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太阳能学报 2024年第7期45卷 190-198页

作者：胡冰李勇王登甲刘慧吴家妍刘艳峰绿色建筑国家重点实验室西安710055 西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院西安710055

以双层相变材料复合水箱为研究对象,通过数值模拟和实验研究的方法,对该水箱的蓄热特性进行模拟分析与实验验证,对比分析单、双层相变材料复合水箱的热特性,探究双层相变材料位置对复合水箱蓄热特性的影响规律。研究结果表明,与单层相... 详细信息

以双层相变材料复合水箱为研究对象,通过数值模拟和实验研究的方法,对该水箱的蓄热特性进行模拟分析与实验验证,对比分析单、双层相变材料复合水箱的热特性,探究双层相变材料位置对复合水箱蓄热特性的影响规律。研究结果表明,与单层相变材料复合水箱相比,双层相变材料复合水箱的热分层更好,蓄热能力得到提升,双层相变材料复合水箱较普通水箱的蓄热量提高9.7%。双层相变材料距离进出水口位置较远时,相变材料完成熔化的时间更接近,更有利于蓄热水箱的热分层。

关键词：太阳能相变材料储热复合水箱热分层

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复合蓄热水箱热特性及其对高原太阳能供暖系统性能的影响研究

复合蓄热水箱热特性及其对高原太阳能供暖系统性能的影响研究

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作者：胡冰西安建筑科技大学

学位级别：硕士

利用太阳能等可再生能源供暖,是实现我国建筑领域节能减排、合理控制能源消费总量的迫切需要。然而对于我国大部分城镇地区,建筑密集,土地资源及可利用空间有限,采用相变材料提升蓄热水箱的储热能力是提高水箱储热能力的有效途径。但是... 详细信息

利用太阳能等可再生能源供暖,是实现我国建筑领域节能减排、合理控制能源消费总量的迫切需要。然而对于我国大部分城镇地区,建筑密集,土地资源及可利用空间有限,采用相变材料提升蓄热水箱的储热能力是提高水箱储热能力的有效途径。但是仍存在一下问题:首先,关于在水箱中添加相变材料能否提高太阳能供暖系统的性能,仍然存在争议。其次,供热过程中水箱供水温度一般较低,除了水箱蓄热能力高外,还应考虑相对较高的供水温度。最后,相变材料在蓄/放热过程中不能完全熔化或固化,导致其储热能力没有得到充分利用。为了解决上述问题,本研究通过在水箱中加入双层相变材料,设计了显-潜热复合蓄热水箱。基于此,本文提出了太阳能供暖显-潜热复合蓄热水箱,在保障蓄热系统经济性的同时,提升蓄热水箱的蓄热量与品质,实现太阳能供暖系统的高效运行。本文首先介绍了太阳能供暖系统工作原理,分析了显-潜热复合蓄热水箱的流动传热过程;通过实验研究和数值模拟,并以混合数、掺混数、蓄放热效率等为指标,分析了显-潜热复合蓄热水箱的蓄热特性,对蓄热水箱相变材料位置、用量、封装形式等参数进行了优化;建立了显-潜热复合蓄热水箱太阳能供暖系统仿真模型,研究了水箱容积、相变材料层数及供暖模式对太阳能供暖系统热性能的影响规律,主要结论如下:(1)与普通水箱相比,显-潜热复合储热水箱的蓄热能力增加,蓄热时间延长,当相变材料的体积占比为7.87%时,显-潜热复合蓄热水箱较普通水箱的储热能力提升了9.7%;蓄热前期显-潜热复合储热水箱的热分层效果较差,而在蓄热后期相变材料对水箱热分层的增益效果才会显现出来。(2)研究了蓄热过程中进口水温、进口流速和水箱高径比对水箱热性能的影响。提高进口水温可以提高显-潜热复合储热水箱的热分层效果,增益效果较普通水箱更为明显;当进口流速较低时,显-潜热复合储热水箱的热分层效果较差;水箱的高径比越大,水箱的热分层效果越好。(3)对显-潜热复合蓄热水箱内部的结构和材料进行设计,发现提高相变材料导热系数可以有效提高水箱蓄热性能,当熔点温度不同的相变材料导热系数分别从1.36和1.30 W/(m·K)均提升至3 W/(m·K)时,t~*=0.50时的混合数减少了0.049,蓄热效率提高了3.9%。提高水箱中相变材料的体积分数可增加水箱的蓄热量,但热分层效果变差;当双层相变材料的位置距离进出水口位置越远,即相变材料越靠近水箱中心位置,水箱的蓄热性能越好;不同封装形式下相变材料的比表面积是影响水箱热分析特性的重要因素,增加相变材料的比表面积可提高水箱运行时的热性能,其中使用圆环形的封装形式时水箱的蓄热性能最好,相变材料熔化速度最快,与圆柱形相比,上下双层相变材料的熔化时间分别减少了0.19和0.11个无量纲时间。(4)通过分析在水箱容积、相变材料层数及供暖模式等不同工况下太阳能显-潜热复合蓄热水箱供暖特性发现:当集热器单位采光面积下的水箱容积为33.3～66.7 L/m时,与普通水箱相比,显-潜热复合蓄热水箱太阳能供暖系统的集热量提升了7.0%～15.6%,供热量提高了13.5%～25.2%,当水箱容积继续增加,添加相变材料对太阳能供暖系统性能的影响减弱;使用熔点不同的双层相变材料时,显-潜热复合蓄热水箱太阳能供暖系统的集热量和供热温度均有所兼顾;显-潜热复合蓄热水箱在白天供暖模式下的供暖效果较差,而在全天供暖模式下,显-潜热复合蓄热水箱太阳能供暖系统的集热量和供热量提高了15.6%和16.9%,夜间供暖下集热量与供热量分别提升为13.5%和15.5%。基于以上研究,掌握了太阳能显-潜热复合蓄热水箱供暖特性,获得了显-潜热复合蓄热水箱关键参数优化设计方法,为太阳能供暖显-潜热复合蓄热技术的推广与应用提供理论依据。

关键词：太阳能供暖相变材料储热复合水箱优化设计

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