岩石地层条件下回填料对地埋孔换热能力的影响

贾子龙　郑佳　郭艳春　李娟　刘爱华　刘冰

摘 要：在北京平谷山区岩石地层条件下，开展了中粗砂、水泥砂浆、重晶石粉3种回填材料地埋孔换热能力影响的相关实验。首先，对这3种回填料进行实验室热物性参数测试，取得回填料的导热系数。其次，换热孔成孔后分别用这3种回填料进行回填，待换热孔稳定后，開展现场热响应测试，取得3眼换热孔的换热量。最后，在系统建设阶段，设置3眼换热孔的单孔监测，待系统正常运转后，对监测数据进行分析，计算单孔的换热量。经过一系列试验分析得出，水泥砂浆和重晶石粉的导热率高于中粗砂，采用水泥砂浆和重晶石粉回填的换热孔换热量明显高于采用中粗砂回填的换热孔。试验结果表明：导热率高的回填料可以在一定范围内提升换热孔的换热量。

关键词： 回填料;地埋孔;现场热响应测试;导热系数;换热量;岩石地层

Abstract： The relevant experiments on the influence of the heat transfer capacity of the buried holes from three backfilling materials including medium coarse sand， cement mortar and barite powder， have been conducted under the lithostratigraphic condition in Pinggu mountainous areas of Beijing. Firstly， the thermal conductivity of the three kinds of backfilling materials is obtained from test in the laboratory. Secondly， the three kinds of materials are used to backfill three heat exchange holes， after the heat exchange being stabilized， we carry out the field thermal response test to obtain the heat exchange capacity of three holes. Finally， we monitor the heat exchange from the single hole， and then calculate the heat exchange capacity and analyze the final data. The results show that the thermal conductivity of cement mortar and barite powder is higher than that of medium coarse sand， as well as the heat exchange capacity. Therefore， the high thermal conductivity of the backfilling materials can improve the heat exchange capacity of the holes in a certain range.

Keywords： backfilling materials; buried hole; field thermal response test; thermal conductivity; heat exchange capacity; rock strata

0 前言

目前，地源热泵在我国已经发展了数十年，各地区陆续出台相关政策，鼓励优先采用浅层地热清洁能源为新建建筑物供暖制冷（卫万顺等，2020;李宁波等，2020）。我国地下水环境面临的形势日趋严峻，因此水源型地源热泵在我国的发展受到制约，例如，北京地区已经不再新批水源热泵项目。地埋管型地源热泵就成了北京乃至全国浅层地热能开发利用的主要手段，地埋孔换热能力的大小，与地埋管型地源热泵系统的运行能效有很大关系（杜涵，2019）。

回填材料作为地埋管换热器与周围土壤之间进行热交换的传热介质，其导热性能将直接影响地埋管与周围土壤之间的换热效果。目前，我国关于回填材料对地埋孔换热能力的影响分析也开展了一些研究，一些高校和研究机构也取得了很大成果，但是研究内容主要以数值模拟为主（顼永亮，2016年，王恩琦等，2019）。

本次工程的地质条件复杂，第四系砂卵石层较薄，岩性主要以长城系石英砂岩为主（图1），考虑到回填料成本、回填技术等条件，工程中换热孔全部采用了中粗砂进行回填。选取3眼换热孔，开展中粗砂、水泥砂浆、重晶石粉3种回填料的相关试验，分析回填料对地埋孔换热能力的影响效果，为地埋管型地源热泵系统建设提供参考。

1 实验室测试

1.1 回填料样品配置

相关研究表明，在原浆中加入膨润土和水泥的配比混合物，可以保证更好的回填效果和导热性能（孟召贤等，2010）。重晶石粉化学性稳定，导热性和稳定性较好，填充性高，在石油钻井液中有广泛应用，有关研究表明，当中砂样品中加入5 %～10 %的重晶石粉，可以显著提升导热系数（李宁波等，2018）。

试验准备了3种回填料，第1种回填料为中粗砂，第2种回填料为水泥砂浆，其配比为中粗砂：水泥：膨润土=3∶1∶0.5，第3种回填料为重晶石粉，其配比是在中粗砂中按照体积比加入5%的重晶石粉。对配比好的3种回填料分别进行实验室测试，取得各回填料的导热系数。

1.2 实验室测试

实验样品送至北京市地热研究院岩土热物性实验室进行相关测试。该实验室引进了国际先进的Hot Disk 导热系数测试仪（TPS2500S），用于岩土体导热系数分析。该仪器主要用于测试固体（岩土）、液体、粉末、高聚物、复合材料、各向异性材料等多种类型样品的导热系数，具有测量范围广，精确度高的特点，可同时测量导热系数、热扩散系数和比热容。其工作原理是基于瞬变平面热源技术（Transient Plane Source，TPS），Hot Disk 的核心元件是一个薄层圆盘形的温度依赖探头，探头由金属镍经刻蚀后形成的连续双螺旋结构的薄片，外层为Kapton保护层。测试时，在探头上输出通过恒定的电流，引起温度的增加，探头的电阻发生变化，从而在探头两端产生一定程度的电压降。因此，通过记录在一段时间内电压的变化，可以较为精准的得到探头温度的变化，进而得知被测样品的导热性能，获取样品的导热系数、热扩散系数和比热容（赵秀峰等，2012）。

实验室测试采用了瞬变平面热源技术（Hotdisk-TPS），该方法属于典型的热带法，可以方便、快捷、精确地测量多种类型材料的导热系数、热扩散率和体积热容（苏新军等，2015）。

经过实验室的测试，回填料导热系数如表1所示。表1可以看出，经过配置的水泥砂浆比原回填料中粗砂的導热系数高出约27 %，重晶石粉的导热系数高于原回填料中粗砂约70 %。

2 现场热响应测试

2.1 地质条件

实验场地位于北京市平谷区某地埋管地源热泵项目建设区域。通过勘查孔岩性编录数据，该区第四系残坡积物地层厚度为15 m，岩性多以黏土、砂卵砾石为主，下伏为中元古界的长城系，岩性以石英砂岩为主，地下水位埋藏较深，达76 m。图1反应了该试验场地100 m以内的地层分布情况。

2.2 换热孔准备

在实验场地内选择了间隔5 m紧挨的3眼换热孔，孔深100 m，孔内下入双U型PE管。1#孔采用中粗砂回填，2#孔采用水泥砂浆回填，3#孔采用重晶石粉回填。

2.3 现场热响应测试

待3眼换热孔成孔后静置超过48 h，采用北京市地热研究院自有的柜式热响应测试仪开展现场热响应测试。在测试期间，系统尚未建设完成，其余换热孔并未运行。

（1）初始温度测试

岩土初始温度测试方法主要有无功循环法、水温平衡法以及布置传感器。无功循环法是在不向地埋管加载冷、热量的情况下，使水在地埋管内循环，在循环水的温度达到稳定时，此时循环水与岩土达到热平衡，该温度即为岩土初始平均温度。水温平衡法是地埋管安装完成足够时间后，PE管内的水与岩土体的温度达到平衡，此时通过水泵循环将PE管内的水泵出，同时监测水温的变化，分析岩土体的温度（李娟等，2018）。本次试验采用的是无功循环法，测试参数见表2。

通过24 h的连续试验，取得3眼试验孔无功循环的测试数据（图2）。数据结果表明3眼换热孔初始温度最后都稳定在14～14.5 ℃之间，平均温度差异不大。

（2）冬季工况测试

冬季稳定工况模拟实验，称为“冷响应测试”，采用风冷热泵建立稳定的地埋管换热器运行工况，可直观获得地埋管换热器延米换热量，也可用于计算地埋管换热器的综合传热系数。模拟地源热泵空调系统冬季制热运行模式，试验原理是将仪器的水路循环部分与所要试验换热孔内的HDPE管路相连接，形成闭式环路，通过仪器内的微型循环水泵驱动环路内的液体不断循环，同时仪器内集成的空调模块机实现循环系统冬季工况的转换。该闭式环路内的液体不断循环，模块机所产生的冷量就不断通过换热孔内的换热管释放到地下。在闭式环路内的液体循环的过程中，采集记录进/出仪器的温度、流量和加热器的加热功率，分析计算换热孔的延米换热量（杨俊伟，2019）。测试参数见表3。

分析冬季工况模拟下48 h的测试数据，计算各孔的延米换热量，其中1#孔为31.51 W/m，2#孔为39.34 W/m，3#孔为40.15 W/m。相比于1#孔，2#孔和3#孔换热量分别提升了24 %和27 %。

3 工程运行监测试验

3.1 监测设备安装

地埋管地源热泵工程室外布设换热孔14个，钻孔间距5 m，钻孔直径152 mm，地埋管换热孔成孔深度为100 m。

14眼换热孔单孔进入机房接分集水器汇入机房总管，为了监测不同回填料的3眼换热孔实际运行数据，在试验的3眼换热孔单孔供回水管道安装温度传感器、回水管道安装流量计量装置，获取单孔换热量（图3）。

3.2 监测数据分析

地埋管的延米换热量通常可以由两种方法计算获得，一种叫做恒温法，另外一种叫做恒热流法，“恒温法”由测得的流量和供回水温差得到回路中的换热量。利用式（1）计算得到单位延米换热量（换热量除以钻孔总长度）。

Q=C×m×?T                                     （1）

式中：Q为换热量，W;m为质量流量，kg/s;?T为供回水温差，℃。

本次试验取得了该系统工程运行1个月的运行数据，在运行期间14眼换热孔全部开启运行。对实验的3眼孔取得单孔监测数据，并采用恒温法进行分析后，得出单孔的换热量（表4）。

通过对实际运行的监测数据分析，相比于1#孔，2#孔和3#孔换热量分别提升了21 %和19 %。

4 结论

（1）实验经过配比的水泥砂浆回填料比原回填料的导热系数提升27 %，经过配比的重晶石粉回填料比原回填料的导热系数提升了70 %。

（2）热响应试验结果表明，经过配比的水泥砂浆可以将该换热孔的换热量提升24 %，经过配比的重晶石粉可以将换热孔的换热量提升27 %。

（3）工程实际运行监测结果显示，经过配比的水泥砂浆可以将该换热孔的换热量提升21 %，经过配比的重晶石粉可以将换热孔的换热量提升19 %。

（4）无论是现场热响应试验还是通过工程实际运行数据的监测，结果都表明在原回填材料的基础上，配比水泥砂浆、重晶石粉等导热系数高的物质均可以提升回填材料的导热系数，进而提升换热孔的换热量。

5 建议

（1）由于条件所限，采用的3种回填料的导热系数普遍低于实验孔砂岩地层的导热系数（砂岩平均导热系数为2.595，DZ/T0225-2009），建议采用高于换热孔地层导热系数的回填料开展相关实验研究，进一步证实回填料对换热孔换热能力的影响。

（2）由于工程运行时间限制，只取得1个月的监测数据，建议开展一个供暖季甚至更长时间的对比实验，进一步分析回填料对换热孔换热能力的影响。

参考文献：

杜涵，2019. 地源热泵地埋管换热器运行效果影响因素分析[C]//中国市政工程华北设计研究总院有限公司. 2019供热工程建设与高效运行研讨会论文集：上：8.

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李娟，郑佳，于，等，2018. 地层初始温度及结构对地埋管换热能力影响分析[J]. 城市地质，13（1）：64-68.

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孟召贤，余跃进，郭友明，2010. 浅析回填材料在地源热泵应用中的影响[J]. 建筑节能，38（3）：69-71.

苏新军，韩魏，穆延非，等，2015. 瞬变平面热源法热导率测量的数值模拟[J]. 中国测试，41（2）：115-119.

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卫万顺，李宁波，郑桂森，等，2020. 中国浅层地热能成因机理及其控制条件研究[J]. 城市地质，15（1）：1-8.

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