一種改善土壤地下水徑流速度及換熱性能的系統及施工方法與流程

2023-05-31 08:30:21 6

本發明為一種改善土壤地下水徑流速度及換熱性能的系統及施工方法，該系統可以改善土壤的地下徑流速度及換熱性能，尤其是適用於北方砂土層地區，具體可應用於地源熱泵領域，也可以用於灌溉等其他領域。

背景技術：

近年來，由於能源短缺及環境汙染，國家大力推廣節能環保技術，在此影響下，我國地源熱泵技術獲得較快發展，應用面積已經超過2億m2，但是近幾年來地源熱泵行業面臨一個較大的問題——換熱量衰減、地下冷熱不平衡問題突出，這個問題嚴重影響地源熱泵行業發展，很多已經建成的地源熱泵系統處於系統臨崩潰的境地。因此，對於已經建成的系統，如何改善土壤冷熱平衡是一項重要課題。

研究表明：在地下徑流速度為10-6m/s(約30m/年)左右時，熱交換能力比無徑流時增大了約30％，綜上所述，而中國北方大部分地區，尤其地下水位較低的沙土層地區，基本上無徑流，其土壤冷熱平衡較差，所以需要通過提高地下水的徑流來提高土壤換熱量，改善土壤冷熱平衡狀況。

技術實現要素：

本發明根據現有技術的不足提供一種改善土壤地下水徑流速度及換熱性能的系統及施工方法，該系統可以用來改善土壤地下水徑流速度，從而提高土壤換熱效率、改善土壤冷熱平衡，其施工簡單、效果好。

本發明提供的一種改善土壤地下水徑流速度及換熱性能的系統，其特徵在於：該系統包括多個布水結構，所述多個布水結構通過供水管與市政水源連接，並在連接處設有可調試減壓閥和截止閥；每個布水結構包括鑽井和置於鑽井內的水管，所述鑽井的井口置於地表開挖回填層的底部，鑽井伸入砂土層內；所述水管下端伸入鑽井的底部，上端伸出鑽井井口並與供水管連通，在水管上開設有多個水孔；在水管與鑽井之間回填砂礫石至地表開挖回填層以下兩米內的位置形成砂礫石填料層，在砂礫石填充層上方繼續填充粘土球至鑽井的井口形成粘土球回填層。

本發明進一步的技術方案：所述鑽井採用勘察鑽機成孔，孔徑80～150mm，孔深為10m～20m。

本發明較優的技術方案：所述供水管置於地表以下，並通過多根埋設於地表開挖回填層內的分支供水管與每個布水結構的水管連接；所述地表開挖回填層的深度為1～2m。

本發明較優的技術方案：所述的粘土球回填層的頂面位於地表開挖回填層底部，粘土球回填層的厚度為1～2m。

本發明較優的技術方案：所述的水管為塑料管，管徑為DN32或DN25，所述水孔分布在水管下部，為圓孔，採用梅花形均勻布置；所述分支供水管和供水管為PE或PPR管，每根分支供水管通過彎管接頭與水管採用熱熔的方式連接。

本發明提供的一種改善土壤地下水徑流速度及換熱性能的系統的施工方法，其特徵在於，具體步驟如下：

(1)根據設計要求確定每個布水結構的布設位置，並測量放線，根據布水結構布設位置確定供水管的埋設線路；

(2)將布水結構布設處以及供水管埋設線路的地表土層挖開，其挖設深度為地表以下1～2m，且大於凍土層厚度；

(3)採用勘察鑽機在布水結構布設點鑽孔至砂土層內形成鑽井，其孔徑為80～150mm，孔深為10m～20m；

(4)根據鑽井深度和孔徑準備水管，並在水管上分散開設有多個水孔；在鑽井內埋設準備好的水管，所述水管的底端置於鑽井的井底，頂端露出鑽井的井口；

(5)根據設計要求埋設供水管，並將供水管與鑽井內的水管連接；

(6)在水管外壁與鑽井內壁之間回填砂礫石，其回填高度低於地表開挖回填層；然後在砂礫石上方繼續填充粘土球，粘土球的回填高度至鑽井井口，最後回填地表土層，將布水結構和供水管埋設在地表開挖回填層內；

(7)布水結構與供水管埋設好之後，將供水管與市政水源連接，並在連接處安裝可調試減壓閥和截止閥。

上述步驟的施工順序可以根據具體施工過程變換，以確保施工的便捷和降低施工承包費用；具體施工時可以先埋供水管，再單獨施工每個布水結構，並將每個布水結構內的水管與供水管連接，最後回填地表開挖土層；也可以先施工每個布水結構的鑽井，然後埋設供水管和每個布水結構內的水管，並將布水結構的水管與供水管連接，最後完成所有的回填步驟。

本發明較優的技術方案：所述多個布水結構可以同時施工，也可以按照先後順序逐個施工。

本發明較優的技術方案：所述每個布水結構的水管為管徑為DN32或DN25塑料管，在水管的下部分散開設有多個梅花形布置的水孔；所述供水管為PE或PPR管，並通過多個材料相同的分支供水管與水管連接，其連接處通過彎管接頭採用熱熔的方式連接，供水管和分支供水管的管徑通過水力計算確定，因系統而異。

本發明較優的技術方案：步驟(6)中所述粘土球的回填高度至地表開挖回填層底部，其厚度為1.5～2.5m。

本發明較優的技術方案：所述多個布水結構分散設置，且每144～324㎡的區域內布置一個布水結構。

本發明工作原理及使用方法：市政水源在可調式減壓閥、截止閥的控制下，通過供水管流向各系統的布水結構送水，水經過布水結構中水管上的水孔流入砂礫石填料層，礫石填料層有很好的通水性，水繼續向周邊及地下滲透流動，在流動過程中能夠提升周邊及深處土壤的地下水徑流速度，從而達到改善土壤換熱性能的效果。粘土球回填層的作用在於阻止水溢流到地表；可調式減壓閥及截止閥的作用在於控制水源補水的壓力和流量，使整個系統內維持適宜的水頭壓力及流量，保證水滲透流動的同時又不至於造成水的浪費；供水管的作用在於將各個布水結構的水管連接起來，輸送介質水。

本發明根據土壤和巖層的典型水力和傳熱特性，採用砂礫層對水管進行固定，由於砂礫層的水力傳導係數及表觀導熱係數較高，可以很容易將水輸送到砂土層內，由於砂土層水力傳導係數也比較高，所以可以很容易散開，大大增加了土壤的地下水滲流速度，地下水的滲流或流動有利於地熱換熱器的傳熱，並減弱或消除土壤的熱量不平衡或者減輕熱量累積效應；通過實驗證明，該系統可以大大增加地下水滲流速度，其熱交換能力比無滲流時增大了約30％，特別適用於中國北方大部分地區，尤其適合地下水位較低的砂土層地區。

附圖說明

圖1是本發明的系統結構圖；

圖2是本發明中布水結構的示意圖；

圖3是本發明的實施例圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明做出進一步說明。

如圖1所示的一種改善土壤地下水徑流速度及換熱性能的系統，包括多個布水結構1，所述多個布水結構通過供水管2與市政水源連接，並在連接處設有可調試減壓閥3和截止閥4；如圖2所示，每個布水結構1包括鑽井1-1和置於鑽井內的水管1-2，所述鑽井1-1採用勘察鑽機成孔，孔徑80～150mm，所述鑽井1-1的井口置於地表開挖回填層5的底部，鑽井1-1伸入砂土層6內，深度為10m～20m，所述地表開挖回填層5的深度為1～2m，且大於凍土層厚度。所述的水管1-2為塑料管，管徑為DN32或DN25，水管1-2下端伸入鑽井1-1的底部，上端伸出鑽井井口並與供水管2連通，在水管1-2下部均勻開設有多個梅花形布置的水孔1-3；在水管1-2與鑽井1-1之間回填砂礫石至地表開挖回填層5以下1～2m的位置形成砂礫石填料層7，在砂礫石填充層7上方繼續填充粘土球至鑽井1-1的井口形成粘土球回填層8，所述粘土球回填層8的厚度為1～2m。

如圖1和圖2所示，所述供水管2置於地表以下，並通過多根埋設於地表開挖回填層5內的分支供水管2-1與每個布水結構的水管1-2連接；所述分支供水管2-1和供水管2均為PE或PPR管，每根分支供水管2-1通過彎管接頭2-2與水管1-2採用熱熔的方式連接。

實施例：將本發明所述的系統在某項目的地源熱泵系統上進行了應用，該項目的土層為砂土層，其地源熱泵系統散熱效果差，為了改善該項目的地源熱泵系統散熱效果，在該項目區域施工了本發明中的改善土壤地下水徑流速度及換熱性能的系統，所述項目區域的面積為583m2(共6排6列，行間距4.5m，列間距為5m)，其具體施工步驟如下：

(1)根據設計要求確定每個布水結構的布設位置，並測量放線，根據布水結構布設位置確定供水管的埋設線路；如圖3所示，每個布水結構1分布在地源熱泵換熱器9之間，一共布設了4個布水結構，布水結構之間距離為9m*10m；

(2)將布水結構布設處以及供水管埋設線路的地表土層挖開，其挖設深度為2m，大於當地凍土層深度；

(3)根據布水結構的布設位置埋設供水管2和每個布水結構的分支供水管2-1；供水管2的進水端預留一段與市政水源水管連接的長度，每個分支供水管2-1均與供水管2熱熔連接；

(4)在其中一個布水結構設置點採用勘察鑽機成孔，孔徑100mm，孔深15m；

(5)根據鑽井深度和孔徑準備水管，水管為塑料管，並在水管下部均勻開設有多個梅花形布置的水孔，然後將水管插入鑽井內，其底端插入鑽井底面，頂端露出鑽井的井口50cm左右；

(6)在水管外壁與鑽井內壁之間回填砂礫石至地表開挖回填層以下2m的位置，然後再砂礫石上方繼續回填充粘土球，粘土球的回填高度至鑽井井口；

(7)根據設計要求將露井口的水管通過90°彎頭2-2與供水支管2-1熱熔連接，完成了這一個布水結構的施工；

(8)按照重複步驟3至步驟(6)依次完成第二至第四個布水結構；

(9)完成所有布水結構的施工之後，對布水結構以及供水管進行回填埋設，回填高度與原始地表平齊，恢復地表，然後將供水管與市政水源連接，並在連接處安裝可調試減壓閥和截止閥，通過調節閥門可控制向地下輸送的水量及壓力，實現對土壤下地下水徑流的影響。

該施工項目增加了本發明中的系統之後，其土壤冷熱平衡大大改善，效果明顯。