能源是现代化建设的基础和动力,能源供应、安全关乎我国现代化建设全局。当前,世界政治、经济格局深刻调整,能源供求关系亦随之发生深刻的变化。我国能源资源约束日益加剧,生态环境问题突出,调整结构、提高能效和保障能源安全的压力进一步加大,能源发展面临一系列新问题、新挑战。太阳能作为一种取之不尽的清洁性能源,其高效利用对于解决能源问题和环境问题有重要的意义。经过将近20年的高速发展,我国已经成为太阳能热利用生产与应用第一大国。但是,当前太阳能蓄热采暖发展仍面临诸多挑战,大规模蓄热采暖示范工程较少、较高的土地使用成本、项目初投资巨大而经济性较差以及跨季节储热技术复杂程度较高等因素严重制约项目的推广。作为蓄热系统的关键组件,水箱和保温材料的性能会严重影响系统的蓄、放热量,其成本亦在整个蓄热系统的投资中占有相当大的比例。蓄热量较小时,圆柱形水箱由于其较低的成本以及良好的保温性能而得到广泛应用,目前国内外学者对圆柱形水箱工作过程的研究已经趋近于成熟。但是当蓄热量较大时,圆柱形水箱的成本剧烈上升,且其寿命和性能均难以达到要求。矩形水箱具有强度高、重量轻等优点,在工程中可以根据场地情况现场拼装焊接,较圆柱形水箱有更高的土地利用率以及更低的成本,在大规模蓄热方面有较为广阔的应用前景。本实验平台采用矩形水箱作为蓄热容器,在实际工况条件下对矩形水箱的保温过程和蓄热过程进行数值模拟和实验分析。课题的主要工作有:1.分析了蓄热技术的应用范围和储热水箱研究现状,论证太阳能蓄热系统的社会效益和环境效益;2.储热方案的确定,并对系统部件进行选型计算;3.建立了矩形水箱的有限元仿真模型,研究了入水口不同流速对水箱蓄热性能的影响以及水箱在保温过程形成温度分层的机理,并在实际工况下进行了实验测试;4.建立了箱体保温材料有限元仿真模型,箱体保温材料厚度和结构对其保温性能的影响;5.通过仿真,研究了管路保温材料厚度对其性能的影响。研究结果表明:1、入口处流速在低于0.1m/s的情况下,水箱在蓄热过程即形成良好的温度分层,水箱上部水温也能够达到较高的水平,水箱有用能数量较多,且品质较好;2、随着入口处流速的升高(大于0.1m/s),水流冲击深度不断加大,水箱内部冷热掺混加强,水箱在蓄热过程中不再形成温度分层,当流速介于0.3m/s~0.4m/s时,水箱内部会形成“低温死角”,当流速大于0.4m/s时,“低温死角”消失,水箱中部会形成“低温水团”,随着入口处水温的上升,水箱出口处流体温度升高,致使太阳能集热器和板式换热器效率下降;3、当前环境条件下,箱体保温材料厚度达到80mm时,外表面温度与环境温差会下降至3℃以内,可以保证较为良好的保温效果;4、箱体保温材料外侧圆弧面与平面为直接过渡,由于形状发生突变,该处热流密度较大,对保温性能影响较大,使用圆角过渡,能够有效降低该处的对流换热强度;5、对于当前系统管路,其外侧保温材料(橡塑保温棉)为厚度30mm时,外表面与环境温差为2.638℃,能够达到良好的保温效果;6、太阳能蓄热实验系统生命周期范围内,每吨蓄热量能够节约标准煤5922.87t,减少二氧化、二氧化硫、烟尘和氮氧化物排放量分别为15.767t、5.92kg、5.92kg和8.59kg,具有良好的社会效益和生态效益。