具有蜂窝管束结构的相变蓄冷装置动态特性实验研究

《Journal of Energy Storage》：Experimental study on dynamic characteristics of a phase-change cold storage device with a honeycomb tube bundle structure

　　

摘要

相变蓄冷技术能够有效缓解电网峰谷不平衡问题并促进可再生能源的利用，但其大规模工程应用受到相变材料（PCMs）热导率低以及传统强化传热方法成本高、结构复杂等因素的限制。本研究提出了一种配备蜂窝管束结构的全新相变蓄冷装置。该设计通过非圆形截面协同引入流动扰动，并利用高比表面积实现紧凑高效的热传递。通过一系列全尺寸实验，全面考察了动态热响应特性，重点关注关键运行参数的影响。结果表明，该装置充电效率超过90%，放电效率达到93%。当冷冻水流量从21 m3/h增加到30 m3/h时，平均充电速率提高19.2%，而充电效率下降14.7%，揭示了热性能与运行效率之间显著的权衡关系。显热传递阶段的峰值放电速率为平均值的两倍。基于上述分析，本研究提出了充电过程的冷冻水流量调节准则，将运行工况划分为三个区域：充电速率受限区、协同优化运行区和充电效率退化区。针对放电过程，开发了一种协同动态匹配策略，以协调短期高效放电与长期稳定放电之间的关系。本研究为蜂窝管束在相变蓄冷系统中的工程推广提供了实验和理论支持。

引言

世界气象组织（WMO）报告称，2015年至2024年这十年已成为有记录以来最温暖的时期[1]。全球变暖的趋势直接推动了建筑物空调需求的急剧上升，导致电网峰值负荷创下历史新高，峰谷负荷差持续扩大[2]。这对建筑能源系统提出了更高要求：不仅要确保室内环境质量，还必须具备灵活的调节能力，以提高城市能源系统的韧性。与此同时，能源结构正在发生深刻变革，太阳能和风能等可再生能源在发电中的比例稳步提升。然而，可再生能源固有的间歇性和波动性导致能源供需之间存在显著的时间不匹配，对电网的安全稳定运行构成严峻挑战[3]。

在这一双重背景下，建筑能源系统面临着避免尖峰负荷对电网造成影响并适应供给侧深刻变革的重大挑战。蓄冷空调作为一种灵活的负荷侧调节技术，能够实现负荷转移和削峰[4]，进一步缓解供电压力。该技术还将波动的太阳能和风能转化为稳定的冷量供应，从而提高了可再生能源的消纳能力[5]。因此，开发高效蓄冷技术是保障建筑空调系统可靠运行和提升城市能源韧性的关键技术途径。

近年来相变材料研究的进展大大加速了相变蓄冷技术的发展[6]。该技术利用固液相变过程中吸收或释放的大量潜热，从而实现高效的热能存储和提取。与显热储存和热化学储存相比，相变蓄冷具有以下独特且综合的优势。首先，相变过程在接近等温条件下进行，有利于精确的温控，并有效抑制充放冷过程中不期望的温度波动。其次，单位质量或单位体积的潜热储存密度显著高于水和混凝土等传统显热储存介质，从而推动储存系统的小型化和结构紧凑化[7]、[8]。鉴于这些固有优势，相变储能展现出巨大的跨学科应用潜力。在可再生能源领域，它可以与光热系统和地热隧道的冷/热储存配置无缝耦合[9]，从而缓解风电和太阳能发电中可再生能源供需之间的时间不匹配问题[10]。在建筑领域，它可以集成到建筑围护结构中，以减少与暖通空调（HVAC）系统相关的能耗[11]。在工业场景中，它适用于废热回收过程[12]以及与平板太阳能集热器集成的热储存装置等相关场景[13]。

然而，相变材料热导率低的问题长期限制了相变蓄冷空调技术的发展，导致相变储能装置传热速率低和储能效率不足[14]、[15]、[16]。因此，全球研究人员对相变储能装置传热性能的强化进行了广泛研究，主要聚焦于以下几个方面：

（1）通过换热器结构优化来强化传热性能是主要研究方向之一。现有研究主要涉及两类换热设备。第一类是管式换热器，研究的关键结构参数包括管径和管长[17]、长径比[18]、比表面积[19]以及内径外径比[20]。Liang等人[18]进行了数值研究，确定相变材料换热器的最佳长径比在层流条件下为800，在湍流条件下为600。在这些几何优化条件下，提高相变材料侧的传热系数可使最大充电速率在层流条件下提高三倍，在湍流条件下提高1.5倍，相对于基准设计而言。第二类是板式换热器，关注的设计参数包括纵横比[21]和波纹几何形状[22]。Baris G.[22]报告称，波纹板式换热器的最佳波纹厚度为0.6 mm。在该最佳厚度下，传热速率比传统管式换热器设计高75%。

（2）采用翅片结构增加传热面积并破坏热边界层。常见的翅片形状包括环形翅片[23]、纵向翅片[24]、树形翅片[25]和仿生分形翅片[26]、[27]。在各种翅片构型中，仿生分形翅片表现出卓越的传热强化性能。与传统翅片几何形状相比，使用树形翅片可使充电过程的时间平均总传热系数提高高达55%，放电过程提高70%[27]。此外，在换热器中引入四级树形翅片可使总热效率提高53%[26]。

（3）探索新型流道设计，通过复杂几何构型增强流动扰动并提高传热性能。已开发的流道构型包括波浪形微通道[28]、蛇形通道[29]、多级Y形分形网络[30]、双层拓扑流道[31]以及各种拓扑优化通道[32]、[33]。研究表明，拓扑优化得到的流道构型相比传统矩形通道设计可将传热效率提高10%以上[31]、[32]、[33]。

（4）引入超声波[34]、脉动[35]和机械振动[36]等主动强化技术以增强传热。这些主动强化技术通过对换热系统施加外部能量输入，诱发流场扰动并破坏热边界层，从而显著提高了对流传热系数，提供了主动可控性和显著的热传递强化效果。先前的研究表明，采用这些方法可大致使总传热效率提高一倍[34]。

尽管上述传热强化技术取得了显著效果，但在实际应用中存在某些局限性：（1）翅片结构通常需要额外的材料和加工步骤，增加了换热器的制造成本、重量、接触热阻和故障点[37]。（2）主动强化技术依赖外部能量供应和复杂的能量转换系统，增加了系统复杂性和运行成本[38]。

相比之下，优化储能核心的形状（如矩形管[39]、锥形管[40]、波纹管[41]）及其排列方式（如布局模式、间距和密度），在实现高效传热的同时，还具有重量轻、成本低的优点。Koray ?zdemir等人[42]提供了定量证据，表明螺旋式换热器的材料成本约为传统设计的四倍，重量约为其16倍。更重要的是，流阻的显著增加导致风机功耗增加约44倍。更关键的是，JARI?等人[43]认为，换热器的经济评估必须在全面生命周期视角下进行。因此，长期运行和维护成本——包括清洁、部件更换和故障修复相关成本——预计将显著抵消新型翅片管换热器在服役寿命内相对于初始性能优势所带来的预期收益。

受仿生学启发，过去十年间，蜂窝结构作为一种基于储能核心结构优化的传热强化方案受到了广泛关注[44]。现有研究表明，这些结构不仅能够有效提高传热性能和温度均匀性[45]，还具有显著的空间利用优势[46]。迄今为止，其传热特性已在太阳能集热器[47]、储氢反应器[48]和锂离子电池被动冷却[49]中得到初步探索。在相变传热领域，大多数研究集中于蜂窝结构的几何参数优化[50]、[51]及其作为翅片对单根换热管的强化效果[52]、[53]。然而，关于实际相变蓄冷装置中蜂窝结构整体传热特性的研究仍然稀缺。对其在流量和传热温差等关键运行参数影响下的性能也缺乏系统性理解。这一研究空白限制了蜂窝结构在相变蓄冷空调系统中的集成设计和性能预测，阻碍了其高效传热优势的充分发挥。

蜂窝结构在相变传热方面的研究可分为两大类。第一类是几何参数优化。Duan等人[50]和Razny等人[51]系统研究了壁厚和孔径等几何变量对传热性能的影响，并建立了结构特性与热响应之间的定量联系。第二类是单元级强化。Redoine等人[52]和Nekahi等人[53]将蜂窝结构作为翅片应用于单根换热管，并确认了其提高局部传热的能力。

然而，这些研究存在两个关键局限性。首先，它们大多基于简化的单管或单通道模型，因此无法捕捉在实际管束条件下蜂窝几何结构与多管流动相互作用之间的协同效应。其次，实验条件大多局限于稳定流动或固定温差设置，对流量和入口温度等运行参数变化下的动态热行为探索不足。

为填补这些空白，本研究提出了一种将蜂窝管束作为核心储存单元的相变蓄冷装置结构设计。通过全尺寸实验评估了所提出系统的瞬态充放冷性能，重点关注流量和入口温度对系统整体行为的影响。

本研究的创新之处有三：（1）在组件尺度上，首次将蜂窝结构整合到完整的管束构型中，从而能够评估储存装置的全局热性能，而非孤立管或单元格的性能。（2）在机理层面，系统分析了流体流量和入口温度——即等效驱动温差——对充放冷过程的耦合影响，解决了当前对蜂窝增强系统非设计动态特性理解不足的问题。（3）从应用角度看，本研究面向相变蓄冷空调系统，研究结果为蜂窝结构换热器的集成设计和运行参数优化提供了可操作的工程见解。

总体而言，本研究旨在弥合蜂窝结构从单元级强化到装置级集成的差距，并为实际相变蓄冷应用中的性能预测和设计优化提供坚实基础。

章节摘要

蜂窝管束强化传热的理论基础

目前，大多数采用蜂窝结构的传热设备采用紧凑布局。

尽管此类布置充分利用了设备有限的内部空间，但导致流体与换热管壁之间的有效接触面积不足，从而限制了整体换热效率。为解决这一局限性，本研究提出了一种新型结构设计方案，即配备蜂窝管束的相变蓄冷设备，将其作为冷源的核心结构。

**实验方法**

本研究旨在验证蜂窝管束结构在强化换热和紧凑化布局设计方面的技术优势，并揭示流量和温度等运行参数对相变蓄冷设备整体性能的影响。为此，设计并搭建了一套全尺寸实验测试平台，以开展系统性的实验研究。

**动态蓄冷特性**

选取一个典型测试工况来探究所提出的相变蓄冷设备的动态蓄冷性能，其中冷冻水进口温度设定为6 °C，流量为27 m3/h。实验结果如图6所示。

如图6所示，在整个蓄冷过程中，进口冷冻水温度在4 °C至7.5 °C之间周期性波动。这种温度振荡源于所采用的PID控制策略。

**非圆形截面流扰对换热器换热的强化效应**

得益于诱导流扰和紧凑的结构布局，蜂窝管束实现了显著的换热强化性能。实验结果表明，所提出的配备蜂窝管束的相变蓄冷设备实现了29.4 kWh/m3的体积蓄冷密度，比采用板式换热器的同类设备高出约17%。这一对比验证了蜂窝管束的几何优越性。

**结论**

相变材料（PCM）固有的低导热系数导致换热速率有限且储能效率不尽人意，长期以来阻碍了相变蓄冷空调技术的发展。与翅片式换热强化及其他常规强化技术相比，优化储能核心的几何形状和布局具有显著优势：它能够实现高效换热，同时……

**CRediT作者贡献声明**

王世博：原创稿件撰写、可视化、形式分析、数据管理、概念化设计。

向博：方法论、形式分析、数据管理、概念化设计。

张京山：可视化、方法论、形式分析。

石立军：稿件审阅与编辑。

孙宏丽：方法论、概念化设计。

杜宇辉：可视化、方法论、形式分析。

刘琪：稿件审阅与编辑、概念化设计。

林博荣：稿件审阅与编辑、方法论。

**生成式AI和AI辅助技术使用声明**

我们声明，在撰写提交的手稿过程中没有使用AI。

**利益冲突声明**

作者声明，不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究得到中国建设工程总公司（CSCEC）科技研究项目资助，项目名称为"高效热（冷）蓄能先进建筑材料关键技术与产品开发研究"（项目编号：CSCEC-2025-Z-16），以及成都市科技项目资助，项目名称为"建筑垃圾制备流态固化土资源化利用技术研究"（项目编号：……）。

**作者信息**

王世博 | 向博 | 张京山 | 石立军 | 孙宏丽 | 杜宇辉 | 刘琪 | 林博荣 | 司鹏飞

中国西南建筑设计和研究院有限公司，邮编610041，中国成都