巖石地層條件下回填料對(duì)地埋孔換熱能力的影響

賈子龍　鄭佳　郭艷春　李娟　劉愛華　劉冰

摘 要：在北京平谷山區(qū)巖石地層條件下，開展了中粗砂、水泥砂漿、重晶石粉3種回填材料地埋孔換熱能力影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。首先，對(duì)這3種回填料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室熱物性參數(shù)測(cè)試，取得回填料的導(dǎo)熱系數(shù)。其次，換熱孔成孔后分別用這3種回填料進(jìn)行回填，待換熱孔穩(wěn)定后，開展現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試，取得3眼換熱孔的換熱量。最后，在系統(tǒng)建設(shè)階段，設(shè)置3眼換熱孔的單孔監(jiān)測(cè)，待系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算單孔的換熱量。經(jīng)過一系列試驗(yàn)分析得出，水泥砂漿和重晶石粉的導(dǎo)熱率高于中粗砂，采用水泥砂漿和重晶石粉回填的換熱孔換熱量明顯高于采用中粗砂回填的換熱孔。試驗(yàn)結(jié)果表明：導(dǎo)熱率高的回填料可以在一定范圍內(nèi)提升換熱孔的換熱量。

關(guān)鍵詞： 回填料;地埋孔;現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試;導(dǎo)熱系數(shù);換熱量;巖石地層

Abstract： The relevant experiments on the influence of the heat transfer capacity of the buried holes from three backfilling materials including medium coarse sand， cement mortar and barite powder， have been conducted under the lithostratigraphic condition in Pinggu mountainous areas of Beijing. Firstly， the thermal conductivity of the three kinds of backfilling materials is obtained from test in the laboratory. Secondly， the three kinds of materials are used to backfill three heat exchange holes， after the heat exchange being stabilized， we carry out the field thermal response test to obtain the heat exchange capacity of three holes. Finally， we monitor the heat exchange from the single hole， and then calculate the heat exchange capacity and analyze the final data. The results show that the thermal conductivity of cement mortar and barite powder is higher than that of medium coarse sand， as well as the heat exchange capacity. Therefore， the high thermal conductivity of the backfilling materials can improve the heat exchange capacity of the holes in a certain range.

Keywords： backfilling materials; buried hole; field thermal response test; thermal conductivity; heat exchange capacity; rock strata

0 前言

目前，地源熱泵在我國已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年，各地區(qū)陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策，鼓勵(lì)優(yōu)先采用淺層地?zé)崆鍧嵞茉礊樾陆ńㄖ锕┡评洌ㄐl(wèi)萬順等，2020;李寧波等，2020）。我國地下水環(huán)境面臨的形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，因此水源型地源熱泵在我國的發(fā)展受到制約，例如，北京地區(qū)已經(jīng)不再新批水源熱泵項(xiàng)目。地埋管型地源熱泵就成了北京乃至全國淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的主要手段，地埋孔換熱能力的大小，與地埋管型地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行能效有很大關(guān)系（杜涵，2019）。

回填材料作為地埋管換熱器與周圍土壤之間進(jìn)行熱交換的傳熱介質(zhì)，其導(dǎo)熱性能將直接影響地埋管與周圍土壤之間的換熱效果。目前，我國關(guān)于回填材料對(duì)地埋孔換熱能力的影響分析也開展了一些研究，一些高校和研究機(jī)構(gòu)也取得了很大成果，但是研究?jī)?nèi)容主要以數(shù)值模擬為主（頊永亮，2016年，王恩琦等，2019）。

本次工程的地質(zhì)條件復(fù)雜，第四系砂卵石層較薄，巖性主要以長(zhǎng)城系石英砂巖為主（圖1），考慮到回填料成本、回填技術(shù)等條件，工程中換熱孔全部采用了中粗砂進(jìn)行回填。選取3眼換熱孔，開展中粗砂、水泥砂漿、重晶石粉3種回填料的相關(guān)試驗(yàn)，分析回填料對(duì)地埋孔換熱能力的影響效果，為地埋管型地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

1.1 回填料樣品配置

相關(guān)研究表明，在原漿中加入膨潤(rùn)土和水泥的配比混合物，可以保證更好的回填效果和導(dǎo)熱性能（孟召賢等，2010）。重晶石粉化學(xué)性穩(wěn)定，導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性較好，填充性高，在石油鉆井液中有廣泛應(yīng)用，有關(guān)研究表明，當(dāng)中砂樣品中加入5 %～10 %的重晶石粉，可以顯著提升導(dǎo)熱系數(shù)（李寧波等，2018）。

試驗(yàn)準(zhǔn)備了3種回填料，第1種回填料為中粗砂，第2種回填料為水泥砂漿，其配比為中粗砂：水泥：膨潤(rùn)土=3∶1∶0.5，第3種回填料為重晶石粉，其配比是在中粗砂中按照體積比加入5%的重晶石粉。對(duì)配比好的3種回填料分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，取得各回填料的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

實(shí)驗(yàn)樣品送至北京市地?zé)嵫芯吭簬r土熱物性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了國際先進(jìn)的Hot Disk 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀（TPS2500S），用于巖土體導(dǎo)熱系數(shù)分析。該儀器主要用于測(cè)試固體（巖土）、液體、粉末、高聚物、復(fù)合材料、各向異性材料等多種類型樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，具有測(cè)量范圍廣，精確度高的特點(diǎn)，可同時(shí)測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容。其工作原理是基于瞬變平面熱源技術(shù)（Transient Plane Source，TPS），Hot Disk 的核心元件是一個(gè)薄層圓盤形的溫度依賴探頭，探頭由金屬鎳經(jīng)刻蝕后形成的連續(xù)雙螺旋結(jié)構(gòu)的薄片，外層為Kapton保護(hù)層。測(cè)試時(shí)，在探頭上輸出通過恒定的電流，引起溫度的增加，探頭的電阻發(fā)生變化，從而在探頭兩端產(chǎn)生一定程度的電壓降。因此，通過記錄在一段時(shí)間內(nèi)電壓的變化，可以較為精準(zhǔn)的得到探頭溫度的變化，進(jìn)而得知被測(cè)樣品的導(dǎo)熱性能，獲取樣品的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容（趙秀峰等，2012）。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試采用了瞬變平面熱源技術(shù)（Hotdisk-TPS），該方法屬于典型的熱帶法，可以方便、快捷、精確地測(cè)量多種類型材料的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率和體積熱容（蘇新軍等，2015）。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試，回填料導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。表1可以看出，經(jīng)過配置的水泥砂漿比原回填料中粗砂的導(dǎo)熱系數(shù)高出約27 %，重晶石粉的導(dǎo)熱系數(shù)高于原回填料中粗砂約70 %。

2 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試

2.1 地質(zhì)條件

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于北京市平谷區(qū)某地埋管地源熱泵項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域。通過勘查孔巖性編錄數(shù)據(jù)，該區(qū)第四系殘坡積物地層厚度為15 m，巖性多以黏土、砂卵礫石為主，下伏為中元古界的長(zhǎng)城系，巖性以石英砂巖為主，地下水位埋藏較深，達(dá)76 m。圖1反應(yīng)了該試驗(yàn)場(chǎng)地100 m以內(nèi)的地層分布情況。

2.2 換熱孔準(zhǔn)備

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)選擇了間隔5 m緊挨的3眼換熱孔，孔深100 m，孔內(nèi)下入雙U型PE管。1#孔采用中粗砂回填，2#孔采用水泥砂漿回填，3#孔采用重晶石粉回填。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試

待3眼換熱孔成孔后靜置超過48 h，采用北京市地?zé)嵫芯吭鹤杂械墓袷綗犴憫?yīng)測(cè)試儀開展現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試。在測(cè)試期間，系統(tǒng)尚未建設(shè)完成，其余換熱孔并未運(yùn)行。

（1）初始溫度測(cè)試

巖土初始溫度測(cè)試方法主要有無功循環(huán)法、水溫平衡法以及布置傳感器。無功循環(huán)法是在不向地埋管加載冷、熱量的情況下，使水在地埋管內(nèi)循環(huán)，在循環(huán)水的溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，此時(shí)循環(huán)水與巖土達(dá)到熱平衡，該溫度即為巖土初始平均溫度。水溫平衡法是地埋管安裝完成足夠時(shí)間后，PE管內(nèi)的水與巖土體的溫度達(dá)到平衡，此時(shí)通過水泵循環(huán)將PE管內(nèi)的水泵出，同時(shí)監(jiān)測(cè)水溫的變化，分析巖土體的溫度（李娟等，2018）。本次試驗(yàn)采用的是無功循環(huán)法，測(cè)試參數(shù)見表2。

通過24 h的連續(xù)試驗(yàn)，取得3眼試驗(yàn)孔無功循環(huán)的測(cè)試數(shù)據(jù)（圖2）。數(shù)據(jù)結(jié)果表明3眼換熱孔初始溫度最后都穩(wěn)定在14～14.5 ℃之間，平均溫度差異不大。

（2）冬季工況測(cè)試

冬季穩(wěn)定工況模擬實(shí)驗(yàn)，稱為“冷響應(yīng)測(cè)試”，采用風(fēng)冷熱泵建立穩(wěn)定的地埋管換熱器運(yùn)行工況，可直觀獲得地埋管換熱器延米換熱量，也可用于計(jì)算地埋管換熱器的綜合傳熱系數(shù)。模擬地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季制熱運(yùn)行模式，試驗(yàn)原理是將儀器的水路循環(huán)部分與所要試驗(yàn)換熱孔內(nèi)的HDPE管路相連接，形成閉式環(huán)路，通過儀器內(nèi)的微型循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán)，同時(shí)儀器內(nèi)集成的空調(diào)模塊機(jī)實(shí)現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)冬季工況的轉(zhuǎn)換。該閉式環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán)，模塊機(jī)所產(chǎn)生的冷量就不斷通過換熱孔內(nèi)的換熱管釋放到地下。在閉式環(huán)路內(nèi)的液體循環(huán)的過程中，采集記錄進(jìn)/出儀器的溫度、流量和加熱器的加熱功率，分析計(jì)算換熱孔的延米換熱量（楊俊偉，2019）。測(cè)試參數(shù)見表3。

分析冬季工況模擬下48 h的測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算各孔的延米換熱量，其中1#孔為31.51 W/m，2#孔為39.34 W/m，3#孔為40.15 W/m。相比于1#孔，2#孔和3#孔換熱量分別提升了24 %和27 %。

3 工程運(yùn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝

地埋管地源熱泵工程室外布設(shè)換熱孔14個(gè)，鉆孔間距5 m，鉆孔直徑152 mm，地埋管換熱孔成孔深度為100 m。

14眼換熱孔單孔進(jìn)入機(jī)房接分集水器匯入機(jī)房總管，為了監(jiān)測(cè)不同回填料的3眼換熱孔實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)的3眼換熱孔單孔供回水管道安裝溫度傳感器、回水管道安裝流量計(jì)量裝置，獲取單孔換熱量（圖3）。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

地埋管的延米換熱量通?？梢杂蓛煞N方法計(jì)算獲得，一種叫做恒溫法，另外一種叫做恒熱流法，“恒溫法”由測(cè)得的流量和供回水溫差得到回路中的換熱量。利用式（1）計(jì)算得到單位延米換熱量（換熱量除以鉆孔總長(zhǎng)度）。

Q=C×m×?T? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Q為換熱量，W;m為質(zhì)量流量，kg/s;?T為供回水溫差，℃。

本次試驗(yàn)取得了該系統(tǒng)工程運(yùn)行1個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在運(yùn)行期間14眼換熱孔全部開啟運(yùn)行。對(duì)實(shí)驗(yàn)的3眼孔取得單孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并采用恒溫法進(jìn)行分析后，得出單孔的換熱量（表4）。

通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，相比于1#孔，2#孔和3#孔換熱量分別提升了21 %和19 %。

4 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)經(jīng)過配比的水泥砂漿回填料比原回填料的導(dǎo)熱系數(shù)提升27 %，經(jīng)過配比的重晶石粉回填料比原回填料的導(dǎo)熱系數(shù)提升了70 %。

（2）熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過配比的水泥砂漿可以將該換熱孔的換熱量提升24 %，經(jīng)過配比的重晶石粉可以將換熱孔的換熱量提升27 %。

（3）工程實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，經(jīng)過配比的水泥砂漿可以將該換熱孔的換熱量提升21 %，經(jīng)過配比的重晶石粉可以將換熱孔的換熱量提升19 %。

（4）無論是現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)還是通過工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，結(jié)果都表明在原回填材料的基礎(chǔ)上，配比水泥砂漿、重晶石粉等導(dǎo)熱系數(shù)高的物質(zhì)均可以提升回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而提升換熱孔的換熱量。

5 建議

（1）由于條件所限，采用的3種回填料的導(dǎo)熱系數(shù)普遍低于實(shí)驗(yàn)孔砂巖地層的導(dǎo)熱系數(shù)（砂巖平均導(dǎo)熱系數(shù)為2.595，DZ/T0225-2009），建議采用高于換熱孔地層導(dǎo)熱系數(shù)的回填料開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步證實(shí)回填料對(duì)換熱孔換熱能力的影響。

（2）由于工程運(yùn)行時(shí)間限制，只取得1個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建議開展一個(gè)供暖季甚至更長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步分析回填料對(duì)換熱孔換熱能力的影響。

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