CN112832580A - 四管制热激活建筑围护结构及运行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四管制热激活建筑围护结构，包括墙体基体、多个双U型换热管路和温度监测系统，墙体基体内设置有多个钻孔群，钻孔群由四个呈十字对称排布的异型钻孔组成，异型钻孔由第一圆形钻孔、第二圆形钻孔和矩形钻孔构成，每个双U型换热管路分别由第一U型管、第二U型管和位于二者内部的换热工质构成，其中，第一U型管置于钻孔群中竖直方向的第二圆形钻孔内，第二U型管置于钻孔群中水平方向的第二圆形钻孔内，矩形钻孔内装有U管固定胶条，第一圆形钻孔内装有专用固定件，专用固定件贴紧U管固定胶条使第一U型管和第二U型管紧贴墙体基体。本发明可实现更高的自然能源利用率并有效削减源端和泵送系统相应初始投资和运行费用。
Description
技术领域
本发明涉及建筑节能技术领域，尤其是涉及一种四管制热激活建筑围护结构及运行控制方法。
背景技术
热激活建筑系统是一种高效建筑节能与供能系统，然而受到现有构造形式和建造方式的诸多限制，该技术仍有一些问题迫切需要得到解决。首先，在热激活建筑系统运行过程中，由于系统注热能力与围护结构热扩散能力之间的不匹配，嵌管周边区域存在严重的热堆积现象。热堆积现象会随着热激活建筑系统的持续运行而不断加剧，注热温度与嵌管周边区域的温差随之快速减小，系统注热能力和运行效率最终将产生大幅下降。其次，由于上述堆积热量无法及时向周边区域尤其是墙体内表面传递，导致热激活建筑系统在处理建筑室内瞬时负荷时的响应速度较差，因此部分使用热激活建筑系统的建筑仍需配置额外的瞬态负荷处理系统。此外，热堆积现象的存在还将导致围护结构长期面临受热不均的潜在安全隐患，建筑围护结构也因此容易出现裂纹进而影响建筑整体的结构安全和使用体验。然而，当前尚缺乏解决热激活建筑围护结构中热堆积现象的有效技术措施和方法手段，主要应对措施是对热激活建筑系统进行间歇运行并依靠脉冲式注热手段来缓解热堆积现象产生的不利影响。间歇运行虽然被证明可有效提升热激活建筑系统的注热量并减少系统运行功耗，但并非所有热激活建筑系统都适用这一控制方式。对于那些使用自然能源作为冷热源来源的热激活建筑系统来说，在自然能源丰富的时间段为了等待热堆积现象缓解而不能持续运行将导致极大的自然能源浪费。与此同时，为了能够在热堆积现象恢复时又能注入足够的自然能源，上述系统中又不得不额外提高泵送系统功率和源端容量，从而导致应对热堆积现象的代价大幅增加。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种四管制热激活建筑围护结构及运行控制方法，可有效缓解热激活建筑围护结构中热堆积现象的产生及其影响，提高热激活建筑围护结构应对瞬态负荷的响应速度，改善热激活建筑围护结构的受热不均问题，最终达到强化热激活建筑系统注热能力和运行效率的目的。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种四管制热激活建筑围护结构，包括墙体基体、多个双U型换热管路和温度监测系统，所述墙体基体内设置有多个钻孔群，所述钻孔群由四个呈十字对称排布的异型钻孔组成，所述异型钻孔由第一圆形钻孔、第二圆形钻孔和矩形钻孔构成，第一圆形钻孔靠近墙体基体的中心，第二圆形钻孔分布在第一圆形钻孔的外侧并通过所述矩形钻孔与其连通，所述第一圆形钻孔的直径大于第二圆形钻孔的直径，矩形钻孔的宽度与第二圆形钻孔的直径相同，每个双U型换热管路分别由第一U型管、第二U型管和位于二者内部的换热工质构成，其中，第一U型管置于钻孔群中竖直方向的第二圆形钻孔内，第二U型管置于钻孔群中水平方向的第二圆形钻孔内，所述矩形钻孔内装有U管固定胶条，第一圆形钻孔内装有专用固定件，专用固定件贴紧U管固定胶条使第一U型管和第二U型管紧贴墙体基体；所述温度监测系统由位于所述墙体基体内部的第一温度传感器、第二温度传感器以及外置控制器组成，所述第二温度传感器位于异型钻孔群的水平钻孔延长线上，并且第二温度传感器与水平钻孔端部以及墙体基体内表面的距离相等，所述第一温度传感器位于异型钻孔群的竖向钻孔延长线上，且第一温度传感器距离竖向钻孔端部的距离与第二温度传感器4与水平钻孔端部的距离一致。
优选地，所述墙体基体的一端具有圆柱状预留腔体并与第一操作仓仓盖围合形成第一操作仓，另一端安装有第二操作仓仓盖并围合形成第二操作仓。
优选地，所述双U型换热管路中的第一U型管和第二U型管在第二操作仓中分别相互串接或者并接，并进一步通过第二操作仓上下两端设置的流体管道进出口与冷热源和泵送系统连通。
优选地，所述墙体基体、第一操作仓和第二操作仓的外侧依次设有外保温层和外抹灰层。
一种四管制热激活建筑围护结构的运行控制方法，包括“间歇注热、蓄热和放热模式”、“定向注热、蓄热和放热模式”和“强化注热、蓄热和放热模式”三种模式。
所述间歇注热、蓄热和放热模式为：首先，接通第一U型管，此时热激活建筑系统执行竖向钻孔区域的间歇注热、蓄热和放热模式，该种模式下，通过第一U型管向墙体基体的中心区域持续注入热量，同时通过第一温度传感器持续监测墙体基体的中心区域温度变化，当第一温度传感器的温度实时监测值与换热工质的温差小于设定值时，接通第二U型管，此时热激活建筑系统执行水平钻孔区域的间歇注热、蓄热和放热模式，该模式下，热激活建筑系统通过第二U型换热管向墙体基体两侧边缘区域持续注入热量，同时通过第二温度传感器持续监测两侧边缘区域的温度变化，当第二温度传感器的实时温度监测值与换热工质的温差小于设定值时，再次接通第一U型管，并再次执行竖向钻孔区域的间歇注热、蓄热和放热模式，如此，竖向钻孔区域和水平钻孔区域交替进行着持续注热、蓄热和放热的过程直至控制器发出系统停止运行指令。
所述定向注热、蓄热和放热模式为：当控制器在上述“间歇注热、蓄热和放热模式”运行过程中接收到优先处理室内瞬态负荷指令，控制器立即向热激活建筑系统发出指令并执行水平钻孔区域的定向注热、蓄热和放热模式，该种模式下，热激活建筑系统通过第二U型管中向墙体基体的两侧边缘区域持续注入热量以优先处理来自室内的瞬时负荷。
所述强化注热、蓄热和放热模式为：当控制器接收到热激活建筑系统进行性能优先的运行指令后，控制器立即向热激活建筑系统发出快速注热指令并执行竖向钻孔区域和水平钻孔区域的强化注热、蓄热和放热模式，该种模式下，热激活建筑系统通过第一U型管和第二U型管向包含墙体基体的中心区域以及两侧边缘区域的全区域持续注入热量以确保围护结构的高热工性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明热激活建筑围护结构无需对热激活建筑系统进行间歇控制即可有效解决传统热激活建筑围护结构内部广泛存在的热堆积现象，因此可实现更高的自然能源利用率并有效削减源端和泵送系统相应初始投资和运行费用。2、通过墙体基体中心区域和两侧边缘区域的交替注热、蓄热和放热，本发明的热激活建筑围护结构还可以在克服热堆积现象影响的同时，确保热激活建筑系统的注热能力不会发生大幅衰减，因此注热能力和运行效率相比传统热激活建筑系统得到显著提升。3、通过墙体基体中心区域和两侧边缘区域的交替注热、蓄热和放热，还可有效缓解热激活建筑围护结构的受热不均问题，热激活建筑围护结构中出现裂纹的潜在风险得到降低，结构安全和使用体验也相应得到提升。4、在执行墙体基体两侧边缘区域的定向注热、蓄热和放热的模式下，本发明的热激活建筑围护结构还能够对建筑的瞬态负荷及时做出响应，响应速度相比传统热激活建筑围护结构更加迅速，因而可以有效削减用于处理建筑瞬时负荷的系统安装容量、初始投资和运行费用。5、在执行墙体基体中心区域以及两侧边缘区域的全区域强化注热、蓄热和放热的模式下，本发明的热激活建筑围护结构能够以高于传统热激活建筑系统的注热能力向围护结构中注入热量，因此在气候更加恶劣的地区或者在同等气候区应用时性能更加优越。6、本发明的热激活建筑围护结构实现了热激活建筑系统的模块化设计和建造，建成后无需对墙体承重层进行大规模破坏即可完成检修和运维，检修难度和运维工作量可得到大幅下降。
附图说明
图1所示为本发明的一种四管制热激活建筑围护结构示意图；
图2所示为本发明的一种四管制热激活建筑围护结构俯视图；
图3所示为图2的AA向剖视图；
图4所示为图3的局部放大图；
图5所示为图2的BB向剖视图；
图6所示为图5的局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的四管制热激活建筑围护结构的示意图如图1-图5所示，包括墙体基体11、多个双U型换热管路、温度监测系统以及外保温层和内外抹灰层。所述墙体基体11的一端具有圆柱状预留腔体并与第一操作仓仓盖13围合形成第一操作仓12，另一端安装有第二操作仓仓盖15并围合形成第二操作仓14。所述第一操作仓12与第二操作仓14之间设置有多个由四个对称排布的异型钻孔所组成的钻孔群19。所述钻孔群由四个呈十字对称排布的异型钻孔组成，所述异型钻孔由第一圆形钻孔、第二圆形钻孔和矩形钻孔构成，第一圆形钻孔靠近墙体基体的中心，第二圆形钻孔分布在第一圆形钻孔的外侧并通过所述矩形钻孔与其连通，所述第一圆形钻孔的直径大于第二圆形钻孔的直径，矩形钻孔的宽度与第二圆形钻孔的直径相同。所述墙体基体11、第一操作仓12和第二操作仓14的外侧依次设有外保温层18和外抹灰层17，对应内侧设有内抹灰层16。每个所述换热管路由第一U型管21和第二U型管22和换热工质组成，其中第一U型管21经第一操作仓12置于钻孔群19的竖向钻孔内，第二U型管22同样经第一操作仓12置于钻孔群19的水平钻孔内。所述双U型换热管路中的第一U型管21和第二U型管22在在第二操作仓14中分别相互串接或者并接，并进一步通过第二操作仓14上下两端设置的流体管道进出口25与冷热源和泵送系统连通。置于所述异型钻孔中的第一U型管21和第二U型管22通过直径等于大直径圆形钻孔并且带有安装孔的专用固定件24以及U管固定胶条23固定在异型钻孔中的小直径圆形钻孔位置，并且与墙体基体11保持紧密接触。安装时，先把U型管道和U管固定胶条放入第一钻孔中，并且在第一操作仓一侧将U型管道和U管固定胶条摁入第二钻孔和矩形钻孔；随后同样通过第一操作仓将专用固定件放入第一钻孔中，再额外用一根带有螺纹的长螺杆与专用固定件的安装孔连接，并借助长螺杆将专用固定件沿第一钻孔向第二操作仓侧推进。在推进的过程中，U管被推入到第二钻孔中，并在U管固定胶条的挤压作用下与第二钻孔周边的表面紧密接触。
如果只设置四个大小与U管直径一致的钻孔，虽然可以保证管道与钻孔紧密接触和良好的换热效果，但在一个与U管直径一致的狭(小钻孔)内完成管道安装、检修和更换是非常困难的；同样，如果只设置四个大小大于U管直径的钻孔，虽然这样可以优先保证安装、检修和更换效率，但是管道与钻孔的接触无疑就会变得很差，二者之间无疑将存在较大的间隙，从而导致流体管道的换热效果大幅下降。
本发明中设置第二圆形钻孔(小钻孔)和U管固定胶条是为了让流体管道与钻孔能够紧密接触，保持较高的接触和换热效果；设置第一圆形钻孔(大钻孔)是为了可以快速方便的安装、检修或者更换U管。第一圆形钻孔(大钻孔)和第二圆形钻孔(小钻孔)的结合起到了技术效果6的目的。
另外，四个第一圆形钻孔(大钻孔)的存在也可以避免第二圆形钻孔(小钻孔)中流体管道中热量向四个第一圆形钻孔(大钻孔)这一侧传递(因为这一侧要不就是断断续续的专用固定件要不就是第一圆形钻孔(大钻孔)内的空气，传递效果比较差)，这样可以避免四个钻孔之间热量传递的互相干扰，也可以起到一定的缓解热堆积效应的作用。
操作仓的存在则是为了避免管道直接暴露在室外空气中，一方面会影响建筑美观，另一方面如果没有操作仓的保护U管也容易出现破损等问题。
本装置采用间隔设置几个专用固定件，而不是直接使用一个专用固定件，目的有两个：一个是出于材料节省的目的，因为U管固定胶条与矩形钻孔本身具有一定的过盈配合，挤压进去后一般情况下不会变形或松动，当然极端情况也会有；另一个目的是，多个固定安装件相比较一个整体的固定安装件便于安装和拆卸。
所述温度监测系统由位于所述墙体基体11内部的第一温度传感器3、第二温度传感器4以及外置控制器6组成。所述第二温度传感器4位于异型钻孔群12的水平钻孔延长线上，并且第二温度传感器4与水平钻孔端部以及墙体基体内表面5的距离相等。所述第一温度传感器3位于异型钻孔群12的竖向钻孔延长线上，且第一温度传感器3距离竖向钻孔端部的距离与第二温度传感器4与水平钻孔端部的距离一致。
所述四管制热激活建筑围护结构的运行控制方法包括“间歇注热、蓄热和放热模式”、“定向注热、蓄热和放热模式”和“强化注热、蓄热和放热模式”三种。
间歇注热、蓄热和放热模式：当控制器6接收到热激活建筑系统进行节能优先的运行指令后，本发明的热激活建筑围护结构按照先竖向钻孔区域后水平钻孔区域的交替模式进行持续注热、蓄热和放热。首先，通过控制器6向热激活建筑系统发出控制信号以接通第一U型管21，此时热激活建筑系统执行竖向钻孔区域的间歇注热、蓄热和放热模式。该种模式下，热激活建筑系统通过第一U型管21向墙体基体11的中心区域持续注入热量，同时通过第一温度传感器3持续监测墙体基体11的中心区域温度变化。当第一温度传感器3的温度实时监测值与换热工质的温差小于设定值时，通过控制器6再次向热激活建筑系统发出控制信号以切换换热管路并接通第二U型管22，此时热激活建筑系统执行水平钻孔区域的间歇注热、蓄热和放热模式。该模式下，热激活建筑系统通过第二U型换热管22向墙体基体11两侧边缘区域持续注入热量，同时通过第二温度传感器4持续监测两侧边缘区域的温度变化。当第二温度传感器4的实时温度监测值与换热工质的温差小于设定值时，通过控制器35再次向热激活建筑系统发出控制信号以再次接通第一U型管21，并再次执行竖向钻孔区域的间歇注热、蓄热和放热模式。如此，竖向钻孔区域和水平钻孔区域交替进行着持续注热、蓄热和放热的过程直至控制器6发出系统停止运行指令。
定向注热、蓄热和放热模式：当控制器6在上述“间歇注热、蓄热和放热模式”运行过程中接收到优先处理室内瞬态负荷指令，控制器6立即向热激活建筑系统发出指令并执行水平钻孔区域的定向注热、蓄热和放热模式。该种模式下，热激活建筑系统通过第二U型管22中向墙体基体11的两侧边缘区域持续注入热量以优先处理来自室内的瞬时负荷。
强化注热、蓄热和放热模式：当控制器6接收到热激活建筑系统进行性能优先的运行指令后，控制器6立即向热激活建筑系统发出快速注热指令并执行竖向钻孔区域和水平钻孔区域的强化注热、蓄热和放热模式。该种模式下，热激活建筑系统通过第一U型管21和第二U型管22向包含墙体基体11的中心区域以及两侧边缘区域的全区域持续注入热量以确保围护结构的高热工性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种四管制热激活建筑围护结构，其特征在于，包括墙体基体、多个双U型换热管路和温度监测系统，所述墙体基体内设置有多个钻孔群，所述钻孔群由四个呈十字对称排布的异型钻孔组成，所述异型钻孔由第一圆形钻孔、第二圆形钻孔和矩形钻孔构成，第一圆形钻孔靠近墙体基体的中心，第二圆形钻孔分布在第一圆形钻孔的外侧并通过所述矩形钻孔与其连通，所述第一圆形钻孔的直径大于第二圆形钻孔的直径，矩形钻孔的宽度与第二圆形钻孔的直径相同，每个双U型换热管路分别由第一U型管、第二U型管和位于二者内部的换热工质构成，其中，第一U型管置于钻孔群中竖直方向的第二圆形钻孔内，第二U型管置于钻孔群中水平方向的第二圆形钻孔内，所述矩形钻孔内装有U管固定胶条，第一圆形钻孔内装有专用固定件，专用固定件贴紧U管固定胶条使第一U型管和第二U型管紧贴墙体基体；所述温度监测系统由位于所述墙体基体内部的第一温度传感器、第二温度传感器以及外置控制器组成，所述第二温度传感器位于异型钻孔群的水平钻孔延长线上，并且第二温度传感器与水平钻孔端部以及墙体基体内表面的距离相等，所述第一温度传感器位于异型钻孔群的竖向钻孔延长线上，且第一温度传感器距离竖向钻孔端部的距离与第二温度传感器4与水平钻孔端部的距离一致。
2.根据权利要求1所述的四管制热激活建筑围护结构，其特征在于，所述墙体基体的一端具有圆柱状预留腔体并与第一操作仓仓盖围合形成第一操作仓，另一端安装有第二操作仓仓盖并围合形成第二操作仓。
3.根据权利要求2所述的四管制热激活建筑围护结构，其特征在于，所述双U型换热管路中的第一U型管和第二U型管在第二操作仓中分别相互串接或者并接，并进一步通过第二操作仓上下两端设置的流体管道进出口与冷热源和泵送系统连通。
4.根据权利要求3所述的四管制热激活建筑围护结构，其特征在于，所述墙体基体、第一操作仓和第二操作仓的外侧依次设有外保温层和外抹灰层。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的四管制热激活建筑围护结构的运行控制方法，其特征在于：包括“间歇注热、蓄热和放热模式”、“定向注热、蓄热和放热模式”和“强化注热、蓄热和放热模式”三种模式。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述间歇注热、蓄热和放热模式为：首先，接通第一U型管，此时热激活建筑系统执行竖向钻孔区域的间歇注热、蓄热和放热模式，该种模式下，通过第一U型管向墙体基体的中心区域持续注入热量，同时通过第一温度传感器持续监测墙体基体的中心区域温度变化，当第一温度传感器的温度实时监测值与换热工质的温差小于设定值时，接通第二U型管，此时热激活建筑系统执行水平钻孔区域的间歇注热、蓄热和放热模式，该模式下，热激活建筑系统通过第二U型换热管向墙体基体两侧边缘区域持续注入热量，同时通过第二温度传感器持续监测两侧边缘区域的温度变化，当第二温度传感器的实时温度监测值与换热工质的温差小于设定值时，再次接通第一U型管，并再次执行竖向钻孔区域的间歇注热、蓄热和放热模式，如此，竖向钻孔区域和水平钻孔区域交替进行着持续注热、蓄热和放热的过程直至控制器发出系统停止运行指令。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述定向注热、蓄热和放热模式为：当控制器在上述“间歇注热、蓄热和放热模式”运行过程中接收到优先处理室内瞬态负荷指令，控制器立即向热激活建筑系统发出指令并执行水平钻孔区域的定向注热、蓄热和放热模式，该种模式下，热激活建筑系统通过第二U型管中向墙体基体的两侧边缘区域持续注入热量以优先处理来自室内的瞬时负荷。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述强化注热、蓄热和放热模式为：当控制器接收到热激活建筑系统进行性能优先的运行指令后，控制器立即向热激活建筑系统发出快速注热指令并执行竖向钻孔区域和水平钻孔区域的强化注热、蓄热和放热模式，该种模式下，热激活建筑系统通过第一U型管和第二U型管向包含墙体基体的中心区域以及两侧边缘区域的全区域持续注入热量以确保围护结构的高热工性能。
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