平板式蒸發(fā)端熱管植入墻體系統(tǒng)及其傳熱性能研究

邱梓寧 鄭森林* 何采蔚 王少鋒

（1、廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006 2、中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

1 概述

當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的需求量不斷增大，世界各國(guó)都對(duì)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境給于了高度重視，許多節(jié)能減排措施紛紛出臺(tái)，各領(lǐng)域都在致力于節(jié)能環(huán)保型經(jīng)濟(jì)。其中，建筑能耗問題成為了備受關(guān)注的問題，我國(guó)建筑能耗在社會(huì)總能耗中的占比達(dá)到了30%[1]。

建筑被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)是指以非機(jī)械電氣設(shè)備干預(yù)手段實(shí)現(xiàn)建筑能耗降低的節(jié)能技術(shù)，至今已有非常多研究成果。目前，在針對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)主要是增強(qiáng)隔熱及保溫效果。在已有的研究中，研究者們聚焦于墻體材料、外墻涂料[2]。此外，也有將相變材料（PCM）應(yīng)用于墻體中[3]，通過蓄熱等技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。結(jié)果表明，PCMs 具有良好的蓄熱能力，采用了復(fù)合相變墻板的實(shí)驗(yàn)房在模擬的寒冷環(huán)境中損失的熱量明顯降低。目前，一些研究者采用了熱管與墻體結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)高效傳熱。熱管是一種通過工質(zhì)的相變傳過程進(jìn)行高效熱傳遞的裝置，，如今已有許多研究[4-5]。此前，有研究者將熱管與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，展開了研究，節(jié)能率達(dá)到8.72%[6]。

然而，目前對(duì)熱管植入墻體技術(shù)的研究較少，且存在已有研究中熱管形式與墻體的契合度不高，系統(tǒng)傳熱方向單一，無(wú)法適應(yīng)環(huán)境變化。因此，本研究提出一種平板式蒸發(fā)端的環(huán)路熱管與建筑墻體結(jié)合，并對(duì)其傳熱性能進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 用于植入墻體的平板式蒸發(fā)端環(huán)路熱管

本研究設(shè)計(jì)的熱管結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)包括平板熱管蒸發(fā)端、冷凝端、導(dǎo)氣管、導(dǎo)液管，充液口，其中，蒸發(fā)端采用溝槽式微通道作為吸液芯。目前熱管植入墻體的研究，蒸發(fā)端在下冷凝端在上，傳熱方向不可改變。本研究熱管系統(tǒng)的蒸發(fā)與冷凝在同一高度，使傳熱方向可以根據(jù)需求改變。

圖1 平板式蒸發(fā)端環(huán)路熱管

2.2 熱管植入墻體系統(tǒng)的工作原理

由圖1 中可以見，墻體內(nèi)外側(cè)表面處蒸發(fā)端、冷凝端通過導(dǎo)氣管、導(dǎo)液管相連接。該通過設(shè)置閥門可實(shí)現(xiàn)熱管的啟?？刂啤峁芏募竟r切換的具體方式為：

2.2.1 在夏季工況：室內(nèi)空氣溫度高于室外空氣溫度時(shí)，熱管啟動(dòng)，系統(tǒng)的傳熱過程如圖2 夏季工況。蒸發(fā)端內(nèi)工質(zhì)吸收房間熱量后蒸發(fā)，蒸汽通過導(dǎo)氣管到達(dá)冷凝端中放熱冷凝，隨后在重力作用下回流完成制冷循環(huán)。室內(nèi)空氣溫度低于室外空氣溫度時(shí)，熱管停止傳熱，防止室外熱量傳入室內(nèi)造成室內(nèi)環(huán)境進(jìn)一步惡劣。

2.2.2 在冬季工況：當(dāng)室內(nèi)空氣溫度低于室外空氣溫度時(shí)，熱管啟動(dòng)，系統(tǒng)的傳熱過程如圖2 冬季工況。蒸發(fā)端內(nèi)工質(zhì)吸收太陽(yáng)輻射熱后蒸發(fā)，在冷凝端冷凝放熱，循環(huán)過程與夏季工況相似。當(dāng)室內(nèi)空氣溫度高于室外空氣溫度，熱管停止傳熱，防止室內(nèi)熱量散失影響室內(nèi)熱舒適性。

圖2 熱管植入墻體系統(tǒng)傳熱過程示意圖

2.3 熱管植入墻體系統(tǒng)的傳熱性能分析

熱管植入墻體系統(tǒng)的傳熱性能可以通過其傳熱熱阻體現(xiàn)。熱管系統(tǒng)的熱阻主要包括：熱管蒸發(fā)端熱阻Re、冷凝端熱阻Rc、輸氣管熱阻Rv，vtl，計(jì)算表達(dá)式為：

2.3.1 蒸發(fā)端中的熱阻Re

蒸發(fā)端中的熱阻包括壁面熱阻Re，w、蒸發(fā)熱阻Re，sp、蒸汽流動(dòng)熱阻Re，v，計(jì)算表達(dá)式為：

2.3.2 冷凝端中的熱阻

冷凝端中的熱阻包括壁面熱阻Rc，w，冷凝液膜熱阻Rc，lf、蒸汽流動(dòng)熱阻Rc，v，計(jì)算表達(dá)式為：

2.3.3 輸氣管內(nèi)的熱阻

蒸汽在導(dǎo)氣管中的流動(dòng)熱阻計(jì)算表達(dá)式為[7]：

2.4 理論分析計(jì)算

根據(jù)上述理論分析，在MATLAB 中編碼并建立了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，分析和計(jì)算系統(tǒng)的傳熱性能及熱阻大小，并與傳統(tǒng)墻體對(duì)比。計(jì)算結(jié)果如表1 所示，傳統(tǒng)墻體的熱阻如表2 所示。

表1 熱阻計(jì)算結(jié)果

表2 傳統(tǒng)墻體熱阻計(jì)算

熱管系統(tǒng)總熱阻為：Rhp=Re+Rc+Rv，vtl=0.17（K/W）。與熱管相同面積下的墻體熱阻大小為16.42（K/W）。對(duì)比可得，同等面積的熱管系統(tǒng)熱阻遠(yuǎn)小于墻體。

2.5 傳熱性能實(shí)驗(yàn)

2.5.1 平板蒸發(fā)端環(huán)路熱管傳熱性能測(cè)試

在熱源功率為200W、400W 下進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)包括加熱模塊、冷卻模塊及數(shù)據(jù)采集模塊。采用輻射熱板為加熱源，通過變壓器調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)不同功率負(fù)載輸入。冷卻模塊利用環(huán)境溫度。數(shù)據(jù)采集模塊采用K 型熱電偶，溫度測(cè)點(diǎn)的布置如圖3 所示。

圖3 熱管表面溫度測(cè)點(diǎn)

2.5.2 熱管植入墻體及傳熱性能實(shí)驗(yàn)

將熱管植入墻體后，將其放置在隔絕外界干擾的冷、熱室之間進(jìn)行了一維穩(wěn)態(tài)傳熱實(shí)驗(yàn)。通過設(shè)定冷熱室溫度使蒸發(fā)端和冷凝端形成穩(wěn)定的溫差以進(jìn)行傳熱。實(shí)驗(yàn)工況為：冷室溫度-20℃，熱室溫度20℃。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 平板式蒸發(fā)端環(huán)路熱管傳熱實(shí)驗(yàn)

圖4、5 分別顯示了在不同熱源工況下，熱源開啟后微通道熱管系統(tǒng)表面的溫度變化曲線。其中圖4 為加熱功率為200W 工況；圖5 為加熱功率為400W 工況。

圖4 熱源功率200W

圖5 熱源功率400W

根據(jù)熱管在不同環(huán)境溫度、不同熱源加熱功率下的溫升曲線，可以看出熱管的熱響應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

3.1.1 熱源開啟后，熱管系統(tǒng)蒸發(fā)端表面迅速升溫，而冷凝端表面的升溫較蒸發(fā)端延遲20 分鐘。原因?yàn)椋簾峁軆?nèi)部工質(zhì)從蒸發(fā)端吸熱蒸發(fā)到一定程度后才能推動(dòng)循環(huán)。其次，蒸汽到達(dá)冷凝端后由于熱管內(nèi)部壓力、溫度等原因未能及時(shí)冷凝放熱。

3.1.2 在熱源功率為200W 時(shí)，熱管系統(tǒng)冷凝端的最大溫升可達(dá)到10℃，可見熱管結(jié)構(gòu)的高效傳熱能對(duì)蒸發(fā)端處熱量高效利用。此外，在相同環(huán)境溫度、不同熱源功率的工況下，400W 工況中熱管的溫升速度明顯比200W 工況要快，且在150 分鐘時(shí)冷凝端溫度已接近穩(wěn)定，最大溫升約為18℃。

3.2 一維穩(wěn)態(tài)傳熱實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)開始運(yùn)行后，冷熱室溫度均從室溫開始變化。系統(tǒng)熱阻的變化曲線如圖6 所示。

圖6 一維穩(wěn)態(tài)傳熱下熱管植入墻體結(jié)構(gòu)實(shí)際熱阻

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際熱阻可以得出結(jié)論：在傳熱穩(wěn)定后，熱管植入墻體系統(tǒng)的熱阻在理論值附近波動(dòng)，說(shuō)明熱管系統(tǒng)的實(shí)際熱阻與理論計(jì)算值相近，約為0.17K/W。此外，由于熱管植入墻體系統(tǒng)的相變傳熱過程與其中傳統(tǒng)墻體結(jié)構(gòu)部分的導(dǎo)熱傳熱過程是相互獨(dú)立的，因此，該結(jié)構(gòu)可以通過閥門控制內(nèi)部相變循環(huán)過程的啟停，使傳熱過程由相變傳熱轉(zhuǎn)為傳統(tǒng)的導(dǎo)熱傳熱，從而實(shí)現(xiàn)傳熱性能的切換。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的基于植入的被動(dòng)式微通道熱管系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有與墻體更高匹配度及適用性，以及開拓建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能新方向的潛力，有望實(shí)現(xiàn)低成本、組合靈活、對(duì)結(jié)構(gòu)影響低等優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)平板作為蒸發(fā)端，并且蒸發(fā)端和冷凝端處于同一水平位置，以實(shí)現(xiàn)水平而非豎直方向上的工質(zhì)循環(huán)過程。

對(duì)所設(shè)計(jì)的熱管系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析。對(duì)熱管系統(tǒng)的傳熱機(jī)理、傳熱性能等進(jìn)行了分析，并與傳統(tǒng)墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了理論分析。結(jié)果表明，熱管系統(tǒng)的傳熱效果相比于傳統(tǒng)墻體大幅提高，其熱阻大小為0.17K/W，約為傳統(tǒng)墻體的1%。在200W、400W 熱源加熱下，最大溫升分別達(dá)到10℃和18℃。通過實(shí)驗(yàn)分析，可以得出結(jié)論熱管植入墻體系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)墻體結(jié)構(gòu)在改善室內(nèi)熱環(huán)境和降低能耗方面具有極大的潛力和優(yōu)勢(shì)。

本文提出的系統(tǒng)其蒸發(fā)端和冷凝端通過導(dǎo)液管和導(dǎo)氣管連接，其內(nèi)部工質(zhì)循環(huán)過程可根據(jù)需求通過閥門進(jìn)行啟停控制。因此，系統(tǒng)可在高效傳熱（熱阻為0.17K/W）和保持原有墻體保溫性能（熱阻為16.42K/W）之間切換，使系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中更能適應(yīng)環(huán)境的變化?？傮w而言，所設(shè)計(jì)熱管植入墻體系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)墻體在改善熱舒適問題上有著巨大的優(yōu)勢(shì)，且因系統(tǒng)為被動(dòng)式運(yùn)行，也可為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能的方向上開辟新的思路。