一种集成地温监测功能的地源井换热器及其施工方法
【专利摘要】本发明公开了一种集成地温监测功能的地源井换热器及其施工方法。地源井换热器包括U头和固定管卡，固定管卡包括支撑环和均匀设置在支撑环四周的固定卡箍，固定卡箍的内径与U型管换热器的外径一致，U型管换热器卡接在固定卡箍内，所述支撑环内卡接有地温监测管，地温监测管内下入地温监测装置；所述地温监测管、U型管换热器一同下入地源井中，地温监测装置位于地源井的中间，采集到的地温数据具有代表性。集成地温监测功能的地源井换热器施工方法在地源井施工时为监测工作预留好地温监测管，不增加施工成本，根据需要可在工程运行前、运行中、运行后随时下入多种的地温监测装置开展地温监测工作。且本发明工艺简单，技术可行，可操作性强。
【专利说明】
一种集成地温监测功能的地源井换热器及其施工方法
技术领域
[0001]本发明涉及浅层地温能开发利用领域，尤其是一种集成地温监测功能的地源井换热器及其施工方法。
【背景技术】
[0002]浅层地温能具有可持续利用、取用方便、高效节能、运行费用低等优点，是重要的本地化、可再生无污染的资源。开发利用浅层地温能对构建资源节约型和环境友好型社会、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现具有重要的意义。截至2015年，全国利用浅层地温能的建筑物面积已达3.92亿平方米，建成了大量的地源热栗系统，其中又以地埋管地源热栗系统为主，并呈逐年增高趋势，是浅层地温能开发利用主要方向。
[0003]由于地埋管地源热栗系统需要连续循环换热，势必改变原有温度场、化学场背景值，对土壤热、湿及盐分迀移的影响研究有待进一步深入，因此必须加强地源热栗开发利用工程监测工作，监测换热井及周围地层温度以及其变化规律、恢复能力，以指导工程利用，防止产生不良环境地质问题，保障工程运行效果。
[0004]目前，对于浅层地温能开发利用工程施工科研和专利成果主要集中在岩土层热物性测试、地热能换热器和热栗机组等方面，对地温场监测科研和专利成果主要集中在监测设备、监测方式和监测系统方面，即单一研究工程施工或监测，各项工作独立开展，而对于工程开发利用地源井和监测集成利用研究较少，形成的专利主要有分布式光纤地温场监测装置、一种浅层地温监测传感器串、分布串列式地层精细温度测量和无线传输采集系统等。监测装置安装时需单独施工钻孔且下入后采用水泥砂浆固定不可变动，不能实现设备的更新换代，更关键的是如果监测设备出现故障维修难度较大、费用较高或难以维修，只能报废，造成监测系统损坏失效。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术的不足，充分发挥地源井作用，降低地温监测工作成本，本发明提出了一种集成地温监测功能的地源井换热器及其施工方法。
[0006]本发明采用如下技术方案:
[0007]—种集成地温监测功能的地源井换热器，包括U头和固定管卡，U头连接有进水管及回水管，进水管和回水管通过U头连接成为U型管换热器；
[0008]所述固定管卡包括支撑环和均匀设置在支撑环四周的固定卡箍，固定卡箍的内径与U型管换热器的外径一致，U型管换热器卡接在固定卡箍内，所述支撑环内卡接有地温监测管，地温监测管内下入地温监测装置；
[0009]所述地温监测管、U型管换热器一同下入地源井中，地温监测装置位于地源井的中间，采集到的地温数据具有代表性。
[0010]优选地，所述U头为单U头，固定管卡包括支撑环和均匀设置在支撑环四周的两个固定卡箍，一组进水管和回水管通过单U头连接成为单U型管换热器。[0011 ]优选地，所述U头为双U头，固定管卡包括支撑环和均匀设置在支撑环四周的四个固定卡箍，两组进水管和回水管通过双U头连接成为双U型管换热器。
[0012]优选地，所述U型管换热器的规格为Φ25或Φ 32。
[0013]优选地，所述地温监测管为PE管，规格不小于Φ32。
[0014]上述集成地温监测功能的地源井换热器的施工方法包括如下步骤:
[0015]步骤一:制作地源井换热器，将U型管与U头熔接，并做好严密性测试，将地温监测管底部密封，并做好严密性测试，下管前采用固定管卡将U型管和地温监测管进行分离定位，将U型管换热器卡在固定卡箍内，将地温监测管卡在支撑环内，保证U型管和地温监测管稳固定位，确保下管到位无位移；
[0016]步骤二:地源井施工，在指定位置根据涉及要求钻孔，以保证井空垂直度、满足下放U型管换热器和地温监测管、适于回填为准；
[0017]步骤三:下管施工，地源井施工完成后立即下管，地温监测管、U型管换热器在充水状态下插入井中，下管时用专用的下管器进行下管，下管达到预定深度后，进行井口固定；
[0018]步骤四:灌浆回填，回填应确保钻孔灌浆密实，无空腔，完成灌浆后对U型管和地温监测管稳定I小时观察压力变化，确保下管过程中没有对管壁造成破坏；
[0019]步骤五:下入测温装置，在地源井换热器运行前、运行中、运行后随时在地温监测管内下入地温监测装置，使地温监测装置连接地上的地温监测系统。
[0020]进一步地，所述步骤一中固定管卡之间的间距为3_5m。
[0021]进一步地，所述步骤二中地源井的井深超过设计深度0.5_2m终孔，地源井的孔径在松散层不小于150mm，在基岩不小于130mm，地源井的垂直度小于1°。
[0022]进一步地，所述步骤三中U型管的长度长于井深，使U型管露出井口l_2m，下管完成后做好管头封堵，防止杂物进入堵塞管道。
[0023]进一步地，所述步骤四中灌浆回填采用原浆自然回填，回填材料不足时，基岩地层采用细沙混合水泥进行回填，细沙、水泥混合比例为1:3;松散层采用粘土混合细砂进行回填，粘土、细砂混合比例为1:9。
[0024]采用如上技术方案取得的有益技术效果为:
[0025]1、可以将换热器和地温监测装置集成在一个地源井内，保证工程运行和监测互不干扰，一次投入实现两种目的。
[0026]2、在不影响工程利用和监测系统运行的情况下，可以更换故障的地温监测装置，也可以实现地温监测装置的更新升级。
[0027]3、地温监测装置位于地源井的中间，采集到更具代表性的地温数据，避免由于测温系统偏近于地源井换热器进水管或回水管导致的数据偏大或偏小。
[0028]4、采用本方法可以在地源井施工时为监测工作预留好监测管路，不增加施工成本，根据需要可在地源热栗工程运行前、运行中、运行后随时下入多种不同类型的监测仪器开展地温监测工作。且本发明工艺简单，技术可行，可操作性强。
【附图说明】
[0029]图1为双U型换热器管卡结构示意图。
[0030]图2为单U型换热器管卡结构示意图。[0031 ]图3为集成地温监测功能的地源井换热器结构示意图。
[0032]图中，1、固定卡箍，2、支撑环，3、卡口，4、固定管卡，5、地温监测管，6、回水管，7、进水管，8、U头。
【具体实施方式】
[0033]结合附图1至3对本发明的【具体实施方式】做进一步说明:
[0034]—种集成地温监测功能的地源井换热器，包括U头8和固定管卡4，U头连接有进水管及回水管，进水管7和回水管6通过U头连接成为U型管换热器;所述固定管卡包括支撑环和均匀设置在支撑环四周的固定卡箍，固定卡箍的内径与U型管换热器的外径一致，U型管换热器卡接在固定卡箍内，所述支撑环内卡接有地温监测管5，地温监测管内下入地温监测装置;所述地温监测管、U型管换热器一同下入地源井中，地温监测装置位于地源井的中间，采集到的地温数据具有代表性。
[0035]U头为单U头，一组进水管和回水管通过单U头连接成为单U型管换热器。固定管卡包括支撑环2和均匀设置在支撑环四周的两个固定卡箍，固定卡箍I上开有卡口 3，如图2所不O
[0036]U头为双U头，两组进水管和回水管通过双U头连接成为双U型管换热器。固定管卡包括支撑环2和均匀设置在支撑环四周的四个固定卡箍I，固定卡箍上开有卡口3，如图1所不O
[0037]U型管换热器的规格为Φ 25或Φ 32。地温监测管为PE管，规格一般不小于Φ 32，多选择φ 32，方便下入地温监测装置。
[0038]施工准备，认真熟悉设计图纸，做好钻孔定位、技术交底和人、机、料的前期准备工作。上述集成地温监测功能的地源井换热器的施工方法包括如下步骤:
[0039]步骤一:制作地源井换热器，将进水管、回水管与U头熔接组成换热器，将地温监测管与U头熔接，并做好严密性测试，将地温监测管底部密封，下管前采用固定管卡将U型管和地温监测管进行分离定位，将U型管换热器卡在固定卡箍内，将地温监测管卡在支撑环内，保证U型管和地温监测管稳固定位，确保下管到位无位移。
[0040]不管是单U型管换热器还是双U型管换热器，地温监测管一定要与U型管连接稳固，确保下管到位无位移，以免造成测温数据漂移。U型管和地温监测管的规格一般统一，为方便测温仪器的安放和更换，地温监测管口径一般选用Φ 32。为防止支管间发生短路传热影响U型管换热器效果，造成监测数据失真，，固定管卡之间的间距一般为3-5m。
[0041 ]步骤二:地源井施工，在指定位置根据涉及要求钻孔，以保证井空垂直度、满足下放U型管和地温监测管、适于回填为准。
[0042]钻井施工是地源热栗系统的基础环节，是整个地源热栗系统造价构分中最具有弹性的部分。钻井施工应根据不同的地质情况采取不同的施工工艺。孔深按技术要求，一般超过设计深度0.5-2m终孔，孔径在松散层不小于150mm，基岩不小于130mm，孔深误差不应大于50mm，垂直度小于1°。
[0043]步骤三:下管施工，地源井施工完成后立即下管，地温监测管、U型管换热器在充水状态下插入井中，下管时用专用的下管器进行下管，下管达到预定深度后，进行井口固定。
[0044]下管速度要均匀，防止下管过程中损坏管道，如果遇有障碍和不顺畅现象，应及时查明原因，待做好处理后才能继续下管。U型管的长度应比孔深略长，使得其能够露出l-2m，下管完成后做好管头封堵，防止杂物进入堵塞管道，做好警示标识，防止人为破坏。
[0045]步骤四:灌浆回填，回填应确保钻孔灌浆密实，无空腔，完成灌浆后对U型管稳定I小时观察压力变化，确保下管过程中没有对管壁造成破坏。
[0046]灌浆回填采用原浆自然回填，回填材料不足时，基岩地层采用细沙混合水泥进行回填，细沙、水泥混合比例为1:3;松散层采用粘土混合细砂进行回填，粘土、细砂混合比例为1:9。
[0047]步骤五:下入测温装置，在地温监测管内下入地温监测装置，地温监测装置连接地上的地温监测系统。
[0048]地温监测管可下入单总线数字式、光纤光栅、分布式光纤等方式的地温监测装置，达到地源井换热器与地温监测装置集成目标，地温监测装置出现故障时可及时更换。
[0049]经某地区浅层地温能调查评价项目进行验证，集成地温监测功能的地源井换热器的施工方法可适应沉积岩、花岗岩、变质岩三大岩类。集成地温监测功能的地源井换热器能够下入单总线数字式、光纤光栅、分布式光纤等方式的地温监测装置，可以应用在地温场背景值监测、开发利用工程动态监测中。
[0050]某地区利用该施工方法开展了热响应试验，同时保留了一定比例的地温监测管，建立了地温监测系统，保留的地温监测管可根据需要随时下入监测装置成为地温监测孔，每孔可节约钻探施工费用3-5万元不等。
[0051]集成地温监测功能的地源井换热器的施工方法在某地区地温能开发示范基地地埋管地源热栗系统中得到了良好应用，共施工11组44个钻孔，其中主孔既作为换热孔参与工程应用，也是地温监测孔使用，预留的监测管可随时更换调整监测装置。
[0052]由于经济和技术原因，大量的开发利用工程未制定地温监测方案开展地温监测工作，而工程运行后受场地条件、地源井间距要求等因素的限制又无法补充施工监测孔。但采用本施工方法可以在地源热栗工程地源井施工时为监测工作预留好监测管路，不增加施工成本，根据需要可在工程运行前、运行中、运行后随时下入多种不同类型的监测仪器开展地温监测工作。
[0053]地源井和监测井一般分别施工，但集成地温监测功能的地源井换热器的施工方法是在地源井施工时同步下入独立的地温监测管，工艺简单，技术可行，可操作性强，U型管作为换热器支持浅层地温能开发利用，地温监测管作为地温监测仪器安装保护套管支持地温监测，地源井换热器与地温监测装置独立运行，互不干扰。在经费允许的情况下，可以在开发利用工程区形成独立的小型监测系统，所有独立的小型监测系统集成到一个平台可形成区域性地温监测系统。
[0054]当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
【主权项】
1.一种集成地温监测功能的地源井换热器，包括U头(8)和固定管卡，U头连接有进水管(7)及回水管(6)，进水管(7)和回水管(6)通过U头(8)连接成为U型管换热器，其特征在于， 所述固定管卡包括支撑环(2)和均匀设置在支撑环(2)四周的固定卡箍(I)，固定卡箍(I)的内径与U型管换热器的外径一致，U型管换热器卡接在固定卡箍(I)内，所述支撑环(2)内卡接有地温监测管(5)，地温监测管(5)内下入地温监测装置； 所述地温监测管(5)、U型管换热器一同下入地源井中，地温监测装置位于地源井的中间，采集到的地温数据具有代表性。2.根据权利要求1所述的一种集成地温监测功能的地源井换热器，其特征在于，所述U头为单U头，固定管卡包括支撑环(2)和均匀设置在支撑环(2)四周的两个固定卡箍(I)，一组进水管(7)和回水管(6)通过单U头连接成为单U型管换热器。3.根据权利要求1所述的一种集成地温监测功能的地源井换热器，其特征在于，所述U头为双U头，固定管卡包括支撑环(2)和均匀设置在支撑环(2)四周的四个固定卡箍(I)，两组进水管(7)和回水管(6)通过双U头连接成为双U型管换热器。4.根据权利要求1所述的一种集成地温监测功能的地源井换热器，其特征在于，所述U型管换热器的规格为Φ 25或Φ 32。5.根据权利要求1所述的一种集成地温监测功能的地源井换热器，其特征在于，所述地温监测管(5)为PE管，规格不小于Φ 32。6.根据权利要求1至5任意项所述的一种集成地温监测功能的地源井换热器的施工方法，其特征在于，所述施工方法包括如下步骤: 步骤一:制作地源井换热器，将U型管与U头熔接，并做好严密性测试，将地温监测管底部密封，并做好严密性测试，下管前采用固定管卡将U型管和地温监测管进行分离定位，将U型管换热器卡在固定卡箍内，将地温监测管卡在支撑环内，保证U型管和地温监测管稳固定位，确保下管到位无位移； 步骤二:地源井施工，在指定位置根据涉及要求钻孔，以保证井空垂直度、满足下放U型管换热器和地温监测管、适于回填为准； 步骤三:下管施工，地源井施工完成后立即下管，地温监测管、U型管换热器在充水状态下插入井中，下管时用专用的下管器进行下管，下管达到预定深度后，进行井口固定； 步骤四:灌浆回填，回填应确保钻孔灌浆密实，无空腔，完成灌浆后对U型管和地温监测管稳定I小时观察压力变化，确保下管过程中没有对管壁造成破坏； 步骤五:下入测温装置，在地源井换热器运行前、运行中、运行后随时在地温监测管内下入地温监测装置，使地温监测装置连接地上的地温监测系统。7.根据权利要求6所述的一种集成地温监测功能的地源井换热器的施工方法，其特征在于，所述步骤一中固定管卡之间的间距为3-5m。8.根据权利要求6所述的一种集成地温监测功能的地源井换热器的施工方法，其特征在于，所述步骤二中地源井的井深超过设计深度0.5-2m终孔，地源井的孔径在松散层不小于150mm，在基岩不小于130mm，地源井的垂直度小于1°。9.根据权利要求6所述的一种集成地温监测功能的地源井换热器的施工方法，其特征在于，所述步骤三中U型管的长度长于井深，使U型管露出井口 l-2m，下管完成后做好管头封堵，防止杂物进入堵塞管道。10.根据权利要求6所述的一种集成地温监测功能的地源井换热器的施工方法，其特征在于，所述步骤四中灌浆回填采用原浆自然回填，回填材料不足时，基岩地层采用细沙混合水泥进行回填，细沙、水泥混合比例为I: 3;松散层采用粘土混合细砂进行回填，粘土、细砂混合比例为1:9。
【文档编号】F24J3/08GK106049507SQ201610556076
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】吴晓华, 赵书泉, 陈洪年, 贾琛
【申请人】山东省鲁南地质工程勘察院