王 沖 易發(fā)成 吳 利（西南科技大學(xué)，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?zé)豳Y源，通過輸入少量的高品位電能，實現(xiàn)熱能由低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩崔D(zhuǎn)移，既能供熱又能制冷的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)（見圖1）。其土壤熱交換器埋于地下垂直鉆孔中，節(jié)約用地，換熱性能好，目前在我國得到了最廣泛的應(yīng)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(nèi)液體的傳熱介質(zhì)。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(nèi)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(qū)膨潤土具有極強吸水膨脹特性、粘結(jié)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(dǎo)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(xiàn)場制作和泵送，成本低滿足現(xiàn)實可用性。

根據(jù)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(zhì)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(jié)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(fā)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(wěn)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(dǎo)熱特性

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

2.1 干密度和孔隙率對導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，確定干密度對回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

圖3反映出回填材料導(dǎo)熱系數(shù)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(fā)緊密，粒間空氣減少，孔隙率隨之減?。▓D4），接觸熱阻降低，導(dǎo)熱性能隨之提高。

石英砂含量的增加在不同密度階段導(dǎo)熱性表現(xiàn)不同變化。在ρd=1.6～1.7g/cm3時，砂土較疏松、孔隙多、熱阻大，導(dǎo)熱性差。但此時試樣A和B的導(dǎo)熱性卻優(yōu)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(jié)性，作為凝膠材料可以很好的填充石英砂顆粒間孔隙，粘結(jié)砂顆粒，減少了顆粒間的空氣熱阻。當(dāng)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(dǎo)熱系數(shù)大于試樣A，說明此時的回填材料的導(dǎo)熱性主要由石英的含量決定。試樣B在整個過程中的導(dǎo)熱系數(shù)最佳。

上述表明相同條件下鉆孔回填材料的導(dǎo)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(jīng)濟合理的選擇導(dǎo)熱性良好的骨料。

圖3 不同干密度下的導(dǎo)熱系數(shù)

圖4 不同干密度下的孔隙率

2.2 含水率對導(dǎo)熱性的影響

圖5中回填材料導(dǎo)熱系數(shù)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(dāng)含水率增加至10%的過程內(nèi)，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(xù)結(jié)構(gòu)，砂土膠結(jié)性能增強，緊密排列，孔隙率減小，空氣熱阻減少，導(dǎo)熱系數(shù)增強。當(dāng)含水量過大，土?？紫吨芯蜁霈F(xiàn)自由水，產(chǎn)生孔隙水壓力，密實效果不好，甚至產(chǎn)生流變。但此時的導(dǎo)熱系數(shù)仍高于風(fēng)干的混合物的導(dǎo)熱系數(shù)，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(yīng)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(dǎo)熱系數(shù)

2.3 溫度對導(dǎo)熱性的影響

地埋管地源熱泵利用的是淺層地?zé)崮?，在?dāng)前經(jīng)濟技術(shù)條件下，淺層地?zé)崮荛_采深度一般都小于200米，因此工程實際應(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)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(dǎo)熱系數(shù)。

圖6 地溫差異

圖7 不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)

圖7中回填材料在不同溫度下的測試結(jié)果表明，回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大，在整個測試溫度范圍內(nèi)，試樣A、B、C和D的導(dǎo)熱系數(shù)最終分別上升了了5.4%、5.9%、5.6%、3.9%，由此可見在地下環(huán)境溫度影響范圍內(nèi)回填材料導(dǎo)熱系數(shù)變化幅度較小。地源熱泵利用的是淺層地?zé)崮?，鉆孔在此深度內(nèi)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(tǒng)在設(shè)計條件下正常運行。

3 結(jié) 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(jié)性，能夠緊密連接地下?lián)Q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(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)越大。

3）在一定范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率增大而增大，超過適宜的含水率時，孔隙中出現(xiàn)自由水，產(chǎn)生孔隙水壓力，由于含砂量高，產(chǎn)生流變，導(dǎo)熱性降低，破壞穩(wěn)定性。

4）回填材料導(dǎo)熱系數(shù)越大，地下?lián)Q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(biāo)穩(wěn)定，導(dǎo)熱系數(shù)高。干密度應(yīng)不小于1.8g/cm3，以盡可能減小孔隙率，提高導(dǎo)熱性。

5）回填材料導(dǎo)熱性隨溫度升高小幅度增大，地源熱泵利用的是淺層地?zé)崮苜Y源，在鉆孔深度范圍內(nèi)地溫梯度變化對鉆孔回填材料的導(dǎo)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(jié)構(gòu)研究[D].綿陽：西南科技大學(xué)，2012，4

[2]馬志強.地埋管地源熱泵系統(tǒng)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(dǎo)熱系數(shù)計算研究[J].路基工程，2007，（3）：54～56