基于DTS技术的多层土有效导热系数测量方法
发布时间：2021-07-05 10:18
岩土体的导热系数是开发和利用地热能的重要参数。通过室内热响应模型试验,采用分布式温度传感技术（Distributed Temperature Sensing,DTS）,连续测得多层土模型饱和状态下4种常见土在试验中的有效导热系数分布和大小,分析了渗流对土有效导热系数的影响,并利用GeoStudio有限元软件对不同类型土的有效导热系数进行了模拟计算。试验和数值计算结果均表明:4种饱和土中有渗流的砂土的有效导热系数最大,无渗流砂土次之,粉土小于无渗流砂土,粘土小于粉土,有机质土的最小;渗流对砂土有效导热系数的结果影响显著,使有效导热系数增大了6倍。本试验采用DTS测试土的有效导热系数的方法可用于现场试验,所得结论为地热能开发和地源热泵设计提供了重要依据。
【文章来源】：防灾减灾工程学报. 2018,38(02)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１试验装置示意Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅ
，型号为ＮＺＳ－ＤＴＳ－Ｍ０６，基本参数见表１。换能系统主要由热源和模型桶组成。热源下部安装有一水箱，内置加热器，可通过控制加热器中电流的大小来控制水箱中的温度。模型桶为一直径４０ｃｍ、高度７０ｃｍ的铁桶，内部填充４种不同类型的土样，从上往下依次为无渗流砂土、有机质土、粘土、有渗流砂土和粉土。为了提高ＤＴＳ感测模型桶中不同深度土层温度的空间分辨率，笔者将感测光缆螺旋形地缠绕在一个钢筋笼上，形成温度感测笼，如图２所示，使得ＤＴＳ的测温空间分辨率从１ｃｍ提高到了４ｃｍ，每一个钢筋笼上所缠绕光纤长度为３３ｍ，４个钢筋笼上缠绕的光纤进行了串联，光纤总长度为１５０ｍ，其中有效测试长度为１３２ｍ，在表１所示ＤＴＳ有效测试范围内。由于对所有感测光缆进行了串联，所以只用到了ＤＴＳ解调仪的一个传输通道。本试验中，分布式温度传感技术在不同土层的测温精度是一致的，在试验之前做了标定，且测温精度为±０．５℃。ＤＴＳ技术的测温范围在－４０～１２０℃之间，且本实验的最高温度在ＤＴＳ测量范围内，所以可以不考虑感测范围。钢筋笼由３个圆形钢圈和４根竖杆焊接而成，铁桶中共安装了４个钢筋笼，直径分别为５、１０、２０、３０ｃｍ，以铁桶中轴线为中心依次套装。在铁桶中轴线位置安装一根直径为１ｃｍ的Ｕ型管，并与恒温水箱相连，在换能试验过程中循环通水，达到热量换能效果。本文制样过程采用了分层填筑法，对预制土样从下往上一次填筑。土样预制
９×１０－５ｍ／ｓ。在此条件下，开通恒温箱水流，模拟土层换能，再利用ＤＴＳ实时记录不同深度土层在换能过程中的温度变化，试验时间为２４ｈ。３试验结果与分析桶壁上的传感器记录结果显示，加热后的能量未影响到桶壁位置，所以桶壁所带来的边界效应忽略不计。另外，用于试验的水温变化在整个试验过程中小于０．５℃，故其影响也忽略不计。换能开始的２４ｈ内，根据模型桶中固定的４个感测笼感测到的土层的温度，在不同加热时间的温度变化如图３所示，不同土层在不同时间段的温度变化量见表２。由图３及表２可知，换能刚开始的０．２５ｈ内，各土层的温度变化并不是很明显，这是因为加热刚开始的阶段，导水管释放的热量大部分被钻孔回填材料所吸收；加热０．５ｈ时，钻孔壁开始升温，并且图３模型桶中各土层换能过程温度变化Ｆｉｇ．３Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｏｆｓｏｉｌｓｄｕｒｉｎｇｈｅａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｌａｂｏｒａｔｏｒｙｍｏｄｅｌ表２不同土层在不同时间段的温度变化量Ｔａｂｌｅ２Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｉｌｌａｙｅｒｓｉｎｄｉｆｆｅｒ－ｅｎｔｔｉｍｅｐｅｒｉｏｄｓ土层深度／ｃｍ温度变化量／℃０．５ｈ２ｈ１６ｈ２４ｈ砂土（无渗流）０～１５１３．０４．６８．４有机质土１５～４０２６．３７．２８．４粘土４０～５５２４．５５．３７．２砂土（有渗流）５５～６５１１．５２．８３．５粉土６５～７０１３．８４．８５．５开始出现分层现象，１５～４０ｃｍ范围内
【参考文献】：
期刊论文
[1]土壤源热泵热响应测试研究进展及分析[J]. 孟庆龙,官燕玲,谷雅秀,赵凡,韩文生. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). 2015(01)
[2]我国地源热泵技术发展现状及应用策略[J]. 方菲菲. 山西建筑. 2015(01)
[3]中国地源热泵技术发展与展望[J]. 徐伟,刘志坚. 建筑科学. 2013(10)
[4]基于分布式光纤传感技术的岩土体导热系数测定方法[J]. 肖衡林,蔡德所,何俊. 岩石力学与工程学报. 2009(04)
[5]地源热泵的研究与应用[J]. 王宇航,陈友明,伍佳鸿,彭建国. 建筑热能通风空调. 2004(04)
[6]现场测量深层岩土热物性方法[J]. 于明志,方肇洪. 工程热物理学报. 2002(03)
本文编号：3265887
【文章来源】：防灾减灾工程学报. 2018,38(02)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１试验装置示意Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅ
，型号为ＮＺＳ－ＤＴＳ－Ｍ０６，基本参数见表１。换能系统主要由热源和模型桶组成。热源下部安装有一水箱，内置加热器，可通过控制加热器中电流的大小来控制水箱中的温度。模型桶为一直径４０ｃｍ、高度７０ｃｍ的铁桶，内部填充４种不同类型的土样，从上往下依次为无渗流砂土、有机质土、粘土、有渗流砂土和粉土。为了提高ＤＴＳ感测模型桶中不同深度土层温度的空间分辨率，笔者将感测光缆螺旋形地缠绕在一个钢筋笼上，形成温度感测笼，如图２所示，使得ＤＴＳ的测温空间分辨率从１ｃｍ提高到了４ｃｍ，每一个钢筋笼上所缠绕光纤长度为３３ｍ，４个钢筋笼上缠绕的光纤进行了串联，光纤总长度为１５０ｍ，其中有效测试长度为１３２ｍ，在表１所示ＤＴＳ有效测试范围内。由于对所有感测光缆进行了串联，所以只用到了ＤＴＳ解调仪的一个传输通道。本试验中，分布式温度传感技术在不同土层的测温精度是一致的，在试验之前做了标定，且测温精度为±０．５℃。ＤＴＳ技术的测温范围在－４０～１２０℃之间，且本实验的最高温度在ＤＴＳ测量范围内，所以可以不考虑感测范围。钢筋笼由３个圆形钢圈和４根竖杆焊接而成，铁桶中共安装了４个钢筋笼，直径分别为５、１０、２０、３０ｃｍ，以铁桶中轴线为中心依次套装。在铁桶中轴线位置安装一根直径为１ｃｍ的Ｕ型管，并与恒温水箱相连，在换能试验过程中循环通水，达到热量换能效果。本文制样过程采用了分层填筑法，对预制土样从下往上一次填筑。土样预制
９×１０－５ｍ／ｓ。在此条件下，开通恒温箱水流，模拟土层换能，再利用ＤＴＳ实时记录不同深度土层在换能过程中的温度变化，试验时间为２４ｈ。３试验结果与分析桶壁上的传感器记录结果显示，加热后的能量未影响到桶壁位置，所以桶壁所带来的边界效应忽略不计。另外，用于试验的水温变化在整个试验过程中小于０．５℃，故其影响也忽略不计。换能开始的２４ｈ内，根据模型桶中固定的４个感测笼感测到的土层的温度，在不同加热时间的温度变化如图３所示，不同土层在不同时间段的温度变化量见表２。由图３及表２可知，换能刚开始的０．２５ｈ内，各土层的温度变化并不是很明显，这是因为加热刚开始的阶段，导水管释放的热量大部分被钻孔回填材料所吸收；加热０．５ｈ时，钻孔壁开始升温，并且图３模型桶中各土层换能过程温度变化Ｆｉｇ．３Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｏｆｓｏｉｌｓｄｕｒｉｎｇｈｅａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｌａｂｏｒａｔｏｒｙｍｏｄｅｌ表２不同土层在不同时间段的温度变化量Ｔａｂｌｅ２Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｉｌｌａｙｅｒｓｉｎｄｉｆｆｅｒ－ｅｎｔｔｉｍｅｐｅｒｉｏｄｓ土层深度／ｃｍ温度变化量／℃０．５ｈ２ｈ１６ｈ２４ｈ砂土（无渗流）０～１５１３．０４．６８．４有机质土１５～４０２６．３７．２８．４粘土４０～５５２４．５５．３７．２砂土（有渗流）５５～６５１１．５２．８３．５粉土６５～７０１３．８４．８５．５开始出现分层现象，１５～４０ｃｍ范围内
【参考文献】：
期刊论文
[1]土壤源热泵热响应测试研究进展及分析[J]. 孟庆龙,官燕玲,谷雅秀,赵凡,韩文生. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). 2015(01)
[2]我国地源热泵技术发展现状及应用策略[J]. 方菲菲. 山西建筑. 2015(01)
[3]中国地源热泵技术发展与展望[J]. 徐伟,刘志坚. 建筑科学. 2013(10)
[4]基于分布式光纤传感技术的岩土体导热系数测定方法[J]. 肖衡林,蔡德所,何俊. 岩石力学与工程学报. 2009(04)
[5]地源热泵的研究与应用[J]. 王宇航,陈友明,伍佳鸿,彭建国. 建筑热能通风空调. 2004(04)
[6]现场测量深层岩土热物性方法[J]. 于明志,方肇洪. 工程热物理学报. 2002(03)
本文编号：3265887
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