垂直地埋管地源熱泵膨潤土基鉆孔回填材料導熱特性研究

王 沖 易發成 吳 利（西南科技大學，四川 綿陽 621010）

垂直地埋管地源熱泵是一種利用地下巖土體中淺層地熱資源，通過輸入少量的高品位電能，實現熱能由低溫熱源向高溫熱源轉移，既能供熱又能制冷的高效節能環保型空調（見圖1）。其土壤熱交換器埋于地下垂直鉆孔中，節約用地，換熱性能好，目前在我國得到了最廣泛的應用。

地埋管回填材料是在鉆孔完畢、下完U 型管后，向鉆孔中灌入的封孔材料。它介于地埋管換熱器的埋管與鉆孔壁之間， 是將地層中的熱量傳遞給U型管及管內液體的傳熱介質。回填材料密封鉆孔后可以防止地面水通過鉆孔向地下滲透，以保護地下水不受地表污染物的污染， 并防止地下各個含水層之間的交叉污染。由于高性能的回填材料降低了鉆孔內的熱阻，一定程度減少了地下鉆孔的深度，減少地源熱泵的初期投資。

1 回填材料制備

試驗選用新疆阿爾泰膨潤土，其主要礦物成分為Na+蒙脫石，含量約65%，含有少量α-石英、Al2O3、Fe2O3等[1]。阿爾泰地區膨潤土具有極強吸水膨脹特性、粘結性，遇水形成礦物凝膠，具有增稠流變特性，從而能夠防滲防漏。

良好的骨料決定了回填材料的導熱性能，本次試驗選擇石英砂作為骨料，粒徑0.5～2mm的中粗砂為主[2]，可以就地取材現場制作和泵送，成本低滿足現實可用性。

根據以往研究的土壤、巖石及回填材料的熱物性[3]，將膨潤土和石英砂按表1質量百分比配制，試塊硬化成型后為直徑61.8mm高20mm的圓柱體。

圖1 地源熱泵工作機理

表1 膨潤土基回填材料配比

回填材料需要有良好的粘結性和一定的膨脹性才可使埋管與鉆孔緊密接觸，減少空氣熱阻。圖2中可以看出，試樣A和B的混合填料膨脹性大，膨脹發展周期長。C和D的混合填料，初期具有一定的膨脹性，很快趨于穩定。由此可見加砂后的膨潤土混合料膨脹性能仍滿足工程需求。

圖2 同配比回填材料無荷載膨脹率

2 導熱特性

巖土屬于多孔介質，其導熱系數與固體顆粒組成、土體密度、孔隙率、含水量等密切相關[4]。本次試驗使用Hot Disk熱常數分析儀對試塊導熱系數進行精確測試，確定對膨潤土基回填材料導熱性能的影響因素。

2.1 干密度和孔隙率對導熱性的影響

對四組試樣控制相同的拌合用水量，硬化成型后測試導熱系數，確定干密度對回填材料導熱系數的影響。

圖3反映出回填材料導熱系數隨干密度增加而增加，這是由于密度越小，其孔隙越多，增大干密度，顆粒排列越發緊密，粒間空氣減少，孔隙率隨之減小（圖4），接觸熱阻降低，導熱性能隨之提高。

石英砂含量的增加在不同密度階段導熱性表現不同變化。在ρd=1.6～1.7g/cm3時，砂土較疏松、孔隙多、熱阻大，導熱性差。但此時試樣A和B的導熱性卻優于試樣C和D，這是由于試樣A和B的膨潤土含量較多，膨潤土具有極強的膨脹性和粘結性，作為凝膠材料可以很好的填充石英砂顆粒間孔隙，粘結砂顆粒，減少了顆粒間的空氣熱阻。當試塊干密度達到1.8g/cm3后，孔隙率減小，砂土排列更為緊密，試樣C和D的導熱系數大于試樣A，說明此時的回填材料的導熱性主要由石英的含量決定。試樣B在整個過程中的導熱系數最佳。

上述表明相同條件下鉆孔回填材料的導熱性能是由干密度、孔隙程度和骨料石英砂含量共同決定的，所以地埋管地源熱泵鉆孔回灌時一定要保證密實度，經濟合理的選擇導熱性良好的骨料。

圖3 不同干密度下的導熱系數

圖4 不同干密度下的孔隙率

2.2 含水率對導熱性的影響

圖5中回填材料導熱系數隨著含水量的增加而增加，干砂土孔隙中充滿空氣故熱阻大，當含水率增加至10%的過程內，膨潤土吸水膨脹，進一步填充了混合物間的孔隙，將砂礫包裹成連續結構，砂土膠結性能增強，緊密排列，孔隙率減小，空氣熱阻減少，導熱系數增強。當含水量過大，土粒孔隙中就會出現自由水，產生孔隙水壓力，密實效果不好，甚至產生流變。但此時的導熱系數仍高于風干的混合物的導熱系數，其原因是水的熱阻（2m·K/W）大大小于空氣的熱阻（46 m·K/W）。所以各種不同配比的回填材料都應在其適宜含水率下拌合用料回灌鉆孔。

圖5 不同含水率下的導熱系數

2.3 溫度對導熱性的影響

地埋管地源熱泵利用的是淺層地熱能，在當前經濟技術條件下，淺層地熱能開采深度一般都小于200米，因此工程實際應用中常見地埋管鉆孔深度為60～150m，但由于地溫梯度的存在，不同深度回填材料處于不同溫度的地層中（圖6）。

由于地層結構復雜多變，回填材料為地下不可見工程，所以按照地溫梯度變化特征，測試了不同溫度下的導熱系數。

圖6 地溫差異

圖7 不同溫度下的導熱系數

圖7中回填材料在不同溫度下的測試結果表明，回填材料的導熱系數隨溫度升高而增大，在整個測試溫度范圍內，試樣A、B、C和D的導熱系數最終分別上升了了5.4%、5.9%、5.6%、3.9%，由此可見在地下環境溫度影響范圍內回填材料導熱系數變化幅度較小。地源熱泵利用的是淺層地熱能，鉆孔在此深度內地溫梯度變化小，溫度對回填材料的影響能夠保證換熱系統在設計條件下正常運行。

3 結 語

1）地埋管地源熱泵膨潤土基回填材料具有良好的膨脹性和粘結性，能夠緊密連接地下換熱器和周圍巖土體，減少接觸熱阻。

2）膨潤土基回填材料的導熱性能主要是由骨料含量、密度和孔隙率共同決定的，并不是骨料越多導熱系數越大。

3）在一定范圍內導熱系數隨含水率增大而增大，超過適宜的含水率時，孔隙中出現自由水，產生孔隙水壓力，由于含砂量高，產生流變，導熱性降低，破壞穩定性。

4）回填材料導熱系數越大，地下換熱器的熱傳遞效率越高，地埋管鉆孔回填時，膨潤土基回填材料中骨料石英砂宜占80%，各項指標穩定，導熱系數高。干密度應不小于1.8g/cm3，以盡可能減小孔隙率，提高導熱性。

5）回填材料導熱性隨溫度升高小幅度增大，地源熱泵利用的是淺層地熱能資源，在鉆孔深度范圍內地溫梯度變化對鉆孔回填材料的導熱性能影響有限。

[1]陳巧紅.集成回填材料的土水特征及其微觀結構研究[D].綿陽：西南科技大學，2012，4

[2]馬志強.地埋管地源熱泵系統垂直井孔回填材料研究[J].工程勘察，2010，(1)：802～808

[3]ASHRAE HANDBOOK HAVC Applications[K]，2003

[4]肖衡琳，吳雪潔，周錦華.巖土材料導熱系數計算研究[J].路基工程，2007，（3）：54～56