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相变蓄能式辐射供冷末端的优化设计研究

相变蓄能式辐射供冷末端的优化设计研究

作者：杜泽政长安大学

学位级别：硕士

相变蓄能式辐射供冷/暖系统将蓄能式技术与辐射供冷/暖技术的优势有效结合,既可较好的满足人体对热舒适性的需求,也可缓解电力峰谷差,并可利用峰谷电价政策降低运行费用。利用峰谷电价的相变蓄能式辐射空调系统的应用有着广阔的前景。... 详细信息

相变蓄能式辐射供冷/暖系统将蓄能式技术与辐射供冷/暖技术的优势有效结合,既可较好的满足人体对热舒适性的需求,也可缓解电力峰谷差,并可利用峰谷电价政策降低运行费用。利用峰谷电价的相变蓄能式辐射空调系统的应用有着广阔的前景。相变材料(phase change material,PCM)在辐射系统末端中的安装位置是工程设计中得关注的重要问题之一,然而目前缺少对辐射末端中相变材料不同安装位置对比分析的研究。现有的研究中PCM和嵌管热激活层在相变蓄能式辐射末端中的相对位置的设计主要有三种,包括嵌管层置于PCM层邻侧的两种设计方案以及供水管内嵌在PCM层内部的设计方案。前两种不同相对位置设计方案的对比研究匮乏,而这三种相对位置设计方案的对比研究更是尚无报道。不同的相对位置设计是否会影响系统的蓄热量、应用效果及节能潜力,以及是否存在最佳的相对位置设计方案,需要研究与解决。另外,相变蓄能式辐射末端中PCM的蓄放热过程增加了辐射末端传热过程的复杂性,目前对PCM层的设计、嵌管参数及末端运行参数的优化设计缺乏清晰的认识。而这几项参数对系统性能的影响又相互耦合,因此,末端的优化设计实际上是探寻关键设计参数的最优组合问题。设计参数的优化应从提高热舒适性、经济性及降低系统能耗三方面着手,多个目标权衡的优化设计问题有待于全面分析。针对以上两个问题,本文针对相变蓄能式辐射供冷系统末端的优化设计,开展了以下研究:首先,为满足采用顶板、地板以及墙体作为辐射末端时的PCM层嵌管式辐射供冷末端的仿真模拟需求,弥补TRNSYS中缺少嵌管式PCM层(Pipe-embedded PCM-Layer,PEPL)相关模拟模块的不足,本文建立了新的专门用于模拟嵌管式PCM层二维非稳态传热过程的模块。并基于实验对新建模块的准确性进行了验证,误差分析及一致性分析结果表明,模拟结果和实验结果两者一致性吻合较好,验证了该新建模块的可靠性。然后,基于新建模拟模块与TRNSYS软件,通过模拟研究了辐射供冷末端热激活层(嵌管层)与PCM层的不同相对位置对辐射末端热性能的影响,探究最佳的相对位置。不同相对位置的设计方案考虑了PCM层和嵌管层相邻的两种布置方案以及嵌管式PCM层(PEPL)的设计方案。针对顶板、地板、外墙和内墙分别作辐射末端时的辐射供冷系统,模拟研究了18℃、14℃两个供水温度工况下不同相对位置设计方案下辐射末端的热性能。以室内操作温度、衰减倍数及PCM有效利用率作为评价指标,对比分析了三种相对位置设计方案的辐射末端热性能的差异。结果表明,辐射顶板、辐射地板、辐射内墙及辐射外墙四种辐射末端工况,均为采用嵌管式PCM层的相对位置设计方案时辐射末端热性能效果最佳。嵌管层位置设在PCM层室内侧方向的相邻一侧时的设计方案在内墙辐射末端或地板辐射末端类型下可与嵌管式PCM层设计方案的热性能效果相当,并无显著差异。四种辐射末端类型下,嵌管层位置设在PCM层室外侧方向的相邻侧时PCM相态不发生改变,难以发挥PCM的相变储能作用。最后,采用Gen Opt和TRNSYS耦合模拟与优化,对嵌管PCM层式辐射供冷系统末端的关键设计参数进行了考虑能耗、热舒适和经济性三个目标的多目标优化研究,确定了辐射顶板、辐射地板、辐射内墙及辐射外墙四种辐射末端类型下的最佳末端参数组合。关键设计参数考虑了PCM层厚度、相变温度、供水温度以及间歇运行时间。多目标优化结果表明,无论是PCM层厚度、相变温度及供水温度三变量的三目标优化还是附加间歇运行时间的四变量三目标优化,各类型辐射末端都有各自相对应的最佳末端参数组合,四种辐射末端类型下PCM层厚度的最佳取值均为10mm。本文所得结论可为相变蓄能式辐射供冷系统末端的PCM层与嵌管热激活层相对位置设计方案的选择以及末端参数的优化设计提供参考和建议。

关键词：相变蓄能辐射供冷 PCM层嵌管热激活层末端设计参数优化多目标优化

单元化可分区的相变蓄能辐射空调热性能模拟研究

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单元化可分区的相变蓄能辐射空调热性能模拟研究

作者：任繁江苏科技大学

学位级别：硕士

面对人民日益增长对美好生活的需要同不平衡的能源发展政策之间的矛盾和针对能源紧缺、环境排放严格与全球经济快速发展显示出来的矛盾,发展储能行业是具有广阔前景。相变材料以其潜热值大等诸多优点而被广泛应用于航空航天、建筑采暖... 详细信息

面对人民日益增长对美好生活的需要同不平衡的能源发展政策之间的矛盾和针对能源紧缺、环境排放严格与全球经济快速发展显示出来的矛盾,发展储能行业是具有广阔前景。相变材料以其潜热值大等诸多优点而被广泛应用于航空航天、建筑采暖、通讯电力及制冷设备等诸多方面。随着“双碳”目标的临近,建筑节能形式紧迫且潜力巨大近年相变储能技术由于具有可以以缓解能量供求双方在时间、空间和强度上的不匹配的优点而在建筑节能中逐渐被应用。其中相变储能材料与毛细管网相结合的辐射空调系统已成为建筑节能的主要技术手段之一,为建筑节能带来显著效果。另外套管潜热蓄能技术(LHTES)是目前潜热蓄能中最常见的技术,它的原理主要是内管的热流体(HTF)通过与内管连接的翅片,将热量从流体传递到相变材料(PCM)中去,然后PCM吸收热量而熔化,使得将HTF中的热量储存到套管中的PCM中的潜热中去,然后再在低温流体中将热量释放出来加以利用。同时套管潜热蓄能技术与建筑辐射空调可以进行耦合,实现能量的多重储存,将源项简化为HTF的话,那么翅片的设计也将为潜热系统提供解决方案。本文设计将重点研究相变蓄能辐射空调系统里边的关键技术单元,打造关键储能技术,建立按照不同功能分区的潜热系统蓄能单元,最后可根据蓄热量来叠加不同蓄热单元。首先利用仿形雪花翅片的立式套管潜热系统用作辐射空调系统里边的相变蓄热水箱单元,着重利用商业软件Fluent仿真分析了立式潜热系统的翅片形状、长度、厚度、角度、材料以及HTF温度等参数对于LHTES热性能的影响,并优化出了上下底为1/7的最佳立式梯形潜热结构;接着利用不规则仿形雪花翅片的卧式潜热系统用作辐射空调系统里边的卧式管道单元用于二次蓄热,通过PCM熔化过程中产生的自然对流,着重优化出来了不规则雪花翅片的外形、角度和分布结构,最后利用响应面法结合最短熔化时间与最大蓄热量两个目标进行优化得到最优解定值的翅片尺寸角度;最后通过设计空调末端装置为单层辐射蓄冷吊顶和双层辐射蓄能地板相结合的形式进行室内的综合热管理,并分析了室外热通量扰动情况下的建筑内部温度的稳定性分析,得到相应的响应特性分析。通过本文的研究,将获得相变材料在熔化时蠕动中的运动过程,揭示强化换热的关键影响因素,提出一种新型套管潜热系统优化流程,优化相变材料在内的潜热系统中的翅片最优结构,提出一套应用在辐射空调系统上的最佳优化方案,打造不同功能区的蓄能单元,为推动相变蓄能技术热管理上的自主创新奠定技术应用基础。

关键词：相变蓄能辐射空调套管潜热系统响应面法

临时用房相变蓄能冷剂直热式热泵辐射系统仿真模拟

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临时用房相变蓄能冷剂直热式热泵辐射系统仿真模拟

作者：李嘉辉北京建筑大学

学位级别：硕士

我国能源消费日益增长,电力短缺问题严重,环境与能源匮乏问题加剧。临时用房如集装箱房由于具有低碳、低成本优点受到越来越多的关注与使用,但现阶段对于临时用房多采用传统供热方式,而对于一些极端环境如低气温的高山地区,传统供热方... 详细信息

我国能源消费日益增长,电力短缺问题严重,环境与能源匮乏问题加剧。临时用房如集装箱房由于具有低碳、低成本优点受到越来越多的关注与使用,但现阶段对于临时用房多采用传统供热方式,而对于一些极端环境如低气温的高山地区,传统供热方式由于供热效率低、能耗大等缺点而不利于节能减排、实现“双碳”目标。冬奥场馆就处在低气温的高山地区,处于极端环境。针对冬奥这种特殊地理环境及供热要求,提出一种新型供热系统,将冷剂直热式热泵技术与相变蓄能技术结合并应用于临时用房中,综合利用了冷剂直热式热泵系统热损失小,传热速度快的特性及相变材料的储能特性,为临时用房的新型供热提供了理论依据。搭建了临时用房的实验平台,该房间采用冷剂直热式热泵辐射供暖系统(未带相变材料层),随后在Fluent中建立了与实验平台对应的房间模型,通过对比相同工况下的实验数据与模拟数据,这些数据包括房间温度、围护结构内表面温度、系统供热时间等数据,验证了房间模型的准确性,为后续的模拟研究提供了基础。建立带有相变蓄能冷剂直热式热泵辐射供暖系统的临时用房房间模型,模拟实际冬奥气象条件下临时用房内相变材料的放热过程,对模拟结果对比分析,选择了适宜参数的相变材料,并确定满足要求的最优相变材料设计方案,包括确定相变材料层填装方案及确定对应的最优相变材料层厚度。随后通过模拟不同平均供热温度情况的供热过程,分析了供热温度对墙体内表面温度、蓄热时间以及房间热环境的影响。通过控制供热的启闭来使房间温度不低于16℃不高于20℃,并进行全天工况模拟(相变材料放热过程及热泵供热、相变材料蓄热过程),利用作用温度、预测平均评价、预测不满意百分比,分析了房间整体的热舒适性,利用供热墙体内表面温度、垂直温差,分析了房间局部的热舒适性。发现提前一小时供热并采取温控方式的方案可以使房间温度场均匀,局部热舒适性与整体热舒适性在整个供热过程中均保持在良好的范围内。

关键词：相变蓄能冷剂直热式热泵辐射供热热性能热舒适

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相变蓄能在热泵系统中的应用研究

上海节能 2023年第11期 1656-1662页

作者：周易张时华徐笑锋上海交通大学机械与动力工程学院上海海立电器有限公司

“双碳”目标要求2030年达到碳达峰。供热与供冷能耗占据着碳排放的较大比例。热泵技术是实现节能减排的有效技术手段,但是热泵系统受环境温度、系统流程等影响较大。相变储能技术可有效地提升热泵系统能效,并解决低品位能量在时间、空... 详细信息

“双碳”目标要求2030年达到碳达峰。供热与供冷能耗占据着碳排放的较大比例。热泵技术是实现节能减排的有效技术手段,但是热泵系统受环境温度、系统流程等影响较大。相变储能技术可有效地提升热泵系统能效,并解决低品位能量在时间、空间上的不匹配问题。结合相变储能技术与热泵系统,从热泵制冷、热泵供热及热泵除霜三方面对相关技术与研究进行了归纳总结,并着重对相变材料的性能进行了阐述。针对目前相变储能技术在热泵系统中的应用问题进行了探讨,发现提高材料储能密度、强化换热、结构优化等方面是未来的发展趋势,为进一步推广相变储能技术在热泵系统中的应用提供依据与支持。

关键词： “双碳”目标热泵系统相变蓄能相变材料

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基于相变蓄能末端的高效热泵系统研究

基于相变蓄能末端的高效热泵系统研究

作者：李帅帅沈阳建筑大学

学位级别：硕士

2022年作为“十四五”规划承上启下的重要一年,“双碳”目标依然成为当下政府报告、经济发展的热点话题。面对全球能源危机及环境污染问题的日益严重,如何制定和发展清洁能源高效供暖/制冷方案对全球可持续发展至关重要。目前,由于中国... 详细信息

2022年作为“十四五”规划承上启下的重要一年,“双碳”目标依然成为当下政府报告、经济发展的热点话题。面对全球能源危机及环境污染问题的日益严重,如何制定和发展清洁能源高效供暖/制冷方案对全球可持续发展至关重要。目前,由于中国南北方人们地理位置、生活环境及生活方式的不同,所采用的供暖方式琳琅满目。本课题从北方村镇地区人们的居住特点及采暖方式的需求,提出了一种基于相变蓄能末端的高效热泵系统;其本质上属于温湿度独立控制制冷采暖空调领域。为了提高冬季热泵的运行效率,本课题将蓄能型太阳能空气集热器与金属毛细管网相变蓄能辐射末端模块相结合,有效解决了空气源热泵的制热效率低、结霜严重等问题,为中国南北方地区城镇住宅冬季供暖提供了一种更加舒适、更为环保、能耗更低的新途径。本文主要通过模拟分析、实验研究相结合,分别对相变蓄能末端的高效热泵系统的能效比、相变蓄能末端的传热、系统的经济性效益等问题进行了详细研究。本文从热泵的逆卡诺循环角度出发,结合蓄能型太阳能空气集热器工作原理,详细分析了影响系统性能的因素;并利用SOLKANE软件研究了不同蒸发温度、不同冷凝温度及不同过冷度对热泵性能的影响。同时,本文利用AMESim仿真平台与COMSOL数值模拟软件结合,分析了相变蓄能末端模块对房间温度的影响及相变蓄能末端模块蓄/放热过程中结构层的温度变化情况。本课题选用沈阳市古城子某农户住宅为实验地点,对基于相变蓄能末端的高效热泵系统进行了试验研究,并验证了系统运行的可行性。通过实验测试和系统运行数据的分析得出以下结论:当冬季太阳辐射充足,日太阳辐射强度最高为516W/m时,室外环境温度在-7.7～4.4℃之间变化,在太阳能热风辅助高效循环供暖模式运行期间,系统COP的取值范围在3.57～5.15之间,当日系统的平均COP为4.52。在热泵独立供暖模式时,室外环境温度在-12.7～-4.8℃之间变化,日平均室外温度为-9.1℃;测试当天系统的COP在3.16～3.88之间波动,日平均COP约为3.47。通过分析三种不同相变材料铺设方式对室内舒适度及室内温度波动的延迟效果,结果表明:采用相变材料上层铺设方式时,在供热过程中地面抹灰层内温度响应速度最慢,但在系统停止供暖进入放热过程时,地面抹灰层内的温度波动延迟效果最长、衰减幅度最低,房间的舒适性最高。最后,本文通过对相变蓄能末端的高效热泵系统建立合理的经济性分析模型,结合国内现流行的五种采暖方案分别从初投资、运行费用、费用现值和费用年值、投资回收期、环境效益分析五个方面进行多维度的综合评价。研究分析得出:尽管在初投资方面,相变蓄能末端的高效热泵系统采暖方案不具有明显优势,但在运行费用方面,采用相变蓄能末端的高效热泵系统方案供暖的总运行费用为2407.6元,是五种方案中最具优势的采暖方案,折合30.1元/m;相较于分体式空调采暖、空气源热泵系统低温热水地板辐射采暖、燃气壁挂炉低温热水地板辐射采暖及电取暖器采暖,年运行费用分别降低了13.0%、10.9%、55.7%、71.6%。系统的费用年值为0.49万元,仅次于分体式空调采暖。从投资回收期角度计算分析,相变蓄能末端的高效热泵系统与空气源热泵系统低温热水地板辐射采暖、燃气壁挂炉低温热水地板辐射采暖、电取暖器采暖相比,系统的静态投资回收期分别为9.2年、3.4年、3.5年。在经济环境效益方面,相较于传统的燃煤式采暖系统,系统减排效益约为1907元。

关键词：相变蓄能金属毛细管网热泵能效经济性分析

温湿度对空气源热泵相变蓄能除霜系统特性影响

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哈尔滨工业大学学报 2012年第6期44卷 65-69页

作者：胡文举姜益强姚杨倪龙陈镇凯哈尔滨工业大学市政环境工程学院哈尔滨150090 广东吉荣空调有限公司博士后科研工作站广东揭阳522000

为明确空气温湿度对空气源热泵相变蓄能除霜系统除霜过程系统动态特性的影响,进行了室外环境温湿度对系统除霜特性影响的实验研究.结果表明,相变蓄能除霜可以有效保证除霜过程压缩机吸气压力0.35 MPa以上,高于系统低压保护设定值;温度... 详细信息

为明确空气温湿度对空气源热泵相变蓄能除霜系统除霜过程系统动态特性的影响,进行了室外环境温湿度对系统除霜特性影响的实验研究.结果表明,相变蓄能除霜可以有效保证除霜过程压缩机吸气压力0.35 MPa以上,高于系统低压保护设定值;温度一定时,随着室外空气湿度的增大除霜所需时间和除霜能耗逐渐增加;空气相对湿度一定时,除霜时间和除霜能耗随着空气温度的降低先增加后减少,其中-3℃工况下除霜时间最长和能耗最大.温湿度对除霜系统动态特性具有重要影响,相变蓄热器可有效提高空气源热泵除霜过程系统运行的可靠性,-3℃工况可选为设计除霜用相变蓄热器最不利工况.

关键词：相变蓄能除霜空气源热泵温度湿度

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太阳能辅热相变蓄能火炕供暖系统实验研究

太阳能学报 2015年第11期36卷 2632-2637页

作者：李刚池兰李珍柳长翔罗颖佘灿明沈阳建筑大学市政与环境工程学院沈阳110168 沈阳大学建筑工程学院沈阳110044

将相变蓄能和毛细管网型太阳能采暖两种技术同时运用于火炕供暖上，通过实验研究相变蓄能材料和太阳能毛细管网低温热水联合辅助供暖时对室内温度和舒适性的影响，得出普通房间炕头、炕中、炕尾的平均温度分别为65．70、43．28、39．82... 详细信息

将相变蓄能和毛细管网型太阳能采暖两种技术同时运用于火炕供暖上，通过实验研究相变蓄能材料和太阳能毛细管网低温热水联合辅助供暖时对室内温度和舒适性的影响，得出普通房间炕头、炕中、炕尾的平均温度分别为65．70、43．28、39．82℃，温差大于20℃，而采用该系统的房间炕头、炕中、炕尾的平均温度分别为40．96、39．06、37．52℃，温差最大仅为3℃；夜间炕面温度下降阶段，铺有相变材料的炕面温度下降缓慢，在00：00～07：00之间均高于普通火炕炕面温度，优势明显。新模式下的房间白天室内平均温度比普通房间高14-31℃，夜间比普通房间高7．21℃，可改善农居室内及炕面的热舒适性。

关键词：火炕相变蓄能太阳能毛细管网热舒适性

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地板通风相变蓄能供暖系统运行特性测试研究

暖通空调 2023年第S2期53卷 1-5页

作者：王奉刚郭吉伟王昱博关司航郑文科姜益强哈尔滨工业大学哈尔滨150090

在低碳经济的大背景下,大力发展清洁供暖尤其是分布式供暖成为必然趋势,然而其系统形式仍有待探索。本文基于超低能耗建筑低冷热负荷及高蓄热性的特点,提出一种充分利用建筑围护结构蓄热的新型相变蓄能地板供暖末端及风电供暖系统,从而... 详细信息

在低碳经济的大背景下,大力发展清洁供暖尤其是分布式供暖成为必然趋势,然而其系统形式仍有待探索。本文基于超低能耗建筑低冷热负荷及高蓄热性的特点,提出一种充分利用建筑围护结构蓄热的新型相变蓄能地板供暖末端及风电供暖系统,从而实现超低能耗建筑清洁供暖。在长春某超低能耗示范建筑内搭建实验系统,现场测试了系统的供暖效果及能耗特性。测试结果表明,相比传统的辐射供暖系统,此系统可以充分提高建筑供暖温度及加热速率,降低系统市电消耗,具有较大的可再生能源消纳潜力。

关键词：地板通风供暖末端相变蓄能超低能耗建筑清洁供暖

空气源热泵相变蓄能除霜系统动态特性实验研究

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哈尔滨工程大学学报 2011年第10期32卷 1367-1373页

作者：曹琳胡文举姜益强姚杨倪龙李炳熙马最良哈尔滨工业大学动力工程及工程热物理博士后流动站黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学市政环境工程学院黑龙江哈尔滨150090 广东吉荣空调有限公司博士后科研工作站广东揭阳522000

为研究空气源热泵相变蓄能除霜系统的除霜过程动态特性及性能,开展了空气源热泵相变蓄能除霜系统的实验研究,并与传统逆循环热气除霜进行了比较.实验结果表明,与传统空气源热泵逆循环除霜相比,相变蓄能除霜可使系统的除霜时间减少至少4 ... 详细信息

为研究空气源热泵相变蓄能除霜系统的除霜过程动态特性及性能,开展了空气源热泵相变蓄能除霜系统的实验研究,并与传统逆循环热气除霜进行了比较.实验结果表明,与传统空气源热泵逆循环除霜相比,相变蓄能除霜可使系统的除霜时间减少至少4 min,压缩机的排气压力、吸排气温度、功率及室外机平均壁温回升速度均明显加快;相变蓄能除霜可使除霜时压缩机吸气压力提高0.3 MPa,有效地避免了压缩机低压保护性停机;当系统由除霜转向恢复供热时,采用蓄能除霜,室内机出风温度比传统除霜高且升高速度较快,更有利于提高供热房间的舒适性.

关键词：空气源热泵除霜相变蓄能动态特性实验研究