CN115030353B - 一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体 - Google Patents
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Abstract
本发明属于换热设备技术领域，涉及一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体。所述的墙体包括混凝土层(1)、相变蓄冷层(2)、微穿孔板(5)、保温层(8)、导热冷桥。本发明的兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体能够在用于核电站主控室和电仪设备间时，兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能。
Description
技术领域
本发明属于换热设备技术领域，涉及一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体。
背景技术
核电站主控室和电仪设备间在丧失交流电后，若不进行通风或冷却，散热量集聚将导致房间温度逐渐升高，可能超过设备运行和人员居留所需温度限值。目前核电站多采用带应急电源的能动通风冷却***，机房和风管占地大，设备采购和运维费用高，且占用较大的事故后应急电源容量，可靠性和经济性有待提高。
民用市场存在一种将固体相变材料和冷冻水管结合的蓄冷墙技术，可与混凝土墙体结合安装，不占用额外空调机房，具备良好的非能动冷却效果，但其材料和结构不满足核电站建筑装修、防火、防水、辐射防护等方面的设计要求。
核电站主控室可居留区围护结构墙体较厚，具备优良的蓄冷潜力，但为了满足主控室噪声限值，墙体装修外立面需布置带微穿孔和吸声材料的消声板，热阻较大，降低了混凝土结构的蓄冷和释冷效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，以能够在用于核电站主控室和电仪设备间时，兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，所述的墙体包括混凝土层、相变蓄冷层、微穿孔板、保温层、导热冷桥，
所述的保温层布置在墙体的最外侧，用于限制蓄冷边界向外界传热；
所述的混凝土层与所述的相变蓄冷层连接，并整***于所述的保温层的内侧，所述的微穿孔板的外侧；
所述的混凝土层用于承受墙体结构载荷，并提供部分蓄冷量；
所述的相变蓄冷层用于提供大部分蓄冷量；
所述的微穿孔板用于辐射换热、对流换热和降噪；
所述的导热冷桥连接所述的微穿孔板、相变蓄冷层和混凝土层，即作为结构支撑件，也作为传热部件。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，其中：
所述的相变蓄冷层主要由支撑材料和相变蓄冷材料构成，所述的支撑材料为多孔或纤维状固体，所述的相变蓄冷材料的颗粒按一定比例混合在所述的支撑材料中，以使所述的相变蓄冷材料在任何相态下所述的相变蓄冷层整体都可维持固态；
所述的相变蓄冷材料可采用有机材料、无机材料或共晶盐，以在房间设计温度(20-50℃)以下保持固态，超过房间设计温度转化为液态，且所述的相变蓄冷材料的熔化潜热不低于200kJ/kg；
所述的微穿孔板由导热系数大于100W/m.K的高导热金属制成，表面涂黑体辐射涂层；
所述的保温层的材质为防火绝热材料，其导热系数小于0.05W/m.K，耐火温度大于1200℃，耐火时间大于2h，以降低火灾风险(若所述的保温层用于核电站，材料还需耐辐照(剂量大于4×104Gy)、耐老化、耐蒸汽、不吸水、不膨胀、不发霉)。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，其中当相变材料为包括石蜡的可燃有机化合物时，可将所述的相变蓄冷层置于所述的混凝土层和所述的保温层之间。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，其中所述的相变蓄冷层内侧表面加工成粗糙多孔形状或贴附一层消声材料，以具备一定的阻性消声特性，配合所述的微穿孔板形成阻抗复合型消声功能。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，其中采用整体式重力热管作为导热冷桥，以提高所述的相变蓄冷层内部的热传导能力。利用热管传热的单向性可实现不同的蓄冷和释冷速率。若房间需要快速蓄冷且缓慢释冷，则重力热管蒸发段设置在相变蓄冷层中；若房间需要缓慢蓄冷且快速释冷，则重力热管蒸发段设置在室内侧。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，其中若正常运行时房间设计温度大于等于墙体相变温度，所述的墙体还包括冷冻水盘管(若正常运行时房间设计温度低于墙体相变温度，不需冷冻水盘管，仅靠热管导热维持相变材料为固态)，其穿过并布置在所述的相变蓄冷层的内部或表面，用于两者相结合，提供大部分蓄冷量；所述的冷冻水盘管为螺旋形、迂回型、螺旋迂回型或毛细管分支型(其中毛细管分支型可提高供冷的均匀性，并降低管道设计压力和水淹风险)。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，其中根据所述的冷冻水盘管的冷冻水接口位置，所述的相变蓄冷层既可以位于所述的混凝土层外侧(接近室外)，也可以位于所述的混凝土层内侧(接近室内)。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，其中所述的墙体还包括在所述的相变蓄冷层下方地面设置的排水槽与排水管，用于收集、排出管道泄漏水和冷凝水，避免水淹对室内装修和设备造成影响，同时作为监测所述的冷冻水盘管完整性的手段。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，其中所述的微穿孔板采用冷辐射板结构，并与墙体最内侧保持一定距离，以形成上下贯通的通风空腔，利用房间/墙体温差和上下微穿孔高差形成自然通风，同时强化辐射和对流传热。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，其中所述的墙体还包括阻性消声层和设置在其内的通风空腔，
所述的阻性消声层布置在所述的相变蓄冷层与所述的微穿孔板之间，用于与所述的微穿孔板和所述的通风空腔共同组成消声换热层，同时满足阻性和抗性消声需求；
所述的阻性消声层的材质为难燃级有机纤维或无机纤维(所述的阻性消声层若用于核电站，耐辐照剂量还需满足4×104Gy)。
本发明的有益效果在于，本发明的兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体能够在用于核电站主控室和电仪设备间时，兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能。
本发明的墙体正常运行时通过墙内冷冻水盘管将冷量储存在混凝土和相变材料中，失电事故后通过热管和换热板将混凝土和相变材料中的蓄冷量传导至房间，同时通过对换热板进行特殊结构设计，使其具备消声降噪功能。
本发明的有益效果具体体现在：
1)本发明通过在散热房间采用非能动运行的相变蓄冷墙，可取消失电事故后的能动冷却***，提高空调***的经济性和被动可靠性，并可进一步降低房间噪声。
2)本发明通过将相变蓄冷层布置在混凝土墙体外侧，并采用热管强化墙内导热，冷冻水无需进入房间也能满足房间蓄冷和释冷，降低了水管泄漏造成电气设备故障的风险。
3)本发明通过采用满足一定耐火时间的核电站专用防火绝热材料作为墙体外保温层，即降低了相变蓄冷层发生火灾的风险，也减少了蓄冷量向外界的泄漏。
4)本发明通过整体式热管将混凝土层、相变蓄冷层和消声换热板贯通连接，不仅增加了墙体结构强度，还增强了墙体内部的导热，解决了核电站主控室围护结构蓄冷量利用率低的问题。
5)本发明采用高导热系数金属制成的微穿孔板作为换热板，在其表面增加黑体辐射涂层，并预留自然对流空腔，可有效增强微穿孔板的对流、辐射换热和降噪效果。
附图说明
图1为实施例1的兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体的结构示意图。
图2为实施例2的冷冻水不进入房间的相变蓄冷耐火墙结构示意图。
图3为实施例3的无冷冻水管的相变蓄冷墙结构示意图。
图4为实施例4的采用毛细冷冻水管的相变蓄冷墙结构示意图。
具体实施方式
示例性的本发明的兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体的结构如图1所示，包括混凝土层1、相变蓄冷层2(支撑材料为蜂窝状活性炭，相变材料为熔点为28℃的石蜡)、阻性消声层4(材质为厚度3cm玻璃棉，外包耐辐照玻璃纤维布)、微穿孔板5(0.6mm铝合金板，表面涂黑体辐射涂层)、通风空腔7、保温层8(材质选用硅酮橡胶或玻璃棉，厚度50-80mm，耐火时间2h)、排水槽9、排水管10、导热冷桥。
保温层8布置在墙体的最外侧，用于限制蓄冷边界向外界传热。
混凝土层1与相变蓄冷层2连接，并整***于保温层8的内侧，微穿孔板5的外侧。混凝土层1用于承受墙体结构载荷，并提供部分蓄冷量。相变蓄冷层2用于提供大部分蓄冷量。当相变材料为包括石蜡的可燃有机化合物时，可将相变蓄冷层2置于混凝土层1和保温层8之间。相变蓄冷层2内侧表面加工成粗糙多孔形状或贴附一层消声材料，以具备一定的阻性消声特性，配合微穿孔板5形成阻抗复合型消声功能。
微穿孔板5用于辐射换热、对流换热和降噪。微穿孔板5采用冷辐射板结构，并与墙体最内侧保持一定距离，以形成上下贯通的通风空腔，利用房间/墙体温差和上下微穿孔高差形成自然通风，同时强化辐射和对流传热。
阻性消声层4布置在相变蓄冷层2与微穿孔板5之间，通风空腔7设置在阻性消声层4内。阻性消声层4用于与微穿孔板5和通风空腔7共同组成消声换热层，同时满足阻性和抗性消声需求。
导热冷桥连接微穿孔板5、相变蓄冷层2和混凝土层1，即作为结构支撑件，也作为传热部件。采用整体式重力热管作为导热冷桥，以提高相变蓄冷层2内部的热传导能力。利用热管传热的单向性可实现不同的蓄冷和释冷速率。若房间需要快速蓄冷且缓慢释冷，则重力热管蒸发段设置在相变蓄冷层中；若房间需要缓慢蓄冷且快速释冷，则重力热管蒸发段设置在室内侧。
若正常运行时房间设计温度大于等于墙体相变温度，墙体还包括冷冻水盘管3(若正常运行时房间设计温度低于墙体相变温度，不需冷冻水盘管3，仅靠热管导热维持相变材料为固态)，其穿过并布置在相变蓄冷层2的内部或表面，用于两者相结合，提供大部分蓄冷量；冷冻水盘管3为螺旋形、迂回型、螺旋迂回型或毛细管分支型(其中毛细管分支型可提高供冷的均匀性，并降低管道设计压力和水淹风险)。根据冷冻水盘管3的冷冻水接口位置，相变蓄冷层2既可以位于混凝土层1外侧(接近室外)，也可以位于混凝土层1内侧(接近室内)。
在相变蓄冷层2下方地面设置排水槽9与排水管10，用于收集、排出管道泄漏水和冷凝水，避免水淹对室内装修和设备造成影响，同时作为监测冷冻水盘管3完整性的手段。
上述示例性的本发明的兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体的应用举例如下：
实施例1：
混凝土层1是墙体的主要受力构件，并承担部分蓄冷量。相变蓄冷层2由相变蓄冷材料和冷冻水盘管组成，承担大部分蓄冷量。保温层8用于减少蓄冷量向外界的泄漏，提高蓄冷效率，降低制冷能耗。
消声换热层由阻性消声层4、微穿孔板5和通风空腔7组成，可同时满足阻性和抗性消声需求。微穿孔板5采用高导热金属制成，表面涂黑体辐射涂层，具备较高的辐射换热系数。同时微穿孔板5利用内外温差和高差可形成自然通风动力，通过通风空腔7进行内外空气循环，可保证较高的对流换热系数。
混凝土层1、相变蓄冷层2和微穿孔板5通过整体式热管6进行连接，形成导热冷桥。整体式热管6采用钢管或空心方钢结构，具备较高的强度和刚度，可作为相变蓄冷层2和微穿孔板5的支撑杆件。整体式热管6的冷凝段通过套管预埋在混凝土层1中，蒸发段固定在微穿孔板5上，并保持一定角度，以利于热管内部重力回液。
正常运行时，通过冷冻水盘管3维持相变蓄冷层2温度略低于房间温度，并可用于去除部分房间冷负荷，相变材料保持固态。失电事故后，冷冻水***和房间空调***停运，墙体和房间温差逐渐增大，相变材料融化，在热管导热、微穿孔板5辐射换热和空腔对流换热的共同作用下，将混凝土、存留冷冻水和相变蓄冷材料的蓄冷量导入房间，维持一定时间内房间温度低于设定值。
相变蓄冷层2底部设置排水槽9和排水管10，用于收集和排除冷冻水管泄漏水和墙面冷凝水，同时根据排水量可判断墙内冷冻水盘管3是否发生泄漏。
冷冻水盘管3在相变蓄冷层2中可采用迂回式或螺旋式布置，推荐采用上送下回方式，以提高换热效率。
实施例2：
如图2所示，本实施例提供一种冷冻水不进入房间的相变蓄冷耐火墙结构，适用于防水和防火要求较高的房间。墙体从室外到室内侧分为5层，分别为保温层8(为防火绝热层)、相变蓄冷层2、混凝土层1、阻性消声层4(即消声换热层)、微穿孔板5。
与实施例1不同之处在于将相变蓄冷层2设置在混凝土层1外侧，保证冷冻水盘管3接口在房间外进行操作；并采用保温层8对墙外侧进行包覆，保证火灾延续时间内相变蓄冷材料不会燃烧；整体式热管6贯穿混凝土层1，保证相变蓄冷层2和微穿孔板5之间的热传导。
实施例3：
如图3所示，本实施例提供一种无冷冻水管的相变蓄冷墙结构，适用于正常运行温度较低的空调房间和防水要求较高的电仪房间。
与实施例1不同之处在于取消了相变蓄冷层2中的冷冻水盘管3，并改变了全部(图3a)或部分(图3b)整体式热管6的倾角。整体式热管6(即蓄冷热管)的蒸发段安装在墙体中，冷凝段与微穿孔板5连接，以便在正常运行时将房间多余冷量高效导入墙体中蓄存。失电事故后，当房间温度高于墙体温度时，通过整体式热管6金属部分(图3a)或释冷热管11(图3b)将蓄冷量导入房间。
实施例4：
如图4所示，本实施例提供一种采用毛细冷冻水管的相变蓄冷墙结构，适用于墙体厚度受限的房间。
与实施例1不同之处在于采用冷冻水干管13和毛细冷冻水支管12代替了迂回型冷冻水盘管3，毛细支管填充比和比表面积大于普通冷冻水管，与相变材料换热更均匀；且利用毛细和重力作用进行冷冻水输送，管路阻力更小，供水压力要求更低，同时降低了泄漏风险。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (6)
1.一种兼具消声、相变蓄冷和强化换热功能的墙体，其特征在于：所述的墙体包括混凝土层（1）、相变蓄冷层（2）、微穿孔板（5）、保温层（8）、导热冷桥，
所述的保温层（8）布置在墙体的最外侧，用于限制蓄冷边界向外界传热；
所述的混凝土层（1）与所述的相变蓄冷层（2）连接，并整***于所述的保温层（8）的内侧，所述的微穿孔板（5）的外侧；
所述的混凝土层（1）用于承受墙体结构载荷，并提供部分蓄冷量；
所述的相变蓄冷层（2）用于提供大部分蓄冷量；
所述的微穿孔板（5）用于辐射换热、对流换热和降噪；
所述的导热冷桥连接所述的微穿孔板（5）、相变蓄冷层（2）和混凝土层（1），既作为结构支撑件，也作为传热部件；
所述的相变蓄冷层（2）主要由支撑材料和相变蓄冷材料构成，所述的支撑材料为多孔或纤维状固体，所述的相变蓄冷材料的颗粒按一定比例混合在所述的支撑材料中，以使所述的相变蓄冷材料在任何相态下所述的相变蓄冷层（2）整体都维持固态，所述的相变蓄冷材料采用无机材料或共晶盐，以在房间设计温度以下保持固态，超过房间设计温度转化为液态，且所述的相变蓄冷材料的熔化潜热不低于200kJ/kg；
所述的微穿孔板（5）由导热系数大于100W/m.K的高导热金属制成，表面涂黑体辐射涂层；
所述的保温层（8）的材质为防火绝热材料，其导热系数小于0.05 W/m.K，耐火温度大于1200℃，耐火时间大于2h，以降低火灾风险，
整体式热管（6）采用钢管或空心方钢结构，作为相变蓄冷层（2）和微穿孔板（5）的支撑杆件，
所述的微穿孔板（5）采用冷辐射板结构，并与墙体最内侧保持一定距离，以形成上下贯通的通风空腔，利用房间/墙体温差和上下微穿孔高差形成自然通风，同时强化辐射和对流传热，
所述的墙体还包括阻性消声层（4）和设置在其内的通风空腔（7），
所述的阻性消声层（4）布置在所述的相变蓄冷层（2）与所述的微穿孔板（5）之间，用于与所述的微穿孔板（5）和所述的通风空腔（7）共同组成消声换热层，同时满足阻性和抗性消声需求；
所述的阻性消声层（4）的材质为难燃级有机纤维或无机纤维，
若正常运行时房间设计温度大于等于墙体相变温度，所述的墙体还包括冷冻水盘管（3），其穿过并布置在所述的相变蓄冷层（2）的内部或表面，用于两者相结合，提供大部分蓄冷量；所述的冷冻水盘管（3）为螺旋形、迂回型、螺旋迂回型或毛细管分支型。
2.根据权利要求1所述的墙体，其特征在于：当相变材料为包括石蜡的可燃有机化合物时，将所述的相变蓄冷层（2）置于所述的混凝土层（1）和所述的保温层（8）之间。
3.根据权利要求1所述的墙体，其特征在于：所述的相变蓄冷层（2）内侧表面加工成粗糙多孔形状或贴附一层消声材料，以具备一定的阻性消声特性，配合所述的微穿孔板（5）形成阻抗复合型消声功能。
4.根据权利要求1所述的墙体，其特征在于：采用整体式重力热管作为导热冷桥，以提高所述的相变蓄冷层（2）内部的热传导能力。
5.根据权利要求1所述的墙体，其特征在于：根据所述的冷冻水盘管（3）的冷冻水接口位置，所述的相变蓄冷层（2）既可以位于所述的混凝土层（1）外侧，也可以位于所述的混凝土层（1）内侧。
6.根据权利要求1所述的墙体，其特征在于：所述的墙体还包括在所述的相变蓄冷层（2）下方地面设置的排水槽（9）与排水管（10），用于收集、排出管道泄漏水和冷凝水，避免水淹对室内装修和设备造成影响，同时作为监测所述的冷冻水盘管（3）完整性的手段。
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