一种适合岩溶地区的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料及其制备方法

1.本发明涉及浅层地热能利用技术领域，特别是涉及一种适合岩溶地区的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料及其制备方法。


背景技术：

2.浅层地热能是指地球浅表层数百米内的土壤、砂石和地下水中所蕴藏的低温热能，是可再生能源的重要组成部分。与传统能源相比，浅层地热能具有储量巨大、分布广泛、清洁环保、可循环利用等优点。因此，合理开发利用浅层地热能是解决能源短缺问题、平衡发展与消耗矛盾的必要技术手段之一，是近年来的研究热点问题。当前浅层地热能主要通过地源热泵技术进行开采，该技术通过地埋管换热器与浅层地热能进行冷热量交换实现对建筑物供冷供热。回填是地源热泵竖直地埋管换热器施工过程中的重要环节，即在钻孔完毕、安置完u形管后，向钻孔中注入回填材料。回填材料介于地埋管换热器与钻孔壁之间，是联接地埋管换热器与土层的传热介质，是保证地埋管换热器换热性能和施工质量的重要材料。
3.《地源热泵工程技术规范》(gb 50366-2005)中指出：竖直地埋管换热器灌浆回填料宜采用膨润土和细砂(或水泥)的混合浆或专用灌浆材料，膨润土的比例宜占4％-6％。对地下水流丰富的地区，为保持地下水的流动性，增强对流换热效果，不宜采用水泥基料灌浆。在岩溶地区，由于地层中存在大量溶洞并且地下水渗流丰富，采用水泥基回填材料易造成地下过水溶洞封孔，阻碍地下水的流动，影响对流换热效果，因此一般使用膨润土和细砂混合回填。然而，在一些实际工程中发现，由膨润土、细砂组成的回填材料由于粘结程度较差，易被地下水流冲刷带走，导致回填大量土料仍然无法完成钻孔回填。这样一方面使工程成本大大增加，另一方面，由于回填材料被水流冲刷带走，导致地埋管换热器与周围地层间接触热阻增大，影响地埋管换热器与周围地层的换热效果。
4.因此，开发一种适合岩溶地区的具有较高抗冲刷性能，并且导热性好、经济环保的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料，对于降低工程成本、提高竖直埋管换热器与周围地层的换热效率具有重要意义，有利于合理开发利用浅层地热能，符合保护环境、节能降耗的可持续发展战略。


技术实现要素：

5.基于上述内容，本发明提供一种适合岩溶地区的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料及其制备方法，本发明回填材料抗冲刷性能好，导热性好，经济环保，可以降低工程成本，提高竖直埋管换热器与周围地层的换热效率。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明技术方案之一，一种适合岩溶地区的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料，原料包括膨润土、石英砂、高岭土和水；
8.所述膨润土、石英砂、高岭土的质量比为1：(12～13)：(6～7)；
9.所述水的加入量为膨润土、石英砂和高岭土总质量的15％～17.5％。
10.膨润土由于导热系数小、膨胀性好等特点，如果用量太多会降低回填材料的导热系数，用量太少会降低回填材料的膨胀性，使回填材料与地埋管换热器及钻孔壁之间的接触热阻增大，影响地埋管换热器与周围地层间的换热效果，《地源热泵工程技术规范》(gb 50366-2005)中规定：膨润土基回填材料中膨润土的比例宜占4％-6％；石英砂由于粘结力低、导热系数大等特点，如果用量太多会增大回填材料的相对冲刷率，用量太少会降低回填材料的导热系数；高岭土具有粘结性强、导热系数一般等特点，如果用量太多会降低回填材料导热系数，用量太少会增加回填材料的相对冲刷率，即抗冲刷性能变差，因此，本发明优选的限定膨润土、石英砂、高岭土的质量比为1：(12～13)：(6～7)。
11.进一步地，所述膨润土为钠基膨润土，与钙基膨润土相比，钠基膨润土吸水膨胀性能更好。本发明限定钠基膨润土的比重为2.7～2.8，粒径小于0.075mm，粒径太大，钠基膨润土吸水膨胀性能较差，回填材料膨胀性降低；自由膨胀率≥1620％，自由膨胀率太低，钠基膨润土吸水膨胀性能较差，回填材料膨胀性降低。所以本发明优选的限定钠基膨润土粒径小于0.075mm、自由膨胀率≥1620％。
12.进一步地，所述石英砂的密度为1.3～1.8g/cm3，不均匀系数为4.1～4.2，曲率系数为1.6～1.7，粒径小于2mm。石英砂粒径太大，回填材料孔隙比较大，回填材料导热系数降低、相对冲刷率增大。所以本发明优选的限定石英砂粒径小于2mm。
13.在实际应用中，所述石英砂采用普通的河砂即可，节约成本。
14.进一步地，所述高岭土为软质高岭土，与硬质高岭土、砂质高岭土相比粘结性更好。比重为2.6～2.7，石英含量≥30％，石英含量太低，高岭土导热系数较小，回填材料导热系数降低；黏粒含量≥54％，黏粒含量太低，高岭土粘结性较差，回填材料相对冲刷率增大。所以本发明优选的限定软质高岭土中石英含量≥30％、黏粒含量≥54％。
15.本发明技术方案之二，上述的适合岩溶地区的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料的制备方法，包括以下步骤：
16.将膨润土、石英砂和高岭土混合均匀后，加水搅拌均匀，密封静置，得到所述适合岩溶地区的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料。
17.密封静置的目的是让回填材料内部水分分布更加均匀。
18.进一步地，加水搅拌的时间为5～10min。
19.进一步地，所述密封静置为恒温静置，静置温度为20～25℃，静置时间不少于24h。
20.静置温度过高，回填材料中水分蒸发较快；静置温度过低，回填材料中土的毛细现象减弱，最终都会影响回填材料内部水分的均匀分布，不利于回填材料加固黏结力的形成。因此，本发明优选的限定静置温度为20～25℃。
21.本发明公开了以下技术效果：
22.(1)本发明在原有膨润土基回填材料的基础上，通过添加高岭土使回填材料的抗冲刷性能显著提高，克服了岩溶地下水冲刷引起回填材料大量流失而导致钻孔难以回填成孔的施工缺陷，降低了地源热泵竖直埋管钻孔回填成本，提高了竖直埋管换热器与周围地层的换热效率。
23.(2)经过导热系数测试，确定本发明提出的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料与《地
源热泵工程技术规范》(gb 50366-2005)中规定的膨润土基回填材料导热系数接近，可以保证地埋管换热器与周围土层间具有较好的换热效果。
24.(3)本发明提出的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料配方中不含水泥，不会造成岩溶地区地下过水溶洞封孔，不会阻碍地下水的流动而影响对流换热效果。
25.(4)本发明提出的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料制作过程简单；各组分材料对环境无任何污染，并且成本较低、易于获取。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明回填材料制样装置示意图。
28.图2为本发明回填材料导热系数测试装置示意图。
29.图3为本发明回填材料抗冲刷性能测试装置示意图。
30.图1-3中标记：1-底座；2-击锤；3-制样管；4-sh-1双针传感器；5-回填材料试样；6-kd2 pro热特性分析仪；7-控流球阀；8-ts-18电子涡轮流量计；9-塑料多孔板；10-冲刷水槽；11-入水管；12-出水管；13-水泵调频控制器；14-亚克力水箱；15-变频水泵；16-变频加热器；17-滤布袋。
31.图4为本发明实施例1-3及对比例1-5所制备的回填材料导热系数柱状对比图。
32.图5为本发明实施例1-3及对比例1-5所制备的回填材料相对冲刷率柱状对比图。
具体实施方式
33.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
34.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
35.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
36.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
37.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即
意指包含但不限于。
38.本发明实施例中所用膨润土为高纯度(纯度达到90％以上)的mx80钠基膨润土，比重为2.7～2.8，粒径小于0.075mm，自由膨胀率≥1620％；所用石英砂为普通河砂，不均匀系数为4.1～4.2，曲率系数为1.6～1.7，密度为1.3～1.8g/cm3，粒径小于2mm；所用高岭土为未经任何处理的软质高岭土，比重为2.6～2.7，石英含量≥30％，黏粒含量≥54％；所用水为普通自来水。
39.本发明回填材料制样装置示意图如图1所示。
40.本发明回填材料导热系数测试装置示意图如图2所示。
41.本发明回填材料抗冲刷性能测试装置示意图如图3所示。
42.实施例1
43.将膨润土、石英砂和高岭土按质量比1：12：7充分混合均匀后，加水搅拌8min(5～10min与8min技术效果相当)，水的加入量为膨润土、石英砂和高岭土总质量的15％，将搅拌完成的混合料在25℃(20～25℃与25℃技术效果相当)密封静置24h，得到适合岩溶地区的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料，简称回填材料。
44.结果：本实施例制备的回填材料的相对冲刷率为0.77％，导热系数为1.698w/(m
·
k)。
45.实施例2
46.将膨润土、石英砂和高岭土按质量比1：13：6充分混合均匀后，加水搅拌8min(5～10min与8min技术效果相当)，水的加入量为膨润土、石英砂和高岭土总质量的17.5％，将搅拌完成的混合料在25℃(20～25℃与25℃技术效果相当)密封静置24h，得到适合岩溶地区的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料，简称回填材料。
47.结果：本实施例制备的回填材料的相对冲刷率为1.1％，导热系数为1.712w/(m
·
k)。
48.实施例3
49.将膨润土、石英砂和高岭土按质量比1：12.5：6.5充分混合均匀后，加水搅拌8min(5～10min与8min技术效果相当)，水的加入量为膨润土、石英砂和高岭土总质量的16％，将搅拌完成的混合料在25℃(20～25℃与25℃技术效果相当)密封静置24h，得到适合岩溶地区的地源热泵竖直埋管钻孔回填材料，简称回填材料。
50.结果：本实施例制备的回填材料的相对冲刷率为0.89％，导热系数为1.704w/(m
·
k)。
51.对比例1
52.与实施例1不同之处仅在于，回填材料(实施例1中的膨润土、石英砂和高岭土)为《地源热泵工程技术规范》(gb 50366-2005)中规定的膨润土基回填材料，钠基膨润土、石英砂的质量比为1:19。
53.结果：本对比例制备的回填材料的相对冲刷率为14.22％，导热系数为1.706w/(m
·
k)。与实施例1相比相对冲刷率增加了13.45％，说明回填材料的抗冲刷性能大幅度降低。
54.对比例2
55.与实施例1不同之处仅在于，膨润土、石英砂和高岭土的质量比为1:15:4。
56.结果：本对比例制备的回填材料的相对冲刷率为7.89％，导热系数为1.725w/(m
·
k)。与实施例1相比导热系数变化较小，相对冲刷率增加了7.12％，说明随着回填材料中高岭土的含量减少，回填材料的抗冲刷性能降低。
57.对比例3
58.与实施例1不同之处仅在于，膨润土、石英砂和高岭土的质量比为1:11:8。
59.结果：本对比例制备的回填材料的相对冲刷率为0.73％，导热系数为1.578w/(m
·
k)。与实施例1相比相对冲刷率变化较小，导热系数减小了0.12w/(m.k)，说明随着回填材料中高岭土的含量增加，回填材料导热性能降低。
60.对比例4
61.与实施例1不同之处仅在于，水的加入量为膨润土、石英砂和高岭土总质量的10％。
62.结果：本对比例制备的回填材料的相对冲刷率为4.2％，导热系数为1.376w/(m
·
k)。与实施例1相比回填材料试样的导热系数减小了0.322w/(m.k)，相对冲刷率增大了3.43％，说明随着回填材料中水的含量减少，回填材料的导热性能和抗冲刷性能均有所降低。
63.对比例5
64.与实施例1不同之处仅在于，水的加入量为膨润土、石英砂和高岭土总质量的20％。
65.结果：本对比例制备的回填材料的相对冲刷率为2.9％，导热系数为1.678w/(m
·
k)。与实施例1相比回填材料试样的导热系数变化较小，相对冲刷率增大了2.13％，说明随着回填材料中水的含量增加，回填材料的抗冲刷性能降低。
66.上述对实施例1-3以及对比例1-5所制备的回填材料的抗冲刷性能以及导热性能进行检测(图1、2、3)的方法具体如下：
67.(1)制作试样
68.根据地源热泵竖直埋管钻孔直径一般为110～130mm、竖直埋管钻孔回填材料在钻孔中一般以圆柱状存在且在上覆回填材料自重压力下具有一定密实度的特点，利用制样装置制备高120mm、直径110mm、干密度为1.5g/cm3的圆柱形回填材料试样5。
69.制样装置包括制样管3、金属杆和小型击实器。制样管3内径为110.0mm，高度为120.0mm，壁厚2.0mm，小型击实器由底座1和击锤2组成，底座1的直径为100.0mm，高度为20.0mm，击锤2的直径为20.0mm，高度为60.0mm，底座1和击锤2均采用不锈钢材料制成，底座1与金属杆连为一体，且套在制样管3内，击锤2中部设置小圆孔，并通过中部的小圆孔恰好套在金属杆上，能够自由上下滑动。制样管3提供了击实制样过程中对回填材料试样5的形状与体积的约束，严格控制了制样过程中回填材料试样5的初始干密度以及含水率。小型击实器的作用是放置于松散土样上对其实现击实的目的，即通过击锤2抬升做自由落体运动对底座1产生冲击力，从而能够作用于松散土样上实现击实之目的。
70.利用图1所示的制样装置按照以下步骤进行制样：
71.1)将制备好的回填材料均分三次倒入制样管3，每倒入一次即用击实器击实(先将土样面层摊匀，再将击实器底座1置于其上，推动击锤2击实试样直至试样面达到预定的高度)，下一层击实前应先对面层进行“拉毛”(保证回填材料试样5不出现分层现象)。
72.2)击实完成后，将回填材料试样5脱模后备用。
73.(2)导热系数测试
74.导热系数测试装置为美国decagon公司的kd2 pro土壤热特性分析仪6，其测试原理基于线热源理论，可归结于在无限大介质中有一恒定线热源的径向一维稳态导热的求解问题。本测试选用sh-1双针传感器4，由2根平行的不锈钢针构成，间距为6mm，其中一根针体内含线性加热源，另一根针体内含温度测量元件热电偶；测量时加热探针产生热脉冲，主机监控器将会采集到热电偶对热脉冲产生的温度响应，采用非线性最小二乘法对测试结果进行优化拟合得出导热系数。回填材料导热系数越大，说明其导热性能越好。
75.利用图2所示的导热系数测试装置按照以下步骤进行测试：
76.将sh-1双针传感器4插入制备好的回填材料试样5，测试其热物性参数，通过探针线反馈给kd2 pro热特性分析仪6。
77.取回填材料试样5不同位置多次测量导热系数，剔除异常值，取余下数据平均值作为最终测试结果。
78.(3)抗冲刷性能测试
79.本发明自主研发的抗冲刷性能测试装置由控流球阀7、ts-18电子涡轮流量计8、塑料多孔板9、冲刷水槽10、入水管11、出水管12、水泵调频控制器13、亚克力水箱14、变频水泵15、变频加热器16、滤布袋17组成。冲刷水槽10尺寸为(长
×
宽
×
高)950.0mm
×
300.0mm
×
250.0mm，内部设有一个进水孔、三个平行出水孔，孔径均为32.0mm，三个出水孔均配有孔塞，可根据水位要求关闭其中任意出水孔。距进水孔200.0mm处设置一个塑料多孔板9，孔径为1.8mm，可以起到缓冲水流的作用，将冲刷水槽10分隔成缓冲区和稳流区两部分。亚克力水箱14尺寸为(长
×
宽
×
高)450.0mm
×
440.0mm
×
620.0mm，内部设置一个功率为25w的变频水泵15以及一个功率为1200w的变频加热器16。变频水泵15可以将亚克力水箱14内的水泵送至冲刷水槽10中，利用水泵调频控制器13可以控制变频水泵15的启停及工作频率。变频加热器16可以调节水温。入水管11、出水管12由塑胶软管和pvc管组成，与冲刷水槽10连接处各安装一个控流球阀7，用以调节入水流量和水位高度。亚克力水箱14内的水通过入水管11进入冲刷水槽10中，入水管11与冲刷水槽10连接处安装一个ts-18电子涡轮流量计8，可以显示冲刷水槽10每分钟内入水流量。通过调整冲刷水槽10每分钟内入水流量以及过水断面面积，可以控制冲刷水槽10内水流速度。冲刷水槽10内的水通过出水管12流回亚克力水箱14中实现水流的循环，出水管12与亚克力水箱14连接处安装一个滤布袋17，可以收集冲刷掉的土颗粒，防止测试装置发生堵塞。
80.根据岩溶地区10米以下地层温度常年保持在20℃左右，地下水流速一般为0.9～6.8cm/s并且不会形成很深很大水流的特点。将冲刷水槽10内水位高度控制在试样高度的1/4～1/3左右，水流速度控制在6.8cm/s左右，水温控制在20℃左右。利用图3所示的抗冲刷性能测试装置按照以下步骤进行测试：
81.1)先将变频加热器16温度调整至20℃，待水温稳定后，通过水泵调频控制器13开启变频水泵15并调整至目标频率，调整控流球阀7，观察ts-18电子涡轮流量计8示数及水槽内水位高度，将冲刷水槽10内入水流量调整至目标数值，将水位高度调整至目标高度。
82.2)待冲刷水槽10内入水流量及水位高度达到要求并且水流基本达到稳定后，将回填材料试样5放置到冲刷水槽10稳流区内指定位置，开始计时。
83.3)冲刷1h后取出回填材料试样5并放入烘箱内烘干至恒重后取出，称量质量并做好记录。
84.4)定义相对冲刷率p为持续冲刷1小时后回填材料试样5中土颗粒的质量损失占原回填材料试样5中土颗粒质量的百分比，相对冲刷率越大，说明回填材料试样5流失土颗粒质量越大，受冲刷影响越严重，抗冲刷性能越差。相对冲刷率p计算公式见式(1)。
85.p＝m1/m0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
86.式中：m1为回填材料试样5流失土颗粒质量，m0为原回填材料试样5中土颗粒质量。
87.结果如图4(实施例1-3以及对比例1-5所制备的回填材料的导热系数柱状对比图)、图5(实施例1-3以及对比例1-5所制备的回填材料的相对冲刷率柱状对比图)所示。
88.对于岩溶地区地源热泵竖直埋管钻孔回填而言，回填材料的抗冲刷性能直接影响钻孔回填成本以及地埋管换热器与周围地层的换热效率。本发明在原有膨润土基回填材料的基础上，通过添加高岭土可显著提高回填材料的抗冲刷性能，其原因有二：一方面，高岭土作为一种黏土类矿物，黏粒含量较高，粘结性较强，产生的加固凝聚力使回填材料的粘结程度大大提高。另一方面，原有的膨润土基回填材料中石英砂所占比重较大，由于石英砂颗粒粒径较大且形状极不规则，导致回填材料内部存在大量孔隙，密实程度较低。由于高岭土颗粒粒径较小，可以起到填充分割大孔隙的作用，使回填材料密实程度提高，土颗粒之间的距离减小，土颗粒之间的引力作用增大，粘结程度提高。并且随着密实程度提高，回填材料防渗性能提高，与外部水流的接触减少，从而受水流冲刷影响减小，抗冲刷能力增强。
89.此外，高岭土与其他粘土材料相比，具有更高的导热系数，且经济环保、储量丰富，适合作为地源热泵竖直埋管钻孔回填材料的配比料。
90.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。