Numerical Study of Thermal Performance of Phase Change Material Energy Storage Floor in Solar Water Heating System

The conventional solar heating floor system contains a big water tank to store energy in the day time for heating at night,which takes much building space and is very heavy.In order to reduce the water tank volume even to cancel the tank,a novel structure of integrated water pipe floor heating system using shape-stabilized phase change materials(SSPCM)for thermal energy storage was developed.A numerical model was developed to analyze the performance of SSPCM floor heating system under the intermittent heating condition,which was verified by our experimental data.The thermal performance of the heating system and the effects of various factors on it were analyzed numerically.The factors including phase transition temperature,heat of fusion,thermal conductivity of SSPCM and thermal conductivity of the decoration material were analyzed.The results show that tm and kd are the most import influencing factors on the thermal performance of SSPCM floor heating system,since they determine the heat source temperature and thermal resistance between SSPCM plates and indoor air,respectively.Hm should be large to store enough thermal energy in the day time for nighttimes heating.The effects of kp can be ignored in this system.The SSPCM floor heating system has potential of making use of the daytime solar energy for heating at night efficiently in various climates when its structure is properly designed.

Operating performance of novel reverse-cycle defrosting method based on thermal energy storage for air source heat pump

To solve the fundamental problem of insufficient heat available during defrosting while ensuring the efficient and safe system operation for air-source heat pumps (ASHPs). A novel reverse-cycle defrosting (NRCD) method based on thermal energy storage to eliminate frost off the outdoor coil surface was developed. Comparative experiments using both the stand reverse cycle defrosting (SRCD) method and the NRCD method were carried out on an experimental ASHP unit with a nominal 2.5 kW heating capacity. The results indicate that during defrosting operation, using the NRCD method improves discharge and suction pressures by 0.24 MPa and 0.19 MPa, respectively, shortens defrosting duration by 60%, and reduces the defrosting energy consumption by 48.1% in the experimental environment, compared with those by the use of SRCD method. Therefore, using the NRCD method can shorten the defrosting duration, improve the indoor thermal comfort, and reduce the defrosting energy consumption in defrosting.

Numerical Analysis of Phase Change and Container Materials for Thermal Energy Storage in the Storage Tank of Solar Water Heating System

This study evaluates the effectiveness of phase change materials(PCMs) inside a storage tank of warm water for solar water heating(SWH) system through the theoretical simulation based on the experimental model of S.Canbazoglu et al.The model is explained by five fundamental equations for the calculation of various parameters like the effectiveness of PCMs,the mass of hot water,total heat content,and duration of charging.This study simulated eleven PCMs to analyze their effectiveness like Sodium hydrogen phosphate dodecahydrate(SHPD),OM 37,N-Eicosane(NE),Lauric acid(LA),Paraffin wax(PW),OM 48,Paraffin wax C_(20-33)(PW-C20-33),Sodium acetate trihydrate(SAT),Palmitic acid(PA),Myristic acid(MA),and Stearic acid(SA).Among all PCMs,the SHPD has found the highest value of effectiveness factor of 3.27.So,it is the most recommended PCM for the storage tank of the SWH system.The study also includes the melt fraction analysis of all enumerated PCMs corresponding to container materials of stainless steel,glass,aluminum mixed,tin,aluminum,and copper.This melt fraction analysis is performed by making a coding program in the FORTRAN programming language.Through the analysis,copper container material is found to have high melting rate for all PCMs so it is superior to other container materials.

Experimental research and numerical simulation of the thermal performance of a tube-fin cold energy storage unit using water/modified expanded graphite as the phase change material

In this study,experimental and numerical investigations were conducted on a tube-fin heat-exchanger latent-heat cold energy storage unit.The fin side of the heat exchanger was filled with water as the energy storage medium,and modified expanded graphite(MEG)was employed to improve the thermal characteristics of water.The water contact angle of the expanded graphite decreased from 106.31°to 0°,and the hydrophilicity and the absorption rate of water significantly improved after the modification.Moreover,the experimental analyses of the charge/discharge process showed that the cooling capacity of the system filled with 90 wt.%water/MEG was 80.8%of that of pure water,whereas its cooling time was only 69.7%of that of pure water.The average power increased by 15.9%compared with that of water.The system filled with 90 wt.%water/MEG completed two energy charging and discharging cycles,whereas the system filled with water completed only 1.5 cycles within 15000 s.Furthermore,the effects of the flow rate and inlet temperature of the heat transfer fluid on the charging process were explored.Finally,a numerical model was built and validated to investigate the phase change behavior and the effect of the structure size on the performance of the system.The heat-exchanger fin spacing had no significant effect on the cold energy storage unit,whereas the vertical spacing of the tube pass had the highest effect.It can be concluded that the heat exchanger combined with high-thermal-conductivity water/MEG exhibits better energy storage capacity and working power,showing a wide application prospect in the field of cold energy storage.

隧道热害环境下电力机车蓄冷式冷却塔散热性能研究

针对西部某铁路所处的高原隧道热害环境,提出一种电力机车蓄冷式冷却塔结构及其运行方案,通过对蓄冷及释冷过程进行仿真,分析换热器的冷却性能并对其结构进行优化。研究结果表明:当换热器蓄冷运行时,相对于壳体两侧无翅片结构,采用壳体空气侧加翅片和壳体双侧加翅片,相变蓄冷时间从113 min分别缩短至80 min和47 min;当换热器释冷运行时,乙二醇水溶液经相变蓄冷换热器冷却,传热管道添加间距为8 mm的翅片,有效冷却时间(冷却介质出口温度低于55℃)从无翅片结构的1.5 min延长至16 min,超过设计要求的14 min,有效解决了机车冷却塔的散热难题。

寒区相变蓄热墙体多因素热特性研究

在墙体中应用相变材料可以显著改善墙体的保温蓄热能力,但相变材料厚度和墙体构造的选择尚需科学论证。基于寒区气象特点,选择适用于寒区建筑外墙的相变储能材料,从墙体的传热特性角度出发,通过建立不同相变材料层厚度和多种构造的相变墙体模型,研究多种情况相变墙体的热特性。结果表明,相变墙体在冬季的保温蓄热能力受相变材料层位置和厚度影响,夏季效果主要受相变材料厚度影响;相变材料厚度为40 mm的中间型相变墙体和相变材料厚度为60 mm的内侧型相变墙体比较适合寒区建筑应用。研究所得结论可为寒区相变墙体的结构设计优化提供参考。

水-冰相变凝固换热与热泵耦合供热系统实验研究

针对河北山区农村水源不足、地源钻井成本高、太阳能不稳定、造价高、没有合适的热泵低温热源等问题,研发了水-冰相变换热器;利用水的相变潜热作为热泵的低温热源,设计了水-冰相变凝固换热与热泵耦合供热系统,搭建了实验平台,经测试平台运行稳定可靠。通过对实验数据进行分析计算,得到系统性能系数在2.87~3.42之间。研究结果可为解决河北山区农村供暖问题提供参考。

太阳能空气源热泵耦合相变蓄热器供热系统模拟研究

目的为提高可再生能源利用率,研究太阳能空气源热泵耦合相变蓄热器供热系统实际性能,建立适合夏热冬冷地区民用住宅的节能供热系统。方法利用TRNSYS软件建立太阳能空气源热泵耦合相变蓄热器供热系统模型,并与太阳能空气源热泵供热系统进行对比分析,对两个系统从制热量、耗电量、能效比以及室内人体热舒适度四个方面进行模拟分析,使用PMV-PPD评价方法对两个系统的室内热舒适度进行评价。结果耦合相变蓄热器的供热系统耗电量低于无相变供热系统,节能率提高了13.29%;耦合相变蓄热器的供热系统平均能效比为3.5,太阳能空气源热泵供热系统的平均能效比为3.32,提高了5.14%;耦合供热系统可以为人体提供I级室内热环境水平的热舒适度,无相变供热系统只能为人体提供II级。结论太阳能空气源热泵耦合相变蓄热器供热系统节能性更好,系统能效更高,提高了可再生能源利用率,并且耦合供热系统在热舒适性方面优于无相变供热系统。

相变储热技术在空气源热泵供暖中的应用研究现状

空气源热泵技术因具有节能、环保、高效等优点,在我国建筑供暖领域得到了广泛应用。文章分析了空气源热泵系统在供暖过程中存在的问题,介绍了利用相变储热技术优化空气源热泵运行性能的基本方式及原理。通过分析相变材料自身热物性以及相变储热单元在系统中的应用,从材料及系统两方面简述了相变储热技术在空气源热泵供暖中的研究现状及进展。最后,得出结论并针对相变储热技术在空气源热泵供暖中的应用难点,对未来发展进行了展望。

级联型潜热储存耦合热泵系统性能研究

为提高太阳能利用率和热泵热力学性能,将真空管集热器、热泵和填充床等结合,提出一种级联型潜热储存耦合热泵系统用于建筑供热。针对太阳能集热及室外温度等条件,将太阳能蓄热和室外空气作为热泵的热源进行系统集成设计。在FLUENT和EES中分别建立填充床和热泵的热力学模型,并分析填充床的换热流体流量、放热温度和用户回水温度对系统热力性能的影响。结果表明,填充床流体流量从0.05 kg/s增至0.07 kg/s时,热泵系统整体平均性能指数下降0.16;填充床作为热源的放热温度升高20℃时,填充床供热增加74269 kJ,有效放热率下降21.9%;当用户回水温度升高10℃时,热泵系统整体平均性能指数下降0.19,有效放热率下降16.2%。

相变储能技术及其交能融合应用

相变储能技术是推动“双碳”目标深入实施的关键技术之一。随着交通与能源融合发展的不断推进,相变储能技术在交通领域中的应用日益广泛,也受到了越来越多的研究者的关注。本文对相变储能技术进行了系统分类,包括相变储热技术和相变储冷技术;分别介绍了相变储热材料及其优化技术和相变储冷材料及其优化技术,包括增大热导率、降低过冷度、抑制相分离、调控相变温度;总结了相变储能技术在冷链运输、电动车以及航空航天领域中的综合应用与创新,包括相变材料在冷藏车围护结构、储冷板、制冷机组、电池热管理系统、供冷/热系统以及深空探测热管理系统中的应用。最后对相变储能技术在交通领域实际应用中所面临的问题进行了较为全面总结和分析;指出研制高性能的相变材料、开发密封性好的封装材料、优化相变储能系统的储能效率是今后本领域研究者需要关注的重点。

甘露醇复合相变蓄冷材料的制备及性能研究

为满足南美白对虾微冻贮藏保鲜温度的要求,研制了一种低温复合相变蓄冷材料,该材料以甘露醇水溶液为主储能剂,以氯化钾水溶液为降温剂,以高吸水树脂为增稠剂。测试复合相变蓄冷材料的相变温度、相变潜热、导热性能、腐蚀性和热循环稳定性,确定最终配比。结果显示:当甘露醇质量分数为3%,氯化钾质量分数为2%,高吸水树脂质量分数为1.8%,复合相变蓄冷材料的相变温度为-5.5℃,相变潜热为295.7 J/g,无过冷度,导热系数为5.065 W/(m.K)。对铜片和铝片基本无腐蚀,50次循环实验表明复合材料稳定性好。

基于分时电价的热泵供热系统相变储热应用研究

中国提出“双碳”战略,推进可再生能源利用和供热电气化,降低电供热成本已成为迫切需求。本文提出了一种新型含相变储热的热泵供热系统。供热系统利用富余的可再生能源发电量或谷电储热,在可再生能源间歇期或峰电时段放热,实现热电解耦、削峰填谷,提高系统经济性。基于相变储热装置使用的灵活性,控制策略可根据可再生能源发电特性或分时电价时段动态调整。本研究测试以谷电为主要驱动能源的系统运行特性,分析不同储热时间和储热容量对系统经济性的影响,在青海高海拔地区进行供热实验。结果表明,含相变储热的热泵供热系统比热泵直接供热耗电量成本降低5.28%;储能容量为75 kWh时,通过调节控制策略改变储热时间可使系统能耗和运行成本分别降低5.69%、13.5%;增加储能容量至150 kWh可调节峰谷电用量,谷电占比最高可达84.52%,运行成本可再降低10.04%。含相变储热的热泵供热系统具有良好的经济效益,合理利用其热电解耦特性可助力可再生能源消纳和电网稳定运行。

泵驱动的制冷剂相变冷板冷却系统实验研究

元器件的小型化和性能的提升使电子器件功率不断提高,优越的散热性能对于保证电子器件的可靠性具有重要意义。本文搭建了泵驱动的制冷剂相变冷板冷却实验系统,设计加工了4块不同材质(铜、铝)和流道高度(10、15 mm)的相变冷板,对散热功率为200~1000 W、热流密度为4.4~22.2 W/cm^(2)的集中热源在制冷能力为3~11 kW和不同热源位置时的冷板换热性能、阻力特性及泵功耗进行了研究。结果表明:相变冷板换热性能优越,在应对散热量为1 kW、热流密度为22.2 W/cm^(2)的集中热源时,传热系数最高可达26 kW/(m^(2)·℃),在系统总阻力小于20 kPa、制冷剂泵功耗小于20 W时可以实现模拟热源表面与制冷剂温差小于15℃,可以利用天然冷源进行散热,实现节能;相变冷板的换热特性可由翅片效率计算式和Kandlikar传热关联式进行描述,使用理论公式计算出的冷板温差与实际值偏差小于1℃,可以指导冷板流道设计。

间歇运行下地埋管周围土壤热湿特性实验研究

搭建地源热泵地埋管周围土壤热湿传递的试验台,对初始含水率、防水层、保温层以及相变回填材料等因素对土壤热量和水分传递的影响进行探究。沙箱实验结果表明:竖直埋管的热量会引起周围土壤的温度传递和水分迁移,土壤初始含水率的提高有利于温度恢复和地埋管换热,系统运行期间的温度峰值随初始含水率的增加而降低,防水层、保温层和相变回填材料也会对温度峰值和温度恢复产生影响。温度梯度和水力梯度是引起水分迁移的主要因素,在15%初始含水率时,温度梯度占据主导,驱动水分沿径向向远处扩散;在25%初始含水率时,水力梯度占据主导,水分沿深度向下渗透。

太阳能PV/T+相变能与直蒸式水源热泵供热(冷)系统特性分析

为解决河北农村建筑清洁供暖问题和太阳能利用具有不稳定性问题,设计了太阳能PV/T+相变能与直蒸式水源热泵供热(冷)系统进行实验研究。实验结果表明,冬季典型日系统发电量为4.453kWh,制热系数COP平均值3.41;夏季典型日系统发电量为5.945kWh,制冷系数EER平均值3.2;将发电量用于系统运行,制热系数COP为4.22,制冷系数EER为4.19,分别提高了23.75%和30.12%;夏季单纯PV/T太阳能电池发电量5.537kWh,本系统的发电量提高了7.37%。该系统经济效益高,运行稳定,是一种实现河北农村清洁供暖有效途径。

夏热冬冷地区空调冷热源配置的多目标优化

为实现“双碳”背景下清零建筑直接碳排放的目标,夏热冬冷地区建筑空调冷热源越来越多地采用空气源热泵加水冷式冷水机组的复合架构。其中,空气源热泵冬季供热,夏季与水冷式机组共同供冷。由于空气源热泵供冷能效较低,提高水冷式机组容量配置,尽可能使之分担更多的冷负荷,有利于降低系统供冷能耗,但系统投资也将随之上升。因此,有必要研究复合架构下空调冷热源配置的综合优化方法。利用层次分析法,计算空调冷热源系统的节能性、环保性、经济性、节材性等不同目标维度的权重,建立空调冷热源的综合优化目标函数。设计空调冷热源配置的优化流程,并以上海某办公建筑为例进行分析。结果表明,随着水冷机组容量的增加,空调冷热源系统的全年能耗降低,耗材生产能耗、折算年费上升,而碳排放呈先降后升的规律。多目标优化方法可以更好地实现各项指标之间的平衡,为相关研究及实际项目决策提供参考。

相变蓄热型空气源热泵系统与太阳能互补供暖系统的优化研究

结合相变蓄热型空气源热泵与太阳能供暖,可在充分利用太阳能资源的同时,提升系统供热能力。为保障供热效率,提供高质量的能量资源,针对相变蓄热型空气源热泵系统与太阳能互补供暖系统的优化展开研究。根据相变蓄热型空气源热泵的热转化模式及热能转化效率,分析供热系统的热力作用效果,在此基础上,对太阳能供暖系统的供热性能进行深入研究。结合上述两者的应用优势,分别从优化相变材料配置、提升太阳能集热器效率、优化系统控制策略、改进热能传输与利用等多个方面着手,定义具体的供暖系统优化设计方案。

跨季节土壤蓄冷-土壤源热泵系统长期运行特性实验研究

为解决土壤源热泵在长期运行条件下土壤热失衡导致的运行效率下降问题,针对夏热冬冷地区的特点,提出一种利用室外风机盘管将冬季或过渡季室外空气中的冷量存储于土壤中的跨季节蓄冷-土壤源热泵系统。利用地埋管换热系统的相似模型实验台,进行了系统运行3年的供冷、供暖、蓄冷工况实验,综合分析了埋管进出口水温、气温、土壤温度、土壤及埋管换热量、单位埋深换热量等参数,研究系统的长期运行特性。研究显示:3年的土壤平均温度分别上升0.14℃、0.22℃、0.20℃,总体来说升高幅度较小;蓄冷时的室外气温越低、土壤与室外空气的温差越大,蓄冷效果越好;埋管进出口平均温差、土壤平均温度变化、土壤换热量、埋管换热量、单位埋深换热量的大小关系一致。研究结果表明,跨季节蓄冷维持了土壤的长期热平衡,系统的长期运行效果较好。

基于专利文献计量的热泵相变蓄热除霜技术发展态势研究

结霜问题制约了空气源热泵的应用与发展。基于专利文献计量,以热泵领域节能性能良好的相变蓄热除霜技术作为主题,系统梳理了2001—2022年间全球专利申请情况,分析了申请趋势、申请人分布、申请人国别、外国申请人在中国申请情况、技术功效、技术演进情况。格力、美的、松下电器为主要申请人。该领域主要包含蓄热装置内单制冷剂管路、蓄热装置内多制冷剂管路、蓄热装置回收压缩机余热、蓄热装置回收太阳能及蓄热装置结构设计5个技术分支。为了保障室内舒适性,技术研发集中在实现热泵化霜时制热。对于蓄热装置回收压缩机余热技术,可以在相变材料、技术效果等方面与松下电器区分。