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作者及机构
本研究由意大利ENEA国家可持续经济发展新技术能源署（Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile）的M. Caliano、G. Graditi、L. Mongibello团队，以及那不勒斯费德里科二世大学（Università di Napoli Federico II）工业工程系的N. Bianco合作完成，发表于《Journal of Energy Storage》2025年第125卷。

学术背景

研究领域与动机
本研究聚焦于相变材料（Phase Change Materials, PCMs）在住宅制冷应用中的冷热能储存（Cold Thermal Energy Storage, CTES）系统优化。PCMs因其高潜热储能密度，被广泛用于建筑温度调节、太阳能储能和电子设备热管理等领域。然而，针对宏观封装PCM（macro-encapsulated PCM）与水结合的冷能储存系统的动态性能研究仍存在空白，尤其是在实际住宅负荷下的实验-数值混合分析及PCM容器尺寸对系统效率的影响方面。

研究目标
1. 探究宏观封装PCM在冷能储存系统中的充放电动力学；
2. 开发并验证基于COMSOL Multiphysics和MATLAB的数值模型；
3. 通过参数分析优化PCM容器的尺寸与数量配置。

研究流程

1. 实验设计与搭建

研究对象
- 系统组件：电动制冷机、热交换器、320升冷储罐（含55个部分填充生物PCM的铝瓶）。
- PCM特性：熔点为15°C，潜热182 kJ/kg，密度低于水（需添加钢球固定位置）。
- 实验环境：模拟意大利气候区E（冬季<0°C，夏季>25°C）的单户住宅负荷。

实验方法
- 温度与流量监测：采用T型热电偶（精度±0.5°C）和COMAC Flow 38流量计（精度0.2%）。
- 制冷机参数：Thermo Scientific Neslab ThermoFlex 24000，最大制冷功率15 kW，出口温度7°C。
- 数据采集：通过NI模块（NI 9213、NI 9208）以1秒间隔记录数据。

2. 数值建模

模型开发
- 水行为模拟：一维MATLAB有限差分模型，计算水箱内水温分层及自然对流效应。
- PCM行为模拟：COMSOL Multiphysics 6.2采用有效热容法（Effective Heat Capacity, EHC）和焓法，结合Boussinesq近似处理浮力效应。
- 耦合迭代：通过交替计算水温与PCM表面温度直至收敛。

关键假设
- PCM为均质各向同性材料；
- 相变温度范围固定；
- 忽略PCM内的对流运动。

3. 参数分析

对比五种PCM容器配置（1 L、½ L、¼ L、1/10 L、1/636.6 L），评估其对以下指标的影响：
- 水温变化趋势；
- PCM平均温度与熔融分数；
- 能量储存/释放速率。

主要结果

1. 数值与实验验证

• 水箱出口水温的数值模拟与实验数据高度吻合（平均相对误差0.032），验证了模型的准确性（图22）。
  
• PCM模块未完全熔融或凝固，表明充放电周期需进一步优化。
  

2. PCM容器尺寸的影响

• 热响应速度：小容器（如1/636.6 L）温度变化更快，但储能能力更低（图28）；
  
• 能量效率：1 L容器能量储存最高（149 kJ），而1/636.6 L仅0.23 kJ（表4）；
  
• 熔融分数：顶层PCM在小容器中熔融分数更高（1 L为0.4，1/636.6 L为0.87）。
  

3. 分层效应

• 水箱上层水温较高，导致顶层PCM熔融更快（图16-18）；
  
• 底层PCM因温度较低，凝固更显著（最小熔融分数0.175）。
  

结论与价值

科学价值
1. 提出了结合宏观封装PCM与水储能的冷能系统动态模型，为住宅制冷设计提供理论依据；
2. 揭示了PCM容器尺寸与热性能的量化关系，指出大容器更适合稳定储能，小容器利于快速热响应。

应用价值
- 指导PCM封装设计，平衡能量密度与热交换效率；
- 支持峰谷电价策略下的制冷系统优化，降低电网负荷。

研究亮点

1. 创新方法：首次将EHC方法与MATLAB分层模型耦合，精确模拟PCM-水系统的非平衡态热行为；
   
2. 实验设计：基于真实住宅负荷的混合实验-数值验证，数据可靠性高；
   
3. 参数化分析：系统性评估PCM容器尺寸的影响，填补了冷能储存领域的研究空白。
   

局限与展望
- 未完全利用PCM潜热潜力，未来需优化胶囊几何形状；
- 可扩展至多PCM混合系统或不同气候区的适应性研究。

此研究为PCM在冷能储存中的应用提供了重要技术参考，推动了可再生能源与建筑节能领域的发展。