[发明专利]一种流固耦合条件下岩土热扩散特性测试装置

说明书

本发明公开一种流固耦合条件下岩土热扩散特性测试装置，所述测试装置包括：定水头控制系统，包括：渗流系统水罐；气压表，设置于所述渗流系统水罐上；第一水阀，设置于所述渗流系统水罐的出水端；空气压缩机，与所述渗流系统水罐连接；第一压力调节阀，设置于所述空气压缩机和所述渗流系统水罐之间；岩土测试系统，包括：导热特性测试仪；测试盒，与所述渗流系统水罐的出水端连接；测试传感器，与所述导热特性测试仪，通过该测试装置，为分析渗流作用下岩土体热物性质提供可靠物理实验方法，提供定量化分析评价渗流作用对导热系数、热扩散系数等参数影响，为地源热泵系统设计提供更可靠的实验数据，且该装置操作方便、测试精准。

技术领域

本发明涉及岩土热扩散特性测试及时领域，尤其涉及一种流固耦合条件下岩土热扩散特性测试装置。

背景技术

地热资源是一种典型的清洁能源，也被称为“绿色能源”和“可再生能能源”，具有巨大的利用价值。地源热泵技术是利用浅层地下温度近乎恒定的特性，向大地要“冷暖”的一项环保技术，也是浅层地热资源利用的常用手段。地源热泵利用地表浅层土壤或水源的地热能作为冷(热)源，冬季通过热泵机组将低热能传递转移到需供暖的建筑物内，夏季通过热泵机组将建筑物内的热量散失转移到地下土壤或水源中，从而实现冬季供暖、夏季制冷的效果。地下岩体或土体的导热性质是决定了地热资源利用的效率的关键因素，同时也是地源热泵系统设计所依靠的重要技术参数。

在地源热泵系统设计中，如果对换热井的换热能力以及地下岩土体的热扩散系数了解不充分，盲目地增加或减少换热井的数量，极易造成机组选型过大，增加成本；或者导致用户供热或者制冷量不足，使热泵机组运行不稳定，从而影响系统使用寿命。换热井的设计跟场区岩土介质的特性有着紧密的联系，因此影响地埋管地源热泵系统设计的主要因素之一就是岩土体的热物性参数，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。

岩土体为三相介质，根据空隙被水填充的程度可分为非饱和以及饱和岩土体，研究表明随着含水率的增加，岩土介质的导热系数呈增加趋势。故浅层地热资源的开采利用通常会选择地下水位埋深较浅的地段，有利于开采效率的 提高并降低成本。热响应试验是场区岩土体热物性测试的常用手段，其通过测试仪器，对项目所在地的测试孔进行一定时间的连续加热，获得岩土综合热物性参数及岩土初始平均温度。

对于工程设计而言，最为关心的是地埋管换热系统的换热能力，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两个参数上。由于地质结构的复杂性和差异性，因此通过现场试验得到的岩土热物性参数，是一个反映了地下水流等因素影响的综合值。大量原位测试试验表明，地下水渗流作用有利于提高岩土体综合热物性参数，因此水的流动对岩土介质的导热性能有着重要的影响，故测试和定量评价渗流作用对岩土介质热扩散特性的影响有着重要的意义。

现有岩土体热物性参数测试方法主要为原位测试方面，其中岩土热响应试验最为常见，包括测试岩土初始平均温度，地埋管换热器的循环水进出口温度、流量及试验过程中向地埋管换热器施加的加热功率。其测试过程包含了：制作场区测试孔及平整场地；测试岩土体初始温度；测试仪器与测试孔管道连接；设备检验；启动电加热、水泵等试验设备，待设备稳定后开始读取记录试验数据；最后提取试验数据，分析计算得出岩土体综合热物性参数。综合热物性参数是一个反映了地下水流等因素影响的综合值。对于室内测试试验主要为稳态测试，即测试不同含水率及密度下土样、岩样的热物性参数，是一个静态的参数值，不能反映渗流作用对测试结果的影响。