高热密度建筑用相变模块与空调系统协同换热特性研究

In this project, the lattice-Boltzmann model is used to analyze the effect of natural convection on the thermal performance of phase change material (PCM). Theoretical analysis and establishment of a complete air conditioning system dynamic model, phase change energy storage model and secondary refrigerant model. Exploring the theory and method of combining numerical solution under complicated boundary conditions, and reveal the heat transfer characteristics of phase change energy storage air conditioning systems. Then according to the five operating conditions (fresh air cold storage, refrigeration cold storage, cooling, fresh air, return air cooling), investigate on the influence of thermal parameters, such as PCM, refrigerant, coolant and operating parameters, on system performance, and conduct the sensitivity analysis to determine the system optimized parameters and its application scope. Based on the cooperating heat transfer model and energy efficiency model, combining the unique indoor or outdoor temperature and humidity of high thermal density buildings, indoor heat dissipation characteristics, and electricity price structure parameters. This project studies the influence of the input parameters and key environmental factors of phase change cooling system on the reliability, stability and compatibility of the system design and operation. The results of this project could improve the operation efficiency of natural cold source and reduce the operating energy consumption of high thermal density buildings.

本项目采用格子-波尔兹曼模型解析相变材料内部自然对流作用对其热性能的影响；理论分析并建立完整空调制冷系统的动态模型、相变储能模型和载冷剂模型，探索在复杂边界条件下的联合数值求解理论和方法，揭示相变储能空调系统的换热特性；针对系统的五种运行工况:新风蓄冷、制冷蓄冷和制冷、全新风、回风放冷，研究相变材料、制冷剂、载冷剂等热物性参数以及运行参数对系统性能影响，并进行敏感性分析，从而确定系统优化参数及其适用范围；根据系统的协同换热模型、能效模型，综合高热密度建筑独特的室内外温湿度、室内散热特性、电价结构参数，研究相变储能空调系统各单元输入参数和关键环境因子对于系统设计和运行可靠性、稳定性、兼容性的影响。本项目研究成果可提升自然冷源的运行效率及减少高热密度建筑的运行能耗。

相变储能主要利用材料的物质状态转换来实现热能的储存与释放，具有储能密度大、体积变化小、输出温度和能量较为稳定等多种优点，将相变储能模块与空调系统进行物理耦合，可以提高系统的换热性能，优化高热密度建筑空调系统的能源配置。为此，本项目设计了板式和壳管式两种相变模块的储能空调系统，通过实验和模拟研究了相变储能空调系统在多种运行工况下的换热特性，揭示了相变储能空调系统在基站或数据中心的运行规律。. 对于板式相变储能空调系统，研究了机组的运行特性，结果表明，板式相变储能空调可直接替代传统空调，该系统在蓄冷的同时可实现房间的冷却降温，此外利用室外空气作为蓄冷源有利于提高相变储能空调系统的能效。在此基础之上，数值研究了夏季期间相变储能空调系统的室内环境降温及节能效果，相对于传统空调系统，相变储能空调系统可以降低供冷运行能耗，当相变温度较高时，夜间室内温度出现急剧下降的时间越早，当室内设定温度越高时，因围护结构和相变材料的冷量贡献越大，相变储能空调系统的节能效果越为显著。. 对于壳管式相变储能空调系统，通过实验研究了机组在不同运行模式下的换热特征，探究了壳管式相变储能模块对数据中心服务器散热性能的影响，结果表明相变储能模块可以有效延长热管空调系统的放冷时间，提高系统的冷却效率。在此基础之上，进一步模拟分析了相变材料热物性参数变化对系统性能影响。相变材料的导热系数对放冷工况下放冷量和服务器的散热量影响最大，其次是相变温度和相变潜热。同时，根据正交试验设计方法对壳管式相变储能模块的结构参数敏感性进行了分析，由试验结果的方差分析可知，内管管道数对放冷速率有非常显著的影响，偏心距离与外圆半径之比有显著的影响，而内管管壁厚度和角度比没有显著影响。. 本项目所设计的相变储能空调系统，对于高热密度建筑节能及空调系统安全性能提升具有重要的理论价值和实践意义。