基于可调节隔热的PCM储放能过程优化研究
发布时间：2021-02-10 08:36
相变储能材料简称PCM（Phase change material）,具有比一般材料更大的相变潜热,被广泛应用于建筑围护结构、户外设备散热隔热等领域。PCM实现节能减排的本质是通过充放能循环来优化能量在时间上的分配不均问题。为了进一步优化其充放能循环过程,国内外研究者们以模拟、实验等方法,从PCM的充能和放能角度对其工作循环过程进行了优化研究。但是,PCM在充能和放能阶段需要和外界冷热源间保持不同的热阻,而现有的相变储能技术无法满足该需求。PCM充放能过程的协同优化策略亟需研究。本文提出了一种提升PCM工作性能的新思路:使用可调节式隔热协同优化PCM充能和放能过程。对于将自然环境作为充放能的冷源或者热源的应用场景,通过控制空气隔热层的厚度,调节PCM与外部环境间的热阻,从而实现充放能过程协同优化。本文采用计算机模拟和实验研究的方法对PCM的充放能过程进行优化研究。分别以建筑屋顶结构和户外光伏逆变器两个场景作为研究对象,研究了不同隔热策略下的热流及温度分布情况。结果表明,基于相变储能技术的可调节式隔热结构应用在建筑屋顶结构中能降低屋顶的冷热负荷,减少屋顶冷热负荷造成的能源消耗20%以上;...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
模拟研究中的对称简化[28]
浙江大学硕士论文绪论4与对称简化相比，维度简化能降低建模难度，进一步提高运算速度。比如Lei[29]等人在PCM在建筑围护结构中的布置位置的仿真研究中，他们将三维的围护结构简化为了二维。墙体的主要传热方向是垂直于墙壁的，其余方向则几乎没有热流。尤其在比较大的建筑结构中，由于尺寸效应的减弱，这种简化抓住了主要问题，有很大的意义。该简化方法现在被广泛使用在相关模拟研究中。图1.2模拟研究中的维度简化[29]1.2.1.2实验研究法除了计算机仿真研究外，许多研究者采用实验法研究在建筑围护结构中加入PCM的影响和意义[30-31]。主要方法是1:1搭建实验屋，或者对现有房屋结构进行简化或改造已进行实验研究。与采用模拟仿真研究方法的研究者类似，实验研究中同样很重视房屋的冷热负荷情况。可见冷热负荷是PCM在房屋围护结构中应用研究的重要对象。与仿真研究相比，实验研究的方法存在明显劣势：实验屋建造成本过高；实验周期过长；实验条件难以复现；实验条件难以灵活改变等。但是，其优势也是显而易见的：不同于模拟法的许多参数需要大量简化和经验指导，实验结果具有更强的可靠性和实践指导意义。不仅能研究PCM在建筑中的应用效果，其实验数据还能支撑相关仿真模型的建立与验证。1.2.1.2模拟+实验研究法由于仿真法和实验法在本领域都有比较大的局限性，一些研究者尝试着将二者结合。比如Kaygusuz[32]用仿真的方法建立了封装在PVC容器中的六水合氯化钙应用在装有太阳能能热泵的房间围护结构中的模型，并搭建了对应的房屋模型进行实验对比验证。Kong[33]等人建立了加入PCM的建筑围护结构的二维模型，并建造了对应的实验屋，用实验数据
浙江大学硕士论文绪论5指导模型建立，以此保障了模型可靠性（如图1.3所示）。具体对比方法是，将实验屋所处的环境数据作为仿真模型的输入值，计算墙壁内侧温度曲线并与实测值进行对比。二者趋势一致且差值较小则模拟结果合理。综合来说，在实验结果指导下建立的模型具有更高的可信度，同时能够方便地进行变换各种参数的后续实验，是一种理想的研究方法。图1.3模拟+实验研究法[33]：(a)房屋围护结构传热模型示意图；(b)1:1建造的实验屋基于上述研究现状的总结，并综合考虑到攻读硕士学位期间的人力物力资源，本研究将采用仿真模拟和实验研究并存的研究方式，以求在力所能及范围内尽可能低成本、高质量地完成研究目标。1.2.2PCM性能优化研究如上述PCM储能技术的相关研究所示，PCM凭借相变区域的巨大潜热和恒温性能，在减小温度波动、保证温度分布均匀方面有明显作用。但是在非相变区域时其热容会迅速恶化，甚至比混凝土等常见材料更差[1]。因此，设计PCM系统的关键因素之一是尽可能长时间使PCM保持在相变状态。为了实现这一目标，需要对PCM的充放能过程进行优化。在先前的研究中，已经从多个方面对这种优化进行了研究。主要可以分为PCM充能过程优化研究和PCM放能过程优化研究。1.2.2.1PCM充能过程优化研究相变储能技术的核心是利用PCM的高相变潜热值和稳定的相变温度来实现能量在时
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于复合相变材料的电池组散热性能分析[J]. 刘业凤,郑鹏飞,言锦嘉,刘忠,范昀培. 电源技术. 2019(11)
[2]有机相变储能材料的研究进展[J]. 杨磊,姚远,张冬冬,叶灿滔,龚宇烈. 新能源进展. 2019(05)
[3]锂离子动力电池相变冷却实验研究[J]. 黄瑞,洪文华,俞小莉,陈俊玄,李智,何晓帆. 实验技术与管理. 2019(10)
[4]基于相变材料的液压油箱散热设计与优化[J]. 梁经玮,冯永保,关标,杨旭. 计算机仿真. 2019(09)
[5]基于相变材料的光伏热管理系统研究进展[J]. 伍森怡. 制冷. 2019(03)
[6]温室相变储热技术研究进展[J]. 张滴滴,王平智,程杰宇,马承伟,李保明,赵淑梅. 农业工程技术. 2019(22)
[7]相变储能材料及其应用研究进展[J]. 陈颖,姜庆辉,辛集武,李鑫,孙兵杨,杨君友. 材料工程. 2019(07)
[8]相变储能材料应用于供热管道保温的可行性综述[J]. 孔凡鑫. 能源与环境. 2019(02)
[9]相变材料的研究进展[J]. 王鑫,方建华,刘坪,林旺,冯彦寒,江泽琦,范兴钰. 功能材料. 2019(02)
[10]太阳能中温相变储热材料的研究进展与展望[J]. 吴建锋,宋谋胜,徐晓虹,成昊,饶郑刚. 材料导报. 2014(17)
硕士论文
[1]电推进系统的相变储能式散热器性能研究[D]. 刘海洋.沈阳工业大学 2019
[2]石蜡/铜纳米粒子复合相变材料储热性能的研究[D]. 郑文娟.青岛科技大学 2012
本文编号：3027094
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
模拟研究中的对称简化[28]
浙江大学硕士论文绪论4与对称简化相比，维度简化能降低建模难度，进一步提高运算速度。比如Lei[29]等人在PCM在建筑围护结构中的布置位置的仿真研究中，他们将三维的围护结构简化为了二维。墙体的主要传热方向是垂直于墙壁的，其余方向则几乎没有热流。尤其在比较大的建筑结构中，由于尺寸效应的减弱，这种简化抓住了主要问题，有很大的意义。该简化方法现在被广泛使用在相关模拟研究中。图1.2模拟研究中的维度简化[29]1.2.1.2实验研究法除了计算机仿真研究外，许多研究者采用实验法研究在建筑围护结构中加入PCM的影响和意义[30-31]。主要方法是1:1搭建实验屋，或者对现有房屋结构进行简化或改造已进行实验研究。与采用模拟仿真研究方法的研究者类似，实验研究中同样很重视房屋的冷热负荷情况。可见冷热负荷是PCM在房屋围护结构中应用研究的重要对象。与仿真研究相比，实验研究的方法存在明显劣势：实验屋建造成本过高；实验周期过长；实验条件难以复现；实验条件难以灵活改变等。但是，其优势也是显而易见的：不同于模拟法的许多参数需要大量简化和经验指导，实验结果具有更强的可靠性和实践指导意义。不仅能研究PCM在建筑中的应用效果，其实验数据还能支撑相关仿真模型的建立与验证。1.2.1.2模拟+实验研究法由于仿真法和实验法在本领域都有比较大的局限性，一些研究者尝试着将二者结合。比如Kaygusuz[32]用仿真的方法建立了封装在PVC容器中的六水合氯化钙应用在装有太阳能能热泵的房间围护结构中的模型，并搭建了对应的房屋模型进行实验对比验证。Kong[33]等人建立了加入PCM的建筑围护结构的二维模型，并建造了对应的实验屋，用实验数据
浙江大学硕士论文绪论5指导模型建立，以此保障了模型可靠性（如图1.3所示）。具体对比方法是，将实验屋所处的环境数据作为仿真模型的输入值，计算墙壁内侧温度曲线并与实测值进行对比。二者趋势一致且差值较小则模拟结果合理。综合来说，在实验结果指导下建立的模型具有更高的可信度，同时能够方便地进行变换各种参数的后续实验，是一种理想的研究方法。图1.3模拟+实验研究法[33]：(a)房屋围护结构传热模型示意图；(b)1:1建造的实验屋基于上述研究现状的总结，并综合考虑到攻读硕士学位期间的人力物力资源，本研究将采用仿真模拟和实验研究并存的研究方式，以求在力所能及范围内尽可能低成本、高质量地完成研究目标。1.2.2PCM性能优化研究如上述PCM储能技术的相关研究所示，PCM凭借相变区域的巨大潜热和恒温性能，在减小温度波动、保证温度分布均匀方面有明显作用。但是在非相变区域时其热容会迅速恶化，甚至比混凝土等常见材料更差[1]。因此，设计PCM系统的关键因素之一是尽可能长时间使PCM保持在相变状态。为了实现这一目标，需要对PCM的充放能过程进行优化。在先前的研究中，已经从多个方面对这种优化进行了研究。主要可以分为PCM充能过程优化研究和PCM放能过程优化研究。1.2.2.1PCM充能过程优化研究相变储能技术的核心是利用PCM的高相变潜热值和稳定的相变温度来实现能量在时
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于复合相变材料的电池组散热性能分析[J]. 刘业凤,郑鹏飞,言锦嘉,刘忠,范昀培. 电源技术. 2019(11)
[2]有机相变储能材料的研究进展[J]. 杨磊,姚远,张冬冬,叶灿滔,龚宇烈. 新能源进展. 2019(05)
[3]锂离子动力电池相变冷却实验研究[J]. 黄瑞,洪文华,俞小莉,陈俊玄,李智,何晓帆. 实验技术与管理. 2019(10)
[4]基于相变材料的液压油箱散热设计与优化[J]. 梁经玮,冯永保,关标,杨旭. 计算机仿真. 2019(09)
[5]基于相变材料的光伏热管理系统研究进展[J]. 伍森怡. 制冷. 2019(03)
[6]温室相变储热技术研究进展[J]. 张滴滴,王平智,程杰宇,马承伟,李保明,赵淑梅. 农业工程技术. 2019(22)
[7]相变储能材料及其应用研究进展[J]. 陈颖,姜庆辉,辛集武,李鑫,孙兵杨,杨君友. 材料工程. 2019(07)
[8]相变储能材料应用于供热管道保温的可行性综述[J]. 孔凡鑫. 能源与环境. 2019(02)
[9]相变材料的研究进展[J]. 王鑫,方建华,刘坪,林旺,冯彦寒,江泽琦,范兴钰. 功能材料. 2019(02)
[10]太阳能中温相变储热材料的研究进展与展望[J]. 吴建锋,宋谋胜,徐晓虹,成昊,饶郑刚. 材料导报. 2014(17)
硕士论文
[1]电推进系统的相变储能式散热器性能研究[D]. 刘海洋.沈阳工业大学 2019
[2]石蜡/铜纳米粒子复合相变材料储热性能的研究[D]. 郑文娟.青岛科技大学 2012
本文编号：3027094
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