太阳能是最为丰富的清洁可再生能源,利用太阳能为建筑供暖,可以减少化石能源的消耗及对环境的污染。特别是要川西、西藏等高寒地区,供暖需求大,太阳能资源丰富,目前太阳能供暖技术存在的诸多问题导致无法有效解决该区域人民的供暖问题,太阳能供暖的技术路线亟待完善。太阳能的不稳定性和供暖需求的稳定性之间存在矛盾,决定了太阳能供暖系统中蓄热装置存在的必要性,特别是太阳能丰富的高寒地区,利用蓄热装置的必要性尤为突出。但传统的水箱蓄热,从蓄热机理上属于显热蓄热方式:蓄热密度低,容积大且热损严重。容积过小可能会在太阳辐射较强时可能出现水的汽化,容积过大蓄热温度又无法满足供暖末端的需求。对蓄热装置而言,无论是蓄热机理还是蓄热匹配,都需要新的探索。与传统的显热蓄热相比,相变蓄热以其单位体积蓄热量大,蓄释热过程中温度变化小等优点逐步为研究者所重视。太阳能相变蓄热供暖属于典型的上下游学科交叉领域,从研究层面看,目前主要集中上游学科对相变材料研发及相变蓄热机理的研究,而关于相变蓄热装置在太阳能供暖系统中合理匹配这一关键问题,下游学科的系统研究存在一定滞后。在系统研究中,相变蓄热装置也更多是以相变蓄热水箱(蓄热介质是水+相变材料)的形式出现,由相变材料承担全蓄热功能(即蓄热介质只有相变材料)的相变蓄热装置的匹配研究相对较少;在工程应用层面,太阳能相变蓄热供暖系统缺乏规范标准的指导,但在社会需求的驱动下,一些工程项目也开始出现,侧面反映出相变蓄热装置合理匹配这一关键问题的重要性和紧迫性。围绕这一关键问题,本文展开了以下研究工作:(1)介绍了太阳能供暖系统的构成及蓄热装置的类型和特点。对太阳能供暖系统内部匹配关系进行了解构,分析其中三个子系统的匹配关系并指出太阳能蓄热系统是蓄热装置匹配的关键。基于蓄热温度和蓄热量两个目标参数,引入TRIZ理论,分析了蓄热装置在适应多种不同气象条件下其蓄热容量面临的物理冲突,并给出了冲突的解决办法:对蓄热装置进行物理分离并提出了蓄热介质变化、物理边界变化和模块化设计三种思路。对相变蓄热装置而言,模块化设计的思路比较适宜,即相变蓄热装置是由多个相变蓄热单元组合而成,使工程设计简单灵活。(2)基于相变蓄热装置模块化的设计思路,对一种内置螺旋形换热器和复合相变材料的高效相变蓄热单元的蓄热特性展开了详细的实验和数值计算研究:基于焓-多孔介质法,利用FLUENT15.0建立了高效相变蓄热单元的考虑了自然对流影响的三维瞬态数值计算模型,通过典型蓄热工况(初始温度20°C,进水温度60°C,进水流量0.25m~3/h)下蓄热单元内部测点温度的数值和实验结果对比,验证了相变蓄热单元数值模型的正确性;通过实验和数值计算,研究了进水流量,进水温度,自然对流和安装位置等因素对相变蓄热单元蓄热性能的影响。结果表明:进水流量对相变蓄热单元的蓄热特性影响不明显。在进水温度为定值(60°C)的情况下,蓄热时间均保持在10000 s左右,增大进水流量(0.25~1.0m~3/h)对换热能力和平均蓄热功率的提升幅度很小,已无工程意义上的提升效果。四个对比工况在数值计算和实验测试下的总蓄热量分别为7200kJ和8000kJ。为此,在保证合理的进水温度条件下,应尽量降低蓄热流量,从而有效降低蓄热能耗;进水温度对相变蓄热单元的蓄热特性影响显著:进水温度越高,换热能力就越强,进出水温差就越大。在进水流量为定值(0.25m~3/h)的情况下,当进水温度由55°C上升至70°C后,总蓄热时间由13000 s降至6000 s,平均蓄热功率由0.55kW提高到1.40kW。提高进水温度会提高平均蓄热功率,但进水温度提高到一定程度后,对平均蓄热功率的提升幅度就会减小。针对该蓄热单元,60~65°C是比较合适的进水温度,为此需要从经济性出发合理选择合适的热源;自然对流作用对相变蓄热单元的熔化有着明显的促进作用:在对蓄热过程进行数值计算时,与仅考虑导热的工况相比,同时考虑导热与自然对流换热的工况在蓄热时间10800s时,相变材料平均温度高出23.7%,平均液相率高出90.9%。在相变蓄热单元的工程应用中应该考虑自然对流的影响;数值计算研究发现,相变蓄热单元在竖直安装比水平安装的熔化效果好,但两者的差距仅体现在蓄热后期且相变材料平均温度差距在5%以内。安装位置对蓄热时间的影响不显著。在实际工程应用中,优先采用竖直安装方式,确系对于安装高度有明确限制的场合,采用水平安装亦可,不会对蓄热过程有明显影响,可以根据工程具体情况进行自由选择。(3)对平板集热器的数学模型和集热系统的设计进行了分析。在集热系统的基础上,对太阳能相变蓄热供暖系统的蓄热匹配进行了研究。分析了传统水箱蓄热中集热器-蓄热装置和集热器-蓄热装置-末端两种匹配模式,发现两种匹配模式中匹配表征参数不能够反应出蓄热装置的蓄热特性,且均未考虑蓄热温度的影响。而只考虑热量数量不考虑热量品位是不合理的,只有在满足了蓄热温度要求的蓄热量才是有效蓄热量。基于对太阳能供暖系统内部耦合匹配关系的分析,提出了相变蓄热装置的集热器-蓄热装置匹配模式及集热因子M,气象因子C和结构因子S三个匹配表征参数,并提出了有效蓄热时间的概念及相变蓄热装置的匹配评价方法。以第2章中的高效相变蓄热单元为例,分析了具有不同集热因子的设计工况(工况1~5)对相变蓄热单元匹配合理性及系统热性能的影响规律。结果表明:在拉萨气象条件下,当相变蓄热单元匹配的集热面积Ac为2m~2,匹配的集热流量分别为0.1m~3/h(工况1),0.2 m~3/h(工况2)和0.3 m~3/h(工况3)时,相变材料的平均液相率,平均温度,太阳能蓄热系统的蓄热效率和蓄热火用效率变化均很小,但集热流量越小,蓄热单元的进出口温度就越高,温差也越大。在有效蓄热时间内,工况1~3相变材料的最大平均液相率均达到0.99,相变材料能够完全熔化。传热流体最高温度分别为65.7°C,62.2°C和59.8°C,均低于当地水的汽化温度,三个工况均合理匹配,但工况1的设计流量最小,最为合理。集热流量在一定范围内对相变蓄热单元的合理匹配及系统热性能影响很小,在保证传热流体不汽化的前提下,应该尽可能减少相变蓄热单元匹配的集热流量以减少水泵的能耗。当相变蓄热单元匹配的集热流量V_f为0.1m~3/h时,匹配的集热面积分别为1m~2(工况4),2m~2(工况1)和3m~2(工况5)时,相变材料的平均液相率,平均温度,太阳能蓄热系统的蓄热效率和蓄热火用效率变化均非常明显。在有效蓄热时间内,工况4相变材料的最大液相率仅为0.5,远未达到完全熔化,匹配不合理。工况5的最大液相率为1,相变材料完全熔化,但传热流体最高温度87.4°C,已经超过了当地水的汽化温度(86°C),无法保证系统的安全运行,匹配不合理。集热面积对相变蓄热单元的合理匹配及系统热性能影响显著,在工程设计中,针对不同的相变蓄热单元型式,存在一个合理匹配的集热面积范围,过小会导致相变材料不能完全熔化,过大又会导致相变蓄热装置进口温度过高,给系统安全运行带来隐患且不经济。(4)利用提出的相变蓄热装置匹配评价方法,对重庆市某太阳能相变蓄热供暖工程进行了方法的应用。通过实验验证了平板集热器-相变蓄热装置耦合换热模型,基于耦合换热模型和提出的匹配评价方法,对该工程的相变蓄热装置进行了匹配评价与分析。结果表明:该工程的蓄热装置设计匹配不合理,相变蓄热容量和集热流量均偏大;相变蓄热单元数量由6个减少为3个,总集热流量由2.28m~3/h降低为0.6m~3/h后,蓄热装置匹配合理。在此情况下,相变蓄热装置初投资可以降低50%,集热水泵的运行能耗可以近似降低98%;因此相变蓄热装置匹配方案的差异会带来系统初投资和运行能耗的巨大差异,应该根据工程项目的实际情况进行精细化和个性化的论证。太阳能相变蓄热供暖是一种非常有潜力的新型供暖技术,相变蓄热装置的高效换热及合理匹配是该技术成功应用的关键。本文对高效相变蓄热单元蓄热特性的研究,对相变蓄热装置匹配方法的研究及对实际工程中相变蓄热装置的匹配评价与分析,可以为太阳能相变蓄热供暖技术的推广应用提供一定的理论和技术支持。