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.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610742267.7 (22)申请日 2016.08.26 (71)申请人 中冶集团武汉勘察研究院有限公司 地址 430080 湖北省武汉市青山区冶金大 道17号 (72)发明人 李海峰 程伯武 刘杰 (74)专利代理机构 武汉楚天专利事务所 42113 代理人 杨宣仙 (51)Int.Cl. A01G 25/00(2006.01) F25B 30/06(2006.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明提供一。

2、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， 钻井伸入砂土层内， 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， 在砂砾石填料层上方继续填充粘土 球至钻井的井口形成粘土球回填层。 本发明可以 大大增加地下渗流速度， 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。

3、低的沙土层地区。 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 CN 106386388 A 2017.02.15 CN 106386388 A 1.一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(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)； 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)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； 所述水管(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。

4、(1-2)上开设 有多个水孔(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)以下两 米内的位置形成砂砾石填料层(7)， 在砂砾石填料层(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)。 2.根据权利要求1所述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： 所述钻井(1-1)采用勘察钻机成孔， 孔径80150mm， 孔深为10m20m。 3.根据权利要求1或2所述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： 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。

5、布水结构的水管(1-2)连接； 所述地表开挖回填层(5)的深度为12m。 4.根据权利要求1或2所述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： 所述的粘土球回填层(8)的顶面位于地表开挖回填层(5)底部， 粘土球回填层(8)的厚 度为12m。 5.根据权利要求3所述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： 所述的水管(1-2)为塑料管， 管径为DN32或DN25， 所述水孔(1-3)为梅花形布置的小孔， 均匀分布在水管下部； 所述分支供水管(2-1)和供水管(2)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。

6、熔的方式连接。 6.一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80150mm， 孔深为10m20m； (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。

7、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。 7.根据权利要求6所述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： 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。 8.根据权利要求6所述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 权 利 要。

8、 求 书 1/2 页 2 CN 106386388 A 2 法， 其特征在于： 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 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。 9.根据权利要求6所述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。 10.根据权利要求6所述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： 所述多个布水结构分散设置。

9、， 且每144324的区域内布置一个布水结 构。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 106386388 A 3 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 技术领域 0001 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 0002 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。

10、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。 0003 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。 发明内容 0004 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， 。

11、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。 0005 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。

12、继续填充粘土球至 钻井的井口形成粘土球回填层。 0006 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80150mm， 孔深为 10m20m。 0007 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12m。 0008 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12m。 0009 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。

13、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。 说 明 书 1/4 页 4 CN 106386388 A 4 0010 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： 0011 (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； 0012 (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12m， 且大于冻土层厚度； 0013 (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1。

14、0m20m； 0014 (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； 0015 (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； 0016 (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； 0017 (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。 0018 上述步骤的。

15、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。 0019 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。 0020 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， 。

16、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。 0021 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1.52.5m。 0022 本发明较优的技术方案： 所述多个布水结构分散设置， 且每144324的区域内 布置一个布水结构。 0023 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。

17、， 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。 0024 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 说 明 书 2/4 页 5 CN 106386388 A 5 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。

18、， 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 0025 图1是本发明的系统结构图； 0026 图2是本发明中布水结构的示意图； 0027 图3是本发明的实施例图。 具体实施方式 0028 下面结合附图和实施例对本发明做出进一步说明。 0029 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。

19、 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80150mm， 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10m20m， 所述地表开挖回填层5的深度为12m， 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。

20、-1之间回填砂砾石至地表开挖回填层5以下12m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12m。 0030 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。 0031 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。

21、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： 0032 (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； 0033 (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； 0034 (3)根据布水结构的布设位置埋设。

22、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； 0035 (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； 说 明 书 3/4 页 6 CN 106386388 A 6 0036 (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； 0037 (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。

23、充粘土球， 粘土球的回填高度至钻井井口； 0038 (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； 0039 (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； 0040 (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。 0041 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。 说 明 书 4/4 页 7 CN 106386388 A 7 图1 图2 说 明 书 附 图 1/2 页 8 CN 106386388 A 8 图3 说 明 书 附 图 2/2 页 9 CN 106386388 A 9 。