热管应用于供暖领域的研究现状与展望

热管应用于供暖领域的研究现状与展望
作者：卞爱萍
来源：《城市建设理论研究》2013年第31期
摘要：本文主要阐述了热管应用于供暖领域的现状，以及对未来的展望，并提出了一种新的应用方式：采用热管与墙面结合的供暖末端装置用于供暖，讨论其可行性，并提出研究方法。

关键词：热管；供暖；现状；展望；可行性
Abstract: This paper mainly describes the present situation of application of heat
pipe in the field of heating, and the prospect of future, and puts forward a new
application way: the heating heat pipe and wall bound for heating, its feasibility
is discussed, and put forward the research methods.
Keywords: heat pipe; heating; status; prospect; feasibility
中图分类号：V243文献标识码：A
在我国总的能源消耗中，建筑能耗所占比例相当大。

分析人士称，到2020年，我国建筑总能耗约占全国总能耗的35%左右，建筑能耗将成为用能第一领域；供暖及空调毫无疑问是建筑中的耗能大户，在已有的近400亿平方米建筑面积中，只有1%属于节能建筑，如果能够采取有效的节能措施，将会使能源消耗有大幅的降低[1]。

本文一方面综述了热管这一高效传热元件应用于供暖领域的现状，同时对在未来热管应用于供暖进行了展望，提出了一种新的应用方式：将热管与墙面结合，利用低温热源供暖来节约能源，并讨论了它的可行性和研究方法，对实际工程应用有一定的参考价值。

热管及热管应用于供暖的研究现状
热管的工作原理及特性
热管由一个密封的壳体和管芯组成。

管芯的材料为毛细材料，用来吸收工质液体，而工质的饱和蒸汽则充满在管中心的空间里。

当提供给热管的蒸发段热源时，热量通过管壁后又被管芯中的液体工质所吸收，液体吸热并蒸发成气态工质。

与此同时，热管的冷凝段与冷源接触而处于散热状态。

在蒸发段与冷凝段的压差作用下，蒸汽由蒸发段流到冷凝段，又在冷凝段凝结成液态，放出汽化潜热，通过管壁传出去，凝结成液态的工质又回到蒸发段，如此不断循环。

下图2-1为一个典型热管的结构示意图。

图2-1热管结构示意图
根据热管的工作原理，可以推出热管有以下基本特性[2]：
高导热性：热管依靠工质自身的汽、液相变来传热，因热阻很小，具有很高的导热率。

相同重量的热管所能传递的热量远远大于金、银、铜等金属。

热流密度的可变性：热管蒸发段与冷凝段的长度比例可根据用户需求设定。

按照具体的吸热量与放热量的大小，自主调节吸热段和放热段的面积，使热量收支平衡。

热管的这种特点使其可以改变热流的密度，调节供热量。

良好的等温性：热管稳定运行时，热管内的蒸汽处于饱和状态，则蒸汽的压力也保持稳定，热管蒸发段与冷凝段之间的压降很小，因此，在整个热管中温降也很小。

热流方向的可逆性：当热管水平放置时，是没有重力作趋动力的，所以此种特性要求热管内有吸液芯，此时，管芯的毛细力是主要的循环动力，且既可以用于供热，又可用于供冷。

热二极管性能:是指热流只能单向流动的热管，比如，重力式热管由于没有管芯，冷凝液只能依靠重力回到蒸发段，即热流只能由低端传向高端。

恒温特性：可控热管具有恒温特性。

它各部分的热阻随着加热量的变化而变化。

当蒸发段热量增加时，冷凝段热阻降低；当蒸发段热量减少时，冷凝段热阻增大，这样，即使热流变化，热管内蒸汽的温度变化也很小，实现了温度的恒定。

（二）热管应用于供暖的研究现状
将热管应用于供暖系统是由国外首先提出，为室内供暖技术开辟了一种新的方式。

热管（Heat Pipe,HP）在1944年由R.S.Gaugler于美国专利中提出，是最有效的传热元件之一，可在无动力的情况下，热量通过很小的传热面积被传输很远的距离[3]。

1975年，前苏联就已将热管应用于供暖系统，并对不同类型的热管做了试验研究，得出了充水后的热管沿长度方向的温度与供热量的关系等一系列数据。

1981年，M. Shiraish等建立了两相闭式热管的简单传热模型，得到它的传热过程为：1.在蒸发段液态工质的上部空间，若热流密度较大，则冷凝液膜处于核态沸腾状态，若热流密度较小，则冷凝液膜处于层流膜状蒸发状态；2.在蒸发段液态工质内部，若热流密度较小，则工质处于自然对流蒸发状态，若热流密度较大，则工质处于核态沸腾状态；3.冷凝段为饱和蒸汽的层流膜状凝结[4]。

国内对于热管辐射供暖的研究起步较晚，但对于热管技术的开发研究从一开始就有明确的目标，经过多年的努力，在20世纪末期，我国的热管技术工业化应用便已处于国际领先水平，工程实践中也多次应用热管供热系统，并取得令人满意的效果。

理论方面，国内关于热管在供暖上的研究如下：
上个世纪80年代，新疆勘察设计研究院申恩惠利用热管原理，研制了真空散热器，在国内较早的利用热管进行供暖方面研究，其后又有清华大学、航空设计研究院也进行了该方面的研究[5]。

1998年，哈尔滨工业大学的王怀彬等人对热水供暖系统和热管供暖系统进行了技术经济性比较，证实了热管供暖系统具有启动迅速简便，供热稳定，金属耗量更少，节约能源等优点。

2004年，罗清海，汤广发等人对热虹吸管散热器与普通散热器进行了散热能力及表面温度均匀性方面的比较。

并探讨了热管性能受热管工作液热物理性质及不凝性气体的影响大小，同时也测出了总散热量中，辐射与对流各自所占比例。

2007年，天津大学的张于峰，郝斌等人对热管地板辐射供暖系统的热工特性进行了研究，用实验测试了不同的供水流量和供水温度下，地板的表面温度和散热量随之变化的趋势，并得出了满足室内供暖要求时，热管的敷设间距，供水温度及流量等数据。

2010年撖文辉研究了采用热管技术的地板辐射系统的供暖特性，研究了1000m长的不锈钢-水热管。

通过理论研究，得出了单根热管极限传热量。

通过单根热管试验与地板辐射试验，测得了相应热管的较佳充液量，适宜的蒸发段长度、倾角、热媒温度、流量及管间距等一系列数据，又利用模拟得出了热管辐射供暖系统时，室内空气速度场与温度场的分布。

由国内外文献可见，热管在各领域的应用十分广泛，在建筑供暖系统中的应用的研究从未中断，且愈来愈详细，但大多是应用在地板辐射供暖系统中，且大多停留在实验研究阶段，理论研究尚且不足。

对热管应用于供暖的展望及研究方法
国内外对于辐射供暖方式的研究，在理论、实验和实际应用上都已经系统化，特别是利用塑料管进行地板辐射供暖已有相当多的实际工程应用。

但将热管这种高效的传热性能的元件用在供暖领域的相关研究却才刚刚起步，研究热管与地板结合这种供暖方式只在少量文献被提及，本文提出的热管与墙体结合的供暖方式几乎没有，系统的理论和实验研究都非常之少。

因此，以后的研究笔者将对热管与墙面结合的这种供暖末端装置进行相对系统和全面的理论研究。

主要的研究方法为：首先对热管进行设计，选择合适的热管管材与工质，并分析其传热性能；接着以某一采暖地区建筑标准层中的一房间为例，建立了设备的传热模型，通过软件计算相同的室内设计温度情况下在多种墙体结构中，热管分别需要敷设的面积和管间距，确定了其
安装规格；最后模拟室内空气温度场及速度场，分析热管与墙面结合这种末端装置用于供暖的可行性。

参考文献
[1] 司小雷. 我国的建筑能耗现状及解决对策[J]. 建筑节能，2011，2(36):71-75.
[2] 庄骏, 张红.2010年热管技术展望[J].化工机械，1998,25(1):44-61.
[3] Richard D.Watson.Basic Principles of Radiant Heating[M].ASHRAE Journal, December 1994.
[4] Jianwu Wan, Jinglin Zhang.Energy Consumption in Central Air-conditioning System Using Heat-pipe in Air-handling Process[C].The First International C-onference on Building Energy and Environment.2008:62-69.
[5] 申恩惠.真空相变散热器[J].中国建设信息.供热制冷专刊.2004,5(10):97-98.。