[发明专利]一种非饱和土热物性参数测试系统

说明书

本发明提供了一种非饱和土热物性参数测试系统，由土样控制系统、热物性参数测试系统和数据采集系统组成，所述土样控制系统由压力板仪单元、压力控制单元、水质量测量单元组成，压力板仪单元包括试件室、环刀、陶土板、固定螺栓、底座和水管。所述压力控制单元用于控制试件室内的气压，压力控制单元包括压力表、空气压缩机、空气阀门、气管和密封螺栓。所述水质量测量单元包括水槽、刻度管以及天平和烧杯。所述热物性参数测试系统由含水率测试仪、热物性测试仪组成；所述数据采集系统由数据采集单元和计算机组成。本发明可以解决现有技术中无法精确测量非饱和土的热物性参数的弊端，可以研究土体中含水率与热物性参数之间的关系。

技术领域

本发明涉及一种非饱和土热物性参数测试系统及方法，尤其涉及对非饱和土在不同含水率情况下所对应的热物性参数的测试系统及方法。

背景技术

众所周知，能源问题制约着人类社会的经济发展，破解能源问题的根本之路在于可再生能源。地热资源是典型的清洁能源，具有可持续、可再生、可综合利用等优越性，具有巨大的经济价值。地源热泵技术是利用浅层地热资源的常用手段，是指利用浅层地热能进行供热制冷的新型能源利用技术。通常地源热泵技术是利用了地下岩土体巨大的蓄热蓄冷能力，冬季把热量从地下土壤中转移到建筑物内部，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内部，从而实现供热制冷。因此，岩土体的热物理性质是浅层地热资源转换效率的关键因素，也是进行地源热泵系统设计的重要参数。

在地源热泵系统中，一个重要的过程就是流体与周边岩土体的换热过程，主要考虑的就是岩土体的热传导作用，而决定这换热效率的就是热物性参数，其中包括岩土体的初始温度、导热系数、比热容、热扩散系数等。若没有准确的热物性参数值，那么就容易导致换热效率低下，导致供热制冷量不足，严重的导致地源热泵机组运行不稳定，从而影响系统使用寿命。同时，由于岩土体本身复杂的物理化学结构导致热物性参数不能通过理论模型进行计算，因此进行岩土体热物性参数的测试具有重要的意义。

土体的热物性参数测试通常使用的是热响应测试，主要是模拟热泵的系统实际工作情况，通过加载热流体向地下岩土散热，得到温度随时间的变化规律，进而通过数学模型获得该土体的热物性参数。研究表明，土体空隙中含水量是影响岩土体热物性参数的重要因素。通常情况下，土体空隙中含水量的增加会导致土体材料的导热系数的增加。土体作为复杂的多相多孔介质，根据空隙被水填充的程度划分为非饱和土和饱和土。在实际工程中，地源热泵技术的应用过程中必然会遇到非饱和土作为换热岩土体的情况，而且大多数情况下实际工况中的土体在也都是非饱和土，因此测量非饱和土的热物性参数能够为实际工程服务，具有重要的经济价值。

地源热泵技术运用中人们普遍关心换热能力和换热效率，这主要反映在地埋管换热器深度范围内的综合岩土导热系数和综合比热容等热物性参数上。由于土体含水率的不同会不同程度的影响热物性参数，那么研究清楚土体含水率与其热物性参数之间的关系就具有重要的意义。因此非饱和土的热物性参数测试不仅仅具有较大的经济价值，还有科学研究的价值。掌握了土体含水率与热物性参数之间的关系，不仅仅可以指导实际工程设计，还可以指导工程施工过程。

现有岩土体热物性参数测试方法：

岩土体热物性参数测试是获得岩土体热物理性质的方法之一，通常情况下也多采用岩土热响应测试。该测试的基础理论是恒热流理论，通过模拟热泵系统的实际工作情况，测试仪器采用自身加热后，在热传导作用下向地下岩土体进行传导，得到温度随时间的变化规律，从而通过数学物理模型获得岩土体的热物性参数。岩土体热物性参数测试也分为原位测试跟室内测试试验，原位测试中一般将测试仪器与测试孔管道连接后进行试验，待设备稳定后读取试验数据，得到的热物性参数是瞬态的值，能反映场地的综合情况；室内试验则通常情况下是对不同的试样进行测量，测量的过程是个稳态的过程，得出的是一个相对静态的参考值。