工程报废降水井直埋式地下换热器.pdf

一种工程报废降水井直埋式地下换热器，它通过在报废工程降水井中插入各形状的管状换热器装置进行建筑工程报废降水井安全封填的同时，可以进行浅层低温地热能转换，起到封填和地源热泵预成孔直接埋设管状换热器的双重作用。在工程报废降水井封填之前，通过人力或机械竖直插入U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或其它形状的管状换热器。在水井套管内壁与管状换热器的空隙中充填封井材料，井顶附近回填保温材料。井内的各类管状换热器与地表管路连接，换热器管路内充填的交换流体与回填材料、回填保温材料、水井套管、水井套管外填砾料、井周土－水系统进行热交换，形成封闭式地源热泵的地下低温地热能交换器。

1.  一种工程报废降水井直埋式地下换热器，在工程报废降水井封填之前，通过人力或机械竖直插入U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或其它形状的管状换热器。在水井套管内壁与管状换热器的空隙中充填封井材料，井顶附近回填保温材料。井内的各类管状换热器与地表管路连接，换热器管路内充填的交换流体与回填材料、回填保温材料、水井套管和沉砂管、水井套管外填砾料、井周土-水系统进行热交换，形成封闭式地源热泵的地下低温地热能交换器。

2.  根据权利要求1所述的工程报废降水井直埋式地下换热器，其特征是：本技术中封填工程报废降水井内安置U型管状换热器或螺旋型盘管换热器或“钻孔直埋式”方法中的其它类型换热管，其采用采用的工程降水井的设计、施工工艺、验收与目前正常工程降水井的完全一样，均按国家现行有关规范执行。

3.  根据权利要求1所述的工程报废降水井直埋式地下换热器，其特征是：工程报废降水井封填之前，在水井套管内居中下置各类高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，管径为19mm-38mm，管状换热器的竖向高度约等同于桩长，其管状换热器底部距桩尖1m-2m，管状换热器外壁距管桩内壁在10mm-100mm之间。

4.  根据权利要求1所述的工程报废降水井直埋式地下换热器，其特征是：在工程报废降水井内下置各类高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，其形状可以是U型管形状换热管、螺旋型盘管形状换热器或其它形状的管状换热器，各类管状换热器下到水井套管内，并成为地源热泵的地下循环换热系统。

5.  根据权利要求1所述的工程报废降水井直埋式地下换热器，其特征是：下置的各类管状换热器采用的方法可以是人力方法或机械方法。

6.  根据权利要求1所述的工程报废降水井直埋式地下换热器，其特征是：在水井套管内壁与各类换热器的空隙中根据实际封井设计要求，在报废井水井中分层或不分层填埋各类封井回填材料，如粘土、水泥、砂砾，在距井顶0m-2m填入高强度保温回填材料。

7.  根据权利要求1所述的工程报废降水井直埋式地下换热器，其特征是：安置在封填工程报废降水井的各类型管状换热器中需要充填热交换流体，该流体采用水、盐水或各种防冻剂溶液，形成封闭型循环系统。

8.  根据权利要求1所述的工程报废降水井直埋式地下换热器，其特征是：管状换热器出口向上并绑扎一定厚度的保温材料，绑扎的长度约为0.5m-2.0m，形成的管状换热器系统连接地表交换管路、水泵和满足实际要求的不同功率的各型号地源热泵机组。

9.  根据权利要求1所述的工程报废降水井直埋式地下换热器，其特征是：安置在桩体中的U型管状换热器系统或螺旋型盘管换热器系统或其它形状的管状换热器系统，可以设置1组或多组高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器。

工程报废降水井直埋式地下换热器
所属技术领域：
本发明涉及建筑工程报废降水井封填技术与封闭式地源热泵技术相结合，是一种利用报废工程降水井中插入管状换热器装置进行低温地热能转换的一种直埋式地下换热器，该装置既可以将建筑工程报废降水井安全封填又具备低温地热能循环换热能力的多功能直埋式地下换热器。
背景技术：
目前，公知的工程降水井主要是指为工程降水服务的管井，它们的使用时限是有限的，一般伴随着主体工程或开挖工程施工的结束而结束。报废的降水井必须及时封填，否则将串通污染地下水、造成安全隐患(关超，水井吃人何时了，劳动保护杂志，2000(6)：35)、影响其它隐蔽工程正常施工等问题。地方政府也出台相关政策报废水井必需及时封填(哈尔滨市城市节约用水管理条例、太原市水资源管理办法等)。目前的工程降水井的设计主要是依据工程降水要求、场地的水文地质条件和相关规范(建筑与市政降水工程技术规范JGJ/T111-98)，主体或分项工程结束之后，采用砂砾、粘土、水泥等材料根据实际情况封填水井，具体方法主要有全井封填法、用架桥封填法、透孔封填法、静态爆破封填法、水泥灌封、粘土封填等方法(郭福盛等，废弃水井封填技术方法的探讨，探矿工程，1999(增)：417)。
各口径工程降水井的构造一般是由砾料、井套管、虑水管、沉砂管、水泵等构成，起降低局部地下水位的作用，工程结束后封填。但尚无利用地热梯度的功用，这忽视了降水井的入土换热作用。而在中纬度地带，地温与地面环境相比，5-10m以下全年地温基本可以稳定于年平均温度，可以分别在夏冬两季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度(高青，于鸣，效率高、环保效能好的供热制冷装置一地源热泵的开发与利用，吉林工业大学自然科学学报，2001年4月，Vol.31(2)：96-102)，此为地源热泵的工作原理。目前地源热泵技术的埋管方法主要是预钻孔直接埋设U型聚乙烯管，其费用很高，一般可占总投资的一半以上，远大于相同条件下的电动热泵等的初投资(姜宝成，王永镖，李炳熙，地源热泵的技术经济性评价，哈尔滨工业大学学报，2003年2月第35卷第2期，195-202)，这给该技术的发展造成困难。关于桩内埋管，国内有人提出过U型桩埋管换热器的概念，但该法本质上还是传统地源热泵的钻孔直接埋设U型换热管的改进，仅把钻孔中的填料改为水泥浆。(赵军，李新国等，地源热泵在实际工程中的应用与研究，建筑施工技术(天津建筑科技)，2003，No.5：14-16)。虽然国外也有人提过桩埋换热器的概念，但都是基于高强度聚乙烯U型盘管混凝土灌注实心截面桩(Laloui Lyesse，Moreni Matteo，Vulliet Laurent，Behavior of a bi-functional pile，foundation and heat exchanger，Canadian Geotechnical Journal，v 40，n 2，April，2003，p 388-402.)，这些基于钻孔或各种混凝土灌注桩中埋设管状换热器的缺点是：钻孔费用高，混凝土灌注桩中的盘管换热器施工复杂，需要盘管绑扎钢筋笼等工序。而且在各类实心截面桩中盘管位置会出现局部材料软化区和应力集中，影响桩身质量，对桩基的传统承载性能产生不利作用。另外各种聚乙烯材质的管状换热器还有被挤压破坏的风险。另外，国内已有的公开实用新型称为“一种地下能源采集桩”，其申请号为(200410082851.1，200520090102.3)公开号为(CN1786615，CN2780832)。其仅考虑了管状换热器为一组U型盘管或开放式的类似套管型的管状换热器，它们的换热器效率都不高，而且在管桩中空桩心未添置回填材料，直接影响与土层的换热效率。另外，当管桩作为围护桩或桩顶近地表时，未考虑冬季近地表的管路保温问题。
发明内容
所谓低温地热能(Low Temperature Earth-heat-energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。为了克服现有的工程报废降水井处理仅考虑其封填而忽略其利用浅层地热梯度的功用，并改变封闭式地源热泵技术初始钻孔高成本、各类管状换热器施工复杂及其对混凝土灌注桩基的不利影响的现实，本发明可以提供一种工程报废降水井直埋式地下换热器，该地下换热器不仅能封填工程报废降水井，而且能方便地进行浅层低温地热能的封闭循环转换。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明采用的工程降水井的设计、施工工艺、验收与目前正常工程降水井的完全一样，均按国家现行有关规范(中华人民共和国行业标准《建筑与市政降水工程技术规范JGJ/T111-98》)执行。
工程降水井施工结束后，按设计要求正常降水作业，待主体工程或开挖工程施工的结束后，其使用时限到期，需要封填作业。本发明专利是指在封填作业之前，在需封填的降水井中首先通过人力或机械下置高强度聚乙烯或PVC或PPR材质的管状换热器，管径一般为19mm-38mm，管垂直高度约等同于井深，其管状换热器底部距井底1m-2m，其管状换热器出口向上并绑扎一定厚度的保温材料，绑扎的长度约为0.5m-2.0m，管状换热器外壁距井套管内壁在10mm-100mm之间，形状可以是U型换热管、螺旋型盘管、套管型换热管或“钻孔直埋式”方法中的其它类型换热管，根据实际热负荷需要在工程报废降水井里安置一组或多组各类管状换热器。其次，根据实际封井设计要求在报废井水井中分层或不分层填埋各类封井回填材料，如粘土、水泥、砂砾，在距井顶0m-2m填入高强度保温回填材料(如泡沫塑料或珍珠岩等)。根据地源热泵的运行机理，这些管状换热器固定在报废降水井中，管状换热器中充填热交换流体，该流体通常采用水、盐水或各种防冻剂溶液，形成封闭型低温地热能循环系统，安装地表交换管路、水泵和满足实际要求的不同功率的各型号地源热泵机组。通过管状换热器内的交换介质与回填材料、原井套管和浅层土水系统的恒温层进行循环热交换，并通过地源热泵机组达到能量转化的目的，起到中央空调的作用，若辅助以中央热水器等装置则可提供中央热水系统所需热量。
本发明的有益效果是，可以在建筑工程报废降水井安全封填的同时，在井内下入的管状换热器即可以不影响封填效果，又可以方便地进行浅部地热能的封闭循环转换，这些工程报废降水井中的U型管、螺旋型盘管等管状换热器，可以起到传统封闭式地源热泵钻孔埋管的同样功效，但节省了预钻孔的相关费用。
该地下换热器中采用的工程报废降水井中下置各类管状换热器技术可以消除桩基埋管换热器的各种缺陷(实心截面灌注桩中由于聚乙烯交换管造成的桩身局部材料软化区)，完全可以达到垂直钻孔埋置换热器的所有指标。另外，该技术还可以随意设置管状换热器的组数，以U型换热管为例，可以根据热负荷要求设置1组、2组或多组U型换热管。管状换热器在封填的工程报废降水井内，不影响其它工程作业。另外，该技术是在报废工程降水井的套管中施工，此施工工艺可以避免钻孔可能出现的缩径、流砂、塌孔等问题，克服了钻孔埋设管状换热器的施工困难。
其次由于在报废工程降水井的管状换热器周围需要充填各类回填材料，可以节省报废降水井的封填材料费与人工费，同时也完成了报废工程降水井的封填。最后由于回填材料可以人工控制，在满足封填设计要求的基础上，可以根据不同的地区、不同的地质情况优化配置最优传导系数的回填材料，以增大热交换效率。
该项技术首先是封闭性地源热泵的一种，具有封闭式地源热泵技术的先天优势。其可以消除开放式地源热泵技术中的地下水污染问题，也可以避免开放式系统运行中的地下水资源使用费。其次针对传统封闭式地源热泵技术预钻孔、直接埋设U型换热管等工序复杂、精度不高的施工缺点，以及整个埋置换热器的高成本造成地源热泵技术初始投资过大的问题，本地下换热器技术可避免预钻孔及埋设换热管成本，仅此一项可节约成本近一半且避免钻孔直埋换热管带来的施工问题。另外降水井内可灵活设置不同数量的各型换热管：U型换热管、螺旋型盘管或它们的组合，进一步减少施工成本。可见这些技术措施将减低整个地源热泵的综合造价，地源热泵本身具有环保节能功用，而我国人工便宜，报废工程降水井数目巨大，若配合本技术的推广使用，每年将带来数以亿计的经济效益和环境效益，又可以为国家节约大量的石油煤炭等不可再生的战略资源。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的地源热泵原理图。
图2是工程报废降水井直埋式地下换热器内置三组U型换热管的立体构造图。
图3是图2的三组U型换热管的立体构造图。
图4是建筑基坑报废降水井直埋式地下换热器剖面图。
图5是工程报废降水井直埋式地下换热器内置螺旋型换热盘管的构造图。
图6是工程报废降水井直埋式地下换热器内置套管型换热器的构造图。
图中1.工程报废降水井直埋式地下换热器，2.浅部土层，3.地表交换管路，4.地源热泵机组，5.建筑物，6.交换流体流入，7.交换流体返回，8.U型管状换热管，9.管内交换流体，10.水井套管外填砾料，11.水井套管和沉砂管，12.滤水管，13.封填井回填材料，14.水井套管内壁，15.水井套管外壁，16.保温回填材料，17.进水管，18.出水管，19.螺旋型换热盘管，20.套管型换热管
具体实施方式：
在图1中，地源热泵是利用地表浅层地热资源的低温位热能，冬季通过工程报废降水井直埋式地下换热器(1)中的管状换热器中的热交换流体把浅部土层(2)中的热量提取出来，通过地表交换管路(3)和地源热泵机组(4)供给建筑物(5)采暖；夏季把建筑物(5)热量取出来，通过地表交换管路(3)、地源热泵机组(4)和工程报废降水井直埋式地下换热器(1)中的热交换流体释放到浅部土层(2)中去。
在图2所示实施例中，工程报废降水井直埋式地下换热器(1)，其封填有多种规定，正常整个井的构造是由水井套管外填砾料(10)、水井套管和沉砂管(11)、滤水管(12)组成。在水井套管内居中下置三组如图3所示形状的聚乙烯或PVC或PPR材料的U型换热管(8)，U型换热管(8)外沿距桩身外壁(11)的距离在50mm-100mm之间，长度比井深短1m，三组U型换热管(8)弯颈部间距1m见图3，各组U型换热管(8)之间夹角为60°见图3。在水井套管内壁(14)与换热管(8)之间的空隙中充填回填材料(12)和保温回填材料(16)直到井顶，换热器(8)最终被安置在工程报废封填的降水井内。在封填的工程报废降水井(1)中U型换热管(8)的位置，通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使U型管状换热器(8)中的管内交换流体(9)与封填井回填材料(10)、水井套管和沉砂管(11)、水井套管外填砾料(10)、浅部土层(2)进行热交换。图4展示的建筑基坑报废降水井直埋式地下换热器剖面图
在图5所示的另一个实施例中，工程报废降水井直埋式地下换热器(1)内置螺旋盘管型换热管(19)。螺旋盘管型换热管(19)由聚乙烯或PVC或PPR材料构成，螺旋型盘管(19)长度比井深短1m-2m，居中直接下置到封填的工程报废降水井里，与水井套管内壁(14)的圆周距离在10mm-100mm之间，在水井套管内壁(14)与螺旋盘管型换热管(19)之间的空隙中充填封井回填材料(13)和保温回填材料(16)直到井顶，螺旋盘管型换热管(20)底部距井底1m-2m，见图11。通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使螺旋盘管型换热管(19)中的管内交换流体(9)与回填材料(13)、保温回填材料(16)、水井套管和沉砂管(11)、水井套管外填砾料(10)、浅部土层(2)进行热交换。
在图6所示的另一个实施例中，工程报废降水井直埋式地下换热器(1)内置套管型换热管(20)。套管型换热管(20)由聚乙烯或PVC或PPR材料构成，套管型换热管(20)长度比井深短1m-2m，居中直接下置到工程报废降水井里，与水井套管内壁(14)的圆周距离在10mm-200mm之间，套管型换热管(20)底部距井底1m-2m，见图8。通过交换流体流入(6)和交换流体返回(7)，使套管型换热管(15)中的管内交换流体(9)与回填材料(13)、保温回填材料(16)、水井套管和沉砂管(11)、水井套管外填砾料(10)、浅部土层(2)进行热交换。