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 34Ｗ/(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 地埋管换热器 水泥砂浆 回填材料 导热系数 埋管长度
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,向钻孔中注入回填材料。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[17]。最初常用的是从地质钻探工艺传承下来的膨润土水混合物回填材料,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。于是产生了膨润土添加剂混合物回填材料,即在膨润土回填材料中加入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1～2Ｗ/(ｍ·Ｋ)。1999年Ａｌｌａｎ等人研制出一种水泥基回填材料ＣＧ111(水泥、石英砂、膨润土、水、减水剂等的混合物),其导热系数可达2.16Ｗ/(ｍ·Ｋ),热稳定性较好,可以用于干燥的岩土地区[1]。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[1]。
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[89]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。在一种回填材料投入使用之前,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。 电炉 |
