一种改善土壤地下水径流速度及换热性能的系统及施工方法与流程

本发明为一种改善土壤地下水径流速度及换热性能的系统及施工方法，该系统可以改善土壤的地下径流速度及换热性能，尤其是适用于北方砂土层地区，具体可应用于地源热泵领域，也可以用于灌溉等其他领域。

背景技术：

近年来，由于能源短缺及环境污染，国家大力推广节能环保技术，在此影响下，我国地源热泵技术获得较快发展，应用面积已经超过2亿m²，但是近几年来地源热泵行业面临一个较大的问题——换热量衰减、地下冷热不平衡问题突出，这个问题严重影响地源热泵行业发展，很多已经建成的地源热泵系统处于系统临崩溃的境地。因此，对于已经建成的系统，如何改善土壤冷热平衡是一项重要课题。

研究表明：在地下径流速度为10^-6m/s(约30m/年)左右时，热交换能力比无径流时增大了约30％，综上所述，而中国北方大部分地区，尤其地下水位较低的沙土层地区，基本上无径流，其土壤冷热平衡较差，所以需要通过提高地下水的径流来提高土壤换热量，改善土壤冷热平衡状况。

技术实现要素：

本发明根据现有技术的不足提供一种改善土壤地下水径流速度及换热性能的系统及施工方法，该系统可以用来改善土壤地下水径流速度，从而提高土壤换热效率、改善土壤冷热平衡，其施工简单、效果好。

本发明提供的一种改善土壤地下水径流速度及换热性能的系统，其特征在于：该系统包括多个布水结构，所述多个布水结构通过供水管与市政水源连接，并在连接处设有可调试减压阀和截止阀；每个布水结构包括钻井和置于钻井内的水管，所述钻井的井口置于地表开挖回填层的底部，钻井伸入砂土层内；所述水管下端伸入钻井的底部，上端伸出钻井井口并与供水管连通，在水管上开设有多个水孔；在水管与钻井之间回填砂砾石至地表开挖回填层以下两米内的位置形成砂砾石填料层，在砂砾石填充层上方继续填充粘土球至钻井的井口形成粘土球回填层。

本发明进一步的技术方案：所述钻井采用勘察钻机成孔，孔径80～150mm，孔深为10m～20m。

本发明较优的技术方案：所述供水管置于地表以下，并通过多根埋设于地表开挖回填层内的分支供水管与每个布水结构的水管连接；所述地表开挖回填层的深度为1～2m。

本发明较优的技术方案：所述的粘土球回填层的顶面位于地表开挖回填层底部，粘土球回填层的厚度为1～2m。

本发明较优的技术方案：所述的水管为塑料管，管径为DN32或DN25，所述水孔分布在水管下部，为圆孔，采用梅花形均匀布置；所述分支供水管和供水管为PE或PPR管，每根分支供水管通过弯管接头与水管采用热熔的方式连接。

本发明提供的一种改善土壤地下水径流速度及换热性能的系统的施工方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)根据设计要求确定每个布水结构的布设位置，并测量放线，根据布水结构布设位置确定供水管的埋设线路；

(2)将布水结构布设处以及供水管埋设线路的地表土层挖开，其挖设深度为地表以下1～2m，且大于冻土层厚度；

(3)采用勘察钻机在布水结构布设点钻孔至砂土层内形成钻井，其孔径为80～150mm，孔深为10m～20m；

(4)根据钻井深度和孔径准备水管，并在水管上分散开设有多个水孔；在钻井内埋设准备好的水管，所述水管的底端置于钻井的井底，顶端露出钻井的井口；

(5)根据设计要求埋设供水管，并将供水管与钻井内的水管连接；

(6)在水管外壁与钻井内壁之间回填砂砾石，其回填高度低于地表开挖回填层；然后在砂砾石上方继续填充粘土球，粘土球的回填高度至钻井井口，最后回填地表土层，将布水结构和供水管埋设在地表开挖回填层内；

(7)布水结构与供水管埋设好之后，将供水管与市政水源连接，并在连接处安装可调试减压阀和截止阀。

上述步骤的施工顺序可以根据具体施工过程变换，以确保施工的便捷和降低施工承包费用；具体施工时可以先埋供水管，再单独施工每个布水结构，并将每个布水结构内的水管与供水管连接，最后回填地表开挖土层；也可以先施工每个布水结构的钻井，然后埋设供水管和每个布水结构内的水管，并将布水结构的水管与供水管连接，最后完成所有的回填步骤。

本发明较优的技术方案：所述多个布水结构可以同时施工，也可以按照先后顺序逐个施工。

本发明较优的技术方案：所述每个布水结构的水管为管径为DN32或DN25塑料管，在水管的下部分散开设有多个梅花形布置的水孔；所述供水管为PE或PPR管，并通过多个材料相同的分支供水管与水管连接，其连接处通过弯管接头采用热熔的方式连接，供水管和分支供水管的管径通过水力计算确定，因系统而异。

本发明较优的技术方案：步骤(6)中所述粘土球的回填高度至地表开挖回填层底部，其厚度为1.5～2.5m。

本发明较优的技术方案：所述多个布水结构分散设置，且每144～324㎡的区域内布置一个布水结构。

本发明工作原理及使用方法：市政水源在可调式减压阀、截止阀的控制下，通过供水管流向各系统的布水结构送水，水经过布水结构中水管上的水孔流入砂砾石填料层，砾石填料层有很好的通水性，水继续向周边及地下渗透流动，在流动过程中能够提升周边及深处土壤的地下水径流速度，从而达到改善土壤换热性能的效果。粘土球回填层的作用在于阻止水溢流到地表；可调式减压阀及截止阀的作用在于控制水源补水的压力和流量，使整个系统内维持适宜的水头压力及流量，保证水渗透流动的同时又不至于造成水的浪费；供水管的作用在于将各个布水结构的水管连接起来，输送介质水。

本发明根据土壤和岩层的典型水力和传热特性，采用砂砾层对水管进行固定，由于砂砾层的水力传导系数及表观导热系数较高，可以很容易将水输送到砂土层内，由于砂土层水力传导系数也比较高，所以可以很容易散开，大大增加了土壤的地下水渗流速度，地下水的渗流或流动有利于地热换热器的传热，并减弱或消除土壤的热量不平衡或者减轻热量累积效应；通过实验证明，该系统可以大大增加地下水渗流速度，其热交换能力比无渗流时增大了约30％，特别适用于中国北方大部分地区，尤其适合地下水位较低的砂土层地区。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明中布水结构的示意图；

图3是本发明的实施例图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做出进一步说明。

如图1所示的一种改善土壤地下水径流速度及换热性能的系统，包括多个布水结构1，所述多个布水结构通过供水管2与市政水源连接，并在连接处设有可调试减压阀3和截止阀4；如图2所示，每个布水结构1包括钻井1-1和置于钻井内的水管1-2，所述钻井1-1采用勘察钻机成孔，孔径80～150mm，所述钻井1-1的井口置于地表开挖回填层5的底部，钻井1-1伸入砂土层6内，深度为10m～20m，所述地表开挖回填层5的深度为1～2m，且大于冻土层厚度。所述的水管1-2为塑料管，管径为DN32或DN25，水管1-2下端伸入钻井1-1的底部，上端伸出钻井井口并与供水管2连通，在水管1-2下部均匀开设有多个梅花形布置的水孔1-3；在水管1-2与钻井1-1之间回填砂砾石至地表开挖回填层5以下1～2m的位置形成砂砾石填料层7，在砂砾石填充层7上方继续填充粘土球至钻井1-1的井口形成粘土球回填层8，所述粘土球回填层8的厚度为1～2m。

如图1和图2所示，所述供水管2置于地表以下，并通过多根埋设于地表开挖回填层5内的分支供水管2-1与每个布水结构的水管1-2连接；所述分支供水管2-1和供水管2均为PE或PPR管，每根分支供水管2-1通过弯管接头2-2与水管1-2采用热熔的方式连接。

实施例：将本发明所述的系统在某项目的地源热泵系统上进行了应用，该项目的土层为砂土层，其地源热泵系统散热效果差，为了改善该项目的地源热泵系统散热效果，在该项目区域施工了本发明中的改善土壤地下水径流速度及换热性能的系统，所述项目区域的面积为583m²(共6排6列，行间距4.5m，列间距为5m)，其具体施工步骤如下：

(1)根据设计要求确定每个布水结构的布设位置，并测量放线，根据布水结构布设位置确定供水管的埋设线路；如图3所示，每个布水结构1分布在地源热泵换热器9之间，一共布设了4个布水结构，布水结构之间距离为9m*10m；

(2)将布水结构布设处以及供水管埋设线路的地表土层挖开，其挖设深度为2m，大于当地冻土层深度；

(3)根据布水结构的布设位置埋设供水管2和每个布水结构的分支供水管2-1；供水管2的进水端预留一段与市政水源水管连接的长度，每个分支供水管2-1均与供水管2热熔连接；

(4)在其中一个布水结构设置点采用勘察钻机成孔，孔径100mm，孔深15m；

(5)根据钻井深度和孔径准备水管，水管为塑料管，并在水管下部均匀开设有多个梅花形布置的水孔，然后将水管插入钻井内，其底端插入钻井底面，顶端露出钻井的井口50cm左右；

(6)在水管外壁与钻井内壁之间回填砂砾石至地表开挖回填层以下2m的位置，然后再砂砾石上方继续回填充粘土球，粘土球的回填高度至钻井井口；

(7)根据设计要求将露井口的水管通过90°弯头2-2与供水支管2-1热熔连接，完成了这一个布水结构的施工；

(8)按照重复步骤3至步骤(6)依次完成第二至第四个布水结构；

(9)完成所有布水结构的施工之后，对布水结构以及供水管进行回填埋设，回填高度与原始地表平齐，恢复地表，然后将供水管与市政水源连接，并在连接处安装可调试减压阀和截止阀，通过调节阀门可控制向地下输送的水量及压力，实现对土壤下地下水径流的影响。

该施工项目增加了本发明中的系统之后，其土壤冷热平衡大大改善，效果明显。