CN1789877A - 自然冷能的热管装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用自然冷能和环保热能的热管装置及其应用系统，热管装置包括蒸发部、冷凝部、上升管和回流管，其中蒸发部低于或等于冷凝部，蒸发部的上端与冷凝部的上端通过上升管连接，冷凝部的下端与蒸发部的下端通过回流管连接，构成利用自然冷能的自动传导热能的热管回路。该装置可以进一步构成存储自然冷能和环保热能的蓄能装置、利用自然冷能和环保热能的空调装置以及建筑体系。

Description

自然冷能的热管装置及其应用
                          技术领域
本发明属于制冷系统、加热和制冷的联合系统、蓄冷、蓄热设备及其配件，尤其涉及一种利用自然冷能和环保热能的空调系统。
                          背景技术
现有的制冷、蓄能设备及空调大多采用压缩机使工质通过压缩——膨胀循环制冷；其具有商品能耗大，运行成本高，运行不稳定，维护操作复杂，使用有害介质，有直接和间接的温室气体及其它污染物排放，存在噪声污染，对电力依赖性强，对电力峰值负荷影响较大等缺点。
申请号为91101569.8的中国发明专利申请公开说明书公开了一种由风管、载冷剂、输液箱及贮冷体组成的供冷装置。其风管通过载冷剂输液箱与载冷剂进行热交换，载冷剂输液箱通过连通钢管中的载冷剂与贮冷体进行热交换。冬季利用风管中冷热气体形成的静压力差和风速自动输入大气中的冷量，并通过贮冷体中水的相变潜热贮存，夏季制冷时，通过供冷水管及载冷剂与贮能体循环进行热交换，释放冷量。
这种蓄能设备利用了冬天大气中的自然冷能，达到了节能的目的，避免了温室气体及其它污染物排放，但存在下列缺陷：(1)冷量的输入、输出通过大量的商品载冷剂完成，至少冷量输出需强制循环，自然对流效率低；(2)冷量的输入、输出均通过二次换热，降低换热效率，增大冷量损失；(3)风管无法消除传导、对流冷量损失；(4)风管会造成堵塞；(5)空气与钢管壁换热效率很低，实际工程中需大量排管及支撑件；(6)满足保温、防胀、防渗，同时又高效换热的自然冷能贮存器造价昂贵，难以实施。
现有蓄冷装置也有使用图1所示的单体热管作为导冷元件的，但这种单体热管蓄能设备仍有下列缺陷：(1)管内上升蒸汽和下降冷却液体处于同一管道之中，相互之间存在循环阻力，有相互换热现象，从而影响传导功率，因此单支热管导冷功率小；(2)相同传导功率条件下造价相对高；(3)安装受角度限制；(4)不能进行开启和关闭或调节功率大小从而实现有序冻结。
                          发明内容
本发明旨在克服上述缺陷，其目的之一在于提供一种利用自然冷能的自动传导热能的热管装置。
本发明目的之二在于提供一种存储自然冷能和环保热能的蓄能装置。
本发明目的之三在于提供一种利用自然冷能和环保热能的空调装置。
本发明目的之四在于提供一种利用自然冷能和环保热能的建筑体系。
本发明的热管装置是这样实现的，它包括蒸发部、冷凝部、上升管和回流管，其中蒸发部低于或等于冷凝部，蒸发部的上端与冷凝部的上端通过上升管连接，冷凝部的下端与蒸发部的下端通过回流管连接，构成热管回路。
其中蒸发部由多根蒸发管并联构成；也可以是由单根蒸发管构成，与回流管连通呈U型；也可以是蒸发部为一盲管，上升管与盲管的上部管口连通，回流管插入盲管腔内中下部。
其中冷凝部由多根冷凝管并联构成；也可以是由单根冷凝管构成，与上升管连通呈倒U型。同时，冷凝部的冷凝管外设有翅片。
上升管和回流管至少之一采用导热系数低的材料制成，或者管壁外设有保温层。
热管回路上设置至少一个阀门。
蒸发部至少部分蒸发管之间或者蒸发管腔室内设置动力循环管，动力循环管的进出口位于蒸发部之外。
本发明的蓄能装置是这样实现的，它由蓄能介质和热管装置组成，其中热管装置的蒸发部位于蓄能介质中，蓄能介质为水、岩土或者其他相变体。
蓄能介质外设置保温材料；在蓄能介质中设置动力循环管路，该动力循环管路大致均匀地分布于蓄能介质中。
本发明的空调装置是这样实现的，它包括蓄能装置和与其发生热交换的终端回路，该终端回路包括空调末端，空调末端为风机盘管、或暖气片、或地盘管。
在终端回路与蓄能装置之间设置换热器，而且蓄能装置与换热器发生热交换，换热器与终端回路发生热交换。
终端回路与蓄能装置或换热器之间设置热泵，热泵的初级冷源或初级热源输入端与蓄能装置或换热器发生热交换，热泵的输出端与终端回路发生热交换。
蓄能装置之一为蓄冷装置，热管冷凝部位于大气之中，设置在热管蒸发部或蓄能装置中的动力循环管路与终端回路连通。换热器设置在动力循环管路与终端回路之间。动力循环管路与采用峰谷电或风能制冷的制冷机输出端相连。
蓄能装置之二为蓄热装置，热管装置的冷凝部与终端回路连通。热管装置的冷凝部位于热交器之中。设置在热管蒸发部或蓄能装置中的动力循环管路与供热热源相连。供热热源为工业余热、太阳能集热装置、峰谷电制热的热泵，或利用风能制热的热泵。
本发明的建筑体系是这样实现的，它包括空调装置和建筑物，其中空调装置的空调末端位于建筑物内，蓄能装置中的蓄能介质位于地下。
其中之一，蓄能装置为蓄冷装置，热管装置的蒸发部随蓄能介质位于地表下，热管装置的冷凝部位于地上建筑物之外大气中，蓄冷装置或热管装置中的动力循环管与空调末段直接相连，或经过换热器或热泵与空调末段发生热交换。
其中之二，蓄能装置为蓄热装置，热管装置的动力循环管与太待储热源连通，热管装置的蒸发部与空调末段直接相连，或通过换热器或热泵与空调末段发生热交换。
其中之三，蓄能装置包括蓄冷装置和蓄热装置，其共同与终端回路连接，供冷时终端回路与蓄冷装置发生热交换，供热时终端回路与蓄热装置发生热交换。
                         附图说明
图1为现有技术中热管装置的结构示意图；
图2为本发明中热管装置的结构示意图之一；
图3为本发明中热管装置的结构示意图之二；
图4为本发明中热管装置的结构示意图之三；
图5为本发明中热管装置的结构示意图之四；
图6为本发明中热管装置的结构示意图之五；
图7为本发明中蓄能装置的结构示意图之一；
图8为本发明中蓄能装置的结构示意图之二；
图9为图8的A向视图；
图10为本发明中蓄能装置的结构示意图之三；
图11为本发明中空调装置及建筑体系的结构示意图之一；
图12为本发明中空调装置及建筑体系的结构示意图之二；
图13为本发明中空调装置及建筑体系的结构示意图之三。
                         具体实施方式
热管装置的实施例1
参见图2，本发明所述的热管装置10a，它包括蒸发部1、冷凝部2、上升管3和回流管4，其中蒸发部由多根蒸发管并联构成，冷凝部由多根冷凝管并联构成，蒸发部1低于冷凝部2，蒸发部的上端与冷凝部的上端通过上升管3连接，冷凝部的下端与蒸发部的下端通过回流管4连接，构成热管回路。上升管3和回流管4上设有保温材料，当然也可以是采用导热系数低的材料制成；冷凝部的冷凝管外设有翅片；蒸发部1的蒸发管内充有的低沸点工质；热管回路上设置阀门5以便调节控制换热功率及方便灌注工质，其中上升管和回流管上分别设置一个阀门，上升管顶端设置一个阀门。
该热管装置的工作原理是：蒸发部1的低沸点工质通过管壁从蒸发部外界吸热后蒸发，蒸汽延上升管3上升，进入冷凝部2，向冷凝部外界放热后凝结，冷凝后的液体通过下降管4重新进入蒸发部1，如此完成换热循环。只要蒸发部1外界温度高于冷凝部2的外界温度，上述循环即可维持，将蒸发部外界的热不断地传向冷凝部外界；否则，传热过程自动停止，从而实现向上单向导热；而向上单向导热的过程同时就是向下单向导冷过程。
与图1所示的现有技术相比，本热管的特殊结构可以使蒸发介质在热管装置中单向循环传输，上升的蒸汽和下降的冷凝介质分别行走于上升管和下降管中，互不阻扰，互不换热，介质的循环方向与向上传热和向下传冷循环方向一致，传导效率极高。
热管装置的实施例2
参见图3，热管装置10b，相对实施例1而言，其区别在于热管装置10b的蒸发部由单根蒸发管构成，与回流管4连通呈U型，上升管3和回流管4上设有保温材料；这种结构的好处是便于将蒸发部放置于蓄冷体深处。这种结构既有单体热管易于深井埋管的施工便利，又有分体热管的高效传热性能。
热管装置的实施例3
参见图4，热管装置10c，相对实施例2而言，其区别在于热管装置10c的冷凝部2由单根冷凝管构成，与上升管4连通呈倒U型，上升管3和回流管4上设有保温材料；这种结构的好处是便于将冷凝部放置于介质深处。这种结构可以实现长距离热量传输，同时不受传输方向影响。
热管装置的实施例4
参见图5，热管装置10d，相对实施例1而言，其区别在于蒸发部1为一盲管，上升管2与盲管的上管口连通，回流管4插入盲管腔内下部，上升管3和回流管4上设有保温材料；盲管腔内充有低沸点工质6。
与前述实施例相比，蒸发部1的低沸点工质通过管壁从蒸发部外界吸热后蒸发，蒸汽延上升管3上升，进入冷凝部2，向冷凝部外界放热后凝结，冷凝后的液体通过下降管4重新进入蒸发部盲管底部中心，如此完成换热循环。
与图1所示的现有直插式热管相比，虽然蒸发部同为圆管，但本实施例的特殊结构可以使蒸发介质在热管装置中单向循环传输，上升的蒸汽和下降的冷凝介质分别行走于上升管和下降管中，互不阻扰，互不换热，介质的循环方向与向上传热和向下传冷循环方向一致，传导效率极高。热管装置的实施例5
参见图6，热管装置10e，相对实施例4而言，其区别在于蒸发部1的盲管内设置动力循环管7a，动力循环管7a的进出口位于蒸发部1之外；上升管3和回流管4上设有保温材料。
与前述实施例相比，前述实施例虽可实现向上单向导热和向下单向导冷，但不可反向传导，本实施例由于集成有动力循环管7b，可以实现任意方向的冷热传导。
蓄能装置的实施例1
参见图7，蓄能装置由热管装置10a和蓄能介质组成，蓄能介质为水或其它液固相变材料11a，热管装置多个同时设置，大致均匀地设置在蓄能介质11a之中，其中热管装置的蒸发部1位于蓄能介质11中，在蓄能介质外设置壳体12，壳体外表面设有保温材料13，壳体12是全封闭的，保温材料13可以是全封闭或者部份封闭的；冷凝部2设置在蓄能介质11和保温材料12之外，在蓄能介质中设置动力循环管路7b，该动力循环管路7b大致均匀地设置在热管装置10的蒸发管之间。
该装置可以实现下述四种功能：
蓄冷：参见热管装置的实施例1，其工作原理是，在环境气温低于蓄能介质，例如水的温度时，热管循环自动启动，将水中的热量传向环境大气，水温逐渐下降，当降到水的冰点0℃时，水体沿热管蒸发管壁结冰，随着上述过程的继续，沿蒸发管壁形成的冰柱逐渐沿径向生长，由此实现有序结冰。冻结过程所产生的体积膨胀由尚未冻结的柔性水体吸收；只要蒸发管间距小于蒸发管与壳体之间的最小距离，则蒸发管之间的水体优先结冰，在水体完全结冰之前可将上升管上的阀门单独关闭或与下降管上的阀门同时关闭，主动切断热管循环，防止冰体冻胀破坏壳体，从而实现防止冻胀目的。
释冷：通过设置于蓄能介质当中的动力循环管路内部的介质循环或直接将冰与水组成的蓄能介质中的水进行循环，即可将所蓄的冷能释放到换热装置或直接释放到冷能使用末端，如空调风机盘管。
蓄热：在上升阀门和下降阀门关闭状态下，通过动力循环管路将各种热源产生的热能通过显热或潜热形式蓄积到本蓄能装置。
释热：在上升阀门和下降阀门开启状态下，所蓄热能可以通过热管自动传到冷凝部，将热能释放到与冷凝部相连的换热装置或直接释放到热能使用末端。
蓄能装置的实施例2
参见图8，蓄能装置由热管装置10b和蓄能介质组成，蓄能介质为固体相变材料或掺有固体相变材料的土壤和砾石11b，热管装置多个同时设置，大致均匀地设置在蓄能介质之中，其中热管装置的蒸发部1位于蓄能介质中，在蓄能介质外设置保温材料13，保温材料13是全封闭的；冷凝部2设置在蓄能介质和保温材料13之外，在蓄能介质中设置动力循环管路7b，该动力循环管路7b大致均匀地设置在热管装置10b的蒸发管之间。
相对实施例1而言，由于蓄冷介质为固体相变材料，因此可以省去壳体，热管装置的蒸发部为U型管式热管装置10b，在固体蓄能介质中钻孔后可以将热管直接插入，易于安装；为便于安装，还可将U型管设置于圆形保护套管之中。
参见图9，为了增大热管冷凝部与空气的换热功率，在热管冷凝部周围设置诱导挡风板14，这样可以提高热管冷凝部局部的风速，从而提高热管的传热效率。
蓄能装置的实施例3
参见图10，相对实施例2而言，蓄能介质为土壤和岩石11c，在蓄能介质的周边和顶面设置保温材料13，热管装置为10e。
相对实施例1而言，由于蓄冷介质为土壤和岩石，底部不易设置保温材料，也不易布置10a型热管装置，但非常适合布置热管装置10e，在土壤和岩石中钻孔后可以将热管直接插入，易于安装。
如果蓄冷装置的体积足够大，例如边长大于100米时，蓄热体的表面散热面积相对于其体积较小，可以不用周边的保温层13，可以采用较便宜的保温材料代之。
空调装置及建筑体系实施例1
参见图11，空调装置包括蓄能装置和终端回路，该终端回路包括空调末端，空调末端为风机盘管30，其位于建筑物内；蓄能装置为蓄冷装置，蓄能介质为自然土壤11c，在其中钻深井孔，井孔呈矩阵状分布，尤以蜂窝状分布效率最高，井孔中采用10e型热管装置，蓄能介质周围和顶部设有保温材料，上升管3和回流管4外部也设有保温材料，热管装置10e的蒸发部随蓄能介质位于地表下，热管装置的冷凝部2位于地表外环境大气中。
在风机盘管30与蓄能装置之间设置换热器31，可以在一个小区集中设置一个，或每栋建筑物设置一个，设置在热管蒸发部中的动力循环管路7b相互并联后与换热器进行热交换，动力循环管路7设有循环泵32，动力循环管路外部也设有保温材料，换热器31与空调末端30进行热交换。
这种结构的好处：施工过程不用开挖和回填，降低工程造价。蓄冷是无商品能耗自动完成；释冷只需循环泵耗能。
其工作原理是：冬天环境气温低于蓄能介质温度时，热管将蓄能介质中的热能自动传入环境大气，使蓄能介质冷却，直至作为蓄能介质的自然土壤冻结，以显热及潜热方式蓄存大量的冷能；夏天通过动力循环提能量，通过换热过程或直接输入空调末端。
空调装置及建筑体系实施例2
参见图12，相对实施例1而言，蓄能装置为蓄热装置，蓄能介质仍为自然土壤11c，其中钻深井孔，井孔呈矩阵状分布，尤以蜂窝状分布效率最高，井孔中采用10e型热管装置，蓄能介质顶部设有保温材料，周围不设保温材料，上升管3和回流管4外部也设有保温材料，热管装置10e的蒸发部随蓄能介质位于地表下，热管装置的冷凝部2位于换热器中，冷凝部不设翅片管。
在风机盘管30与蓄能装置之间设置换热器31，设置在热管蒸发部中的动力循环管路7b相互并联后与换热器进行热交换，动力循环管路7b设有循环泵32，动力循环管路外部也设有保温材料，换热器31与空调末端30进行热交换。
夏天或秋天，设置在热管蒸发部或蓄能装置中的动力循环管路7b与供热热源太阳能集热装置33通过循环泵及循环管路相连；将热能直接通过热管蒸发部传入蓄能介质；向蓄能介质输入热量时阀门关闭。冬天，将所蓄热能通过热管冷凝部输入换热器或直接输入散热末端热，该过程自动完成，无须强制循环，此时开启上升管及回流管上的阀门。
由于蓄能体巨大，所以热量散失很少，蓄热效率很高。当然，供热热源除了太阳能集热装置，也可以为工业余热、峰谷电制热的热泵，或利用风能制热的热泵。
空调装置及建筑体系实施例3
参见图13，相对实施例1和实施例2而言，本实施例为两者的结合，其中蓄能装置包括蓄冷装置和蓄热装置，热管装置和土壤或水等蓄冷介质所组成的蓄能装置共同形成冷岛，热管装置和土壤或水等蓄热介质所组成的蓄能装置共同形成热岛，而冷岛和热岛双方共用一套终端回路为建筑物供冷或供热，三者的连接处设置转向阀34。
蓄冷装置蓄冷过程通过热管自动完成，无需动力；与终端回路的换热则通过动力循环完成。蓄热装置蓄热过程通过动力循环完成；与终端回路的换热则通过热管自动完成，无需动力。
所蓄热能或冷能，与空调末端的换热，可以通过热管冷凝端或动力循环管路完成，也可以通过换热器或热泵完成。当通过热泵完成时，供冷时热泵的冷凝段与蓄冷装置的动力循环管路相连并进行热交换，供热时热泵的蒸发段与蓄热装置的热管蒸发部相连并进行热交换。

Claims (27)

1.一种热管装置，其特征在于，它包括蒸发部、冷凝部、上升管和回流管，其中蒸发部低于或等于冷凝部，蒸发部的上端与冷凝部的上端通过上升管连接，冷凝部的下端与蒸发部的下端通过回流管连接，构成热管回路。
2.根据权利要求1所述的热管装置，其特征在于蒸发部由多根蒸发管并联构成。
3.根据权利要求1所述的热管装置，其特征在于，冷凝部由多根冷凝管并联构成。
4.根据权利要求1所述的热管装置，其特征在于，蒸发部由单根蒸发管构成，与回流管连通呈U型。
5.根据权利要求1所述的热管装置，其特征在于，冷凝部由单根冷凝管构成，与上升管连通呈倒U型。
6.根据权利要求1所述的热管装置，其特征在于，蒸发部为一盲管，上升管与盲管的上部管口连通，回流管插入盲管腔内中下部。
7.根据权利要求1所述的热管装置，其特征在于，上升管和回流管至少之一采用导热系数低的材料制成，或者管壁外设有保温层。
8.根据权利要求1所述的热管装置，其特征在于，冷凝部的冷凝管外设有翅片。
9.根据权利要求1所述的热管装置，其特征在于，热管回路上设置至少一个阀门。
10.根据权利要求1所述的热管装置，其特征在于，蒸发部至少部分蒸发管之间或者蒸发管腔室内设置动力循环管，动力循环管的进出口位于蒸发部之外。
11.一种采用上述权利要求所述热管装置的蓄能装置，其特征在于，它由蓄能介质和热管装置组成，其中热管装置的蒸发部位于蓄能介质中，蓄能介质为水、岩土或者其他相变体。
12.根据权利要求11所述的蓄能装置，其特征在于，蓄能介质外设置保温材料。
13.根据权利要求11所述的蓄能装置，其特征在于，在蓄能介质中设置动力循环管路，该动力循环管路大致均匀地分布于蓄能介质中。
14.一种采用上述权利要求所述蓄能装置的空调装置，其特征在于，它包括蓄能装置和与其发生热交换的终端回路，该终端回路包括空调末端，空调末端为风机盘管、或暖气片、或地盘管。
15.根据权利要求14所述的空调装置，其特征在于，在终端回路与蓄能装置之间设置换热器，而且蓄能装置与换热器发生热交换，换热器与终端回路发生热交换。
16.根据权利要求14或15所述的空调装置，其特征在于，在终端回路与蓄能装置或换热器之间设置热泵，热泵的初级冷源或初级热源输入端与蓄能装置或换热器发生热交换，热泵的输出端与终端回路发生热交换。
17.根据权利要求14所述的空调装置，其特征在于，蓄能装置为蓄冷装置，热管冷凝部位于大气之中，设置在热管蒸发部或蓄能装置中的动力循环管路与终端回路连通。
18.根据权利要求15所述的空调装置，其特征在于，换热器设置在动力循环管路与终端回路之间。
19.根据权利要求17或者18所述的空调装置，其特征在于，动力循环管路与采用峰谷电或风能制冷的制冷机输出端相连。
20.根据权利要求14所述的空调装置，其特征在于，蓄能装置为蓄热装置，热管装置的冷凝部与终端回路连通。
21.根据权利要求15所述的空调装置，其特征在于，热管装置的冷凝部位于热交器之中。
22.根据权利要求20或者21所述的空调装置，其特征在于，设置在热管蒸发部或蓄能装置中的动力循环管路与供热热源相连。
23.根据权利要求22所述的空调装置，其特征在于，供热热源为工业余热、太阳能集热装置、峰谷电制热的热泵，或利用风能制热的热泵。
24.一种采用上述权利要求所述空调装置的建筑体系，其特征在于，它包括空调装置和建筑物，其中空调装置的空调末端位于建筑物内，蓄能装置中的蓄能介质位于地下。
25.根据权利要求24所述的建筑体系，其特征在于，蓄能装置为蓄冷装置，热管装置的蒸发部随蓄能介质位于地表下，热管装置的冷凝部位于地上建筑物之外大气中，蓄冷装置或热管装置中的动力循环管与空调末段直接相连，或经过换热器或热泵与空调末段发生热交换。
26.根据权利要求24所述的建筑体系，其特征在于，蓄能装置为蓄热装置，热管装置的动力循环管与太待储热源连通，热管装置的蒸发部与空调末段直接相连，或通过换热器或热泵与空调末段发生热交换。
27.根据权利要求24所述的建筑体系，其特征在于，蓄能装置包括蓄冷装置和蓄热装置，其共同与终端回路连接，供冷时终端回路与蓄冷装置发生热交换，供热时终端回路与蓄热装置发生热交换。
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