【摘 要】
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土壤高温储热作为太阳能跨季节储存技术的一种高效、实用的方式,逐渐得到了广泛的关注。我国土壤高温储热技术还处于起步阶段,研究高温度梯度作用下的土壤热湿迁移特征和机制是推广和发展这一技术的关键。鉴于此,本文首先对不同类型和不同初始含水率的土壤导热系数进行了实验和模型研究,构建了一个与土壤饱和度有关的土壤导热系数计算模型;而后以中砂为介质进行了低温(35℃)、中温(53℃)和高温(65℃)储热条件下的土
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土壤高温储热作为太阳能跨季节储存技术的一种高效、实用的方式,逐渐得到了广泛的关注。我国土壤高温储热技术还处于起步阶段,研究高温度梯度作用下的土壤热湿迁移特征和机制是推广和发展这一技术的关键。鉴于此,本文首先对不同类型和不同初始含水率的土壤导热系数进行了实验和模型研究,构建了一个与土壤饱和度有关的土壤导热系数计算模型;而后以中砂为介质进行了低温(35℃)、中温(53℃)和高温(65℃)储热条件下的土壤热湿迁移规律的实验研究;之后利用Hydrus-1D软件模拟研究了土壤高温储热条件下的热湿迁移规律。主要结论如下:(1)以非饱和砂土、砂壤土、壤黏土和粉黏土为研究对象,研究了其含水率分别为0%、3%、5%、8%、10%、13%、15%、18%和20%时的导热系数变化规律。结果表明,土壤导热系数随着含水率的增加呈现出非线性的增长,在低含水率时土壤类型是影响导热因素的主要因素,孔隙度主要影响土壤干燥状态下的导热系数,土壤组成成分主要影响含水率较高时的导热系数。(2)基于导热系数实验构建了一个与土壤饱和度、土壤类型、孔隙度和石英含量有关的导热系数模型,然后利用8种实验土壤的实测值对模型参数进行了率定,而后使用文献中加拿大和中国的51种不同类型土壤的导热系数值进行了模型验证。结果显示,RMSE、PBIAS和NES值分别在0.038~0.18、-0.262~0.079和0.758~0.996之间,均优于目前常用的导热系数计算模型,表明所建模型的适用范围更广、精度更高。(3)由一维土柱实验装置研究的高、中、低温度下的土壤热湿迁移实验可知,在高、中、低温度下土柱内各测点的温度变化趋势相同,即:土柱内各测点温度随着储热时间的增加,均表现出先快速增长后趋于稳定的总体趋势;距储热端距离相同的条件下,土壤储热温度越高,各测点之间温度梯度越大。在距离储热端附近,土壤含水率会出现峰值现象,且峰值随着储热温度的提高呈先增大后减小的趋势,达到稳定时土壤含水率低于初始土壤含水率。(4)高温储热条件下的热湿迁移数值模拟研究表明,土壤含水率小于0.1 m3m-3时,储热端附近的土壤含水率不断减低且速度较快,土壤含水量会一直降到土壤残余含水量,导致储热后期土壤温度出现下降现象,直接影响了土壤的储热效率。当初始含水率为0.15~0.2m3 m-3时,土壤所能储存的热量最高。储热温度越高,土壤所能达到的温度越高,储热过程中储热端附近土壤损失的热量越多。
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