空調系統潛能存儲和熱經濟性優化的全新解決方法

住宅和商業建筑的空調系統對電能的需求非常高，這促使科研人員更加關注可再生能源在空調系統中的應用。當能源需求和供應不一致時，儲能系統對平衡供需是有必要的。已有的研究表明，潛熱能存儲（LTES）技術會在夜間節省制冷能耗并存儲冷負荷用于白天冷卻是一種有用的方法。近年來，化石能源資源的局限性和他們對環境造成的污染使人們越來越重視對可再生能源的利用。潛熱能儲存器（LTES）可用于能量轉換系統，比如空調或熱泵，并能克服這些系統所需能量的供應波動。作為LTES系統使用的相變材料（PCM），該材料具有近乎恒定溫度下的熱充/放熱以及高能量存儲密度等優點，這吸引了很多研究人員的關注。

自由冷卻系統可以在夜間存儲冷量并在白天釋放冷量以減少空調系統冷負荷。這種系統的優勢主要是減少室溫波動幅度。如圖顯示了與LTES集成的自然冷卻空調系統的示意圖。相變材料（PCM）通過室外空氣的低溫固化散熱，并在白天融化過程中吸熱以達到冷卻目的。

本文的研究引入了一種簡化的新半解析解決方案，以研究由多個平行相變材料PCM板組成的LTES系統的熱交換性能。在改進焓計算方法的基礎上，應用二維數值模型的計算結果驗證了所提出的方法，并獲得了滿意的結果。該方法是將相似度法與節能規律相結合而開發的。它可以計算傳熱流體（HTF）溫度分布，固液界面（SLI）位置和相變材料（PCM）溫度分布的方程式。使用這些方程式，可在工程方程求解器（EES）軟件中對帶有相變材料（PCM）板LTES的自然冷卻空調系統進行建模。使用此方法有助于同時求解方程式，從而可以使用幾種類型的相變材料（PCM）在系統出口處針對某些特定條件實現最佳換熱性能。本文比較了三種具有相同熔點溫度的相變材料（RT27，S27和PureTemp27）的整體系統的熱力學和經濟性能。

本文的計算結果可以得出以下結論：

（1）本文的計算方法優于通常的數值求解算法，本文所采納的方法優點是：簡單，準確性好，更快的處理速度以及時間和大小步長的獨立性。

（2）本文的數值方法求解的傳熱流通（HTF）溫度，PCM溫度，界面位置和整個熔化時間幾乎相同。

（3）LTES空氣溫度差的增加可以提高性能系數COP和能源效率，同時也使系統單位成本增加。

（4）在特定的出風口溫度條件下，可降低系統的單位成本。

（5）使用S27作為相變材料PCM，可實現系統總投資成本和LTES尺寸最優化。

（6）使用PureTemp 27作為相變材料PCM，可獲得最高的能源效率和性能系數COP，以及最低的總產品單價。

整合潛熱能存儲（LTES）技術的空調系統示意圖