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高性能地理管换热器钻孔回填材料的试验研究点击：1743 日期：[ 2014-04-26 22:14:20 ] |
| 高性能地理管换热器钻孔回填材料的试验研究 陈卫翠 刘巧玲 贾立群 孙亮亮 方肇洪 山东建筑大学 摘要:通过实验研究了基于水泥、石英砂的回填材料各组分对材料导热系数、稠度、强度及膨胀率等的影响，优选出三种具有良好特性的水泥砂浆回填材料，其导热系数可达2. 18-2.34 W/(m " K)。通过对一个工程实例的模拟计算得出，与传统的膨润土回填材料相比，采用这些高性能回填材料能够减少地埋管换热器埋管长度29%^-36%，可显著节省地埋管换热器的初投资和降低运行能耗。 关键词:地理管换热器 水泥砂浆 回填材料 导热系数 埋管长度 0 引言 地埋管地源热泵供热空调技术由于其节能和环保的特点正受到越来越多的关注。回填是地埋管换热器施工过程中的重要环节，即在钻孔完毕、安置完U形管后，向钻孔中注人回填材料。回填材料介于地埋管换热器的埋管与钻孔壁之间，用来增强埋管和周围岩土的换热;同时防止地面水通过钻孔向地下渗透，以保护地下水不受地表污染物的污染，并防止各个蓄水层之间的交叉污染。回填材料的选择以及正确的回填施工对于保证地埋管换热器的性能有重要的意义。采用导热性能不良的回填材料将显著增大钻孔内的热阻，在同样的条件下导致所需的钻孔总长度增加，同时也意味着系统初投资及运行费用的增加。随着地源热泵技术的推广应用，人们越来越关注回填材料性能的改善和优化。 从上个世纪90年代开始，国外就对回填材料作了大量的室内和实际工程的试验研究，包括回填区的传热模型模拟和各种具有较高传热特性的回填材料的开发等[C1-}7。最初常用的是从地质钻探工艺传承下来的膨润土一水混合物回填材料，但是后来发现这种回填材料的导热系数通常较小，只有0.65 ^-0.90W /(m·K)，而且这种材料容易干燥收缩、干裂，因此在干燥地区这种回填材料的导热系数会降得很小，并且由于脱水而引起接触热阻的增加，会对传热产生严重的负面影响。于是产生了膨润土一添加剂混合物回填材料，即在膨润土回填材料中加人石英砂等外加剂以提高回填材料的导热特性，其导热系数可达1一2 W/(m·K) 0 1999年Allan等人研制出一种水泥基回填材料CGlll(水泥、石英砂、膨润土、水、减水剂等的混合物)，其导热系数可达2.16 W/(m·K)，热稳定性较好，可以用于干燥的岩土地区川。此后他们还对这种回填材料作了进一步的细致研究，比如回填材料的渗透系数、渗透比率、抗压和抗折强度、弹性模量、剪切模数、泊松比及与U形管之间的粘结力等特性;并用有限元分析法对回填材料的热压变形进行了分析，从而估计了由此引起的界面接触热阻对传热的影响;还对回填材料的特性进行了一些实地试验研究。 目前国内对回填材料的研究还不够完善，虽然《地源热泵工程技术规范》中也明确指出:“灌浆回填材料宜采用膨润土和细沙(或水泥)的混合浆或专用灌浆材料;当地埋管换热器设在密实或坚硬的岩土体中时，宜采用水泥基料灌浆回填;回填材料及其配比应符合设计要求”，但这方面国内的文献还很少，笔者发现只有文献[8一9〕对膨润土、水泥和沙，文献[10]对纯水泥、沙与石屑的回填材料进行了简单的试验研究。 国外研究表明，配比设计合理的水泥基回填材料具有较好的导热性、经济性及足够的耐久性等，而且水泥砂浆回填材料成本相对较低，安全环保，工作性较好，其组成物也容易获得。吸取地质勘探技术、土木工程和环境工程应用等方面的相关经验来改善回填技术将非常有益于地源热泵行业的进一步发展。由于目前国内对回填材料的研究较国外还有很大差距，而且国内的水泥砂浆的组成和国外的具体情况并不相同，因此，急需对水泥砂浆回填材料的组成、配比及其导热性、工作性等进行测试和研究。 本实验研究的主要目的是: 1) 设计不同配比的水泥砂浆回填材料，并对其多种特性进行测试，确立各种组分对回填材料导热系数、稠度、强度及膨胀率等回填特性参数的影响关系; 2) 对实验结果进行分析评价以选出一种或多种具有良好导热性、工作性、抗渗性及膨胀性等优良特性的回填物质; 3) 从理论上计算采用这些回填材料能够节省的地埋管换热器的长度; 4) 为新型回填材料的实际工程应用及以后的进一步研究工作打下基础。 1 地埋管换热器钻孔回填材料的主要特性分析 回填材料的主要特性包括回填材料的导热系数、是否各向同性及其稳定性、工作性、抗渗性、强度、热压变形、与埋管以及钻孔壁的结合程度、经济性、耐久性以及对环境是否无污染等。其中，回填材料的导热系数又受回填材料的组成、温度、湿度、压力、密度等因素的影响。对于给定类型的回填材料，其导热系数一般随温度、压力的变化不太大，而湿度、密度的变化通常会引起导热系数发生较大变化。 工作性是反映新拌水泥砂浆施工难易程度的性能，是指水泥砂浆拌合物能保持其组分均匀，易于运输、浇注、捣实、成型等施工作业，并能获得质量均匀、密实的性能。包括两方面含义:流动性(稠度)和保水性。流动性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。 此外 ，还 希望回填材料有一定的抗渗性和强度，密封性要好，如果钻孔密封性不够好，就可能导致地下水受到地表水或其他蓄水层的污染。砂浆的强度在一定程度上反映了其密实程度及抗渗性，强度越大，其密实程度就越好，抗渗性也就越好。还希望回填材料有一定的膨胀性，可以使回填材料与埋管以及钻孔壁能较好地结合在一起，从而减小接触热阻。在一种回填材料投人使用之前，还要考虑回填材料的经济性及对环境是否无污染等。 总之 ， 回 填材料是将浅层地热能传递给U形管及管中的循环介质，或者将U形管和循环介质中的热量传递给地层的热传递介质。首先要求其具有良好的传热性能;其次，还要具有良好的工作性，以及一定的强度、抗渗性和膨胀性等。笔者的工作主要是通过实验和测试研究水泥砂浆回填材料的导热系数、工作性、强度及膨胀率。 2 实验介绍 2.1 实验材料 1) 水泥，型号P032.5R , 2) 粉煤灰，其化学组成主要为SiO2， A12认，Fee0 3,Ca O和未燃尽炭。粉煤灰中的光滑颗粒均匀地分散在水泥微颗粒之间，能有效地减少吸水性和内摩擦，从而增强密实性，提高抗渗性[l]。而且由于粉煤灰相对体积质量较小，加人后使混合物的胶凝含量增加，水灰比随之增大，因而流动性好，有利于泵送，提高了其和易性。另外，粉煤灰可以减少泌水，减少水化热。燃煤火力发电厂每年要排放大量粉煤灰，污染环境，占用了大片土地，因此粉煤灰非常廉价，甚至可以免费使用。实验采用等量取代法(用等量的粉煤灰取代水泥)加人。,20%,40%,60%的粉煤灰分别测试其导热系数、稠度等参数。 3) 石英砂是一种能够较好地提高回填材料导热性能的骨料，实验研究了石英砂含量和砂粒级配对导热系数和工作性的影响。砂粒级配的选择是考虑到水泥砂浆的工作性(与搅拌机和砂浆泵的兼容性)，而且要使砂浆具有较好的导热性能。为了保证砂浆良好的和易性，通过反复实验，找到了较合理的砂粒级配。 4) 膨润土，市购，钠基。膨润土由于其独特的矿物结构和结晶化学性质，具有许多十分优良的性能，如膨胀性、流变性、可塑性、粘结性、胶体性、润滑性等[121。在本实验中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。 5) 实验中还加人了少量减水剂、消泡剂和膨胀剂等外加剂。减水剂常作为一种混凝土外加剂、用来提高混凝土的流变性，减小水灰比，提高耐久性，这同样也适用于水泥砂浆。而减小水灰比可以降低水泥砂浆固化后的孔隙率，从而可以提高其导热系数，并改善其他物理机械特性。 2.2 试件制备及性能测试方法 1) 导热系数的测定采用山东建筑大学热物性研究检测中心的Hot Disk热常数分析仪。它采用瞬态平面热源技术(TPS)[1a ]，可以非常便捷地测试各种不同类型材料的导热系数、热扩散率以及比热容。测定导热系数的试件用一组内壁尺寸为40mm X 40 mm X 160 mm的三联模成型,24 h后脱模。对于凝结硬化较慢的水泥砂浆，可以适当延长养护时间，以脱模时试件完整无缺陷为限。然后对试件进行编号，再将试件放入养护室水中养护。养护室的温度为(20士2)0C。养护28 d后测其饱和状态下的导热系数。 2) 稠度参照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ 70-90)进行测定。 3) 抗压和抗折强度的测定参照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671-99)。 4) 膨胀率的测定参照《膨胀水泥膨胀率实验方法》(JC/T 313-82)。 5) 测试了常用的纯水泥回填材料，作为对比的基准材料，其中不加任何其他骨料。测试方法同上。 3 实验结果及分析 3.1 水灰比对水泥砂浆回填材料性能的影响水灰 比对 水泥砂浆回填材料性能的影响见图1,2。从图1可以看出，当水灰比较小时，砂浆稠度随水灰比的增大而迅速增大，当水灰比达到0. 5时，水灰比对稠度的影响开始减弱。从图2可以看出，砂浆的导热系数随水灰比的增大而减小，当水灰比达到0.6时，导热系数明显减小。因此实验推荐水灰比为0.55. 3.2 粉煤灰掺量对水泥砂浆回填材料性能的影响 粉煤灰掺量对水泥砂浆回填材料性能的影响见图3^-5，从图3可以看出，砂浆稠度随粉煤灰掺量的增加而略有增大，而当粉煤灰掺量达到40%时砂浆稠度会略有减小。也就是说适当增加粉煤灰掺量有利于改善水泥砂浆回填材料的流动性。 从图4可以看出，砂浆抗压、抗折强度都随粉煤灰掺量的增加而减小，28 d的抗压强度比3d的抗压强度大很多，抗折强度随时间的变化不太明显，28d的抗折强度比3d的稍大一点。从图5可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，砂浆的导热系数略有减小，这是因为实验中用粉煤灰等量取代水泥，当粉煤灰掺量增加时，水泥掺量相对减少，水化作用随之减小，砂浆的孔隙相应增多，从而导致导热系数减小。 3.3 砂灰比对水泥砂浆回填材料性能的影响 砂灰比对 水泥砂浆回填材料性能的影响见图6,7。从图中可以看出，砂浆的导热系数随着砂灰比的增大而明显增大，砂灰比宜大于1. 5;但是当砂灰比大于2.1时，砂浆的稠度急剧下降。另外，砂灰比越大，其成本就越高，因此推荐使用2. 1的砂灰比。 3.4 减水剂掺量对水泥砂浆回填材料性能的影响 减水剂掺量对水泥砂浆回填材料稠度的影响见图8，由图中可以看出，砂浆稠度随减水剂掺量的增加而迅速增大，当减水剂掺量超过1. 5%时，稠度增加不太明显，因此，推荐减水剂掺量1. 5%。 3.5 膨胀剂掺量对水泥砂浆回填材料性能的影响 膨胀剂掺量对水泥砂浆回填材料膨胀率的影响见表1。由表1可见，当膨胀剂掺量较小时，效果不太明显，当掺量达到5%时，各个龄期的膨胀率有明显增大。推荐使用5%膨胀剂掺量。 3.6 水灰比对纯水泥回填材料性能的影响 水灰比对纯水泥回填材料性能的影响见图9,由图中可以看出，纯水泥的导热系数较小，且水灰比越大导热系数越小。这是因为水灰比越小，水泥浆的孔隙率就越小，浆体就越密实，从而导热系数越大。 3.7 推荐配比水泥砂浆回填材料的性能 综合考虑水泥砂浆的豁聚性、泌水性、气泡的多少、稠度、膨胀率、导热系数及抗折和抗压强度等指标，从所有的实验配比中优选出三种推荐配比，性能 测试。 CS配比导热系数较高，但流动性较差，膨胀性也一般;CFS配比流动性较好，膨胀性也还不错，导热系数稍小;CSE膨胀性很好，实际工程应用时与埋管壁应该会结合得较好，从而减小接触热阻，但实验室测定的导热系数较前两个配比稍小。另外，这三种回填材料的强度都能满足实际工程中钻孔深度60^-200 m的要求。这三种回填材料达到了美国Brookhaven国家实验室报道的高性能回填材料的水平[21 4 回填材料导热系数对地埋管换热器设计长度的影响 通过一个地源热泵系统工程实例，模拟分析回填材料导热系数对地埋管换热器设计长度的影响。该工程建筑面积1 000耐，夏季空调冷负荷为110kW，冬季热负荷为80 kW,模拟计算时采用了山东建筑大学地源热泵研究所开发的地热换热器设计及模拟专用软件《地热之星》，该软件采用了二维和准三维传热模型，考虑了全年吸热和放热不平衡等复杂的情况，以保证地热换热器在整个服务周期(20年或更长的时间)中的性能为设计目标，输人钻孔参数、U形管参数、岩土参数、循环液参数、热泵参数以及各月累计负荷等设计条件就可以直接得到要求的埋管长度[14]。模拟中取循环液为纯水，钻孔分布为矩形阵列2X13，钻孔间距为5mX5m(行间距X列间距)，取不同的回填材料导热系数及岩土导热系数，计算出一系列地埋管换热器的尺寸。回填材料导热系数的取值是0. 65^-2. 34W/(m " K)，这是根据国际上曾广泛应用的膨润土回填材料(0.65 W /(m "K )) 、水灰比0.6的纯水泥(0.97 W /(m "K ))及 实验研究开发出的CS(2.34 W /(m "K ))确定的。为了考察钻孔外岩土导热系数对不同回填材料的实际传热性能的影响，在模拟计算中采用了不同的岩土导热系数，从湿砂土层约1. 5 W/(m " K)到花岗岩约3.0 W /(m·K)。图10为1k W空调负荷所需钻孔长度随岩土导热系数和回填材料导热系数的变化曲线图。从图中可以看出，随着回填材料导热系数的增大，所需钻孔长度逐渐减小;随着岩土导热系数的增大，钻孔长度也明显减小。另外，从图中还可以看到当岩土导热系数为1.5W/(m " K)，钻孔回填材料的导热系数由0. 65W/(m·K)增大到2.34 W/(m·K)时，钻孔长度减少了约29%。这说明，当采用较高导热系数的回填材料时，可以减少相当可观的埋管长度。尤其是当岩土导热系数较高时，如岩土导热系数为3.0 W /(m "K )时，提高回填材料导热系数的效果更加显著，可减少钻孔长度约36%。课题组先前的更详细的研究计算也表明，当回填材料的导热系数低于周围岩土的导热系数时，钻孔内的热阻在总热阻中占有重要的份额，改进回填材料的导热系数对增强地埋管换热器的传热可起到显著的作用[161。反之，如果周围岩土的导热系数较小，则采用高性能回填材料的效用就会相对降低。采用高性能的水泥砂浆回填材料会增加一定的成本，但这同时也减少了地埋管换热器的钻孔长度，从而大大节省了钻孔埋管的成本;特别是对于设置在坚硬岩石地层中的地埋管换热器，岩层的导热系数大，而单位深度的钻孔费用高，采用高性能的回填材料具有明显的降低地埋管换热器总体成本的效果，也会降低运行中循环泵的功耗。 5 结论 改善地埋管换热器钻孔回填材料的性能对于提高地源热泵系统的性能、减少初投资和运行费用具有重大意义。通过对基于水泥、石英砂的回填材料的实验研究，可以得出以下结论。 1) 增大水灰比、增加减水剂和粉煤灰的掺量都有利于改善水泥砂浆回填材料的流动性;加人少量的膨胀剂可以增加回填材料的膨胀性;增大砂灰比、减小水灰比和粉煤灰掺量都有利于提高水泥砂浆回填材料的导热系数。 2) 推荐了三种实验配比的水泥砂浆回填材料，它们具有较好的流动性、传热性、膨胀性及耐久性等，导热系数可达2.18^-2.34 W/(m·K)o 3) 对一个工程实例的模拟计算结果表明采用这些高性能回填材料能够减少地埋管换热器长度29%-36%，可显著节省地埋管换热器的初投资和降低运行能耗。 以上研究结果为以后进一步的研究工作和实际工程推广应用打下了良好的基础。为了更好地推广应用高性能地埋管换热器回填材料，还将进一步作现场的对比测试和实际工程的跟追测试和研究。 |
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