论文总字数：27664字

摘 要

随着地球能源资源越发的紧张，如何节约能源和高效地利用能源成为当今人们研究的热点，而电能作为当今世界不可或缺的二次能源更是需要合理利用。本论文设计出一款蓄能式谷电利用采暖散热器，旨在将夜间的低价电能转换为热能并储蓄起来，等到白天用电高峰期时再将热能释放出来，供应给需要采暖的用户，从而通过高峰期电力负荷的转移达到节约能源，提高经济性的目的。

首先，了解目前研究的相变蓄热技术，了解不同的相变材料和各自的优缺点后，结合石蜡的储热密度高、性能稳定、无腐蚀性、成本低和膨胀石墨良高导热系数的优点，选择添加10%膨胀石墨的石蜡作为本课题的研究对象；

其次设计出该蓄能式电采暖器结构，外部为矩形箱体，内部均匀分布圆柱管道其中通入冷空气进行换热，相变材料储放在外部箱体与内管之间的空腔里，之后根据供暖需求概算出该蓄能式电采暖器的尺寸；

接着基于FLUENT软件对该蓄能式电采暖器的相变蓄热过程和放热供暖过程进行数值模拟。蓄热过程将2400W功率的电能视为恒热流进行加热，给定相变材料初始温度285K和最终温度343K，蓄热过程相变材料液相率和温度随时间增长而升高，最后约8小时完成蓄热；放热过程设置冷空气的初始温度278K和流速0.2m/s，结果表明放热约8小时空气出口温度稳定在294K左右，满足室内热舒适性基本需求。

最后分析该蓄能式电采暖器系统给北京市带来的经济收益和节能性。

关键词：谷电利用；相变蓄热器；相变材料；数值模拟

Abstract

With the increasingly tense energy resources on Earth, how to save energy and efficiently use energy has become a hot spot for people to study today, and electric energy, as an indispensable secondary energy in the world today, needs to be used rationally. We design an energy-storage valley-electric heating radiator that aims to convert night-time low-cost electric energy into heat energy and save it. It will then release heat energy during the peak hours of the day and supply it to users who need heating. Therefore, the purpose of energy conservation and economic improvement is achieved through the shift of peak power load.

First of all, we understand the current research of phase change heat storage technology, and learn the different phase change materials and their respective advantages and disadvantages, combined with paraffin wax heat storage density, stable performance, non-corrosive, low cost and good thermal conductivity of expanded graphite Advantages, choose to add 10% expanded graphite paraffin as the subject of this study;

Secondly, we design the structure of the energy-storage electric heating radiator . The exterior is a rectangular box. The inside of the box distributes cylindrical pipes evenly . Cold air is blown into the pipes to exchange heat. The phase change material is stored in the cavity between the outer box and the inner tube. , Then calculate the size of the energy-storage electric heating radiator according to the heating demand;

Then based on FLUENT software, we simulate the phase change heat-storage process and the heat-release process of the energy-storage electric heating radiator . The heat-storage process heats the 2400W electric power as a constant heat flow. The initial temperature of the phase change material is 285K and the final temperature is 343K. During the heat-storage process, the phase change material's liquid phase rate and temperature increase with time, and lasts about 8 hours, then the heat-storage is completed; the initial temperature of cold air is set at 278K and the flow rate is 0.2m/s during the heat-release process. The result shows that the air outlet temperature is stable at about 294K for about 8 hours, which satisfies the requirements of indoor thermal comfort.

Finally, we analysis the economic benefits and energy-saving effects of the energy-storage electric heating system in Beijing.

KEYWORDS：Valley electric;Phase change heating radiator;Phase change material;Numerical simulation

目录

摘 要 І

Abstract Π

第一章 绪论 5

1.1 研究背景与意义 5

1.2 国内外研究现状 5

1.3 相变蓄热技术的应用 6

1.4 相变蓄热材料的分类及筛选 6

1.4.1 化学成分 7

1.4.2 相变温度 7

1.4.3 相变过程 7

1.4.4 相变材料的选择 7

1.5 本文研究思路及主要内容 8

1.5.1 研究思路 8

1.5.2 主要研究内容 8

第二章 蓄能式电采暖器的设计 10

2.1 设计背景及供暖需求 10

2.2 蓄能式电采暖器的工作原理 10

2.3 相变蓄热器结构的设计 11

2.3.1 目前研发的蓄热器结构 11

2.3.2 电采暖器结构的设计 12

2.3.3 电采暖器的尺寸 12

2.4 本章小结 14

第三章 蓄能式电采暖器的热性能分析 15

3.1 FLUENT软件介绍 15

3.2 数学模型的建立及网格划分 15

3.3 FLUENT求解相变过程 18

3.4 FLUENT求解模型 19

3.4.1 设置求解器 20

3.4.2 设置材料参数 20

3.4.3 设置操作条件 21

3.4.4 设置边界条件和初始参数 21

3.4.5 设置求解算法 23

3.5 数值模拟仿真结果及分析 24

3.5.1 蓄热过程仿真结果及分析 24

3.5.2 放热过程仿真结果及分析 26

3.6 本章小结 28

第四章 蓄能式电采暖系统经济性分析 29

4.1 计算基础数据 29

4.2 系统经济性分析 29

4.3 蓄能式电采暖器未来可应用场景分析 30

第五章 总结与展望 31

5.1 研究总结 31

5.2 研究展望 31

致谢 33

参考文献 34

绪论

研究背景与意义

众所周知，能源问题是当今世界面临的一重要问题，地球的能源不是一个无底洞，尤其是近些年来的开发与消耗，曾经丰富的能源也正在面临着枯竭的困境，这些年倡导节能减排，目的不止在于保护环境 ，更是要珍惜能源，保护能源，使地球的发展能持续下去，所以如何通过高效地利用能源来达到节约能源的目的成为现在科学家研究的热点问题。

随着人们生活水平的提高，对夏季制冷冬季供暖的需求也越来越大，北方冬季供暖最开始通过燃煤来加热水或空气从而进行供暖，但燃煤供暖首先会引发环境污染问题，导致了温室效应和雾霾的出现，使得北方地区空气品质不好，对人们的健康也产生了负面的影响；所以目前电采暖的方式逐渐流行起来，电采暖就是将电能转换为热能，对比其他供暖方式电具有很多优越性。电能作为清洁的二次能源，具有环保舒适无污染，采暖效率高，可控性强的优点，但同样也对国家电网带来了更大的负担，还会出现供暖时电力不平衡的情况从而造成电能浪费的问题，白天用电高峰期需求的电负荷非常大，而夜间用电低谷期需要的电负荷大大减少，在很多地方出现了用电高峰期电力供应不足而低谷期电力又过剩的局面，不仅白天用电高峰期时用户的用电量不能得到保证，同时夜间也会有大量的无效负荷，从而导致电能的浪费，能源的白白损失，而峰谷差代表峰电负荷与谷电负荷的差值，如果峰谷差越大，就会导致国家电网运行的波动越大，使电网调整的能力越困难，对用户用电侧产生的负面影响也越大，由此可见我国目前的用电形式和日益增大的峰谷电差应该需要改进，而“削峰移谷”就成为了最有力的方式可以用来改善目前电网严峻的形式^[1]。

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