地埋管换热器回填材料导热系数实验研究

摘要：实验研究了水泥型号、骨料类型、骨料粒径、膨润土含量对回填材料导热系数的影响,以及膨润土含量对回填材料稠度的影响。研究发现: PO42. 5水泥的导热系数稍大于PO32. 5的导热系数,回填材料导热系数随砂子粒径的增大而增大,骨料为石英砂的回填材料导热系数要明显大于骨料为河砂的导热系数;同时回填材料的导热系数随膨润土含量的增加先增加后减小,回填材料的流动性随膨润土含量的增加有所降低。

    0　引言
    地源热泵空调系统作为一种“绿色空调”,是以大地为冷热源对建筑室内环境进行调节的系统。冬季,通过热泵将大地中的低位热能提高品味对建筑供暖,同时存储冷量,以备夏用;夏季,通过热泵将建筑内的热量转移到地下,对建筑进行供冷,同时存储热量,以备冬用。由于土壤的温度受室外温度的影响小,全年相对保持稳定,这就保证了系统的正常运行,有利于提高系统的能效比,降低运行费用,达到节能、减排的效果,因此,它具有空气源热泵无法比 拟的优点。在能源与环境问题日益突出的今天,地源热泵自身所具备的节能和环保优势,使这项技术 日益受到人们的重视,目前欧洲和北美正大力发展和推广应用地源热泵技术[1, 2],我国地源热泵技术的研究始于上世纪80年代[3]。回填是地埋管换热器施工过程中的重要环节,即在钻孔安置完埋管后, 向钻孔中注入回填材料。回填材料的作用有两方 面,一方面使埋管与钻孔壁之间尽可能填实,改善换 热器与土壤的换热;另一方面是防止地表水通过钻 孔向地下渗透而污染地下水,同时也防止各个含水 层之间的交叉污染。地源热泵系统运行效果很大程度上取决于回填材料的性能[4-8]。目前针对回填材料的实验研究相对较少,对合适的地源热泵换热器回填材料的进一步研究会促进我国浅层低温地热能源的利用。
    Allan与Kavanaugh[9]分别采用细硅石、矾土、铁屑、金刚砂与班脱土混合作为回填料进行研究,结果表明导热系数可提高至1. 7~3. 29W /(m·K),与采 用砂浆混凝土作回填料相比,钻孔深度可减少7% ~22%。庄迎春等[10]研究指出膨润土不适合单独 用于回填材料,需与水泥配合并推荐使用非饱和态,导热系数随水灰比的减小而增加,掺入大颗粒的骨料是提高导热系数的有效途径,砂含量的增加使导热系数往往呈线性增长。刘冬生等[11]采用非稳态 法对膨润土、水泥加砂两类回填材料进行了室内实 验研究。研究指出由于膨润土的自身吸水膨胀性, 在较干旱地区不宜直接作为回填材料,但是在地下水较丰富的地区,由于地下水的迁移,对换热非常有利,可以采用。采用膨润土加砂作为回填材料时,导热系数随着含砂量的增加而增加,但含砂量过高会造成对泵的磨损。陈燕民等[12]指出地源热泵换热器回填材料要根据不同的地层结构和对填料热传导 性的不同选用不同的填料。按不同比例配置的膨润土浆液和按不同比例配置的水泥砂浆适用于泥岩含 水少的地层。级配砂石填料由于其较好的透水性, 适用于第四系较发育、含水多且流动的地层。司刚平[13]通过在自行研制的试验设备的基础上对换热 孔回填材料的热传导性进行了模拟试验研究。对膨 润土基和水泥基两种不同的换热孔回填材料的热传 导性进行了试验测试和对比分析。试验发现膨润土 基回填材料热传导能力较低,且在干燥失水的情况 下,收缩严重出现大量裂隙,在地下水位年变化较大 的地区或干旱地区,不宜采用该回填材料,影响系统 运行的稳定性;水泥基回填材料传热效果较好,且干缩不明显,属性能较稳定的回填材料,适应于各种地层条件,尤其是干旱或基岩地区;对两种回填材料都有一个共同的趋势,就是增加石英砂骨料比例都会不同程度地提高材料的热传导能力。程群英等[14] 研究指出含骨料的水泥类回填材料比膨润土材料在 很多方面具有优势,更适合于填充地层与U型管之间的空隙。朱强等[15]在对不同方式地下埋管换热 器的实验研究中指出混凝土回填井埋管的单位井深换热量在排热工况下要比砂石回填井埋管高约 50%,取热工况下高约16%。陈卫翠等[16]对水泥、粉煤灰、石英砂、膨润土和外加剂进行了实验研究, 并推荐了三种实验配比的水泥砂浆回填材料。热物 性更好的新型回填材料可强化埋管在土壤中的导热