【摘 要】
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近年来,随着经济社会建设的大力发展,我国的建筑能耗水平也在逐年上升。空调能耗是建筑能耗的最主要来源,其负荷分布具有周期性和波动性特点。而蓄冷空调技术为协调能源供需匹配提供了解决思路,对实现电力“移峰填谷”、提高电网效率具有重要的意义。相变蓄冷填充床是蓄冷空调系统最核心的储能部件,现有填充床一般以球形封装体为基本储能单元,其比表面积较小,不利于填充床的换热。而红细胞（Red blood cell,R
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近年来,随着经济社会建设的大力发展,我国的建筑能耗水平也在逐年上升。空调能耗是建筑能耗的最主要来源,其负荷分布具有周期性和波动性特点。而蓄冷空调技术为协调能源供需匹配提供了解决思路,对实现电力“移峰填谷”、提高电网效率具有重要的意义。相变蓄冷填充床是蓄冷空调系统最核心的储能部件,现有填充床一般以球形封装体为基本储能单元,其比表面积较小,不利于填充床的换热。而红细胞（Red blood cell,RBC）形封装体由于具有较大的比表面积,为强化填充床的换热能力提供了研究思路。此外,封装单体在填充床内的堆积模式也会对填充床整体的流动传热性能造成直接影响。基于以上问题,本文以提高相变蓄冷填充床的蓄冷性能为宗旨,针对球形和RBC形封装体不同的结构特点,分别对基于两种封装单体的蓄冷填充床的流动传热性能展开了充分的比较分析,并对单体在填充床内的堆积模式进行了深入的探索与优化。具体来说,本文的研究工作主要包括以下几个方面:首先,抽取球形和和RBC形封装体的几何特征参数,分别建立了基于两种封装结构的蓄冷封装单体模型,并结合相关衍生结构,通过数值模拟与实验验证的方法研究了它们内部的相变传热规律,发现RBC形封装体可以从增大换热面积和缩短传热路径两方面强化封装单体的换热能力。经过计算可知,RBC形封装体的比表面积比球形封装体提升了34%,相应的蓄冷时间也节约了51.11%。可以证明,RBC形封装体在单体换热能力上具有明显的优势。其次,基于晶格最密堆积理论,提出了基于球形封装体的两种蓄冷填充床的三维最密堆积模式:面心立方最密堆积（Face-centered cubic,FCC）和六方最密堆积（Hexagonal close packed,HCP）。以二者的简化填充模块为研究对象,运用数值计算的方法,比较了他们与常规的致密层堆积（Aligned dense layer,ADL）填充模块的流动传热性能表现,证实了相对于ADL填充单元,HCP和FCC填充单元的换热性能得到了明显提升,且FCC填充单元的提升效果更佳。但相应,其流动阻力也不可避免有所增加。在此基础上,分别建立了基于三种堆积模式的相变蓄冷填充床的数学模型并进行了瞬态模拟,结果发现,相对于ADL填充床,HCP和FCC填充床的蓄冷时间分别节约了21.69%和29.27%,压降损失分别增加了43.36%和47.55%。此外,相对于ADL,FCC和HCP堆积模式的理论储能密度可以提高22.48%,相应可以节约填充床18.35%的空间体积,更具有市场竞争力。因此,在三种堆积方式中,FCC堆积模式具有更加明显的优势。最后,建立了基于RBC形封装单体的相变蓄冷填充床的数学模型,通过数值模拟的方法对该填充床流动换热机理进行探究,并分析了改变Re和载热流体（Heat transfer fluid,HTF）入口温度对填充床流动换热性能的影响。在此基础上,分别从改变封装体的迎流角θ大小和排列结构入手,对填充床的堆积模式进行优化。结果表明,θ=0°的一维交错排布的填充床具有最高的综合热性能系数JF,其值可达1.25,因而是一种相对理想的堆积方式。
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