利用PCM-空气换热器(PAHE)调节气流温度波动的数值模拟与实验研究

摘要

自然冷源在能量转换与利用中，总会存在供与求在时间上和空间上不匹配的矛盾，加之建筑围护结构在单位体积所储存的能量较少，建筑自然冷却技术的降温效果受到了制约。而为了提高能源利用率，解决能量供求的矛盾，热能储存技术显得尤为重要。而在热能存储方面，基于相变的热能存储技术与基于显热的热能存储技术相比具有无可比拟的优势。潜热蓄能是利用相变材料的高潜热特性与典型的传统蓄热材料有所区别，相变材料在较小的温度区间内熔化或凝固过程中储存大量的热量，相对显热蓄热材料它可以储存5-14倍的单位体积的热量。因此，基于相变材料的潜热蓄能技术有着储能密度大和热惯性小的优点，近年来受到众多研究学者们的广泛关注，是提高能源效率和建筑热舒适性的独特选择。　　因此，本文提出一种管外环状相变材料（PCM）耦合建筑自然通风的换热器，称为PCM-空气换热器（PAHE），在室外热环境的周期性波动工况下，PCM-空气换热器风管内的受迫对流增强了空气与PCM的热传递，强化了其蓄能性能，有利于调节气流温度波动，重在无空调环境下的热舒适改善。首先，本文基于显热容法建立了PCM-空气换热器计算传热模型，并设定不同的入口边界条件，研究发现，在室外热环境作用下，当相变材料的相变温度Tm等于室外平均温度(T-)o ，PCM-空气换热器管内壁面温度 TR趋于恒定，即 Tm=TR。在此基础上，建立了 PCM-空气换热器的理论模型并进行推导求解，得出PCM-空气换热器管内空气温度的显式表达式，并将理论结果与仿真模拟的结果进行对比分析，以验证理论模型的可靠性。　　其次，探讨了实际尺寸PCM-空气换热器模型在理想谐波热环境工况下相变过程，相变温度、风量、PCM厚度对该系统蓄能传热特性的影响。接着，从调节气流温度波动及节能效果两方面出发，对上述三个设计参数同时进行优化，以重庆5月至11月的气候工况为例，数值研究了炎热夏季和过渡季节期间PCM-空气换热器气流温度波动调节及节能效果。研究表明，要实现PCM-空气换热器的冷却性能最优化，则要保证该系统管内壁面温度的稳定性，为达到此目的，应适当调整上述参数。　　最后，以重庆年周期工况为例，数值研究了不同深度的土壤-空气换热器与PCM-空气换热器的蓄能换热性能，以气流温度波动调节及冷却效果为指标，评价了PCM-空气换热器相对土壤-空气换热器的节能潜力。

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究状况

1.2.1 相变蓄能机理研究

1.2.2 相变蓄能在建筑热环境中的应用研究

1.2.3 相变蓄能通风系统的应用研究

1.2.4 相变蓄能现有研究方法及存在的问题

1.3 课题研究意义

1.4 本课题研究内容及方法

2 PAHE通风换热数值模拟及理论模型

2.1.1 物理模型

2.1.2 网格划分

2.1.3 计算模型及边界条件的设置

2.1.4 数学模型

2.2.1 模型参数确定

2.2.2 模拟结果分析

2.3 PAHE理论模型分析

2.3.1 理论模型假设

2.3.2 理论模型求解

2.4 本章小结

3 PAHE通风换热系统模型实验研究

3.1 模型实验设计

3.1.1 模型实验台建立

3.1.2 实验监测仪器选择

3.2 实验操作步骤及误差分析

3.3 实验结果及对比分析

① 调控室外空气温度结果

② 管内空气温度结果

3.4 理论结果及案例分析

3.5 本章小结

4 PAHE各因素对通风换热效果的影响分析

4.1 入口通风量q对相变蓄能通风效果的影响

4.2 PCM相变点Tm对相变蓄能通风效果的影响

4.3 PCM材料外径d对相变蓄能通风效果的影响

4.4 本章小结

5 PAHE出口气流降温及节能效果研究

5.1 重庆5月-11月气候PAHE模拟的性能评估

5.2 年周期工况下PAHE与EAHE对比

5.2.1 EAHE与PAHE（导热系数为0.2时）对比分析

5.2.2 EAHE与PAHE（导热系数为0.6时）对比分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文研究成果

6.2 后续工作展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B 学位论文数据集

致谢