地源熱泵系統(tǒng)中鉆孔回填材料研究進展

張 玟，郝斌堯，王 勝，張 潔

（成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川成都610059）

1 研究背景

隨著城市化的不斷發(fā)展，城市建設和發(fā)展對于能源需求不斷增加，但是目前，不可再生能源的使用逐漸受到限制，且國家大力支持發(fā)展清潔能源。而地熱資源作為儲量大、分布廣、易于利用的可再生清潔能源，與可持續(xù)發(fā)展理念相結合，是新時代經(jīng)濟建設的重要支柱。因此，轉(zhuǎn)而增強對于地熱資源的利用變得尤為重要。在地球內(nèi)部中，可被開發(fā)的，存在于各類流體與巖土體中的熱能被稱為地熱資源。大量科學研究主要集中在淺層地熱能的利用上。根據(jù)當前科技發(fā)展水平，地下深度＜200 m 的低溫熱能資源是我們主要開采的地熱資源［1］。因地球內(nèi)部200 m 以內(nèi)的恒溫帶中，有恒定的巖土體溫度，受環(huán)境氣候的影響極小，因此開發(fā)利用方便［2］。

地源熱泵系統(tǒng)通過采取巖土體、地下水等低溫熱源來獲取地熱資源，由源熱泵機組、能量交換系統(tǒng)等構成。我們需要對鉆孔進行材料的回填，去防止地下水互相滲透或沉降，并且提高地源熱泵系統(tǒng)的導熱能力，提高熱傳導效率。其中，回填材料作為提高整個系統(tǒng)導熱能力起到至關重要的作用。

因此，國內(nèi)外學者對于地源熱泵回填材料進行了深入研究，通過不同材料配比、添加劑的引入，以及在各類復雜地層中的現(xiàn)場試驗，從其導熱性能、力學性能、施工性能3 大主要特性展開大量研究課題。

2 回填材料主要特性

2.1 導熱性能

回填材料作為傳熱介質(zhì)，其導熱性能尤為關鍵，一種良好的回填材料具有優(yōu)良的導熱系數(shù)，可以降低熱阻，提高傳熱性能，從而降低地源熱泵所耗費的資源與成本［3］。

2.1.1 導熱系數(shù)

回填材料的導熱能力用換熱孔內(nèi)的熱阻來表示，換熱孔內(nèi)回填材料的熱阻隨導熱系數(shù)的增大而增大，隨鉆孔深度的增大而減小。因此，為提高回填材料的導熱性能，就要增加其導熱系數(shù)。熱阻與導熱系數(shù)及鉆孔深度關系式如式（1）所示：

式中：Rb——換熱孔內(nèi)回填材料的熱阻，W/（m·K）；λb——換熱孔內(nèi)回填材料的導熱系數(shù)，W/（m·K）；db——鉆孔直徑，m；de——U 形管的當量直徑，m。

從20 世紀90 年代到21 世紀初，國外研究人員就開始對于回填材料的導熱性能進行研究，通過加入不同原料及添加劑來增加其導熱系數(shù)。PAHUD D 等［4］采用石英砂作為回填材料，所測得的鉆孔熱阻為0.04 W/（m·K），最大減少了30%，傳熱效果優(yōu)良。BORINAGA-TREVI?O R 等［5-6］分析了 4 種不同回填材料添加劑，分別為膨潤土-石墨、堿性氧氣轉(zhuǎn)爐鋼渣、石英砂、建筑垃圾。試驗得出，膨潤土-石墨回填材料熱阻僅有0.07 W/（m·K），而石英砂回填材料干燥導熱系數(shù)可達1.1 W/（m·K）、飽和導熱系數(shù) 1.6 W/（m·K），導熱效果優(yōu)良。ALRTIMI A A等［7］采用的回填材料是由水泥、平均密度在2.15 g/cm3的粉煤灰、粗砂、碎玻璃和螢石等組成成分混合而成，通過試驗，由粉煤灰、螢石組成的回填材料，可以在飽和與干燥的環(huán)境中保證較好的導熱系數(shù)。當此回填材料中的螢石含量從20%不斷增加時，飽和導熱系數(shù)從 1.3 W/（m·K）增加到 2.8 W/（m·K），干燥導熱系數(shù)從 0.8 W/（m·K）增加到 1.3 W/（m·K）。KAVANAUGH S P 等［8］采用細硅石、鐵屑、礬土、班脫土與金剛砂混合組成的回填材料，其導熱系數(shù)可以 提 高 至 3.29 W/（m·K）。LEE CHULHO 等［9］分析了含20%含量的膨潤土、二氧化硅、石墨的回填材料添加劑，表明回填材料的導熱系數(shù)都出現(xiàn)了增長。且若繼續(xù)增加膨潤土含量還能使得導熱系數(shù)繼續(xù)增加。Sanner B 等［10］也通過實驗證明為了增加地源熱泵系統(tǒng)的換熱效率，就要提高回填材料的導熱系數(shù)。通過眾多國外研究人員加入不同配比添加劑，回填材料的導熱性能有了明顯的改良。不同成分配比對于回填材料的導熱性能改良如表1 所示。

表1 不同成分配比對于回填材料的導熱性能改良Table 1 Different component ratios for improvement of thermal conductivity of backfill materials

隨后，國內(nèi)研究者相對起步較晚，但其也對于回填材料的導熱性能首先進行測試。包強等［11］發(fā)現(xiàn)高導熱性能的回填材料對于地下?lián)Q熱器的換熱能力有較大提升，隨導熱系數(shù)的增大，換熱器與巖土體的熱交換量增大。但是要控制回填材料導熱系數(shù)，其導熱能力宜稍強于地下巖土體的導熱能力。馬志強［12］表明若想使導熱系數(shù)更高，就要選擇粒徑大、均勻性好的回填材料，建議選擇0.5～2 mm 的顆粒砂。除此之外，還表明回填材料的導熱性能與鉆孔的深度關系較小。劉玉旺等［13］通過研究發(fā)現(xiàn)，P.O.42.5 水泥的導熱系數(shù)較P.O.32.5 的導熱系數(shù)更高。隨著砂粒尺寸的增加，回填材料的熱導率增加。隨著膨潤土含量的增加，回填材料的熱導率先升高后降低。隨著膨潤土含量的增加，回填材料的流動性降低。連小鑫等［14］通過試驗證明換熱孔深度與換熱器換熱量成反比，而與換熱孔填料導熱系數(shù)和U 形管內(nèi)循環(huán)水流速成正比。

2.1.2 回填材料的配比優(yōu)化

在進行導熱性能研究的同時，研究者對于回填材料固定配方中膨潤土、水泥等的性能進行了分別的測試。司剛平［15］通過試驗表明膨潤土基回填材料的熱傳導性能良好，因其強度較高且熱傳導系數(shù)較低，換熱孔孔身結構可以被很好地保護。鄭秀華等［16］也同樣發(fā)現(xiàn)在以巖石基為主要成分的地區(qū)中，水泥基回填材料更適合，其主要通過調(diào)節(jié)水灰比來改變導熱系數(shù)。

在基于膨潤土、水泥、石英砂等材料的情況下，國內(nèi)研究者對于回填材料的配比進行進一步室內(nèi)試驗與現(xiàn)場研究。王雯璐等［17］對回填材料添加劑的配比進行了試驗，研究結果表明，為了保證材料導熱性良好的前提下，使回填材料具有較好的流動性和膨脹性，增加其換熱能力，最優(yōu)配比為水∶水泥∶膨潤土∶石英砂∶膨脹劑∶減水劑=0.55∶1∶0.01∶2∶0.06∶0.014。同時結合室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，其主要影響因素依次為骨料量、干密度和孔隙程度。王沖等［18］同樣發(fā)現(xiàn)骨料含量、干密度和孔隙程度共同決定回填材料的導熱系數(shù)。莊迎春等［19-20］研究發(fā)現(xiàn)為了獲得熱傳導能力較強的回填材料，應使其含砂量達到80%，水灰比為0.45。研究者通過對于兩種不同粒徑的砂粒進行傳熱性能測試，試驗指出中粗砂換熱孔填料的換熱量在制熱工況下比粉細砂填料更高［21］。劉湘云等［22］對粘土和沙子作為不同回填土時進行測試。證明了在相同含水率條件下，混凝土的導熱系數(shù)最大，粘土的導熱系數(shù)最小。用沙子比粘土作為回填土的換熱量更大。劉冬生等［23］指出由于地下水的遷移，更有利于在富水地層中的熱交換，膨潤土基、水泥基回填材料的熱導率隨含砂量的增加而增加。

此外，學者們嘗試加入廢鋼渣來提高回填材料的導熱性能。費一超等［24］通過添加廢鋼渣來改善回填材料的施工性能，最大增幅可達81.9%，并且可以大幅提升回填材料的物理力學性能，但會降低其傳熱性能。鄒玲等［25］也選用廢鋼渣作為回填材料添加劑進行研究。研究指出當按一定比例控制粗鋼渣代砂率、鋼渣粉代水泥率時，回填材料表現(xiàn)出的綜合性能優(yōu)良。

綜上所述，水泥、膨潤土與石英砂為控制回填材料導熱性能的重要因素。不同水灰比、骨料粒徑及含量對于干密度、孔隙率、含水率和環(huán)境溫度等因素影響很明顯?；靥畈牧现兴嗟乃冶仍礁?，導熱性能越差，較優(yōu)的水灰比配比為0.45；隨著膨潤土的增加，回填材料的導熱性能先增加后降低；砂的導熱性能往往優(yōu)于粘土，含砂量越高或砂粒徑越大，且砂的均勻性越好，其導熱系數(shù)越高。但導熱系數(shù)并不是越高越好，因U 形管支管之間產(chǎn)生的熱干擾，過高的導熱系數(shù)可能會導致鉆孔土壤發(fā)生熱短路，影響整個系統(tǒng)的導熱能力。因此，采用與周圍地層相近且導熱系數(shù)略高于周圍地層的材料為更優(yōu)的選擇，當導熱系數(shù)為2～4 W/（m·K）時最為合理。

2.2 力學性能

回填材料的除有導熱作用外，另一重要作用是密封鉆孔，所以回填材料自身要有足夠的強度。第二，為了防止地下水被污染，還要求材料在回填后具有良好的密封性。最后，具有一定的膨脹性對于回填材料也很必要，其可以使回填材料與地埋管結合效果良好［3］。所以在回填材料有優(yōu)良的導熱性能下，應同時具備一定的物理力學性能。

研究者加入不同類型的石墨材料來提高回填材料的導熱性能，但會降低其力學強度。INDACOE?CHEA-VEGA I 等［26］采用的回填材料由不同比例的水泥、膨潤土、石英砂、石墨構成，試驗指出因加入石墨作為添加劑，回填材料的導熱系數(shù)增加，但抗壓強度降低，且過高的水灰比會使得回填材料導熱系數(shù)與抗壓強度降低。

后有研究者對于石墨的選取與配比進行了深入試驗，力圖改善石墨對于回填材料力學性能的影響。EROL S 等［27］研究了不同類型石墨材料對回填材料力學性能的影響情況，結果表明，選取粒徑為150 μm 的人造石墨可以改善回填材料的力學性能，并且提高抗壓強度。

因此，加入石墨等添加劑雖然會對回填材料的導熱性能有所提高，但有時卻大幅降低了其力學強度，降低了抗?jié)B性能，可能造成地面沉降與孔內(nèi)安全事故。

2.3 工程特性

為了保證回填材料在拌合、施工等技術條件下，同樣可以保持優(yōu)良的性能，對于其施工性能也要嚴格控制。同時，要填充鉆孔間空隙，并且使換熱器與地層接觸良好，增強導熱能力，就要選擇流動性與保水性同樣優(yōu)良的回填材料［3］。

回填材料在滿足導熱性能的前提下，同樣要保證施工過程的簡便與安全，保證回填材料的流動性、稠度與保水性。若加入粉煤灰為添加劑，雖然改善了回填材料的流動性，但對其強度會產(chǎn)生影響。陳衛(wèi)翠等［28］選用粉煤灰作為回填材料添加劑進行研究。研究表明，40%以內(nèi)含量的粉煤灰可以較好地改善回填材料的流動性，但隨著粉煤灰含量的不斷增加，可能會一定程度上降低回填材料的力學強度。

通過軟件計算，回填材料對換熱孔總長的影響是有限的。因此工程應用中，不是導熱系數(shù)越高越好，還要考慮經(jīng)濟性［12］。

王向巖等［29］利用超強吸水樹脂作為回填材料的添加材料，通過試驗證明該回填材料在某些干旱等特定條件下可以大幅提高土壤的導熱系數(shù)，且可以提高單位管長的換熱量。陳燕民等［30］指出地下巖土體物理化學性質(zhì)與采用的回填材料適配性也尤為重要。在地下土層含水量較高的地區(qū)通常使用砂石類回填材料，而在地下土層含水量較低地區(qū)多用膨潤土基回填材料。

3 回填材料存在的問題及未來發(fā)展的趨勢

3.1 現(xiàn)存的問題

雖然回填材料導熱系數(shù)越高，換熱效果越好，但是“熱短路”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因正是回填材料有過高的導熱系數(shù)。在回填材料導熱系數(shù)約為周圍土壤導熱系數(shù)2 倍時，提高回填材料的導熱系數(shù)對于換熱量幾乎沒有提升且成本控制問題凸顯［31］。

在地源熱泵的回填材料中，雖然通過一系列的配方的改進或添加劑引入可以較大幅度提升其導熱系數(shù)，但是過高的導熱系數(shù)會造成熱短路現(xiàn)象，并帶來力學性能與施工性能大幅降低等一系列不良后果。同時，大量添加劑的引入導致成本控制困難，經(jīng)濟效益降低。因此，在控制回填材料的導熱系數(shù)的同時，保證其各方面性能的優(yōu)良，并且取得較高的經(jīng)濟效益成為了在回填材料研究時面對的重要問題。

3.2 未來發(fā)展的趨勢

通過模擬計算，為了提高地源熱泵的工作效率，采用高潛熱的相變材料作為回填材料是一種提高工程效率的潛在且有效的方法。在溫度較低的地區(qū)可以采用相變溫度較高的回填材料，反之相變溫度低的材料在溫度較高的地區(qū)更適用［32］。

相變材料（PCM——Phase Change Material）是一種能在恒溫條件下改變物質(zhì)狀態(tài)并提供潛熱的材料。因為當此類相變材料的物理狀態(tài)發(fā)生變化時，材料本身可以吸收或釋放相當大的潛熱，同時可以使溫度幾乎保持不變。因此，相變材料作為目前最有前途的儲能方法之一，可以在滿足能源供應的基礎上，提高能源利用率。

首先，很多歐洲研究者對于相變材料做出相應的試驗研究。Lane A［33］研究出潛熱大的新型相變材料，為此類材料研發(fā)提供了很多理論基礎；K K［34］通過試驗得出了最適合做相變材料為在較低溫度下的石蠟、水合鹽類和包合鹽；Feldman D 等［35］研制出了一種新的相變儲能石膏板；Neeper D A［36］將脂肪酸和石蠟作為相變材料并通過實驗測試其溫度的變化情況。Huanpei Zheng 等［37］通過可視化實驗對比研究石蠟在泡沫銅和無泡沫銅的熔化行為，得出了泡沫銅可以降低石蠟內(nèi)部熱阻，顯著增強泡沫銅/石蠟相變材料溫度分布的均勻性。John A. N?el 等［38］通過利用氧化鋁等多種不同的基質(zhì)和聚己基共聚物制備各種形狀穩(wěn)定的相變材料，發(fā)現(xiàn)了雖然基體對相變材料的熔點沒有明顯的影響，但卻控制了相變材料的填充量、導熱系數(shù)和力學性能。

此外，國內(nèi)研究人員也對相變材料做出了深入研究。吳越超［39］制備了潛熱為172 J/g 的相變材料；張鴻聲等［40］則認為納米粉末雖不會降低相變材料溫度，卻會一定程度上降低其潛熱，因此其在石蠟相變材料中加入納米銅粉，制備了穩(wěn)定的NC-PCM，DSC 測試驗證了此項結論。在將相變材料作為回填材料的研究領域中，薛彥超等［41］認為相變材料具有明顯的導熱性能優(yōu)勢，其導熱性能與目前新興的PE-RTII 預制直埋保溫管相當。吳越超［39］相變材料回填在地源熱泵可行性分析實驗結果表明，在使用相變材料進行回填之后，周期內(nèi)單井供熱量有所提高，并且土壤溫度可以在一定時間內(nèi)快速恢復，不會影響下一周期的運行。但是由于相變材料導熱系數(shù)比較小，會影響地源熱泵的換熱能力，因此為了選擇適合適量的相變材料，必須綜合考慮優(yōu)化傳熱和蓄能，找出最佳的配比［42］。楊衛(wèi)波等［43］通過建立PCM 回填地埋管換熱器相變傳熱數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)土壤溫度與土壤熱響應特性受PCM 的導熱性影響較大，并且PCM 的回填可以有效地提高土壤溫度恢復率。李啟宇［44］對比了相變回填與普通回填材料，發(fā)現(xiàn)相變回填可以減少熱短路作用和熱影響半徑，其低熱導率可使單位井深的換熱量減少，因此回填材料在地源熱泵中的使用具有一定的優(yōu)勢。

筆者認為在未來的工程領域中，利用相變材料可能會成為解決回填材料在導熱性能優(yōu)良時，力學性能降低的重要方法。另外，雖然目前的相變材料相比于其他類型回填材料已經(jīng)在導熱系數(shù)、提供潛熱方面有明顯優(yōu)勢，但由于目前國內(nèi)外對于此材料研究尚少，其仍存在導熱系數(shù)低、穩(wěn)定性差以及成本較高等普遍問題，因此未來需要根據(jù)不同的目的制備出具有適宜的相變溫度、相變潛熱、低成本且化學性質(zhì)較穩(wěn)定的相變材料，以實現(xiàn)相變材料在各個領域的研究與應用。最后，由于近年來信息技術的快速發(fā)展，數(shù)值模擬軟件應用越來越廣泛，在一定條件下，若能提前對于相變材料進行數(shù)值模擬分析，找出影響其性能的關鍵因素，同時與室內(nèi)試驗與現(xiàn)場應用緊密結合，必然會對于相變材料的研發(fā)與未來工程的應用起到顯著作用［45-46］。

4 結語

本文綜述了地源熱泵系統(tǒng)中的回填材料的研究，因其應用范圍廣、針對性突出、對熱能采取起到關鍵作用而受到眾多學者的廣泛關注。針對當前進展，做出如下總結與建議：

（1）針對地源熱泵的回填材料的導熱性能，已有大量多內(nèi)外學者做出研究并嘗試使用不同材料與添加劑，使其導熱系數(shù)有較大幅提高。在此基礎上，又對回填材料及其添加劑的配比進行了大量試驗，認為水泥的水灰比越高，導熱性能越差，較優(yōu)的水灰比配比為0.45；隨著膨潤土的增加，回填材料的導熱性能先增加后降低；砂的導熱性能往往優(yōu)于粘土，含砂量越高或砂粒徑越大，且砂的均勻性越好，其導熱系數(shù)越高。

（2）在對回填材料的力學性能與施工性能的研究中，若過于強調(diào)回填材料的導熱性，可能會導致其強度、流動性、稠度及保水性的降低。此外，過高的導熱系數(shù)會使U 形管產(chǎn)生熱短路，導致整個地源熱泵系統(tǒng)效率降低，所以研發(fā)回填材料時，在考慮其導熱性能的同時，也要兼顧其優(yōu)良的力學及施工性能，保證施工安全與便捷。

（3）當前地源熱泵系統(tǒng)的回填材料發(fā)展迅速，眾多科研機構、公司等都已進行了很多關于回填材料的研發(fā)，并取得了大量成果。但回填材料在應用過程中還存在著一些問題，不能實現(xiàn)很高的熱交換率與較低的成本控制的平衡。因已有較多機構對于相變材料進行了深入探究，所以研究將相變材料作為回填材料，并結合數(shù)值模擬與現(xiàn)場勘測相結合的方式，不論是在導熱性能還是在經(jīng)濟建設中，在本領域都有較好的發(fā)展前景。