基于相变蓄冷和太阳能空调的建筑热环境调控的基础研究

Based on the preliminary study of solar powered air-conditioning and phase change material. This project would select microencapsulated phase change material slurry（MEPCMS）for cooling storage / transportation system of solar powered air conditioning, instead of the conventional cold storage medium and the single-phase cooling transportation fluid. It could improve the efficiency and stability of solar air conditioning, and the building thermal environment. According to the theoretical and Experimental Research on three aspects of this innovation system: including Phase change cooling storage for solar powered cooling system, high temperature PCM cooling transportation system , building thermal environment control based on the phase change cold storage and solar air conditioning. To solve the key problem of the research: supercooling effect, heat transfer numerical model of phase change fluid, thermal environment control based on dynamic cooling loads. According to MEPCMS storage / release cooling control, solar driven high temperature cooling system influenced on building thermal environment would be set up the model to improve building thermal environment, and the optimal design theory.The research achievement would contribute to explore the R&D of PCM and solar powered air-conditioning to simprove the comfortable building thermal environment.

基于前期对太阳能空调和相变材料研究的基础上。本课题拟采用微胶囊相变材料悬浮液，用于太阳能空调的蓄/输冷系统，代替一般蓄冷介质和输冷单相流体，提高太阳能空调运行效率和稳定性，改善建筑热环境。通过对此创新系统，三方面的理论与实验研究：包括相变蓄冷式太阳能制冷系统，基于相变材料的高温供冷系统，以及基于相变蓄冷和太阳能空调的建筑热环境调控。拟解决研究中关键的：过冷度影响问题，相变流体传热数值模型问题，和动态冷负荷下的热环境调控问题。建立MEPCMS蓄/释冷调控下，太阳能驱动的高温供冷系统对建筑热环境的影响模型，及系统优化设计原理。为更全面的探索相变材料与太阳能空调，改善建筑热环境的研究与发展，奠定理论基础。

微胶囊相变材料悬浮液（MEPCMS）可以作为蓄冷/输冷介质应用于太阳能空调的蓄冷系统中，代替一般的蓄冷介质和输冷单相流体，提高太阳能空调运行效率和稳定性，创造节能效果，改善建筑热环境。本项目选用了适合太阳能空调储冷系统的，以石蜡为核心的MEPCMS作为主要研究对象，探索了该材料作为蓄/输冷介质在太阳空调蓄冷系统中的应用情况。结合理论模型和实验测试，从三方面对微胶囊相变蓄冷系统进行了深入研究，并结合台太阳能空调分析其节能效果。包括相变蓄冷系统，相变供冷系统，以及相变蓄冷对建筑热环境的调控作用。本项目深入分析了相变材料关键参数对MEPCM悬浮液的热工性能的影响，采用DSC实验方法测定了两种相变材料的相变温度区间，分别为14~20℃和2～10℃，相变焓值为129.35 kJ/kg和127.43 kJ/kg，且前者的过冷度影响较小；采用添加表面活性剂与浊度分析法，探索了提高MEPCMS稳定性的方法，得到海藻酸钠（SA）对低温MEPCMS的稳定性有较好的提高效果，解决了MEPCMS易分层的问题；采用KD2 Pro实验方法测定了MEPCMS导热系数，研究了温度与浓度情况对材料导热系数的影响规律，发现MEPCM的导热系数会随着温度先升高后下降，并在浓度为30%左右时具有最好的导热性；在可调节室内环境参数的实验条件下，对MEPCMS作为冷量传输流体的流动特性，能量输送先随着浓度的降低而增大，在20%处能量输送量达到最大，随后又随浓度的降低而减小，并分析了影响系统能量传输性能的因素；建立了传热理论模型，优化设计了一种相变蓄冷装置模型。并结合太阳能空调作为冷源建立了户外测试实验平台，研究了其对建筑室内热环境的调控影响，该系统能够将实验房的温度有效控制在18℃~22℃且有一定的节能效果；该研究目标的完成，为可再生能源建筑供能应用以及相变蓄能技术的研发，改善建筑热环境的研究与发展奠定理论基础与技术支撑。