地埋管换热器回填材料导热系数实验研究

点击：1991 日期：[ 2014-04-26 21:58:15 ]

地埋管换热器回填材料导热系数实验研究刘玉旺,于明志,王淑香,方肇洪 (山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101) 摘要：实验研究了水泥型号、骨料类型、骨料粒径、膨润土含量对回填材料导热系数的影响,以及膨润土含量对回填材料稠度的影响。研究发现: PO42. 5水泥的导热系数稍大于PO32. 5的导热系数,回填材料导热系数随砂子粒径的增大而增大,骨料为石英砂的回填材料导热系数要明显大于骨料为河砂的导热系数;同时回填材料的导热系数随膨润土含量的增加先增加后减小,回填材料的流动性随膨润土含量的增加有所降低。关键词：地源热泵回填材料稠度导热系数中图分类号：TK124　文献标识码：A 0　引言地源热泵空调系统作为一种“绿色空调”,是以大地为冷热源对建筑室内环境进行调节的系统。冬季,通过热泵将大地中的低位热能提高品味对建筑供暖,同时存储冷量,以备夏用;夏季,通过热泵将建筑内的热量转移到地下,对建筑进行供冷,同时存储热量,以备冬用。由于土壤的温度受室外温度的影响小,全年相对保持稳定,这就保证了系统的正常运行,有利于提高系统的能效比,降低运行费用,达到节能、减排的效果,因此,它具有空气源热泵无法比拟的优点。在能源与环境问题日益突出的今天,地源热泵自身所具备的节能和环保优势,使这项技术日益受到人们的重视,目前欧洲和北美正大力发展和推广应用地源热泵技术[1, 2],我国地源热泵技术的研究始于上世纪80年代[3]。回填是地埋管换热器施工过程中的重要环节,即在钻孔安置完埋管后, 向钻孔中注入回填材料。回填材料的作用有两方面,一方面使埋管与钻孔壁之间尽可能填实,改善换热器与土壤的换热;另一方面是防止地表水通过钻孔向地下渗透而污染地下水,同时也防止各个含水层之间的交叉污染。地源热泵系统运行效果很大程度上取决于回填材料的性能[4-8]。目前针对回填材料的实验研究相对较少,对合适的地源热泵换热器回填材料的进一步研究会促进我国浅层低温地热能源的利用。 Allan与Kavanaugh[9]分别采用细硅石、矾土、铁屑、金刚砂与班脱土混合作为回填料进行研究,结果表明导热系数可提高至1. 7~3. 29W /(m·K),与采用砂浆混凝土作回填料相比,钻孔深度可减少7% ~22%。庄迎春等[10]研究指出膨润土不适合单独用于回填材料,需与水泥配合并推荐使用非饱和态,导热系数随水灰比的减小而增加,掺入大颗粒的骨料是提高导热系数的有效途径,砂含量的增加使导热系数往往呈线性增长。刘冬生等[11]采用非稳态法对膨润土、水泥加砂两类回填材料进行了室内实验研究。研究指出由于膨润土的自身吸水膨胀性, 在较干旱地区不宜直接作为回填材料,但是在地下水较丰富的地区,由于地下水的迁移,对换热非常有利,可以采用。采用膨润土加砂作为回填材料时,导热系数随着含砂量的增加而增加,但含砂量过高会造成对泵的磨损。陈燕民等[12]指出地源热泵换热器回填材料要根据不同的地层结构和对填料热传导性的不同选用不同的填料。按不同比例配置的膨润土浆液和按不同比例配置的水泥砂浆适用于泥岩含水少的地层。级配砂石填料由于其较好的透水性, 适用于第四系较发育、含水多且流动的地层。司刚平[13]通过在自行研制的试验设备的基础上对换热孔回填材料的热传导性进行了模拟试验研究。对膨润土基和水泥基两种不同的换热孔回填材料的热传导性进行了试验测试和对比分析。试验发现膨润土基回填材料热传导能力较低,且在干燥失水的情况下,收缩严重出现大量裂隙,在地下水位年变化较大的地区或干旱地区,不宜采用该回填材料,影响系统运行的稳定性;水泥基回填材料传热效果较好,且干缩不明显,属性能较稳定的回填材料,适应于各种地层条件,尤其是干旱或基岩地区;对两种回填材料都有一个共同的趋势,就是增加石英砂骨料比例都会不同程度地提高材料的热传导能力。程群英等[14] 研究指出含骨料的水泥类回填材料比膨润土材料在很多方面具有优势,更适合于填充地层与U型管之间的空隙。朱强等[15]在对不同方式地下埋管换热器的实验研究中指出混凝土回填井埋管的单位井深换热量在排热工况下要比砂石回填井埋管高约 50%,取热工况下高约16%。陈卫翠等[16]对水泥、粉煤灰、石英砂、膨润土和外加剂进行了实验研究, 并推荐了三种实验配比的水泥砂浆回填材料。热物性更好的新型回填材料可强化埋管在土壤中的导热过程,进而降低埋地换热器的设计尺寸和初投资成本。以上研究主要是对水泥和膨润土进行比较分析,指出一般情况下水泥类回填材料效果比膨润土类要好;同时指出回填材料中加入大颗粒骨料能有效提高回填材料的导热系数。但是在研究的过程中大多是以一种水泥进行的实验研究,而且只是系统说明了加入大颗粒骨料能提高回填材料的导热系数;同时由于膨润土具有一些优良的特性,可以作为外加剂使用,已有研究主要说明膨润土不适于作为主要回填基料,并没有对膨润土作为外加剂时进行研究。本文针对以上提出的问题,从水泥种类、砂子种类、砂子粒径和膨润土含量等几个方面对回填材料进行实验研究,以期得到水泥种类、砂子种类、砂子粒径和膨润土含量对回填材料导热系数和性能的影响规律,为应用于实际工程打下基础。 1　实验 1.1　实验材料 (1)水泥: PO32. 5和PO42. 5两种型号,其中 32. 5和42. 5代表水泥强度大小,为水泥砂浆硬结 28d后的强度,数值越大表示水泥的强度越大[17]。 (2)河砂:河砂是天然石在自然状态下,经水的作用力长时间反复冲撞、摩擦产生的,其成分较为复杂、表面有一定光滑性,杂质含量多[17],价格较低。实验采用试样粒径分别为0. 15mm以下, 0. 15~ 0. 20mm, 0. 20~0. 3mm, 0. 30~0. 45mm和0. 45~ 0. 9mm。 (3)石英砂:石英砂SiO2含量高,含泥量低,粒度组成均匀合理,颗粒圆整、表面光洁、流动性好,是一种能够较好地提高回填材料导热性能的骨料。实验采用试样粒径分别为0. 15~0. 20mm, 0. 20 ~0. 30mm, 0. 30~0. 45mm和0. 45~0. 90mm。 (4)膨润土:膨润土具有膨胀性,优良的流变性、可塑性、粘结性、胶体性、润滑性等,可以作为砂浆增稠剂、乳胶稳定剂,使水泥砂浆有较好的和易性,还可以减少泌水[16]。 1.2　试样制备试样用一组内壁尺寸为40mm×40mm×160mm 的三联模成型, 24h后脱模。然后对试样进行编号, 再将试样放入养护室水中养护,养护一定时间后分别测其导热系数。 1.3　导热系数测量装置导热系数的测定采用HotDisk热常数分析仪(Ho DiskTPS 2500)。[18]它采用瞬变平面热源测试技术[19]。可测试材料的导热系数、热扩散率以及容积比热。Ho Disk热常数分析仪的各项技术指标如表1。 2　实验数据及分析 2.1　水泥种类对回填材料导热系数的影响本实验以PO32. 5和PO42. 5两种水泥作为实验材料,以相同水灰比的两种纯水泥试样进行对比。陈莹指出回填材料的最佳水灰比为0. 55,因此本文采用的纯水泥试样水灰比为0. 55[20]。对试样分别测试三次导热系数,测试结果如表2。从表2可以看出, PO42. 5的导热系数稍大于 PO32. 5的导热系数,这可能是由于PO42. 5强度较大,水泥砂浆比较密实,孔隙率较小,所以导热系数较大。但一般来说PO42. 5比PO32. 5的价格要高, 选择添加到回填材料的水泥应根据实际情况进行综合的技术经济分析后确定。 2.2　骨料粒径对河砂及回填材料导热系数的影响庄迎春已经指出掺入大颗粒的骨料是提高导热系数的有效途径[10]。但是考虑到回填材料现场施工的可泵性,骨料颗粒直径不宜过大,为此本文通过分析砂子粒径对回填材料导热系数的影响,确定回填材料应选骨料的粒径范围。 2. 2. 1　不同粒径河砂导热系数的变化规律从表3可以看出,随砂子粒径的增大,堆积砂导热系数增大。这主要是因为温度较低时堆积砂热交换主要包括通过真正接触点的导热和通过截留在缝隙内的空气的导热两部分。随粒径的增大,砂子的有效比表面积减小,导致堆积砂孔隙率减小(表4)。孔隙率越小,通过截留在缝隙内的空气的导热越小, 使砂子之间的导热所占比例越大,所以材料导热系数越大。 2. 2. 2　骨料粒径对回填材料导热系数的影响文献[20]指出:回填材料在不加任何外加剂的情况下,最佳水灰比为0. 55,最佳砂灰比为2。所以本文取水灰比为0. 55,砂灰比为2.0时,分别加入等量的不同粒径的河砂或石英砂,研究粒径对导热系数的影响规律。实验测得回填材料导热系数随粒径的变化见表5。从表5可以看出,导热系数在一定程度范围内随粒径的增大而增大,并且增长趋势越来越小。这主要是因为砂子粒径越大,砂子的有效比表面积越小,回填材料的孔隙率越小,使回填材料内部固体颗粒点接触点减少,导致有效导热系数的增大。然而考虑到回填材料现场施工的可泵性,骨料颗粒直径不宜过大,所以本文推荐使用粒径为0. 3~0. 5mm 左右的砂子;另外从图中可以发现在其他条件相同的情况下,骨料为石英砂的回填材料导热系数大于河砂,所以回填材料中加入石英砂时可更显著减小钻孔深度,降低钻孔成本。但石英砂的价格大约是河砂的10倍,而且钻孔费用变化范围较大,从淤泥土层的每米钻孔30元左右到花岗岩石的每米钻孔180元左右[21],所以在确定回填材料时应综合分析。当地质主要为岩石时,由于钻孔成本高,因此回填材料要好;地质主要为土壤时,由于钻孔成本低, 钻孔总长度可加长,回填材料可相应降低要求。 2.3　膨润土对回填材料导热系数及稠度的影响 2. 3. 1　膨润土含量对回填材料导热系数的变化本文采用PO42. 5的水泥,水灰比为0. 55,砂灰比为2. 0,对膨润土含量分别为0. 4%、0. 6%、 0. 7%、0. 8%、0. 9%、1. 0%、1. 2%的七种试样进行分析,研究膨润土含量对回填材料导热系数的影响, 实验结果如图1。从图1可以发现,当膨润土含量低于0. 8%时随膨润土含量增多,回填材料导热系数增大,这主要是由于膨润土较好的保水性,使导热系数增大;但当膨润土含量高于0. 8%时,由于回填材料在拌合过程中发现不易拌合的现象,造成回填材料内部结构不密实,使孔隙率增大,从而导致回填材料导热系数减小。 2. 3. 2　膨润土含量对稠度的影响回填材料的工作性[22]包括量流动性(稠度)和保水性。稠度是指砂浆拌合物在自重或外力作用下,能产生流动并均匀、密实地充满模型的能力;保水性是指砂浆拌合物具有一定的涵养内部水分的能力,在施工过程中不致产生严重泌水的性能。这两方面的性能从不同的侧面反映了拌合物的施工难易程度。稠度是回填材料的一个重要性能指标。利用前述的试样对膨润土对回填材料稠度的影响进行研究,测得实验结果如图2。从图2可见,砂浆稠度随膨润土含量的增大而减小,这主要是因为膨润土含量越大,回填材料混合越困难、材料失水裂开越严重。所以在回填材料中, 应尽可能使膨润土含量减少。综合图1和2,可以发现膨润土含量低于0. 8%时,导热系数随膨润土含量增大而增大;膨润土含量高于0. 8%时,导热系数随膨润土含量增大而减小; 回填材料的稠度随膨润土含量的增加而减小。同时回填材料中加入少量的膨润土可以增强砂浆的稳定性并减少砂的分离,实验使用含量为0. 6% ~0. 8% 膨润土时回填材料导热和流动性能较好。 3　结论本文对回填材料的组成成分对回填材料导热系数的影响规律进行了分析,研究发现: (1)型号为PO42. 5水泥导热系数稍大于 PO32. 5的导热系数,这主要是因为PO42. 5强度较大,水泥砂浆比较密实,孔隙率较小,所以导热系数较大。 (2)回填材料导热系数在一定程度范围内随砂粒粒径的增大而增大,根据实验结果,推荐使用粒径为0. 3~0. 5mm左右的砂子,同时对于河砂、石英砂的选用应结合导热系数和成本的具体情况而定。 (3)膨润土含量低于0. 8%时,导热系数随膨润土含量增大而增大;膨润土含量高于0. 8%时,导热系数随膨润土含量增大而减小;回填材料的稠度随膨润土含量的增加而减小。同时根据回填材料和易性的要求,在本文实验范围内,使用含量为0. 6% ~ 0. 8%膨润土时回填材料导热和流动性能较好。但考虑到综合所有方面的需要,还不能确定最佳含量, 还需要进一步研究。参考文献: [1]　Kavanaugh S P. 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