一、研究背景
随着我国经济的快速发展，对各行业用能的清洁程度、成本限制提出了新的指标要求，尤其在我国北方地区供暖季节，由于燃煤不充分等原因将形成雾霾，严重影响空气质量。为了削减取暖燃煤用量，改变用能习惯，提升城市的宜居水平，国家正在逐步推进“电能替代”工作，电力作为清洁能源在社会供能体系中承担越来越重要的角色。此外，社会经济高速发展，带来了能源利用率较低等问题凸显，而在各种形式能源浪费中，余热资源浪费尤为突出，因此，余热再利用具有重要意义。
储热技术作为一种行之有效的方式，为供暖行业结构调整及余热再利用提供的可选手段。储热技术的应用可以利用低价谷电或余热资源实现供热，既可以实现电网移峰填谷又可以实现节能减排，在实现集中清洁供暖的同时大幅减低运行成本，为供暖行业结构调整及余热再利用提供了一种行之有效的手段。考虑到利用峰谷差进行居民供暖以及余热利用等应用场合主要为150℃以下中低温区，因此，中低温相变储热技术以其储热密度高、储释热过程温度恒定等诸多优势，目前已成为中低温热利用储热领域的研究热点。换热单元作为相变储热系统的核心部分，其换热情况对系统效率有非常重要的影响，通过合理的相变换热器的设计能够有效弥补相变材料热导率低的缺点。
二、创新点及解决的问题
1.创新点
以相变储热供热技术为切入点，着重对目前相变储热换热器进行了比较，定性分析了板式、管壳式、热管式及其他异形（储热砖/球）换热器的优缺点。
以数值模拟的方式，定量比较了相同换热面积及边界条件下，管壳式和板式相变换热的二维相变材料熔化模型。
2.解决的问题
通过计算，得出了相同相变材料情况下的管壳式换热器和板式换热器的熔化时间，板式换热器要优于管壳式换热器，主要原因在于二者在换热管/板在排布上差异导致。考虑到相较于管壳式换热器，板式换热器结构紧凑，加工工艺简单，拆卸方便，指出未来可通过制成储热砖的方式实现模块化运行，为后期维护提供了很大便利，因此板式相变换热器较管式相变换热器更具发展潜力。
三、重点内容导读
1.定性分析
而相比传统换热应用场景，换热器在相变储热装置中的应用，为相变材料在换热器一侧固定不动，且呈逐渐熔化或凝固态势。以下是几种典型换热形式应用在相变储热体系中的优缺点及相应要求，如表所示。
表1 不同相变换热器的对比分析表
2.相变换热器数值计算分析
在相同边界条件及储热材料下对板式及管壳式相变换热器的性能进行定量比较，分析各自在相变储热过程中的换热效率，分析情况如下表所示：
表2边界条件及相变储热材料物性
表3 分析比较结果
二维管壳式相变换热器传热物理模型如下图所示，由温度云图可以看出，4根管的中心点在353分钟时，即接近6h的时候就可以全部熔化。
图1二维管壳式换热器熔化情况（5分钟）
图2二维管壳式换热器熔化情况（175分钟）
二维板式相变换热器传热物理模型如图所示。由温度云图可以看出，对称的两侧相变材料在510分钟时，即8.5小时的时候可以全部熔化。
图3 二维板式换热器熔化情况（4分钟）
图4 二维板式换热器熔化情况（300分钟）
四、结论
通过数值分析手段，比较了相同换热面积及边界条件下，管壳式和板式相变换热的二维相变材料熔化模型，管壳式换热器需6小时完全熔化，板式换热器需8.5小时完全熔化，主要原因在于二者在换热管/板在排布上差异导致。但考虑到相较于管壳式换热器，板式换热器结构紧凑，加工工艺简单，拆卸方便，为后期维护提供了很大便利。同时，板式换热器在同等体积相变材料情况下，可以通过增加换热板数量（理论上可无限增加），这也是板式换热器优势所在，大幅提高换热面积，从而提高换热效率，比管壳式换热器更具发展空间。同时，结合更加轻质化、低成本、满足导热需求的换热材料，比如增强型聚乙烯等材料，是换热器优化改进的一个重要方向。
