土壤导热系数对地埋管地源热泵水平地埋管周围土壤温度场的影响研究secret.docx

土壤导热系数对地埋管地源热泵水平地埋管周围土壤温度场的影响研究

摘要：本文考察了土壤组成及影响土壤与埋管换热的土壤热物性，其中最重要的就是土壤导热系数，通过建立的地下水平埋管换热器模型，模拟了土壤导热系数对埋管及其周围土壤温度分布和埋管换热量的影响。模拟结果显示，随着土壤导热系数的增大，埋管换热量明显增大，冬季给定工况下，当土壤导热系数从1.1W/(m·K)增大到2.5W/(m·K)时，埋管单位管长换热量增幅达100.8%，冬季埋管周围土壤温度随土壤导热系数的增大而降低，但降幅不大。到埋管距离越近的点，其土壤温度随土壤导热系数的变化相对较快。
关键词：土壤源热泵；水平埋管；土壤导热系数；土壤温度场
土壤的组成和物性
土壤是一个非均质的、多相的、颗粒化系统，其中占体积50%左右的部分为固相，其余由空气、水等成分组成。研究土壤物性是土壤源热泵系统成功使用的前提，是进行地下埋管换热器方案设计的基础，土壤源热泵系统地下埋管流体进出口温度，地下埋管换热器换热量都与土壤物性参数密切相关[1]。在进行土壤源热泵地下换热器设计和施工前，首先应进行地质咨询，即向有关部门咨询这个地区各地层地质构造，土壤组成成分，土壤热物性以及地下水的分布和冻结等情况，以初步确定土壤源热泵地下埋管换热器的可行性。土壤的物性包括：土壤导热系数、土壤密度、土壤比热容、土壤温度、土壤热阻、土壤热扩散度等。
为了便于理解，将土壤的成分简单地分为矿物质(固体相)、有机质(固体相)、水(液相)和空气(气相)，见表1。我国地域辽阔，各地的土壤成份和湿度差别较大，其热物性差别也较大。不同地区地质情况的影响主要体现在土壤物性参数的变化，如土壤的导热系数，比热，密度等。表2给出不同种土质的土壤物性参数[2]。
表1土壤各主要组成的物性参数(标准大气压，20℃)
组成物质密度kg/m3质量比热容kJ/(kg·℃)体积比热容
kJ/(m3·℃)导热系数
W/(m·℃)矿物质(近似平均数)26500.73319422.93~8.37有机质(近似平均数)13001.92625040.251水10004.18641870.595空气1.21.0051.20.026

表2不同土质的物性参数
土质名称物性参数密度kg/m3质量比热容kJ/(kg·℃)导热系数W/(m·℃)砂岩22501.843841石灰岩22501.283841灰质页岩17600.8381008大理岩、花岗岩30003.616841建筑物下的种植土18001.167841干砂填料16000.583841石灰土(43%湿度)16701.9832226干石英砂16500.735798石英砂(8.3%湿度)17501.6331008土壤的导热系数
土壤的导热系数是在单位温度梯度下单位时间内通过单位面积传送的热量。土壤导热系数是埋地换热器设计中的最重要的参数之一，由于土壤内组分复杂，气、液、固三种状态同时存在于土壤中，导致计算复杂。研究发现，土壤的导热系数与土壤的湿度、密度、温度及组成土壤中颗粒大小分布及空隙率有很大关系。一般来讲，干燥土壤的导热系数比潮湿的土壤小，松散的比密实的小，不同种类的土壤，其导热系数也各不相同。其中，土壤中水分含量的高低对其导热系数的影响最大[3]。
（1）土壤湿度。土壤湿度是指土壤中含水的质量百分数。土壤湿度越高，其导热系数越大。根据许多国内外学者近些年来对土壤物性进行的大量研究表明，当土壤温度为10～40℃和通常湿度下，一般土壤的导热系数为1.1～2.3W/(m·K)。干燥土壤可取0.55~0.6W/(m·K)。当土壤处于水的浸泡状态时，其导热系数为2.7W/(m·K)。综合国内各相关文献中计算取值，本文讨论的土壤导热系数的范围为1.1～2.5W/(m·K)，较为合适[4]。随着湿度的增加，土壤的导热系数增大，但增大幅度逐渐变小，当湿度达某一特定值时，土壤导热系数相对恒定，则称这个湿度为称为临界湿度含量。部分土壤的临界湿度含量见表3。
表3临界湿度含量
土壤描述近似临界湿度含量%颗粒小于12淤泥12~16粘土16~22有机泥煤似土壤18有机淤泥和富养粘土大于22（2）土壤密度

土壤密度越大，土壤导热系数越大。文献[5]给出了经过实验验证了的经验公式，对于不同湿度和不同密度的土壤，采用以下公式计算土壤导热系数。

式中，n为土壤湿度，kg/kg；为干土壤密度，kg/m3。
（3）温度
土壤导热系数还与温度有一定关系。在融土状态下，随着温度的升高，土壤导热系数增大，在20℃的温差范围内约增大0.1～0.2W/(m·K)。但是当土壤一旦冻结以后，冻土与融土的物理性质有很大差别，因为液态水的比热容为4.19kJ/(kg·℃)，液态水的导热系数为0.58W/(m·K)；而冰的比热容为2.09kJ/(kg·℃)，