重晶石粉用于提高地埋管回填材料导热性能的实验研究

重晶石粉用于提高地埋管回填材料导热性能的实验研究
李宁波;刘爱华;张进平;李翔;杜境然;李富
【摘要】地埋管换热孔回填材料的导热性能是决定地源热泵系统经济性和可靠性的主要因素之一.通过对回填材料样品中加入不同质量分数的重晶石粉进行实验室测试,分析了不同回填材料及重晶石粉配比样品的热导率变化特征,研究了不同温度条件下样品导热性能的变化规律.结果表明,重晶石粉饱水后热导率明显提高,饱水状态下样品热导率随重晶石粉比例增加而升高,在中砂样品中加入5％～10％的重晶石粉后,热导率提升约12％,达到2.0 W/(m·K);原状回填材料和不同重晶石粉配比回填材料在5～35℃范围内的热导率测试值相差不大,一般在0.01～0.04 W/(m·K)之间,说明在地埋管换热过程中温度变化不会对两者的导热性能造成明显的影响.【期刊名称】《河北工业大学学报》
【年(卷),期】2018(047)005
【总页数】4页(P112-115)
【关键词】地埋管;回填材料;重晶石粉;热物性
【作者】李宁波;刘爱华;张进平;李翔;杜境然;李富
【作者单位】北京市地质矿产勘查开发局,中国地调局浅层地温能研究与推广中心,北京 100195;北京市地热研究院,北京 102218;北京市地热研究院,北京 102218;北京市地质矿产勘查开发局,中国地调局浅层地温能研究与推广中心,北京 100195;北京市地热研究院,北京 102218;北京市地热研究院,北京 102218
【正文语种】中文
【中图分类】TU832
0 引言
地埋管地源热泵系统是浅层地温能利用的一种主要形式，而回填材料是地下岩土体与地埋管换热的重要媒介，其导热性是影响地埋管换热性能的主要因素之一[1].钻
孔回填材料的热导率既不能太高也不能过低[2-3]，因而回填料的导热性能是需要
定量评价的参数.回填材料在拌合、施工过程中还应具有良好的工作性，便于现场
制作和泵送[4].在力学性能方面，为达到密封和防渗的效果，回填料材料还要具有一定的强度、抗渗性和膨胀性等[5]性能.在回填材料投入使用之前，还要考虑材料本身的经济性以及对环境是否无污染.因此，回填材料的选用，要求对环境无污染、具有耐久性和经济性，且还应当具备良好的导热性能、施工性能和力学性能等特性. 近年来，提高地埋管回填材料的配比物质及测试方法呈现多样化，新材料、新手段不断涌现.膨润土[2]、水泥、粉煤灰[4]、石英砂[6]、石墨[7]、土砂混合物[8]等材料均成为回填材料配比研究的对象.重晶石化学成分为硫酸钡（BaSO4），具有相
对密度大（4.2～4.7）、硬度低（莫式硬度为3～3.5）、化学性质稳定等特点，
且不溶于水、酸、碱与有机中介，无磁性和毒性.重晶石粉呈惰性，易分散，凝聚
性低，导热性、热稳定性及流变性好，填充性高，在石油钻井液中已有广泛应用[9-10].然而，以往尚未开展过地埋管回填材料与重晶石粉配比及其热物性测试研
究工作.考虑实际地埋管地源热泵工程现场回填材料对导热性的要求，本文开展了
回填材料和重晶石粉的室内实验研究，旨在获取提升回填材料导热性能的方法和参数，探索提升浅层地温能换热效率的途径.
1 实验部分
1.1 地质条件
回填土样品采自北京市通州区某地埋管地源热泵项目建设区域.该区位于潮白河冲
洪积扇孔隙水子系统，潜水水位埋深一般在10 m左右，水位较为稳定，变化幅度不大.含水层结构为多层结构，主要为砂和粘砂互层，地下水富水性一般.150 m以浅地层平均初始温度约为15.4℃，地层增温率约每百米2.9℃.参考以往地源热泵
项目运行过程中对地温场影响情况的监测数据，地埋管周边地层温度在热泵系统冬夏两季双向换热下的变化范围一般在5～35℃之间，而重晶石粉在该温度变化范
围内热稳定性良好，可满足回填材料在地源热泵换热条件下的热稳定性要求.
1.2 样品制备
在不同埋孔区共计采取14件回填土样品，对岩性及颗粒组成百分比进行粒度统计分析，分类包括了粘土、粉土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂等7类不同岩性，其中以中砂为主.本次试验选取九号布孔区的中砂样品进行配比测试，样品配制过
程如下：
1）按照设计配比要求，将回填材料样品和配比样品用天平称取相应质量；
2）将重晶石粉和回填料充分搅拌、混合均匀，并压制成样（图1）；
3）用油浴法控制恒定测试温度，采用Hot Disk热常数分析仪测试配比样品的热
导率、热扩散系数和比热容（TPS，图2）.
图1 测试样品照片Fig.1 Photos of test samples
1.3 样品测试
首先开展了20℃下重晶石粉的热物性测试，其中重晶石粉粒径为0.075 mm （200目），分别在干燥和饱水两个状态下测试（表1）.同时开展了14组不同岩性原状回填料样品的热物性测试，测试温度均为20℃.
在此基础上，开展了原状回填料中砂样品（编号9-1）、含重晶石粉5%和10%（均为质量分数）的配比样品（编号9-2、9-3）在不同温度下的热物性测试，回
填料样品采自研究区某换热孔，重晶石粉粒径为200目，配比方式见表2.测试状
态均为饱水状态，测试温度分别为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃.
图2 热常数分析仪Fig.2 Thermal constant analyzer
表1 重晶石粉测试条件Tab.1 Barite powder test conditions重晶石粉（干）重晶石粉（湿）0 0 100 100干燥饱水20
表2 回填料与重晶石粉配比方式及测试条件Tab.2 Backfill material and barite powder proportion methods and test conditions9-1 9-2 9-3 100 95 90 0 5
1 0饱水饱水饱水5，10，15，20 25，30，35
2 结果与讨论
2.1 不同岩性样品的热常数变化
在20℃的测试温度下，重晶石粉在干燥和饱水状态下岩土热导率差异较大，饱水状态下，热导率为1.923 7 W（/m·K），而干燥状态下热导率仅为0.239 4 W （/m·K）.考虑到实际应用情况，本次测试均采用了饱水状态测试.对不同埋孔区取得的14组原状回填料样品，在常温下（20℃）开展热物性测试.测试结果表明，样品热导率平均值为1.806 7 W（/m·K），热扩散系数平均值为0.832 7m2/s；比热容变化范围为0.581 6～2.774 7 MJ（/m3·K），平均为1.911 6 MJ
（/m3·K）.对不同粒径岩土样品热导率、热扩散系数、体积容进行对比发现（图3），随粒径增加热导率略有增加，而热扩散系数随粒径增加有减小趋势.比热容则与粒径成正比，砾砂比热容最大，而粉土最小.
取九区的回填料样品（岩土分类为中砂），加入质量分数为5%和10%的重晶石粉后，热导率和比热容明显提升，尤其是热导率值由1.809 7 W（/m·K）升高至2.0 W（/m·K），提升了12%左右，但是同一样品不同配比的热导率值相差不大.
2.2 不同温度下回填材料的热常数变化
表3给出了不同温度下3组回填材料配比样品的热常数变化结果.可以看出，原状饱水回填料样品的热导率低于含重晶石粉的配比样品.含重晶石粉10%与含重晶石粉5%的样品热导率差异较小，其热导率呈现相同的变化趋势：在20℃左右样品
的热导率最小，与样品在15℃、25℃下的热导率相比，其变化小于0.015 W/（m·K）（图4）.
从配比回填料的热物性测试结果来看，3组样品的热扩散系数呈现明显的变化规律.重晶石粉含量越高，回填料样品热扩散系数就越大，在不同测试温度下样品热扩散系数均符合此规律.不含重晶石粉的回填料样品热扩散系数最小，平均为0.65
m2/s，每增加5%的重晶石粉，样品热扩散系数提高0.1 m2/s（图5）.
图3 不同岩性回填料热常数柱状对比图Fig.3 Histogram of heat constants of different lithology backfill samples
表3 回填料配比样品不同温度下的热物性测试结果Tab.3 Thermal properties of compound backfill samples under different temperatures?
原状回填料样品与含重晶石粉5%配制样品的比热容均值相当，含重晶石粉5%的回填料样品其比热容略高于含重晶石粉10%的样品，两者在不同测试温度下的平均值相差0.3 MJ/（m3·K）（图6）.
图4 不同温度下回填料热导率变化图Fig.4 Heat conductivity of backfill samples under different temperatures
3 结论
1）重晶石粉在干燥和饱水状态下热导率差异较大，饱水后重晶石粉热导率明显升高，其值约为干燥状态下的8倍.常温（20℃）下不同岩性样品的热导率测试结果表明，饱水状态下岩土样品的热导率随着粒径的增加而增大，在中砂样品中加入质量分数为5%和10%的重晶石粉后，热导率值提升了12%左右，达到2.0 W/（m·K），但是两种配比样品的热导率值相差不大，同时重晶石粉含量越高热扩散系数也越大.
2）在5～35℃不同温度下的测试结果表明，原状回填料和不同质量分数的重晶石粉配比回填料均在20℃时热导率值最低，但总体来看，不同温度下的测试值相差
不大，一般在0.01～0.04W/（m·K）之间，且不同温度下配比回填料的热导率较原状回填料的热导率值高出约0.25 W/（m·K），所以在地埋管换热过程中不会对配比回填料的导热性能造成影响.
图5 不同温度下回填料热扩散系数变化图Fig.5 Thermal diffusion coefficient of backfill samples under different temperatures
图6 不同温度下回填料比热容变化图Fig.6 Heatspecificcapacityofbackfillsamplesunderdifferenttemperatures
3）重晶石粉作为配比料具备导热性好、无毒无污染、与软土土力学性质相似、热稳定性好等特点.同时，由于重晶石粉的质量分数大，与粘土混合后可以增加回填的均匀性和密实度.根据实验结果，在综合考虑经济性的基础上，建议在实际工程换热孔回填料中加入一定比例的重晶石粉配方，以提升回填效果、提高地埋孔换热量.
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