土壤高温储热过程中热湿迁移特性的理论与实验研究

土壤高温储热技术能够显著提高可再生能源利用效率，且具备热源适用性广、可以实现跨季节热能转存等特点, 对于建筑节能、可再生能源以及能源梯级利用具有十分重要的研究意义和应用前景。然而，该技术研究目前仍然尚未成熟，这种现状导致了土壤高温储热系统的应用局限性。本项目拟针对土壤高温储热中的热湿迁移特性这一关键问题进行研究。在土壤结构表征及水动力特性测试基础上，通过构造对比实验方法来探索土壤高温储热热湿迁移过程的动态特征，揭示热源附近土壤温度峰值和湿度峰值现象的时间/空间特性、作用范围及其与土壤特性和热源特性之间的影响关系与控制方法，掌握土壤高温储热热湿迁移过程对地下换热器传热性能的短期和长期影响规律及优化方法，最终建立能够准确预测土壤高温储热热湿迁移特性的多场耦合理论模型及其数值求解方法。本研究对于土壤高温储热系统的性能分析和优化设计具有重要的理论与实践意义。

土壤高温储热技术具有热源适用性广、更容易实现跨季节热能转存等特点，有利于提高可再生能源系统的综合利用效率，对于能源梯级利用以及建筑节能具有重要的研究价值和应用前景。然而，该技术研究目前仍然处于起步阶段。本项目重点围绕土壤高温热湿迁移机理及其调控开展研究工作。首先，建立了室内土壤热物性分析试验台，建立了常温下土壤热导率随干密度、饱和度变化的理论预测模型λ＝f (ρ, s)，进一步测定了60-80℃砂质和黏质土壤热导率变化，建立了水蒸气强化因子的预测模型；发明了一种适合于野外测试土壤热物性的新装置，可以用于估计钻孔土壤的平均热导率，同时获得埋地换热器的准稳态传热性能，具有实际工程指导意义。其次，建立了一、二维土壤高温热湿迁移实验台，获得了不同热源温度、初始含水率条件下土壤温/湿度的变化分布规律，确定了土壤温/湿度峰值出现条件与时间/空间分布特征及其对埋地换热器传热性能的影响。在此基础上，建立了土壤高温热湿理论模型，并进行了数值求解，获得了不同土壤水蒸汽强化扩散起主导作用的初始饱和度范围。对于高饱和土壤，确定了地下水渗流对浅层地温分布的加热和冷却效应及其对地温梯度的影响。结果表明，当地下水发育在恒温层以下深度，尤其是多含水层时，渗流对地埋管换热器的强化传热效果可达20-30%。当Peclet数小于约3.5时，地下水渗流对传热影响不明显。第三，通过微CT扫描手段，分析比较了不同饱和度条件下土壤内部水分存在状态的差异，并对决定水蒸气强化扩散作用强弱的水-汽接触面积进行了测定。结果表明，土壤水汽接触面积在饱和度为20-35%范围时达到峰值，超过此饱和度范围，内部水分多呈连续分布状态，毛细流动引起的对流扩散作用增强，而使得水蒸汽扩散无足够的蒸发空间进行而大幅减弱。第四，通过显微手段分析了膨润土纳米颗粒对土壤高温热湿迁移的抑制贡献，发现当膨润土含量在10-12%左右时，能够获得较佳的热性能，并与现场试验结果吻合，对于实际工程设计具有积极的指导意义。盐分的存在对于土壤蒸发也有明显的抑制效果，尤其是表层盐盖现象是影响含盐土壤蒸发的关键因素之一。最后，开展了微管毛细上升运动实验，定量分析了高温对毛细过程的削弱效应，并提出了一种Washburn方程的土壤渗透率测定方法。本项目成果对于进一步认识土壤多场耦合现象，指导高温储热系统设计具有重要的理论与实践作用。