畢設(shè)外文翻譯

1、 衢州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文翻譯 譯文：實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的比較來(lái)確定土壤導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)能源基金會(huì)和其他地下?lián)Q熱器的影響收稿日期：2013年9月10日/接受日期：2014年4月28日在線/發(fā)布時(shí)間：2014年10月16日施普林格科學(xué)+商業(yè)媒體有限責(zé)任公司2011年摘要：土壤熱導(dǎo)熱系數(shù)是影響能源基金會(huì)和其他地下?lián)Q熱器的一個(gè)重要因素。它可以用現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)確定,這是昂貴又耗時(shí)的,但可以測(cè)試大量的土壤。另外實(shí)驗(yàn)室測(cè)試法更便宜、更快可應(yīng)用于較小的土壤樣本。本文研究了兩種不同的實(shí)驗(yàn)方法:穩(wěn)態(tài)熱電池和瞬態(tài)探針。從等會(huì)要進(jìn)行熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)采集一個(gè)U100土壤試樣做一個(gè)小直徑的測(cè)試樁。試用兩種實(shí)驗(yàn)室方法測(cè)試試樣

2、的導(dǎo)熱系數(shù)。熱電池和探針測(cè)的結(jié)果明顯不同,熱電池法測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)始終高于探針?lè)y(cè)得的。熱電池法的主要困難是確定熱流率，因?yàn)闇y(cè)試設(shè)備有顯著的熱損失。探針的誤差少，但測(cè)試的試樣比熱電池的小。然而，兩種實(shí)驗(yàn)室方法得到的導(dǎo)熱系數(shù)低比現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)的小得多。對(duì)于存在這些差異的可能原因進(jìn)行討論，包括樣本的大小，方向和外界干擾。關(guān)鍵詞：能源基金會(huì)，探針，熱電池，導(dǎo)熱系數(shù)1 介紹地源熱泵系統(tǒng)（GSHP）提供了一個(gè)可行的替代傳統(tǒng)的加熱和冷卻系統(tǒng)邁向可持續(xù)建筑的解決方案6。熱量由制冷劑的裝置，它是通過(guò)一系列管道埋在地下的泵送在地面和建筑物之間傳輸。為了盡量減少初期建設(shè)成本，管道可鑄造成的基礎(chǔ)，消除了需要進(jìn)一步發(fā)掘

3、。這些系統(tǒng)被稱為能量或熱的基礎(chǔ)。要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)系統(tǒng)，它是精確模型的基礎(chǔ)與土壤之間的熱傳遞過(guò)程中的重要。這種分析的一個(gè)重要的輸入?yún)?shù)是土壤熱導(dǎo)率。有幾種不同的實(shí)驗(yàn)室方法測(cè)量土壤熱傳導(dǎo)率14,26。它們分為兩類：穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)方法。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，穩(wěn)態(tài)方法涉及施加一個(gè)方向熱流的試樣，然后測(cè)量它的輸入功率和溫度差，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。的熱導(dǎo)率，然后直接使用傅立葉定律計(jì)算。瞬態(tài)方法包括將熱施加到樣品和監(jiān)測(cè)溫度隨時(shí)間的變化。過(guò)渡數(shù)據(jù)被用于確定熱導(dǎo)率，通常是由應(yīng)用的解析解到熱擴(kuò)散equation.Some瞬態(tài)方法也可用于評(píng)估其他熱性能如熱擴(kuò)散8。本文比較了用熱單元（穩(wěn)態(tài)）和針探頭（瞬態(tài)）apparatus.Both

4、熱電池和針探頭的兩種方法是目前行業(yè)推薦的實(shí)驗(yàn)室方法4,18,22。熱響應(yīng)試驗(yàn)（TRT）13是目前最廣泛使用的方法的原位熱導(dǎo)率的測(cè)定對(duì)一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)。它是一個(gè)大型的瞬態(tài)場(chǎng)測(cè)試，并涉及施工地面熱交換器。測(cè)試是類似的針探頭的方法，但在更大的規(guī)模。從理論上講，熱導(dǎo)率用這種方法得到的值將最密切相關(guān)的一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的傳熱性能，因?yàn)樗鼫y(cè)試土壤的體積最大，也考慮到了其他地特性，諸如地下水流和大規(guī)模土壤分層。然而，可以有誤差的方法的其他來(lái)源。例如，誤差的顯著源可能是由其中的TRT數(shù)據(jù)進(jìn)行分析28的方法。的實(shí)驗(yàn)室方法進(jìn)行比較以從TRT的結(jié)果。2 背景有幾種實(shí)驗(yàn)室測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法被認(rèn)為是適合使用的土壤測(cè)量的。

5、在這項(xiàng)研究中，探針和熱電池方法的選擇取決于一個(gè)相比實(shí)地TRT簡(jiǎn)單的儀器。2.1 探針?biāo)玫奶结樖怯蒆ukseflux20生產(chǎn)的TP02探針。探針長(zhǎng)150毫米，直徑1.5毫米，并包含一個(gè)長(zhǎng)100毫米，熱電偶位于加熱器中的測(cè)量溫度的加熱絲（如圖1所示）。圖 1 探針的圖解(取自Hukseflux20)采用探針?lè)ǖ臒釋?dǎo)率的測(cè)量是基于一個(gè)理論上無(wú)限長(zhǎng)，無(wú)限細(xì)的線熱源10。如果一個(gè)恒定的電源適用于熱源，加熱時(shí)間t，溫度上升，從熱源的徑向距離r： (1)其中q是每單位長(zhǎng)度加熱器的功率，是導(dǎo)熱系數(shù)，是熱擴(kuò)散率，Ei是指數(shù)積分1。 (2)關(guān)閉電源后（開(kāi)始恢復(fù)階段），溫度差由下式給出： (3)其中是斷電的時(shí)間。

6、公式1和3不能解出和。指數(shù)積分（公式2）可以表示為一個(gè)擴(kuò)展，并且在擴(kuò)展中1使用近似表達(dá)式1和2： (4) (5)當(dāng)t很大，x很小時(shí)這種近似是有效的。是歐拉常數(shù)。把公式5代入公式1和3得到4： (6) (7) (8)其中B是一個(gè)和公式6的最后一個(gè)表達(dá)式組合起來(lái)的常數(shù)。圖形繪制在溫度變化和，用于加熱和恢復(fù)階段，分別。在初始階段，克服了探針的接觸電阻和熱容量。此后，圖成為線性梯度可用于計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。它以線性發(fā)生的時(shí)間取決于探頭和土壤之間的接觸，有一個(gè)很好的接觸給一個(gè)較短的初始階段。2.2 熱電池?zé)犭姵厥腔诳死说热说脑O(shè)計(jì)11，地源熱泵協(xié)會(huì)(GSHPA) 18推薦的實(shí)驗(yàn)室土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法。裝置如

7、圖2所示。一個(gè)U100（原狀，直徑100毫米）樣品的熱導(dǎo)率通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)定向熱流沿試件軸線測(cè)量。熱量由嵌入在鋁盤(pán)的筒式加熱器生成。提供的樣品有良好的絕緣性，所以徑向熱損失可以忽略不計(jì)，熱量在傅里葉定律得到的穩(wěn)態(tài)期間通過(guò)樣品。圖 2 熱電池的橫截面 (9)其中Q是輸入功率，A是橫截面積，是試樣長(zhǎng)度上的溫度差，L是試樣的長(zhǎng)度。使用公式9，輸入功率Q必須是已知的。如果Q不能直接測(cè)量，如果Q不能直接測(cè)量，當(dāng)關(guān)閉電源樣品冷卻時(shí)（恢復(fù)期）測(cè)量的樣品的溫度可以用來(lái)確定土壤與空氣之間的換熱系數(shù)，因此確定功率。這種方法是由克拉克等人11提出的，采用集總電容的方法，這是只有在整個(gè)土壤溫差比土壤表面和環(huán)境溫差 21小

8、的時(shí)候有效的方法。 (10)其中下標(biāo)base，top和amb分別指的是基層土壤的溫度，上層土壤的溫度和環(huán)境溫度。環(huán)境溫度是恒定的。BI是畢奧系數(shù)，一個(gè)電阻通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流進(jìn)行熱傳遞的無(wú)量綱組。這是毫無(wú)疑問(wèn)的，在時(shí)間t的土壤溫度是 11 ： (11)其中是在時(shí)間t = 0的土壤溫度（當(dāng)公式10開(kāi)始應(yīng)用），h為對(duì)流換熱系數(shù)，m是土壤的總質(zhì)量，是土壤的比熱容。這是從土壤成分的性能估計(jì)： (12)方程11給出了一個(gè)理論衰減曲線可以擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)修改h直到兩曲線匹配。在穩(wěn)定狀態(tài)，能量守恒定律表明在土壤熱流量等于從土壤到空氣試樣的頂部的熱流量： (13)這是用來(lái)計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)的。值得一提的是，該方法介紹了從

9、性能不準(zhǔn)確的成分估算比熱容的相關(guān)錯(cuò)誤。2.3 熱響應(yīng)測(cè)試在TRT，恒功率供給熱流體循環(huán)通過(guò)一個(gè)特定時(shí)期的一個(gè)地下?lián)Q熱器換熱管。在測(cè)試過(guò)程中，流體的溫度在進(jìn)口和出口的地下?lián)Q熱器的記錄。與探針，TRT數(shù)據(jù)采用地埋管換熱器作為一種無(wú)限長(zhǎng)線熱源解釋。從公式1和5，地面溫度的變化可以通過(guò)Carslaw和Jaeger10表示： (14)其中是地面溫度的變化。流體的溫度和地面溫度不同，因?yàn)橛幸后w和漿液之間的熱傳遞在灌漿的熱量轉(zhuǎn)移到地面之前?？紤]到這一點(diǎn)，一個(gè)恒定的熱阻要假設(shè)鉆孔的半徑。流體的溫度變化由下式給出： (15)其中是流體溫度變化。有入口和出口流體溫度之間的差異，這些均是用于計(jì)算。用探針使用同樣的方

10、式，熱導(dǎo)率可以從圖而不是圖中直線的梯度表現(xiàn)出來(lái)。圖的最初部分由于地下?lián)Q熱器的換熱能力的影響應(yīng)該被忽略。作為一般規(guī)則，應(yīng)在計(jì)算中使用的時(shí)間是17： (16)其中是鉆孔半徑，是熱擴(kuò)散系數(shù)，由圖中梯度估算的導(dǎo)熱率計(jì)算所得。3 方法現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查從樁孔時(shí)取6個(gè)U100樣品。這是幾個(gè)月后使用探針和熱電池的方法的測(cè)試。在測(cè)量前，密封的樣品在溫度恒定的房間放一夜來(lái)保持一致。然后樣品從密封管取出進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)樣品分別作如下處理。3.1 探針把一個(gè)直徑100毫米，長(zhǎng)200毫米的試樣放在橡膠模中來(lái)容納探針。從U100樣品中取出的試樣可能有點(diǎn)干燥。從試樣的頂部刨花來(lái)確定頂部的初始水分含量。土壤太硬探針不能直接插入。因此，

11、必須事先鉆一個(gè)5毫米直徑的孔，并且孔中填充高導(dǎo)熱接觸液體（制造商建議使用牙膏）減少探針與土壤之間的接觸電阻19。探針插入孔并且用卡架固定。等待20分鐘讓它融入土壤。提供給針探頭加熱器恒定的功率300600秒然后關(guān)掉。加熱時(shí)間必須大于300秒，如果結(jié)果顯示初始期過(guò)長(zhǎng)，并且沒(méi)有線性關(guān)系。記錄加熱和恢復(fù)期間的溫度。使用這個(gè)程序，需要測(cè)量試樣的橫截面積五次。一次測(cè)量是在橫截面的中心，其他四次從中心開(kāi)始每間隔的徑向距離為25毫米測(cè)量一次。3.2 熱電池為了減少熱電池樣品達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，把探針的標(biāo)本切成一半，頂部的100毫米固定在熱電池板（見(jiàn)圖 2）。在樣品的頂部用鋁箔密封防止水分離開(kāi)樣品頂部。從上半

12、部的底部取來(lái)的刨片被用來(lái)確定在底部的初始水分含量。絕緣包裹標(biāo)本。兩熱敏電阻測(cè)量試樣兩端的溫度差，一個(gè)固定在臺(tái)板上和另一個(gè)嵌入土壤的頂部。打開(kāi)加熱器，控制功率使?jié)L筒溫度保持在40。用Mu-RataACM20-5-AC1-R-C瓦特計(jì)測(cè)量功率。監(jiān)測(cè)溫度，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，然后保持至少2小時(shí)。關(guān)閉電源盒加熱器，監(jiān)測(cè)恢復(fù)期。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，從試樣頂部，中部和底部取出刨片來(lái)確定最終的水分含量。3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析關(guān)于探針，溫度與時(shí)間的自然對(duì)數(shù)圖。直線段的梯度分別用公式7和8來(lái)確定加熱和恢復(fù)期的導(dǎo)熱系數(shù)。一個(gè)典型的結(jié)果如圖3所示。圖 3 在深度為88.45米探針的數(shù)據(jù)圖（a）溫度與時(shí)間（在加熱線的中點(diǎn)測(cè)量）溫度與

13、時(shí)間的對(duì)數(shù)計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)（b）加熱期 （c）恢復(fù)期對(duì)于熱電池，計(jì)算每個(gè)熱敏電阻穩(wěn)態(tài)期間的平均溫度。例如，圖4中的熱電池?cái)?shù)據(jù)，12到15.5小時(shí)為穩(wěn)態(tài)期。計(jì)算供給到加熱筒的平均功率。用公式9計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。恢復(fù)曲線也采用了2.2節(jié)描述的方法。然而，公式10中的式子不能準(zhǔn)確反映試樣兩端的溫度差。圖5顯示了熱電池恢復(fù)期的畢奧系數(shù)，從未低于0.2。因?yàn)槭侵苯訙y(cè)量功率，而不是用恢復(fù)曲線的方法。所以你不清楚為什么克拉克等人進(jìn)行的試驗(yàn)?zāi)軌虼_定公式的式子，而這項(xiàng)研究不能確定。圖 4 在深度為88.45米熱電池的數(shù)據(jù)圖圖 5 熱電池在恢復(fù)期的畢奧系數(shù)3.4 熱響應(yīng)測(cè)試注漿樁后10天進(jìn)行TRT。該測(cè)試是由GECCO2

14、公司用他們自己的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的。水作為循環(huán)液。流體的流量和溫度記錄在5分鐘的時(shí)間間隔，使用電磁流量計(jì)和鐵-康銅熱電偶（J型），分別。在最初階段循環(huán)持續(xù)4.5天，進(jìn)行了一個(gè)為期3天的熱噴射試驗(yàn)，為期3天的恢復(fù)期。下一階段是一個(gè)為期3天的熱采試驗(yàn)，隨后進(jìn)行為期4天的恢復(fù)期。平均功率供給熱交換器2.2和-2.1千瓦的熱噴和熱提取階段，分別。然后開(kāi)始循環(huán)測(cè)試包括兩熱噴射階段的熱萃取相分離。在這里，只有從第一注熱熱提取階段的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，這些被認(rèn)為是最可靠的。用2.3描述的步驟計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，假設(shè)。洛夫里奇等人給出的TRT細(xì)節(jié)分析24。4 結(jié)果與討論結(jié)果在表1中概述。探針的結(jié)果是每個(gè)樣本五次測(cè)量的平均值

15、。結(jié)果全方位如圖6所示。圖7顯示不同深度密度和含水量的變化。表 1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果總結(jié)圖 6 導(dǎo)熱系數(shù)與深度圖 7 密度和水分含量隨深度的變化4.1 探針導(dǎo)熱系數(shù)范圍從1.05到為加熱期，0.92到為恢復(fù)期。在同一樣品中的五個(gè)探針讀數(shù)的加熱期和恢復(fù)期變動(dòng)分別為和。當(dāng)探針事先使用五個(gè)相同的瓊脂凝膠樣品進(jìn)行測(cè)試，它給出的加熱期和恢復(fù)期的數(shù)據(jù)相同，所以大部分結(jié)果的差異應(yīng)該是由于土壤剖面中的熱導(dǎo)率的自然變化。倫敦粘土可以表現(xiàn)出一個(gè)可變的粗粒含量，以及水分含量和密度 27 。此外，水分含量的變化可以在采樣過(guò)程中引入（見(jiàn)4.3）。4.2 熱電池一個(gè)典型的熱電池的數(shù)據(jù)圖如圖4所示從1.65到的導(dǎo)熱系數(shù)（表1

16、）。頂部和底部的導(dǎo)熱率值的差異在2%和17%之間。如果探針孔對(duì)熱導(dǎo)率值有顯著影響，對(duì)頂部的測(cè)量的差異將永遠(yuǎn)高于底部，反之亦然。在沒(méi)有影響的情況下，當(dāng)孔的面積只有1.25%的總截面積，可以假定，頂部和底部的差異主要是由于土壤的自然變異。水分含量分別在熱電池測(cè)試前后測(cè)得，試樣的典型分布圖8所示。試樣頂部的水分含量測(cè)試后高于測(cè)試前，如圖9所示。水分含量增幅最大值是5.2%。這表明，在加熱期后，水分向熱流方向遷移。圖 8 熱電池在測(cè)試前后深度為2.002.45米上半部分的水分含量圖 9 在每個(gè)熱響應(yīng)測(cè)試前后土壤標(biāo)本頂部的水分含量4.3 熱響應(yīng)測(cè)試TRT給出的加熱和冷卻階段的導(dǎo)熱系數(shù)分別為2.5和24。

17、這些結(jié)果均高于表1的試驗(yàn)結(jié)果，這指的考慮到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的準(zhǔn)確性。各種不確定性的影響熱響應(yīng)測(cè)試，影響因素包括功率的變化，較大的直徑，較短的熱交換器和初始溫度的改變。然而，在熱響應(yīng)試驗(yàn)研究的誤差表明，一個(gè)好的試驗(yàn)誤差應(yīng)該控制在10%以內(nèi)23,28,30。然而，在樁的直徑比平常的大的時(shí)候誤差可能更大5。4.4 方法的比較用熱電池測(cè)量得到的導(dǎo)熱系數(shù)始終高于用探針得到的40-50%。這可能是由多個(gè)因素造成的。在熱電池計(jì)算中，功率損失忽略不計(jì)。然而，事實(shí)上損失些功率是必然的。理想情況下，應(yīng)該考慮這些損失的功率；這樣很難做實(shí)驗(yàn)，雖然做過(guò)一些嘗試3。有人認(rèn)為，熱損失可能超過(guò)20%（海明威，P. 2013個(gè)人觀念）

18、，如果是這樣的話，就能解釋大部分的熱電池和針探頭之間的變異。因此，熱損失是熱電池的計(jì)算誤差的最大原因。其他因素也會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的差異。分別測(cè)量探針和熱電池在徑向和軸向方向的導(dǎo)熱系數(shù)。因?yàn)橥寥朗歉飨虍愋缘模匀辉谳S向的導(dǎo)熱系數(shù)較高。然而，在土壤樣品的水平方向，即垂直于氣缸軸線。水平方向的導(dǎo)熱系數(shù)一般是高于豎直方向25。如果各向異性是探針和熱電池之間差異的原因，那么探針將得到比熱電池更高的導(dǎo)熱系數(shù)的值。各向異性可以通過(guò)取一個(gè)較大的試樣和修剪試樣到所需尺寸的兩個(gè)方向的研究。然而，在本次研究中找不到足夠大且高質(zhì)量的試樣。在任何情況下，各向異性不可能是造成這些差異的原因?？傊瑹犭姵販y(cè)量的導(dǎo)熱系數(shù)大于探針的

19、主要原因是，熱電池的熱損失沒(méi)有被占并且熱電池測(cè)試中有水分遷移。兩種實(shí)驗(yàn)室方法得到的導(dǎo)熱系數(shù)明顯比TRT小。TRT得到的導(dǎo)熱系數(shù)是探針兩倍，比熱電池的高40%。一個(gè)可能的原因是，在土壤樣品取出后，土壤樣品受到的壓力不同于在在地里的時(shí)候；在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)，沒(méi)有任何側(cè)壓力。使土壤顆粒2之間的接觸更松散。倫敦粘土固結(jié)試驗(yàn)的結(jié)果已經(jīng)事先記錄并且顯示了空隙比和垂直有效應(yīng)力對(duì)數(shù)的關(guān)系，即一維壓縮線卸載斜率15。由此，我們可以推斷，樣品的孔隙比的變化約為0.15。對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響可以用德弗里斯方程基于土壤成分14計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)估算。用于粘土礦物和水的導(dǎo)熱系數(shù)分別是7和19。用于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)是，這是考慮到在20時(shí)

20、水分遷移的一個(gè)有效的導(dǎo)熱系數(shù)12,14。樣品水分含量為0.2.it假定在抽樣之前土壤是飽和的，之后由于空氣的引入空隙比增加。現(xiàn)場(chǎng)的土壤和采集的試樣計(jì)算出的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.36和下降了12%。這不能完全解釋TRT和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果之間的差異，但可能是一個(gè)因素。抽樣取證的過(guò)程也會(huì)造成干擾，并已觀察到，U100型試樣在超固結(jié)粘土中，試樣中間部分的水分含量低于周圍16,29。這可能意味著探針測(cè)試的土壤（預(yù)計(jì)得到較低的平均導(dǎo)熱系數(shù)）比熱電池干燥。試樣從現(xiàn)場(chǎng)采集后被測(cè)試了幾個(gè)月，盡管是放在一個(gè)兩端用蠟密封的金屬管內(nèi)的，仍然有可能有一些試樣在測(cè)試前變干燥，特別是因?yàn)橛^察到的蠟隨著時(shí)間的推移變脆和拉離管邊緣。另一

21、個(gè)問(wèn)題是規(guī)模差異。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的試樣比TRT測(cè)試的土壤體積小得多。這本身會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果的差異，因?yàn)門(mén)RT將考慮大規(guī)模土壤分層。性質(zhì)，如水分含量和密度隨深度的變化而變化，所以盡管局部改變土壤取樣時(shí)的深度，也會(huì)明顯影響試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，這對(duì)反映土壤平均性能的TRT作用很小。也有可能是局部的重疊影響試樣超過(guò)TRT。樁位于眾所周知的比其它部分的形成具有較大的晶粒尺寸和礦物的變化的倫敦粘土基地單元內(nèi)27。5 結(jié)論比較了導(dǎo)熱系數(shù)的兩種測(cè)試方法，探針?lè)ê蜔犭姵胤?。針探針?lè)ㄋ钑r(shí)間少，而且土壤只需稍微加熱一小會(huì)，即水分遷移不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。然而，堅(jiān)硬的土壤樣品需要提前鉆孔和填充接觸液，這可能會(huì)增加接觸阻力。熱電池

22、幾乎不需要改變土壤樣品，但是功率損失需要做得更好。加熱時(shí)間長(zhǎng)也意味著水分向試樣頂部遷移。熱電池法得到比探針?lè)ǜ叩膶?dǎo)熱系數(shù)，這主要是由于明顯的熱損失。進(jìn)過(guò)比較，探針?lè)ㄊ鞘走x的實(shí)驗(yàn)室方法。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法得到的導(dǎo)熱系數(shù)始終比TRT低。可能的原因是在取樣后樣品收到擠壓，樣品干擾因素包括樣品在采樣過(guò)程中變干燥，提取樣品后樣品進(jìn)一步干燥和被測(cè)試樣品體積的差異。這些影響可以通過(guò)只使用高品質(zhì)的新鮮土樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)來(lái)消除，這在哪里都能辦得到。而TRT似乎能更好地測(cè)量土壤導(dǎo)熱系數(shù)，這是一個(gè)更昂貴更耗時(shí)的方法，并且包含有其它需要被了解的誤差。致謝：作者要感謝哈維斯金納在設(shè)計(jì)過(guò)程中，構(gòu)思上和儀器儀表上給予的幫助。

23、概念工程顧問(wèn)有限公司和阿勒普提供的土壤樣品。TRT是由gecco2在光纖溫度下進(jìn)行，由劍橋大學(xué)應(yīng)變監(jiān)測(cè)。我們也感謝金絲雀碼頭承包公司和馬頓巖土工程服務(wù)有限公司的現(xiàn)場(chǎng)支持。這是一個(gè)由EPSRC資助（參考EP / h0490101 / 1），由莫特麥克唐納德集團(tuán)有限公司，膠結(jié)斯堪斯卡公司，WJ地下水公司和戈?duì)柕轮С值捻?xiàng)目。原文：A comparison of laboratory and in situ methods to determine soil thermal conductivity for energy foundations and other ground heat exchan

24、ger applicationsReceived: 10 September 2013 / Accepted: 28 April 2014 / Published online: 16 October 2014Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014Abstract Soil thermal conductivity is an important factor in the design of energy foundations and other ground heat exchanger systems. It can be determined b

25、y a field thermal response test, which is both costly and time consuming, but tests a large volume of soil. Alternatively, cheaper and quicker laboratory test methods may be applied to smaller soil samples. This paper investigates two different laboratory methods: the steady-state thermal cell and t

26、he transient needle probe. U100 soil samples were taken during the site investigation for a small diameter test pile, for which a thermal response test was later conducted. The thermal conductivities of the samples were measured using the two laboratory methods. The results from the thermal cell and

27、 needle probe were significantly different, with the thermal cell consistently giving higher values for thermal conductivity. The main difficulty with the thermal cell was determining the rate of heat flow, as the apparatus experiences significant heat losses. The needle probe was found to have fewe

28、r significant sources of error, but tests a smaller soil sample than the thermal cell. However, both laboratory methods gave much lower values of thermal conductivity compared to the in situ thermal response test. Possible reasons for these discrepancies are discussed,including sample size, orientat

29、ion and disturbance.Keywords: Energy foundations, Ground source heat pumps, Needle probe, Thermal cell, Thermal conductivity1 IntroductionGround source heat pump (GSHP) systems provide a viable alternative to conventional heating and cooling systems in the move towards sustainable building solutions

30、 6. Heat is transferred between the ground and the building by means of a refrigerant which is pumped through a series of pipes buried in the ground. To minimise initial construction costs, the pipes can be cast into the foundations, eliminating the need to make further excavations. These systems ar

31、e known as energy or thermal foundations. To design such a system, it is important to model accurately the heat transfer process between the foundations and the soil. One important input parameter for such analysis is the soil thermal conductivity.There are several different laboratory methods for m

32、easuring soil thermal conductivity 14,26. They fall into one of two categories: steady-state or transient methods. At the laboratory scale, steady-state methods involve applying one-directional heat flow to a specimen and measuring the power input and temperature difference across it when a steady s

33、tate is reached. The thermal conductivity is then calculated directly using Fouriers law. Transient methods involve applying heat to the specimen and monitoring temperature changes over time. The transient data are used to determine the thermal conductivity, usually by application of an analytical s

34、olution to the heat diffusion equation.Some transient methods can also be used to assess other thermal properties such as thermal diffusivity 8. This paper compares the two approaches using a thermal cell (steady state) and a needle probe (transient) apparatus.Both the thermal cell and needle probe

35、are currently industry recommended laboratory methods 4,18,22.The thermal response test (TRT) 13 is currently the most widely used method for the determination of the in situ thermal conductivity for a GSHP system. It is a large-scale transient field test and involves construction of a ground heat e

36、xchanger. The test is analogous to the needle probe method,but at a much larger scale. In theory, the value of thermal conductivity obtained using this method would most closely relate to the heat transfer performance of a GSHP system, as it tests the largest volume of soil and also takes into accou

37、nt other ground characteristics such as groundwater flow and large-scale soil layering. However, there can be other sources of error to the method. For example, a significant source of error could be the method by which the TRT data are analysed 28. The laboratory methods will be compared to the res

38、ults from a TRT.2 BackgroundThere are several laboratory methods of measuring thermal conductivity which are considered as suitable for use with soils. For this study, the needle probe and thermal cell methods were chosen due to the simplicity of the apparatus.These were then compared to a field TRT

39、.2.1 Needle probeThe needle probe used is the TP02 probe produced by Hukseflux 20. It is 150 mm long with a diameter of 1.5 mm and encloses a 100-mm-long heating wire with a thermocouple located midway along this heater measuring the temperature (see Fig. 1).Fig. 1 Diagram of a needle probe (taken f

40、rom Hukseflux 20)The measurement of thermal conductivity using the needle probe method is based on the theory for an infinitely long, infinitely thin line heat source 10. If a constant power is applied to the heat source, the temperature rise at time t after the start of heating, at a radial distanc

41、e r from the heat source, is: (1)where q is the power per unit length of heater, is the thermal conductivity, is the thermal diffusivity, and Ei is the exponential integral 1: (2)After the power is switched off (start to the recovery phase), the temperature difference is given by: (3)where is the ti

42、me at which the power is switched off.Equations 1 and 3 cannot be solved for and explicitly.The exponential integral (Eq. 2) can be represented as a series expansion and approximated using the first two terms in the expansion 1: (4) (5)This approximation is valid for small values of , which is the c

43、ase when t is large. is Eulers constant. Substituting Eq. 5 into Eqs. 1 and 3 gives 4: (6) (7) (8)where B is a constant grouping together the end terms of Eq. 6.Graphs are plotted of change in temperature against and , for the heating and recovery phases, respectively. During an initial phase, the c

44、ontact resistance and thermal capacity of the probe are overcome.After this, the graphs become linear and the gradient can be used to calculate the thermal conductivity. The time it takes for linearity to occur depends on the contact between the probe and the soil, with a good contact giving a short

45、er initial phase.2.2 Thermal cellThe thermal cell is based on a design by Clarke et al.11,the recommended method for laboratory soil thermal conductivity testing according to the Ground Source Heat Pump Association (GSHPA) 18. A diagram of the apparatus is shown in Fig. 2. The thermal conductivity o

46、f a U100 (undisturbed, 100 mm diameter) sample is measured by generating one-directional heat flow along the axis of the specimen. The heat is generated by a cartridge heater embedded in the aluminium platen. Provided the specimen is well insulated so that radial heat losses can be neglected,the hea

47、t flow through the specimen during steady state is governed by Fouriers law:Fig. 2 Diagram of thermal cell cross-section (9)where Q is the power input, A is the cross-sectional area, is the temperature difference across the length of the specimen, and L is the length of the specimen. To use Eq. 9, t

48、he power input Q must be known. If Q cannot be measured directly, measurement of the temperatures in the specimen as it cools after the power is switched off (the recovery phase) can be used to determine the heat transfer coefficient between the top of the soil and the air, and hence the power. This

49、 approach, proposed by Clarke et al.11, uses the lumped capacitance method, which is only valid when the temperature difference across the soil is small compared with the temperature difference between the soil surface and the ambient temperature 21: (10)where subscripts base, top and amb refer to t

50、he temperature at the base of the soil, top of the soil and of the ambient air, respectively. The ambient temperature is assumed to be constant. Bi is the Biot number, a dimensionless group which is the ratio of resistances to heat transfer by conduction and convection. Where this is satisfied, the

51、temperature of the soil at time t is 11: (11)where is the temperature of the soil at time t = 0 (when Eq. 10 starts to apply), h is the convection heat transfer coefficient, m is the total mass of the soil, and is the soil specific heat capacity. This is estimated from the properties of the soil con

52、stituents: (12)Equation 11 gives a theoretical decay curve which can be fitted to the experimental data by modifying h until the two curves match. During steady state, conservation of energy dictates that the heat flow rate across the soil is equal to the heat flow rate at the top of the specimen fr

53、om the soil to the air: (13)This is used to calculate the thermal conductivity. It is worth mentioning that this method introduces an error associated with the estimation of the specific heat capacity from constituents whose properties may not be accurately known.2.3 Thermal response testIn a TRT, c

54、onstant power is supplied to heat a fluid which is circulated through the pipes of a ground heat exchanger for a specified period. During the test, fluid temperatures at the inlet and outlet to the ground heat exchanger are recorded. As with the needle probe, the TRT data are interpreted by assuming the ground heat exchanger behaves as an infinite line heat source. From Eqs. 1 and 5,the change in ground temperature can be expressed by Carslaw and Jaeger 10: (14)where is the change