上海地区地埋管换热孔注浆回填料热传导特性研究

杨梅芳 才文韬 詹俊峰

摘 要：地源热泵系统是上海浅层地热能开发利用的重要方式，而地埋管换热孔的回填料及其性质对地源热泵的运行效率有影响。本文将7：3 比例的黄砂和膨润土作为空白对照组，研究了水灰比0.4、0.5 两种工况下，添加外加剂和掺合料对膨润土基回填料性能的影响。试验结果表明：掺粉煤灰型和掺超细矿渣粉型的砂浆析水率较低，两种砂浆析水率分别为2.8% 和3.6%，砂浆最稳定；掺粉煤灰型和掺超细矿渣粉型的回填料砂浆稠度高、流动性好，具有较高的导热性，符合高性能回填料的标准，也在实际回填过程中展现出良好效果。并改进了一款连续注浆装置，加快了回填速度，改善了回填质量，提高了回填效率。

关键词：浅层地热能；地源热泵系统；地埋管；热传導；回填料；连续注浆装置

中图分类号：TK529；P314 文献标志码：A 文章编号：2095-1329（2023）03-0074-05

自2020 年我国发布“双碳”目标以来，陆续发布了《“十四五”可再生能源发展规划》《关于促进地热能开发利用的若干意见》等多项可再生能源发展政策。在此背景下，上海也发布了地方性能源政策，其中：《上海市能源发展“十四五”规划》指出：到2025 年，非化石能源占一次能源比重力争达到20%，可再生能源、本地可再生能源争取占全社会用电量的36% 和8%；《上海市能源电力领域碳达峰实施方案》中指出，地热能利用是实现“双碳”能源替代的重要支撑路径，有效缓解工业与居民在高温和寒冷等极端天气下的制冷和供热用电负荷；《上海市促进地热能开发利用的实施意见》提出推进浅层地热能示范应用，计划在“十四五”期间新增浅层地热能建筑面积500 万m2 以上。此外，还制定了相关管理办法和示范项目资金扶持办法，这些规划和管理政策将大力推动地热资源的规模化开发利用。

目前，国内外对埋管换热孔回填料的研究主要集中在导热性方面。Sanner[1] 认为具有高导热系数的回填料可有效降低系统热阻，提高地源热泵系统运行效率。李宁波[2]将不同比例的重晶石粉加入回填料中，研究了不同配比及温度下回填料导热性能的变化规律。李为[3] 发现将高比热容材料加入高导热系数回填料中可有效减少热短路现象，提高系统的换热效率。此外，费一超[4]、贾子龙[5]、王浩[6]等人也对回填料的综合性能、换热能力、分层热特征等进行了相关研究。然而，实际工程中仅关注回填料的导热性是远远不够的。注浆量不足、回填不密实，甚至没有回填等问题也会影响地埋管换热器的换热效果[7-9]。因此，本文在以往研究的基础上，以黄砂、膨润土为基础试验材料，分别在水灰比0.4 和0.5 两种状况下，通过添加混凝土外加剂、粉煤灰和矿粉来改善回填料的性能，利用改进的回填注浆装置，提高回填质量，加快注浆回填速度，缩短回填工期，助力地源热泵技术的推广及应用。

1 回填料性能研究

1.1 原料选择

考虑上海地区第四纪地层中地下水丰富，因此选择适合地下水含量较多地区的钠基膨润土、黄砂为基础试验材料。为优化回填料的可泵性，在基础试验材料中添加外加剂和掺合料，其中：外加剂选择聚羧酸系高效减水剂、泵送剂；掺合料选择优质II 级粉煤灰及S95 超细矿渣粉。

1.2 回填料配比

当黄砂：膨润土=7： 3 时，回填料导热性最好，渗透系数低，止水性能较好[10]。故试验以黄砂：膨润土=7： 3为基础配比，并将其作为空白对照组，与添加1% 外加剂的聚羧酸系高效减水剂型和泵送剂型的两组外加剂组，以及掺粉煤灰型和掺超细矿渣粉型的掺合料组进行对比，分析几种回填料在水灰比0.4 和0.5 时的析水性、稠度以及导热性等，优选出回填料的最佳配比。选用 JJ-5 型水泥胶砂搅拌机搅拌回填料（拌和时试验室温度保持在21±5 ℃），SC-145 数显砂浆稠度仪测试回填料的流动性，Hot Disk TPS2500S 热常数分析仪测试材料的导热系数。原料混合时，在参考美国Brookhaven 实验室相关研究的基础上添加外加剂[11]。回填料试验配比见表1。

1.3 回填料试验结果分析

（1）回填料析水性

对不同水灰比下的各类膨润土基回填料进行析水量测试，保持砂浆体积250 ml 不变，分别进行两组平行试验，取其平均值，测试结果见图1。图中实线代表水灰比0.4，虚线代表水灰比0.5，析水率为120 min 后回填料砂浆析水量与砂浆体积的比值。

图1 （a） 显示：不同类型膨润土基回填料砂浆的析水量随时间推移而增加；与空白对照组相比，除聚羧酸系高效减水剂型析水量增加外，其余类型回填料砂浆的析水量均降低，且掺超细矿渣粉型的砂浆析水量低于10ml。从图1 （b） 可以看出：水灰比越大，析水率越高，与水灰比0.4 的回填料相比，水灰比为0.5 时的析水率增幅0.8%～1.6%。两种水灰比下，掺粉煤灰型、泵送剂型和掺超细矿渣粉型的砂浆析水率均处于较低水平，可以认为这3 种砂浆是稳定的，其中掺超细矿渣粉型的砂浆析水率低于5%[12]，分别为2.8% 和3.6%，回填料砂浆最稳定。

（2）回填料砂浆稠度

回填料砂浆稠度是指回填料砂浆流动性能，是用一定几何形状及重量的标椎圆锥以其自身重力自由地沉入砂浆中的沉入深度来表示。试验选用量程为0～145 mm 的SC-145 数显砂浆稠度仪进行测试，每种砂浆分别测试5次，取其沉入深度的平均值为该类型砂浆的稠度值，结果见图2。

由图2 可知，除聚羧酸高效减水剂型以外，水灰比越大，砂浆稠度测定仪圆锥体沉入度值越大，测定的砂浆稠度越高，表明砂浆整体流动性能较强[13-14]。与水灰比0.4相比，稠度最大增加5.5%；与空白对照组相比，水灰比0.4时，砂浆稠度均增加，从小到大依次为119.3 mm、122.6mm、122.9 mm 和123.2 mm；由于矿渣粉及粉煤灰具有为微集料效应[15]，水灰比0.5 时，两者砂浆稠度分别增大了1.8% 和2.7%。这是因为水灰比增大时，改善了砂浆内部空隙结构和界面过渡区，提高了砂浆结构的致密性和均匀性，从而加大砂浆流动性。两种水灰比下，掺粉煤灰型、泵送剂型和掺超细矿渣粉型的砂浆析水率均处于较低水平，砂浆更加稳定，且掺超细矿渣粉型和掺粉煤灰型的砂浆稠度最大，流动性最好，可改善回填料在回填过程中的泵送性能，加快回填速度，因此，选择掺超细矿渣粉型和掺粉煤灰型膨润土基回填料进行后续试验。

（3）掺合料对回填料导热系数影响

回填料导热性影响地埋管换热器的换热效果，为研究超细矿渣粉和粉煤灰对回填料导热系数的影响，分别用其替代部分组分的膨润土进行对比试验，结果取其平均值，如表2 所示。

对5 组回填料分别进行24 h 和48 h 导热系数测试。与空白对照组相比，掺超级矿渣粉型回填料24 小时导热系数分别降低8.8%、6%，48 小时导热系数下降8.5%、4.5%，说明掺超细矿渣粉会使回填料导热系数降低；掺粉煤灰型回填料24 小时导热系数分别增大3.2%、6%，但48 小时导热系数稍有下降。替代相同份量的膨润土，粉煤灰型的导热系数均高于超细矿渣粉型，说明添加粉煤灰有益于導热系数的提升，但其提升程度并不随添加量的增加而增大，提高添加比例反而使导热系数降低。表2 显示，除配比B，配比C、D、E 的导热系数大于2.1W/（m·K），均达到了美国Brookhaven 国家实验室报道的高性能回填料的标准[16]，因此，可作为地埋管回填料的优质配比。

2 现场回填试验

为了研究添加超细矿渣粉和粉煤灰回填料的回填效果，包括回填密实、砂浆沉淀以及地下水对砂浆影响的情况，选择上节中配比C 和E 进行现场注浆回填，通过现场静力触探试验，测试试验井内回填料比贯入阻力（PS） 值，分析注浆回填完成15 天后砂浆沉淀和密实情况。考虑地下水的存在会使砂浆主要以悬浮状态浊液形式存在而无法凝固，因此注浆下沉静力触探采用10 cm/ 次进行。试验场地为典型潮坪地貌，回填深度18 m，地下静止水位为1.18m，地层结构见表3，静力触探试验结果如图3 所示。

从图3 可以看出，Ps 值在地下静止水位附近有明显的突增。空白对照组、掺超细矿渣粉型、掺粉煤灰型回填料砂浆有不同程度的胶结，其Ps值分别为0.93 MPa、1.46MPa 和0.78 MPa。且掺粉煤灰型、掺超细矿渣粉型、空白对照组三种配比，其Ps 峰值出现的深度依次提前，说明相同回填速度下，超细矿渣粉和粉煤灰会加快砂浆凝结速度。由于地下含水量丰沛，回填料砂浆可能与地下水混合，在短时间内无法稳定凝固，这可能导致回填料砂浆的体积变大，流动性增强，从而使得PS 值降低；空白对照组回填料由于砂浆自身沉淀，在8 m 以下PS 值持续增大，接近周围地层（灰色淤泥质黏土层及灰色黏土层）Ps 值，表现出骨料分离状况；掺粉煤灰型回填料及掺超细矿渣粉型砂浆在注浆回填15 天时的Ps 值稳定，均匀性较好。

综上所述，室内试验选择的超细矿渣粉和粉煤灰作为回填料配比成分，在满足良好的稳定性、流动性能的同时也具有较好的实际回填效果。

3 回填注浆装置改进

回填是地源热泵施工中至关重要的环节，回填质量直接关系地源热泵埋管换热器的换热性能和水文地质环境的保护，高质量回填可为系统的高效运行和地下水环境保护提供有效保障[17]。然而实际回填注浆过程中容易因提钻而导致注浆中断，打乱注浆节奏，严重影响注浆效率，为保证注浆回填的连贯性，本文设计了一种连续注浆装置，如图4 所示。

该装置在注浆管与钻杆之间设计了循环分支，并在主路、支路处分别设有止浆阀门。需要提钻时，将止浆阀门1 关闭，打开止浆阀门2，使注浆管中的砂浆随支路返回至泥浆搅拌桶内，终止钻杆内砂浆泵送；放钻时，关闭止浆阀门2，打开止浆阀门1，使砂浆回到主路继续注浆。该装置可以有效缓解注浆不连续问题，保证了注浆的顺畅进行，大大减少了因注浆中断造成的时间损失，提高了注浆效率。

4 结论

（1）水灰比越大，析水率越高；砂浆稠度越高，流动性越好。与水灰比0.4 相比，水灰比0.5 时回填料砂浆析水量增加了0.8%～1.6%，稠度最大增加5.5%。综合析水试验和稠度试验结果，掺超细矿渣粉型和掺粉煤灰型可改善砂浆流动性，加快回填速度。

（2）与膨润土基回填料相比，添加粉煤灰的回填料的导热系数稍有提高，添加超细矿渣粉的回填料的导热系数略微降低，二者变幅低于8.8%，对回填料导热系数稍有影响。

（3）相同注浆速度下，超细矿渣粉和粉煤灰会加快砂浆凝结速度，回填料砂浆Ps 值稳定，均匀性较好，具有良好的实际回填效果。

（4）采用改进的连续注浆装置可以保证回填施工的高效连续进行，加快回填速度、改善回填质量、提高回填效率。

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