含水量對(duì)土壤導(dǎo)熱性能的影響研究

游姍

摘 要：土壤源熱泵系統(tǒng)在當(dāng)下社會(huì)是越來(lái)越受到重視，而土壤的導(dǎo)熱性能對(duì)整個(gè)熱泵的能效會(huì)產(chǎn)生重要影響。針對(duì)土壤導(dǎo)熱系數(shù)隨含水量的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果研究表明，導(dǎo)熱系數(shù)隨含水量的增大而增加，孔隙比增大時(shí)導(dǎo)熱率也會(huì)增加。這樣的結(jié)論，對(duì)于研究土壤源熱泵的利用率有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：土壤源熱泵；導(dǎo)熱系數(shù)；含水量；實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.31.098

0 前言

當(dāng)今世界，能源消耗加劇、環(huán)境問(wèn)題愈演愈烈，能源緊缺、環(huán)境保護(hù)成為了亟待解決的課題。我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，正逐步成為世界上最大的能源使用大國(guó)，節(jié)能減排作為了國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中主要解決的問(wèn)題之一。能耗問(wèn)題體現(xiàn)在多種行業(yè)中，而建筑能耗占了整個(gè)社會(huì)總能耗非常大的比重。在部分發(fā)達(dá)國(guó)家，建筑能耗占社會(huì)能源總消耗的一大半。我國(guó)建筑能耗呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，最終會(huì)接近發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。而建筑能耗中建筑采暖和空調(diào)能耗占據(jù)較大比重。所以，建筑節(jié)能的主要問(wèn)題就是解決暖通空調(diào)領(lǐng)域的能耗問(wèn)題。目前被普遍認(rèn)可的淺層地?zé)豳Y源的地源熱泵技術(shù)是一項(xiàng)解決建筑能耗的有效措施，可以提高能源的利用效率。

熱泵是一種通過(guò)消耗少量高品位能源，把熱量由低溫級(jí)上升到高溫級(jí)的特殊裝置而受到普遍歡迎。地層下大約七米處的溫度基本上保持常年不變，其溫度高于冬季室外溫度也低于夏季室外溫度。同時(shí)，土壤源熱泵還有噪音小、占地少、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)。

土壤源熱泵的設(shè)計(jì)中一個(gè)基本任務(wù)就是合理選用地下?lián)Q熱器，從而達(dá)到充分利用地能的目的。地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)一般都基于導(dǎo)熱定律，然而，由于不同的土壤，其構(gòu)成不同，表現(xiàn)出來(lái)的導(dǎo)熱性能差異也很大，目前對(duì)于土壤的最佳導(dǎo)熱系數(shù)的研究方面還有許多不足。土壤熱源的研究工作對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)仍有許多不足，從而大大影響了土壤源熱泵的工作效率。像溫度、流量等狀態(tài)參數(shù)可以直接測(cè)得，而土壤導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量必須通過(guò)測(cè)量溫度和熱流量，用不同的傳熱模型進(jìn)行傳熱逆運(yùn)算得出。本文主要針對(duì)前人研究中的不足之處，在精確控制其他影響因素不變的情況下，對(duì)含水量及孔隙率與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究。

1 測(cè)量方法及實(shí)驗(yàn)裝置

從原理上來(lái)講，確定材料的導(dǎo)熱系數(shù)的方法大致可分為兩類(lèi)：穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法（又稱(chēng)非穩(wěn)態(tài)法）。本文基于瞬態(tài)法的原理，改裝了能進(jìn)行混合料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定的試驗(yàn)裝置。瞬態(tài)法試驗(yàn)時(shí)間短，幾分鐘內(nèi)可以完成實(shí)驗(yàn)?；驹頌椋涸诖郎y(cè)的定土壤中引進(jìn)一個(gè)有一定幾何形狀的，如球狀、圓柱體和平板的熱源，通過(guò)測(cè)量探針周?chē)耐寥罍囟群吞结樀谋砻鏈囟入S時(shí)間的變化情況來(lái)計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。利用該實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1），對(duì)武漢地區(qū)土壤源熱泵使用的實(shí)際地層條件，0～50米層都的地層情況，研究含水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

試驗(yàn)時(shí)，每種土體分別制取不同孔隙率的待測(cè)樣品，改變其含水量，對(duì)土壤進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而得到相同孔隙率下不同含水率的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)中制備了5個(gè)粉砂樣品，4個(gè)粉土樣品及4個(gè)粉質(zhì)粘土樣品，每個(gè)樣品的孔隙率不同，通過(guò)不同試樣的含水率測(cè)定和導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，得出了關(guān)于含水率與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線。

從圖2、3、4中可以看出，孔隙率一定時(shí)，不同的土體導(dǎo)熱系數(shù)均隨含水率的增大而增加，在含水率小于5%的時(shí)候，導(dǎo)熱系數(shù)隨著含水量的增大而增加顯著。究其主要原因，是水的加入，填充了土壤中的孔隙，從而使導(dǎo)熱系數(shù)較小的氣體被導(dǎo)熱系數(shù)較大的水代替，增加了土壤的熱傳導(dǎo)率。同時(shí)，在含水率在5%～25%之間時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)和含水率基本上成線性關(guān)系。

從圖2、3、4中還可以看出，當(dāng)含水率一定時(shí)，土體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著孔隙率的增加而減小，這是因?yàn)榭紫堵试龃?，在含水率不變，使顆粒間導(dǎo)熱系數(shù)較小的空氣增多，從而減小了土壤的熱傳導(dǎo)率。

3 結(jié)論

通過(guò)本文的分析可以看出，不同種類(lèi)的土體，導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率和孔隙率的變化將有所區(qū)別。但總體上呈現(xiàn)的規(guī)律為：

（1）導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率的增大而增加，普遍的是剛開(kāi)始變化較快，后面趨于平緩。

（2）導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率的增大而減小，但粉砂和粉土是剛開(kāi)始變化急劇后趨于平緩，而粉質(zhì)粘土是剛開(kāi)始平緩后變化加劇。

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