一种无动力自换热结构及方法与流程

1.本发明涉及节能技术领域，更具体地说，涉及一种无动力自换热结构及方法。


背景技术：

2.建筑能耗是世界能源消耗的重要部分，根据《中国建筑能耗研究报告(2017年)》，中国房屋建筑在全生命周期中消耗的能源占全国总能源消耗的40％～50％。2017年，我国建筑能源消费总量为8.99亿吨标准煤，占全国能源消费总量的21.11％，公共建筑的能耗占总建筑能耗的38.33％，能源消耗指标高、总量大。与煤炭、石油等传统能源相比，热泵技术是一种可再生能源利用技术，具有经济、节能、环保等优点。其中，水源是最简单、最廉价的热源，然而类似于北京等中国北方地区，地下水资源严禁开发利用，水源热泵技术难以采用，制约了水源热泵技术在北方地区的应用。


技术实现要素：

3.本发明针对以上问题，基于海绵城市建设，将建造的地下调蓄池内储存的水体作为水源热泵的热源，提出一种无动力自换热技术，以提高地下蓄水池内水体与土壤的换热效率。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明提供了一种无动力自换热结构，为透气透热防渗地埋孔，所述透气透热防渗地埋孔布设在地下蓄水池底部，所述透气透热防渗地埋孔内铺设透气防渗砂，透气防渗砂的上表面与蓄水池中的水体接触，下表面与土壤接触，水体与土壤通过透气防渗砂进行热量交换。所述透气(热)防渗砂具有透气透热与防止水渗透功能。
6.所述透气透热防渗地埋孔间隔布设在蓄水池底部。
7.所述透气透热防渗地埋孔均匀间隔布设在蓄水池底部。
8.所述透气透热防渗地埋孔的高度与蓄水池底部厚度一致。所述透气透热防渗地埋孔深入到蓄水池下的土壤层中。
9.蓄水池四壁和底部非透气透热防渗地埋孔部分由混凝土构成。
10.透气防渗砂堆积在透气透热防渗地埋孔中，孔隙度为0.3～0.4。透气防渗砂之间不使用粘结剂，为自然堆积。
11.本发明还提供一种无动力自换热方法，地下蓄水池中的水体与蓄水池下的土壤通过布设在蓄水池下的透气透热防渗地埋孔内的透气防渗砂进行热量交换。
12.透气防渗砂堆积在透气透热防渗地埋孔中，孔隙度为0.3～0.4。
13.地下蓄水池中的水体与蓄水池下的土壤主要通过气体流动进行热量交换。
14.夏季，蓄水池内水体温度高于土壤时，气体流向土壤，促进水体向土壤传热；冬季，蓄水池内水体温度低于土壤时，气体流向水体，促进土壤向水体传热，
15.技术特征(原理)：
16.在蓄水池下布设透气(热)防渗地埋孔，利用地层土壤、水体与气体之间的温差效
应、扩散效应和辐射效应，推动气体流动，打通土壤与水体间的能量传输通道，通过气体对流作用来增强土壤与水体热交换，实现等效地源热泵的效果。夏季，蓄水池内水体温度高于土壤时，推动气体流向土壤，通过气体对流作用，促进水体向土壤传热；冬季，蓄水池内水体温度低于土壤时，推动流向水体，通过气体对流作用，促进土壤向水体传热，等效于地源热泵。
附图说明
17.图1是本发明实施例1的一种无动力自换热结构的示意图。
18.图2是本发明实施例2的一种无动力自换热结构的示意图。
具体实施方式
19.下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
20.实施例1
21.本发明提供了一种无动力自换热结构，如图1所示，即透气透热防渗地埋孔，透气透热防渗地埋孔布设在地下蓄水池1底部，透气透热防渗地埋孔内铺设透气防渗砂3，透气透热防渗地埋孔具有透气透热与防止水渗透功能。透气透热防渗地埋孔内的透气防渗砂3之间无粘结剂，通过自然堆积形成，透气防渗砂3的上表面与蓄水池1中的水体4接触，下表面与土壤层2接触。透气透热防渗地埋孔的高度可以设置为与蓄水池1底部厚度一致。如图1所示。蓄水池1中设置有硅砂蜂巢井筒5用于净化水。
22.透气防渗砂3形成的堆积结构与多孔介质有很多相似之处，可参考多孔介质理论分析透气透热防渗地埋孔的传热方式，具体表现为以下几种：
23.(1)由于传导作用，通过砂颗粒输运的热量；
24.(2)由于传导作用，通过气体输运的热量；
25.(3)由于对流作用，通过气体输运的热量；
26.(4)由于辐射作用造成砂颗粒间的热量迁移；
27.(5)由于热弥散作用，通过气体输运的热量。
28.在堆积结构中，气固两相间的传热过程主要为对流传热，辐射作用和热弥散作用输运的热量较少，本计算仅考虑传导作用和对流作用输运的热量。
29.单位时间内，透气防渗砂通过传导作用输运的热量可参考下述平板导热公式：
[0030][0031]
式中，q——导热由高温侧传递到低温侧的热流量，w；
[0032]
λ——平板的热导率，w/(m
·
k)；
[0033]
f——平板的面积，m2；
[0034]
δ——平板厚度，m。
[0035]
其中，透气透热防渗地埋孔的有效导热系数可参考下述经验公式：
[0036]
λ0＝(1-n)λs+nλf[0037]
式中，λ0——透气防渗砂的有效导热系数，w/(m
·
k)；
[0038]
λs——砂颗粒的导热系数，取值0.33w/(m
·
k)；
[0039]
λf——气体的导热系数，取值2.51
×
10-2
w/(m
·
k)；
[0040]
n——透气防渗砂的孔隙度，一般为0.3～0.4，取值0.35。
[0041]
根据计算，透气透热防渗地埋孔的有效导热系数λ0＝0.239w/(m
·
k)。
[0042]
单位时间内，透气透热防渗地埋孔通过对流作用输运的热量可参考下式公式：
[0043]
φ＝ha(t
w-tf)或φ＝haδt
[0044]
式中，φ——对流换热热流量，单位w；
[0045]
a——流体直接接触的壁面积，单位m2；
[0046]
δt——土壤与蓄水池内水的温差，单位℃；
[0047]
h——对流换热系数，单位w/(m2·
℃)，由温差效应引起的空气自由运动(自然对流)的对流换热系数为5～20w/(m2·
℃)，本计算取值5w/(m2·
℃)。
[0048]
以透气透热防渗地埋孔面积1000m2，深度0.3m，温差15℃计算，单位时间内，由于导热作用输运的热量q1＝1.195kw；由于对流作用输运的热量q2＝75kw。
[0049]
因此，单位时间内，透气透热防渗地埋孔总输运热量q＝q1+q2＝76.195kw。
[0050]
以混凝土导热进行对比，混凝土传热方式为平板导热，普通混凝土热导率为1.28w/(m
·
k)，同条件下，单位时间内混凝土的导热量q
′
＝6.4kw。
[0051]
同条件下，透气透热防渗地埋孔输运的热量约是混凝土的12倍。
[0052]
实施例2
[0053]
本发明提供了一种无动力自换热结构，即透气透热防渗地埋孔，透气透热防渗地埋孔布设在地下蓄水池1底部，透气透热防渗地埋孔内铺设透气防渗砂3，透气透热防渗地埋孔具有透气透热与防止水渗透功能。透气透热防渗地埋孔内的透气防渗砂3之间无粘结剂，通过自然堆积形成，透气防渗砂3的上表面与蓄水池1中的水体4接触，下表面与土壤层2接触。透气透热防渗地埋孔深入到蓄水池1底部的土壤层2中。如图2所示。
[0054]
透气透热防渗地埋孔在蓄水池1底部的铺设比例，铺设大小可根据需要进行调整，在此不进行限定。
[0055]
需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。
[0056]
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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。