地埋管地源熱泵水泥基回填材料導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型

董世豪，胡自遠(yuǎn)，周超輝，周亮宇，林德榮，倪 龍

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第七地質(zhì)大隊(duì)，山東臨沂 276006；3.中能建地?zé)嵊邢薰荆本?100022）

0 引言

水泥基材料廣泛應(yīng)用于建筑、固井材料、回填材料、巖層封堵、注漿工程等，與人民生活、社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)。水泥基材料通常由水泥、骨料（一般為砂或石）及其他改善性能的材料組合而成，其導(dǎo)熱系數(shù)在很多研究和工程中都是重要參數(shù)：在建筑行業(yè)，混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)直接影響建筑能耗；對于地源熱泵，地埋管周圍的鉆孔間隙需用回填材料填實(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)直接影響換熱效果。

地埋管地源熱泵回填材料有水泥基和膨潤土基兩種，在基巖地區(qū)宜選用水泥基材料，同時(shí)水泥基材料也具有更高的導(dǎo)熱性能［1］。高導(dǎo)熱性能的回填材料對系統(tǒng)節(jié)能和減少投資至關(guān)重要，ALLAN等［2］研究發(fā)現(xiàn)，采用高導(dǎo)熱系數(shù)的材料可以使地埋管設(shè)計(jì)長度減少22%～37%；陳衛(wèi)翠等［3］對通過工程實(shí)例計(jì)算得出高性能回填材料能夠減少地埋管長度29%～36%；BURKHARD等［4］也通過熱響應(yīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用強(qiáng)化換熱材料的鉆井熱阻可降低27%。因此，針對此類材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行理論研究與建模，可以為高性能材料的開發(fā)提供理論指導(dǎo)，對行業(yè)發(fā)展意義重大。

現(xiàn)有針對水泥基回填材料的研究多局限于試驗(yàn)研究，國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，水灰比降低［1］，砂灰比增大［5-6］，添加石墨［5，7］都會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)增加；鄒玲等［8］還測定了材料的孔隙率，發(fā)現(xiàn)材料孔隙率隨水灰比增加而變大。對于導(dǎo)熱系數(shù)理論研究，有學(xué)者針對緩沖材料［9］、巖土［10-12］、建材［13］、食物［14-15］、陶瓷等材料建立了導(dǎo)熱模型，但是，適合于水泥基材料的導(dǎo)熱模型較少，專門用于水泥基回填材料的導(dǎo)熱模型更少，且現(xiàn)有模型直接用于回填材料導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測的誤差較大。因此，為了給水泥基材料研究提供一種可應(yīng)用的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型或方法，本文根據(jù)材料的物理結(jié)構(gòu)和組成，結(jié)合傅里葉導(dǎo)熱定律，建立了水泥基材料導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型，基于水泥基回填材料進(jìn)行了參數(shù)識別，并與試驗(yàn)值進(jìn)行了對比驗(yàn)證。

1 導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型的建立

一般水泥基材料由骨料、水泥和水按比例混合而成，成型的材料中存在孔隙，孔隙內(nèi)含有水分或空氣。因此水泥基材料也是一種固-液-氣三相混合物，該模型首先針對由骨料和水泥膠結(jié)物組成的固相部分建模，然后針對固相（水泥+骨料）、液相（水）、氣相（空氣）三者的混合物建模。

1.1 固相（水泥+骨料）模型

1.1.1 模型結(jié)構(gòu)

首先針對由骨料和水泥組成的固相建模，該模型可以反映骨料含量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。進(jìn)行如下假設(shè)：（1）將骨料顆粒將簡化為等大的球體；（2）利用球體的重疊反映骨料之間的面接觸；（3）材料內(nèi)部為純導(dǎo)熱。

圖1示出固相模型的中央截面。骨料為相互重疊的球體，骨料平均半徑為r，角度控制其重疊程度；骨料周圍包裹水泥基質(zhì)，形成半徑為（ξ≥1）的圓柱體，通過骨料含量計(jì)算出參數(shù)。熱流方向?yàn)閺纳系较?，如圖2所示。

圖1 固相導(dǎo)熱模型Fig.1 Solid-phase thermal conductivity model

圖2 計(jì)算單元示意Fig.2 Schematic diagram of calculation unit

1.1.2 模型推導(dǎo)

由圖1所示的模型物理結(jié)構(gòu)可計(jì)算得到骨料體積分?jǐn)?shù)表達(dá)式：

式中 η ——骨料在固相中的體積分?jǐn)?shù)；

α ——衡量骨料面接觸程度的參數(shù)；

ξ ——與骨料含量有關(guān)的參數(shù)，ξ≥1。

而骨料體積分?jǐn)?shù)和骨料/水泥質(zhì)量比的關(guān)系為：

式中φ——骨料與水泥質(zhì)量比，0≤φ≤1；

ρa(bǔ)g——骨料的密度，kg/m3；

ρc——無孔水泥密度，kg/m3。

如圖2，取一個(gè)骨料顆粒及其周圍水泥為計(jì)算單元，并建立柱坐標(biāo)系。設(shè)該單元上、下面的溫差為ΔT，按幾何特征將該單元的熱流分為3部分，即圖中的Q1，Q2和Q3。第1部分Q1為純水泥的圓周，其中x∈（r，ξr），根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律計(jì)算該部分的熱流量為：

式中 Q1——第1部分的熱流量，W；

λc——水泥基質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

r ——骨料顆粒的半徑，m。

第2部分Q2包括水泥和骨料，其中x∈（rsinα，r），如圖2所示，取dx微元厚度的圓周，則在x處該微元的熱阻是：

式中λag——骨料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

R（x） ——x處該微元的熱阻，K/W。

則該部分的熱流量為：

式中 Q2——第2部分的熱流量，W。

式（5）可以進(jìn)一步計(jì)算得到：

第3部分Q3為純骨料組成的圓柱，其中x∈（0，rsinα），該部分的熱流量為：

該模型總的熱流量為：

將式（3）（6）和（7）代入式（8）中，可以得到與r，ΔT無關(guān)的式（9），也即固相模型的有效導(dǎo)熱系數(shù)λs為：

1.2 固－液－氣三相模型

1.2.1 模型結(jié)構(gòu)

針對固-液-氣三相進(jìn)行建模，該模型可以反映孔隙率和飽和度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。一般情況下孔隙率越高導(dǎo)熱系數(shù)越低。嚴(yán)辰成等［16］通過X射線掃描水泥砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)得出，水泥漿體中的孔可以分為氣孔和毛細(xì)孔，氣孔尺寸較大，形狀接近球形，毛細(xì)孔尺寸較小且形態(tài)不規(guī)則，難以建立實(shí)際結(jié)構(gòu)的模型。現(xiàn)有的導(dǎo)熱系數(shù)理論計(jì)算研究［17-20］也多將孔隙簡化為規(guī)則形狀，從現(xiàn)有研究以及本文研究結(jié)果來看，采用這種簡化方法得到計(jì)算結(jié)果的精度能滿足工程需要，一定程度上說明了這種方法的可行性。

假設(shè)條件如下：（1）材料中的孔隙為橢球體；（2）水分均勻附著在橢球體孔隙周圍，且厚度一致；（3）材料內(nèi)部只存在熱傳導(dǎo)。

模型如圖3和4所示，熱流方向?yàn)榱⒚鎴D中的從上到下，中間為橢球體孔隙，水分均勻附著在橢球體內(nèi)壁面。橢球體孔隙（包括液相和氣相）長軸為2a，短軸為2βa，通過β控制橢球體短軸從而改變孔隙形狀或大??；不包括水分的橢球體（氣相）長軸為2κa，短軸為2κβa，通過κ來反映飽和度（0≤κ≤1）；孔隙周圍是固相材料，模型整體為立方體，底面是邊長為2γa的正方形，高為2μa，其中μ≥1，γ≥β。

圖3 固-液-氣三相模型平面Fig.3 Plan of solid-liquid-gas three-phase model

該模型有3種參數(shù)取值方式：

（1）找到γ，μ和a最優(yōu)值，由孔隙率計(jì)算出β；

（2）找到β，μ和a最優(yōu)值，由孔隙率計(jì)算出γ；

（3）找到γ，β和a最優(yōu)值，由孔隙率計(jì)算出μ。

1.2.2 模型推導(dǎo)

根據(jù)幾何關(guān)系得到孔隙率和各參數(shù)的關(guān)系：

式中 ε —— 孔隙率，定義為塊狀材料中孔隙體積與總體積的百分比。

β ——幾何參數(shù)，橢球形孔隙的短軸為βa；

γ —— 幾何參數(shù)，模型底面邊長2γa，且γ≥β；

μ —— 幾何參數(shù)，模型長方體的高為2μa，且μ≥1；

飽和度和參數(shù)κ的關(guān)系：

式中 ω —— 飽和度，定義為材料中水的體積與孔隙體積的百分比；

κ ——與飽和度有關(guān)的參數(shù)，0≤κ≤1。

將該模型作為計(jì)算單元，建立如圖4所示的柱坐標(biāo)系，設(shè)上下面的溫差為ΔT，按幾何特征將熱流分為3部分，Q1'部分為純固相部分的圓周，其中x∈［βa，γa］；Q2'部分包括液相和固相，x∈［κβa，γa］；Q3'部分為包括液相、氣相和固相的圓柱，x∈［0，κβa］。按照與固相模型相似的方法得到式（12），即該模型的有效導(dǎo)熱系數(shù)為：

圖4 固-液-氣三相模型立面Fig.4 Elevation of solid-liquid-gas three-phase model

式中λe—— 模型有效導(dǎo)熱系數(shù)，即回填材料導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測值，W/（m·K）；

λw——液相導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

λs—— 固相導(dǎo)熱系數(shù)，由式（9）得到，W/（m·K）。

λa——?dú)庀鄬?dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

式（12）繼續(xù)推導(dǎo)可得到與a無關(guān)的式（13）：

2 模型參數(shù)識別

該模型中的參數(shù)γ，μ和β與材料的幾何性質(zhì)有關(guān)，直接測量非常困難，對具體材料，可通過參數(shù)識別確定。對于水泥基回填材料，骨料為石英砂，孔隙內(nèi)為空氣（氣相）和水分（液相）。本文選取兩組獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一組用于參數(shù)識別，一組用于模型驗(yàn)證。

2.1 參數(shù)識別試驗(yàn)數(shù)據(jù)與參數(shù)取值選擇標(biāo)準(zhǔn)

KIM等［21］測量了水灰比為0.7、非飽和狀態(tài)、不同砂灰比（骨料/水泥質(zhì)量比）下水泥基回填材料的孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)，試驗(yàn)值見表1［21］，數(shù)據(jù)均為在室溫下測得，而模型中單相材料導(dǎo)熱系數(shù)也取25 ℃對應(yīng)的值，因此模型參數(shù)取值條件與實(shí)驗(yàn)條件基本匹配，可用于參數(shù)識別。

表1 參數(shù)識別試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data for parameter identification

不同參數(shù)取值影響預(yù)測值的大小，進(jìn)而與預(yù)測精度有關(guān)。首先，使用模型計(jì)算表1數(shù)據(jù)對應(yīng)的孔隙率、飽和度和砂灰比下的預(yù)測值；然后，將預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值對比得到其相對誤差，取這5個(gè)預(yù)測值的平均誤差作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。參數(shù)取值不同可以得到的平均誤差也不同，改變參數(shù)取值找到平均誤差較小或滿足精度要求的取值，則模型參數(shù)γ，μ和β即可確定。

2.2 單相材料參數(shù)取值

回填材料各種單相成分的物性參數(shù)見表2。其中，無孔水泥為不包含孔隙的固結(jié)水泥。水和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化，回填材料的工作溫度也隨工況變化，根據(jù)文獻(xiàn)［22］給出的地埋管鉆孔在取熱和排熱工況下地層溫度分布可知，大部分回填材料的實(shí)際運(yùn)行溫度在10～40 ℃范圍內(nèi)。將水在10 ℃和40 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)代入模型（砂灰比=2，孔隙率=0.22，飽和狀態(tài)），得到導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測值分別為2.50和2.59 W/（m·K），相差3.47%；同樣，將空氣在10 ℃和40 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)代入模型（砂灰比=2，孔隙率=0.22，飽和度=0.3），得到空氣的導(dǎo)熱系數(shù)變化對預(yù)測值的影響為0.42%，因此雖然水和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)都會(huì)受溫度的影響，但是其對最終結(jié)果影響很小，因此取平均溫度25 ℃下的固定值即可。

表2 單相材料物性參數(shù)Tab.2 Physical parameters of single phase material

2.3 最佳孔隙率控制方式確定

第1.2.2節(jié)提到，模型有3種取值方法，因此需要確定適合于回填材料的最優(yōu)方法。將不同參數(shù)取值方式下的預(yù)測值與表1試驗(yàn)值對比，用平均誤差作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5示出了方式（1）不同γ，μ下的平均誤差，γ一定時(shí)，μ越大，誤差越小，當(dāng)μ增加至1.4時(shí)，誤差約17%，但是可預(yù)測的最大孔隙率僅37.40%，可預(yù)測孔隙率范圍過小。圖6示出了方式（2）不同μ，β下的平均誤差，平均誤差幾乎不隨β變化；而β一定時(shí)，平均誤差隨μ增大而減小，當(dāng)達(dá)到1.4時(shí)，其平均預(yù)測誤差減小至15.65%，但其可預(yù)測的孔隙率范圍仍然過小。因此，方式（1）、（2）誤差均較大。

圖5 不同γ，μ 取值下的平均誤差Fig.5 Average error under different values of γ and μ

圖6 不同μ，β 取值下的平均誤差Fig.6 Average error under different μ and β

圖7 示出了方式（2）在不同β，γ值下的平均誤差，當(dāng)β略小于γ時(shí)，平均誤差低于10%，當(dāng)β=0.95，γ=1.00時(shí)，平均誤差低至4.36%，可預(yù)測的最大孔隙率為0.472 5。綜上，參數(shù)取值方式（2）更適合于水泥基回填材料。

圖7 不同γ，β 值下的平均誤差Fig.7 Average error under different values of γ and β

2.4 參數(shù)γ，β的識別

以表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行試算。圖8示出了γ，β不同取值對預(yù)測誤差的影響，誤差隨參數(shù)β（γ≥β）的增加，先降低后增加，且在γ取值不同時(shí)變化趨勢一致，但是取得最小值的位置不同，γ越小，曲線整體向左移；當(dāng)γ=1.00，β=0.96時(shí)，平均誤差為3.67%，在各取值組合中最小。

圖8 不同β，γ值下，預(yù)測誤差隨孔隙率的變化Fig.8 The variation of prediction error with porosity under different β and γ

2.5 參數(shù)識別結(jié)果

適用于水泥基回填材料的最佳參數(shù)取值方式為：找到γ和β最優(yōu)值（β=0.96，γ=1.00），通過試驗(yàn)得到的孔隙率計(jì)算出μ值。模型識別誤差如圖9所示，預(yù)測值與試驗(yàn)值非常接近，且變化趨勢一致，誤差在1.49%～6.80%之間，說明參數(shù)識別結(jié)果較為精準(zhǔn)。

圖9 參數(shù)識別誤差Fig.9 Parameter identification error

3 模型驗(yàn)證及比較

3.1 模型驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

鄒玲等［8］測試了水泥基回填材料在砂灰比為2、飽和狀態(tài)時(shí)，水灰比和孔隙率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響；KIM等［21］還測量了在水灰比為0.7、飽和狀態(tài)時(shí)，不同砂灰比下回填材料的孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)。

鄒玲等［8］還指出，砂灰比大于2.2會(huì)使材料的流動(dòng)度過低，影響實(shí)際應(yīng)用；文獻(xiàn)［6］提出，水灰比太小會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)度太差，過大會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱性能變差，水灰比0.45～0.70為宜；對于地源熱泵，回填材料與巖土導(dǎo)熱系數(shù)之比在1～1.2左右較優(yōu)［28］，過高則會(huì)導(dǎo)致地埋管之間的熱短路，因此回填材料導(dǎo)熱系數(shù)一般不超過3 W/（m·K）；同時(shí)，由于地下水存在，回填材料的工作狀態(tài)多為飽和狀態(tài)。因此表3數(shù)據(jù)可以涵蓋回填材料研究和工程應(yīng)用的常見配比范圍。

表3 模型驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data for model verification

3.2 模型驗(yàn)證

將最優(yōu)參數(shù)取值代入模型，計(jì)算飽和狀態(tài)不同孔隙率下的導(dǎo)熱系數(shù)，并與鄒玲等［8］的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，對比結(jié)果如圖10所示。預(yù)測值與試驗(yàn)值變化趨勢一致；預(yù)測值整體略高于試驗(yàn)值，在孔隙率為0.163時(shí)誤差低至1.49%，最大誤差也僅為5.94%，總體上預(yù)測較精準(zhǔn)。

圖10 飽和狀態(tài)不同孔隙率下的預(yù)測結(jié)果Fig.10 Prediction results at different porosity in saturated state

對于飽和狀態(tài)，圖11示出了預(yù)測值與表3中KIM等［21］試驗(yàn)值的對比結(jié)果，預(yù)測值與試驗(yàn)值變化趨勢一致，均隨砂灰比增加而增加，但是預(yù)測值普遍低于試驗(yàn)值，預(yù)測誤差在3.98%～15.26%之間。但只有砂灰比在2.5及以上時(shí)誤差超過12%，而此時(shí)過高的砂灰比已經(jīng)使流動(dòng)性降低而影響實(shí)際應(yīng)用了。因此，總體上預(yù)測較精準(zhǔn)，滿足實(shí)際工程與研究需要。

圖11 飽和狀態(tài)不同砂灰比下的預(yù)測結(jié)果Fig.11 Prediction results under different sand-cement ratios in saturated state

3.3 誤差分析

誤差來源于實(shí)驗(yàn)誤差和模型誤差。對于實(shí)驗(yàn)誤差，不同文獻(xiàn)采用的材料品質(zhì)、制作工藝不同可能造成同樣配比材料的導(dǎo)熱系數(shù)差異，另外，孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)測量過程本身也存在誤差。對于模型誤差，實(shí)際的骨料（石英砂）顆粒并不會(huì)像模型中那樣形狀規(guī)則，而且孔隙之間存在聯(lián)通；同時(shí)，本模型未考慮對流換熱，但實(shí)際的孔隙內(nèi)的空氣或水會(huì)存在熱對流；含水量較高時(shí)也會(huì)存在熱濕遷移現(xiàn)象，所以飽和狀態(tài)的試驗(yàn)值通常會(huì)偏大，也就導(dǎo)致了圖11中飽和狀態(tài)預(yù)測值普遍偏小。

3.4 模型比較

本文還應(yīng)用現(xiàn)有經(jīng)典模型進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算，并將其預(yù)測精度與本文模型進(jìn)行了比較。

3.4.1 經(jīng)典模型

（1）Bruggeman模型。

Bruggeman模型［29］基于平均場理論，假設(shè)分散相在連續(xù)相介質(zhì)中隨機(jī)分布，通過微分再積分方法建立了二元復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型：

式中 f ——分散相的體積分?jǐn)?shù)；

kd——分散相的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

ke—— 復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

kc——連續(xù)介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

該模型可直接應(yīng)用于二元復(fù)合材料，而水泥基回填材料屬于多相材料，因此可通過重復(fù)應(yīng)用該模型來得到其導(dǎo)熱系數(shù)。

（2）Maxwell模型。

假設(shè)分散相為球型顆粒且隨機(jī)分布，且分散相顆粒溫度不影響鄰近分散相顆粒的溫度分布，通過求解分散相顆粒隨機(jī)均勻地分布在連續(xù)相中的導(dǎo)熱問題獲得了Maxwell模型［30］：

式中 ke—— 復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

kc——連續(xù)介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

δ ——分散相與連續(xù)相導(dǎo)熱系數(shù)之比；

f ——分散相的體積分?jǐn)?shù)。

3.4.2 本文模型的優(yōu)勢

圖12示出了采用本文模型、Bruggeman模型［29］和Maxwell模型［30］計(jì)算得到的誤差。經(jīng)過比較，本文模型相對于現(xiàn)有模型的優(yōu)勢如下。

圖12 采用不同模型計(jì)算的誤差Fig.12 Errors calculated by different models

（1）精度更高：本文模型的預(yù)測誤差均在1.49%～15.26%之間，預(yù)測精度較高；而應(yīng)用經(jīng)典模型得到的預(yù)測誤差較大，Maxwell模型的預(yù)測誤差多個(gè)點(diǎn)超過20%誤差線，Bruggeman模型誤差甚至超過了80%。

（2）可預(yù)測的物質(zhì)組成更復(fù)雜：本文模型可以直接預(yù)測由骨料、水泥、水和空氣4類物質(zhì)，3種相態(tài)組成的復(fù)合物的導(dǎo)熱系數(shù)，現(xiàn)階段可以做到準(zhǔn)確預(yù)測這類復(fù)合物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的模型較少；而經(jīng)典模型大多針對二或三元復(fù)合材料進(jìn)行建模。

（3）可預(yù)測影響參數(shù)更多：本文模型可以同時(shí)預(yù)測單相材料導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙率、骨料含量、飽和度等多種參數(shù)對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，而現(xiàn)有模型多針對簡單物質(zhì)建模，能夠做到同時(shí)預(yù)測多種參數(shù)對導(dǎo)熱系數(shù)影響的模型較少。

（4）模型物理結(jié)構(gòu)更嚴(yán)謹(jǐn)：經(jīng)典模型一般未考慮顆粒接觸與孔隙的幾何形態(tài)，因而對水泥基材料的適用性較差，這都導(dǎo)致了預(yù)測誤差較大；本模型充分考慮了骨料含量較大時(shí)可能出現(xiàn)的面接觸現(xiàn)象，使物理結(jié)構(gòu)更貼近實(shí)際。

（5）靈活性更高：不同用途水泥基材料具有類似的物理結(jié)構(gòu)，但是其導(dǎo)熱系數(shù)規(guī)律可能有差別。而經(jīng)典模型參數(shù)固定，無法通過參數(shù)識別，確定不同用途水泥基材料的最優(yōu)參數(shù)，靈活性不及本文模型。

4 結(jié)論

本文建立水泥基材料的導(dǎo)熱系統(tǒng)預(yù)測模型，并進(jìn)行了參數(shù)識別和模型驗(yàn)證，得到了適用于地埋管地源熱泵回填材料的參數(shù)取值。主要結(jié)論如下：

（1）找到參數(shù)β，γ最優(yōu)值，通過孔隙率計(jì)算得到μ，可以得到較好的預(yù)測精度，β=0.96和γ=1.00為適用于地埋管地源熱泵回填材料的最優(yōu)參數(shù)取值；

（2）該模型可以精準(zhǔn)預(yù)測不同孔隙率下的導(dǎo)熱系數(shù)，預(yù)測誤差在1.49%～5.94%之間，也能較精準(zhǔn)預(yù)測不同砂灰比（骨料含量）、不同飽和度下的導(dǎo)熱系數(shù)，預(yù)測誤差在1.49%～15.26%之間；

（3）本文模型預(yù)測精度優(yōu)于傳統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測模型，本文模型誤差最大為15.26%，Maxwell模型的預(yù)測誤差多個(gè)點(diǎn)超過20%，Bruggeman模型誤差更大，甚至超過了80%；且具有可預(yù)測參數(shù)多、可預(yù)測物質(zhì)組成復(fù)雜、物理結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、靈活性高等優(yōu)勢。