含水量对土壤导热性能的影响研究

摘 要：土壤源热泵系统在当下社会是越来越受到重视，而土壤的导热性能对整个热泵的能效会产生重要影响。针对土壤导热系数随含水量的变化进行了实验研究，结果研究表明，导热系数随含水量的增大而增加，孔隙比增大时导热率也会增加。这样的结论，对于研究土壤源热泵的利用率有一定的指导意义。

关键词：土壤源热泵；导热系数；含水量；实验研究

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/ki.16723198.2016.31.098

0 前言

当今世界，能源消耗加剧、环境问题愈演愈烈，能源紧缺、环境保护成为了亟待解决的课题。我国是发展中国家，正逐步成为世界上最大的能源使用大国，节能减排作为了国家经济发展中主要解决的问题之一。能耗问题体现在多种行业中，而建筑能耗占了整个社会总能耗非常大的比重。在部分发达国家，建筑能耗占社会能源总消耗的一大半。我国建筑能耗呈现上升的趋势，最终会接近发达国家的水平。而建筑能耗中建筑采暖和空调能耗占据较大比重。所以，建筑节能的主要问题就是解决暖通空调领域的能耗问题。目前被普遍认可的浅层地热资源的地源热泵技术是一项解决建筑能耗的有效措施，可以提高能源的利用效率。

热泵是一种通过消耗少量高品位能源，把热量由低温级上升到高温级的特殊装置而受到普遍欢迎。地层下大s七米处的温度基本上保持常年不变，其温度高于冬季室外温度也低于夏季室外温度。同时，土壤源热泵还有噪音小、占地少、无污染、寿命长、维修费用低等诸多优点。

土壤源热泵的设计中一个基本任务就是合理选用地下换热器，从而达到充分利用地能的目的。地下换热器的设计一般都基于导热定律，然而，由于不同的土壤，其构成不同，表现出来的导热性能差异也很大，目前对于土壤的最佳导热系数的研究方面还有许多不足。土壤热源的研究工作对于实际应用的指导仍有许多不足，从而大大影响了土壤源热泵的工作效率。像温度、流量等状态参数可以直接测得，而土壤导热系数的测量必须通过测量温度和热流量，用不同的传热模型进行传热逆运算得出。本文主要针对前人研究中的不足之处，在精确控制其他影响因素不变的情况下，对含水量及孔隙率与导热系数之间的关系进行研究。

1 测量方法及实验装置

从原理上来讲，确定材料的导热系数的方法大致可分为两类：稳态法和瞬态法（又称非稳态法）。本文基于瞬态法的原理，改装了能进行混合料导热系数测定的试验装置。瞬态法试验时间短，几分钟内可以完成实验。基本原理为：在待测的定土壤中引进一个有一定几何形状的，如球状、圆柱体和平板的热源，通过测量探针周围的土壤温度和探针的表面温度随时间的变化情况来计算导热系数。利用该实验装置（见图1），对武汉地区土壤源热泵使用的实际地层条件，0～50米层都的地层情况，研究含水率对导热系数的影响。

试验时，每种土体分别制取不同孔隙率的待测样品，改变其含水量，对土壤进行测试，进而得到相同孔隙率下不同含水率的导热系数。

2 实验数据分析

试验中制备了5个粉砂样品，4个粉土样品及4个粉质粘土样品，每个样品的孔隙率不同，通过不同试样的含水率测定和导热系数的测定，得出了关于含水率与导热系数的关系曲线。

从图2、3、4中可以看出，孔隙率一定时，不同的土体导热系数均随含水率的增大而增加，在含水率小于5%的时候，导热系数随着含水量的增大而增加显著。究其主要原因，是水的加入，填充了土壤中的孔隙，从而使导热系数较小的气体被导热系数较大的水代替，增加了土壤的热传导率。同时，在含水率在5%～25%之间时，导热系数和含水率基本上成线性关系。

从图2、3、4中还可以看出，当含水率一定时，土体的导热系数随着孔隙率的增加而减小，这是因为孔隙率增大，在含水率不变，使颗粒间导热系数较小的空气增多，从而减小了土壤的热传导率。

3 结论

通过本文的分析可以看出，不同种类的土体，导热系数随含水率和孔隙率的变化将有所区别。但总体上呈现的规律为：

（1）导热系数随含水率的增大而增加，普遍的是刚开始变化较快，后面趋于平缓。

（2）导热系数随孔隙率的增大而减小，但粉砂和粉土是刚开始变化急剧后趋于平缓，而粉质粘土是刚开始平缓后变化加剧。

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