地源热泵回填灌浆技术概论

地源热泵回填灌浆技术概论

                                                    中国铁建中铁建设集团有限公司   王宽

摘  要：基于地源热泵地下换热系统回填灌浆的重要性，从回填灌浆设计、设备和施工的角度探讨了需要注意的问题。

关键词：饮用水层、顶界深度、工程适用性、高压灌浆设备、建筑风水、相变蓄能材料

引言：

2008年的8月，年仅22岁的尤塞恩·博尔特以令人震惊的表现，在北京奥运会主体育场—鸟巢，三次打破了男子短跑世界记录。而他脚下的那块场地下，312口地源热泵换热井孔正践行着我国的申奥承诺。

时隔一年，还是8月，博尔特再次大幅度改写男子100米、200米世界纪录。而我国地源热泵系统的建设规模刷新世界记录的速度，丝毫不比博尔特在百米跑道上的表现逊色。

1.      地源热泵回填技术的重要性

经过多年艰苦的推广和实践，地源热泵高效、节能、对环境友好的特性已经被广大管理者和专业人士所熟知和接受。但在同时，越来越多的专家、学者正在看到大规模推广背后所蕴藏的危机。在这些危机当中，实际节能效果不佳是焦点问题之一，而对地下地质环境的扰动可以成为我们另一个关注的重点。地下换热系统高压回填灌浆技术体系的缺失是导致上述两项问题的主要原因之一。

    关于地源热泵回填技术，国内和国际上已经有大量的研究成果和工程经验供我们借鉴和学习，以下仅就一些不容易引起重视的问题分享一些在实际工作中积累的观点。

2.      关于井孔回填灌浆设计

2.1  井孔深度的确定

    使用专业的模拟软件或地源热泵埋管计算软件，结合建筑能耗模拟软件，进行地下换热系统的模拟计算，以确定地下换热系统的各种参数是进行地源热泵系统设计的比较合理的方法。而当我们在软件中输入井孔深度的参数时，往往只考虑场地面积、钻井难度和成本、负荷大小等因素，却忽视了一个重要因素，就是地下饮用水保护的问题。

目前我国很多大型城市的浅层地下水都受到了不同程度的污染，100米深度或更深的深层地下水已经成为居民饮用水的重要来源。而深层地下水由于补给困难，被视为不可再生的宝贵战略储备资源。为了保证深层饮用地下水层不与浅层地下水层串联而受到污染，在进行软件计算时，我们要注意井孔设计深度绝不能突破饮用地下水的顶界深度。因为以目前国内行业的技术和资金条件，在深至百米的顶界深度处，对多至上千口井孔全部进行成功封井，以避免浅层受污染水渗入深层饮用水层是非常困难的。比如华北某市内某项目所在地，地下饮用水层顶界深度为100米，不考虑其他因素，设计井深90米以上是比较适宜的。各地区不同地点的饮用层地下水顶界深度的数值可向项目地勘和水务单位咨询。

2.2  井孔填料选择

在进行井孔填料选择时，我们必须以地质勘察和岩土热物性参数的测试的结果为基础，根据不同地质条件选择不同的回填材料。比如在华东某地相对坚硬致密、渗透系数较小砂岩上使用风钻成孔后，选择水泥、石英砂、膨润土和水的混合物进行回填就会获得较好的换热和封井效果。然而，如果在华中某地地下水较丰富、强风化泥岩为主的地质情况下，使用水循环地质钻机成孔后，如果仍选用水泥砂浆回填，就很难达到提升换热效果和封井的目的。因为，强风化泥岩的空隙容易使砂浆泄露，无法充满井孔，而丰富的地下水也使井孔内浆料的凝结难度加大。这种情况下，可以采用加入环保絮凝剂的混凝土进行封井。此外，也可只在基岩层表面以下至少保证5米深度的灌浆回填封井，而基岩表面5米以下的空间，由于换热管道充分与水接触，换热工况较好，在不存在串层，不会污染隔水层下饮用水层的情况下，可以只重力回填粒径较大的砂，而不必全井孔封井[1]。

灌浆材料的热物性选择可参照《地源热泵工程技术规范》附录B或ASHRAE HANDBOOK提供的常用灌浆材料表格。如前所述，涉及浆料封井性能等工程适用性方面的资料虽然还比较难于获得，在设计时也应充分予以考虑。

2.3  井孔换热模拟

在使用瞬态模拟软件TRNSYS或GLD等其它地源热泵专业软件进行地下换热系统模拟设计时，我们输入的有关灌浆材料的边界条件需要提高准确性。比如在沿海某地，成孔深度范围内的主要地质构造为淤泥质粘土，呈流塑状，成孔后缩孔严重，浆料回填非常困难。在这种情况下，在计算软件当中的灌浆材料的导热系数项，我们应输入热响应试验得出的测试深度的土壤导热系数值，取代我们选用的浆料的导热系数值。结合实际情况，准确建立地下换热系统的计算模型，避免理论模拟和实施脱节，是我们目前在使用软件计算当中的关键控制点。

3.      关于井孔回填灌浆设备和施工

在多数情况下，我们都需要使用机械高压灌浆设备进行灌浆封井。国外的灌浆设备技术比较成熟，但价格昂贵，使用和维护的要求较高。国内虽然暂时缺乏专用的灌浆设备，但是由于国内混凝土泵送技术的飞速发展，很多厂家可将用于建筑结构施工的混凝土泵送设备稍加改进，就可用于地源热泵井孔灌浆施工。然而，由于种种原因，实际施工时灌浆的效果不甚理想。部分施工方就采用降低浆料固体物含量、减少灌浆深度的方法减低施工难度，使灌浆成了面子工程。

解决问题的办法是针对地源热泵井孔施工深度大、井孔小的特点，通过砂浆流的水力计算分析，对灌浆机械和灌浆工艺进行改进，对造作人员进行专项运行和维护培训，相关内容可参照国际地源热泵协会（IGSHPA）相关手册和后续文章。需要注意的是，由于浆料的特殊物性，目前钻井施工常用的离心式泵，即使选用很高扬程，也无法达到灌浆封井的效果，活塞式或螺杆式砂浆泵是更恰当的选择。还需要指出的是，钻井成孔工艺对灌浆施工的影响也十分巨大，在不同的地质条件下，选用适宜的高性能钻机也可以显著减低灌浆的浆料耗量和难度。

 图1：  Geo-loop 50-500 型井孔灌浆机最大压力 3.4MPa 最大流量 7.9M3 /h 输入功率 18 kW

4.      建筑风水学与回填灌浆

体现古人“天地人合一” 思想的建筑风水学，越来越多的受到高端发展商和业主的重视。鉴于风水学中对于地气的重视，地源热泵大量的钻井施工对于建筑基地的扰动不容小觑。简单认为不恰当的地源钻井施工会扰动“地气”，破坏建筑风水，可能还不够科学。但是，我们需要看到风水学背后的科学依据。比如，如果在一栋自然环境优美的高档别墅的周边进行钻井施工，当出现承压地下水自喷的情况时，如不采取有效措施灌浆封井，地下水会不断喷涌，虽然地下换热系统的换热得到了加强，但产生的浅表径流既会造成地下水的大量浪费，又会对建筑物的基础造成不利影响。在地面使用混凝土进行硬化后，短期内对于这种状况却可能无法察觉。

另外，为了突破地源热泵需要大量可供成孔面积的发展瓶颈，近年来我们大量成功应用了在结构底板下、基坑内成孔埋管的地源热泵系统，在这种系统中，我们也需要采用合理的成孔工艺和严格的灌浆措施，严格避免对结构基础持力层产生的有害扰动，比如灌浆回填不实造成的持力层空洞，或地下管涌未灌浆封闭造成的持力层水浸软化等。而空洞和地基非原态水浸，同样也是风水上关于地基的大忌。

所以，无论从建筑风水学的经验论角度还是从现代建筑技术的角度，地源热泵钻井施工都需要认真的执行回填灌浆的技术工艺。

5.      井孔回填灌浆技术的发展方向

开发更高导热系数的回填灌浆材料的一直是学术界的研究热点。但参考国际上的成功经验，我们目前在地源热泵灌浆行业缺乏的不是“子弹”，而是“步枪”。也就是说，我们需要基于现有的关于灌浆材料的研究成果和规范，加强集成化高压灌浆设备和施工工艺的研究和开发，形成一套完善的技术体系，并通过编写技术手册、施工规程和进行职业教育的形式使这套技术体系得以切实推行。   

此外，我们目前在进行相变蓄能材料（PCM）作为填料的快速相应和蓄能型地源热泵集成系统的相关试验和探索，希望在提高系统换热效率的同时，降低安装工作量、难度和质量风险，进一步提升地下换热系统的施工和运行全过程的环境友好度。

相信在行业专家、学者和领导的指引下，我们在地源热泵工程技术方面也能得到飞速的发展。在不久的未来，使世界震惊的将不仅仅是我国的工程规模，更是我国在相关技术领域的成功突破和创新。

参考文献

[1]. Commonwealth of Massachusetts Department of Environmental Protection Bureau of Resource Protection Underground Injection Control Program. Guidelines For Ground Source Heat Pump Wells. 2009 (3).

[2]. IGSHPA. Grouting Procedures for GHP Systems. 2008.

[3]. ASHRAE. ASHRAE Handbook 2007- HVAC Application. 2007.