CN111895832A - 一种组合式热管系统及其应用的建筑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种组合式热管系统及其应用的建筑结构，所述组合式热管系统包括：至少一个第一热管，倾斜置于建筑结构中，第一热管的蒸发段靠近建筑结构的外壁，冷凝段靠近建筑结构的内壁；至少一个第二热管，倾斜置于建筑结构中，第二热管的蒸发段靠近建筑结构的内壁，冷凝段靠近建筑结构的外壁；第一管路，与各第一热管的蒸发段相连，用于向第一热管中充灌工作介质或排空第一热管中的工作介质；第二管路，与各第二热管的蒸发段相连，用于向第二热管中充灌工作介质或排空第二热管中的工作介质。本发明可以在屋体室内需要制冷时将热量快速传递到室外，在屋体室内需要采暖时，将室外热量快速传递到室内，可以减少空调制冷和采暖能耗，节约能源。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程技术领域，特别是涉及节能建筑技术领域，具体为一种组合式热管系统及其应用的建筑结构。
背景技术
热管是利用工作介质在热端蒸发后在冷端冷凝的相变过程(即利用液体的蒸发潜热和凝结潜热)，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点可以通过真空程度和介质的选择进行控制，得到不同启动温度的热管。在热管的蒸发段温度高于液体沸点时，管芯内的工作液体受热蒸发，并带走热量，蒸汽从中心通道流向热管的冷凝段，凝结成液体，同时放出潜热，在重力或者毛细吸附作用下，液体回流到蒸发段。这样，就完成了一个闭合循环，从而将大量的热量从加热段传到散热段。当加热段在下，冷却段在上，热管呈竖直放置时，工作液体的回流靠重力足可满足，无须毛细结构的管芯，这种不具有多孔体管芯的热管被称为热虹吸管。
热管(heat pipe)技术被广泛应用在宇航、军工等行业，特别是用于增强换热。热管可以快速高效的传热，其导热能力可到金属铜的数十倍甚至上百倍。
在建筑领域，特别是夏热冬冷地区，由于建筑热惰性的存在和太阳辐射作用，冬季和春季部分时段室外温度高于室内，室外比较温暖时室内仍旧较为阴冷。将室外热量快速大量的传递到室内，可以改善室内热舒适状况，并减少采暖能耗。在夏季和秋季，部分时段室外较为凉爽，但是由于建筑室内设备人员发热和建筑的热惰性，室内温度高于室外。此时，将室内热量快速传递到室外，可以降低室内温度，使室内变得凉爽，减少空调制冷能耗。既有研究主要集中于冬季通过热管将室外太阳辐射热高效的传导到室内，而不考虑其他季节热管的积极或消极作用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种组合式热管系统及其应用的建筑结构，用于解决现有技术中无法利用热管根据季节调节室内温度的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明的实施例提供一种组合式热管系统，应用于建筑结构中，所述建筑结构为屋体的墙体或屋顶；所述组合式热管系统包括：至少一个第一热管，倾斜置于建筑结构中，所述第一热管的蒸发段靠近所述建筑结构的外壁，冷凝段靠近所述建筑结构的内壁；至少一个第二热管，倾斜置于建筑结构中，所述第二热管的蒸发段靠近所述建筑结构的内壁，冷凝段靠近所述建筑结构的外壁；第一管路，与各所述第一热管的蒸发段相连，用于向所述第一热管中充灌工作介质或排空所述第一热管中的工作介质；第二管路，与各所述第二热管的蒸发段相连，用于向所述第二热管中充灌工作介质或排空所述第二热管中的工作介质。
于本发明的一实施例中，所述第一热管的冷凝段高于蒸发段；所述第二热管的冷凝段高于蒸发段。
于本发明的一实施例中，所述第一热管的启动温度为10℃～24℃；所述第二热管的启动温度为25℃以上。
于本发明的一实施例中，所述第一热管与水平面的夹角为30°～60°；所述第二热管与水平面的夹角为30°～60°。
于本发明的一实施例中，所述第一热管的管径为3cm～5cm；所述第二热管的的管径为3cm～5cm。
于本发明的一实施例中，各所述第一热管之间的间距、各所述第二热管之间的间距以及所述第一热管与所述第二热管之间的间距均为20cm～35cm。
于本发明的一实施例中，所述第一热管的蒸发段的长度为1cm～3cm；所述第二热管的蒸发段的长度为1cm～3cm。
于本发明的一实施例中，所述第一热管中充灌有工作介质时，所述第二热管中排空工作介质；所述第一热管中排空工作介质时，所述第二热管中充灌有工作介质。
于本发明的一实施例中，所述组合式热管系统还包括：第一储存罐，用于储存向所述第一热管中充灌的工作介质；第一储存罐，用于储存向所述第一热管中充灌的工作介质；第一泵体，分别与所述第一储存罐和所述第一管路相连，用于控制将所述第一储存罐中的工作介质充灌入所述第一热管，或将所述第一热管中的工作介质排空流入所述第一储存罐；第二泵体，分别与所述第二储存罐和所述第二管路相连，用于控制将所述第二储存罐中的工作介质充灌入所述第二热管，或将所述第二热管中的工作介质排空流入所述第二储存罐。
本发明的实施例还提供一种建筑结构，其特征在于：应用如上所述的组合式热管系统。
如上所述，本发明的一种组合式热管系统及其应用的建筑结构，具有以下有益效果：
本发明可以在屋体室内需要制冷时将热量快速传递到室外，在屋体室内需要采暖时，将室外热量快速传递到室内，可以减少空调制冷和采暖能耗，节约能源。
附图说明
图1显示为本发明的组合式热管系统应用于墙体时的原理结构示意图。
图2显示为本发明的中组合式热管系统应用于屋顶时的整体结构示意图。
元件标号说明
100 组合式热管系统
110 第一热管
111 蒸发段
112 冷凝段
120 第二热管
121 蒸发段
122 冷凝段
130 第一管路
140 第二管路
150 第一储存罐
160 第二储存罐
170 第一泵体
180 第二泵体
200 建筑结构
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例的目的在于提供一种组合式热管系统及其应用的建筑结构，用于解决现有技术中无法利用热管根据季节调节室内温度的问题。
以下将详细阐述本实施例的一种组合式热管系统及其应用的建筑结构的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的一种组合式热管系统及其应用的建筑结构。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种组合式热管系统100，应用于建筑结构200中，所述建筑结构200为屋体的墙体或屋顶。所述组合式热管系统100包括：至少一个第一热管110、至少一个第二热管120、第一管路130以及第二管路140。
具体地，于本实施例中，所述第一热管110倾斜置于建筑结构200中，所述第一热管110的蒸发段111靠近所述建筑结构200的外壁，冷凝段112靠近所述建筑结构200的内壁。
所述第一热管110的蒸发段111在墙体或屋顶的外壁面侧，冷凝段112在墙体或屋顶的内壁面，启动温度高于采暖季建筑室内温度。采暖季节，由于受到太阳照射或者室外气温较高时，当建筑外墙和屋顶外壁面温度高于室内温度时，室外的热量可以快速通过所述第一热管110传导到室内，否则热管不启动，不发生热传递。
其中，于本实施例中，所述第一热管110的冷凝段112高于蒸发段111。在不影响墙体和屋顶结构需要时，所述第一热管110的蒸发段111和/或冷凝段112可设置加强换热的翅片。
所述第一热管110在外墙和屋顶中倾斜放置，蒸发段111低于冷凝段112，所述第一热管110的蒸发段111端部处于墙体外壁面处、冷凝段112处于内壁面处，所述第一热管110的蒸发段111与冷凝段112均不伸出墙体外部，不影响墙体外观。
于本实施例中，所述第一热管110的启动温度为但不限于10℃～24℃。
根据当地气候和建筑是否采用空调制冷采暖设备确定第一热管110工作介质启动温度。以夏热冬冷地区为例，根据室内热舒适性标准和室内热舒适性环境调查，当建筑较少使用空调制冷和采暖设备时，例如第一热管110启动温度为14℃，当建筑较多使用空调制冷和采暖时，例如第一热管110的启动温度为18℃。
确定所述第一热管110启动温度后，选择第一热管110相应的工作介质，并根据工作介质的热物性参数中沸点与压力之间的关系，确定第一热管110内的真空度。
具体地，于本实施例中，所述第一管路130与各所述第一热管110的蒸发段111相连，用于向所述第一热管110中充灌工作介质或排空所述第一热管110中的工作介质。
于本实施例中，所述第一热管110的蒸发段111预留接口，并连接所述第一管路130，便于向第一热管110充灌或排空工作介质。第一管路130可以采用PPR等管道，具体管径根据第一热管110数量计算热管工作介质总量。第一热管110的工作介质每年充灌或排空一次，充灌或排空时间可以在24h-48h左右，确保每个第一热管110均可充满或排空介质。
按照所要应用墙体的厚度和结构要求，确定第一热管110的倾斜角度，于本实施例中，所述第一热管110与水平面的夹角为30°～60°。
其中，于本实施例中，所述第一热管110的管径为3cm～5cm，所述第一热管110的蒸发段的长度为1cm～3cm，优选地，所述第一热管110的蒸发段111长度为2cm。
采暖季节，由于受到太阳照射或者室外气温较高时，当建筑外墙和屋顶外壁面温度高于屋体的室内温度时，墙体或屋顶中的第一热管110的蒸发段111温度高于液体沸点时，第一热管110的工作介质(液体介质)受热蒸发，形成饱和蒸汽，并带走热量，饱和蒸汽从中心通道流向第一热管110的冷凝段112方向移动，凝结成液体液滴，同时放出潜热，在重力或者毛细吸附作用下，液体液滴回流到蒸发段111。这样，就完成了一个闭合循环，从而将大量的热量从蒸发段111传到冷凝段112，从而通过第一热管110将室外的热量可以快速传导到室内，由于蒸发段111在下，冷凝段112在上，第一热管110呈竖直倾斜放置时，液体液滴的回流靠重力足可满足。
具体地，于本实施例中，所述第二热管120倾斜置于建筑结构200中，所述第二热管120的蒸发段121靠近所述建筑结构200的内壁，冷凝段122靠近所述建筑结构200的外壁。
所述第二热管120的蒸发段121在墙体或屋顶的内壁面，冷凝段122在墙体或屋顶的外壁面，启动温度低于空调制冷季节室内温度。在需要制冷的季节，当建筑外墙和屋顶外壁面温度低于室内温度时，所述第二热管120启动，室内的热量可以快速通过所述第二热管120传导到室外，否则热管不启动，不发生热传递。
其中，于本实施例中，所述第二热管120的冷凝段高于蒸发段。在不影响墙体和屋顶结构需要时，所述第二热管120的蒸发段121和/或冷凝段122可设置加强换热的翅片。
所述第二热管120在外墙和屋顶中倾斜放置，蒸发段121低于冷凝段122，所述第二热管120的冷凝段122端部处于墙体外壁面处、蒸发段121处于内壁面处，所述第二热管120的蒸发段121与冷凝段122均不伸出墙体外部，不影响墙体外观。
于本实施例中，所述第二热管120的启动温度为但不限于25℃以上。
根据当地气候和建筑是否采用空调制冷采暖设备确定第二热管120工作介质启动温度。以夏热冬冷地区为例，根据室内热舒适性标准和室内热舒适性环境调查，当建筑较少使用空调制冷和采暖设备时，所述第二热管120启动温度为26℃；当建筑较多使用空调制冷和采暖时，所述第二热管120启动温度为28℃。
确定所述第二热管120启动温度后，选择第二热管120相应的工作介质，并根据工作介质的热物性参数中沸点与压力之间的关系，确定第二热管120内的真空度。
具体地，于本实施例中，所述第二管路140与各所述第二热管120的蒸发段121相连，用于向所述第二热管120中充灌工作介质或排空所述第二热管120中的工作介质。
于本实施例中，所述第二热管120的蒸发段121预留接口，并连接所述第二管路140，便于向第二热管120充灌或排空工作介质。第二管路140可以采用PPR等管道，具体管径根据第二热管120数量计算热管工作介质总量。第二热管120的工作介质每年充灌或排空一次，充灌或排空时间可以在24h-48h左右，确保每个第二热管120均可充满或排空介质。
按照所要应用墙体的厚度和结构要求，确定第二热管120的倾斜角度，于本实施例中，所述第二热管120与水平面的夹角为30°～60°。
其中，所述第二热管120的的管径为3cm～5cm；所述第二热管120的蒸发段121的长度为1cm～3cm，优选地，所述第二热管120的蒸发段121长度为2cm。
于本实施例中，各所述第一热管110之间的间距、各所述第二热管120之间的间距以及所述第一热管110与所述第二热管120之间的间距均为20cm～35cm。也就是说，各个热管相互之间间距选择20cm～35cm。
制冷季节，当建筑外墙和屋顶外壁面温度低于室内温度时，墙体或屋顶的内壁面中的第二热管120的蒸发段121温度高于液体沸点时，第二热管120的工作介质(液体介质)受热蒸发，形成饱和蒸汽，并带走热量，饱和蒸汽从中心通道流向第二热管120的冷凝段122(即墙体或屋顶的外壁面)方向移动，凝结成液体液滴，同时放出潜热，在重力或者毛细吸附作用下，液体液滴回流到蒸发段121。这样，就完成了一个闭合循环，从而将大量的热量从蒸发段121传到冷凝段122，从而通过第二热管120将室内的热量可以快速传导到室外，由于蒸发段121在下，冷凝段122在上，第二热管120呈竖直倾斜放置时，液体液滴的回流靠重力足可满足。
于本实施例中，所述第一热管110中充灌有工作介质时，所述第二热管120中排空工作介质；所述第一热管110中排空工作介质时，所述第二热管120中充灌有工作介质。
例如，在每年11月15日至次年4月15日，向第一热管110充灌工作介质，并把第二热管120中的工作介质排空。每年4月16日至11月14日，向第二热管120充灌工作介质，并把第一热管110中工作介质排空。
通过两套埋设于墙体或屋顶结构中的第一管路130和第二管路140，分别对第一热管110和第二热管120进行工作介质的充灌和排空：在工作时段充灌热管工作介质，在非工作时段排空热管工作介质，不需要复杂的控制系统即可满足全年使用需求，避免不合理传热过程的发生。特别是在夏热冬冷地区建筑中应用，可以在需要制冷时将热量快速传递到室外，在室内需要采暖时，将室外热量快速传递到室内，可以减少空调制冷和采暖能耗，节约能源。
如图2所示，于本实施例中，所述组合式热管系统100还包括：第一储存罐150，第二储存罐160，第一泵体170以及第二泵体180。
于本实施例中，所述第一储存罐150用于储存向所述第一热管110中充灌的工作介质；于本实施例中，所述第二储存罐160用于储存向所述第二热管120中充灌的工作介质。
于本实施例中，所述第一泵体170分别与所述第一储存罐150和所述第一管路130相连，用于控制将所述第一储存罐150中的工作介质充灌入所述第一热管110，或将所述第一热管110中的工作介质排空流入所述第一储存罐150。
于本实施例中，所述第二泵体180分别与所述第二储存罐160和所述第二管路140相连，用于控制将所述第二储存罐160中的工作介质充灌入所述第二热管120，或将所述第二热管120中的工作介质排空流入所述第二储存罐160。
当有多面墙体和屋顶采用本实施例的组合式热管时，可分层、分墙面分别建立介质充灌/排空的管路，或者管路相连接，共用储存罐。
也就是说，于本实施例中，所述第一热管110和第二热管120可以采用相同的工作介质，共用一个储存工作介质的储存罐，并通过第一管路130上的泵体控制将储存罐中的工作介质充灌入所述第一热管110，或将所述第一热管110中的工作介质排空流入所述储存罐，通过第二管路140上的泵体控制将储存罐中的工作介质充灌入所述第二热管120，或将所述第二热管120中的工作介质排空流入所述储存罐。
由上可见，本实施例中的组合式热管系统100由组合热管(第一热管110和第二热管120)植入式墙体和屋顶，通过控制热管中工作介质充灌和排空，不需要复杂的控制系统即可满足全年使用需求，避免不合理传热过程的发生。特别是在夏热冬冷地区建筑中应用，可以在需要制冷时将热量快速传递到室外，在室内需要采暖时，将室外热量快速传递到室内，可以减少空调制冷和采暖能耗，节约能源。
实施例2
如图1和图2所示，本实施例提供一种建筑结构200，所述建筑结构200应用实施例1中所述的组合式热管系统100。其中，图1中所示的所建筑结构200为屋体的墙体，图2中所示的建筑结构200为屋体的屋顶，即屋体的一个或多个墙体、一个或多个屋顶应用如实施例1所述的组合式热管系统100。其中，墙体或屋顶可以通过工厂预制砌块的方式或者现场施工浇筑，不影响使用效果。实施例1已经对所述组合式热管系统100进行了详细说明，在此不再赘述。
综上所述，本发明可以在屋体室内需要制冷时将热量快速传递到室外，在屋体室内需要采暖时，将室外热量快速传递到室内，可以减少空调制冷和采暖能耗，节约能源。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种组合式热管系统，应用于建筑结构中，所述建筑结构为屋体的墙体或屋顶；其特征在于：所述组合式热管系统包括：
至少一个第一热管，倾斜置于建筑结构中，所述第一热管的蒸发段靠近所述建筑结构的外壁，冷凝段靠近所述建筑结构的内壁，启动温度高于屋体室内温度；
至少一个第二热管，倾斜置于建筑结构中，所述第二热管的蒸发段靠近所述建筑结构的内壁，冷凝段靠近所述建筑结构的外壁，启动温度低于屋体室内温度；
第一管路，与各所述第一热管的蒸发段相连，用于向所述第一热管中充灌工作介质或排空所述第一热管中的工作介质；
第二管路，与各所述第二热管的蒸发段相连，用于向所述第二热管中充灌工作介质或排空所述第二热管中的工作介质。
2.根据权利要求1所述的组合式热管系统，其特征在于：所述第一热管的冷凝段高于蒸发段；所述第二热管的冷凝段高于蒸发段。
3.根据权利要求1所述的组合式热管系统，其特征在于：所述第一热管的启动温度为10℃～24℃；所述第二热管的启动温度为25℃以上。
4.根据权利要求1所述的组合式热管系统，其特征在于：所述第一热管与水平面的夹角为30°～60°；所述第二热管与水平面的夹角为30°～60°。
5.根据权利要求1所述的组合式热管系统，其特征在于：所述第一热管的管径为3cm～5cm；所述第二热管的的管径为3cm～5cm。
6.根据权利要求1所述的组合式热管系统，其特征在于：各所述第一热管之间的间距、各所述第二热管之间的间距以及所述第一热管与所述第二热管之间的间距均为20cm～35cm。
7.根据权利要求1所述的组合式热管系统，其特征在于：所述第一热管的蒸发段的长度为1cm～3cm；所述第二热管的蒸发段的长度为1cm～3cm。
8.根据权利要求1所述的组合式热管系统，其特征在于：所述第一热管中充灌有工作介质时，所述第二热管中排空工作介质；所述第一热管中排空工作介质时，所述第二热管中充灌有工作介质。
9.根据权利要求1所述的组合式热管系统，其特征在于：所述组合式热管系统还包括：
第一储存罐，用于储存向所述第一热管中充灌的工作介质；
第二储存罐，用于储存向所述第二热管中充灌的工作介质；
第一泵体，分别与所述第一储存罐和所述第一管路相连，用于控制将所述第一储存罐中的工作介质充灌入所述第一热管，或将所述第一热管中的工作介质排空流入所述第一储存罐；
第二泵体，分别与所述第二储存罐和所述第二管路相连，用于控制将所述第二储存罐中的工作介质充灌入所述第二热管，或将所述第二热管中的工作介质排空流入所述第二储存罐。
10.一种建筑结构，其特征在于：应用如权利要求1至权利要求9任一权利要求所述的组合式热管系统。
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