土壤换热器回填材料对取放热量的影响

回填材料是用于填充地下换热器钻孔与地层之间的材料，从热阻分析来看，回填材料的热阻在土壤换热器未运行时占到约20%比重，因此增大回填材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的延长而增大，回填材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，可以最经济地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难以保证较好的回填效果，而一般情况下采用原浆和膨润土、黄沙（或水泥）的配比混合物。

实际上，回填材料的热物性、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，因此回填材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材料及周围土壤的传热以导热为主，选取回填材料时侧重导热系数以及密实性方面，保证回填材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，选取回填材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。

现在广泛采用的回填材料配比材料有：膨润土、黄沙、水泥等。膨润土具有很强的吸湿性，能吸收相当于自身体积8~20倍的水而膨胀30倍，防止长期运行后孔隙度升高影响传热。膨润土和泥沙中的掺杂物具有可塑性和黏结性，在地下水较丰富的地区有利于地下水的迁移，对换热非常有利，但膨润土本身的导热系数较低，掺混膨润土后会降低回填材料本身的热物性，加入量不宜超过5%。水泥中含有大量矿物质成分，而黄沙的主要成分为SiO2，可以根据情况确定合适的掺混比例以增强回填材料的导热系数。水泥则主要用在桩基土壤换热器和岩石地质，使用时需要与回填材料混合均匀。

《地源热泵系统工程技术规范》规定，回填材料的导热系数不宜低于钻孔外的土壤导热系数，这是希望管内回填材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。

回填工艺也是至关重要的，回填材料应在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，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。泥浆的浓度控制相当关键。

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，则容易造成地基下沉等问题。土壤换热器施工完毕，泥浆池清空后，还应采用质地坚硬的黏土等材料，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。