上海地區(qū)地埋管換熱孔注漿回填料熱傳導特性研究

楊梅芳 才文韜 詹俊峰

摘 要：地源熱泵系統(tǒng)是上海淺層地熱能開發(fā)利用的重要方式，而地埋管換熱孔的回填料及其性質對地源熱泵的運行效率有影響。本文將7：3 比例的黃砂和膨潤土作為空白對照組，研究了水灰比0.4、0.5 兩種工況下，添加外加劑和摻合料對膨潤土基回填料性能的影響。試驗結果表明：摻粉煤灰型和摻超細礦渣粉型的砂漿析水率較低，兩種砂漿析水率分別為2.8% 和3.6%，砂漿最穩(wěn)定；摻粉煤灰型和摻超細礦渣粉型的回填料砂漿稠度高、流動性好，具有較高的導熱性，符合高性能回填料的標準，也在實際回填過程中展現(xiàn)出良好效果。并改進了一款連續(xù)注漿裝置，加快了回填速度，改善了回填質量，提高了回填效率。

關鍵詞：淺層地熱能；地源熱泵系統(tǒng)；地埋管；熱傳導；回填料；連續(xù)注漿裝置

中圖分類號：TK529；P314 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2023）03-0074-05

自2020 年我國發(fā)布“雙碳”目標以來，陸續(xù)發(fā)布了《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》《關于促進地熱能開發(fā)利用的若干意見》等多項可再生能源發(fā)展政策。在此背景下，上海也發(fā)布了地方性能源政策，其中：《上海市能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》指出：到2025 年，非化石能源占一次能源比重力爭達到20%，可再生能源、本地可再生能源爭取占全社會用電量的36% 和8%；《上海市能源電力領域碳達峰實施方案》中指出，地熱能利用是實現(xiàn)“雙碳”能源替代的重要支撐路徑，有效緩解工業(yè)與居民在高溫和寒冷等極端天氣下的制冷和供熱用電負荷；《上海市促進地熱能開發(fā)利用的實施意見》提出推進淺層地熱能示范應用，計劃在“十四五”期間新增淺層地熱能建筑面積500 萬m2 以上。此外，還制定了相關管理辦法和示范項目資金扶持辦法，這些規(guī)劃和管理政策將大力推動地熱資源的規(guī)?；_發(fā)利用。

目前，國內外對埋管換熱孔回填料的研究主要集中在導熱性方面。Sanner[1] 認為具有高導熱系數(shù)的回填料可有效降低系統(tǒng)熱阻，提高地源熱泵系統(tǒng)運行效率。李寧波[2]將不同比例的重晶石粉加入回填料中，研究了不同配比及溫度下回填料導熱性能的變化規(guī)律。李為[3] 發(fā)現(xiàn)將高比熱容材料加入高導熱系數(shù)回填料中可有效減少熱短路現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的換熱效率。此外，費一超[4]、賈子龍[5]、王浩[6]等人也對回填料的綜合性能、換熱能力、分層熱特征等進行了相關研究。然而，實際工程中僅關注回填料的導熱性是遠遠不夠的。注漿量不足、回填不密實，甚至沒有回填等問題也會影響地埋管換熱器的換熱效果[7-9]。因此，本文在以往研究的基礎上，以黃砂、膨潤土為基礎試驗材料，分別在水灰比0.4 和0.5 兩種狀況下，通過添加混凝土外加劑、粉煤灰和礦粉來改善回填料的性能，利用改進的回填注漿裝置，提高回填質量，加快注漿回填速度，縮短回填工期，助力地源熱泵技術的推廣及應用。

1 回填料性能研究

1.1 原料選擇

考慮上海地區(qū)第四紀地層中地下水豐富，因此選擇適合地下水含量較多地區(qū)的鈉基膨潤土、黃砂為基礎試驗材料。為優(yōu)化回填料的可泵性，在基礎試驗材料中添加外加劑和摻合料，其中：外加劑選擇聚羧酸系高效減水劑、泵送劑；摻合料選擇優(yōu)質II 級粉煤灰及S95 超細礦渣粉。

1.2 回填料配比

當黃砂：膨潤土=7： 3 時，回填料導熱性最好，滲透系數(shù)低，止水性能較好[10]。故試驗以黃砂：膨潤土=7： 3為基礎配比，并將其作為空白對照組，與添加1% 外加劑的聚羧酸系高效減水劑型和泵送劑型的兩組外加劑組，以及摻粉煤灰型和摻超細礦渣粉型的摻合料組進行對比，分析幾種回填料在水灰比0.4 和0.5 時的析水性、稠度以及導熱性等，優(yōu)選出回填料的最佳配比。選用 JJ-5 型水泥膠砂攪拌機攪拌回填料（拌和時試驗室溫度保持在21±5 ℃），SC-145 數(shù)顯砂漿稠度儀測試回填料的流動性，Hot Disk TPS2500S 熱常數(shù)分析儀測試材料的導熱系數(shù)。原料混合時，在參考美國Brookhaven 實驗室相關研究的基礎上添加外加劑[11]?；靥盍显囼炁浔纫姳?。

1.3 回填料試驗結果分析

（1）回填料析水性

對不同水灰比下的各類膨潤土基回填料進行析水量測試，保持砂漿體積250 ml 不變，分別進行兩組平行試驗，取其平均值，測試結果見圖1。圖中實線代表水灰比0.4，虛線代表水灰比0.5，析水率為120 min 后回填料砂漿析水量與砂漿體積的比值。

圖1 （a） 顯示：不同類型膨潤土基回填料砂漿的析水量隨時間推移而增加；與空白對照組相比，除聚羧酸系高效減水劑型析水量增加外，其余類型回填料砂漿的析水量均降低，且摻超細礦渣粉型的砂漿析水量低于10ml。從圖1 （b） 可以看出：水灰比越大，析水率越高，與水灰比0.4 的回填料相比，水灰比為0.5 時的析水率增幅0.8%～1.6%。兩種水灰比下，摻粉煤灰型、泵送劑型和摻超細礦渣粉型的砂漿析水率均處于較低水平，可以認為這3 種砂漿是穩(wěn)定的，其中摻超細礦渣粉型的砂漿析水率低于5%[12]，分別為2.8% 和3.6%，回填料砂漿最穩(wěn)定。

（2）回填料砂漿稠度

回填料砂漿稠度是指回填料砂漿流動性能，是用一定幾何形狀及重量的標椎圓錐以其自身重力自由地沉入砂漿中的沉入深度來表示。試驗選用量程為0～145 mm 的SC-145 數(shù)顯砂漿稠度儀進行測試，每種砂漿分別測試5次，取其沉入深度的平均值為該類型砂漿的稠度值，結果見圖2。

由圖2 可知，除聚羧酸高效減水劑型以外，水灰比越大，砂漿稠度測定儀圓錐體沉入度值越大，測定的砂漿稠度越高，表明砂漿整體流動性能較強[13-14]。與水灰比0.4相比，稠度最大增加5.5%；與空白對照組相比，水灰比0.4時，砂漿稠度均增加，從小到大依次為119.3 mm、122.6mm、122.9 mm 和123.2 mm；由于礦渣粉及粉煤灰具有為微集料效應[15]，水灰比0.5 時，兩者砂漿稠度分別增大了1.8% 和2.7%。這是因為水灰比增大時，改善了砂漿內部空隙結構和界面過渡區(qū)，提高了砂漿結構的致密性和均勻性，從而加大砂漿流動性。兩種水灰比下，摻粉煤灰型、泵送劑型和摻超細礦渣粉型的砂漿析水率均處于較低水平，砂漿更加穩(wěn)定，且摻超細礦渣粉型和摻粉煤灰型的砂漿稠度最大，流動性最好，可改善回填料在回填過程中的泵送性能，加快回填速度，因此，選擇摻超細礦渣粉型和摻粉煤灰型膨潤土基回填料進行后續(xù)試驗。

（3）摻合料對回填料導熱系數(shù)影響

回填料導熱性影響地埋管換熱器的換熱效果，為研究超細礦渣粉和粉煤灰對回填料導熱系數(shù)的影響，分別用其替代部分組分的膨潤土進行對比試驗，結果取其平均值，如表2 所示。

對5 組回填料分別進行24 h 和48 h 導熱系數(shù)測試。與空白對照組相比，摻超級礦渣粉型回填料24 小時導熱系數(shù)分別降低8.8%、6%，48 小時導熱系數(shù)下降8.5%、4.5%，說明摻超細礦渣粉會使回填料導熱系數(shù)降低；摻粉煤灰型回填料24 小時導熱系數(shù)分別增大3.2%、6%，但48 小時導熱系數(shù)稍有下降。替代相同份量的膨潤土，粉煤灰型的導熱系數(shù)均高于超細礦渣粉型，說明添加粉煤灰有益于導熱系數(shù)的提升，但其提升程度并不隨添加量的增加而增大，提高添加比例反而使導熱系數(shù)降低。表2 顯示，除配比B，配比C、D、E 的導熱系數(shù)大于2.1W/（m·K），均達到了美國Brookhaven 國家實驗室報道的高性能回填料的標準[16]，因此，可作為地埋管回填料的優(yōu)質配比。

2 現(xiàn)場回填試驗

為了研究添加超細礦渣粉和粉煤灰回填料的回填效果，包括回填密實、砂漿沉淀以及地下水對砂漿影響的情況，選擇上節(jié)中配比C 和E 進行現(xiàn)場注漿回填，通過現(xiàn)場靜力觸探試驗，測試試驗井內回填料比貫入阻力（PS） 值，分析注漿回填完成15 天后砂漿沉淀和密實情況。考慮地下水的存在會使砂漿主要以懸浮狀態(tài)濁液形式存在而無法凝固，因此注漿下沉靜力觸探采用10 cm/ 次進行。試驗場地為典型潮坪地貌，回填深度18 m，地下靜止水位為1.18m，地層結構見表3，靜力觸探試驗結果如圖3 所示。

從圖3 可以看出，Ps 值在地下靜止水位附近有明顯的突增?？瞻讓φ战M、摻超細礦渣粉型、摻粉煤灰型回填料砂漿有不同程度的膠結，其Ps值分別為0.93 MPa、1.46MPa 和0.78 MPa。且摻粉煤灰型、摻超細礦渣粉型、空白對照組三種配比，其Ps 峰值出現(xiàn)的深度依次提前，說明相同回填速度下，超細礦渣粉和粉煤灰會加快砂漿凝結速度。由于地下含水量豐沛，回填料砂漿可能與地下水混合，在短時間內無法穩(wěn)定凝固，這可能導致回填料砂漿的體積變大，流動性增強，從而使得PS 值降低；空白對照組回填料由于砂漿自身沉淀，在8 m 以下PS 值持續(xù)增大，接近周圍地層（灰色淤泥質黏土層及灰色黏土層）Ps 值，表現(xiàn)出骨料分離狀況；摻粉煤灰型回填料及摻超細礦渣粉型砂漿在注漿回填15 天時的Ps 值穩(wěn)定，均勻性較好。

綜上所述，室內試驗選擇的超細礦渣粉和粉煤灰作為回填料配比成分，在滿足良好的穩(wěn)定性、流動性能的同時也具有較好的實際回填效果。

3 回填注漿裝置改進

回填是地源熱泵施工中至關重要的環(huán)節(jié)，回填質量直接關系地源熱泵埋管換熱器的換熱性能和水文地質環(huán)境的保護，高質量回填可為系統(tǒng)的高效運行和地下水環(huán)境保護提供有效保障[17]。然而實際回填注漿過程中容易因提鉆而導致注漿中斷，打亂注漿節(jié)奏，嚴重影響注漿效率，為保證注漿回填的連貫性，本文設計了一種連續(xù)注漿裝置，如圖4 所示。

該裝置在注漿管與鉆桿之間設計了循環(huán)分支，并在主路、支路處分別設有止?jié){閥門。需要提鉆時，將止?jié){閥門1 關閉，打開止?jié){閥門2，使注漿管中的砂漿隨支路返回至泥漿攪拌桶內，終止鉆桿內砂漿泵送；放鉆時，關閉止?jié){閥門2，打開止?jié){閥門1，使砂漿回到主路繼續(xù)注漿。該裝置可以有效緩解注漿不連續(xù)問題，保證了注漿的順暢進行，大大減少了因注漿中斷造成的時間損失，提高了注漿效率。

4 結論

（1）水灰比越大，析水率越高；砂漿稠度越高，流動性越好。與水灰比0.4 相比，水灰比0.5 時回填料砂漿析水量增加了0.8%～1.6%，稠度最大增加5.5%。綜合析水試驗和稠度試驗結果，摻超細礦渣粉型和摻粉煤灰型可改善砂漿流動性，加快回填速度。

（2）與膨潤土基回填料相比，添加粉煤灰的回填料的導熱系數(shù)稍有提高，添加超細礦渣粉的回填料的導熱系數(shù)略微降低，二者變幅低于8.8%，對回填料導熱系數(shù)稍有影響。

（3）相同注漿速度下，超細礦渣粉和粉煤灰會加快砂漿凝結速度，回填料砂漿Ps 值穩(wěn)定，均勻性較好，具有良好的實際回填效果。

（4）采用改進的連續(xù)注漿裝置可以保證回填施工的高效連續(xù)進行，加快回填速度、改善回填質量、提高回填效率。

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