一种增强型垂直埋管地源热泵钻孔回填材料及其制备方法

技术领域

本发明属于浅层地热利用技术领域，涉及一种增强型垂直埋管地源热泵钻孔回填材料及其制备方法。

背景技术

地热资源量大面广，是一种清洁的可再生能源。地源热泵是浅层地热利用的重要形式之一，其是以岩土体、地下水或地表水等地热资源为低温热源，由热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的空调系统。研究者们普遍认为，在目前和将来，地源热泵是最有前途、最节能的空调系统。

垂直埋管地源热泵地下换热器埋设于岩土体中，是地埋管地源热泵空调系统与周围岩土体进行热交换的重要部件，显著影响地埋管地源热泵空调系统的换热效率。垂直埋管地源热泵地下换热器内的循环液与周围岩土体的换热过程依次包括：外管内的循环液(通常为水)与外管换热、外管与回填材料换热、回填材料与周围岩土体换热。

垂直埋管地源热泵需要在地层中钻换热孔，孔径一般在100mm～150mm之间，孔深在60m～100m。置于钻孔内的换热管道用作集热流体(换热介质)的流通管道，最后回填材料回填封孔。回填是垂直埋管地源热泵地下换热器施工过程中的重要环节，即在钻孔完毕、安装完换热管道后，向钻孔中注入回填材料的过程。回填材料介于垂直埋管地源热泵地下换热器的换热管与钻孔壁之间，用于换热管和周围土体的换热。因此，回填材料导热性能的优劣对于保证垂直埋管地源热泵地下换热器的换热性能有重要的意义。在地层状况一定的情况下，要求的钻孔深度以及由此带来的初安装费用很大程度上取决于回填材料的传热特性。

目前，垂直埋管地源热泵钻孔回填材料多采用膨润土基回填材料，存在导热系数较小的问题，导致地下换热器的换热效率并不高。因此，开发一种能够增强导热系数的增强型垂直埋管地源热泵钻孔回填材料，对于提高地源热泵地下换热器的换热效率有着重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种增强型垂直埋管地源热泵钻孔回填材料及其制备方法，能够提高回填材料的导热系数，进而提高地下换热器的换热效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种增强型垂直埋管地源热泵钻孔回填材料，该回填材料包括以下组分：钠基膨润土、标准砂、碳纤维粉末及除气水，所述的钠基膨润土、标准砂与除气水的质量比为1:(1.8-2.2):(0.9-1.1)，所述的碳纤维粉末的质量为钠基膨润土、标准砂与除气水总质量的0.9％-1.1％。回填材料呈浆液状。除气水是由自来水除去水中空气而制成。

进一步地，所述的钠基膨润土的比重为2.5-2.7，密度为1.2-1.8g/cm

进一步地，所述的标准砂的不均匀系数为0.9-1.1，曲率系数为1.7-1.9，平均粒径为0.25-0.29mm，孔隙比为0.23-0.25，密度为2-2.2g/cm

进一步地，所述的标准砂为硅砂或石英砂。

进一步地，所述的碳纤维粉末的平均直径为7-7.4μm，平均长度为0.14-0.16mm，密度为1.73-1.77g/cm

进一步地，所述的碳纤维粉末为聚丙烯腈基碳纤维粉末。

一种增强型垂直埋管地源热泵钻孔回填材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将钠基膨润土、标准砂及碳纤维粉末充分混合，之后加入除气水并进行搅拌；

2)依次进行抽真空、恒温静置，即得到所述的回填材料。

进一步地，步骤1)中，搅拌时间为3-10min。

进一步地，步骤2)中，抽真空过程为：在-72Kpa至-68Kpa下保持2-3h。在抽真空设备中除去混合物中的空气，是因为浆液内部存在微气泡，通过除气尽量消除这些微气泡以减小空气热阻。

进一步地，步骤2)中，恒温静置过程中，温度为28-32℃，时间为20-28h。

钻孔回填材料的导热系数对于提高垂直埋管地源热泵地下换热器的换热效率意义重大。本发明中，在由膨润土、标准砂配制而成的回填材料基础上加入碳纤维粉末，可显著提高回填材料的导热系数，其原因为：一方面，由于碳纤维粉末的导热系数较大，作为组成原料之一可提高回填材料的导热系数；另一方面，掺入的碳纤维材料呈纤维粉末状，更容易形成导热链条，提高回填材料的整体导热系数。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)在原有膨润土基回填材料的基础上，通过添加碳纤维粉末制备得到一种膨润土基回填材料复合浆液，具有较高的导热系数，能够提高垂直埋管地源热泵地下换热器的换热效率；

2)回填材料复合浆液制作简便，绿色环保，适于现场施工。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种增强型垂直埋管地源热泵用钻孔回填材料，包括以下原料：钠基膨润土、标准砂、碳纤维粉末和除气水。其中，膨润土、标准砂和除气水的质量比为1:2:1，碳纤维粉末质量为前述原料质量总和的1.0％。

标准砂，不均匀系数为1.0，曲率系数为1.8，平均粒径为0.27mm。

碳纤维粉末，平均直径为7.2μm，平均长度为0.15mm，长径比为20，碳纤维含碳量为95％。

增强型地源热泵膨润土基钻孔回填材料的制备方法包括以下步骤：

①根据配比(质量比，钠基膨润土、标准砂和除气水的质量比为1:2:1)，准确称取各组分材料，精确至0.1g；

②将各组分放置于容器中，充分干混钠基膨润土、标准砂、碳纤维粉末的混合料；

③将除气水加入钠基膨润土、标准砂、碳纤维粉末的混合料中，用电动搅拌器充分搅拌，至少3min；

④将配制好的回填材料浆液放置于抽真空设备中除去试样中的空气，抽真空设备保持-70Kpa压力至少2小时；

⑤取一定体积的浆液试样放置于容器中，将试样与容器共同放置于恒温水浴中(设定30℃)至少24小时；

⑥以上步骤完成后，回填材料浆液试样制备完成，待测导热系数。

回填材料浆液试样的导热系数测试采用基于线热源理论的热探针稳态方法，过程如下：

基于线热源理论的热探针稳态方法：

级数展开并简化后得到：

根据热探针法测试原理，已知：

q＝1.8V×0.5A＝0.9W

根据测试数据得到τ

λ＝1.199W/(m·K)

实施例2：

一种增强型垂直埋管地源热泵钻孔回填材料，该回填材料包括以下组分：钠基膨润土、标准砂、碳纤维粉末及除气水，钠基膨润土、标准砂与除气水的质量比为1:1.8:1.1，碳纤维粉末的质量为钠基膨润土、标准砂与除气水总质量的0.9％。

其中，钠基膨润土的比重为2.7，密度为1.2g/cm

该回填材料的制备方法包括以下步骤：

1)将钠基膨润土、标准砂及碳纤维粉末充分混合，之后加入除气水并进行搅拌；

2)依次进行抽真空、恒温静置，即得到回填材料。

步骤1)中，搅拌时间为10min。

步骤2)中，抽真空过程为：在-72Kpa下保持3h。恒温静置过程中，温度为28℃，时间为28h。

实施例3：

一种增强型垂直埋管地源热泵钻孔回填材料，该回填材料包括以下组分：钠基膨润土、标准砂、碳纤维粉末及除气水，钠基膨润土、标准砂与除气水的质量比为1:2.2:0.9，碳纤维粉末的质量为钠基膨润土、标准砂与除气水总质量的1.1％。

其中，钠基膨润土的比重为2.5，密度为1.8g/cm

该回填材料的制备方法包括以下步骤：

1)将钠基膨润土、标准砂及碳纤维粉末充分混合，之后加入除气水并进行搅拌；

2)依次进行抽真空、恒温静置，即得到回填材料。

步骤1)中，搅拌时间为3min。

步骤2)中，抽真空过程为：在-68Kpa下保持2h。恒温静置过程中，温度为32℃，时间为20h。

实施例4：

一种增强型垂直埋管地源热泵钻孔回填材料，该回填材料包括以下组分：钠基膨润土、标准砂、碳纤维粉末及除气水，钠基膨润土、标准砂与除气水的质量比为1:2:1，碳纤维粉末的质量为钠基膨润土、标准砂与除气水总质量的1％。

其中，钠基膨润土的比重为2.6，密度为1.5g/cm

该回填材料的制备方法包括以下步骤：

1)将钠基膨润土、标准砂及碳纤维粉末充分混合，之后加入除气水并进行搅拌；

2)依次进行抽真空、恒温静置，即得到回填材料。

步骤1)中，搅拌时间为7min。

步骤2)中，抽真空过程为：在-70Kpa下保持2.5h。恒温静置过程中，温度为30℃，时间为24h。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。