平板式蒸發端熱管植入墻體系統及其傳熱性能研究

邱梓寧 鄭森林* 何采蔚 王少鋒

（1、廣東工業大學土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006 2、中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

1 概述

當今社會發展對能源的需求量不斷增大，世界各國都對節約資源和保護環境給于了高度重視，許多節能減排措施紛紛出臺，各領域都在致力于節能環保型經濟。其中，建筑能耗問題成為了備受關注的問題，我國建筑能耗在社會總能耗中的占比達到了30%[1]。

建筑被動式節能技術是指以非機械電氣設備干預手段實現建筑能耗降低的節能技術，至今已有非常多研究成果。目前，在針對建筑圍護結構的被動式節能技術主要是增強隔熱及保溫效果。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）應用于墻體中[3]，通過蓄熱等技術實現節能。結果表明，PCMs 具有良好的蓄熱能力，采用了復合相變墻板的實驗房在模擬的寒冷環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合來實現高效傳熱。熱管是一種通過工質的相變傳過程進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結構相結合，展開了研究，節能率達到8.72%[6]。

然而，目前對熱管植入墻體技術的研究較少，且存在已有研究中熱管形式與墻體的契合度不高，系統傳熱方向單一，無法適應環境變化。因此，本研究提出一種平板式蒸發端的環路熱管與建筑墻體結合，并對其傳熱性能進行了理論和實驗研究。

2 實驗過程

2.1 用于植入墻體的平板式蒸發端環路熱管

本研究設計的熱管結構如圖1 所示，其結構包括平板熱管蒸發端、冷凝端、導氣管、導液管，充液口，其中，蒸發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，蒸發端在下冷凝端在上，傳熱方向不可改變。本研究熱管系統的蒸發與冷凝在同一高度，使傳熱方向可以根據需求改變。

圖1 平板式蒸發端環路熱管

2.2 熱管植入墻體系統的工作原理

由圖1 中可以見，墻體內外側表面處蒸發端、冷凝端通過導氣管、導液管相連接。該通過設置閥門可實現熱管的啟停控制。熱管冬夏季工況切換的具體方式為：

2.2.1 在夏季工況：室內空氣溫度高于室外空氣溫度時，熱管啟動，系統的傳熱過程如圖2 夏季工況。蒸發端內工質吸收房間熱量后蒸發，蒸汽通過導氣管到達冷凝端中放熱冷凝，隨后在重力作用下回流完成制冷循環。室內空氣溫度低于室外空氣溫度時，熱管停止傳熱，防止室外熱量傳入室內造成室內環境進一步惡劣。

2.2.2 在冬季工況：當室內空氣溫度低于室外空氣溫度時，熱管啟動，系統的傳熱過程如圖2 冬季工況。蒸發端內工質吸收太陽輻射熱后蒸發，在冷凝端冷凝放熱，循環過程與夏季工況相似。當室內空氣溫度高于室外空氣溫度，熱管停止傳熱，防止室內熱量散失影響室內熱舒適性。

圖2 熱管植入墻體系統傳熱過程示意圖

2.3 熱管植入墻體系統的傳熱性能分析

熱管植入墻體系統的傳熱性能可以通過其傳熱熱阻體現。熱管系統的熱阻主要包括：熱管蒸發端熱阻Re、冷凝端熱阻Rc、輸氣管熱阻Rv，vtl，計算表達式為：

2.3.1 蒸發端中的熱阻Re

蒸發端中的熱阻包括壁面熱阻Re，w、蒸發熱阻Re，sp、蒸汽流動熱阻Re，v，計算表達式為：

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、蒸汽流動熱阻Rc，v，計算表達式為：

2.3.3 輸氣管內的熱阻

蒸汽在導氣管中的流動熱阻計算表達式為[7]：

2.4 理論分析計算

根據上述理論分析，在MATLAB 中編碼并建立了系統穩態計算模型，分析和計算系統的傳熱性能及熱阻大小，并與傳統墻體對比。計算結果如表1 所示，傳統墻體的熱阻如表2 所示。

表1 熱阻計算結果

表2 傳統墻體熱阻計算

熱管系統總熱阻為：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）。對比可得，同等面積的熱管系統熱阻遠小于墻體。

2.5 傳熱性能實驗

2.5.1 平板蒸發端環路熱管傳熱性能測試

在熱源功率為200W、400W 下進行了測試。實驗包括加熱模塊、冷卻模塊及數據采集模塊。采用輻射熱板為加熱源，通過變壓器調節電壓實現不同功率負載輸入。冷卻模塊利用環境溫度。數據采集模塊采用K 型熱電偶，溫度測點的布置如圖3 所示。

圖3 熱管表面溫度測點

2.5.2 熱管植入墻體及傳熱性能實驗

將熱管植入墻體后，將其放置在隔絕外界干擾的冷、熱室之間進行了一維穩態傳熱實驗。通過設定冷熱室溫度使蒸發端和冷凝端形成穩定的溫差以進行傳熱。實驗工況為：冷室溫度-20℃，熱室溫度20℃。

3 實驗結果

3.1 平板式蒸發端環路熱管傳熱實驗

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

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

3.1.1 熱源開啟后，熱管系統蒸發端表面迅速升溫，而冷凝端表面的升溫較蒸發端延遲20 分鐘。原因為：熱管內部工質從蒸發端吸熱蒸發到一定程度后才能推動循環。其次，蒸汽到達冷凝端后由于熱管內部壓力、溫度等原因未能及時冷凝放熱。

3.1.2 在熱源功率為200W 時，熱管系統冷凝端的最大溫升可達到10℃，可見熱管結構的高效傳熱能對蒸發端處熱量高效利用。此外，在相同環境溫度、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 分鐘時冷凝端溫度已接近穩定，最大溫升約為18℃。

3.2 一維穩態傳熱實驗

系統開始運行后，冷熱室溫度均從室溫開始變化。系統熱阻的變化曲線如圖6 所示。

圖6 一維穩態傳熱下熱管植入墻體結構實際熱阻

根據系統實際熱阻可以得出結論：在傳熱穩定后，熱管植入墻體系統的熱阻在理論值附近波動，說明熱管系統的實際熱阻與理論計算值相近，約為0.17K/W。此外，由于熱管植入墻體系統的相變傳熱過程與其中傳統墻體結構部分的導熱傳熱過程是相互獨立的，因此，該結構可以通過閥門控制內部相變循環過程的啟停，使傳熱過程由相變傳熱轉為傳統的導熱傳熱，從而實現傳熱性能的切換。

4 結論

本文提出了一種新型的基于植入的被動式微通道熱管系統，該系統具有與墻體更高匹配度及適用性，以及開拓建筑圍護結構節能新方向的潛力，有望實現低成本、組合靈活、對結構影響低等優勢。該系統平板作為蒸發端，并且蒸發端和冷凝端處于同一水平位置，以實現水平而非豎直方向上的工質循環過程。

對所設計的熱管系統進行了理論分析。對熱管系統的傳熱機理、傳熱性能等進行了分析，并與傳統墻體結構進行對比，并通過實驗測試驗證了理論分析。結果表明，熱管系統的傳熱效果相比于傳統墻體大幅提高，其熱阻大小為0.17K/W，約為傳統墻體的1%。在200W、400W 熱源加熱下，最大溫升分別達到10℃和18℃。通過實驗分析，可以得出結論熱管植入墻體系統相比于傳統墻體結構在改善室內熱環境和降低能耗方面具有極大的潛力和優勢。

本文提出的系統其蒸發端和冷凝端通過導液管和導氣管連接，其內部工質循環過程可根據需求通過閥門進行啟停控制。因此，系統可在高效傳熱（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，使系統在實際應用中更能適應環境的變化。總體而言，所設計熱管植入墻體系統相比于傳統墻體在改善熱舒適問題上有著巨大的優勢，且因系統為被動式運行，也可為建筑圍護結構節能的方向上開辟新的思路。