王榮 楊晨磊 董世豪 倪龍 姚楊

1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院

2 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guān)鍵，其換熱性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的有效性，經(jīng)濟(jì)性和可靠性。地埋管換熱器為間壁式換熱器，換熱器兩側(cè)的換熱介質(zhì)為流體與固體，這與兩側(cè)均為流體的換熱器存在本質(zhì)的區(qū)別，由于固體的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)小于流體的對(duì)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(cè)換熱介質(zhì)。固體側(cè)傳熱能力取決于回填材料及土壤導(dǎo)熱能力，地埋管區(qū)域土壤導(dǎo)熱能力取決于地質(zhì)條件，無法人為改變。因此，回填材料對(duì)地埋管換熱能力的影響就成為改善固體側(cè)換熱能力的關(guān)鍵。

從20 世紀(jì)90 年代開始，國內(nèi)外就針對(duì)回填材料進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和工程研究，主要包括回填區(qū)域傳熱模型和各種高傳熱性能回填材料的開發(fā)[1]。目前，國內(nèi)外對(duì)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(yōu)勢進(jìn)行配比優(yōu)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(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析不同回填材料熱物性對(duì)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(yōu)化研究主要以實(shí)驗(yàn)為主。在不同環(huán)境溫度、不同含水率等情況下，利用導(dǎo)熱系數(shù)儀[2]，差式掃描量熱儀[3]，探針法[4]和熱響應(yīng)法[5]等對(duì)不同種類和配比回填材料進(jìn)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(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式[7,8]，為預(yù)測不同混合比下回填材料熱物性奠定基礎(chǔ)，方便用于以后的研究與應(yīng)用[9]。

回填材料對(duì)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(chǔ)上進(jìn)行的[10]，現(xiàn)場實(shí)測相對(duì)較少，尤其是關(guān)于相變材料的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)更鮮見于文獻(xiàn)。這是因?yàn)?，?shí)際現(xiàn)場中的巖土參數(shù)由于組分、含水率等不同會(huì)給回填材料的影響規(guī)律分析造成難以預(yù)料的難度[11]。為避免現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中的不確定性，獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，部分學(xué)者通過砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究[12]。為獲得更為詳盡的數(shù)據(jù)，還有很大一部分學(xué)者基于理論分析采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行相關(guān)研究[13]。

本文主要對(duì)回填材料的熱物性及其對(duì)地埋管換熱能力的影響進(jìn)行綜述，為未來回填材料的優(yōu)化、選擇和應(yīng)用提供支持。值得注意的是，回填材料的力學(xué)性能和施工性能也非常重要[14]，尤其是應(yīng)該易于與地埋管換熱器和土壤密實(shí)接觸，減小接觸熱阻[12]，并且在反復(fù)蓄熱取熱實(shí)驗(yàn)及經(jīng)歷干燥、凍結(jié)等惡劣條件后，仍然能保證地埋管設(shè)計(jì)換熱能力[15]。另外，回填材料還應(yīng)具有良好的密封性，抗?jié)B性和耐用性[16]，保證良好的環(huán)境影響及經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(dòng)，物性發(fā)生了變化，原土回填具有一定的局限性[18]。為了強(qiáng)化地埋管換熱器換熱，國內(nèi)外研究者提出了多種回填材料，可以分為三類：傳統(tǒng)材料，相變材料和廢料回收利用。

1.1 傳統(tǒng)材料

傳統(tǒng)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(zhì)回填材料的保水性和熱擴(kuò)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(duì)回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)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(tǒng)回填材料中添加石墨或陰離子聚丙烯酰胺，以改善導(dǎo)熱系數(shù)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(duì)膨潤土基來說，水泥基回填材料表現(xiàn)出更好的機(jī)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(dǎo)熱系數(shù)比膨潤土基高[22]。因此，從添加劑對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的改善程度來講，石墨比石英砂更好[23]。研究結(jié)果顯示，水泥基回填材料導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)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(xiàn)的裂隙不利于地埋管運(yùn)行。凍融會(huì)嚴(yán)重?fù)p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(nèi)或者常規(guī)運(yùn)行需求和環(huán)境條件[16]。另外，在沿海地區(qū)高鹽分環(huán)境下，膨潤土基回填材料會(huì)出現(xiàn)體積收縮現(xiàn)象，導(dǎo)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(shí)間內(nèi)土壤溫度變化對(duì)地埋管換熱的影響，提高取熱量及系統(tǒng)運(yùn)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(chǔ)熱量，減小熱影響半徑，但由于相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)材料，如石墨等，可以把混合材料導(dǎo)熱系數(shù)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(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，近年來，建筑、工業(yè)垃圾中的砂子，碎石，碎磚，粉碎混凝土以及金屬制造副產(chǎn)品，包括銅渣，鋁渣，鐵屑及鐵礦細(xì)粒[29]，尾礦[7]，還有粉煤灰摻混水泥以及細(xì)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(qū)回填采場回填前安裝地埋管，在礦區(qū)壽命周期甚至關(guān)閉后提供地?zé)崮躘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(jí)配對(duì)導(dǎo)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(xì)顆粒高92%[29]。通過可行性研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰可以在實(shí)際回填材料中應(yīng)用，但為了獲得好的熱性能和流變性，其質(zhì)量比最好不超過40%。當(dāng)粉煤灰為20%時(shí)，添加氟石和粗砂可獲得導(dǎo)熱系數(shù)為 2.9 和 2.5 W/(m·K)的回填材料[30]。

土壤源熱泵是環(huán)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益，但是要注意對(duì)環(huán)境的影響，尤其是地下含水量豐富的地區(qū)[21]。

2 回填材料熱物性對(duì)地埋管換熱器的影響

回填材料熱物性對(duì)地埋管換熱器的影響包括地埋管的換熱能力，回填區(qū)域的恢復(fù)能力以及埋管長度等。熱物性對(duì)地埋管換熱器及地源熱泵系統(tǒng)的影響還與其實(shí)際運(yùn)行模式及動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件有關(guān)。

2.1 換熱能力

對(duì)于傳統(tǒng)回填材料，對(duì)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(nèi)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(dāng)?shù)芈窆苋肟谒疁貫?45 ℃，Re 數(shù)在 3104～6208 范圍內(nèi)時(shí)，土壤-聚丙烯酰胺和土壤中管內(nèi)水的表面換熱系數(shù)分別為 411 W/(m2·K)和 231 W/ (m2·K)，這表明添加聚丙烯酰胺是強(qiáng)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(tǒng)供能能力加倍[29]。在地埋管換熱器工作溫度范圍內(nèi)，當(dāng)流體平均溫度分別為 5 ℃和 30 ℃時(shí)，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(dǎo)熱系數(shù)：1.6～1.8 W/(m·K)）回填時(shí)的換熱量比粉細(xì)砂（導(dǎo)熱系數(shù)：1.9～2.1 W/(m·K)）回填時(shí)高約10%（取熱工況）和6%（釋熱工況）[33]。在有地下水的地區(qū)，高導(dǎo)熱系數(shù)的回填材料能夠增強(qiáng)地下水的換熱效果[34]。

對(duì)比傳統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)提高17%[35]。隨著運(yùn)行時(shí)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(shí)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(dǎo)熱系數(shù)：1.5 W/(m·K)，相變潛熱：109.2 kJ/kg）與碎石混凝土回填材料對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，12 小時(shí)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)熱系數(shù)的相變材料，能提高土壤源熱泵系統(tǒng)效率[37]。

2.2 恢復(fù)能力

為確保系統(tǒng)運(yùn)行的可持續(xù)性，需要考慮土壤及回填材料的恢復(fù)能力?；謴?fù)能力受回填材料熱物性的影響，且與地埋管運(yùn)行模式有關(guān)。與傳統(tǒng)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(fù)時(shí)間[3，37]。填充相變材料的土壤源熱泵系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式及動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件下有不同的運(yùn)行和恢復(fù)特點(diǎn)，考慮到恢復(fù)的重要性，發(fā)現(xiàn)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(shè)計(jì)長度[39]，進(jìn)而降低鉆孔費(fèi)用及回填材料用量[8]。在一定范圍內(nèi)，回填材料傳熱系數(shù)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(shí)際運(yùn)行中，U 型地埋管換熱器兩支管中的載熱工質(zhì)溫度不同，兩支管間會(huì)發(fā)生熱量傳遞，使得地埋管換熱器換熱能力降低[41]，此現(xiàn)象被稱為熱短路。在一定埋管長度下，當(dāng)兩支管間距一定時(shí)，回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱短路越強(qiáng)。為充分發(fā)揮回填材料的作用，應(yīng)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(duì)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(fā)揮回填材料促進(jìn)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(xiàn)有研究對(duì)各種回填材料性能測試，對(duì)比和優(yōu)化基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)理想回填材料應(yīng)該具備的傳熱性能，為后續(xù)研究和應(yīng)用提供參考。

3.1 理論分析

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

式中：α-熱擴(kuò)散率；λ-導(dǎo)熱系數(shù)；ρ-密度；c-比熱。

導(dǎo)熱系數(shù)λ表征導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，導(dǎo)熱系數(shù)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(qiáng)。

回填材料對(duì)地埋管換熱的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是管壁過余溫度。二是熱影響半徑。在釋（取）熱時(shí)，管壁過余溫度越?。ù螅砻鞯芈窆茚專ㄈ。崮芰υ綇?qiáng)。在一定釋熱負(fù)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(dǎo)熱系數(shù)的增加也減小。熱影響半徑隨導(dǎo)熱系數(shù)的增加而增加，隨體積熱容的增加而減小。對(duì)比回填材料的這兩個(gè)熱物性參數(shù)（變化幅度均為47.0%），導(dǎo)熱系數(shù)的改變對(duì)管壁過余溫度的影響更強(qiáng)（大 26.4%），體積熱容的改變對(duì)熱影響半徑的影響更強(qiáng)（大 5.2%）[46]。

對(duì)地埋管換熱器換熱性能的優(yōu)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(duì)回填材料的熱物性的研究，先要關(guān)注導(dǎo)熱系數(shù)，其次是體積熱容等其他方面，對(duì)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(dǎo)熱系數(shù)

地埋管換熱器固體側(cè)的傳熱能力可以由式（2）計(jì)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(guān)鍵位置。

式中：Q-熱量；λ-導(dǎo)熱系數(shù)；F-傳熱的面積；ΔT-傳熱溫差。

回填材料對(duì)地埋管換熱器有效導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻影響很大，尤其當(dāng)回填材料導(dǎo)熱系數(shù)較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致能量積累，嚴(yán)重影響地埋管換熱[17]。提高回填材料導(dǎo)熱系數(shù)能使地埋管與土壤更好的進(jìn)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(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)增大到一定程度后，對(duì)地埋管換熱強(qiáng)化的影響逐漸減弱[46]。因此，導(dǎo)熱系數(shù)不應(yīng)無限增大，但要高于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)[47-49]?！兜卦礋岜孟到y(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005）也明確表示回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)不宜低于鉆孔外或溝槽外巖土體導(dǎo)熱系數(shù)。由此可知，回填材料與原土導(dǎo)熱系數(shù)存在一個(gè)最優(yōu)匹配關(guān)系。

回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的選擇需要根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥罒嵛镄?，而不是一個(gè)定值[47]。為了獲得回填材料與土壤之間的最佳導(dǎo)熱系數(shù)匹配關(guān)系定義相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)如式（3）所示。研究結(jié)果顯示最優(yōu)相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)為 1.2～ 1.3[46]。

式中：K-相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)；λb-回填材料導(dǎo)熱系數(shù)；λs-土壤導(dǎo)熱系數(shù)。

3.3 體積熱容/相變潛熱

回填材料的體積熱容/相變潛熱對(duì)地埋管換熱器的影響主要體現(xiàn)在熱影響半徑和溫度變化幅度[50]。在一定時(shí)間內(nèi)或者一定負(fù)荷下，當(dāng)回填材料的體積熱容/相變潛熱較大時(shí)，地埋管管井中的溫度變化幅度小，可以改善熱泵運(yùn)行條件，并且回填材料能夠?qū)⒛芰烤奂诘芈窆苤車苊舛虝r(shí)間內(nèi)自然儲(chǔ)存的能量快速耗盡，提高系統(tǒng)能效。但是，對(duì)于長期運(yùn)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(duì)地埋管換熱器換熱性能的影響不大。

3.4 相變溫度

當(dāng)回填材料為相變材料時(shí)，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(yīng)該低一些，在冬季應(yīng)該高一些。但是，考慮到溫度恢復(fù)，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(gè)中間值作為相變溫度[51]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，相變溫度的選擇以及優(yōu)化應(yīng)該根據(jù)特定建筑冷熱負(fù)荷以及區(qū)域土壤特征決定。

4 結(jié)束語

回填材料的性能優(yōu)化是地埋管換熱器強(qiáng)化換熱研究的重要內(nèi)容[52]，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)和模擬研究獲得了有益的結(jié)果，為科學(xué)的選擇回填材料，運(yùn)用當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢，因地制宜，保證地埋管高效穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

鑒于以上內(nèi)容，對(duì)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(jì)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(yīng)適于特定巖土環(huán)境，不同回填材料與不同巖土熱物性的匹配關(guān)系及最優(yōu)相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)、體積熱容/相變潛熱及相變溫度的確定，需要進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究支持。

3）應(yīng)基于地埋管換熱器運(yùn)行和恢復(fù)的全過程，結(jié)合運(yùn)行模式（負(fù)荷特征），針對(duì)回填材料熱物性對(duì)地埋管換熱器可持續(xù)運(yùn)行的影響進(jìn)行研究，提出更為科學(xué)的回填材料選擇方法。