基于太阳能空气式相变蓄热的建筑集成新风系统冬季热利用基础研究

For the building energy conservation in northern China, it is an important strategy to enhance the insulation and air tightness of the building envelope. It is also a trend to promote the use of heat recovery fresh air system in the context of cold / severe cold climate. However, it has a problem of low air temperature and frost in winter. Through the integration of solar energy and phase change energy storage in the system, it is possible to achieve stable fresh air preheating, thereby ensuring the operation of the system. Currently, there is lack of understanding of the system integration and the synchronization characteristics of the phase change heat storage and heat release process. Taking the integrated fresh air system based on phase change thermal storage motivated by solar heated air as the research object, we focus on the boundary feature and optimization of phase change energy storage device of air type, develop its mathematical model and take the method of CFD and experimental tests for aided analysis. We plan to construct integrated system analysis model of phase change energy storage device of air type, solar collector and heat recovery module on the open system platform and its operation condition. The experimental platform will be established accordingly to test its accuracy. Through designing the match of capacity module and modeling the operations with multi groups of parameters under winter conditions, we can get the basic data of integration system and its optimization strategy. Finally, it is able to realize solar air storage and thermal utilization optimization, and improve the effective running time of the fresh air system, providing theoretical support for the improvement of fresh air system in cold regions.

提升围护结构保温与气密性是我国北方建筑节能的重要战略，在严寒/寒冷的气候背景下推广使用热回收新风系统也是大势所趋。然而，这一新风系统存在冬季送风温度偏低与霜冻的问题。通过在新风系统中集成太阳能与相变储能的方法，有望实现稳定的新风预热，进而保障系统运行。现有的相关研究对系统集成以及相变蓄放热过程的同步特性还缺乏了解。本课题以融合了太阳能空气式相变蓄热的热回收新风系统为研究对象，重点关注空气型相变储能装置的边界特征与优化，开发其数学模型并通过CFD方法与实验手段进行辅助分析；在开放的系统平台上构建空气型相变储能装置、太阳能集热器与热回收模块的集成分析系统与运行条件，建立实验平台验证其准确性；通过设计模块容量的匹配，模拟冬季工况下多参数组合的系统运行，得到该集成系统的基础数据与优化策略，最终实现太阳能空气式蓄热优化利用并提高新风系统的有效运行时间，为严寒地区建筑新风系统的改进提供理论支撑。

通过在热回收新风系统中集成太阳能与相变储能的方法，是实现预热节能和稳定运行的重要措施之一。项目设计了蓄热侧和放热侧可以独立运行的空气型相变储能装置，建立了该相变储能装置的简化数学模型用于辅助CFD模拟分析，搭建了双通道空气式相变储能装置的实验台测试其蓄放热及同步对流换热过程。基于实验数据对空气型相变储能装置的数学模型以及求解方法进行了比较分析，发现一维和二维数学模型的计算偏差均在±5%之内，二维模型要好于一维，沿气流方向的空间步长对换热效果的计算偏差有一定的影响。热风的温度及流量在一定范围内的变化对相变材料的熔化速率影响明显，在给定的温度和流量增量条件下，相变过程完成的时间减少率分别为16.9%-51.2%、9.3%-29.1%。在同步对流换热阶段，装置整体液相率提升的速率比较低，新风通入时刻越晚经相变储能装置同步对流换热后出口平均温度越高。在此基础上构建了基于太阳能空气式相变蓄热的集成新风系统的分析模型，进一步的搭建了集成新风系统试验台，测试分析其蓄放热性能，发现蓄热材料在15000s左右便基本完全融化，高流速对换热量的影响比放热初始温差的影响更强，初始温度场带来的差异在短时间内被迅速消除。在与换热流体接触的装置表面层蓄热材料进入潜热放热状态后，装置能稳定地输出温度大致恒定的新风。使用神经网络结合遗传算法对装置结构尺寸及风速进行优化，发现当室外新风温度为-18℃时，5小时内放热效率为69.4%。针对沈阳、长春及哈尔滨三座城市，改进前后新风系统节电率分别为31.7%、33.3% 和 26.5%，蓄热装置供热比分别为34.0%、35.1%和24.4%。通过建立Simulink系统模型从流速控制、开启时间控制、适应度控制进行分析，发现控制优化的总蓄热量下降了8%，放热时间延长了60%，提高了放热率并降低了能耗。项目开发了基于相变储能与太阳能的热回收新风系统性能分析软件，可以在进一步节能的同时延长新风系统安全运行的时间，有助于解决室内空气品质改善与北方采暖建筑节能之间存在矛盾。