（热能工程专业论文）埋地换热器土壤内热湿迁移与地表能源特性研究.pdf

中文摘要 本文针对土壤内热湿耦合迁移机理开展研究，建立地表土壤内热湿迁移的物 理数学模型，研究地表能源的能源特性；建立单u 型埋地换热器和埋地换热器 管群周围土壤内热湿传递物理和数学模型。区别于以往传热模型，热湿耦合迁移 模型考虑了土壤沿深度方向分层、热湿迁移相互影响等各方面因素，开展埋地换 热器周围土壤内热湿迁移的数值模拟研究。 对浅层地表土壤，在分析土壤内热湿耦合迁移机理基础上，建立土壤内沿深 度方向上一维瞬态热湿耦合迁移模型，在一定边界和初始条件下对土壤内热湿迁 移过程进行数值模拟研究，分析土壤内初始含湿量对导热系数、热扩散系数以及 温度场的影响，在此基础上验证地表能源的稳定性和可再生性。 在对地表能源特性研究基础上，建立双圆柱坐标系下单u 型垂直埋地换热器 周围土壤内三维非稳态热湿迁移模型，分析不同土壤物性、不同运行工况、不同 初始含湿量对单u 型垂直埋地换热器周围土壤内热湿迁移的影响，并将模拟结 果与实测数值进行比较，对计算模型进行验证。 在单u 型埋地换热器周围土壤内热湿迁移模拟基础上，建立直角坐标系下 埋地换热器管群周围土壤内三维瞬态热湿迁移模型，编制相应的模拟计算软件， 模拟排热工况下不同埋管布置方式、不同埋管间距、不同运行方式对土壤内热湿 迁移效果的影响，得出了有益于实际应用的结论。 关键词：地表能源；埋地换热器；热湿迁移；数值模拟 a b s t r a c t t h er e s e a r c hw a $ c a r r i e do nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r a n dt h ee a f t he n e r g yp e r f o r m a n c e , a n dt h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f u n d e r g r o u n df i e l dw e r es c tu p d i f f e r e n tw i t ht r a d i t i o n a lm o d e l ，an u m b e ro ff a c t o r s , s u c h 嬲s t r a t i f i c a t i o no fs o i li nt h ed e p t ha n ds o i lh e a ta n dm o i s t u r em o v e m e n tw e r e t a k e ni n t oa c c o u n t ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no i lt h eu n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yf i e l da r o u n dt h eu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e rw a sc a r r i e do u ti nt h ep a p e r b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h em e c h a n i c so f h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri ns o i l ，o n e d i m e n s i o na n dt r a n s i e n tm o d e lo fh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e rw a se s t a b l i s h e d 1 1 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h eu n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yf i e l dw a sc a r r i e d o u ta c c o r d i n gt og i v e nb o u n d a r ya n di n i t i a lc o n d i t i o n 1 1 他i n f l u e n c e so fi n i t i a l m o i s t u r ec o n t e n tt os o i lp r o p e r t ya n dt h eu n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r ef i e l dw e r e a n a l y z e d t h es t a b i l i z a t i o na n dr e g e n e r a t i o np r o p e r t yo f e a r t he n e r g yw e r ev e r i f i e d b a s e do nt h es t u d yo fp r o p e r t yo fe a r t he n c t g y , t h r e ed i m e s s i o na n dt r a n s i e n t m o d e lo fh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri n s o i la r o u n dt h eu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r w a se s t a b l i s h e du n d e rd o u b l e - c y l i n d d e a lc o o r d i n a t es y s t e m t h ei n f l u e n c e so f d i f f e r e n ts o i lp r o p e r t ya n di n i t i a lm o i s t u r ec o n t e n ta n dd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d et ot h e u i l ! d e r g r o u n dt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yf i e l da r o u n ds i n g l eb o r e h o l eh e a te x c h a n g e r w a sa n a l y z e d c o m p a r e dw i t hs i m u l a t i o nr e s u l ta n dm e a s u r e dv a l u e ，t h er a t i o n a l i t yo f t h em o d e l w a sv e r i f i c a t i o n t h et h r c ed e m i s s i o na n dt r a n s i e n ts i m u l a t i o na n da n a l y s i so fag r o u po fu - p i p e u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r su n d e rr e c t a n g u l a rc o o r d i n a t es y s t e mw e r ec a r r i e do u t a n dt h ec o m p i l a t i o no fc a d c u l a t i o ns o f e w a r ew a sa c c o m p l i s h e d t h ei n f l u e n c e so f d i f f e r e n tf o r mo fb o r e h o l e sa r r a n g e m e n ta n dd i s t a n c eb e t w e e nt w ob o r e h o l e aa n d d i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e st ot h eu n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yf i e l dw e r e s t u d i e d t h er e s u l t sw e r eu s e f u lf o rd e s i g na n da p p l i c a t i o no f g s h p k e yw o r d s ： e a r t he n e r g y , u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r , h e a ta n dm o i s t u r e t r a n s f e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所争交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致啭之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学付或让，侈而使刚过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：巷厕柏 签字同期：2 卯6 年2 月砧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂 有芙保留、使用学位论文的规定特授权 盘洼盘堂可以将学何论文的全部或部分内容编入有天数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印f ，i 平磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：巷葫耥 导师签名：习 锄同 签字f 1 期：洲年2 月玛f 1签字同期：独占年z 月堪e l 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 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 6 2 ，能源浪费极其严重。按照目前的能源消耗方式预测，中国在2 0 2 0 年能源 消费比2 0 0 0 年增长2 5 倍多，碳排放量达到1 9 4 亿吨l ”。我国政府把保护环 境、节约能源、实现可持续发展作为工作的重中之重，开发利用各种可再生能 源将是实现我国经济可持续发展的关键。实际上，全国存在大量的自然能源未 得到充分利用，如全国大部分地区的土壤温度稳定在1 5 左右；我国四大海域( 东 海、南海、黄海、渤海) 全年的海水温度均约为2 0 左右，还有湖水、河水和污 水。这些自然能源在夏季是很好的冷源，冬季是很好的热源，还有太阳能、风 能等其他可再生能源也有待进一步开发和利用，如果能充分利用这些低品位自 然能源，使之成为未来建筑能源的一个重要组成部分，对于缓解我国能源紧张 形势具有重要的现实意义1 2 1 。 地球表面是一座巨大的天然太阳能集热器和储热库，到达地球表面的太阳 能相当于全世界能源消耗量的2 0 0 0 倍，只是由于太阳能能流密度低，地球表面 温度变化大，使得对这部分热能的直接利用困难较多。但实际上，温度受天气 变化影响较大的部分主要集中在地表面至地下l o m 之间的区域内，从l o m 深度 再往下，大地温度就相对稳定【3 】。蕴藏在地球表面浅层土壤中的地表热能，其开 采成本和技术难度相对较低，且不受地理环境影响，特别适合于建筑物供暖与 制冷，因而受到暖通空调及节能行业越来越多的关注1 4 , 5 】。 地表热能属于低品位热能，直接使用一般达不到要求的温度，通常需利用热 泵机组，组成地热能热泵利用系统，将地下热能温度进行一定提高或降低1 6 - 8 1 。 地源热泵技术是一项新兴绿色节能技术，在冬天它以大地为低温位热源，从大 地中提取热量，经过热泵转换，提高温位向房屋供暖；在夏天则以大地为高温 位热源，将房屋内热量输送到大地土壤中。由于地下温度十分稳定且很接近房 屋居住所需温度，因此，相对于以大气环境为热源的热泵和燃煤、燃油的供暖 供冷系统，以大地为提取热量或排放热量热源的热泵效率大大提高，同时还减 少了燃烧产物的排放，对环保十分有利。 地源热泵由于具有节能、环保、维护费用低等许多优势，国外在住宅及商 用建筑供热、空调方面的应用日益增多；尽管如此，其应用的广泛程度还远不 天津大学硕士论文 及空气源热泵。究其原因，除了安装费用较高以及在占地面积方面的要求等因 素之外，主要还在于缺乏可靠的设计方法和传热计算模型。 1 2 课题研究现状 1 2 1 埋地换热器传热理论模型 对于竖直u 型埋地换热器传热计算的模型和模拟主要有解析解法和数值解 法。早期的传热计算模型大多利用解析解法，但对于复杂的实际问题，解析解 法的计算模型往往建立在较多简化条件之上，将u 型埋管实际传热过程进行简 化，根据传热方程得出方程解析解。随着计算机技术迅速发展，数值方法作为 一种十分有效的数学手段被广泛地采用，同时也显示出它在解决复杂实际问题 上的良好适应性，该方法根据能量平衡方程和边界条件列出传热过程的微分方 程，对方程进行离散化处理，利用有限元或有限差分方法求出传热量和温度分 布。目前，具有代表性的传热计算模型主要有以下几种： 1 、解析解法 1 ) 基于线热源理论的i n g e r s o l l 线热源法i 9 1 0 1 i n g e r s o l l 在k e l v i n 基础上对线热源理论进行了发展，用无限长线热源模型 描述桩孔周围土壤温度场，是目前工程实际中应用较多且比较简单的方法。该 模型的原理是将地下埋管换热器近似视为一根处于半无限大固体中的无限长线 热源，用分析解来确定流体与无限远处大地土壤之间瞬态变化的热阻值。对应 于某一时刻t ，通过设定的热流密度q 和总热阻，求解流体平均温度及埋管出 水温度。再由求得的出水温度计算出新一轮的热流密度q ，经反复迭代，可获 得收敛解。同理，可求解地下各点处的温度场。该模型比较适合于模拟长时间 地下温度的分布，而对于管子之间的热短路、运行时间对周围土壤特性的影响 等都没有考虑，也没有进一步的修正。因此，该模型的应用受到一定的限制。 2 ) 基于圆柱热源理论的k a v a n a t i g h 方法1 1 1 ，l 到 该模型应用于u 型埋管传热计算时，将u 型管的两根管用一根等价圆管近 似替代，把等价圆管看作柱热源进行传热模拟。k a v a n a t i g h 利用圆柱热源模型给 出了埋管周围温度场或热流量的理论求解方程，提出把柱热源看作一个被无限 大、常物性固体包围的绝热管，假定管子与周围土壤紧密接触，且传热过程只 有导热存在，土壤中地下水流动和钻孔之间热影响可忽略不计，计算结果较线 热源模型相对准确，但由于采用当量直径计算，不可避免会带来一定偏差。 2 第一章绪论 2 、数值解法 1 ) 基于有限长线热源的e s k i l s o n 模型0 3 , 1 4 1 此模型采用数值解法，考虑了钻孔之间的相互影响，给出了较为准确的解， 为了节省计算时间，e s k i l s o n 采用无因次温度反应系数法来确定钻孔周围温度分 布，在确定了反应系数之后，通过把地热换热器随时问变化的热量分解为一系 列g 函数，即可确定任意随时间变化的吸热量或放热量的温度响应。 2 ) 基于热平衡理论的传热计算模型 随着对地下换热特性分析的日趋精确化，地下换热器传热计算模型向基于 热平衡原理的数值方法发展。v c m e i 和e m e r s o n 在1 9 8 8 年提出关于垂直埋 管的二维瞬态热平衡模型i ”1 ，此模型对系统停机运行和开机运行分别列出了热 平衡方程。y a v u z t u r k 等的二维瞬态热平衡模型运用极坐标系【1 6 1 ，对模拟区域进 行网格划分，并将u 型埋管的两根圆管分别用扇形网格单元近似代替，整场以 极坐标下的非稳态导热微分方程作为控制方程，采用有限体积法离散求解，将 管内流体与土壤对流换热量( 即常热流边界条件) 作为离散方程中的源项处理。 t - k l e i ( 1 9 9 3 年) 发展了一种埋地u 型管在双柱坐标系下的二维瞬态热平衡 传热模型1 7 】，r o t t m a y e r 等1 1 8 】提出了针对埋地u 型管的三维瞬态传热模型，直 接利用控制容积热量平衡建立节点离散方程，采用显式差分格式进行数值计算。 以上传热计算对所选择的计算区域都作了不同程度简化，都忽略了土壤内 热湿迁移对埋地换热器换热性能的影响，忽略了土壤在不同深度下的分层现象， 将土壤物性视为均匀一致，忽略了地表面传热以及地心热对埋地换热器周围土 壤换热的影响，使得计算结果存在或多或少计算误差。 1 2 2 土壤内热湿迁移 土壤作为一种多孔介质，由土壤颗粒、水、气等组成，它处于一定的大气 环境之中，在多种输运机制联合作用下，其内部就会产生热、水、气的迁移运 动i l w ，土壤中任一点的水分运动、热量转换相互关联、相互作用，从而形成一 个复杂的土壤水动力耦合系统，关于土壤中热、水、气的耦合迁移，很多学者 进行了研究，d a r e y 于1 8 5 2 一1 8 5 5 年通过土柱实验阐明了土壤水运动能量损失 规律，导出了著名的d a r c y 定律，然而d a r e y 定律并不是对所有多孔介质的流体 流动普遍有效1 2 0 1 ，对于非饱和土壤中的水分，其运动受到的影响因素要比饱和 达西水流复杂的多，不仅与含水率、土壤种类、温度等多种因素有关，而且许 多参数，如水力传导系数等不再是常数1 2 ”。r i c h a r d s 对达西定律用于非饱和土壤 水作了研究，导出了非饱和土壤水运动的基本方程，认为渗流场中水的势能就 天律大学硕士论文 是在一定温度下具有的做功能力。在此之后又发展了液体扩散理论、毛细流动 理论、蒸发冷凝理论等1 2 2 埘】。p h i l i p 、d ev r i c s 和l u i k o v 等1 2 5 2 9 1 人开始研究热量 和水分的相互影响。n a k a n o t 3 0 l 弓l x t 蒸汽密度随温度的变化规律。土壤中热湿 迁移，除受土壤结构特性影响外，还与土壤中温度分布有很大关系，土壤非饱 和区湿分迁移包含了以液态水形式的迁移和以水蒸汽形式的迁移。 国内对土壤水热耦合数值模型的研究起步于八十年代。林家鼎( 1 9 8 3 ) 【3 1 l 对无 植被土壤内水分流动、温度分布及土壤表面的蒸发效应进行了研究，旨在解出 计算土壤水分、温度变化的物理模型和计算方法；蔡树英( 1 9 9 4 ) 【3 2 】用室内蒸发试 验验证土壤水、气、热运动的耦合数值模型，认为与等温模型相比，耦合模型 更能确切地反映温度变化条件下土壤水热运动规律：隋红建( 1 9 9 1 ) d 3 、康绍忠 ( 1 9 9 3 ) 1 3 4 1 、孙景生( 1 9 9 5 ) 【搦、郭庆荣( 1 9 9 7 ) 蚓分别对不同覆盖条件下田间水热运 移进行了数值模拟研究，实现不同覆盖层下非均质土壤内水热分布的定量分析； 胡和平1 3 7 1 、黄兴法( 1 9 9 3 ) 【3 8 1 以我国广泛分布的冻土为背景，分析了冻结条件下非 饱和土壤中水、热、盐的耦合运动，建立了相应的数学模型，讨论其分布的一 般规律；杨邦杰( 1 9 8 9 ) 、隋红建( 1 9 9 2 ) 、任理( 1 9 9 8 ) 9 j 将不同覆盖下田间水热动 态的一维模型发展到二维水热迁移的数值模型，有力地促进了我国土壤水热耦 合运移研究的进一步深化。 非饱和区土壤内热湿迁移是在温度场、浓度场、压力场等交叉作用下发生 的物质与能量的迁移过程。随着不可逆热力学理论的发展，施明恒、l u i k o v 等1 2 9 , 4 0 j 人采用线性非平衡热力学理论来描述其相互耦合的热质迁移过程，推导出描述 多个推动力耦合迁移过程的线性唯象方程组和热质干扰准则。对于土壤内热湿 迁移的计算模型主要有以下几种。 1 ) 以质能平衡为基础的模型 2 5 , 4 1 埘l 建立在质能平衡的基础上，p h i l i p s & d ev r i e s 提出了水气热耦合运移理 论，提出土壤液、气两相水流在水热梯度共同作用下的运动模型，该模型以温 度和含水量为未知函数。在冻融和蒸发条件下水发生凝固和蒸发相变时，采用 以土水势和温度作为未知函数的方法模型表示土壤水分和热量守恒过程更能符 合实际。在p h i l i p 模型的基础上，m i l l y 等采用基质势梯度代替含水量梯度，使 p h i l i p 模型在修正后适用于非均质土壤，并可忽略水分滞后的影响，用有限元法 对耦合模型进行求解，认为在复杂的土壤环境下该模型能较好地符合实际情况。 2 ) 以不可逆热力学为基础的线性模型 4 4 1 t a y l e 和l a r y ( 1 9 4 6 ) 建立了不可逆热动力学基础上的线性方程，用此模型 研究水流对热流的影响。该模型可表示为：v 几。= 一s v t + k 即。 其中，v “。第i 个节点w 种物质的化学势； 第一章绪论 ，玢，件分别表示为第i 个节点的比熵、比容、压强； 3 ) 以非平衡热力学为基础的计算模型1 4 6 - 4 s 1 施明恒等人运用非平衡热力学理论分析了土壤非饱和区热湿迁移的热力 学“力”和“流”，建立了迁移过程的热力学唯象方程。通过对土壤非饱和区热 湿迁移机理的分析，利用扩散定律和气体状态方程推导了热湿迁移唯象方程中 有关唯象系数的数学表达式，分析了温度、含水量及蒸汽分压力对唯象系数的 影响。并研究了非饱和土壤中多相多组分热湿迁移过程的机理和动态特性，建 立了描述多相多组分热湿迁移过程的动态模拟和相应的微分方程组并进行了数 值模拟，获得了土壤中温度分布、盐分分布和湿分分布的动态分布特性，用实 验对计算模型进行了验证。 1 2 3 土壤内热湿迁移模拟软件 目前，对土壤内热湿迁移模拟软件的研究大多数是面向农林生产实践的模 型，美国在7 0 年代开始对土壤一植物一大气水系统( s p a c ) 内的水分循环过 程进行了仿真研究1 5 孔。s p a w 模型是该模型中的代表，它采用理论模型描述水分 迁移，此模型比较全面考虑了土壤中多种因素的影响。然而，对于埋地换热器 周围土壤内热湿迁移模拟软件的研究应用较多的是计算流体流动的f l u e n t 软 件以及计算多孔介质的a u t o u g h 2 软件。 f l u e n t 软件是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程 序。它提供了完全的网格灵活性，可以使用非结构网格，例如二维三角形或四 边形网格、三维四面体，六面体金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至 可以用混合型非结构网格，允许用户根据解的具体情况对网格进行修改( 细化 粗化) 。f l u e n t 软件中的多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质 的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当使用这一 模型时，就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔 介质的动量方程中所输入的内容来决定，通过介质的热传导问题也可以得到描 述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设。 多孔介质计算软件a u t o u g h 2 软件是由美国l a w r e n c eb e r k e l e y 国家实验室编 写1 7 0 ”】，与其它版本的数值模拟软件( 例如t o u g h 、t o u g h 2 ) 一样，均可计 算多孔介质和裂隙介质中的多元多相流体非等温流动。主要应用于地热热储工 程、核废料掩埋处理、环境评估，以及饱和非饱和土壤区域水文学等研究。它 以质量和能量平衡方程来描述多元多相流体和热量的迁移；质量迁移包括各相 物质的流动及扩散，热量迁移主要是导热和对流项，其中对流项包含相变潜热。 天津大学硕士论文 1 3 本文主要研究内容 在总结国内埋地换热器传热计算模型及多孔介质内热湿迁移研究现状基础 上，本文将以地表能源作为新能源角度，综合分析埋地换热器单管及管群周围 土壤内热湿迁移过程，并编制求解土壤内热湿耦合迁移的模拟计算软件，具体 内容如下。 1 ) 地表能源特性的研究 分析土壤内热湿耦合迁移机理，建立热湿耦合迁移数学模型和相应的控制 方程，在一定边界条件和初始条件下对土壤内热湿耦合迁移过程进行数值模拟 研究，在此基础上进一步分析地表能源的能源特性。 2 ) 埋地换热器单管土壤内热湿迁移模拟 在对地表能源特性研究基础上，建立埋地换热器土壤内三维非稳态热湿迁 移模型，模型求解过程中考虑土壤内热湿迁移的相互影响，并与实际埋地换热 器系统运行效果进行对比，验证该模型的合理性。 3 ) 埋地换热器管群土壤内热湿迁移数值模拟 为保证地下埋管的正常换热效果和长期使用，埋管数量、埋管深度和管与 管之间间距都将成为系统能否长期稳定运行的关键。在对单u 型埋地换热器周 围土壤内热湿迁移数值模拟计算基础上，运用v b 编程语言，编制三维可视化计 算软件，实时模拟不同地质条件下，不同边界条件下埋地换热器管群周围分层 土壤内的热湿耦合迁移效果，研究不同运行方式，不同埋管布置方式，不同埋 管间距对埋地换热器系统长期和短期运行效果的影响。 第二章地表能源特性的研究 第二章地表能源特性的研究 地表浅层地热资源( 通常小于4 0 0 米深) 可以称之为“地表能”，是地表土 壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位能源。地表热能 不是传统概念的深层地热，不属于地心热范畴，是太阳能的另一种表现形式，广 泛存在于大地表层中。它既可恢复又可再生，是取之不尽用之不竭的低温位能源， 随着热泵技术的成熟与完善，使得地表热能的采集、提升和利用成为现实。 地表土壤作为多孔介质的一种能量系统，一般由三相物质组成，是水、气、 热在其中保持和传导的介质，它的能量迁移过程必然伴随着水分传递过程，其相 互耦合的热湿传递过程必然影响到埋地换热器的换热性能。土壤内热湿迁移过程 是典型的多孔介质内热湿迁移，不同地层的土壤基质( 土壤的固相部分) 不同， 土壤的分散性与多孔性不同，使得土壤内热湿迁移的影响范围不同，因此，本文 在系统分析土壤内热湿迁移机理基础上，建立热湿耦合迁移模型和相应的控制方 程，在一定条件下对土壤内热湿迁移过程进行数值模拟研究，在此基础上进一步 分析地表能源的能源特性。 2 1 地表土壤物性 地表能源存在于土壤当中， 土壤是一个比表面积巨大的多孔 体，是水、气、热( 能量) 在其 中保持和传导的介质，般由三 相物质组成。其中，土壤颗粒， 还有少量的有机质等物质构成了 土壤的固相部分；土壤水为土壤 的液相部分；土壤空隙中的气体 为土壤的气相部分，包括空气和 水蒸汽。土壤在自然界中的作用， 图2 - l 土壤三相物质比例关系示意 不仅取决于土壤基质的比表面积和空隙状况， 还取决于土壤的三相物质比。图2 1 为土壤中三相物质假想的示意图，图右侧表 示固、液、气三相物质质量，分别用m l ，聊，表示，其中= + ，m a 为 空气质量，m ，为水蒸汽质量，空气质量m a 与其它相比，其质量可忽略不计。三 相物质总质量为m ，。图左侧为各相物质相应的容积，分别以k ，所，表示，土 壤总容积为1 i , ，巧= 圪+ 巧+ 珞，土壤空隙容积为p ，厂v s + v l 。 天津大学硕士论文 2 1 1 土粒密度( 土壤固相密度或土粒平均密度) 几 只寺 绝大多数矿质土壤的以在2 6 2 7 9 ，c m 3 。土壤中氧化铁和各种重矿物含量 多时成增高，有机质含量多时n 数值降低。 2 i 2 土壤容重( 干容重) p b 岛2 等2 彘 土壤容重表示土粒的质量与土壤总容积的比。总容积k 大于屹，因而岛小 于见。如某土壤的孔隙占总容积的一半，则p b 为风的一半，约为1 3 0 1 3 5g ，c m 3 左右。 2 1 3 总容重( 湿容重) n n ：堕：型型生 k圪+ 巧+ k 这是指单位容积土壤中湿土壤的含量，n 在很大程度上取决于含水量。 2 1 4 孔隙度占 占：丘：! 出 y矿 孔隙度是土壤中孔隙相对容积的一个指标。粗质地土壤一般不如细质地土壤 多孔，但每一孔隙的平均孑l 径却是前者大于后者。在粘质土壤中，孔隙度随土壤 交替的膨胀、收缩、团聚、分散、紧实和裂开而变。一般所确定的孔隙度是指孑l 隙所占部分容积，但其数值平均来说应等于面孔隙度( 横断面上的孔隙部分) 以 及平均的线孔隙度( 与由任何方向通过土壤的一条线上相交的孑l 隙的部分长度) 。 第二章地表能源特性的研究 2 1 5 土壤湿度 通常称为土壤含水量，因其所指是相对于土壤一定质量或容积中的水量分数 或百分数，而不是土壤所含的绝对含水量。土壤湿度表达方式常用的有以下几种： 1 、质量含水量( 重量含水量) 气 吃= 堕 这是指水与干土粒的质量比。干土一般指在1 0 5 烘箱中烘干的土壤，不是 绝对干燥的土壤，因为粘粒在1 0 5 下仍保持一定量的水。当土壤基质所有空隙 都被水充满时，此时土壤含水量为饱和含水量，否则，为非饱和含水量。矿质土 壤的饱和含水量约在2 5 6 0 之间，取决于土壤容重。粘质土壤的饱和含水 量一般比砂质土壤高，有机土壤如泥炭土或腐泥土的饱和含水量可能超过1 0 0 。 2 、容积含水量吼 吼2 鲁2 南 通常是以土壤的总容积为基础计算，而不是土粒的容积。一般而言，砂质土 壤饱和容积含湿量见的数值在3 0 5 0 之间：在粘质土壤乱可以达到6 0 。 3 、饱和度驴 妒2 专 饱和度表示土壤中水容积与孔隙容积的比值。妒值的范围从干土时为0 到完 全饱和时为1 0 0 。 2 1 6 土壤热容 土壤是一个多相的分散体，其热容取决于所含的固相、液相、气相在土壤中 所占的容积或质量比以及它们各自的热容。对于单位质量的土壤，其比热容用下 式表示： 天津大学硕士论文 c 。c ，m ，+ c f m i + c g 式中； c i ，c l ，c g 分别为土壤固、液、气相的比热容 由于水的热容较大，土壤热容随土壤容重和含水量的增加而增大。 2 1 7 土壤导热系数a 土壤导热系数兄决定于土壤固相物质的组成与土壤中水分和空气的相对含 量。土壤固相物质的导热系数最大，约为0 8 4 2 5w m ，并且不同固相物质 的导热系数也不一样；空气的导热系数最小，为o 0 2 1w m ；水导热系数较大， 为o 5w m 。因此，土壤的组成不同，其导热系数也不一样，也就是说，土壤 的物理性质，主要包括土壤的孔隙，土壤含水量和土壤质地，直接影响着土壤的 导热系数。土壤的导热系数与土壤中各组成物质所占的比例有关，常可表示为【5 0 l ： e f k + 巧巧丑+ 匕以 免= l 芦一 只巧+ 巧巧+ l 式中：k 、巧，第i 种固相物质、液体、气体的体积含量，m 3 m 3 ； e 、丹，足固体、液体、气体各项的加权系数，取决于土壤颗粒 的形状和排列以及各组成物质的导热系数之间的比值； 五、名、露一第i 种固相物质、液体、气体的导热系数； 文献【5 ”给出了经过实验验证了的经验公式，对于不同湿度和密度的土壤，采 用以下公式： 砜= o 1 4 4 1 6 6 x 0 9 x 1 0 9 ( t px 1 0 0 ) 0 2 x 1 0 0 0 0 0 6 2 4 。g 式中：巾土壤湿度，m 3 m 3 ； g 干土壤密度，k g m 3 ； l 、土壤空隙对土壤导热系数的影响 土壤空隙的大小直接反映了土壤的松紧程度。研究表明，土壤越紧密，空隙 度越小，土壤颗粒相互接触越多，土壤导热系数越大。 2 、土壤含水量对导热系数的影响 由于水的导热系数比空气的大2 4 倍左右，因此土壤含水量越高其导热系数 越大。在同样质地和容重的土壤中，含水量增加，导热系数也增大，但升高到一 定程度以后，水几乎完全成为热流的媒体，这时导热系数也就不再明显变化了。 第二章地表能源特性的研究 3 、土壤土质对导热系数的影响 由于在粗质地的砂土中，不需要很多水即可在土粒间形成水膜使热量易于通 过，而在粘土中因为比表面积大，需要吸收较多水分才能完全形成水膜，使得土 壤质地越粗，导热系数随含水量增加而变大的速率也越快。 2 1 8 土壤热扩散系数a 五 a = - 一 朋 土壤热扩散也是随土壤质地、容重和含水量的大小而变化。对于同一种土壤， 其导热系数和比热容随含水量的增加而增加，在含水量较低时，随着含水量的增 加，导热系数增加较比热容的增加要快，但当含水量较高时情况则相反，因此， 热扩散随着含水量的增加而加大，在达到一定含水量后，热扩散系数随着含水量 的增加而不断减小。 2 2 地表能源热湿特性 2 2 1 地表能源热特性 地表热能作为一种能量系统，与太阳能、深层地热能一样是环保、持续、可 再生的能源，地表热能主要来源是太阳辐射与地球内部向地表的传热，平均每天 辐射到地面每平方厘米的热量为l - 2 k j t 硼。除此以外，土壤中微生物分解有机物 释放的能量，以及土壤水的潜热也是土壤热量的来源。这种近乎无限、不受地域、 资源限制的低温位热能，是人类可以利用的清洁可再生能源。并且地表热能不像 太阳能受气候、时间和季节的影响，也不像深层地热能受资源和地质结构的限制， 分布面广且相对均匀。地表热能和传统深层地热能一样都是蕴藏在地球地壳之 下，但各有其特点，人们开发利用它们的手段也各不相同，地表热能与深层低热 能的比较1 4 9 见下表2 1 。 从表2 1 中的对比可以看出，地表热能作为一种新能源除具有可再生性、节 能、环保效果好的优点之外，与传统的深层地热能相比还具有可再生速率快，风 险低，易回灌，对地下水影响少，开发费用低等优点，是一种与绿色建筑相结合 的“绿色能量系统”。 天津大学硕士论文 表2 - 1地表热能与深层地热能的比较 地表热能传统深层地热能 蕴藏条件地下土壤、岩石地下土壤、岩石 相资源性质 可更新资源 可更新资源 同 储热介质土壤、砂石、地下水地下水 点环境效应 节能、环保、释放温室气体小 开发利用钻井、回灌，埋管钻井、回灌 能量来源太阳能为主、地心热为辅地心岩浆热 温度分布1 0 2 5 ( 一般小于2 5 )9 0 1 5 0 ( 一般大于7 0 ) 蕴藏深度几米几十米几百米一般在千米以上( 小于5 k i n ) 利用方式间接换热直接利用 钻井深度浅井( 一般1 0 0 m 以内)深井( 一般3 0 0 0 m 左右) 不 风险程度低高 同 回灌程度易 难 可再生率快慢 点 对地下水影响少多 开发费用低高 三条件，缺一不可： 不限，地下水、土壤、l 、提供大量的天然热源； 存在条件 砂石、岩石皆可。2 、有一个完好导热差的盖层； 3 、有含水渗透层可储存地热流。 2 2 2 地表能源土壤水的能态 土壤水像自然界的其它物质一样也具有不同形式和不同量级的能量。由于本 文中研究的是非饱和土壤中水分的运动，其流速非常慢，因此，本文中土壤水的 能态以势能( 土水势) 为主，土壤水从土水势高的地方流向土水势低的地方。 1 、土水势的分势f 5 0 1 根据土水势的影响因素，土水势可由若干个分势组成，在不同的情况下，总 土水势由不同的( 并不一定是所有分势) 分势组成。 1 ) 重力势甲。( 用水势头z ) 重力势是地球重力对土壤水作用的结果。它决定于土壤水的高度或垂直位 置。将单位数量的土壤水分从某一点移动到标准状态平面处，而其它各项均维持 第二章地表能源特性的研究 不变时，土壤水所作的功即为该点土壤水的重力势。参考平面可以任意选定，一 般选在地面或地下水水面处。土壤水分的重力势表示为： 甲g = p g z 式中：成一水的密度；g 一重力加速度；厶一与基准面的垂直距离 2 ) 压力势甲。 压力势是由于压力场中压力差的存在而引起的。定义标准参考状态下的压力 为标准大气压或当地大气压。单位数量的土壤水分从某一点移动到标准参考状 态，其它各项维持不变，仅由于附加压强的存在土壤水分所作的功为该点的压力 势。对于饱和土壤水，地下水面以下深度h 处单位容积土壤水分的压力势为： i ，。= 风g h 对于非饱和土壤水，考虑到通气空隙的连通性，各点所承受的压力均为大气 压，因而，各点的压力势为：l 王，= 0 。 3 ) 基质势甲。 土壤水的基质势是由于土壤基质对土壤水分的吸持作用引起的，是为了反抗 土壤基质的吸持作用必须对土壤水做的功。土壤基质对土壤水分的吸持作用概括 为吸附作m 和- ：e 管作用，非饱和土壤水的基质势永远为负值，即甲。 o ；饱和土 壤水基质势甲。= o 。 4 ) 溶质势、壬， 溶质势是土壤溶液中所有形式的溶质对土壤水分综合作用的结果。土壤水溶 液中的溶质对水分子有吸引力，土壤水分移动时必须克服这种吸引力作用对土壤 水做功，因此，溶质势也为负值，即甲。 o 。 5 ) 温度势甲， 温度势是由于温度场的温差所引起的。土壤中温度的分布和变化对水分运动 的影响是多方面的，通过温度对水的物理化学性质( 如粘滞性、表面张力及渗透 压等) 的影响，从而影响到基质势、溶质势的大小及土壤水分运动参数，另一方 面，土壤中的水分状况在很大程度上决定着土壤的热特性参数，水的相变如果发 生，将成为热量平衡中的一个重要因素。因此，在实际问题中更为重要的是土壤 水热迁移的相互交叉和耦合的影响。 查堡奎堂堡圭丝苎 土水势的五个分势在实际问题中并不是同等重要的，由于本文研究的是非饱 和土壤，且土壤溶质浓度较低，故压力势和溶质势可以忽略不计，因此，土水势 v 由基质势甲。、温度势甲t 组成，即甲= 甲，+ 、王，r ，其总水势甲，= q j 。+ q j r z ， 土水势、壬，是含水率吒、温度t 及土质特性的函数，g a r d n e r ，d e v r i e s 等人的研 究认为土水势与含水率等影响因素的关系如下【5 2 】： 阿毗 式中：a ，b ，r 土壤特性系数，y = - 2 0 9 x 1 0 。3 1 对于细沙土，a - 0 0 3 1 5 m ，b = 4 ； 对于壤土【5 3 1 ，a _ 0 0 18 6 m ，b = 4 ； 2 、导水率k 导水率k 。是单位势梯度下土壤水的通量，综合地反映了多孔介质对某种流 体在其中流动的阻碍作用，因此，一方面取决于空隙介质的基质特征，同时， 也和流体的某些物理性质如黏度i l 和密度p 有关。当土壤基质特征一定时，饱 和导水率一般为一常数，非饱和导水率却并不为常数，而是随土壤含水率或基质 势变化，目前还不能根据土壤特性对非饱和导水率做定量描述，只能用实验方法 进行测定。c l a p p 提出导水率与土水势的关系如下1 5 4 1 ： 、t ， k = k ( 鲁) 2 ” t 式中：k ，广一饱和导水率； k w s = 1 7 6 1 0 4 m s 一饱和状态下的土水势； 甲，= a - e x p ( y t ) 2 3 地表土壤内热湿耦合迁移机理 土壤中热流及温度分布与水分运动及含水量分布是相互关联的【5 “，它首先 与土壤自身的性质有关，这包括土壤空隙率、空隙连通性、土壤质地、土壤层次 结构、土壤含水率等。一方面，温度的变化引起水的物理化学性质变化，从而引 起土壤水分运动参数及其基质势值变化，此外，由温度差引起的温度势梯度本身 也会造成水分的流动。另一方面，土壤中含水量的分布和变化，将使土壤剖面各 点处的热特性参数( 比热容和热导率等) 趋于不同，且随时间变化。由于影响土 壤中热湿迁移过程的因素很多，土壤的传热过程除了导热外，还有对流、辐射和 第二章地表能源特性的研究 相变换热，而与之耦合的湿迁移过程除扩散外，还有对流传质、吸附、脱附以及 毛细作用引起的滞后现象。土壤中热湿迁移是在温度场、浓度场、压力场等交叉 作用下发生的一类能量与物质输运过程。由于这种迁移过程离平衡状态不远，热 流、质流与其推动力的关系可以用不可逆过程热力学的线性唯象方程组描述。利 用迁移过程中各热力学流一的具体表达式，结合过程中各迁移物质的质量守恒 与能量守恒方程，可以推导出土壤中热湿迁移的微分方程。土壤中热湿迁移过程 是一个非常复杂的在一系列宏观力作用下多相多组分之问相互耦合的过程。 2 3 1 土壤内湿迁移机理 土壤内湿迁移的驱动力是土水势，非饱和土壤中湿迁移过程主要是液态水渗 流、水蒸汽扩散、液态水水蒸汽相变迁移等。 1 、液态水迁移 根据扩充的达西定律，非饱和土壤中液态水迁移为【5 5 硐： 厶= 一成k ( v 、l ，) 对于一维的非饱和流动，水分迁移方程为： 瓦= 一风e ( 争- 风瓦( 罢一争= 一风& e 一1 ) 一岛e ( 等暑+ 薏警_ 1 ) 一岛( 警+ 巩，石0 1 一k ) 式中：j 0 导水率m s 5 d 。湿度梯度下水的质扩散率3 仇，韫度梯度下水的质扩散率5 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 2 、水蒸汽迁移 在未饱和土壤中水蒸汽的迁移主要为水分子扩散，当气体压力较小或土壤 孔隙较小时，还会存在k n u d s e n 扩散，一般情况下，综合考虑两种扩散形式，水 分子一方面在土壤颗粒与颗粒之间形成的毛管孔隙中以分子流形式运动，另一方 面，水分子流在通过毛细管时，分子除了自身之间相互碰撞外，还碰撞管壁，且 后者对扩散的阻力作用更为明显。水蒸汽迁移方程为 s s , s 6 ： j ，= 一d ：v p , ( 2 3 ) 天津大学硕士论文 假定水蒸汽为理想气体，则岛= 素争 所以= - d v p d v p 一明告一告( v 8 一争v 刃 ( 2 - 4 )所以 = 一皿考2 一意 一手v 刃 ( 2 - 4 对于一维的非饱和流动， 水蒸汽迁移方程为： y = - 皿誓一嗟c 南，一台c 罢 争 。2 勘 式中：风水蒸汽的密度k g m 3 ；b 蒸汽压力p a ； r 广一气体常数；t 温度k ： d p 一水蒸汽扩散系数；此扩散系数为分子扩散和k n u d s e n 扩散的 等效扩散系数； 3 、液态水