摘要
在我国大力发展生态文明建设，提出碳中和、碳达峰目标的背景下，各行各业的节能减排愈加重要。地源热泵作为一种清洁低碳、稳定高效的形式，具有很好的应用前景，其钻井与地埋管之间的间隙需要用回填材料填实，从而增强地埋管与周围岩土的换热，并防止地下水污染。回填材料有膨润土基和水泥基两种，水泥基材料具有更好的导热性能、更高的强度，因此本文研究了水泥基回填材料的性质，开发了适合应用的回填材料，还针对水泥基材料进行了导热系数预测模型研究。 导热系数是决定地埋管换热效率的最重要参数，为了探究导热系数的主要影响因素，本文对比了几种导热系数测试方法，并选择“常功率平面热源法”进行测试，实验发现了导热系数随砂灰比、水灰比、砂种类、减水剂添加量的变化规律，根据实验结果优选了4种推荐配比，得出了减水剂由于“分散作用”和“引气作用”使材料导热系数下降的结论；另外，材料的流动度是衡量材料工作性能的重要参数，实验还采用“截锥圆模法”测试了材料的流动度，得出了砂灰比增加、水灰比降低会使流动度下降，减水剂可以增强流动度的结论；孔隙率影响着材料的强度、耐久性和导热性能，也与渗透性能有着密切关系，为了探究导热系数变化的原因以及防止渗透率过高，本实验采用“真空饱水法”测试了材料的孔隙率，得出了材料孔隙率随砂灰比增加而降低，随水灰比增加而增加，采用普通砂的材料孔隙率高于石英砂，添加减水剂使得材料孔隙率增加等重要结论。 为了给水泥基材料的导热性能研究提供一种数值计算方法、提高研究效率，本文根据水泥基材料的结构，结合傅里叶导热定律，建立了“水泥基材料固-液-气三相导热系数预测模型”，模型可预测骨料含量（砂灰比）、水灰比（孔隙率）、饱和度、单相成分导热性能等多因素对导热系数的影响，预测精度可以达到12%，涵盖了较大范围配比。本文还在预测结果的基础上，根据流动度和相对导热系数，确定了“水泥基回填材料取值区”和“水泥基回填材料适用区”，从而可以直接通过孔隙率和砂灰比等直接查到材料的导热系数；还通过参数拟合得到导热系数与水灰比、砂灰比的关系，从而可以通过配比直接得到导热系数。 同时采用现有的模型进行了导热系数计算，并与本文模型进行了对比，发现套用现有模型的预测结果误差较大。而本文模型的预测精度更高，还可通过参数识别得到不同用途水泥基材料的参数值，更加灵活，在实际应用上优势显著。
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