相变蓄热技术是利用物质发生相态变化时吸收或释放潜热来实现热量存储与转化的节能新技术,因其蓄热密度大、蓄热过程近似等温等优点得到了广泛关注。相变蓄热技术能有效收集利用各种低品位能源,并解决能源供需在时间、空间和强度上不匹配,这使得其在建筑节能领域如太阳能热利用、建筑围护结构、供暖空调系统等具有重要的工程应用价值。相变蓄热技术是提高能源利用效率,实现建筑节能及可持续发展的重要技术手段之一。由于通用相变材料导热性能差,相变蓄热器换热温差小,蓄、放热速率不能满足建筑能源系统内工质换热需求是目前建筑节能领域相变蓄热系统面临的最大问题,而最有效的方式是改善相变材料本身导热性能以及优化相变装置传热效果。一旦确定了所用的相变材料,封装相变材料的容器传热性能强化、相变蓄热器结构优化设计等将是直接影响整个系统性能的关键。针对目前常用的水平套管式相变蓄热器,为解决现有研究在相变单元熔化、凝固的强化传热机理,变蓄热器的性能优化设计等方面研究的不足,开展了对应研究。分别就添加翅片及偏心结构强化传热两种方式,采用数值计算与实验研究相结合的手段,揭示了其在相变单元熔化、凝固过程中的不同强化传热效果及强化传热机理。在熔化过程中,自然对流对熔化速率起着十分重要的作用,添加翅片一方面增大换热面积,同时翅片也会阻碍自然对流的强度,两方面共同作用影响PCM熔化性能,因此翅片的数量并非越多越好,而是存在最优值,翅片数量的最优值与热边界温度有关,提出以壁面平均热流作为指标确定最佳翅片数量。在凝固过程中,由于传热机制为导热,添加翅片对提高凝固速率为单调上升,同时对比发现传热温差对凝固速率的影响更大。综合考虑熔化、凝固过程,最优翅片数量应该是熔化工况下对应的最佳翅片数量。最佳翅片数量工况下,换热温差为15℃、25℃及35℃时,熔化时间分别缩短76.7%,76.3%以及76.1%,而凝固时间分别缩短91.1%,84.6%以及83.8%。通过对偏心结构熔化、凝固过程的数值模拟,发现偏心结构由于增加了容器上部PCM容量,有利于PCM熔化速率的提升,但是却不利用PCM的凝固。揭示了Ra与偏心率间在强化传热过程中的相互作用规律,在熔化过程中,Ra对于不同偏心率下PCM的熔化速率影响会根据其取值发生变化:当Ra数较小时,由于自然对流强度较弱,熔化速率会随着偏心率的增大呈现先增加后减小的趋势;当Ra大于一定的值,PCM熔化速率随偏心率增大而单调上升。因此,熔化过程中最佳偏心率的取值应根据Ra决定,本章计算了熔化过程中不同Ra数下最佳偏心率并拟合得到其计算公式:与熔化过程不同,在凝固过程中,PCM的凝固速率随偏心率的增加单调减小,Ra数越大减小的程度越低。因此,对于最佳偏心距离的确定应综合考虑熔化速率和凝固速率,以熔化凝固总时间作为确定最佳偏心率的标准,并计算得到了不同Ra数下最佳偏心率取值:当Ra数为1.63×10⁶、5.52×10⁶、2.17×10⁶及4.2×10⁷时,对应的最佳偏心率分别为0.3、0.4、0.7和0.8。在此基础上,针对单根套管建立了管内流体与PCM耦合换热简化数学模型,实现套管式相变蓄热器的快速数值求解,分析了流体温度、流量等运行参数对单根套管式相变蓄热器蓄、放热性能的影响。随着HTF与PCM进口换热温差的增加,PCM的熔化、凝固速率均得到加强,对熔化速率的影响更大,但是一味提高换热温差会导致出口流体温度过高或过低。HTF流量的增大也会提升相变蓄热、释热速率,但流量的增大会带来水泵功耗的增大,因此较小的流量有利用流体与PCM充分换热,提高能量利用效率,所以流量的取值也应综合考虑储热速率与水泵功耗。最后,对不同结构参数下相变蓄热器的储热性能展开研究,在保证PCM体积一定的情况下,选择L,L/d_o,d_o/d_i为结构控制参数,研究了水平套管式相变蓄热器蓄热性能,定义蓄热率η、储能能效ε(τ)等参数,分析了结构参数对蓄热性能的影响。相变蓄热器的蓄热率随r_o/r_i的增大或L/d_i减小而增大,但HTF消耗的机械能会随着L/d_i及r_o/r_i的增大而上升,平均储能能效随r_o/r_i的增大而减小,减小速率会越来越平缓,同时也随着L/d_i的增大而呈现越来越小的趋势。以单位面积下η和ε(τ)作为指标确定蓄热器最佳结构参数,得到本文计算工况下的最佳参数为:L=1m,L/d_i=40,d_o/d_i=2.5,N_p=78。