游姍

摘 要：土壤源熱泵系統(tǒng)在當(dāng)下社會是越來越受到重視，而土壤的導(dǎo)熱性能對整個熱泵的能效會產(chǎn)生重要影響。針對土壤導(dǎo)熱系數(shù)隨含水量的變化進行了實驗研究，結(jié)果研究表明，導(dǎo)熱系數(shù)隨含水量的增大而增加，孔隙比增大時導(dǎo)熱率也會增加。這樣的結(jié)論，對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；實驗研究

中圖分類號：TB

文獻標識碼：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)境問題愈演愈烈，能源緊缺、環(huán)境保護成為了亟待解決的課題。我國是發(fā)展中國家，正逐步成為世界上最大的能源使用大國，節(jié)能減排作為了國家經(jīng)濟發(fā)展中主要解決的問題之一。能耗問題體現(xiàn)在多種行業(yè)中，而建筑能耗占了整個社會總能耗非常大的比重。在部分發(fā)達國家，建筑能耗占社會能源總消耗的一大半。我國建筑能耗呈現(xiàn)上升的趨勢，最終會接近發(fā)達國家的水平。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)能的主要問題就是解決暖通空調(diào)領(lǐng)域的能耗問題。目前被普遍認可的淺層地?zé)豳Y源的地源熱泵技術(shù)是一項解決建筑能耗的有效措施，可以提高能源的利用效率。

熱泵是一種通過消耗少量高品位能源，把熱量由低溫級上升到高溫級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，土壤源熱泵還有噪音小、占地少、無污染、壽命長、維修費用低等諸多優(yōu)點。

土壤源熱泵的設(shè)計中一個基本任務(wù)就是合理選用地下?lián)Q熱器，從而達到充分利用地能的目的。地下?lián)Q熱器的設(shè)計一般都基于導(dǎo)熱定律，然而，由于不同的土壤，其構(gòu)成不同，表現(xiàn)出來的導(dǎo)熱性能差異也很大，目前對于土壤的最佳導(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于實際應(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)可以直接測得，而土壤導(dǎo)熱系數(shù)的測量必須通過測量溫度和熱流量，用不同的傳熱模型進行傳熱逆運算得出。本文主要針對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，對含水量及孔隙率與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系進行研究。

1 測量方法及實驗裝置

從原理上來講，確定材料的導(dǎo)熱系數(shù)的方法大致可分為兩類：穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法（又稱非穩(wěn)態(tài)法）。本文基于瞬態(tài)法的原理，改裝了能進行混合料導(dǎo)熱系數(shù)測定的試驗裝置。瞬態(tài)法試驗時間短，幾分鐘內(nèi)可以完成實驗?；驹頌椋涸诖郎y的定土壤中引進一個有一定幾何形狀的，如球狀、圓柱體和平板的熱源，通過測量探針周圍的土壤溫度和探針的表面溫度隨時間的變化情況來計算導(dǎo)熱系數(shù)。利用該實驗裝置（見圖1），對武漢地區(qū)土壤源熱泵使用的實際地層條件，0～50米層都的地層情況，研究含水率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

試驗時，每種土體分別制取不同孔隙率的待測樣品，改變其含水量，對土壤進行測試，進而得到相同孔隙率下不同含水率的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

試驗中制備了5個粉砂樣品，4個粉土樣品及4個粉質(zhì)粘土樣品，每個樣品的孔隙率不同，通過不同試樣的含水率測定和導(dǎo)熱系數(shù)的測定，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，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，在含水率在5%～25%之間時，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，土體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著孔隙率的增加而減小，這是因為孔隙率增大，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

通過本文的分析可以看出，不同種類的土體，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始變化急劇后趨于平緩，而粉質(zhì)粘土是剛開始平緩后變化加劇。

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