一种非饱和土热物性参数测试系统的制作方法

本发明涉及一种非饱和土热物性参数测试系统及方法，尤其涉及对非饱和土在不同含水率情况下所对应的热物性参数的测试系统及方法。

背景技术：

众所周知，能源问题制约着人类社会的经济发展，破解能源问题的根本之路在于可再生能源。地热资源是典型的清洁能源，具有可持续、可再生、可综合利用等优越性，具有巨大的经济价值。地源热泵技术是利用浅层地热资源的常用手段，是指利用浅层地热能进行供热制冷的新型能源利用技术。通常地源热泵技术是利用了地下岩土体巨大的蓄热蓄冷能力，冬季把热量从地下土壤中转移到建筑物内部，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内部，从而实现供热制冷。因此，岩土体的热物理性质是浅层地热资源转换效率的关键因素，也是进行地源热泵系统设计的重要参数。

在地源热泵系统中，一个重要的过程就是流体与周边岩土体的换热过程，主要考虑的就是岩土体的热传导作用，而决定这换热效率的就是热物性参数，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。若没有准确的热物性参数值，那么就容易导致换热效率低下，导致供热制冷量不足，严重的导致地源热泵机组运行不稳定，从而影响系统使用寿命。同时，由于岩土体本身复杂的物理化学结构导致热物性参数不能通过理论模型进行计算，因此进行岩土体热物性参数的测试具有重要的意义。

土体的热物性参数测试通常使用的是热响应测试，主要是模拟热泵的系统实际工作情况，通过加载热流体向地下岩土散热，得到温度随时间的变化规律，进而通过数学模型获得该土体的热物性参数。研究表明，土体空隙中含水量是影响岩土体热物性参数的重要因素。通常情况下，土体空隙中含水量的增加会导致土体材料的导热系数的增加。土体作为复杂的多相多孔介质，根据空隙被水填充的程度划分为非饱和土和饱和土。在实际工程中，地源热泵技术的应用过程中必然会遇到非饱和土作为换热岩土体的情况，而且大多数情况下实际工况中的土体在也都是非饱和土，因此测量非饱和土的热物性参数能够为实际工程服务，具有重要的经济价值。

地源热泵技术运用中人们普遍关心换热能力和换热效率，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等热物性参数上。由于土体含水率的不同会不同程度的影响热物性参数，那么研究清楚土体含水率与其热物性参数之间的关系就具有重要的意义。因此非饱和土的热物性参数测试不仅仅具有较大的经济价值，还有科学研究的价值。掌握了土体含水率与热物性参数之间的关系，不仅仅可以指导实际工程设计，还可以指导工程施工过程。

现有岩土体热物性参数测试方法：

岩土体热物性参数测试是获得岩土体热物理性质的方法之一，通常情况下也多采用岩土热响应测试。该测试的基础理论是恒热流理论，通过模拟热泵系统的实际工作情况，测试仪器采用自身加热后，在热传导作用下向地下岩土体进行传导，得到温度随时间的变化规律，从而通过数学物理模型获得岩土体的热物性参数。岩土体热物性参数测试也分为原位测试跟室内测试试验，原位测试中一般将测试仪器与测试孔管道连接后进行试验，待设备稳定后读取试验数据，得到的热物性参数是瞬态的值，能反映场地的综合情况；室内试验则通常情况下是对不同的试样进行测量，测量的过程是个稳态的过程，得出的是一个相对静态的参考值。

无论是原位试验还是室内试验都存在一定的利弊。对原位试验来说，它的优点在于测量所得参数能够反映场地的综合情况，具有更为准确的原位参数，但是它的缺点在于测试的周期较短，场地的影响因素较多导致不能很好的研究热物性参数与因素的规律，从而影响地源热泵系统长期运营。室内试验得出的是静态的参数值，它的缺点在于不能很好的反映场地的实际情况，但是它的优点在于可以得到诸如不同含水率、密度、岩土体孔隙结构等因素对材料热物性参数的影响的实验规律。因此研究新的热物性参数试验仪器和测试方法，对了解岩土体的热物性参数具有重要意义，对地源热泵系统也具有指导作用。

现有与岩土体热物性参数测试有关的专利，及其利弊如下：

在我国岩土体热物性参数测试方面还处于研发和应用的初级阶段，但是也做了大量的实验和理论研究工作，就热物性参数测试的相关设备而言，大致可以分为三类，分别为便携式、箱柜式、车载式。便携式的有山东建筑工程学院地源热泵研究所研制的“基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪及其方法”专利号CN1815211A；埃美圣龙(宁波)机械有限公司研制的“一种岩土热物性测试仪”专利号CN201909768U；上海交通大学研制的“地源热泵高精度土壤热物性测试仪”专利号CN101393149A。箱柜式的有河北省科学院能源研究所研制的“变频热泵式岩土热物性测试仪”专利号CN103293185A；徐坚研制的“基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统和方法”专利号CN102411012A；湖南凌天科技有限公司研制的“测量地埋管地温装置及测量方法”专利号CN103134602A；中航勘察设计研究院研制的“浅层岩土体热物理性质原位测试仪”专利号CN101477071A；潍坊达搞电子技术有限公司研制的“岩土热物性综合测试仪”专利号CN202512077U；哈尔滨工业大学研制的“同步冷热响应岩土热物性测试仪”专利号CN101887040A；东南大学研制的“地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置”专利号CN102243192A；南京大学与江苏南华地下空间研究所有限公司研制的“地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪和测试方法”专利号CN102033079A。车载式的有黑龙江科技学院研制的“岩土热物性测试仪”专利号；长安大学研制的“一种无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪”专利号CN102628817A。

以上岩土体综合热物性参数测试的装备或者方法有些适用于原位实验，有些适用于室内试验，但是无论哪个都没有专门针对非饱和土的实验系统与方法，无法专门对同个试样在不同含水率情况下的热物性参数的测试功能。但是此项发明可以针对该问题进行有力的解决，可以研究含水率与热物性参数之间的关系，解决非饱和土热物性参数测试这一问题，对指导地源热泵技术的实施具有重大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种非饱和土热物性参数测试系统与方法，可以解决现有技术中无法精确测量非饱和土的热物性参数的弊端，并且可以研究土体中含水率与热物性参数之间的关系。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种非饱和土热物性参数测试系统，由土样控制系统、热物性参数测试系统和数据采集系统组成，所述土样控制系统由压力板仪单元、压力控制单元、水质量测量单元组成，压力板仪单元包括试件室、环刀、陶土板、固定螺栓、底座和水管，试件室通过固定螺栓进行密封并被安装于底座上，陶土板位于试件室内的底部，环刀内放置有土样且环刀位于陶土板的上方，水管安装在试件室的底部并与陶土板相连通，用于土样的给排水；所述压力控制单元用于控制试件室内的气压，压力控制单元包括压力表、空气压缩机、空气阀门、气管和密封螺栓，气管的一端与空气压缩机的出风口连接，气管的另一端通过密封螺栓与试件室相密封连接并通向试件室的内部，空气阀门安装在气管上，压力表安装在空气压缩机上；所述水质量测量单元包括水槽、刻度管以及天平和烧杯，其中水槽的底部与水管的给水端相连接，且此段水管上设置有第三阀门，刻度管与水管的排水端相连接，且此段水管上设置有第二阀门，烧杯放置于天平上，刻度管的底部设置有一根通向烧杯的水管，此段水管上安装有第一阀门；

所述热物性参数测试系统由含水率测试仪、热物性测试仪组成，含水率测试仪中的含水率测试探针以及热物性测试仪中的热物性测试探针均位于试件室内并与土样相接触，两探针分别用于感应土样中的含水量以及热物理性质，两探针的数据线均通过密封螺丝穿过试件室，并将数据传输至含水率测试仪和热物性测试仪；

所述数据采集系统由数据采集单元和计算机组成，数据采集单元用于采集试验过程中的数据，包括对水质量测量单元中的质量数据的采集，对含水率测试仪中含水率信息的采集，对热物性测试仪中热物性参数的采集，数据采集单元通过数据线与计算机连接，计算机将上述数据记录下来。

所述密封螺丝包括结构胶、螺母、垫片、中空螺钉，数据线从中空螺钉的内部穿过，结构胶位于中空螺钉与数据线的连接空隙处并用于密封，垫片和螺母旋紧在中空螺钉的上端以及下端，从而将中空螺钉固定于试件室上，结构胶还分布于垫片与试件室之间的空隙处并进行密封。

所述的试件室由铁盖、铁壁室和底盘组成，其中底盘位于铁壁室的底部，铁盖位于铁壁室的顶部，所述固定螺栓从底盘朝上伸出并穿过铁盖，固定螺栓的顶端用螺母旋紧固定，铁壁室的顶部和顶部均设置有橡胶圈，铁盖通过固定螺栓压紧在顶部的橡胶圈上实现密封。

所述的刻度管通过固定夹安装于固定支架上，刻度管的顶部和底部均设置有开关。

所述的天平为电子天平，电子天平的上方设置有一个天平罩，烧杯位于天平罩内。

本发明所提供的非饱和土热物性参数测试系统能够对非饱和土实现精确排水过程的控制，在排水过程中可以读取不同含水率下的土壤所对应的热物理性质的参数情况。主要通过土样控制系统实现土样的脱水过程，采用含水率测试仪读取含水率参数，采用热物性测试仪读取热物性参数，从而了解含水率与热物性参数的关系，了解非饱和土的热物性特性，清楚水对土中热物性参数的影响，为研究实际工程中岩土体的热物性参数提供支持。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明为非饱和土的热物性参数测试提供可靠的物理实验方法，采用热物性测试仪读取热物性参数，可以读取非饱和土的热物性参数；

2、本发明能够定量化研究土样含水率与热物性参数的关系，通过土样控制系统实现土样的脱水过程，采用含水率测试仪读取含水率参数，采用热物性测试仪读取热物性参数，计算机记录数据，从中可以了解土样的含水率与热物性参数之间的关系；

3、操作方便，测试精准，测试系统操作简单易行，通过仪器测量的含水率与热物性参数准确，可以为地源热泵系统设计提供更可靠的实验数据。

附图说明

图1为本发明提供的非饱和土热物性参数测试系统的结构原理图；

图2为非饱和土热物性参数测试系统的整体结构示意图；

图3为试件室的结构示意图；

图中：1.电子天平；2.烧杯；3.天平罩；4.水管；5.固定支架；6.第一阀门；7.刻度管；8.固定夹；9.开关；10.第二阀门；11.陶土板；12.环刀；13.铁壁室；14.热物性测试探针；15.固定螺栓；16.热物性测试仪；17.含水率测试仪；18.密封螺丝；181.结构胶；182.螺母；183.垫片；184.中空螺钉；19.含水率测试探针；20.土样；21.第三阀门；22.底座；23.气管；24.空气阀门；25.水槽；26.压力表；27.空气压缩机；28.橡胶圈；29.滤纸；30.密封螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

本发明提供的非饱和土热物性参数测试系统如图1和图2所示，由土样控制系统、热物性参数测试系统和数据采集系统组成，所述土样控制系统由压力板仪单元、压力控制单元、水质量测量单元组成，所述热物性参数测试系统由含水率测试仪、热物性测试仪组成，所述数据采集系统由数据采集单元和计算机组成。

压力板仪单元包括试件室、环刀12、陶土板11、固定螺栓15、底座22和水管4，试件室通过固定螺栓15进行密封并被安装于底座上，陶土板位于试件室内的底部，环刀12内放置有土样20且环刀位于陶土板11的上方，陶土板与土样之间设置有一层滤纸29。水管安装在试件室的底部并与陶土板相连通，用于土样的给排水。所述的试件室的结构如图3所示，由铁盖、铁壁室13和底盘组成，其中底盘位于铁壁室13的底部，铁盖位于铁壁室的顶部，所述固定螺栓15从底盘朝上伸出并穿过铁盖，固定螺栓的顶端用螺母旋紧固定，铁壁室的顶部和顶部均设置有橡胶圈28，铁盖通过固定螺栓压紧在顶部的橡胶圈上实现密封。

所述压力控制单元用于控制试件室内的气压，压力控制单元包括压力表26、空气压缩机27、空气阀门24、气管23和密封螺栓30，气管23的一端与空气压缩机的出风口连接，气管的另一端通过密封螺栓30与试件室相密封连接并通向试件室的内部，空气阀门安装在气管上，压力表安装在空气压缩机上。

所述水质量测量单元包括水槽25、刻度管7以及天平和烧杯2，其中水槽25的底部与水管的给水端相连接，且此段水管上设置有第三阀门21。刻度管7与水管的排水端相连接，且此段水管上设置有第二阀门10，所述的刻度管7通过固定夹8安装于固定支架5上，刻度管的顶部和底部均设置有开关9。烧杯2放置于天平上，刻度管7的底部设置有一根通向烧杯2的水管，此段水管上安装有第一阀门6；所述的天平为电子天平1，电子天平1的上方设置有一个天平罩3，烧杯2位于天平罩3内。

所述热物性参数测试系统由含水率测试仪17、热物性测试仪16组成，含水率测试仪17中的含水率测试探针19以及热物性测试仪16中的热物性测试探针14均位于试件室内并与土样20相接触，两探针分别用于感应土样中的含水量以及热物理性质，两探针的数据线均通过密封螺丝18穿过试件室，并将数据传输至含水率测试仪和热物性测试仪。所述密封螺丝包括结构胶181、螺母182、垫片183、中空螺钉184，数据线从中空螺钉的内部穿过，结构胶位于中空螺钉与数据线的连接空隙处并用于密封，垫片和螺母旋紧在中空螺钉的上端以及下端，从而将中空螺钉固定于试件室上，结构胶还分布于垫片与试件室之间的空隙处并进行密封。

所述数据采集系统由数据采集单元和计算机组成，数据采集单元用于采集试验过程中的数据，包括对水质量测量单元中的质量数据的采集，对含水率测试仪中含水率信息的采集，对热物性测试仪中热物性参数的采集，数据采集单元通过数据线与计算机连接，计算机将上述数据记录下来。

本发明提供的非饱和土热物性参数测试系统的使用方法如下：

步骤一：按照试验要求制作土样，将土样装入环刀中放入试件室，连接系统的各个部件，安装并密封测试传感器探头，准备待用。

步骤二：为防止在测量水的质量过程中气泡的干扰，试验前须将陶土板跟给水管道中的气体排出。具体做法为：关闭第一阀门，打开刻度管的两个开关，打开第二阀门和第三阀门，抬高右侧的水槽，使其水位略高于左侧刻度管。此时由于右侧水槽的水头高于左侧刻度管，水会流入中间试管，带出陶土板中的气体。当无气体再排除时，关闭阀门一，校订完毕。

步骤三：排净气泡后，关闭第三阀门和刻度管的上部开关，打开第一阀门、第二阀门及刻度管的下部开关，校订电子天平；打开空气阀门，设定合理的压力值，打开空气压缩机，先进行加压。

步骤四：达到设定的压力值，待土样排水稳定后；关闭空气压缩机，关闭空气阀门；设置导热特性测试仪，含水率测试仪初始参数，同时开始测量物理参数；计算机记录所对应的质量信息、热物性参数信息、含水率信息。

步骤五：记录信息后；重新设置压力值，打开空气阀门，打开空气压缩机，进行加压；达到设定的压力值后，重复步骤四。

步骤六：导出各类数据，进行处理，分析实验情况。