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摘要:地源热泵做为利用可再生能源的一种可持续发展的绿色空调,在国内已经得到了普及,地源热泵地埋管回填料的选择是影响其能源利用效率的一项重要因素。通过分析,选择回填料的热阻和比热对系统热交换效率的影响是关键因素,不同项目根据当地的地址条件应加以合理选择。
关键词:地源热泵 回填料 导热系数 热阻 比热
1引言
土壤、水体是一个巨大的太阳能集热器,水地源热泵是利用了地球本体所储藏的太阳能资源作为冷热源,进行能量转换的冷暖空调系统,被认为是一种可持续发展的“绿色空调”。在建筑中规模化利用可再生能源是建筑节能、合理利用能源和实现建筑可持续发展的共同要求。夏热冬冷地区的空调用能适宜采用热泵,而地源热泵不但因为从源上要优于空气源热泵而具有更高效率,且属于清洁环保的的可再生能源。地源热泵解决了夏热冬冷地区冬季热源贫乏的问题,及锅炉污染问题。目前地源热泵已经成为可再生能源建筑利用的绝对主力,进入普及阶段。
2地源热泵回填料的选用
2.1回填料的热阻
回填料是用于填充地下换热器钻孔与地层之间的材料,地埋管换热器钻孔埋管后回填是地源热泵工程的重要环节,见图1。回填料的选择和施工对地下岩土导热系数有重要影响[1] [2]。从热阻分 析来看,回填料的热阻在土壤换热器未运行时占到约20%比重,S.P.Kavanaugh[3]研究表明,地下岩土导热系数10%的偏差会造成地下埋管换热器长度(或钻孔深度)4.5~5.8%的偏差,直接影响地埋管换热器性能及系统的运行费用与初投资。根据文献[4],地埋管换热器中当回填料导热系数小于土壤导热系数时,土壤当量导热系数随回填料导热系数的减小呈指数规律减小。当回填料导热系数大于土壤导热系数时,土壤当量导热系数几乎不再变化;设计或施工过程中选择回填料的导热系数至少不得低于土壤导热系数。
图1
2.2回填料的比热
土壤的当量导热系数随着回填土比热的增 大而线性减小,比热是单位质量物质的热容量,比热越大,对热的容量越大,热惯性越大,对土壤和冷却介质之间传热的阻滞作用越大。从文献[5]可知,回填土比热与钻孔热阻有很强的正相关性,即回填土比热越大,相当于钻孔热阻越大,反之,回填土比热越小,钻孔热阻越小。在其它条件相同的情况下,当回填土比热范围从620J/(kg˙K)增大到3620 J/(kg˙K)时,土壤当量导热系数减小7~8%;实际TRT测试和工程施工中测试中,应尽量减小回填料比热。
2.3回填料的选择
实际上,回填料的热物性及其填充的密实度和保水性对土壤换热器的长期传热性能共同产生影响,因此回填料的配比要同时考虑满足这几方面的要求。在非饱和地层条件下,埋管与钻孔中的回填料及周围土壤的传热以导热为主,选取回填料时侧重在导热系数以及密实性方面,保证回填料的导热系数不低于钻孔周围土壤。在饱和地层条件下,含水层的对流性可以提高埋管的换热性能,选取回填料时还应考虑透水性。
选择高导热系数是选则回填材料的第一因素,但是还要考虑材料的可塑性、空隙比、含水率等因素。水在4℃时的导热系数为0.58W/m.K,远低于矿物质的导热系数,可以认为增加含水量会降低回填材料的导热系数。但是实际上回填材料不可能做到密实度100%,中间的很好多孔隙,孔隙度的大小主要与颗粒度的大小有关,如沙土的孔隙度较大。因此,在保证密度不变的情况下,即矿物质含量不变的情况下,增加回填材料的含水量,可以增加导热系数。国外有些地源热泵工程,在钻井端部加一塑料滴水管,间断地向填料中加水,就是為了增加填料中的水分,排除孔隙中的气体以增加其传热性能,因此要保证长期运行性能就必须注意回填材料的密实度和保水性。
3地源热泵回填料的组合配比分析
3.1回填料的影响因素分析
由上述研究结论可知,增大回填料的导热系数可以增加土壤换热器的取放热量,但实际土壤换热器长期运行后土壤换热器外为非稳态,土壤热阻随运行时间延长而增大,回填料所占热阻的比重呈近似指数函数关系下降并趋于稳定,因此一味增大导热系数也是不经济和不必要的。理论上将钻孔过程中所排出的原浆进行回填,可以最经济的获得与地层较为一致的热物性。但是由于施工过程的影响, 这些排出的岩土体受到了扰动,已不具有与原地层参数相同的物性,因此单纯的原浆回填是难以保证较好的回填效果的,而一般采用原浆和膨润土、黄沙(或水泥)的配比混合物,见图2。
图2
现在广泛的采用回填料配比材料有:膨润土、黄沙、水泥等。膨润土具有很强的吸湿性,能吸附相当于自身体积8-20倍的水而膨胀至30倍,防止长期运行后孔隙度升高影响传热。膨润土和泥沙等的掺和物具有可塑性和粘结性,在地下水较丰富地区有利于地下水的迁移,对换热非常有利,但是膨润土本身的导热系数较低,掺混膨润土后会降低回填料本身的热物性,根据文献[6],膨润土含量低于0. 8%时,导热系数随膨润土含量增大而增大;膨润土含量高于0. 8%时,导热系数随膨润土含量增大而减小;回填材料的稠度随膨润土含量的增加而减小。同时根据回填材料和易性的要求,使用含量为0.6~0.8%膨润土时回填材料导热和流动性能较好。但考虑到综合所有方面的需要,还不能确定最佳含量,还需要进一步研究。一般建议加入量不宜超过5%,一般每个100米深的直径110mm钻孔膨润土用量约在50Kg。水泥含有大量矿物成分,而黄沙的主要成分为SiO2,可以根据情况确定合适的惨混比例以增强回填料导热系数。根据文献[6],型号为PO42. 5 水泥导热系数稍大于PO32. 5的导热系数,这主要是因为PO42. 5强度较大,水泥砂浆比较密实,孔隙率较小,所以导热系数较大。回填材料导热系数在一定程度范围内随砂粒粒径的增大而增大,根据实验结果,推荐使用粒径为0.3~0.5mm左右的砂子,同时对于河砂、石英砂的选用应结合导热系数和成本的具体情况而定。回填料的导热系数会随着黄沙或水泥含量的增加而升高,但是增长速度超过60%时趋于平缓。回填料配比中的黄沙的颗粒不能过大以避免管道输送的流动性变差,水泥则主要用在桩基土壤换热器和岩石地质的情况,使用时需要与回填料混合均匀。
3.2回填料的选用经济分析
国标地源热泵系统工程技术规范规定回填料的导热系数不宜低于钻孔外土壤导热系数,这是希望管内回填料热阻不变成整个传热过程的瓶颈,这在土壤地质中是较为容易实现的,而对于岩石等高导热系数的地质则必须具备较高的水泥比重,这会带来一定经济性上的压力 ,而水泥配比较少的项目从运行的情况来看会造成土壤换热器更有利于夏季散热而不利于冬季取热,需要增加冬季辅助热源的配置比例。
4回填料的施工工艺要求
回填工艺也是至关重要的,回填料应在U型管安装完毕后立即进行,采用机械灌浆回填并保持回填过程连续稳定进行,见图3。灌浆管逐渐抽出使灌浆液自下而上灌注封孔,确保钻孔灌浆密实无空腔。这其中泥浆的浓度控制相当关键,泥浆浓度过高,会造成泥浆循环系统阻力增大,泥浆泵电机过载;泥浆浓度过低,钻孔内的砂石不易被带出,因此泥浆浓度需要根据实际情况仔细分析确定。灌浆完毕12 小时后进行检查,如沉淀未填满的钻孔则用中粗沙进行人工回填直至密实为止,缩孔部分用中粗沙补孔回填,要求密实。
图3
最后由于钻孔返浆时会带来泥浆的出涌,除部分用作回填复合料的基料外沉淀池内剩余泥浆应组织外运,如果遗留在地基以下,容易造成地基的下沉等问题。土壤换热器施工完毕泥浆池清空后还应采用质地坚硬的粘土等材料将沉淀池填满分层夯实,以确保基础垫层的施工和基础的稳定性。
5结论
地源热泵埋管回填料的选择要考虑到回填料的热阻和比热的综合影响,针对不同地区根据不同的地质条件应有不同的分析,在原浆的基础上加入适应当地地质条件的填料配比。原则上掺混后的回填料导热系数应不低于钻孔外土壤导热系数,并且回填料的比热越小越好。此外,回填料的选用还需考虑到项目的综合经济效益,应在经济性上作出合理选择。
参考文献:
[1] 高青,余传辉,马纯强,等.地下土壤导热系数确定中影
响因素分析[J].太阳能学报,200829(5):581-585.
[2] 赵进,王景刚.地源热泵土壤热物性测试与分析[J].河
北工程大学学报:自然科学版,2010,27(1):58-60.
[3] KAVANAUGH S P.Field test s for ground thermal properties methods and impact on ground-source heat pumps[J].ASHRAE Trans,1998,104(2):347-355.
[4] 李隆键,鲍建镇,廖全,等.回填料对地埋管换热器性能的影响.土木建筑与环境工程,201133(5):90-94.
[5] MARCOTTED,PASQUIER P.On the estimation of thermal resistance in borehole thermal conductivity test[J].Renewable Energy,2008(33):2407-2415.
[6] 刘玉旺,于明志,王淑香,等.地埋管换热器回填材料导热系数实验研究.山东建筑大学学报,200924(5):449-453.
注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:地源热泵 回填料 导热系数 热阻 比热
1引言
土壤、水体是一个巨大的太阳能集热器,水地源热泵是利用了地球本体所储藏的太阳能资源作为冷热源,进行能量转换的冷暖空调系统,被认为是一种可持续发展的“绿色空调”。在建筑中规模化利用可再生能源是建筑节能、合理利用能源和实现建筑可持续发展的共同要求。夏热冬冷地区的空调用能适宜采用热泵,而地源热泵不但因为从源上要优于空气源热泵而具有更高效率,且属于清洁环保的的可再生能源。地源热泵解决了夏热冬冷地区冬季热源贫乏的问题,及锅炉污染问题。目前地源热泵已经成为可再生能源建筑利用的绝对主力,进入普及阶段。
2地源热泵回填料的选用
2.1回填料的热阻
回填料是用于填充地下换热器钻孔与地层之间的材料,地埋管换热器钻孔埋管后回填是地源热泵工程的重要环节,见图1。回填料的选择和施工对地下岩土导热系数有重要影响[1] [2]。从热阻分 析来看,回填料的热阻在土壤换热器未运行时占到约20%比重,S.P.Kavanaugh[3]研究表明,地下岩土导热系数10%的偏差会造成地下埋管换热器长度(或钻孔深度)4.5~5.8%的偏差,直接影响地埋管换热器性能及系统的运行费用与初投资。根据文献[4],地埋管换热器中当回填料导热系数小于土壤导热系数时,土壤当量导热系数随回填料导热系数的减小呈指数规律减小。当回填料导热系数大于土壤导热系数时,土壤当量导热系数几乎不再变化;设计或施工过程中选择回填料的导热系数至少不得低于土壤导热系数。
图1
2.2回填料的比热
土壤的当量导热系数随着回填土比热的增 大而线性减小,比热是单位质量物质的热容量,比热越大,对热的容量越大,热惯性越大,对土壤和冷却介质之间传热的阻滞作用越大。从文献[5]可知,回填土比热与钻孔热阻有很强的正相关性,即回填土比热越大,相当于钻孔热阻越大,反之,回填土比热越小,钻孔热阻越小。在其它条件相同的情况下,当回填土比热范围从620J/(kg˙K)增大到3620 J/(kg˙K)时,土壤当量导热系数减小7~8%;实际TRT测试和工程施工中测试中,应尽量减小回填料比热。
2.3回填料的选择
实际上,回填料的热物性及其填充的密实度和保水性对土壤换热器的长期传热性能共同产生影响,因此回填料的配比要同时考虑满足这几方面的要求。在非饱和地层条件下,埋管与钻孔中的回填料及周围土壤的传热以导热为主,选取回填料时侧重在导热系数以及密实性方面,保证回填料的导热系数不低于钻孔周围土壤。在饱和地层条件下,含水层的对流性可以提高埋管的换热性能,选取回填料时还应考虑透水性。
选择高导热系数是选则回填材料的第一因素,但是还要考虑材料的可塑性、空隙比、含水率等因素。水在4℃时的导热系数为0.58W/m.K,远低于矿物质的导热系数,可以认为增加含水量会降低回填材料的导热系数。但是实际上回填材料不可能做到密实度100%,中间的很好多孔隙,孔隙度的大小主要与颗粒度的大小有关,如沙土的孔隙度较大。因此,在保证密度不变的情况下,即矿物质含量不变的情况下,增加回填材料的含水量,可以增加导热系数。国外有些地源热泵工程,在钻井端部加一塑料滴水管,间断地向填料中加水,就是為了增加填料中的水分,排除孔隙中的气体以增加其传热性能,因此要保证长期运行性能就必须注意回填材料的密实度和保水性。
3地源热泵回填料的组合配比分析
3.1回填料的影响因素分析
由上述研究结论可知,增大回填料的导热系数可以增加土壤换热器的取放热量,但实际土壤换热器长期运行后土壤换热器外为非稳态,土壤热阻随运行时间延长而增大,回填料所占热阻的比重呈近似指数函数关系下降并趋于稳定,因此一味增大导热系数也是不经济和不必要的。理论上将钻孔过程中所排出的原浆进行回填,可以最经济的获得与地层较为一致的热物性。但是由于施工过程的影响, 这些排出的岩土体受到了扰动,已不具有与原地层参数相同的物性,因此单纯的原浆回填是难以保证较好的回填效果的,而一般采用原浆和膨润土、黄沙(或水泥)的配比混合物,见图2。
图2
现在广泛的采用回填料配比材料有:膨润土、黄沙、水泥等。膨润土具有很强的吸湿性,能吸附相当于自身体积8-20倍的水而膨胀至30倍,防止长期运行后孔隙度升高影响传热。膨润土和泥沙等的掺和物具有可塑性和粘结性,在地下水较丰富地区有利于地下水的迁移,对换热非常有利,但是膨润土本身的导热系数较低,掺混膨润土后会降低回填料本身的热物性,根据文献[6],膨润土含量低于0. 8%时,导热系数随膨润土含量增大而增大;膨润土含量高于0. 8%时,导热系数随膨润土含量增大而减小;回填材料的稠度随膨润土含量的增加而减小。同时根据回填材料和易性的要求,使用含量为0.6~0.8%膨润土时回填材料导热和流动性能较好。但考虑到综合所有方面的需要,还不能确定最佳含量,还需要进一步研究。一般建议加入量不宜超过5%,一般每个100米深的直径110mm钻孔膨润土用量约在50Kg。水泥含有大量矿物成分,而黄沙的主要成分为SiO2,可以根据情况确定合适的惨混比例以增强回填料导热系数。根据文献[6],型号为PO42. 5 水泥导热系数稍大于PO32. 5的导热系数,这主要是因为PO42. 5强度较大,水泥砂浆比较密实,孔隙率较小,所以导热系数较大。回填材料导热系数在一定程度范围内随砂粒粒径的增大而增大,根据实验结果,推荐使用粒径为0.3~0.5mm左右的砂子,同时对于河砂、石英砂的选用应结合导热系数和成本的具体情况而定。回填料的导热系数会随着黄沙或水泥含量的增加而升高,但是增长速度超过60%时趋于平缓。回填料配比中的黄沙的颗粒不能过大以避免管道输送的流动性变差,水泥则主要用在桩基土壤换热器和岩石地质的情况,使用时需要与回填料混合均匀。
3.2回填料的选用经济分析
国标地源热泵系统工程技术规范规定回填料的导热系数不宜低于钻孔外土壤导热系数,这是希望管内回填料热阻不变成整个传热过程的瓶颈,这在土壤地质中是较为容易实现的,而对于岩石等高导热系数的地质则必须具备较高的水泥比重,这会带来一定经济性上的压力 ,而水泥配比较少的项目从运行的情况来看会造成土壤换热器更有利于夏季散热而不利于冬季取热,需要增加冬季辅助热源的配置比例。
4回填料的施工工艺要求
回填工艺也是至关重要的,回填料应在U型管安装完毕后立即进行,采用机械灌浆回填并保持回填过程连续稳定进行,见图3。灌浆管逐渐抽出使灌浆液自下而上灌注封孔,确保钻孔灌浆密实无空腔。这其中泥浆的浓度控制相当关键,泥浆浓度过高,会造成泥浆循环系统阻力增大,泥浆泵电机过载;泥浆浓度过低,钻孔内的砂石不易被带出,因此泥浆浓度需要根据实际情况仔细分析确定。灌浆完毕12 小时后进行检查,如沉淀未填满的钻孔则用中粗沙进行人工回填直至密实为止,缩孔部分用中粗沙补孔回填,要求密实。
图3
最后由于钻孔返浆时会带来泥浆的出涌,除部分用作回填复合料的基料外沉淀池内剩余泥浆应组织外运,如果遗留在地基以下,容易造成地基的下沉等问题。土壤换热器施工完毕泥浆池清空后还应采用质地坚硬的粘土等材料将沉淀池填满分层夯实,以确保基础垫层的施工和基础的稳定性。
5结论
地源热泵埋管回填料的选择要考虑到回填料的热阻和比热的综合影响,针对不同地区根据不同的地质条件应有不同的分析,在原浆的基础上加入适应当地地质条件的填料配比。原则上掺混后的回填料导热系数应不低于钻孔外土壤导热系数,并且回填料的比热越小越好。此外,回填料的选用还需考虑到项目的综合经济效益,应在经济性上作出合理选择。
参考文献:
[1] 高青,余传辉,马纯强,等.地下土壤导热系数确定中影
响因素分析[J].太阳能学报,200829(5):581-585.
[2] 赵进,王景刚.地源热泵土壤热物性测试与分析[J].河
北工程大学学报:自然科学版,2010,27(1):58-60.
[3] KAVANAUGH S P.Field test s for ground thermal properties methods and impact on ground-source heat pumps[J].ASHRAE Trans,1998,104(2):347-355.
[4] 李隆键,鲍建镇,廖全,等.回填料对地埋管换热器性能的影响.土木建筑与环境工程,201133(5):90-94.
[5] MARCOTTED,PASQUIER P.On the estimation of thermal resistance in borehole thermal conductivity test[J].Renewable Energy,2008(33):2407-2415.
[6] 刘玉旺,于明志,王淑香,等.地埋管换热器回填材料导热系数实验研究.山东建筑大学学报,200924(5):449-453.
注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。