[发明专利]一种地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料

说明书

技术领域

本发明属于节能环保建筑材料和地源热泵系统技术领域，具体来说是一种垂直地埋管地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔灌浆回填材料。

背景技术

浅层地热能作为一种清洁可再生能源，在利用时不产生温室气体和各种烟尘，零污染排放，直接改善适用区域的空气质量。地源热泵正是一种利用浅层地热能，并通过循环液在封闭的地下埋管换热器中流动，实现系统与大地之间的传热，既保持了地下水热泵利用大地作为冷热源的优点，又不需要抽取地下水作为传热的介质来对建筑物进行供暖制冷的高效节能环保型空调系统，它是一种可持续发展的建筑节能环保新技术。

地源热泵空调系统主要由地埋管换热器、热泵机组和用户末端三部分组成，其中地埋管换热器是地源热泵技术的核心部件，而钻孔回填材料选择将直接影响地埋管换热器效能发挥的，这就要求其具有良好的导热性、抗渗性、膨胀性、抗裂性和一定的强度与流动性，既能提高地下热交换量，又能减少钻孔深度与U形换热管长度，从而提高工作效率、降低安装成本。目前常用的钻孔回填材料膨润土-细沙（或水泥）混合浆、水泥-石英砂-细砂混合浆、普通水泥或钻孔岩屑等，这种回填材料的导热系数普遍低于1.0W/(m·K)，并且其容易干燥收缩、干裂而产生裂隙，导致钻孔回填不密实，从而降低钻孔回填材料的导热系数和引起接触热阻的增加，直接影响地埋管换热器传热性能发挥。

但是，在实际工程应用中由于垂直U型管两支管内的流体温度不同，两支管间会通过钻孔间土体发生横向热传递造成热短路，影响整个地埋管换热器的传热能力。同时，考虑到支管间热干扰的影响，相关研究表明钻孔回填材料导热系数并非越大越好，宜选用与地层相近的材料且大于钻孔周围岩土层的导热系数，并控制在2-4 W/(m·K)时较合理。因此，开发一种具有抗裂性能的膨润土基复合钻孔灌浆回填材料，以提高土壤源热泵系统中地埋管换热器传热性能，为推广地源热泵技术的应用和发展低碳循环经济提供技术支撑。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有良好导热性、膨胀性和抗裂性的一种土壤源热泵垂直地埋管换热器钻孔回填材料，采用这种回填材料能够紧密连接U形管和钻孔周围岩土体和抑制干缩裂隙，从而减少接触热阻、增加换热效能和降低地埋管换热器的初期投资成本，有益于地源热泵空调技术进一步推广和应用。

本发明提出的地源热泵专用抗裂膨润土基复合钻孔回填材料，由膨润土、石英砂和砂浆/混凝土阻裂纤维组成，各组分的重量比为：

膨润土：150～300

石英砂：850～700

砂浆/混凝土阻裂纤维：0.6～1.2kg/m³

各组分较佳的重量比为：

膨润土：200

石英砂：800

砂浆/混凝土阻裂纤维：0.9kg/m³

本发明所说的回填使用方法为：在地源热泵钻孔施工现场，按照前述各组分重量比例进行机械混合并加水搅拌均匀后注入地埋管钻孔内。加水量为该混合料重量20%-30%，亦可将各组分按比例混合后装袋，运至施工现场再加水搅拌灌入地埋管钻孔中。

本发明采用膨润土、石英砂和砂浆/混凝土阻裂纤维的混合物作为钻孔回填材料，具有可塑性、粘结性、低渗透性和膨胀性，在灌注钻孔后能够紧密连接U形管和钻孔周围岩土体，有效地防止地表水沿着钻孔下渗污染地下水，也可有效地抑制回填材料在干湿循环过程中产生得裂隙，从而减小接触热阻，提高导热性能，其导热系数为一般为2.47～2.58 W/(m·K)。其中：

膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的粘土矿，特别是天然钠基膨润土具有低渗透性、膨胀性、吸水性、粘结性、可塑性等，遇水后还可形成矿物凝胶，增加了保水能力。因此，膨润土在该混合料中能够将石英砂与阻裂纤维有效的粘结在一起，有效降低钻孔回填材料渗透性和提高膨胀性，同时也能有效减少泌水现象和表面裂隙的产生。

石英砂是一种具有良好导热性能和易于获得的廉价骨料，在钻孔回填材料中起骨架和填充作用，能有效改善其导热性及和易性。