地源熱泵回填灌漿技術(shù)概論

                                                    中國(guó)鐵建中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司   王寬

摘  要：基于地源熱泵地下?lián)Q熱系統(tǒng)回填灌漿的重要性，從回填灌漿設(shè)計(jì)、設(shè)備和施工的角度探討了需要注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：飲用水層、頂界深度、工程適用性、高壓灌漿設(shè)備、建筑風(fēng)水、相變蓄能材料

引言：

2008年的8月，年僅22歲的尤塞恩·博爾特以令人震驚的表現(xiàn)，在北京奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)—鳥(niǎo)巢，三次打破了男子短跑世界記錄。而他腳下的那塊場(chǎng)地下，312口地源熱泵換熱井孔正踐行著我國(guó)的申奧承諾。

時(shí)隔一年，還是8月，博爾特再次大幅度改寫(xiě)男子100米、200米世界紀(jì)錄。而我國(guó)地源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模刷新世界記錄的速度，絲毫不比博爾特在百米跑道上的表現(xiàn)遜色。

1.      地源熱泵回填技術(shù)的重要性

經(jīng)過(guò)多年艱苦的推廣和實(shí)踐，地源熱泵高效、節(jié)能、對(duì)環(huán)境友好的特性已經(jīng)被廣大管理者和專(zhuān)業(yè)人士所熟知和接受。但在同時(shí)，越來(lái)越多的專(zhuān)家、學(xué)者正在看到大規(guī)模推廣背后所蘊(yùn)藏的危機(jī)。在這些危機(jī)當(dāng)中，實(shí)際節(jié)能效果不佳是焦點(diǎn)問(wèn)題之一，而對(duì)地下地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)可以成為我們另一個(gè)關(guān)注的重點(diǎn)。地下?lián)Q熱系統(tǒng)高壓回填灌漿技術(shù)體系的缺失是導(dǎo)致上述兩項(xiàng)問(wèn)題的主要原因之一。

    關(guān)于地源熱泵回填技術(shù)，國(guó)內(nèi)和國(guó)際上已經(jīng)有大量的研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)供我們借鑒和學(xué)習(xí)，以下僅就一些不容易引起重視的問(wèn)題分享一些在實(shí)際工作中積累的觀(guān)點(diǎn)。

2.      關(guān)于井孔回填灌漿設(shè)計(jì)

2.1  井孔深度的確定

    使用專(zhuān)業(yè)的模擬軟件或地源熱泵埋管計(jì)算軟件，結(jié)合建筑能耗模擬軟件，進(jìn)行地下?lián)Q熱系統(tǒng)的模擬計(jì)算，以確定地下?lián)Q熱系統(tǒng)的各種參數(shù)是進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的比較合理的方法。而當(dāng)我們?cè)谲浖休斎刖咨疃鹊膮?shù)時(shí)，往往只考慮場(chǎng)地面積、鉆井難度和成本、負(fù)荷大小等因素，卻忽視了一個(gè)重要因素，就是地下飲用水保護(hù)的問(wèn)題。

目前我國(guó)很多大型城市的淺層地下水都受到了不同程度的污染，100米深度或更深的深層地下水已經(jīng)成為居民飲用水的重要來(lái)源。而深層地下水由于補(bǔ)給困難，被視為不可再生的寶貴戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備資源。為了保證深層飲用地下水層不與淺層地下水層串聯(lián)而受到污染，在進(jìn)行軟件計(jì)算時(shí)，我們要注意井孔設(shè)計(jì)深度絕不能突破飲用地下水的頂界深度。因?yàn)橐阅壳皣?guó)內(nèi)行業(yè)的技術(shù)和資金條件，在深至百米的頂界深度處，對(duì)多至上千口井孔全部進(jìn)行成功封井，以避免淺層受污染水滲入深層飲用水層是非常困難的。比如華北某市內(nèi)某項(xiàng)目所在地，地下飲用水層頂界深度為100米，不考慮其他因素，設(shè)計(jì)井深90米以上是比較適宜的。各地區(qū)不同地點(diǎn)的飲用層地下水頂界深度的數(shù)值可向項(xiàng)目地勘和水務(wù)單位咨詢(xún)。

2.2  井孔填料選擇

在進(jìn)行井孔填料選擇時(shí)，我們必須以地質(zhì)勘察和巖土熱物性參數(shù)的測(cè)試的結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)不同地質(zhì)條件選擇不同的回填材料。比如在華東某地相對(duì)堅(jiān)硬致密、滲透系數(shù)較小砂巖上使用風(fēng)鉆成孔后，選擇水泥、石英砂、膨潤(rùn)土和水的混合物進(jìn)行回填就會(huì)獲得較好的換熱和封井效果。然而，如果在華中某地地下水較豐富、強(qiáng)風(fēng)化泥巖為主的地質(zhì)情況下，使用水循環(huán)地質(zhì)鉆機(jī)成孔后，如果仍選用水泥砂漿回填，就很難達(dá)到提升換熱效果和封井的目的。因?yàn)?，?qiáng)風(fēng)化泥巖的空隙容易使砂漿泄露，無(wú)法充滿(mǎn)井孔，而豐富的地下水也使井孔內(nèi)漿料的凝結(jié)難度加大。這種情況下，可以采用加入環(huán)保絮凝劑的混凝土進(jìn)行封井。此外，也可只在基巖層表面以下至少保證5米深度的灌漿回填封井，而基巖表面5米以下的空間，由于換熱管道充分與水接觸，換熱工況較好，在不存在串層，不會(huì)污染隔水層下飲用水層的情況下，可以只重力回填粒徑較大的砂，而不必全井孔封井[1]。

灌漿材料的熱物性選擇可參照《地源熱泵工程技術(shù)規(guī)范》附錄B或ASHRAE HANDBOOK提供的常用灌漿材料表格。如前所述，涉及漿料封井性能等工程適用性方面的資料雖然還比較難于獲得，在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)充分予以考慮。

2.3  井孔換熱模擬

在使用瞬態(tài)模擬軟件TRNSYS或GLD等其它地源熱泵專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行地下?lián)Q熱系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)時(shí)，我們輸入的有關(guān)灌漿材料的邊界條件需要提高準(zhǔn)確性。比如在沿海某地，成孔深度范圍內(nèi)的主要地質(zhì)構(gòu)造為淤泥質(zhì)粘土，呈流塑狀，成孔后縮孔嚴(yán)重，漿料回填非常困難。在這種情況下，在計(jì)算軟件當(dāng)中的灌漿材料的導(dǎo)熱系數(shù)項(xiàng)，我們應(yīng)輸入熱響應(yīng)試驗(yàn)得出的測(cè)試深度的土壤導(dǎo)熱系數(shù)值，取代我們選用的漿料的導(dǎo)熱系數(shù)值。結(jié)合實(shí)際情況，準(zhǔn)確建立地下?lián)Q熱系統(tǒng)的計(jì)算模型，避免理論模擬和實(shí)施脫節(jié)，是我們目前在使用軟件計(jì)算當(dāng)中的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

3.      關(guān)于井孔回填灌漿設(shè)備和施工

在多數(shù)情況下，我們都需要使用機(jī)械高壓灌漿設(shè)備進(jìn)行灌漿封井。國(guó)外的灌漿設(shè)備技術(shù)比較成熟，但價(jià)格昂貴，使用和維護(hù)的要求較高。國(guó)內(nèi)雖然暫時(shí)缺乏專(zhuān)用的灌漿設(shè)備，但是由于國(guó)內(nèi)混凝土泵送技術(shù)的飛速發(fā)展，很多廠(chǎng)家可將用于建筑結(jié)構(gòu)施工的混凝土泵送設(shè)備稍加改進(jìn)，就可用于地源熱泵井孔灌漿施工。然而，由于種種原因，實(shí)際施工時(shí)灌漿的效果不甚理想。部分施工方就采用降低漿料固體物含量、減少灌漿深度的方法減低施工難度，使灌漿成了面子工程。

解決問(wèn)題的辦法是針對(duì)地源熱泵井孔施工深度大、井孔小的特點(diǎn)，通過(guò)砂漿流的水力計(jì)算分析，對(duì)灌漿機(jī)械和灌漿工藝進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)造作人員進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)運(yùn)行和維護(hù)培訓(xùn)，相關(guān)內(nèi)容可參照國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)（IGSHPA）相關(guān)手冊(cè)和后續(xù)文章。需要注意的是，由于漿料的特殊物性，目前鉆井施工常用的離心式泵，即使選用很高揚(yáng)程，也無(wú)法達(dá)到灌漿封井的效果，活塞式或螺桿式砂漿泵是更恰當(dāng)?shù)倪x擇。還需要指出的是，鉆井成孔工藝對(duì)灌漿施工的影響也十分巨大，在不同的地質(zhì)條件下，選用適宜的高性能鉆機(jī)也可以顯著減低灌漿的漿料耗量和難度。

 圖1：  Geo-loop 50-500 型井孔灌漿機(jī)最大壓力 3.4MPa 最大流量 7.9M3 /h 輸入功率 18 kW

4.      建筑風(fēng)水學(xué)與回填灌漿

體現(xiàn)古人“天地人合一” 思想的建筑風(fēng)水學(xué)，越來(lái)越多的受到高端發(fā)展商和業(yè)主的重視。鑒于風(fēng)水學(xué)中對(duì)于地氣的重視，地源熱泵大量的鉆井施工對(duì)于建筑基地的擾動(dòng)不容小覷。簡(jiǎn)單認(rèn)為不恰當(dāng)?shù)牡卦淬@井施工會(huì)擾動(dòng)“地氣”，破壞建筑風(fēng)水，可能還不夠科學(xué)。但是，我們需要看到風(fēng)水學(xué)背后的科學(xué)依據(jù)。比如，如果在一棟自然環(huán)境優(yōu)美的高檔別墅的周邊進(jìn)行鉆井施工，當(dāng)出現(xiàn)承壓地下水自噴的情況時(shí)，如不采取有效措施灌漿封井，地下水會(huì)不斷噴涌，雖然地下?lián)Q熱系統(tǒng)的換熱得到了加強(qiáng)，但產(chǎn)生的淺表徑流既會(huì)造成地下水的大量浪費(fèi)，又會(huì)對(duì)建筑物的基礎(chǔ)造成不利影響。在地面使用混凝土進(jìn)行硬化后，短期內(nèi)對(duì)于這種狀況卻可能無(wú)法察覺(jué)。

另外，為了突破地源熱泵需要大量可供成孔面積的發(fā)展瓶頸，近年來(lái)我們大量成功應(yīng)用了在結(jié)構(gòu)底板下、基坑內(nèi)成孔埋管的地源熱泵系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，我們也需要采用合理的成孔工藝和嚴(yán)格的灌漿措施，嚴(yán)格避免對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)持力層產(chǎn)生的有害擾動(dòng)，比如灌漿回填不實(shí)造成的持力層空洞，或地下管涌未灌漿封閉造成的持力層水浸軟化等。而空洞和地基非原態(tài)水浸，同樣也是風(fēng)水上關(guān)于地基的大忌。

所以，無(wú)論從建筑風(fēng)水學(xué)的經(jīng)驗(yàn)論角度還是從現(xiàn)代建筑技術(shù)的角度，地源熱泵鉆井施工都需要認(rèn)真的執(zhí)行回填灌漿的技術(shù)工藝。

5.      井孔回填灌漿技術(shù)的發(fā)展方向

開(kāi)發(fā)更高導(dǎo)熱系數(shù)的回填灌漿材料的一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。但參考國(guó)際上的成功經(jīng)驗(yàn)，我們目前在地源熱泵灌漿行業(yè)缺乏的不是“子彈”，而是“步槍”。也就是說(shuō)，我們需要基于現(xiàn)有的關(guān)于灌漿材料的研究成果和規(guī)范，加強(qiáng)集成化高壓灌漿設(shè)備和施工工藝的研究和開(kāi)發(fā)，形成一套完善的技術(shù)體系，并通過(guò)編寫(xiě)技術(shù)手冊(cè)、施工規(guī)程和進(jìn)行職業(yè)教育的形式使這套技術(shù)體系得以切實(shí)推行。   

此外，我們目前在進(jìn)行相變蓄能材料（PCM）作為填料的快速相應(yīng)和蓄能型地源熱泵集成系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)和探索，希望在提高系統(tǒng)換熱效率的同時(shí)，降低安裝工作量、難度和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提升地下?lián)Q熱系統(tǒng)的施工和運(yùn)行全過(guò)程的環(huán)境友好度。

相信在行業(yè)專(zhuān)家、學(xué)者和領(lǐng)導(dǎo)的指引下，我們?cè)诘卦礋岜霉こ碳夹g(shù)方面也能得到飛速的發(fā)展。在不久的未來(lái)，使世界震驚的將不僅僅是我國(guó)的工程規(guī)模，更是我國(guó)在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的成功突破和創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[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.