路现象。

实施例所述的可编程直流稳压电源1优选RA系列的可编程直流稳压电源，它具有高精度输出性能，可满足自动测试和自动控制方面的需求。

需要说明的是，上述实施例将加速度传感器4装在地埋管3的回水管中，在实际中，加速度传感器4也可装在地埋管3的供水管中，上述只是本发明一个实施例，并不作为对本发明技术方案的限制，具体保护范围以权利要求书记载的为准。

Claims (5)

1.一种浅层地热能地埋管换热器井筒干式回填方法，所述地埋管是聚乙烯管材，其结构是用U型接头连通两路管形成一个U型管，其中一路是供水管，另一路是回水管，其特征在于，该干式回填方法一是使用干燥的、粒径分布连续的回填料充填井筒内地埋管与井筒壁之间的空腔；二是在地埋管内放入电磁振动器，并通过控制地埋管的振动频率改变井筒内不同深度的回填料密实度，使井筒内深层回填料导热系数大于其浅层回填料的导热系数；

所述的回填料指的是在钻井过程中产生的干燥岩石碎屑或土渣中添加一定粒径的砂料，添加一定粒径的砂料的目的是促使回填料粒径级配连续。

2.如权利要求1所述的浅层地热能地埋管换热器井筒干式回填方法，其特征在于，所述的电磁振动器包括两支路，一支路设在地埋管任意一管路的底端中，另一支路设在地埋管另一管路的底端，通过在不同深度控制地埋管振动方式，使得两支路振动器在井筒不同深度以一定频率相互吸引或排斥，使井筒内深层回填料与井筒内浅层回填料的空隙度出现差异性，即：深层的回填料空隙度小，导热系数增大；浅层的回填料空隙度大，导热系数小。

3.如权利要求2所述的浅层地热能地埋管换热器井筒干式回填方法，其特征在于，所述电磁振动器的一条支路包括串联在一起的电磁铁和加速度传感器，加速度传感器连接动态数据采集仪；另一支路包括一电磁铁，两支路的电磁铁并联连接在可编程直流稳压电源上；两支路电磁铁的电压变化方式均由可编程直流稳压电源控制；要求电磁铁与加速度传感器的直径均小于地埋管的内径。

4.如权利要求3所述的浅层地热能地埋管换热器井筒干式回填方法，其特征在于，干式回填方法的详细步骤如下：

S1：制备回填料

首先将钻井产生的岩石碎屑干燥后进行筛分，然后计算筛分后岩石碎屑的不均匀系数Cu，根据不均匀系数Cu值确定岩石碎屑外掺砂料粒径，外掺砂料的用量要保证回填料的粒径级配连续；

S2：确定井筒分层回填深度

根据钻井地区的地温分布资料，选取温度梯度变化点对应的深度做为回填分层线，分层线以下为深层回填区段，分层线以上为浅层回填区段；

S3：安装电磁振动器

将电磁振动器的一条支路的电磁铁置入地埋管任意一管路的底端，另一条支路的电磁铁与加速度传感器置入地埋管的另一管路的底端；两条支路的电磁铁并联连接在可编程直流稳压电源上，加速度传感器连接动态数据采集器；

S4：分级回填深层回填区段

在回填前，首先使用可编程直流稳压电源对电磁振动器的两条支路提供脉动式电压，并调整两块电磁铁极性相异，使其相互吸引；利用加速度传感器监测地埋管振动加速度值；在可编程直流稳压电源上首先设定输出最大电压，然后改变脉动式电压的周期使地埋管在井筒内的振动加速度达到最大值；

当地埋管的振动加速度达到最大值时开始回填，将制备的回填料从地面井口填入井筒，分级回填深层回填区段需遵循以下原则：如果监测到地埋管振动加速度值开始降低，说明回填高度已经接近电磁铁的位置，需要暂停回填并提升电磁块位置后再进行下一级回填；如果地埋管振动加速度逐渐增大，说明回填高度低于电磁铁位置，可以继续回填直到振动加速度开始降低；

S5：回填浅层回填区段

回填浅层回填区段需遵循以下原则：一是在回填过程中保持电压恒定在最大值，且两路电磁铁极性相同；二是当回填到井口附近时，以相同速度缓慢提升两路电磁铁直到完全从地埋管抽出，然后关闭电源。

5.如权利要求4所述的浅层地热能地埋管换热器井筒干式回填方法，其特征在于，步骤S1中根据不均匀系数Cu值确定岩石碎屑外掺砂料粒径的方法是：如果不均匀系数Cu<5，表明岩石碎屑粒径较为均匀，属于不良级配，需要外掺粒径小于岩石碎屑的砂料，使得回填料粒径分布连续，达到连续级配；如果不均匀系数Cu>20，说明岩石碎屑中缺失某些粒径，属于不连续级配，需要外掺砂料使回填料粒径分布连续，达到连续级配。

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