CN112252814B - 一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统及其安装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统及其安装方法,包括建筑物、热交换系统和太阳能板；热交换系统包括热交换系统一和热交换系统二，热交换系统包括管道、连接弯管和设置在管道上的充注管，热交换系统的管道内填充有液态金属；建筑物包括建筑楼板、内墙和外墙、屋顶，内墙和外墙构成建筑物的墙体，墙体垂直于建筑楼板，墙体围合成建筑物四壁的四面结构；屋顶设置在该四面结构上方，屋顶正上方设置有太阳能板；本发明提供了利用液态金属的热虹吸效应，夏季时自发地将建筑室内的热量释放到大地土壤中，冬季时则自发地吸收大地土壤的热量为建筑室内供暖，最终实现在不消耗化石能源的基础上免费为低层独栋建筑物供冷和供暖的目的。

Description

一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统及其安装方法
技术领域
本发明涉及地热能供暖技术领域，特别是一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统及其安装方法。
背景技术
在能源供需矛盾日益突出的今天，随着工业化的加深、经济的增长、人们生活水平的提高及社会的发展，建筑运行能耗在日益攀升，然而有限的化石能源储量势必导致化石能源的供不应求。据研究表明，建筑能耗约占整个国家能耗的46％，而在建筑能耗中，空调系统的能耗占到30％～50％。在当前这种能源格局下，建筑采暖及空调成为节约能源、低碳环保的研究焦点。近年来由于电煤的短缺我国“电荒”的现象时有发生，这种现象的发生将直接导致人们生活水平的降低，甚至将限制人们正常的生活需求。因此，寻求和开发可再生的、清洁的能源为建筑物供能已成为能源可持续发展的唯一选择。
地热源作为一种可再生的、清洁的、普遍存在的能源受到了人们越来越多的重视。土壤层的结构从地表到地心包括：表土层、心土层和底土层。土壤热量基本来自太阳辐射，故随着太阳辐射的周期性变化，土壤温度亦有日变化和季节性变化。土壤温度与气温一样也具有明显的季节性变化，一般来说0～15cm表土层的年均温度高于年均气温。然而与同时期的气温相比，表土下50cm深度处的心土层土壤温度在秋冬季高于气温，而在春夏季低于气温。在美国土壤系统分类中，根据表土下50cm深度处的土壤温度，同时考虑到土壤温度的生物学意义，将全球陆地表面土壤的温度状况划分为6个类别，中国的土壤学家将我国陆地表面土壤的温度状况划分为7个类别。表1和2分别是美国土壤系统中土壤温度状况划分标准和中国土壤系统中土壤温度状况划分标准。从表1和表2中可以看出在温带和亚热带气候地区土壤年均温度差约为7℃。随着土壤深度的增加，土壤温度变化相对稳定。传统的地热源热泵以土壤的恒温层作为蓄热的载体，在夏季的制冷工况时将建筑物内的热量储存在土壤恒温层中备冬季使用，而在冬季的制热工况时则从土壤恒温层取出热量供给建筑物使用。
表1美国土壤系统中土壤温度状况划分标准
Figure GDA0003214867840000011
Figure GDA0003214867840000021
表2中国土壤系统中土壤温度状况划分标准
土壤温度状况 年均土壤温度T/℃ 备注
永冻土壤温度状况 ≤0 包括湿冻和干冻
寒冻土壤温度状况 ≤0 冻结时有湿冻和干冻
寒性土壤温度状况 0<T<8 ——
冷性土壤温度状况 <8 但夏季土壤温度较高
温性土壤温度状况 8≤T<15 ——
热性土壤温度状况 15≤T<22 ——
高热土壤温度状况 ≧22 ——
虽然地热源是一种可持续发展的能源，但是传统地热源热泵存在土壤热堆积、地下水污染、地面塌陷、地下水回灌困难等诸多严重影响环境的问题。另外，传统地源热泵技术同时需要消耗大量电能驱动，因此其能源消耗也是不容忽视的。
发明内容
本发明的目的是提供一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统及其安装方法，解决如何不借助外界动力设备驱动并不消耗化石能源通过热交换系统从心土层吸收或向其释放热能，进而在冬天为建筑物供热，夏天为建筑物供冷，使建筑物内人员体感舒适的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统，包括建筑物、热交换系统和太阳能板；所述建筑物的高度不超过5m；所述热交换系统一和热交换系统二均是呈蛇形设置的闭环管道，其中热交换系统一包括第一管道、第二管道、第三管道、第一连接弯管和第二连接弯管，所述第一连接弯管和第二连接弯管为90度弯管，所述第一管道和第二管道通过第一连接弯管连接，第三管道与第二管道通过第二连接弯管连接；所述热交换系统二包括第四管道、第五管道和第三连接弯管，所述第三连接弯管为90度弯管，所述第四管道和第五管道通过第三连接弯管连接；所述热交换系统一和热交换系统二的管道内填充有不少于95％的液态金属；所述建筑物包括横向设置的建筑楼板、竖向设置的内墙和外墙、竖向设置的墙体保温层、斜向设置的屋顶、门、窗户、保护平台，所述保护平台设置于建筑物外，并且与建筑楼板共面，所述内墙平行于外墙，内墙和外墙构成建筑物的墙体，墙体围合成建筑物四壁的四面结构，该四面结构设置在建筑楼板上方，所述墙体保温层设置在内墙和外墙之间，内墙和外墙通过锚栓连接，第三管道镶嵌在内墙内部，所述第三管道顶部设置有充注管一，第二管道横向设置在保护平台内；所述屋顶设置在该四面结构上方，所述屋顶正上方设置有太阳能板；一面墙体上设置有窗户和门，所述窗户为双层塑钢中空玻璃窗；所述第一管道和第四管道竖向设置、第一管道和第四管道顶面与表土层顶面平齐、第一管道和第四管道底面与心土层底面平齐，即第一管道和第四管道下端面与心土层底面共面；所述第五管道设置在建筑楼板和保护平台内，第五管道远离第四管道的一端设置有充注管二。
本发明还提供了一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统，包括建筑物、热交换系统和太阳能板；所述建筑物的高度不超过5m；所述热交换系统一和热交换系统二均是呈蛇形设置的闭环管道，其中热交换系统一包括第一管道、第二管道、第三管道、第一连接弯管和第二连接弯管，所述第一连接弯管和第二连接弯管为90度弯管，所述第一管道和第二管道通过第一连接弯管连接，第三管道与第二管道通过第二连接弯管连接；所述热交换系统二包括第四管道、第五管道和第三连接弯管，所述第三连接弯管为90度弯管，所述第四管道和第五管道通过第三连接弯管连接；所述热交换系统一和热交换系统二的管道内填充有不少于95％的液态金属；所述建筑物包括横向设置的建筑楼板、竖向设置的内墙和外墙、竖向设置的墙体保温层、斜向设置的屋顶、门、窗户、保护平台，所述保护平台设置于建筑物外，并且与建筑楼板共面，所述内墙平行于外墙，内墙和外墙构成建筑物的墙体，墙体围合成建筑物四壁的四面结构，该四面结构设置在建筑楼板上方，所述墙体保温层设置在内墙和外墙之间，内墙和外墙通过锚栓连接，第三管道通过螺栓固定在内墙朝室内一侧的端面，所述第三管道顶部设置有充注管一，第二管道横向设置在保护平台内；所述屋顶设置在该四面结构上方，所述屋顶正上方设置有太阳能板；一面墙体上设置有窗户和门，所述窗户为双层塑钢中空玻璃窗；所述第一管道和第四管道竖向设置、第一管道和第四管道顶面与表土层顶面平齐、第一管道和第四管道底面与心土层底面平齐，即第一管道和第四管道下端面与心土层底面共面；第五管道设置在建筑楼板和保护平台内，所述第五管道远离第四管道的一端设置有充注管二。
进一步，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡铝合金中的一种或几种。
进一步，所述热交换系统的第一管道、第二管道、第三管道、第一连接弯管、第二连接弯管、第四管道、第五管道和第三连接弯管的材料均为铜或不锈钢。
进一步，所述内墙朝室内一侧的端面上还设置有风扇，所述太阳能板的能量输出端口连接风扇的电源端。
进一步，所述液态金属从固态到液态的相变温度小于8℃。
进一步，所述第一管道和第二管道的夹角范围在30度～90度之间，第四管道和第五管道的夹角范围在30度～90度之间。
进一步，所述充注管一和充注管二的直径均在10mm～20mm的范围内，所述充注管一和充注管二的长度均在5cm～10cm的范围内。
进一步，所述第一管道和第四管道埋设在心土层的部分管道外壁设置有导热翅片。
进一步，所述第一管道和所述第四管道在心土层上端面以上部分管道外壁均缠绕有保温层，第一连接弯管和第三连接弯管外壁上也缠绕有保温层。
进一步，在保护平台内的所述第二管道和所述第五管道外壁缠绕有保温层。
本发明所使用的液态金属是一种具有高导热系数低熔点的镓基合金；一方面，镓是自然界中一种柔软无毒的银白色金属，它在大气环境下的熔点很低，仅为29.77℃，其合金熔点可以更低，例如，镓基合金GaIn15Sn13Zn1的熔点为3℃，GaIn25Sn13的熔点为5℃，可保证在温带和亚热带气候地区全年不凝固；较小的粘性系数；热稳定性好，不易挥发，无毒无害，便于获取，且这些合金均存在一定的过冷度，甚至在零下数十度也可能以液态形式存在，且这种液态金属不易挥发对人体无毒无害，价格亦很友好；另一方面，为了提高液态金属的传热性能可以液态金属为溶剂，纳米颗粒为溶质形成的纳米液态金属；纳米金属流体中的纳米颗粒可以是金属或非金属纳米颗粒。金属纳米颗粒可以是金、银、铜、铝等，或是上述金属的合金；非金属纳米颗粒可以是石墨、硅、硼等非金属纳米材料。
本发明一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统主要借助无毒无害的低熔点液态金属的高导热性及流动特性，利用热虹吸效应为温带和亚热带气候地区的低层独栋建筑供冷和供暖。
热虹吸效应又称自然循环，以热为动力产生的虹吸现象。虹吸式换热器里液体被加热后，体积膨胀，密度变小变轻，会上升，周围冷的液体来补充，形成循环；利用气相和液相的密度差作为推动力进行循环。虹吸作用并不完全是由大气压力所产生的，在真空里也能产生虹吸现象。使液体向上升的力是液体间分子的内聚力。在发生虹吸现象时，由于管内往外流的液体比流入管子内的液体多，两边的重力不平衡，所以液体就会继续沿一个方向流动。在液体流入管子里，越往上压力就越低。如果液体上升的管子很高，压力会降低到使管内产生气泡(由空气或其他成分的气体构成)，虹吸管的作用高度就是由气泡的生成而决定的。因为气泡会使液体断开，气泡两端的气体分子之间的作用力减至0，从而破坏了虹吸作用，因此管子一定要装液体。在正常的大气压下，虹吸管的作用比在真空时好，因为两边管口上所受到的大气压提高了整个虹吸管内部的压力。
液态金属在热交换系统的管道中，第一管道与第三管道中的液态金属温差越大，液态金属在管道之间的循环流动速度越快。
根据工质有无相变，可以分为单相热虹吸和两相热虹吸，单相热虹吸的特点是流体成分单一不发生相变，一直保持液态，它的优点是换热面积大，相对稳定；两相热虹吸的特点是系统中的流体成分在运行的过程中容易发生相变，有气态也有液态，它的优点就是流速高，缺点是换热面积相对较小，稳定性较差；两相热虹吸的流体在竖向管道流向横向管道过程中可能因气泡形成断流，因为气泡的密度是比液体的密度低，可能在水平管内聚集，进而影响两相热虹吸的换热性能。
本发明的工作原理如下。
在夏季时，在液态金属热虹吸效应的作用下，当室内温度高于心土层土壤温度时，室内部分热交换系统中的液态金属温度升高，然而心土层的液态金属温度低于室内温度，由此室内与心土层产生温差，使得液态金属在热交换系统的管道中从室内向心土层循环流动，进而在温差的作用下液态金属自发地将建筑室内的热量释放到大地土壤中，同时对建筑物室内进行降温，最终实现自发降低建筑物室内温度的目的。
在冬季时，当室内温度低于心土层土壤温度时，室内部分热交换系统中的液态金属温度降低，然而心土层的液态金属温度高于室内温度，由此室内与心土层产生温差，使得液态金属在热交换系统的管道中从心土层向室内循环流动，进而在温差的作用下液态金属自发地将心土层的热量传递到建筑室内，对建筑物室内进行升温，最终实现自发地吸收心土层的热量为建筑供暖。
进一步，本发明还提供了包含上述热交换系统、保护平台和建筑楼板的地面结构，包括表土层、心土层、地砖层、回填层和防水层；所述表土层设置在心土层上方；所述建筑楼板和保护平台共面，均设置在表土层上；所述建筑楼板和保护平台从下到上依次铺设有混凝土层、楼板保温层、水泥基自流平层；所述热交换系统一的第二管道布设在保护平台的水泥基自流平层内，所述热交换系统二的第五管道布设在建筑楼板和保护平台的水泥基自流平层内，所述回填层铺设在第二管道和第五管道上，所述防水层设置在回填层正上方；所述防水层上铺设有地砖层；所述热交换系统的第一管道和第四管道深入心土层。
此外，本发明还提供了自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统的安装方法，步骤如下：
步骤一：根据热交换系统的尺寸和待建房屋的位置确定待挖地沟的深度和位置；
步骤二：挖地沟，并将热交换系统一的第一管道和热交换系统二的第四管道插入心土层，填满地沟，找平；
步骤三：安装第二管道和第五管道；铺设建筑楼板和保护平台，在建筑楼板的水泥基自流平层干燥后，根据管道设计图布置凹槽，铺设第二管道和第五管道进入凹槽，并使第一连接弯管连接第一管道和第二管道，第三连接弯管连接第四管道和第五管道；
步骤四：安装第三管道；浇筑墙体，根据第三管道的尺寸在内墙上排布管道，抹平内墙；或将第三管道通过螺钉固定在内墙朝室内一侧的端面；通过第二连接弯管连接第二管道和第三管道；
步骤五：在热交换系统中灌入液态金属；通过第三管道顶部的充注管一将液态金属灌入热交换系统一中，通过第五管道上的充注管二将液态金属灌入热交换系统二中，将充注管一和充注管二密封，测试热交换系统的密封性；
步骤六：热交换系统的密封性测试合格后抹平墙体和地面；在铺设好第三管道的墙面上填入水泥砂浆，找平；在铺设好的第二管道和第五管道上填入水泥砂浆，形成回填层，找平；待回填层干燥后在回填层上铺设防水层，待防水层干透后，在防水层上铺设地砖形成地砖层；
步骤七：安装房顶和太阳能板；并将太阳能板的能量输出端口连接风扇的电源端；在内墙上安装风扇；
步骤八：安装屋顶和太阳能板；
步骤九：安装窗户和门。
进一步，步骤二中的第一管道和第四管道安装在表土层下至少50cm处，并插入心土层。
进一步，步骤六中的回填层高度在10mm～30mm之间。
本发明的有益效果体现在：
1，本发明提供的一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统及其安装方法，利用液态金属的热虹吸效应，借助液态金属无毒无害、低熔点、高导热性及流动特点，夏季时在液态金属热虹吸效应的作用下自发地将建筑室内的热量释放到大地土壤中，冬季时则自发地吸收大地土壤的热量为建筑供暖，最终为人们提供一种无需外界能源驱动的为建筑物供冷和供暖的系统；可根据气候的变化，自动为建筑物供热和制冷，最终使建筑物达到冬暖夏凉的目的，减少了供暖系统的能源消耗和运行费用，降低了空调等温度调节设备的使用频次。
2，本发明提供的一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统及其安装方法，所述第一管道和第四管道埋设在心土层的部分管道外壁设置有导热翅片，从而使管道内液态金属与心土层土壤最大程度进行换热。
3，本发明提供的一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统及其安装方法，在保护平台内的所述第二管道和所述第五管道室外部分或安装于保护平台的部分外壁缠绕有保温层，在心土层上端面与表土层下端面之间的所述第一管道和所述第四管道外壁均缠绕有保温层，进而最大限度的降低热量的损失。
4，本发明提供的一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统及其安装方法，太阳能板吸收太阳能，并将其转换成电能，此电能供给电器使用，节约了能源，减少了对环境的污染，实现自给自足的能源供给，具有很高的前瞻性、先进性。
5，本发明采用全新的设计理念和建筑工艺，使其具有显著的节能效果，冬暖夏凉；可以按照要求和用途的不同，设计建造成形式各异的低层低能耗建筑。
6，本发明提供的自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统属于单相热虹吸，单相热虹吸相对于两相热虹吸其优点是换热面积大，热交换系统的管道内填充有不少于95％的液态金属，其热交换过程管道内环境相对稳定，安全性高。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明建筑物与热交换系统和太阳能板的结构示意图。
图2是本发明中的热交换系统一的结构示意图。
图3是图2中A处的局部放大示意图。
图4是本发明中的热交换系统一与内墙和外墙位置关系的结构示意图。
图5是本发明中的热交换系统二与建筑楼板位置关系的结构示意图。
图6是本发明中的包含热交换系统、保护平台和建筑楼板的地面结构的结构示意图。
图7是本发明中墙体的剖面示意图。
图8是本发明中热交换系统与墙体和建筑楼板的结构示意图。
附图标记：1.1-建筑楼板、1.2-内墙、1.3-外墙、1.4-屋顶、1.5-门、1.6-窗户、1.7-墙体保温层、1.8-保护平台、2-热交换系统一、2.1-第一管道、2.2-第二管道、2.3-第三管道、2.3.1-充注管一、2.4-第一连接弯管、2.5-第二连接弯管、3-热交换系统二、3.1-第四管道、3.2-第五管道、3.2.1-充注管二、3.3-第三连接弯管、4-太阳能板、5-楼板保温层、6-防水层、7-混凝土层、8-水泥基自流平层、9-表土层、10-心土层、11-回填层、12-地砖层、13-风扇。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为对本发明技术方案的限制。
如图1～8所示,本发明提供了一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统，包括建筑物、热交换系统、风扇13和太阳能板4；所述建筑物的高度不超过5m；所述热交换系统一2和热交换系统二3均是呈蛇形设置的闭环管道，所述热交换系统一2包括第一管道2.1、第二管道2.2、第三管道2.3、第一连接弯管2.4和第二连接弯管2.5，所述第一管道2.1和第二管道2.2通过第一连接弯管2.4连接，第一管道2.1和第二管道2.2的夹角为90度，所述第二连接弯管2.5为90度弯管，第三管道2.3与第二管道2.2通过第二连接弯管2.5连接，第二连接弯管2.5；所述热交换系统二3包括第四管道3.1、第五管道3.2和第三连接弯管3.3，所述第三连接弯管3.3为90度弯管，所述第四管道3.1和第五管道3.2通过第三连接弯管3.3连接；所述热交换系统一2和热交换系统二3的管道内填充有不少于95％的液态金属；连接弯管与管道承插连接或搭接，并焊接在一起；所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡铝合金中的一种或几种，所述液态金属从固态到液态的相变温度小于8℃；利用液态金属的热虹吸效应，借助液态金属无毒无害、低熔点、高导热性及流动特点，夏季时在液态金属热虹吸效应的作用下自发地将建筑室内的热量释放到大地土壤中，冬季时则自发地吸收大地土壤的热量为建筑供暖，最终为人们提供一种无需外界能源驱动的供冷和供暖系统。
建筑物包括横向设置的建筑楼板1.1、竖向设置的内墙1.2和外墙1.3、竖向设置的墙体保温层1.7、斜向设置的屋顶1.4、门1.5、窗户1.6、保护平台1.8，所述保护平台1.8设置于建筑物外，并且与建筑楼板1.1共面，所述内墙1.2平行于外墙1.3，内墙1.2和外墙1.3构成建筑物的墙体，墙体围合成建筑物四壁的四面结构，该四面结构设置在建筑楼板1.1上方，所述墙体保温层1.7设置在内墙1.2和外墙1.3之间，内墙1.2和外墙1.3通过锚栓连接，第三管道2.3镶嵌在内墙1.2内部；第三管道2.3还可以通过螺栓固定在内墙1.2朝室内一侧的端面；第三管道2.3可以根据建筑物墙体结构进行选择，除暗装外，还可以明装；所述第三管道2.3顶部设置有充注管一2.3.1，所述内墙1.2上还设置有风扇13，风扇13也可以设在内墙1.2和外墙1.3之间，但需要在内墙1.2上挖洞和布设电路，设置遮挡板承插在内墙1.2上，盖住风扇13，当风扇13需要维修撤下遮挡板；也可以用油画等代替遮挡板，美观大方；该风扇13的主要作用是提高热交换系统的换热、散热效果；第二管道2.2横向设置在保护平台1.8内；所述屋顶1.4设置在该四面结构上方，所述屋顶1.4正上方设置有太阳能板4；所述太阳能板4的能量输出端口连接风扇13的电源端，太阳能板4吸收太阳能，并将其转换成电能，此电能供给电器使用，节约了能源，减少了对环境的污染，实现自给自足的能源供给，具有很高的前瞻性、先进性；一面墙体上设置有窗户1.6和门1.5，所述窗户1.6为双层塑钢中空玻璃窗；所述第一管道2.1和第四管道3.1竖向设置、第一管道2.1和第四管道3.1顶面与表土层9顶面平齐、第一管道2.1和第四管道3.1底面与心土层10底面平齐，即第一管道2.1和第四管道3.1下端面与心土层10底面共面；所述第五管道3.2设置在建筑楼板1.1和保护平台1.8内，所述第五管道3.2远离第四管道3.1的一端设置有充注管二3.2.1；所述充注管一2.3.1和充注管二3.2.1的直径均为15mm，长度为5cm；所述第一管道2.1和所述第四管道3.1在心土层10上端面以上部分管道外壁均缠绕有保温层，进而最大限度的降低热量的损失。
其中，热交换系统的第一管道2.1、第二管道2.2、第三管道2.3、第一连接弯管2.4、第二连接弯管2.5、第四管道3.1、第五管道3.2和第三连接弯管3.3的材料均为铜或不锈钢；这些材料的导热系数大、强度高且耐腐蚀，可以提高热交换系统的寿命；热交换系统的管道还可以是石墨、金刚石等导热性高的非金属材料，不易腐蚀，也可以提高热交换系统的寿命。
液态金属在热交换系统的管道中流动，热交换系统一2中的第一管道2.1和热交换系统一2中的第三管道2.3中填充的液态金属温差越大则系统循环流速越快，同理热交换系统二3中的第四管道3.1和热交换系统二3中的第五管道3.2中的液态金属温差越大则系统循环流速越快；液态金属在管道之间的循环流动速度越快；本发明利用的是单相热虹吸效应，单相热虹吸效应的特点是流体成分单一不发生相变，一直保持液态，它的优点是换热面积大，相对稳定，安全可靠。
本发明还提供了包含上述热交换系统、保护平台和建筑楼板的地面结构，包括表土层9、心土层10、地砖层12、回填层11和防水层6；所述表土层9设置在心土层10上方；所述建筑楼板1.1和保护平台1.8共面，均设置在表土层9上；所述建筑楼板1.1和保护平台1.8从下到上依次铺设有混凝土层7、楼板保温层5、水泥基自流平层8；所述热交换系统一2的第二管道2.2布设在保护平台1.8的水泥基自流平层8内，所述热交换系统二3的第五管道3.2布设在建筑楼板1.1和保护平台1.8的水泥基自流平层8内，所述回填层11铺设在第二管道2.2和第五管道3.2上，所述防水层6设置在回填层11正上方；所述防水层6上铺设有地砖层12；所述热交换系统的第一管道2.1和第四管道3.1深入心土层10。
此外，本发明还提供了自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统的安装方法，步骤如下。
步骤一：根据热交换系统的尺寸和待建房屋的位置确定待挖地沟的深度和位置。
步骤二：挖地沟，并将热交换系统一2的第一管道2.1和热交换系统二3的第四管道3.1插入心土层10，填满地沟，找平；第一管道2.1和第四管道3.1安装在表土层9下至少50cm处，并插入心土层10。
步骤三：安装第二管道2.2和第五管道3.2；铺设建筑楼板1.1和保护平台1.8，在建筑楼板1.1的水泥基自流平层8干燥后，根据管道设计图布置凹槽，铺设第二管道2.2和第五管道3.2进入凹槽，并使第一连接弯管2.4连接第一管道2.1和第二管道2.2，第三连接弯管3.3连接第四管道3.1和第五管道3.2。
步骤四：安装第三管道2.3；浇筑墙体，预留门1.5洞和窗洞；根据第三管道2.3的尺寸在内墙1.2上排布管道，抹平内墙1.2；或将第三管道2.3通过螺钉固定在内墙1.2朝室内一侧的端面；通过第二连接弯管2.5连接第二管道2.2和第三管道2.3；第三管道2.3可以根据建筑物墙体结构进行选择，除暗装外，还可以明装。
步骤五：在热交换系统中灌入液态金属；通过第三管道2.3顶部的充注管一2.3.1将液态金属灌入热交换系统一2中，通过第五管道3.2上的充注管二3.2.1将液态金属灌入热交换系统二3中，将充注管一2.3.1和充注管二3.2.1密封，测试热交换系统的密封性。
步骤六：热交换系统的密封性测试合格后抹平墙体和地面；在铺设好的第三管道2.3墙面上填入水泥砂浆，找平；或者根据使用需要利用螺钉或膨胀螺栓将第三管道2.3固定在朝室内一侧的墙面上；在铺设好的第二管道2.2和第五管道3.2上填入水泥砂浆，形成回填层11，回填层11深度为15mm，找平；待回填层11干燥后在回填层11上铺设防水层6，待防水层6干透后，在防水层6上铺设地砖形成地砖层12。
步骤七：安装房顶和太阳能板4；并将太阳能板4的能量输出端口连接风扇13的电源端；在内墙1.2上安装风扇13。
步骤八：安装屋顶1.4和太阳能板4。
步骤九：安装窗户1.6和门1.5，门1.5通过铰链安装在门1.5洞里。
本发明的自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统适用于低层建筑，并且该低层建筑周围没有冷、热源，如独栋别墅或平房等；在当今“电荒”时有发生的年代具有十分重要的意义；绿色环保，本发明对环境的危害很小，一改传统供冷和供热系统需要消耗大量化石能源的特点，对低碳经济有积极贡献；为人们提供了一种不依靠外界电源便可维持建筑室内温度的节能系统；适用于温带和亚热带气候地区的基于低熔点液态金属热虹吸效应的地源热泵节能系统，其可以在没有外界驱动时，将在夏季建筑室内的热量释放到土壤的心土层10，同时也能在冬季吸取土壤心土层10的热量为建筑物供暖；由于土壤心土层10的温度随太阳辐射存在日变化和季节性变化，因此本发明不会导致土壤热量堆积。
本发明提供的自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统根据工质有无相变分类，属于单相热虹吸，单相热虹吸相对于两相热虹吸其优点是换热面积大，热交换系统的管道内填充有不少于95％的液态金属，其热交换过程管道内环境相对稳定，安全性高。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统，其特征在于：包括建筑物、热交换系统和太阳能板(4)；所述建筑物的高度不超过5m；
所述热交换系统一(2)和热交换系统二(3)均是呈蛇形设置的闭环管道，其中热交换系统一(2)包括第一管道(2.1)、第二管道(2.2)、第三管道(2.3)、第一连接弯管(2.4)和第二连接弯管(2.5)，所述第一连接弯管(2.4)和第二连接弯管(2.5)为90度弯管，所述第一管道(2.1)和第二管道(2.2)通过第一连接弯管(2.4)连接，第三管道(2.3)与第二管道(2.2)通过第二连接弯管(2.5)连接；
所述热交换系统二(3)包括第四管道(3.1)、第五管道(3.2)和第三连接弯管(3.3)，所述第三连接弯管(3.3)为90度弯管，所述第四管道(3.1)和第五管道(3.2)通过第三连接弯管(3.3)连接；
所述热交换系统一(2)和热交换系统二(3)的管道内填充有不少于95％的液态金属；
所述建筑物包括横向设置的建筑楼板(1.1)、竖向设置的内墙(1.2)和外墙(1.3)、竖向设置的墙体保温层(1.7)、斜向设置的屋顶(1.4)、门(1.5)、窗户(1.6)、保护平台(1.8)，所述保护平台(1.8)设置于建筑物外，并且与建筑楼板(1.1)共面，所述内墙(1.2)平行于外墙(1.3)，内墙(1.2)和外墙(1.3)构成建筑物的墙体，墙体围合成建筑物四壁的四面结构，该四面结构设置在建筑楼板(1.1)上方，所述墙体保温层(1.7)设置在内墙(1.2)和外墙(1.3)之间，内墙(1.2)和外墙(1.3)通过锚栓连接，第三管道(2.3)镶嵌在内墙(1.2)内部，所述第三管道(2.3)顶部设置有充注管一(2.3.1)，第二管道(2.2)横向设置在保护平台(1.8)内；所述屋顶(1.4)设置在该四面结构上方，所述屋顶(1.4)正上方设置有太阳能板(4)；一面墙体上设置有窗户(1.6)和门(1.5)，所述窗户(1.6)为双层塑钢中空玻璃窗；所述第一管道(2.1)和第四管道(3.1)竖向设置、第一管道(2.1)和第四管道(3.1)顶面与表土层(9)顶面平齐、第一管道(2.1)和第四管道(3.1)底面与心土层(10)底面平齐；所述第五管道(3.2)设置在建筑楼板(1.1)和保护平台(1.8)内，第五管道(3.2)远离第四管道(3.1)的一端设置有充注管二(3.2.1)。
2.一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统，其特征在于：包括建筑物、热交换系统和太阳能板(4)；所述建筑物的高度不超过5m；
所述热交换系统一(2)和热交换系统二(3)均是呈蛇形设置的闭环管道，其中热交换系统一(2)包括第一管道(2.1)、第二管道(2.2)、第三管道(2.3)、第一连接弯管(2.4)和第二连接弯管(2.5)，所述第一连接弯管(2.4)和第二连接弯管(2.5)为90度弯管，所述第一管道(2.1)和第二管道(2.2)通过第一连接弯管(2.4)连接，第三管道(2.3)与第二管道(2.2)通过第二连接弯管(2.5)连接；
所述热交换系统二(3)包括第四管道(3.1)、第五管道(3.2)和第三连接弯管(3.3)，所述第三连接弯管(3.3)为90度弯管，所述第四管道(3.1)和第五管道(3.2)通过第三连接弯管(3.3)连接；
所述热交换系统一(2)和热交换系统二(3)的管道内填充有不少于95％的液态金属；
所述建筑物包括横向设置的建筑楼板(1.1)、竖向设置的内墙(1.2)和外墙(1.3)、竖向设置的墙体保温层(1.7)、斜向设置的屋顶(1.4)、门(1.5)、窗户(1.6)、保护平台(1.8)，所述保护平台(1.8)设置于建筑物外，并且与建筑楼板(1.1)共面，所述内墙(1.2)平行于外墙(1.3)，内墙(1.2)和外墙(1.3)构成建筑物的墙体，墙体围合成建筑物四壁的四面结构，该四面结构设置在建筑楼板(1.1)上方，所述墙体保温层(1.7)设置在内墙(1.2)和外墙(1.3)之间，内墙(1.2)和外墙(1.3)通过锚栓连接，第三管道(2.3)通过螺栓固定在内墙(1.2)朝室内一侧的端面，所述第三管道(2.3)顶部设置有充注管一(2.3.1)，第二管道(2.2)横向设置在保护平台(1.8)内；所述屋顶(1.4)设置在该四面结构上方，所述屋顶(1.4)正上方设置有太阳能板(4)；一面墙体上设置有窗户(1.6)和门(1.5)，所述窗户(1.6)为双层塑钢中空玻璃窗；所述第一管道(2.1)和第四管道(3.1)竖向设置、第一管道(2.1)和第四管道(3.1)顶面与表土层(9)顶面平齐、第一管道(2.1)和第四管道(3.1)底面与心土层(10)底面平齐；所述第五管道(3.2)设置在建筑楼板(1.1)和保护平台(1.8)内，第五管道(3.2)远离第四管道(3.1)的一端设置有充注管二(3.2.1)。
3.如权利要求1或2所述的一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统，其特征在于，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡铝合金中的一种或几种。
4.如权利要求1或2所述的一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统，其特征在于，所述热交换系统的第一管道(2.1)、第二管道(2.2)、第三管道(2.3)、第一连接弯管(2.4)、第二连接弯管(2.5)、第四管道(3.1)、第五管道(3.2)和第三连接弯管(3.3)的材料均为铜或不锈钢。
5.如权利要求1或2所述的一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统，其特征在于，所述内墙(1.2)上还设置有风扇(13)，所述太阳能板(4)的能量输出端口连接风扇(13)的电源端。
6.如权利要求1或2所述的一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统，其特征在于，所述液态金属从固态到液态的相变温度小于8℃。
7.如权利要求1或2所述的一种自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统，其特征在于，还包括含有热交换系统、保护平台(1.8)和建筑楼板(1.1)的地面结构，包括表土层(9)、心土层(10)、地砖层(12)、回填层(11)和防水层(6)；所述表土层(9)设置在心土层(10)上方；所述建筑楼板(1.1)和保护平台(1.8)共面，均设置在表土层(9)上；
所述建筑楼板(1.1)和保护平台(1.8)从下到上依次铺设有混凝土层(7)、楼板保温层(5)、水泥基自流平层(8)；所述热交换系统一(2)的第二管道(2.2)布设在保护平台(1.8)的水泥基自流平层(8)内，所述热交换系统二(3)的第五管道(3.2)布设在建筑楼板(1.1)和保护平台(1.8)的水泥基自流平层(8)内，所述回填层(11)铺设在第二管道(2.2)和第五管道(3.2)上，所述防水层(6)设置在回填层(11)正上方；所述防水层(6)上铺设有地砖层(12)；
所述热交换系统的第一管道(2.1)和第四管道(3.1)深入心土层(10)。
8.一种如权利要求1或2所述自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统的安装方法，其特征在于有如下步骤：
步骤一：根据热交换系统的尺寸和待建房屋的位置确定待挖地沟的深度和位置；
步骤二：挖地沟，并将热交换系统一(2)的第一管道(2.1)和热交换系统二(3)的第四管道(3.1)插入心土层(10)，填满地沟，找平；
步骤三：安装第二管道(2.2)和第五管道(3.2)；铺设建筑楼板(1.1)和保护平台(1.8)，在建筑楼板(1.1)的水泥基自流平层(8)干燥后，根据管道设计图布置凹槽，铺设第二管道(2.2)和第五管道(3.2)进入凹槽，并使第一连接弯管(2.4)连接第一管道(2.1)和第二管道(2.2)，第三连接弯管(3.3)连接第四管道(3.1)和第五管道(3.2)；
步骤四：安装第三管道(2.3)；浇筑墙体，根据第三管道(2.3)的尺寸在内墙(1.2)上排布管道，抹平内墙(1.2)；或将第三管道(2.3)通过螺钉固定在内墙(1.2)朝室内一侧的端面；通过第二连接弯管(2.5)连接第二管道(2.2)和第三管道(2.3)；
步骤五：在热交换系统中灌入液态金属；通过第三管道(2.3)顶部的充注管一(2.3.1)将液态金属灌入热交换系统一(2)中，通过第五管道(3.2)上的充注管二(3.2.1)将液态金属灌入热交换系统二(3)中，将充注管一(2.3.1)和充注管二(3.2.1)密封，测试热交换系统的密封性；
步骤六：热交换系统的密封性测试合格后抹平墙体和地面；在铺设好第三管道(2.3)的墙面上填入水泥砂浆，找平；在铺设好的第二管道(2.2)和第五管道(3.2)上填入水泥砂浆，形成回填层(11)，找平；待回填层(11)干燥后在回填层(11)上铺设防水层(6)，待防水层(6)干透后，在防水层(6)上铺设地砖形成地砖层(12)；
步骤七：安装房顶和太阳能板(4)；并将太阳能板(4)的能量输出端口连接风扇(13)的电源端；在内墙(1.2)上安装风扇(13)；
步骤八：安装屋顶(1.4)和太阳能板(4)；
步骤九：安装窗户(1.6)和门(1.5)。
9.如权利要求8所述自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统的安装方法，其特征在于，步骤二中的第一管道(2.1)和第四管道(3.1)安装在表土层(9)下至少50cm处，并插入心土层(10)。
10.如权利要求8所述自驱动的液态金属建筑供冷和供暖系统的安装方法，其特征在于，步骤六中的回填层(11)高度在10mm～30mm之间。
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