土壤热物性参数测试及变化规律实验研究

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1、太原理工大学硕士研究生学位论文土壤热物性参数测试及变化规律实验研究摘要我国能源总量丰富，但人均能源可采储量远低于世界平均水平。从2003年起，我国己经成为世界上仅次于美国的石油消费大国，发展“低碳经济”、“可再生能源”成为我国乃至世界各国实现社会经济可持续发展的必由之路。浅层地温能具有清洁环保、再生迅速、可循环使用的优势，因此浅层地温能的开发利用工程迅速成为国内外学者、工程师的关注热点，其中土壤源热泵系统因其良好的稳定性、环保性在近些年获得国家的大力推广。在土壤源热泵系统中，土壤的换热性能是决定系统设计和

2、运行的关键，而固、液、气三相结合的土壤间各因素的相互影响，使其导热机制更加复杂，很难通过理论计算得出反映土壤热物性的参数值。因此，进行不同类型土样的基本参数和热物性参数测试，就成为研究土壤换热性能的关键。本文通过室内实验，对土壤热物性参数随基本物性及水力参数的变化规律展开研究。首先通过颗粒配比制备不同含水率下粗砂、中砂、细砂、粉砂和粘土5种类型的土样，并测定它们的密度、比重、孔隙度、渗透系数等基本物性及水力参数，随后采用热探针法、平板法2种实验方法测定土样的导热系数、比热容和导温系数等热物性参数，然后分析

3、研究了含水率对土壤热物性的影响规律。另外，本文还选取中砂为研究对象，进一步测定分析了孔隙度、渗透系数对土壤热物性的影响规律。结果表明，5种土的导热系数均随含水率的增加而增大，但不是线性增加，而是呈现出阶段性变化。含水率在0~20%范围内时，导热系I太原理工大学硕士研究生学位论文数由大到小顺序为粗砂、中砂、细砂、粉砂和粘土。含水率大于20%时，中砂、细砂、粉砂的导热系数变化趋平并呈现轻微下降趋势。含水率大于25%时，粘土的导热系数才呈现出下降趋势。5种土的比热容随均随含水率的增加而增大，且在含水率10%~2

4、0%之间增长最为迅速。导温系数同样随含水率的增加呈现出阶段性变化，在含水率增长初期随含水率的增加而增大，当粗砂、中砂、细砂含水率增至10%~15%，粘土含水率增至20%时，导温系数开始随含水率的继续增加而减小。在相同含水率下，中砂的导热系数随孔隙度的增加而减小，比热容随孔隙度的增加而减小。导温系数随孔隙度的增加而增加，但孔隙度较小时变化幅度不明显，孔隙度增至0.507时才开始有显著增加；在相同含水率下，中砂的导热系数随渗透系数的增加而减小，比热容随渗透系数的增加而减小，导温系数随渗透系数的增加而增加。本文

5、基于实验数据对土壤热物性随基本物性及水力参数的变化关系进行了公式拟合，拟合效果较好。研究结果可为土壤源热泵等浅层地温能开发利用工程的建设提供基础数据和理论支持。关键词：土壤热物性；实验测试；热探针法；平板法；变化规律II太原理工大学硕士研究生学位论文EXPERIMENTALSTUDYONTESTINGANDVARIATIONOFSOILTHERMOPHYSICALPARAMETERSABSTRACTChinaisrichinenergyresources,whilethepercapitarecovera

6、blereservesisfarlowerthantheworldaveragelevel.Since2003,ChinahasbeenthebigpetroleumconsumptioncountryonlysecondtoAmerican.Therefore,thedevelopmentoflowcarboneconomyandrenewableenergyisthenecessarywaytosocialeconomicsustainabledevelopmentallovertheworld.In

7、theadvantageofenvironmentprotection,rapidregenerationandcanbeusedcirculative,theshallowgeothermalenergyresources,aswellasthedevelopmentandutilizationengineeringofwhichhasbecomethefocusesofdomesticandforeignscholars.Inwhich,groundsourceheatpumpissoenvironm

8、entfriendlyandstable,thathasbeenpopularizedbygovernmentinrecentyears.Heattransferperformanceisthekeytothedesignandoperationofthegroundsourceheatpump.Meanwhile,heattransfermechanismiscomplicatedduetotheinteractionofs