摘要：基于地源熱泵地下換熱系統回填灌漿的重要性，從回填灌漿設計、設備和施工的角度探討了需要注意的問題。
關鍵詞：飲用水層、頂界深度、工程適用性、高壓灌漿設備、建筑風水、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，在北京奧運會主體育場—鳥巢，三次打破了男子短跑世界記錄。而他腳下的那塊場地下，312口地源熱泵換熱井孔正踐行著我國的申奧承諾。
時隔一年，還是8月，博爾特再次大幅度改寫男子100米、200米世界紀錄。而我國地源熱泵系統的建設規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遜色。
1.地源熱泵回填技術的重要性
經過多年艱苦的推廣和實踐，地源熱泵高效、節能、對環境友好的特性已經被廣大管理者和專業人士所熟知和接受。但在同時，越來越多的專家、學者正在看到大規模推廣背后所蘊藏的危機。在這些危機當中，實際節能效果不佳是焦點問題之一，而對地下地質環境的擾動可以成為我們另一個關注的重點。地下換熱系統高壓回填灌漿技術體系的缺失是導致上述兩項問題的主要原因之一。關于地源熱泵回填技術，國內和國際上已經有大量的研究成果和工程經驗供我們借鑒和學習，以下僅就一些不容易引起重視的問題分享一些在實際工作中積累的觀點。
2.關于井孔回填灌漿設計
2.1井孔深度的確定
使用專業的模擬軟件或地源熱泵埋管計算軟件，結合建筑能耗模擬軟件，進行地下換熱系統的模擬計算，以確定地下換熱系統的各種參數是進行地源熱泵系統設計的比較合理的方法。而當我們在軟件中輸入井孔深度的參數時，往往只考慮場地面積、鉆井難度和成本、負荷大小等因素，卻忽視了一個重要因素，就是地下飲用水保護的問題。
2.2井孔填料選擇
在進行井孔填料選擇時，我們必須以地質勘察和巖土熱物性參數的測試的結果為基礎，根據不同地質條件選擇不同的回填材料。比如在華東某地相對堅硬致密、滲透系數較小砂巖上使用風鉆成孔后，選擇水泥、石英砂、膨潤土和水的混合物進行回填就會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、強風化泥巖為主的地質情況下，使用水循環地質鉆機成孔后，如果仍選用水泥砂漿回填，就很難達到提升換熱效果和封井的目的。因為，強風化泥巖的空隙容易使砂漿泄露，無法充滿井孔，而豐富的地下水也使井孔內漿料的凝結難度加大。這種情況下，可以采用加入環保絮凝劑的混凝土進行封井。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《地源熱泵工程技術規范》附錄B或ASHRAEHANDBOOK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，在設計時也應充分予以考慮。
2.3井孔換熱模擬
在使用瞬態模擬軟件TRNSYS或GLD等其它地源熱泵專業軟件進行地下換熱系統模擬設計時，我們輸入的有關灌漿材料的邊界條件需要提高準確性。比如在沿海某地，成孔深度范圍內的主要地質構造為淤泥質粘土，呈流塑狀，成孔后縮孔嚴重，漿料回填非常困難。在這種情況下，在計算軟件當中的灌漿材料的導熱系數項，我們應輸入熱響應試驗得出的測試深度的土壤導熱系數值，取代我們選用的漿料的導熱系數值。結合實際情況，準確建立地下換熱系統的計算模型，避免理論模擬和實施脫節，是我們目前在使用軟件計算當中的關鍵控制點。
3.關于井孔回填灌漿設備和施工
在多數情況下，我們都需要使用機械高壓灌漿設備進行灌漿封井。國外的灌漿設備技術比較成熟，但價格昂貴，使用和維護的要求較高。國內雖然暫時缺乏專用的灌漿設備，但是由于國內混凝土泵送技術的飛速發展，很多廠家可將用于建筑結構施工的混凝土泵送設備稍加改進，就可用于地源熱泵井孔灌漿施工。然而，由于種種原因，實際施工時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。解決問題的辦法是針對地源熱泵井孔施工深度大、井孔小的特點，通過砂漿流的水力計算分析，對灌漿機械和灌漿工藝進行改進，對造作人員進行專項運行和維護培訓，相關內容可參照國際地源熱泵協會（IGSHPA）相關手冊和后續文章。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，即使選用很高揚程，也無法達到灌漿封井的效果，活塞式或螺桿式砂漿泵是更恰當的選擇。還需要指出的是，鉆井成孔工藝對灌漿施工的影響也十分巨大，在不同的地質條件下，選用適宜的高性能鉆機也可以顯著減低灌漿的漿料耗量和難度。
4.建筑風水學與回填灌漿
體現古人“天地人合一”思想的建筑風水學，越來越多的受到高端發展商和業主的重視。鑒于風水學中對于地氣的重視，地源熱泵大量的鉆井施工對于建筑基地的擾動不容小覷。簡單認為不恰當的地源鉆井施工會擾動“地氣”，破壞建筑風水，可能還不夠科學。但是，我們需要看到風水學背后的科學依據。比如，如果在一棟自然環境優美的高檔別墅的周邊進行鉆井施工，當出現承壓地下水自噴的情況時，如不采取有效措施灌漿封井，地下水會不斷噴涌，雖然地下換熱系統的換熱得到了加強，但產生的淺表徑流既會造成地下水的大量浪費，又會對建筑物的基礎造成不利影響。在地面使用混凝土進行硬化后，短期內對于這種狀況卻可能無法察覺。
另外，為了突破地源熱泵需要大量可供成孔面積的發展瓶頸，近年來我們大量成功應用了在結構底板下、基坑內成孔埋管的地源熱泵系統，在這種系統中，我們也需要采用合理的成孔工藝和嚴格的灌漿措施，嚴格避免對結構基礎持力層產生的有害擾動，比如灌漿回填不實造成的持力層空洞，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水浸，同樣也是風水上關于地基的大忌。
所以，無論從建筑風水學的經驗論角度還是從現代建筑技術的角度，地源熱泵鉆井施工都需要認真的執行回填灌漿的技術工藝。
5.井孔回填灌漿技術的發展方向
開發更高導熱系數的回填灌漿材料的一直是學術界的研究熱點。但參考國際上的成功經驗，我們目前在地源熱泵灌漿行業缺乏的不是“子彈”，而是“步槍”。也就是說，我們需要基于現有的關于灌漿材料的研究成果和規范，加強集成化高壓灌漿設備和施工工藝的研究和開發，形成一套完善的技術體系，并通過編寫技術手冊、施工規程和進行職業教育的形式使這套技術體系得以切實推行。
此外，我們目前在進行相變蓄能材料（PCM）作為填料的快速相應和蓄能型地源熱泵集成系統的相關試驗和探索，希望在提高系統換熱效率的同時，降低安裝工作量、難度和質量風險，進一步提升地下換熱系統的施工和運行全過程的環境友好度。相信在行業專家、學者和領導的指引下，我們在地源熱泵工程技術方面也能得到飛速的發展。在不久的未來，使世界震驚的將不僅僅是我國的工程規模，更是我國在相關技術領域的成功突破和創新。
參考文獻
[1].CommonwealthofMassachusettsDepartmentofEnvironmentalProtect(3).
[2].
[3].