淺析泰安地區地源熱泵回填料的性價比

摘 要：熱泵技術是應用低位可再生能源的重要技術措施之一。通過長期對地源熱泵系統地源井的施工，總結出在實際施工過程中采用何種回填料其性價比最高、更優，哪種回填料最適合泰安市區的地質結構，能確保整個工程最好、更優的實施效果。

關鍵詞：泰安；地源熱泵；回填料

1 前言

地源熱泵技術是一項多學科知識的結合，它包括土壤環境學、鉆探、熱交換、制冷、暖通空調、建筑材料學等，影響地源熱泵系統性能的因素有很多方面。其關鍵技術是地下換熱器的優化設計、土壤熱性能研究、回填材料的研發和供暖、制冷系統的合理配置[1]。

土壤耦合地熱交換器是土壤源熱泵的核心，直接影響到項目的成敗。而回填料選用的好壞直接影響土壤耦合地熱交換器的換熱效果，本文列出在實際施工過程中經常采用的幾種回填料的性能特點進行實施效果及經濟參數進行下對比，選擇出最適合泰安地質的回填材料。

2 常用的幾種回填料

2.1 膨潤土加細沙的配比回填料[2]

膨潤土又名膨土巖、斑脫石、甘土、皂土、陶土、白泥。俗名稱觀音土。是以蒙脫石為主要成份的粘土礦物，其化學成份相當穩定，被譽為“萬能石”。在多水條件下，膨潤土晶體結構非常微細，這一特殊的微細晶體結構決定其有許多優良特性，如高分散性、懸浮性、膨潤性、粘結性、吸附性、陽離子交換性等。膨潤土和水砂等摻合物的粘結性和可塑性一般以濕壓強度（濕態抗壓強度）、熱濕拉強度表示。濕壓強度是評價膨潤土的濕態粘結能力。濕壓強度、熱濕拉強度是鑄造工業評價膨潤土質量好壞的重要指標之一，蒙脫石含量越高，膨潤土的濕態粘結力也越大，濕壓強度、熱濕拉強度高；同一蒙脫石含量的膨潤土膨潤值越高，膨潤土的濕態粘結力也越大。

細沙的主要組成為二氧化硅。在自然界分布很廣，如石英、石英砂等。白色或無色，含鐵量較高的是淡黃色。用于制玻璃、水玻璃、陶器、搪瓷、耐火材料、硅鐵、型砂、單質硅等。天然的二氧化硅分為晶態和無定形兩大類，晶態二氧化硅主要存在于石英礦中。二氧化硅是硅原子跟四個氧原子形成的四面體結構的原子晶體，整個晶體又可以看作是一個巨大分子，SiO2是最簡式，并不表示單個分子。密度2.329/cm3，熔點1723+5℃，沸點2230℃。無定形二氧化硅為白色固體或粉末。化學性質很穩定。不溶于水也不跟水反應。

膨潤土基灌漿材料具有較低的熱傳導系數，但隨著石英砂含量的增加，其導熱系數亦不斷增加。在石英砂含量達到近70%時，膨潤土基灌漿材料的導熱系數可達2.08～2.42W/m·K。在地下水位長年保持較高，地下水流動性較好的地區，宜在灌漿材料配比中適量增加膨潤土含量，因為膨潤土在飽水狀態下，吸水膨脹，可使灌漿材料與鉆孔壁以及換熱管道密切接觸，有效降低接觸熱阻，從而提高換熱效果。國家規范GB50366-2005《地源熱泵系統工程技術規范》（2009年修訂版）中規定的膨潤土為6%細沙為94%的配比方案，不過在實際工程中勘測情況中將膨潤土的配比提高到10%細沙為90%左右的時候導熱系數可達2.68W/m·K。

單口井體積為：（0.15÷2）×（0.15÷2） ×3.14×100=1.766m3

單根管下井體積：（0.032÷2）×（0.032÷2）×3.14×100=0.08m3

單口井回填料體積為：1.766-4×0.08=1.446m3

其中細沙為：1.446×0.9=1.3014m3，膨潤土為1.446×0.1=0.1446m3，泰安市細沙價格為每方65元，膨潤土價格為每噸170元，膨潤土密度大概2t/m3：

單口井造價為：65×1.3014+170×2×0.1446=133.755元

2.2 原漿回填

國家規范GB50366-2005《地源熱泵系統工程技術規范》（2009年修訂版）4.4.9中對回填料的解釋中說明：“鉆孔時取出的泥砂漿凝固后如收縮很小時，也可用做灌漿材料。”如采用原漿回填最接近原始地層結構，回填料與地層之間不存在導熱系數不同而導致導熱效果降低的情況，更可以降低成本。原漿回填的導熱系數與施工地點的大地導熱系數相同。以泰安的地質情況采用如采用原漿回填必須保證回填料為泥砂漿其顆粒粒徑大于0.075mm的顆粒質量超過總質量的85%。泰安地區地層一般為巖石結構，采用潛孔錘打井施工，打出來的碎石一般顆粒較大，如采用原漿回填需將其碎石進行粉碎后回填，據現場施工經驗得知其效果好于膨潤土加細沙的回填方式，其導熱系數可達2.41-2.74W/m·K。采用此種回填方式需有如粉碎機、泥漿泵等設備，初始投資較高，生產工藝復雜。

2.3 水泥泥漿沙石配比

國家規范GB50366-2005《地源熱泵系統工程技術規范》（2009年修訂版）4.4.9中對回填料的解釋中說明：“如果地埋井設在非常密實或堅硬的巖土體或巖石情況下，宜采用水泥基料灌漿，以防止孔隙水因凍結膨脹損壞膨潤土灌漿材料而導致管道被擠壓節流。”此條規范非常符合泰安的地質情況，泰安市廣大地區地質結構為巖石層，根據施工實際經驗，我們對典型的花崗巖地層地源井采用的水泥砂漿的配比采用水泥（40%）：膨潤土（25%）：固體密實消泡劑（1%）：細沙（34%）的配比比例，可以較高的提高其導熱系數，導熱系數為2.53～2.89W/m·K之間（不同的巖石結構采用不同的配比方案，主要的變量系數為水泥、膨潤土及細沙的配比，固體密實消泡劑所占比例基本保持不變）。

單口井體積為：（0.15÷2）×（0.15÷2） ×3.14×100=1.766m3

單根管下井體積：（0.032÷2）×（0.032÷2）×3.14×100=0.08m3

單口井回填料體積為：1.766-4×0.08=1.446m3

其中水泥為：1.446×0.4=0.5784m3，膨潤土為：1.446×0.25=0.3615m3，細沙為：1.446×0.34=0.49164m3，固體密實消泡劑：1.446×0.01=0.01446m3泰安市細沙價格為每方65元，膨潤土價格為每噸170元，膨潤土密度大概2t/m3，P.032.5水泥每噸278元水泥不同廠家的密度不相同大概范圍為2.85～3.05g/cm3，我們按照2.95t/m3計算，固體密實消泡劑3.5元/公斤，密度為0.949t/m3，單口井造價為：0.5784×278×2.95+65×0.49164+170×2×0.3615+3500×0.949×0.01446=677.24元

采用本文中回填方式雖然導熱效果較好，但是單口井造價過高，經濟效益較低。

3 結束語

以上論述的回填料中采用膨潤土加細沙的回填方案雖然傳熱系數較低，但其工藝簡單，造價較低，可以在實際工程案例中大量采用。第二種采用原漿回填的方案，由于其沒有回填料購置的費用，只有人工費及機器設備一次性投資的費用，適用于打井量巨大，地下地質結構較軟地區（如土壤無巖石結構或巖石交松軟的地層）宜采用原漿回填方式。第三種水泥砂漿配比的方案適應于地層結構十分堅硬的巖石地層（國家規范GB50366-2005《地源熱泵系統工程技術規范》（2009年修訂版）4.4.9中規定：“對地下水流豐富的地區，為保持地下水的流動性，增強換熱效果，不宜采用水泥基料灌漿。”），由于其造價過于昂貴，在實際工程中不經常使用，如打井場地有限要求單井換熱量較高的情況下，宜考慮采用本技術方案進行回填。

綜上所述，適宜泰安市地源井的回填材料為：膨潤土加細沙的回填方案，根據實際工程經驗及實際應用效果，建議泰安地區膨潤土加細沙的配比比例由規范中規定的膨潤土6%細沙94%的配比方案改為膨潤土10%細沙90%的配比方案。

參考文獻

[1] GB50366-2005.地源熱泵系統工程技術規范[S].2009.

[2]許家亮.膨潤土的性能和其加工技術[EB/OL]橡膠人才網.

作者簡介：孫大偉（1988，1-），男，山東泰安，本科，助理工程師，淺層地熱的開發與利用。