阅读说明：本技术 地源热泵系统施工中钻孔回填材料的导热系数测定方法 (Method for measuring heat conductivity coefficient of drill hole backfill material in ground source heat pump system construction ) 是由 邓军涛 郑建国 张继文 王娟娟 张丽娜 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了地源热泵系统施工中钻孔回填材料的导热系数测定方法,涉及地源热泵技术领域,在室内测定组成回填材料的各种材料的导热系数,并测定多种不同配比的回填材料的导热系数,在现场测定回填至钻孔内的回填材料的导热系数,利用现场测得的导热系数对室内测得的导热系数进行修正。本发明采用室内和现场测定相结合的方式,大大提高了回填材料导热系数测定的准确性。(The invention discloses a method for measuring the heat conductivity coefficient of a backfill material of a drill hole in the construction of a ground source heat pump system, which relates to the technical field of ground source heat pumps. The invention adopts a mode of combining indoor and field measurement, thereby greatly improving the accuracy of measuring the heat conductivity coefficient of the backfill material.)

地源热泵系统施工中钻孔回填材料的导热系数测定方法

技术领域

本发明涉及地源热泵技术领域，特别是涉及地源热泵系统施工中钻孔回填材料的导热系数测定方法。

背景技术

在地埋管地源热泵设计及施工过程中，要求回填材料具有很好的可泵性，使U形管能与周围岩土体形成良好接触，降低接触热阻。黄土地区90％以上的换热孔多采用钻孔产生的原浆进行回填，个别场地还会在回填物质中加砂、水泥、石英及减水剂等添加剂，以提高回填材料导热性能和密实度。采用原浆回填的原因主要有以下三点：①减少泥浆外运的工程量；②施工便捷，仅需在换热孔间挖掘沟槽连通即可；③能保证地埋管周回填的密实度(原浆回填后经过一段时间的沉淀，密实度几乎与原土接近)。施工方式也可采用机械注浆方式进行回填，即将配置好的回填材料流体通过注浆泵填充到地埋管周。

钻机施工时，为保证换热孔孔壁的稳定性，需用膨润土造浆护壁，钻进过程中膨润土的含量一般依据钻进地层情况来确定。由钻进工艺可知，原浆回填的物质成分主要是膨润土、水和钻孔物质的混合材料。在现场试验阶段，没有足够多的换热孔来提供原浆，故而采用外购砂土材料来进行回填。因此，有必要对不同回填材料导热性能差异进行测定，以此进行黄土地区地热能交换系统回填材料的优选。然而，目前还没有一种方法能够对回填材料的导热系数进行准确测定。

发明内容

本发明实施例提供了地源热泵系统施工中钻孔回填材料的导热系数测定方法，可以解决现有技术中存在的问题。

本发明提供了地源热泵系统施工中钻孔回填材料的导热系数测定方法，包括室内试验阶段和现场试验阶段，在室内试验阶段中，利用导热系数测试仪对膨润土、水泥和砂进行导热系数测定，并选取多种配比的回填材料进行导热系数测定；

在现场试验阶段，在黄土地区选择同一场地，以及相同的换热管径和换热器形式，分别在地埋管周回填室内配比的回填材料，利用岩土热物性测试仪对不同回填材料的导热系数进行测定；

通过现场试验测定得到导热系数后，利用测得的导热系数对室内试验测定得到的导热系数进行修正。

本发明中的地源热泵系统施工中钻孔回填材料的导热系数测定方法，在室内测定组成回填材料的各种材料的导热系数，并测定多种不同配比的回填材料的导热系数，在现场测定回填至钻孔内的回填材料的导热系数，利用现场测得的导热系数对室内测得的导热系数进行修正。本发明采用室内和现场测定相结合的方式，大大提高了回填材料导热系数测定的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为岩土热物性测试仪的安装示意图；

图2为膨润土导热系数随干密度变化示意图；

图3为砂的导热系数随含水量变化曲线；

图4为砂的导热系数随干密度变化曲线；

图5为回填材料流动度曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了地源热泵系统施工中钻孔回填材料的导热系数测定方法，该方法包括室内试验阶段和现场试验阶段。在室内试验阶段中，对膨润土、水泥和砂进行导热系数测定，并选取多种配比的回填材料进行导热系数测定。室内试验中，回填材料及组成回填材料的每种材料的试样均采用内壁尺寸为40mm×40mm×160mm的三联模成型，24小时后脱模。对不同试样进行编号，并置入养护室中进行养护，养护2～3天后进行导热系数测试工作。膨润土需放入固定容器中，使其收缩完成后测取导热系数；砂首先置于固定容器中，采用不同干密度(1.2g/cm³、1.3g/cm³、1.4g/cm³、1.5g/cm³、1.7g/cm³)不同含水率(10％、15％、20％、25％、饱和)进行制样并测定导热系数。回填材料中的水泥、砂和水按照水灰比0.55砂灰比2.0进行配比，在此基础上，增加适量的膨润土(0.2％、0.5％、0.7％、1.0％、1.2％、1.5％)制样，以此来测定不同配比回填材料的导热系数。

在现场试验阶段，在黄土地区选择同一场地，相同的换热管径(32mm)和换热器形式(双U)，分别在地埋管周回填室内配比的材料，从而对不同回填材料的导热系数进行测定。通过现场试验测定得到导热系数后，利用该导热系数对室内试验测定得到的导热系数进行修正。

室内试验阶段采用型号为DRE-2C的导热系数测试仪对膨润土、砂和回填材料进行导热系数测定，室外试验阶段采用岩土热物性测试仪测定回填材料的导热系数，该测试仪主要由电加热器、保温水箱、水泵、管路系统、配电系统、流量传感器、温度传感器、功率变送器、数据采集装置等部件组成，集成于固定台架上，保温水箱用于存放电加热器加热后的介质，管路系统则用于***到钻孔中使介质与大地进行换热，配电系统用于供电，功率变送器用于测量供电功率，数据采集装置则用于获取并存储流量传感器和温度传感器采集得到的数据，测试仪安装如图1所示。

下面结合具体实验对本发明的方法和效果进行说明。

膨润土的导热系数测定

膨润土具有长期的物化稳定性、低渗透性和对核素的吸附性，可应用于高放射性废物处理中，同时，膨润土具有优良的固壁能力，在钻孔钻进过程中也得到了广泛的应用。早期，在地埋管地源热泵设计施工中亦采用膨润土与水的混合物作为回填材料，后来由于其导热系数较小且易干燥收缩、干裂等原因才逐步放弃。

本次试验采用200目柯尔碱膨润土，由含水的铝硅酸盐矿物组成，其化学成分主要为SiO₂、Al₂O₃和H₂O。此外，还含有一些Fe₂O₃、MgO、CaO、Na₂O等物质。测试含水率在20％时膨润土的导热系数随干密度变化关系曲线如图2所示。

对于膨润土的导热系数进行测取结果表明，随着干密度的增大，膨润土的导热系数呈逐渐增大的趋势，当导热系数到达0.8W/(m.k)后，随着干密度的增大，膨润土导热系数变化幅度较小，基本不再增大。不同干密度膨润土导热系数的变化范围为0.45～0.9W/(m.k)。范智文曾对初始含水量3.5％的膨润土成型材料进行导热系数测取，结果为0.232W/(m.k)。由此得出，不能采用单一的膨润土作为换热器管周回填材料。

水泥的导热系数测定

采用PO32.5和PO42.5型号水泥。采用水灰比0.55进行制样，测得的导热系数结果如表1所示。

表1 不同型号水泥的导热系数

水泥型号	PO32.5	PO42.5
			导热系数W/(m.k)	0.91	1.03

据表1，PO42.5水泥导热系数较PO32.5略高，原因在于PO42.5的强度较大，水泥砂浆较为密实。

砂的导热系数测定

砂属于散体材料，难以定型，将其置于固定容器中，控制其干密度后，进行配水，测定其导热系数。剔除差异性比较大的数据后，得到不同干密度砂土随含水率的变化曲线，如图3所示。

由图3和4可以看出，随着含水率和干密度的增大，砂的导热系数随之增大。同一含水率下，不同干密度砂的导热系数差异性不大。含水率对砂导热系数的影响比干密度的影响更为显著。干砂的导热系数较小，在0.2W/(m.k)左右，随着含水率的增大，砂的导热系数随之增加，在含水率0～10％时增幅最大，当含水率达到20％(砂接近饱和)后随含水率的变化，砂的导热系数增幅较小。

不同配比的回填材料导热系数测定

在地埋管施工时，钻孔一般采用膨润土泥浆护壁，钻孔完成后用清水换浆降低孔内物质的稠度后，进行地埋管的埋设。清水换浆后，钻孔内残存物质大部分为膨润土和水的混合物。该混合物导热系数较低，且易干燥收缩、干裂以致与U形管脱离形成大的空隙，严重影响换热孔的导热性能。下面给出了多种不同配比回填材料的导热系数参考值，列于表2。

表2 回填材料的导热系数

据表2所示，砂的含量越高，回填材料的导热系数越高，最高值能达到2.42。已有研究成果表明，水灰比在0.55～0.6之间，砂灰比为2.0时，回填材料的流动性能最佳。在保障回填材料流动性能的前提下，可以适当增加辅助添加剂，来获取适宜的回填材料导热系数。当回填材料导热系数低于地埋管周岩土体导热系数时，孔内传热形成换热瓶颈，不利于地埋管换热；当回填材料导热系数比地埋管周岩土体导热系数过高时，地埋管孔内换热能力会有所增强，但各支管间会进行热传递，产生热短路现象。故而，回填材料只需和管周岩土体导热系数一致或者略高即可。黄土地区岩土体的导热系数介于1.065～2.3W/(m.k)之间，可在此区间内选择合适的材料，无需导热系数过高的“超导材料”。基于此，对两种混合材料(膨润土+水+砂+水泥、膨润土+水+砂)进行导热系数的室内试验测定。

在以砂、水泥为主要基料的材料中，加入适量的膨润土，有利于增大浆液的稳定性，减少砂的分离。测定膨润土添加量分别为3％、2.5％、2％、1.5％、1.0％、0.5％时材料的流动性能，测试结果如图5所示。

据图5，随着膨润土含量的增大，浆液的流动性越来越差。当膨润土添加量接近3％时，回填材料出现混合困难和失水开裂等现象，流动度降至150mm。当膨润土添加量小于1％时，膨润土的流动性得到了较大的改善。故而确定膨润土的添加量为1％。

在回填材料中水灰比、砂灰比及膨润土的含量对回填材料的导热系数有较大影响，其他的添加材料如减水剂、膨胀剂等主要目的是改善回填材料的流动性能和膨胀性能，其对回填材料的导热系数贡献不大，在实际施工过程中可适量添加。据已有的研究成果，最优减水剂添加量为1.4％，膨胀剂的添加量为6％较为适宜；一些文献中的推荐减水剂添加量为1.5％，推荐膨胀剂添加量为5％。根据本次试验结果，减水剂添加量1.4％和1.5％、膨胀剂添加量5％和6％对试验结果影响不大，但是当继续增加减水剂、膨胀剂添加量，回填材料的流动和膨胀效果已不再产生显著变化。

1、膨润土+水+砂组成的回填材料的导热系数测定

依据前述，为保持回填材料较好的流动性，膨润土的含量取1％，水灰比为0.55，砂土含水率为20％制备三件样品，试验结果如表3所示。

表3 导热系数测试结果一览表

样品编号	导热系数(W/(m.k))
		1	1.18
2	1.23
		3	1.20

从表3可以看出，膨润土+水+砂配比回填材料的导热系数最小为1.20W/(m.k)，对比图3中含水率20％砂导热系数为1.04～1.11W/(m.k)，添加膨润土之后，其导热系数增长幅度为6％～10％，增长幅度不大。由此说明，膨润土自身导热系数较低，对混合材料的总体导热系数增长贡献较小。

2、膨润土+水+砂+水泥组成的回填材料的导热系数测定

按照水:水泥:砂:膨润土＝0.55:1:2:0.01的比例进行试验，制备三组样品，测试结果如下表4所示。

表4 导热系数测试结果一览表

样品编号	导热系数(W/(m.k))
		1	1.65
2	1.58
		3	1.55

由表4可知，采用膨润土+水+砂+水泥配比方式得到的试样导热系数最小为1.55W/(m.k)，与表3比较可知，其导热系数比膨润土+水+砂配比试样的导热系数增大近30％。原因在于水泥作为一种粉状水硬性无机胶凝材料，在水中可以更好的硬化，将砂粒牢牢的胶结在一起，大大增强了试样的密实度，故而试样导热系数得到大幅度的增大。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。