回填材料熱物性對地埋管換熱器換熱性能影響綜述

王榮 楊晨磊 董世豪 倪龍 姚楊

1 哈爾濱工業大學建筑學院

2 寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室

0 引言

地埋管換熱器是土壤源熱泵從土壤中提取能量的關鍵，其換熱性能的好壞直接關系到整個系統的有效性，經濟性和可靠性。地埋管換熱器為間壁式換熱器，換熱器兩側的換熱介質為流體與固體，這與兩側均為流體的換熱器存在本質的區別，由于固體的導熱能力遠小于流體的對流換熱能力，故影響地埋管換熱器換熱能力的瓶頸是固體側換熱介質。固體側傳熱能力取決于回填材料及土壤導熱能力，地埋管區域土壤導熱能力取決于地質條件，無法人為改變。因此，回填材料對地埋管換熱能力的影響就成為改善固體側換熱能力的關鍵。

從20 世紀90 年代開始，國內外就針對回填材料進行了大量的試驗和工程研究，主要包括回填區域傳熱模型和各種高傳熱性能回填材料的開發[1]。目前，國內外對地埋管換熱器回填材料的研究主要有兩方面：一是利用不同材料及添加劑的優勢進行配比優化，提高回填材料的綜合性能。二是基于地埋管換熱分析模型和數值計算，對比分析不同回填材料熱物性對管井熱阻、地埋管換熱能力的影響等。

回填材料配比及性能優化研究主要以實驗為主。在不同環境溫度、不同含水率等情況下，利用導熱系數儀[2]，差式掃描量熱儀[3]，探針法[4]和熱響應法[5]等對不同種類和配比回填材料進行熱物性測試，將回填材料做成長方形或者圓柱形的試件去測量并觀察其綜合性能[6]。確定熱物性與含水率，成分組成及各成分物性關系的經驗公式[7,8]，為預測不同混合比下回填材料熱物性奠定基礎，方便用于以后的研究與應用[9]。

回填材料對地埋管換熱器換熱性能影響研究是在回填材料熱物性研究基礎上進行的[10]，現場實測相對較少，尤其是關于相變材料的現場實驗更鮮見于文獻。這是因為，實際現場中的巖土參數由于組分、含水率等不同會給回填材料的影響規律分析造成難以預料的難度[11]。為避免現場實驗中的不確定性，獲得更為準確的數據，部分學者通過砂箱實驗臺進行相關實驗研究[12]。為獲得更為詳盡的數據，還有很大一部分學者基于理論分析采用數值實驗的方法進行相關研究[13]。

本文主要對回填材料的熱物性及其對地埋管換熱能力的影響進行綜述，為未來回填材料的優化、選擇和應用提供支持。值得注意的是，回填材料的力學性能和施工性能也非常重要[14]，尤其是應該易于與地埋管換熱器和土壤密實接觸，減小接觸熱阻[12]，并且在反復蓄熱取熱實驗及經歷干燥、凍結等惡劣條件后，仍然能保證地埋管設計換熱能力[15]。另外，回填材料還應具有良好的密封性，抗滲性和耐用性[16]，保證良好的環境影響及經濟性[17]。

1 回填材料及其熱物性

理論上，將鉆孔過程中所排出的原土進行回填，可獲得與周圍土壤較為一致的熱物性，但由于施工過程排出的巖土體受到了擾動，物性發生了變化，原土回填具有一定的局限性[18]。為了強化地埋管換熱器換熱，國內外研究者提出了多種回填材料，可以分為三類：傳統材料，相變材料和廢料回收利用。

1.1 傳統材料

傳統回填材料主要包括膨潤土基，水泥基及各類土，砂，石等添加劑混合物。膨潤土被用于回填材料是由于其高膨脹性能和低滲透能力，還能增加沙質回填材料的保水性和熱擴散能力[19]。水泥基回填材料中水/ 水泥比與沙/水泥比很重要，水/水泥比對回填材料的導熱系數影響大，孔隙水含量還影響其比熱的大小。一些研究中，在傳統回填材料中添加石墨或陰離子聚丙烯酰胺，以改善導熱系數和保水性能，熱濕遷移隨著初始含水率，溫度以及石墨的增加而增加[20]。

相對膨潤土基來說，水泥基回填材料表現出更好的機械性能，熱物性和耐久性，只是成本較高[21]。在水泥基和膨潤土基回填材料中添加相同石英砂或者石墨，水泥基回填材料導熱系數比膨潤土基高[22]。因此，從添加劑對導熱系數的改善程度來講，石墨比石英砂更好[23]。研究結果顯示，水泥基回填材料導熱系數高于膨潤土基回填材料 7.4～10.1%，石墨作為添加劑的回填材料導熱系數比石英砂高6.7～9.1%[24]。

在干燥、凍融等惡劣情況下的研究表明，失水后的水泥基回填材料出現的裂隙不利于地埋管運行。凍融會嚴重損害回填材料的整體性，也不利于地埋管換熱，高含水率的回填材料只適合一定溫濕度變化限度內或者常規運行需求和環境條件[16]。另外，在沿海地區高鹽分環境下，膨潤土基回填材料會出現體積收縮現象，導致鉆孔不能被完全充滿，影響地埋管換熱[25]。

1.2 相變材料

常用的相變回填材料主要有石蠟，脂酸類及多元醇等[26]。以相變材料作為回填材料，主要利用相變材料在其相變過程中的吸熱和放熱來緩解短時間內土壤溫度變化對地埋管換熱的影響，提高取熱量及系統運行效率。具有代表性的相變回填材料有正十五烷和癸酸-月桂酸[3]等。相變回填材料可以提高單井的儲熱量，減小熱影響半徑，但由于相變材料的導熱系數較小，影響地埋管與土壤的換熱[27]。近年來有研究在定形相變材料中添加高導熱系數材料，如石墨等，可以把混合材料導熱系數提高到1.5 W/(m·K)[28]。

1.3 廢料回收利用

考慮到回填材料的經濟性與實用性，近年來，建筑、工業垃圾中的砂子，碎石，碎磚，粉碎混凝土以及金屬制造副產品，包括銅渣，鋁渣，鐵屑及鐵礦細粒[29]，尾礦[7]，還有粉煤灰摻混水泥以及細沙，粗砂，毛玻璃，氟石[30]等材料被作為土壤源熱泵回填材料使用。甚至在礦區回填采場回填前安裝地埋管，在礦區壽命周期甚至關閉后提供地熱能[31]。

添加廢料后，可改變回填材料的熱物性。混凝土，碎磚和砂子具有相似的性能，金屬廢料的蓄熱性能比沙子高出77%[29]。回填材料的粒徑級配對導熱性能具有較大的影響[2,29,30]，中等粒徑（1.18～2 mm）比相同材料細顆粒高92%[29]。通過可行性研究發現，粉煤灰可以在實際回填材料中應用，但為了獲得好的熱性能和流變性，其質量比最好不超過40%。當粉煤灰為20%時，添加氟石和粗砂可獲得導熱系數為 2.9 和 2.5 W/(m·K)的回填材料[30]。

土壤源熱泵是環境友好型可再生能源綠色解決方案，廢料在土壤源熱泵中的重新利用具有良好的社會經濟效益，但是要注意對環境的影響，尤其是地下含水量豐富的地區[21]。

2 回填材料熱物性對地埋管換熱器的影響

回填材料熱物性對地埋管換熱器的影響包括地埋管的換熱能力，回填區域的恢復能力以及埋管長度等。熱物性對地埋管換熱器及地源熱泵系統的影響還與其實際運行模式及動態負荷條件有關。

2.1 換熱能力

對于傳統回填材料，對比土壤和土壤-聚丙烯酰胺回填材料，在不同流速釋熱工況下，管內流體溫度在土壤-聚丙烯酰胺回填材料中比在土壤回填材料中低 0.3～0.4 ℃。當地埋管入口水溫為 45 ℃，Re 數在 3104～6208 范圍內時，土壤-聚丙烯酰胺和土壤中管內水的表面換熱系數分別為 411 W/(m2·K)和 231 W/ (m2·K)，這表明添加聚丙烯酰胺是強化地埋管換熱能力的有效方法[32]。另一研究顯示，與沙子相比，填充金屬渣回填材料的系統供能能力加倍[29]。在地埋管換熱器工作溫度范圍內，當流體平均溫度分別為 5 ℃和 30 ℃時，取熱量分別為 45.5W/m（原土）和 49.9W/m（中粗砂），排熱量分別為74.6 W/m（原土）和 79.2W/m（中粗砂）。中粗砂（導熱系數：1.6～1.8 W/(m·K)）回填時的換熱量比粉細砂（導熱系數：1.9～2.1 W/(m·K)）回填時高約10%（取熱工況）和6%（釋熱工況）[33]。在有地下水的地區，高導熱系數的回填材料能夠增強地下水的換熱效果[34]。

對比傳統材料與相變材料，由于固定的相變溫度和較大的相變潛熱，相變回填材料可以緩沖土壤溫度變化，減小熱影響半徑。研究數據表明，以相變材料為回填材料的土壤溫度變化降低3 ℃，熱泵性能系數提高17%[35]。隨著運行時間的增加，相變回填材料中地埋管的換熱量衰減幅度小于普通土壤，但隨著時間的推移越來越小[36]。在制冷和供熱工況的換熱過程中，回填相變材料地埋管換熱量分別比回填土壤增加了 9.4% 和28.0%[3]。定形相變回填材料（導熱系數：1.5 W/(m·K)，相變潛熱：109.2 kJ/kg）與碎石混凝土回填材料對比研究發現，12 小時實驗中，前者換熱量是后者的 1.2 倍，熱影響半徑是后者的 0.9 倍[28]。因此，較高導熱系數的相變材料，能提高土壤源熱泵系統效率[37]。

2.2 恢復能力

為確保系統運行的可持續性，需要考慮土壤及回填材料的恢復能力。恢復能力受回填材料熱物性的影響，且與地埋管運行模式有關。與傳統回填材料及廢料回收利用相比，相變回填材料在一定程度上可以提高地埋管換熱能力，但需要更長的恢復時間[3，37]。填充相變材料的土壤源熱泵系統在不同運行模式及動態負荷條件下有不同的運行和恢復特點，考慮到恢復的重要性，發現相變材料更適合低持久性供能需求[38]。

2.3 埋管長度

良好的回填材料可以減少地埋管設計長度[39]，進而降低鉆孔費用及回填材料用量[8]。在一定范圍內，回填材料傳熱系數越高，地埋管長度越短[40]，理想的回填材料能減少鉆孔深度22%～37%[8]。實際運行中，U 型地埋管換熱器兩支管中的載熱工質溫度不同，兩支管間會發生熱量傳遞，使得地埋管換熱器換熱能力降低[41]，此現象被稱為熱短路。在一定埋管長度下，當兩支管間距一定時，回填材料的導熱系數越大，熱短路越強。為充分發揮回填材料的作用，應采取措施使支管間距增大[11]。還有研究建議在兩支管之間做保溫[42-45]，以減小熱短路對地埋管換熱器換熱能力的影響。

3 理想回填材料的熱物性

為了發揮回填材料促進地埋管換熱能力提升的作用，秉承土壤源熱泵因地制宜的特色，在現有研究對各種回填材料性能測試，對比和優化基礎上，歸納總結理想回填材料應該具備的傳熱性能，為后續研究和應用提供參考。

3.1 理論分析

對于回填材料，有兩種定位：一是能量傳遞介質，二是能量蓄存介質。短期運行中，地埋管獲得的能量主要來自回填材料。長期運行中，地埋管能量的來源主要是周圍土壤。不考慮多孔介質熱濕傳遞的影響，土壤中熱量傳遞速度可以用熱擴散率表示，熱擴散率的計算如式（1）所示。

式中：α-熱擴散率；λ-導熱系數；ρ-密度；c-比熱。

導熱系數λ表征導熱能力的強弱，導熱系數越大，其傳遞熱量的速度越快。體積熱容ρ c表征蓄熱能 力，體積熱容越大，蓄熱能力越強。

回填材料對地埋管換熱的影響主要表現在兩個方面：一是管壁過余溫度。二是熱影響半徑。在釋（取）熱時，管壁過余溫度越小（大），表明地埋管釋（取）熱能力越強。在一定釋熱負荷下，管壁過余溫度隨回填材料體積熱容的增大而減小，隨其導熱系數的增加也減小。熱影響半徑隨導熱系數的增加而增加，隨體積熱容的增加而減小。對比回填材料的這兩個熱物性參數（變化幅度均為47.0%），導熱系數的改變對管壁過余溫度的影響更強（大 26.4%），體積熱容的改變對熱影響半徑的影響更強（大 5.2%）[46]。

對地埋管換熱器換熱性能的優化首先要考慮地埋管的換熱能力，其次是熱影響半徑。因此，對回填材料的熱物性的研究，先要關注導熱系數，其次是體積熱容等其他方面，對于相變回填材料還要涉及到相變潛熱和相變溫度的問題。

3.2 導熱系數

地埋管換熱器固體側的傳熱能力可以由式（2）計算得到，隨著熱量從地埋管管井向周圍土壤（或周圍土壤向地埋管管井）傳遞，傳熱面積隨著熱影響半徑的增加逐漸變大，所以，回填材料處地埋管換熱器傳熱面積最小，是可以稱為“咽喉”的關鍵位置。

式中：Q-熱量；λ-導熱系數；F-傳熱的面積；ΔT-傳熱溫差。

回填材料對地埋管換熱器有效導熱系數和熱阻影響很大，尤其當回填材料導熱系數較小時，會導致能量積累，嚴重影響地埋管換熱[17]。提高回填材料導熱系數能使地埋管與土壤更好的進行熱交換，有利于地埋管換熱性能提升，而由于熱短路的存在，當導熱系數增大到一定程度后，對地埋管換熱強化的影響逐漸減弱[46]。因此，導熱系數不應無限增大，但要高于土壤的導熱系數[47-49]。《地源熱泵系統工程技術規范》（GB50366-2005）也明確表示回填材料的導熱系數不宜低于鉆孔外或溝槽外巖土體導熱系數。由此可知，回填材料與原土導熱系數存在一個最優匹配關系。

回填材料導熱系數的選擇需要根據當地土壤熱物性，而不是一個定值[47]。為了獲得回填材料與土壤之間的最佳導熱系數匹配關系定義相對導熱系數如式（3）所示。研究結果顯示最優相對導熱系數為 1.2～ 1.3[46]。

式中：K-相對導熱系數；λb-回填材料導熱系數；λs-土壤導熱系數。

3.3 體積熱容/相變潛熱

回填材料的體積熱容/相變潛熱對地埋管換熱器的影響主要體現在熱影響半徑和溫度變化幅度[50]。在一定時間內或者一定負荷下，當回填材料的體積熱容/相變潛熱較大時，地埋管管井中的溫度變化幅度小，可以改善熱泵運行條件，并且回填材料能夠將能量聚集在地埋管周圍，避免短時間內自然儲存的能量快速耗盡，提高系統能效。但是，對于長期運行的地埋管換熱器，回填材料中蓄存的能量只是地埋管能量來源中很小的一部分，地埋管的能量主要來自于土壤，體積熱容/相變潛熱對地埋管換熱器換熱性能的影響不大。

3.4 相變溫度

當回填材料為相變材料時，地埋管的換熱性能及潛熱利用比受相變溫度影響[28，38]。理想相變溫度在夏季應該低一些，在冬季應該高一些。但是，考慮到溫度恢復，夏季需要更高，冬季更低。值得一提的是，有研究提出以65%和35%的比例混合兩種相變溫度（4 ℃ 和26 ℃）的微膠囊相變材料作為冬夏兩用回填材料，而不是選取一個中間值作為相變溫度[51]。在實際工程應用中，相變溫度的選擇以及優化應該根據特定建筑冷熱負荷以及區域土壤特征決定。

4 結束語

回填材料的性能優化是地埋管換熱器強化換熱研究的重要內容[52]，現有實驗和模擬研究獲得了有益的結果，為科學的選擇回填材料，運用當地資源優勢，因地制宜，保證地埋管高效穩定運行奠定了基礎。

鑒于以上內容，對今后的研究方向提供如下建議：

1）為便于回填材料組成成分選擇及回填材料配置，需要提出一系列適用于計算多組分回填材料熱物性的公式或方法。

2）回填材料的選擇應適于特定巖土環境，不同回填材料與不同巖土熱物性的匹配關系及最優相對導熱系數、體積熱容/相變潛熱及相變溫度的確定，需要進一步的理論和實驗研究支持。

3）應基于地埋管換熱器運行和恢復的全過程，結合運行模式（負荷特征），針對回填材料熱物性對地埋管換熱器可持續運行的影響進行研究，提出更為科學的回填材料選擇方法。