高性能地源热泵回填材料开发与传热性能研究

摘要

地源热泵回填材料是地埋管换热器与土壤两者之间的填充介质，其性能的好坏不仅决定了地埋管管束安装的稳定性，最终还会影响地埋管系统运行时的传热过程。因此，利用合适的添加剂提高地源热泵回填材料的综合性能，对于提升地源热泵的整体效果有着重要的作用。 本文根据地源热泵回填材料的特点，通过对回填材料的施工性能、传热性能、力学强度三个方面相关参数的测试，以及运用综合评分法，研究了将废钢渣与石墨作为复合添加剂对地埋管回填材料综合性能的影响。试验结果表明，添加废钢渣有利于改善回填材料的施工性能，流动度最大增幅可达81.9%，石墨对施工性能的影响不大；添加废钢渣将导致回填材料的传热性能降低，但通过添加石墨最大可以弥补6.5%左右导热系数的损失；添加石墨对回填材料的力学性能影响较小，但通过添加废钢渣可对其抗压强度提升97.5%。经综合评分后可知，将废钢渣替代砂率控制在 40%的基础上，继续增加石墨替代水泥率，或许能够得到更为优质的回填材料综合性能。 此外，针对工程应用的实际情况，通过对回填材料的密度、导热系数、比热容、热扩散系数等参数的测试，继续深入研究了不同养护温度对高性能回填材料热物性参数的影响分析。试验结果表明，养护温度的增加有利于改善地源热泵回填材料表面的完整性，且随着养护温度的增加，回填材料的热物性参数也均随之增长，在干燥后回填材料的热物性参数变化程度小，更接近饱和状态下的数值。在养护温度30℃和石墨替代水泥率 22%的试验条件下，回填材料的表面孔隙大小和数量最小，成型结果最优；与此同时，从5℃上升至30℃的过程中，饱和与干燥导热系数最大分别上升了14.58%、37.49%、饱和与干燥比热容最大分别上升了2.52%、3.34%、饱和与干燥热扩散系数最大分别上升了11.79%、36.23%。 在试验的基础上，本文选取 6 组相应的回填材料导热系数理论模型进行计算，与试验值进行对比分析，通过误差分析，得到适用于本试验条件下的回填材料导热系数理论模型。对比结果显示，在养护温度在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃时，并-串联模型、Maxwell模型计算值与饱和状态下的回填材料导热系数试验值吻合度较高，这两组模型计算值与试验值的相对误差分别在 4%和5%以内；此外，考虑界面热阻的Hasselman-Johnson模型计算值与干燥状态下的回填材料导热系数试验值基本吻合，相对误差控制在9%以内。

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