CN107130694A - 墙体自动蓄热排热装置及利用其实现墙体自动隔热的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种墙体自动蓄热排热装置，包括嵌套管，其中填充有用于吸收墙体热量的相变材料，嵌套内管中流经有工质，通过该流动的工质可将蓄热的热量带走；液体干管，其与嵌套内管一端连通，用于液体工质流动并进入所述嵌套内管中；蒸气干管，其与嵌套内管另一端连通，相变材料蓄热传递给所述嵌套内管中的液体工质，吸热后的液体工质受热后蒸发为气态；以及辐射冷却装置，分别与液体干管和蒸气干管连通，蒸气干管排出的气态工质进入该辐射冷却装置后被冷却变为液态并流入与其连通的液体干管。本发明在运用相变材料的同时，充分利用天空背景辐射产生的低品位能源，采用墙体主动隔热技术及其装置，实现维持室内热舒适性和降低空调能耗的目的。
Description
技术领域
本发明属于建筑节能与可再生能源利用领域，具体涉及一种墙体自动蓄热排热装置及利用该装置实现墙体自动隔热的方法。
背景技术
在建筑的全生命周期中，采暖与空调的能耗约占建筑总运行能耗的55％-65％。建筑能耗的不断攀升与能源匮乏使得人们越来越注重去开发新的手段，新的技术去节约能源。在建筑能耗中，通过围护结构的传热形成的冷热负荷是总能耗的一个重要组成部分。而由外围护结构引起的空调负荷占总负荷的30％左右。因此降低建筑外围护结构的传热，可以从根本上实现建筑节能。
传统的降低建筑围护结构传热的方法主要是加设保温层，但其保温效果是有限的，且易在热桥的处理上出现问题。除了直接的降低建筑围护结构的传热，进一步地，为了克服其存在的缺陷，现有技术中也会使用一些新的建筑材料，间接地降低建筑外围护结构的传热，如相变材料，其可主动或被动蓄、放热。在夏天白天相变材料吸收室外的传热，减少向室内的传热，但是在晚上，吸收了热的相变材料温度较高，需要向外排热，其向外排热仅依靠与室外的温差的被动散热，效果差，导致很多热也同时向室内传递。因此节能效果非常差，相变墙体的夏季节能率不到5％。
专利文献CN204199450U公开了一种太阳能与相变蓄能材料集成应用的能源自维持建筑，包括相变房屋和屋顶上的太阳能系统。其中，相变房屋的水泥地板内埋设有相变套管，相变套管内设置有相变材料，多根相变套管水平设置组成相变材料层，所述相变材料为无机相变材料、有机相变材料或有机相变材料的低共熔混合物。太阳能集热器通过管路与相变套管形成一个完整的太阳能热水系统循环回路。该方案中，房屋结构与太阳能系统通过相变套管结合，通过相变材料稳定室内热环境，可以实现冬季太阳能在单体住宅中的高效、多元利用，同时维持其他季节室内热环境的舒适及稳定，最大程度地利用可再生能源，减少了建筑能耗。
上述方案实际上是一种利用太阳能并结合相变材料进行建筑物供暖和能量调节的系统，其中主要是最大化的利用能源，保持冬季建筑物中温度稳定，从而可以减小其他能源消耗，达到降低能耗的目的。该方案中的建筑物墙体客观上具有一定的保温和隔热作用，但是其由于需要热源系统的加入，而且特别重要的是，为了实现降低能耗，其需要进行一系列的控制处理，例如各种阀门的启闭控制、温度检测和控制等，需要额外的能源消耗，使得其整体效果并不明显。另外，该方案不能解决相变房屋的夏季排热问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种墙体自动蓄热排热装置，其通过设置在墙体内的外周包覆相变材料的内嵌套管与外部管道连通形成的用于工质流动的循环回路、利用相变材料蓄热并通过工质的循环流动以及自然温差实现排热，从而实现墙体对外界的隔热保温，获得具有优良自然隔热效果的墙体。本发明还公开了利用该装置实现墙体自动隔热的方法。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种墙体自动蓄热排热装置，其可使得墙体进行间歇式的蓄热排热，从而具有自动隔热效果，其特征在于，该装置包括
至少一个设置在墙体内的嵌套管，其包括同轴设置的嵌套内管和嵌套外管，其中内管和外管之间的空隙中填充有用于吸收墙体热量的相变材料，用于实现对墙体热量蓄热，所述嵌套内管中流经有工质，通过该流动的工质可将所述蓄热的热量吸收；
液体干管，其与所述嵌套内管一端连通，用于液体工质流动以进入所述嵌套内管中；
蒸气干管，其与所述嵌套内管另一端连通，相变材料蓄热传递给所述嵌套内管中的液体工质，吸热后的液体工质受热后蒸发为气态，通过该蒸气干管排出；
以及
辐射冷却装置，其相对墙体内的嵌套管设置在较高高度处，并分别与所述液体干管和蒸气干管连通，所述蒸气干管排出的气态工质进入该辐射冷却装置后被冷却变为液态并流入与其连通的所述液体干管，通过循环即可实现保持对墙体的蓄热排热。
作为本发明的进一步优选，所述蒸气干管与辐射冷却装置的接口设置在辐射冷却装置上部，液体干管的入口接在太空辐射冷却装置的底部，使得所述气态工质经冷却凝结成的液态可依靠重力流入所述液体干管中。
作为本发明的进一步优选，所述辐射冷却装置包括位于上部的辐射板和下部的容器，两者之间形成用于容置工质的空腔，优选下部容器的底部为弧形。
作为本发明的进一步优选，墙体内的所述嵌套管为多个。
作为本发明的进一步优选，所述工质蒸发冷凝温度比相变材料的熔点温度略低(比如1～2℃)。
作为本发明的进一步优选，所述相变材料为石蜡，其相变温度为28℃-32℃。
作为本发明的进一步优选，工质为水，工质通道为真空状态，工质水的蒸发冷凝温度为28℃-32℃之间。
按照本发明的另一方面，还提供一种利用上述装置实现墙体自动隔热的方法，可使得墙体进行间歇式的蓄热排热，从而具有自动隔热效果，其特征在于，该方法包括
在墙体内设置至少一个嵌套管，其中该嵌套管包括同轴设置的嵌套内管和嵌套外管，其中内管和外管之间的空隙中填充有用于吸收墙体热量的相变材料，用于实现对墙体热量蓄热，所述嵌套内管中流经有工质，通过该流动的工质可将所述蓄热的热量吸收；
设置与所述嵌套内管一端连通的液体干管，其用于液体工质流动并进入所述嵌套内管中；
设置与所述嵌套内管另一端连通的蒸气干管，上述相变材料蓄热传递给所述嵌套内管中的液体工质，吸热后的液体工质受热后蒸发为气态，通过该蒸气干管排出；
以及
在相对墙体内的嵌套管设置在较高高度处设置辐射冷却装置，其并分别与所述液体干管和蒸气干管连通，所述蒸气干管排出的气态工质进入该辐射冷却装置后被冷却变为液态并流入与其连通的所述液体干管，通过自动循环即可实现保持对墙体的间歇式蓄热排热。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明中，采用热管的原理通过工质的蒸发与冷凝实现热量的转移，利用相变材料具有较大的相变潜热，可被动蓄热主动放热，增加围护结构的保温隔热性能，实现自调温目的，同时充分利用太空辐射产生的冷却效果，实现工质的冷凝放热。
(2)本发明将相变材料蓄热，工质蒸发冷凝热迁移，太空辐射冷却三者有机结合起来，集成为系统，并发明具体的装置实现系统的运行，相变材料吸收围护结构的得热，减少室内热负荷，工质通过蒸发将相变材料储存的热量搬运走，吸收了热量的气态工质通过辐射冷却装置冷凝放热，重新流回墙体内嵌套管，以便完成下一次热量搬运。
(3)本发明的间歇式自动蓄热排热方法及其装置采用天然冷源，可以有效实现围护结构得热的热量迁移，其建筑物或墙体单独地具有保温或隔热效果，可以降低建筑外围护结构的传热，使得建筑物或墙体内外节能最优，能很好的维持室内热舒适性，降低空调能耗，减少碳排放，保护环境，实现最大化的保温隔热效果。
(4)本发明的装置，在运用相变材料的同时，充分利用太空辐射产生的低品位能源，以及其相对位置设置关系，通过工质的流动进行蓄热排热，其利用工质自身的重力以及天然温度差实现自动隔热，无需额外的控制或能量源，获得优良自然隔热效果。
附图说明
本发明包括的附图用来提供对本发明的进一步的理解，结合在本申请中并构成本申请的一部分。
图1为本发明一个实施例的一种间歇式墙体自动蓄热排热装置原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，按照本发明一个优选实施例所提供的间歇式墙体自动蓄热排热装置，其包括墙体1内的嵌套管2、辐射冷却装置3和工质循环管路4、5。
其中，嵌套管2包括嵌套设置的内管和外管，内管和外管同轴布置，且外管直径大于内管直径，使得两者之间形成间隙，该间隙中填充有相变材料21。如图1所示，嵌套管2内嵌在墙体1内，相变材料21填充在套管外管23与套管内管22之间，相变材料用于对墙体热量进行蓄热。
套管内管22内流经有热管循环工质8，其用于吸收相变材料22的蓄热并进而在流动中带走散发。具体地，呈液态的工质8(例如可以是水或其他类型工质)经过套管内管22时，相变材料将吸收的热量传递给工质，工质吸热挥发为气态。
优选地，工质循环管路包括蒸气干管4、蒸气支管6、液体干管5以及液体支管7，其中液体支管7一端端口(出口)连接到套管内管22的工质入口端，蒸汽支管6的一端端口(入口)连接到嵌套内管22的工质出口端。即液态的工质8从液体支管7中进入嵌套内管22，并在吸热挥发为气态后从进入蒸汽支管6流出。
另外，液体干管5一端与液体支管7入口连通，用于提供液体工质，而蒸气干管4一端与蒸汽支管6的出口连通，以用于将蒸汽支管6中的蒸汽导出。
在一个实施例中，嵌套管2在墙体内布置为至少一个，例如可以为两个、四个、五个或其他数量，具体可以根据实际需求进行具体选择。相应地，液体支管7和蒸汽支管6也配套为相同个数。
另外，本方案的墙体自动蓄热排热装置还包括辐射冷却装置，其相对墙体内的嵌套管设置在较高高度处，并分别与所述液体干管5和蒸气干管4连通，其与蒸气干管4、液体干管5以及套管内管22相连组成为一支通管，作为工质循环的通路。气体工质经过蒸气干管4进入该辐射冷却装置中，经辐射散热后冷凝为液态，依靠重力自然下落并进入液体干管5以用于送入套管内管22中吸收热量。依次不断循环，完成对墙体的自动间歇式的蓄热排热
在一个优选实施例中，蒸气干管4与辐射冷却装置3的接口设置在辐射冷却装置3上部，液体干管5的入口接在太空辐射冷却装置3的底部，使得所述气态工质经冷却凝结成的液态可依靠重力流入所述液体干管5中。
在一个优选实施例中，辐射制冷装置3由位于上部的辐射板和下部的容器而组成，两者之间形成用于容置工质的空腔，优选下部容器的底部为弧形。
该装置具体过程可以如下：
白天时，墙体内嵌套管内相变材料21吸收围护结构1的得热，发生相变(由固态变为液态)进行蓄热，同时也将部分热量传递给套管内的工质8，液态工质8受热蒸发为气态，在压差浮力的作用下通过蒸汽支管6、蒸汽干管4上升到系统顶端辐射冷却装置3内。
夜间，系统顶端的辐射冷却装置3通过太空辐射放热降低温度，气态工质8遇冷冷凝为液态，在重力的作用下通过液体干管5及液体支管7回流到墙体套管内管2-2内。冷的液态工质8吸收套管内相变材料21储存的热量，重新蒸发为气态上升到系统顶端，如此循环往复带走相变材料21蓄存的热量。相变材料21在工质的作用下排热凝固，以备第二天蓄热。如此循环往复，从而实现墙体的自动蓄热排热。
另外，相变材料在工质的作用下排热凝固，以备第二天蓄热。
优选地，工质蒸发冷凝温度比相变材料的熔点温度略低，例如优选低1～2℃。
在一个实施例中，相变材料为石蜡，其相变温度为28℃-32℃。
在一个实施例中，工质通道为真空状态，工质的蒸发冷凝温度在28℃-32℃之间。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神与范围，这样，倘若本发明的这些修改与变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种墙体自动蓄热排热装置，其使得墙体可进行间歇式的蓄热排热，从而具有自动隔热效果，其特征在于，该装置包括
至少一个设置在墙体内的嵌套管，其包括同轴设置的嵌套内管和嵌套外管，其中内管和外管之间的空隙中填充有用于吸收墙体热量的相变材料，用于实现对墙体热量蓄热，所述嵌套内管中流经有工质，通过该流动的工质可吸收所述蓄热；
液体干管(5)，其与所述嵌套内管一端连通，用于液体工质流动并进入所述嵌套内管中；
蒸气干管(4)，其与所述嵌套内管另一端连通，相变材料蓄热传递给所述嵌套内管中的液体工质，吸热后的液体工质受热后蒸发为气态，并可通过该蒸气干管(4)排出；
以及
辐射冷却装置，其相对墙体内的嵌套管设置在较高高度处，并分别与所述液体干管(5)和蒸气干管(4)连通，所述蒸气干管(4)排出的气态工质进入该辐射冷却装置后被冷却变为液态并流入与其连通的所述液体干管(5)，通过该工质的物态变化及流动的循环即可实现保持对墙体的蓄热排热。
2.根据权利要求1所述的墙体自动蓄热排热装置，其中，所述蒸气干管(4)与辐射冷却装置(3)的接口设置在辐射冷却装置(3)上部，液体干管(5)的入口接在太空辐射冷却装置(3)的底部，使得气态工质经冷却凝结成的液态可依靠重力流入所述液体干管(5)中。
3.根据权利要求2所述的墙体自动蓄热排热装置，其中，所述辐射冷却装置(3)包括位于上部的辐射板和下部的容器，两者之间形成用于容置工质的空腔，优选所述下部容器的底部为弧形。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的墙体自动蓄热排热装置，其中，墙体内的所述嵌套管为多个。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的墙体自动蓄热排热装置，其中，所述工质蒸发冷凝温度比所述相变材料的熔点温度略低，优选低1～2℃。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的墙体自动蓄热排热装置，其中，所述相变材料为石蜡，其相变温度为28℃-32℃。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的墙体自动蓄热排热装置，其中，所述工质为水，工质通道为真空状态。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的装置实现墙体自动隔热的方法，使得墙体可进行间歇式的蓄热排热，从而具有自动隔热效果，其特征在于，该方法包括
在墙体内设置至少一个嵌套管，其中该嵌套管包括同轴设置的嵌套内管和嵌套外管，其中内管和外管之间的空隙中填充有用于吸收墙体热量的相变材料，用于实现对墙体热量蓄热，所述嵌套内管中流经有工质，通过该流动的工质可将所述蓄热的热量吸收；
设置与所述嵌套内管一端连通的液体干管，其用于液体工质流动并进入所述嵌套内管中；
设置与所述嵌套内管另一端连通的蒸气干管，上述相变材料蓄热传递给所述嵌套内管中的液体工质，吸热后的液体工质受热后蒸发为气态，通过该蒸气干管排出；
以及
在相对墙体内的嵌套管设置在较高高度处设置辐射冷却装置，其并分别与所述液体干管和蒸气干管连通，所述蒸气干管排出的气态工质进入该辐射冷却装置后被冷却变为液态并流入与其连通的所述液体干管，通过自动循环即可实现保持对墙体的间歇式蓄热排热。
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