CN103807902B

CN103807902B - 多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统

Info

Publication number: CN103807902B
Application number: CN201410092969.6A
Authority: CN
Inventors: 王克振; 王智平; 路阳; 赵静
Original assignee: Lanzhou University of Technology
Current assignee: Lanzhou University of Technology
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: CN103807902A

Abstract

多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，它包括房屋地基和围墙，还包括多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，所述多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统包括土坯储热装置、热风风道、冷风风道、热风百叶窗和冷风百叶窗组成，所述土坯储热装置包括多孔土坯组合体、设置在土坯组合体通风孔两端的上汇流道和下汇流道、及四围围护结构构成。该系统以空气作为传热介质，以建筑地基作为储热空间，以多孔土坯作为储热介质，以低温辐射供暖和冷热空气的自然对流作为供暖主要方式。

Description

多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统

技术领域

本发明涉及储能及暖通技术领域，具体涉及一种利用土坯储热并通过对流与辐射向房间供暖的超低温供暖系统。

背景技术

由于太阳能存在间歇性和不稳定性，而冬季建筑供暖的热能却需要是连续和稳定的，因此在将太阳能应用到建筑供暖的过程中，有必要开发低成本的储热和供暖技术。太阳能集热器的效率与其出口温度成反向变化关系，低温储热供暖系统可有效降低太阳能集热器所需的出口温度，提高其转化效率。目前常用的低温供暖技术主要是低温地板辐射供暖技术，该技术主要利用地面辐射传热方式向房间供暖，因供暖面积大而使供暖温度显著低于同等条件下的普通散热器的供暖温度。本发明所公开的技术主要利用多孔土坯进行储热，并利用储热体外表面辐射和内部多孔隙对流换热两种传热方式同时向房间供暖，具有储热成本低和供暖温度低两个优势。

从目前已公开的文献看，同时利用储热体外表面辐射和内部多孔隙对流两种传热方式同时向房间供暖的文献还没有。检索已公开的文献资料，有代表性的文章有2013年大连理工大学硕士研究生论文“热风式太阳能地板储热系统热性能研究”，该文献研究了一种仅利用地板表面进行辐射传热的混凝土储热供暖系统，没有使用储热体内部孔隙进行对流换热，并且该文献利用混凝土进行储热，储热材料成本高，限制了其应用推广价值。

检索专利文献，有一项技术与本专利技术较为类似。该项技术是已授权的“农村住房太阳能供暖装置”的实用新型专利技术，其专利申请号为2009201010823，该技术以空气为传热介质，以设置在地下的卵石作为储热介质，主要通过低温辐射进行被动式供暖，在被动式辐射供暖技术供暖功率不够时，再通过风机将地下卵石间的热空气抽出，输送到第一和第二热风幕散热器中进行主动供暖。这项技术中明显存在着以下问题：

1. 储热材料不容易获取。选用卵石做储热材料，虽然卵石便宜但对于平原、沙漠、黄土高源等地区而言，卵石不容易获取，且要经过长距离运输，成本较高；而用混凝土做储热材料，需要大容量储热时，储热需用体量大，其成本亦较高。

2. 储热体外形不规则，形成良好通风和换热所需的有规则堆放较为困难。卵石储热体外形多为水流冲刷随机形成的不规则椭圆形，大小不一，当需要的储热体量较大时，要做到有规则的大量堆放难度较高，而随机堆放使得部分区域流阻小，气流通过量大，储放热效果好，部分区域流阻大，气流通过量小，储放热效果差。

3. 实心储热体的内部储放热较为困难。卵石储热体形成的不规则椭圆形状，其表面层的储放热较为容易，但其内部材料的储放热必须通过石材的导热才能到达表面，而石材的导热系数较低，一般在2.5W/（m·K）左右，因此对于大尺寸卵石，则热量较难从卵石表面向中心部位传热，对于小尺寸卵石，则卵石堆积密度大，热空气较难穿过卵石堆积体，因此堆积在一起的卵石体储放热能力差。

4. 供暖过程中消耗能量。当低温地板辐射供暖方式不能满足房间的供暖功率要求时，该技术启动抽风机将储热体内的热空气直接输送到房间内，此时需要消耗额外的能量为房间供暖，提高的系统的安装成本和供暖运行成本。

5. 需要较大的温差才能有效供暖。低温地板辐射供暖技术虽然较普通散热器供暖温度低，但也需要在比室温高15℃时才能有较高的供暖功率，温度较低时供暖功率明显下降，不能有效保证室内的温暖温度。

发明内容

本发明的目的是提供一种多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统。

本发明是多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，它包括房屋地基和围墙3，还包括多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，在两个相对或相邻的围墙3内侧、与围墙3相距1cm～50cm的地方建有隔板7，其中一侧的隔板7与围墙3围成的空间构成热风风道6，与其相对或相邻的隔板7和邻近的围墙3围成的空间构成冷风风道16，在构成热风风道6的围墙3、楼板18或隔板7上开设有进风孔1，在每个进风孔1内设有阀门或挡板2，在构成冷风风道16的围墙3、楼板18或隔板7上开设有出风孔14，在每个出风孔14内设有阀门或挡板15，在每间房子组成热风风道6的隔板7靠近屋顶的上方开设有热风百叶窗5，在每间房子组成冷风风道16的隔板7靠近地面的地方开设有冷风百叶窗17，热风风道6和冷风风道16的由隔板7、楼板18或围墙3封闭起来，在房屋地基上铺设有保温板13，热风风道6和冷风风道16分别与土坯储热装置相联通，所述土坯储热装置由土坯11、设置在土坯11组合体通风孔两端的上汇流道9和下汇流道10、及四围围护结构构成，其中上汇流道9与热风风道6的下端相联通，下汇流道10与冷风风道16的下端相联通。

本发明的有益之处在于：

1、本发明选用的储热材料来源广泛且便宜。本发明以土为主要的储热材料，土是人类居住的地方最容易获取的建筑材料，来源广泛且很便宜。

2、本发明的多孔土坯通过湿土冲压成型制成，土的致密度较自然堆积体高很多，使土坯具有强度高、导热系数高、容积比热大的优点，通过机械化加工制成的土坯性能稳定，效率高、成本低，不需要焙烧，加工过程耗能低。

3、本发明的多孔土坯外形规则，便于人工进行快速大量有规则堆放，使通风道能实现同流阻设计施工，人工安装成本低，速度快，换热效果好。

4、本发明的多孔土坯储放热性能好。由于内部通气孔的设计，使土坯不仅可以通过表面传热，也可以通过内部孔洞进行传热，传热面积大，储热材料距传热表面距离近，传热效率高，储放热性能好。

5、本发明运行费用低。本发明可实现被动式供暖，在完全不消耗能量的情况下实现储热体向建筑供暖的目标，运行费用低。

6、本发明建造成本低。本发明由于采用定形储热材料，以空气为传热介质，因此不需要特制储热罐或储热池之类的容器，可以置于地下或地上，简单堆积后周围用保温材料包裹即可，储热系统建造成本低；另外，本发明将储热系统和供暖系统进行了一体化设计，利用储热体的储放热换热通道作为供暖末端，减少了建筑物单独安装建造供暖末端的成本。

7、本发明可以进行大容量储热。以卵石作为储热材料时，当卵石堆积体体积很大，空气流程很长时，空气所遇流阻很大，空气流很难穿过堆积体，卵石堆积体的储放热变得很困难。本发明的多孔土坯在大容量储热时，可以按规则排列，使土坯内的孔联接成一个很长的直管，空气流可以较容易地穿过这些管道，流阻小，各管道流阻大小均匀，储放热容易。

8、本发明可以实现超低温供暖。本发明不仅利用储热体外表面向房间辐射供暖，也利用储热体内部孔洞通过对流向房间供暖，形成三维立体供暖模式，有效传热面积大，可以实现超低温小温差供暖。

附图说明

图1 是本发明的多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统侧剖面图，图2 是供暖示意图，图3 是多孔土坯的主视图，图4是图3中多孔土坯的沿孔纵向剖面图，图5是图3中多孔土坯的沿孔横向剖面图，图6 是多孔土坯平放剖面图，图7 是多孔土坯立放剖面图，图8 是多孔土坯侧立放剖面图，图9 是多孔土坯W型立放剖面图，图10 是炕式储热供暖示意图，图11 是多侧墙式储热供暖示意图，图12 是多层楼房供暖示意图，图13 是分离式储热供暖示意图，附图标记及对应名称为：1、进风孔；2、阀门或挡板；3、围墙；4、保温板；5、热风百叶窗；6、热风风道；7、隔板；8、地面层；9、上汇流道；10、下汇流道；11、土坯；12、土坯内孔；13、保温板；14、出风孔；15、阀门或挡板；16、冷风风道；17、冷风百叶窗；18、楼板；19、热风通风孔；20、冷风通风孔；21、风机；22、冷风管道；23、阀门；24、储热体冷风孔；25、保温层；26、储热体热风孔；27、阀门；28、供暖回风口；29、阀门；30、供暖出风口；31、阀门；32、热风管道；33、支撑柱。

具体实施方式

如图1所示，本发明是多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，它包括房屋地基和围墙3，还包括多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，在两个相对或相邻的围墙3内侧、与围墙3相距1cm～50cm的地方建有隔板7，其中一侧的隔板7与围墙3围成的空间构成热风风道6，与其相对或相邻的隔板7和邻近的围墙3围成的空间构成冷风风道16，在构成热风风道6的围墙3、楼板18或隔板7上开设有进风孔1，在每个进风孔1内设有阀门或挡板2，在构成冷风风道16的围墙3、楼板18或隔板7上开设有出风孔14，在每个出风孔14内设有阀门或挡板15，在每间房子组成热风风道6的隔板7靠近屋顶的上方开设有热风百叶窗5，在每间房子组成冷风风道16的隔板7靠近地面的地方开设有冷风百叶窗17，热风风道6和冷风风道16的由隔板7、楼板18或围墙3封闭起来，在房屋地基上铺设有保温板13，热风风道6和冷风风道16分别与土坯储热装置相联通，所述土坯储热装置由土坯11、设置在土坯11组合体通风孔两端的上汇流道9和下汇流道10、及四围围护结构构成，其中上汇流道9与热风风道6的下端相联通，下汇流道10与冷风风道16的下端相联通。

如图1、图3、图4、图5所示，土坯11外形是长方体，或者是正方体，或者是四面体，或者是球，其外形边长为3cm～100 cm，土坯内孔12截面形状是三角形，或者是四边形，或者是五边形，或者是多边形，或者是圆形，通风孔是直的，或者是弯曲的，土坯内孔12数量为每平方分米0～5个，每个通风孔面积为0.2cm²～700cm²。

土坯储热装置为室内地下安装，或者室内局部地上安装，或者室内侧墙安装，或者室外安装，以上四种安装方式可以单独安装，或者按2～4种方式联合安装。

土坯为平放，或者土坯内孔12与气流方向平行的顺立放，或者土坯内孔12与气流方向垂直的侧立放，或者土坯内孔12与气流方向保持小于等于45度夹角的W型，土坯11与土坯之间的间距为0cm～15 cm。

如图1所示，上汇流道9和下汇流道10的两壁是水平的，或者是垂直的，或者是倾斜的，上汇流道9和下汇流道10的两壁是水平时，则在两壁中间有支撑柱33，将两壁分开；上汇流道9和下汇流道10的两壁是倾斜时，其倾角为在0±35°。

上汇流道9和下汇流道10的两壁间距为2cm～80 cm，上汇流道9和下汇流道10的两壁是平行的，或者是非平行的，在非平行的，其不平行度为0±35°。

如图1所示，热风百叶窗5和冷风百叶窗17是圆形的，或者是方形的，或者是三角形的，或者是多边形，面积为10平方厘米至3平方米，在每间房子的隔板7上分别开设的热风百叶窗5和冷风百叶窗17数量为1～10个。

如图1所示，进风孔1和出风孔14是圆形的，或者是方形的，或者是三角形的，或者是多边形的，单个进风孔1和出风孔14面积为10平方厘米至1平方米，在每间房子内设置的进风孔1和出风孔（14）的数量为1～20个。

热风通风孔19和冷风通风孔20是圆形的，或者是方形的，或者是三角形的，或者是多边形的，单个热风通风孔19和冷风通风孔20面积为10平方厘米至1平方米。

该房屋是7层以下的建筑，在房屋所有朝外的围墙3外侧均铺设有保温板3，在上下每两间房子之间的楼板18上分别开设有1～15个热风通风孔19和冷风通风孔20，热风通风孔19与热风风道6相联通，冷风通风孔20与冷风风道16相联通。

实施例1

本发明实施例1如图1~6所示，其储热工作方式如图1所示，供暖工作方式如图2所示，土坯如图形所示，单层土坯摆放方式如图6所示。本发明实施例1储热工作方式是，打开阀门或挡板2，打开阀门或挡板15，关闭热风百叶窗5和冷风百叶窗17，由供热装置提供的热风从热风风道6向下运行，进入与热风风道6相联通的上汇流道9，由上汇流道9平均分散流量后进入土坯内孔12，经土坯内孔12换热冷却后的冷空气再进入下汇流道10，经下汇流道10汇集后进入冷风风道16，再从冷风风道16流入出风孔14，经出风孔14流回供热装置。

本发明实施例1直供热风的工作方式如图1所示，打开阀门或挡板2，打开阀门或挡板15，打开热风百叶窗5和冷风百叶窗17，由供热装置提供的热风从进风孔1进入热风风道6，再经由热风风道6从热风百叶窗5进入房间，再从冷风百叶窗17流入冷风风道16，再从冷风风道16流入出风孔14，经出风孔14流回供热装置。

本发明实施例1的储热体向房间供暖工作方式如图2所示，关闭阀门或挡板2，关闭阀门或挡板15，防止冷空气进入室内或土坯11中，当室外环境温度较高、建筑需要的供暖功率较小时，关闭热风百叶窗5和冷风百叶窗17，土坯11中的热量经传热后加热土坯内孔12中的空气，热空气向上运动进入上汇流道9，并经上汇流道9进入热风风道6中，热空气加热地面层8和隔板7，地面层8和隔板7通过辐射和导热向室内供暖；当室外环境温度较低、建筑需要的供暖功率较大时，根据所需的供暖功率的大小调整热风百叶窗5和冷风百叶窗17的开度，让室内底部的冷空气形成从冷风百叶窗17、经冷风风道16、下汇流道10、土坯内孔12、上汇流道9、热风风道6、热风百叶窗5，到达室内上部的空气循环通道，将土坯中的热量源源不断地传至室内。

实施例2

在实施例1的基础上，将图1、图6中的土坯11垂立放置，如图7所示，使土坯内孔12呈水平状态，并与空气流动方向平行，并将相对位置的土坯内孔12保持在一条线上，使相对位置的土坯内孔12联接成一条管状，在土坯储热体两侧留下一定空间作为上汇流道9和下汇流道10，其中上汇流道9与热风风道6相联通，下汇流道10与冷风风道16和出风孔14相联通。需要说明的是：这种平放土坯内孔、竖向放置汇流道的方式，结构简单，安装方便，空气流阻小，但不利于下层的土坯向地面层传热，因此通过地面层向屋内的传热功率较小，因此系统的总传热功率较小，需要的地下土坯储热供暖温度较高。

实施例3

在实施例1的基础上，将图1、图6中的土坯11侧垂立放置，如图8所示，使土坯内孔12呈水平状态，并与空气流动方向垂直，并将相对位置的土坯内孔12保持在一条线上，使相对位置的土坯内孔12联接成一条管状，在相领两个土坯11间保留一定间距，使其成为热空气流动板式通道，将土坯储热体两侧留下一定空间，使其成为上汇流道9和下汇流道10，其中上汇流道9与热风风道6相联通，下汇流道10与冷风风道16和出风孔14相联通。需要说明的是：板式通道流阻小，土坯内孔及土坯表面均与热空气接触，换热效果好，但土坯间不接触，整体稳定性稍差。

实施例4

在实施例1的基础上，将图1、图6中的土坯11按一定角度斜侧垂立放置，如图9所示，土坯内孔12呈水平状态，但与空气流动方向保持一定角度，每排土坯11摆放成W状，前后排之间保留一定间距，热空气即通过前后排之间的空间流动，又沿土坯内孔12方向流动。需要说明的是：这种W状摆放方式换热效果好，但摆放难度大，稳定性差。

实施例5

在实施例1～实施例4的基础上，将图1、图6中的储热体改为在地面层8以上局部实施，类似于农村的炕的形式，如图8所示，在炕沿上安装冷风百叶窗17，就成了实施例6。需要说明的是：这种炕式供暖方式，虽然将炕与供暖末端合二为一，节省了二者单独建造的成本，但这种炕的上表面积与整个房间的地面面积相比，相对较小，因此其供暖功率较低，加之其储热量小，需要较高的供暖温度才能保证房间的供暖需要。

实施例6

在实施例1～实施例4的基础上，将图1、图6中的储热体改为沿某一边墙侧立放置，如图9所示，形成侧夹层墙储热供暖模式。需要说明的是：侧夹层墙储热供暖模式可以在已建成的建筑内使用，在不破坏建筑原地面层的情况下安装，成本低，但其供暖辐射面积较地面小，房间内的温度分布梯度大，舒适性较差。

实施例7

在实施例1～实施例6的基础上，将图1、图2中的单层建筑改为多层建筑，如图12所示，最大建筑层数可从1层到7层，在每两层之间的楼板18上开设有热风通风孔19和冷风通风孔20，位于建筑底层的土坯11通过传热将土坯内孔10中的空气加热，热空气沿热风风道6上升，通过热风通风孔19向上上升，从各房间的热风百叶窗5分别进入各个房间，而各房间中的冷空气则通过各个冷风百叶窗17进入冷风风道16中，通过冷风通风孔20向下下降，再汇集到一起进入下汇流道10中，从下汇流道10进入土坯内孔12，再从土坯内孔12进入上汇流道9中汇集后，进入热风风道6中，形成循环流动的气流，将土坯11中的热量不断自动输送到各房间中。需要说明的是：多层建筑自动储热供暖，对2层以上的房间，不能通过地面层辐射供暖，只能依靠热气流供暖，因此对土坯内孔12换热功率要求高，需要土坯内孔12有足够的换热面积，并且需要土坯11有足够的储热量才行。

实施例8

在实施例1～实施例7的基础上，将图1、图2中的储热体改为建造在建筑围墙以外的地方，如图11所示，成为分体式储热供暖系统。该系统在储热体11四周全部用保温层25围护，将房间出风孔14、储热体冷风孔24和供暖回风口28通过冷风管道22相联通，再将房间进风孔1、储热体热风孔26和供暖出风口30通过热风管道32相联通，并分别在储热体冷风孔24处安装有阀门23，在储热体热风孔26处安装有阀门27，在供暖回风口28处安装有阀门29，在供暖出风口30处安装有阀门31，在联通房间出风孔14和储热体冷风孔24的冷风管道22上安装有风机21。需要说明的是：将储热体建造在建筑以外的地方，虽然对既有建筑的改造较为方便，可建造在地上或地下，选址较为容易，但室外独立储热体需要单独的保温工艺，成本较高，热损也较大，传热管道的热损也较多，并且需要风机强迫对流传热，供暖过程中消耗电能，因此不如室内储热模式理想。

实施例9

上述实施例1～实施例8可以按多种可能的方式组合设计，都在本发明的保护范围内。

Claims

1.多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，它包括房屋地基和围墙（3），还包括多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，其特征是：在两个相对或相邻的围墙（3）内侧、与围墙（3）相距1cm～50cm的地方建有隔板（7），其中一侧的隔板（7）与围墙（3）围成的空间构成热风风道（6），与其相对或相邻的隔板（7）和邻近的围墙（3）围成的空间构成冷风风道（16），在构成热风风道（6）的围墙（3）、楼板（18）或隔板（7）上开设有进风孔（1），在每个进风孔（1）内设有阀门或挡板（2），在构成冷风风道（16）的围墙（3）、楼板（18）或隔板（7）上开设有出风孔（14），在每个出风孔（14）内设有阀门或挡板（15），在每间房子组成热风风道（6）的隔板（7）靠近屋顶的上方开设有热风百叶窗（5），在每间房子组成冷风风道（16）的隔板（7）靠近地面的地方开设有冷风百叶窗（17），热风风道（6）和冷风风道（16）由隔板（7）、楼板（18）和围墙（3）封闭起来，在房屋地基上铺设有保温板（13），热风风道（6）和冷风风道（16）分别与土坯储热装置相联通，所述土坯储热装置由土坯（11）、设置在土坯（11）组合体通风孔两端的上汇流道（9）和下汇流道（10）、及四围围护结构构成，其中上汇流道（9）与热风风道（6）的下端相联通，下汇流道（10）与冷风风道（16）的下端相联通。

2.根据权利要求1所述的多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，其特征是：土坯（11）外形是长方体、或者是正方体、或者是四面体、或者是球，其外形边长为3cm～100 cm，土坯内孔（12）截面形状是三角形，或者是多边形，或者是圆形，通风孔是直的，或者是弯曲的，土坯内孔（12）数量为每平方分米0～5个，每个通风孔面积为0.2cm²～700cm²之间。

3.根据权利要求1所述的多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，其特征是：土坯储热装置有室内地下安装、或者室内局部地上安装、或者室内侧墙安装，或者室外安装，以上四种安装方式可以单独安装，或者按2～4种方式联合安装。

4.根据权利要求1所述的多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，其特征是：土坯为平放、或者土坯内孔（12）与气流方向平行的顺立放、或者土坯内孔（12）与气流方向垂直的侧立放、或者土坯内孔（12）与气流方向保持小于等于45度夹角的W型，土坯（11）与土坯之间的间距为0cm～15 cm。

5.根据权利要求1所述的多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，其特征是：上汇流道（9）和下汇流道（10）的两壁是水平的，或者是垂直的，或者是倾斜的，上汇流道（9）和下汇流道（10）的两壁如果是水平时，则在两壁中间有支撑柱（33），将两壁分开；上汇流道（9）和下汇流道（10）的两壁是倾斜时，其倾角为在0±35°。

6.根据权利要求1所述的多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，其特征是：上汇流道（9）和下汇流道（10）的两壁间距为2cm～80 cm，上汇流道（9）和下汇流道（10）的两壁是平行的，或者是非平行的，其夹角为0±35°。

7.根据权利要求1所述的多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，其特征是：热风百叶窗（5）和冷风百叶窗（17）是圆形的、或者是方形的、或者是三角形的、或者是多边形，面积为10平方厘米至3平方米，在每间房子的隔板（7）上分别开设的热风百叶窗（5）和冷风百叶窗（17）数量为1～10个。

8.根据权利要求1所述的多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，其特征是：进风孔（1）和出风孔（14）是圆形的、或者是方形的、或者是三角形的、或者是多边形的，单个进风孔（1）和出风孔（14）面积为10平方厘米至1平方米，在每间房子内设置的进风孔（1）和出风孔（14）的数量为1～20个。

9.根据权利要求1所述的多孔土坯储热的超低温对流辐射供暖系统，其特征是：该房屋是7层以下的建筑，在房屋所有朝外的围墙（3）外侧均铺设有保温板（ 4），在上下每两间房子之间的楼板（18）上分别开设有1～15个热风通风孔（19）和冷风通风孔（20），热风通风孔（19）与热风风道（6）相联通，冷风通风孔（20）与冷风风道（16）相联通。