摘要
建筑领域双碳目标下的清洁能源替代传统化石能源已成为主流，新疆地处供暖区，太阳能资源优裕，具有非常优越的自然条件。但严寒地区独特的气候环境导致太阳能集热系统在应用时通常将乙二醇溶液作为热传输介质。该材料导热系数仅为水的63％,在进行显热换热时大幅降低了传热和蓄热效率，进而影响了集热系统的运行效率，极易造成夏季集热板过热、集热系统效率低下的问题。相变材料的优点使其在建筑供暖空调领域有较好的应用前景。尤其是相变微胶囊悬浮液（MicroencapsulatedPhaseChangeMaterialSuspension,MPCMS）作为一种有效提高热收集和传输效率的新型工质近年来被广泛研究。 本文针对上述问题，配制一种防冻型MPCMS——乙二醇相变微胶囊悬浮液。将乙二醇溶液和相变微胶囊乳液充分混合，形成一种适用于严寒地区冬季太阳能集热系统的热传输介质。首先基于参考资料和当地气候参数的双重考虑选取了不同相变温度和冰点的微胶囊乳液及乙二醇溶液进行MPCMS的配制，并对不同载流体、不同相变温度和不同浓度的MPCMS进行热物性参数测量研究。其次依据测量和研究结果筛选出适用于严寒地区集热系统运行的最佳参数并进行冬夏两季的集热系统试验研究。最后使用仿真模拟软件与试验结果进行比较并对试验结果进行补充及优化，从而验证该MPCMS在严寒地区冬季太阳能集热系统中应用的可行性，为严寒寒冷地区工程应用MPCMS提供一定的基础数据支持，主要结论如下: （1）将乙二醇溶液和相变微胶囊乳液充分混合并对其进行微观形貌、密度、黏度、潜热、相变温度及导热系数的物性测量，结果显示配制的MPCMS并未破坏微胶囊本身完整结构，MPCMS密度比载流体略小，黏度更大，且5％和10％浓度的MPCMS相较于导热系数为0.383W/（m·K）的乙二醇溶液分别提升了7.0％和3.7％,在暴露性防冻性测试下未结冻。 （2）通过系统性能试验探究不同浓度和流速MPCMS在冬夏两季的应用效果,结果表明在夏季5％浓度和10％浓度的MPCMS相较于未添加相变材料的基板温度降低了5.49℃和0.55℃，同时蓄热水箱温度升高了4.1℃和0.64℃,且5％浓度匹配40L/h流速有更好的应用效果。在冬季工况下,MPCMS浓度为5％和10％时，流速10L/h的集热效率比20L/h、40L/h分别提升了14.38％、39.23％和7.76％、27.45％。当载流体为乙二醇溶液时，冬夏最大热效率对应的流速分别为10L/h和40L/h;当水作为载流体时，夏季采用40L/h的流速效果最优，此时MPCMS有一定防过热能力且能够有效提升集热效率。 （3）模拟结果表明，5％和10％浓度MPCMS的平均Nu数相较于乙二醇溶液分别增加了1.29倍和1.50倍;当浓度大于10％时MPCMS对系统热性能无明显提升，流速和相变温度的影响与试验结果一致。
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