非饱和土壤高温储热过程的实验研究

非饱和土壤高温储热过程的实验研究

李海艳

乐金电子(天津)电器有限公司天津300402

摘要：土壤储热技术是当前可再生能源应用领域的一项重要技术手段，对于建筑节能与污染减排具有重要意义。本文以实验角度出发，以细沙为研究对象，建立了二维土壤热湿迁移实验台，实验测试得出了非饱和土壤高温储热的热湿迁移规律。

关键词：高温储热，非饱和土壤，热湿迁移，温度梯度,含水量

我国是一个能源相对匮乏的国家，能源利用率较低，只相当于发达国家的62%，能源浪费极其严重。按照目前的能源消耗方式预测，中国在2020年能源消费比2000年增长2.5倍多，碳排放量达到194亿吨[1]。寻找可再生能源已经迫在眉睫。土壤的热传导系数比较低，且其本身具有储热性能，因而土壤是一个非常好的天然储热装置。土壤储热技术是当前可再生能源应用领域的一项重要技术手段，对于建筑节能与污染减排具有重要意义[2]。

一、二维土壤热湿迁移实验装置

整个实验系统主要由三部分组成，能量输出系统，高温储热系统和实验测量系统。沿垂直方向Z=20cm,40cm,60cm，沿半径方向R=10cm,20cm,35cm，50cm，布置温、湿度传感器，共12点。

Fig1VariationoftemperatureinZ=20cm

从整体上看，温度场的变化规律相似，都是先升高到最大值，随着排热的进行温度又逐渐降低，最后温度稳定在一温度值。

热源运行初期，管内流体温度和土壤的温差最大，可以认为近井壁处轴向环面内单位面积的热流密度大即传热量大，所以温度在初期上升的很快。到第45h左右温度场基本达到最大幅值。第45h以后温度值就开始逐渐降低，到170h左右温度开始进入稳定状态。从温度场和湿度场两场变化看，温度变化较湿度变化敏感，湿度的变化明显要滞后于温度。

观察图2的（a）、(b)和(c)中R=10cm处水分含量图可见，近似恒壁温60℃条件下，Z=20cm和另外两层的水分含量随时间的变化趋势不同。Z=20cm层水分含量随时间是逐渐降低的；而Z=40cm和Z=60cm这两层水分含量随时间先升高然后降低。Z=20cm与Z=60cm初始含水量近似相同，在同样排热温度，Z=20cm含水量随时间下而降而Z=60cm处上升，这说明水分在高温排热下沿垂直方向发生移动。

三、结论

本文搭建了二维土壤热湿迁移实验台，从实验方面研究非饱和土壤高温储热时土壤热湿迁移过程并得出以下结论：

（1）高温储热时，土壤中含有一定量的水分时，水分在温度梯度和含水量梯度的作用下沿径向和垂直方向都发生了移动。

（2）高温储热初期，靠近热源处湿度出现湿分聚集现象，使得局部出现一个短期的峰值，随着储热时间的增加，湿度逐渐降低，后稳定。

（6）当土壤含有一定量的水分时，水分迁移对温度场有较大的影响。高温排热下，水分迁移使得热量逐渐向外扩散，温度场达到温度峰值以后温度逐渐降低，需要较长的时间温度场才能稳定。所以，高温储热时温度场和湿度场是相互影响的，温度场变化影响湿度场，湿度场的变化反过来影响温度场，不可忽略水分迁移的影响。

参考文献：

[l]刘世锦，中国2020年能源面临的挑战和发展目标，国家能源战略政策情景分析，能源战略和改革国际研讨会，2003。

[4]张慧川,太阳能跨季节热储技术研究，河北工业大学硕士学位论文