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.pdf

中文摘要 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。 PCM 因此，本文提出一种管外环状相变材料 （ ）耦合建筑自然通风的换热器， PCM- PAHE PCM- 称为 空气换热器 （ ），在室外热环境的周期性波动工况下， 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， T T PCM- 在室外热环境作用下，当相变材料的相变温度 m 等于室外平均温度 ， 空气 o 换热器管内壁面温度 T 趋于恒定，即 T =T 。在此基础上，建立了 PCM-空气换 R m R 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。 I 重庆大学硕士学位论文 关键词：PCM-空气换热器(PAHE) ；相变材料 （PCM ）；模型实验；数值模拟 II 英文摘要 Abstract Free cooling is a passive cooling technology that uses natural sources of cold to improve indoor thermal comfort and reduce air con