论文总字数：22619字

摘 要

在我国不断加快的城市化进程中，建筑物能耗呈逐年递增趋势，建筑物能耗在我国社会能源消费总量的比例目前占到了30%左右。随着空调在室内建筑中的应用日益增多，其能耗逐渐成为建筑物能耗的一个主要组成部分。根据资料统计，我国空调能耗占到建筑物总能耗的40~60%。经过多年的研究发展，以提高空调制冷设备的制冷效率或者提高其对自然冷源的利用率为主要发展方向的传统空调节能技术已经把很难在实际应用中取得突破性进展。

近年来相关研究表明在传统空调系统的基础上应用相变储能技术具有很大的节能潜力，而且能够延长空调的使用寿命。相变储能技术是一种在解决供能系统供需双方在时间利用上的不匹配问题方面具有很大发展潜力的技术。

本文所研究的空调系统可以根据室内外温度条件实现新风制冷、常规制冷、新风蓄冷、制冷蓄冷和回风这五种运行模式。文章首先采用建筑室内热环境模拟软件DeST建立武汉某典型通信基站的模型，通过修改软件中模型的通风参数来模拟分析通风次数对基站室内温度的影响，最后确定基站室内最合适的每小时通风量，得到了在该通信基站应用通风冷却技术可以减少的空调运行时间，分析了通风冷却技术的节能潜力。通过对应用于通信基站的一种相变储能空调系统进行全年模拟运行策略控制，并参考相关文献大致得出了相变储能技术实现用电量“移峰填谷”的实际效果。最后，在通信基站中对综合使用相变储能技术和通风冷却技术的空调系统和常规空调系统进行能耗对比分析，以经济性的形式大致表现出了武汉某典型通信基站相变储能空调系统的节能效果。

关键词：相变储能；空调系统；通风冷却；DeST；能耗分析

I

Abstract

Building energy consumption is increasing year by year in the process of accelerating urbanization in China. In China's total social energy consumption, building energy consumption currently accounts for about 30%. With the increasing use of air conditioners in indoor buildings, their energy consumption has gradually become a major component of building energy consumption. According to statistics, China's air-conditioning consume 40 ~ 60% of the building's total energy. After years of research and development, traditional air-conditioning energy-saving technologies whose main development direction is to improve the refrigeration efficiency of air-conditioning refrigeration equipment or increase the utilization rate of natural cooling sources have made it difficult to achieve breakthrough progress in practical applications.

Recent studies have shown that traditional air conditioning system apply phase-change energy storage technology has great potential for energy saving and can prolong the service life of air-conditioning. Phase-change energy storage technology has great potential to properly adjust the time utilization between supply and demand of energy supply system.

According to the indoor and outdoor temperature conditions, the air-conditioning system studied in this paper can realize five operating modes: fresh air cooling, conventional cooling, fresh air cold storage, refrigeration cold storage and return air.

This paper uses the building indoor thermal environment simulation software DeST established a typical model of communication base station in Wuhan. By modifying the ventilation parameters of the software model to analyze ventilation number’influence to the base station indoor temperature and finally select the most appropriate ventilation rate per hour. Ventilation cooling technology used in the communication base station can reduce the air-conditioning’s work time. The energy saving potential of this technology also analyzed in this paper. By carrying out annual simulation operation control strategy in phase-change energy storage air conditioning system and referring to some relevant literatures, the paper obtains actual effect in "peak shifting and valley filling" of electricity consumption. Finally, the paper compares the energy consumption of the air-conditioning system and the conventional air-conditioning system using phase change energy storage technology and ventilation cooling technology in the communication base station, showing the energy saving effect of a typical phase-change energy storage air-conditioning system in Wuhan in the form of economy.

Key words: Phase Change Energy Storage；Air Conditioning System；Ventilation and cooling; DeST；Energy consumption analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 相变储能技术机理研究 1

1.2.2 相变储能技术在空调领域的应用现状 2

1.3 论文结构 2

1.4 本章小结 3

第二章 相变储能技术机理研究 4

2.1 引言 4

2.2 相变传热理论 4

2.2.1 相变储能的基本原理 4

2.2.2 相变储能系统的基本要求及特点 5

2.3 相变储能材料 6

2.3.1 相变储能材料的分类 6

2.3.2 相变储能材料的选取原则 8

2.3.3 相变储能材料的研究方向 8

2.4 本章小结 9

第三章 通信基站用相变储能空调系统原理及运行模式 10

3.1 引言 10

3.2基站概述 10

3.3 基站空调系统介绍 11

3.4 相变储能空调常见工作模式 12

3.4 本章小结 13

第四章 相变储能系统节能效果分析 14

4.1 引言 14

4.2 典型通信基站负荷特性 14

4.3 通信基站通风冷却技术节能效果分析 16

4.4 通信基站相变冷却技术的节能效果分析 17

4.5 相变储能空调系统全年运行节能效果分析 21

4.6 本章小结 21

第五章 结论与展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

城市的快速发展伴随着建筑物的不断增长，随之而来的是各种建筑物配套设施能耗的增加，建筑物能耗逐渐成为城市能源消耗的主要部分。建筑物能耗在我国社会能源消费总量的比例目前占到了30%左右。建筑物能耗较高的主要原因是空调系统的能耗高。根据资料统计，我国空调能耗占建筑物总能耗 40~60%^[1] 对于传统空调节能技术，主要从提高制冷设备制冷效率方面入手，但这种技术经过多年研究发展已经难以取得突破性进展。空调蓄冷技术作为一种发展绿色低能耗空调系统的新型技术，对比研究其应用于空调系统的节能效果就具有一定的现实意义。

在空调系统中应用相变储能技术，该技术利用夜间低价电或者空调系统制冷余量蓄冷，将冷量以固态相变材料的形式存储起来；在白天电价较高且建筑物室内能耗较高时作为空调制冷设备的辅助制冷技术来提供制冷量。该项技术可以通过降低空调制冷设备的连续运作时间来延长空调系统的使用寿命并降低建筑物能耗。因此，相变储能技术在解决能量供求双方在工作时间上不能合理匹配的矛盾，提高能源利用率，降低系统运行成本等方面具有重要研究意义，近年来成为各国学者竞相研究的热点，被广泛应用于维护结构、通风、空调、供暖等建筑领域。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 相变储能技术机理研究

对于相变传热理论问题方面的研究，国外起步是要早于国内，但考虑到相变过程中传热的复杂性，相变传热理论研究进展比较缓慢。1990年，Cao等^[2]提出解决相变传热问题的新型数值解法，该方法可以对强制对流和自然对流过程中存在相变的传热问题进行求解。特别是当物质两相导热系数和热容量相差较大时，这种数值求解方法仍然具有一定的准确性。同年，Voller等^[3]为了提高相变传热问题数值计算的计算速度，将有限差分法应用于相变传热问题的数值计算过程，通过实际计算验证分析发现这种方法所用时间仅仅是用普通焓法计算求解相同相变传热问题所用时间的1/10~2/3。随后，Voller等^[4]通过不断的实验计算论证分析，得到了一种综合有限元法和有限差分法对相变传热问题进行数值求解的新方法，该方法求解得到的结果更加接近实际，具有更高的准确性。1991年，Hasan^[5]对相变传热问题进行理想简化，假定相变过程中材料温度保持恒定而且导热这一种热传递过程，在一维坐标系中大致计算出相变过程中的换热量和物体中发生相变的界面位置。2003年，Lamberg等^[6]利用在物体表面加装翅片来提高物体的传热系数，并提出了可以更加精确计算出固液相变分界面的位置和温度分度的二维相变传热数值求解简化模型。

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