引言浅层地热能作为一种可再生能源，仅需少量电能将地热能提取后直接用于建筑供暖制冷，满足建筑环境要求的同时大幅减少化石能源的使用，有效缓解能源压力。目前我国地源热泵装机量位居世界第一，并且还在稳步上升[1]，地源热泵系统的局部技术改进和效率提高都可以带来巨大的节能减排收益。地埋管式地源热泵系统通过埋入地下的U型管与周围岩土进行热交换，管内循环液通过热泵系统后提取热量或冷量。回填材料主要起到密封钻孔、固定埋管的作用。使用具有良好导热性能的回填材料有助于减小钻孔内热阻，提升埋管与周围岩土层之间的换热效率[2-3]。回填材料主要分为膨润土基回填材料、水泥基回填材料与钻孔原浆。钻孔原浆性能表现不佳[4]，工程上大多使用膨润土基材料与水泥基材料进行回填。这两类材料的性能提高主要通过加入石墨、不同类型骨料以及用其他材料替换胶凝材料。Chulho[5]等针对膨润土基材料，通过加入硅砂和石墨这两种添加剂进行增强热性能，对7种不同类型的膨润土灌浆进行评价和比较，确定这些材料在回填中的适用性。王冲[6]等分析膨润土基材料加入石英砂后的含水率、导热系数、孔隙率的变化规律与适用场景。邹玲[7]等通过废钢渣替换部分水泥的方式，在保证材料各项性能的前提下，得到更为经济的材料配比。以上研究均未讨论不同配比回填材料对周围地下环境的影响。在实际应用中水泥基材料通常需要添加一定量的膨润土提高浆液性能与抗渗能力[8]。我国工程规范中针对在水泥基材料中加入膨润土的比例明确规定为4%~6%，同时针对膨润土改性胶凝材料的相关研究认为，膨润土的最高添量不宜超过5%[9]。本研究通过固定膨润土质量分数5%，确定水泥基材料在添加膨润土后具备环保性能下的其他各项性能极限，并得到性能相对良好、均衡的材料配比，为工程实践提供参考。后续通过加入石墨提高材料导热系数，根据所得试验结果结合实际工程进行模拟计算，分析不同回填材料在地源热泵系统使用中对系统出投资以及运行能耗的影响。1试验原料及方法硅酸盐水泥型号为P.O42.5，28 d抗压强度44.6 MPa；钠基膨润土为天然河沙，粒径在40~70目；鳞片石墨粒径80目。为保证试验在同一工况下进行，需对不同配比制作试件。选用4组水灰比，每组增加0.1，区间为0.65~0.95；选用4组砂灰比，每组增加0.25，区间为1.50~2.25，两两组合进行16组正交试验。通过各项性能测试后挑选较为均衡的基础配比，外掺水泥质量2%~10%的石墨进行改性，确定适宜添加量的石墨组分。具体步骤如下：（1）根据《水泥胶砂强度检验方法（ISO)》（GB/T 17671—2020）现行国家规范标准[10]中关于试件的制备方式进行操作，使用40 mm×40 mm×160 mm模具进行制模，在标准养护箱养护24 h后脱模，使用饱和氢氧化钙溶液水养28 d。（2）制模时分出部分浆液进行流动度测试，测试方法参考《水泥基灌浆材料应用技术规范》（GB/T 50448—2008）进行，用卡尺测量试样底面最长直径及与其垂直方向的直径，计算平均值为该水量的水泥胶砂流动度，该试验须在5 min内完成。（3）水养28 d后测量材料的导热系数，使用Hot Disk TPS 2200热常数分析仪进行测试，此设备基于瞬态平面热源法，可以尽量避免因材料含水量影响带来的误差。试验开始前需使用托盘固定材料与测试探头的接触面，使其尽可能地紧密接触，防止因接触不良造成接触热阻增大，从而影响测试精度。（4）使用YAW—300E型水泥抗压抗折试验机进行抗压强度测试，试验方法参考《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ/T 70—2009）中的方法[11]。记录材料破坏荷载并重复3次，取数据算数平均值，将该数据定为当次试验的极限抗压强度，若上下极值均与中间值误差在15%以上时需重复试验。2试验结果与分析2.1基础组分试验结果2.1.1流动度回填材料在标准的回填工艺中需要加水搅拌成浆液。使用一根泥浆管伸入钻孔底部，连接泥浆泵后自下而上地充盈整个钻孔。规范中未对流动度进行明确规定，根据已有研究结论，材料流动度在22 cm左右时流动效果最好[11]。材料的流动性能与用水量有关，水灰比与砂灰比对材料流动度的影响如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.008.F001图1水灰比与砂灰比对材料流动度的影响固定不同砂灰比，均表现为水灰比越高流动度越好。以砂灰比为1.50时为例，0.95水灰比下材料流动度较0.65水灰比时增加5.05 cm。原因是胶凝材料与水发生水化反应后产生一定黏性，随着加水量的提升黏性降低，因此水灰比的提升可以提高材料的流动性能。固定水灰比后分析砂灰比对材料流动度的影响，发现在任意一组水灰比下随着砂灰比的增加，材料流动度均下降。其中水灰比在0.65时，材料流动度受砂灰比影响最大，砂灰比1.50时较砂灰比2.25流动度减少6.45 cm，降低44%；在水灰比0.95时，砂灰比1.50时较砂灰比2.25时流动度减少5 cm，降低24%。说明骨料含量越高，材料流动度越差，水灰比低时影响更显著。以22 cm流动度作为标准进行筛选，除水灰比0.75、砂灰比2.25配比外，高于0.75水灰比的材料均满足应用需求。与之前研究中不添加膨润土作为基础组分的配比相比[12]，加入5%质量分数膨润土后流动度有相似的变化规律，但是若存在相似的流动度则需要更高的水灰比，如砂灰比均为2.00时，只有加入膨润土后在水灰比为0.85时，才具有与不加入膨润土时水灰比为0.55相似的流动性能。2.1.2导热系数水养28 d后，测试基础组分各试样饱水状态下的导热系数，结果如图2所示。随着砂灰比增加，不同水灰比下材料的导热系数均呈增加趋势，水灰比0.75时材料受砂灰比影响最大，当砂灰比为2.25时导热系数达到试样中最高1.611 W/(m·K)，与砂灰比在1.50时提升15%。固定砂灰比可以看出，随着水灰比降低，材料导热系数提升，在砂灰比为2.00时，0.65水灰比的材料导热系数为1.567 W/(m·K)，较0.95水灰比材料导热系数增加0.104 W/(m·K)。当砂灰比为2.25时，0.65水灰比的材料略低于0.75水灰比的材料，主要原因是材料的流动度低，材料在制作试件时因黏度过高导致孔隙增多，从而引起导热系数的降低。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.008.F002图2水灰比与砂灰比对材料导热系数的影响材料的导热系数随着骨料含量的增加而提高，当水灰比越低时材料固体组分所占比例越高，同时提升材料的导热性能。结合流动度的影响，水灰比0.75、砂灰比2.00的材料可以同时兼顾流动度与导热系数。2.1.3抗压强度水灰比与砂灰比对材料抗压强度的影响如图3所示。随着水灰比增加，材料抗压强度下降，固定砂灰比2.25时发现，材料在水灰比0.65时抗压强度为24.97 MPa；在水灰比0.95时，抗压强度为18.60 MPa，下降6.37 MPa。说明材料在水化过程中水泥组分所占比例影响材料硬化后的力学性能。材料强度同时受所含骨料组分影响。同样以水灰比0.65，砂灰比为2.50时抗压强度进行对比，当水灰比为1.50时，材料抗压强度提升32%。根据对试件抗压强度测定，综合流动度与导热系数的影响，水灰比0.75、砂灰比2.00为基础组分下材料的最优配比。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.008.F003图3水灰比与砂灰比对材料抗压强度的影响2.2石墨添量试验结果石墨的导热性能良好，少量添加就可以提高材料的导热系数。考虑石墨添加对材料各项性能的影响后，选择水灰比为0.85、砂灰比为2.00的配比继续进行试验。该配比材料的导热性能较最优配比下降8.5%，抗压强度下降12.0%，但是流动度提升21.0%。2.2.1流动度通过外掺入不同质量分数的石墨与未添加前材料性能对比，结果如图4所示。随着石墨添量的增加，流动度呈下降趋势，当添量为10%时流动度较未添加石墨前降低4.1 cm，整个过程在质量分数为4%~6%时下降明显。石墨作为疏水材料不吸收水分，但是鳞片石墨会在疏水作用下，在浆液表面出现聚团现象[13]，聚团后的石墨会影响材料表面黏度，造成流动度下降。结合试验数据，当石墨在加量6%时仍具有相对良好的流动性能。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.008.F004图4石墨添量对材料流动度的影响2.2.2导热系数加入石墨后材料导热系数变化如图5所示。加入质量分数2%的石墨时导热系数为1.589 W/(m·K)，较未加入前提升13.7%；当加入质量分数10%的石墨后导热系数为2.023 W/(m·K)，较未加入前提高0.626 W/(m·K)。石墨的掺量越高材料导热性能越好。结合流动度的影响，6%质量分数下材料的导热系数为1.884 W/(m·K)，同时具有良好的流动度与导热性。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.008.F005图5石墨添量对材料导热系数的影响2.2.3抗压强度石墨质地较软还具备一定的润滑作用，因此石墨的加入对材料的力学性能产生影响。石墨添量对材料抗压强度的影响如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.008.F006图6石墨添量对材料抗压强度的影响材料的抗压强度随着石墨的加入而降低，在未加入石墨前材料的抗压强度17.97 MPa，加入质量分数10%石墨后的抗压强度降低47.3%，说明石墨的加入对材料的力学性能产生极大的影响。为保证材料的抗压强度，加入石墨的用量需谨慎。考虑到材料对流动度与导热性的要求，6%石墨添量下的材料抗压强度为14.68 MPa，仅下降20.0%左右，依然具备良好的力学性能。3回填材料对地源热泵系统能耗的影响本研究结合工程建筑实例，选取一个6层超低能耗办公楼，总建筑面积约为9 679 m2，冷热源采用地源热泵系统，末端采用干式风机盘管和新风机组温湿度独立控制。模拟软件采用《GS地源热泵集成设计系统》（地热之星升级版），该软件以线热源模型和叠加原理为基础，可以对系统长期运行工况进行模拟。输入建筑物全年动态负荷、土壤温度和岩土类型、钻孔间距、埋管类型和直径以及回填材料导热系数等参数，计算地下温度场在长期运行工况下的变化以及满足建筑负荷需求的钻孔总深度等。保持其他参数不变，分别选取不同回填材料导热系数值进行模拟，钻孔模拟参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.008.T001表1钻孔模拟参数钻孔参数U型管参数岩土参数循环液参数半径/m间距/m类型管径导热系数/[W/(m·K)]远端温度/℃类型流量/(m3/h)流速/(m/s)0.0655单UDe322.115纯水150.12回填材料导热系数选取综合考虑材料的流动度、导热性能与抗压性能，分别选择加入膨润土后在材料实际应用时两组性能相对均衡的配比：水灰比0.85、砂灰比2.00及水灰比0.75、砂灰比2.00，导热系数分别为1.35 W/(m·K)、1.61 W/(m·K)。在水灰比0.85、砂灰比2.00的基础上得到石墨最优添量为6%后的材料，导热系数为1.89 W/(m·K)，及最高导热系数在石墨添量10%时的2.01 W/(m·K)。不同导热系数对钻孔内热阻和总钻孔深度的影响如图7所示。随着回填材料导热系数的增加，钻孔内热阻逐渐减小，单孔的换热效率提高，所需埋管钻孔总深度减少。当导热系数由1.35 W/(m·K)增加到1.61 W/(m·K)时，钻孔热阻由0.272 (m·K)/W降低到0.254 (m·K)/W，钻孔总深度减少268 m；导热系数增加到2.01 W/(m·K)时，钻孔热阻为0.236 (m·K)/W，换热效率提升7.8%，钻孔总深度减少535 m。提升材料的导热系数可以有效提高地埋管的换热效率、降低钻孔深度，从而减少系统的初投资和运行能耗。从地源热泵系统的全生命周期来看，在地埋管的生产、运输阶段以及系统的施工和运行阶段，都可以进一步减少碳排放。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.008.F007图7不同导热系数对钻孔内热阻和总钻孔深度的影响4结语应用于地源热泵系统的水泥基回填材料，在膨润土占质量分数5%的前提下，可以得到兼具环保性能的回填材料性能参数，对实际工程应用具有指导意义。通过对基础组分与添加石墨改性后的材料进行试验，得到以下结论：（1）加入膨润土后与未添加膨润土的水泥基材料具有相似的变化规律，材料流动度、导热系数与抗压强度的变化同时受水灰比与砂灰比的影响，结合试验分析，当水灰比为0.75、砂灰比为2.00时，材料的性能最均衡。（2）考虑石墨加入对材料性能的影响，在水灰比0.85、砂灰比2.00的基础配比中，加入石墨进行材料改性。随着石墨的增加，材料的流动性与抗压强度均下降，导热系数增加。当外掺石墨添量为6%时，材料具有相对良好的流动度与抗压强度，同时具备较为优秀的导热能力。（3）将选出的4组配比导热系数应用于工程实例进行模拟，通过模拟计算得到，应用最优配比下，回填材料可将换热效率提升7.8%，可显著降低系统的初装成本，并降低系统的运行能耗。