相变蓄热墙耦合太阳能热源蓄换热机理及辐射供暖特性研究

Phase change material (PCM) used in the building envelope can enhance the thermal storage capacity of building envelope. The radiant heating system with solar thermal energy coupling PCM wall can enhance indoor thermal comfort and decrease the energy consumption. The theories of PCM wall coupling solar energy radiation heating system, such as optimizing configuration theory, comprehensive theoretical system and reasonable operation mechanism have not been systematic studied. Based on developing the theoretical system of multiple energy sources coupling system for PCM building envelope, this study will research a system of PCM building wall coupling solar energy facility with security, reliability and operability; the mathematical model of heat storage and transfer for PCM wall coupling solar energy radiation heating system and heat transfer model of applied room will be created, and the influence of phase change parameters, structural parameters of PCM wall and operating parameters of coupling system to the heat storage-release property of PCM wall and thermal performance of test room also will be analyzed by studying heat transfer in phase changing process with experimental and numerical method; To solve the matching problem between the solar absorption and application, and explore the coordination mechanism for the system capability matching building load, the optimal operation theory will be studied in the basis of heat charge and discharge characteristic of PCM building envelop.

相变蓄热围护结构技术可以提高围护结构的蓄热能力，而采集太阳能热量作为热源，耦合相变墙体进行辐射供暖，可以达到提高室内热舒适和降低能源消耗的目的。太阳能作为热源利用相变墙体蓄热调节进行辐射供暖的结构优化配置、综合理论体系以及合理运行机制方面还没有得到系统的研究。本课题从建立基于相变蓄热围护结构的复合能源耦合系统的理论体系出发，研究具有安全可靠可操作性的相变材料与建筑墙体结合再与太阳能热源系统耦合的方式；建立相变墙体耦合太阳能热源系统的蓄放热数理模型及房间的传热模型，采用实验与数值模拟的方法，研究相变传热过程，分析相变参数、相变墙体结构参数及耦合系统运行参数等对墙体蓄放热性能和房间热性能的影响；基于相变围护结构蓄放热特性，确定系统的最优运行体系，解决太阳能采集与利用的匹配性问题，探索系统能力与建筑用能负荷之间的协调机制。

将相变材料与建筑墙体结合可提高墙体的蓄热能力和降低室内温度波动。采集太阳能热量用于冬季建筑供暖可减轻对化石燃料的依赖，但是太阳能的热利用存在着供需双方时间不匹配的难题。通过将太阳能热量传入相变墙体的方法将二者耦合应用，可有效解决太阳能热应用的非连续性难点。本项目研究了以太阳能为热源并利用相变墙体蓄放热供暖的复合能源耦合系统，以及针对该系统的结构优化配置方法、综合理论体系和运行策略。首先，利用自主研发的真空加热滚筒装置，研发了可大规模加工相变颗粒的新型工艺流程，研制了相变蓄热板材，并形成相变复合蓄热墙体；其次，建立了相变墙体耦合太阳能热源的系统传热模型，验证了该模型的精确性，分析了复合相变墙体的蓄放热过程、相变参数及结构参数等因素对相变蓄热量、延迟性、熔化率等蓄热效果的影响；最后，研究了以太阳能为热源的相变蓄热墙体蓄放热特性，探索了系统对室内热环境的调节效果，并得出了可量化的节能量。通过本项目的研究，深化和拓宽了太阳能热利用技术及相变蓄能技术的综合应用，解决了太阳能采集与利用的匹配性问题。