生活水箱內(nèi)相變材料封裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)及熔化性能研究

俞準(zhǔn)，王姜，嚴(yán)中俊，庹曉糠，李水生，張國強(qiáng)

（1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410014）

太陽能生活熱水系統(tǒng)中蓄熱水箱與封裝相變材料的結(jié)合使用可有效減緩太陽能的間歇性、不穩(wěn)定性和供需不匹配等問題[1].由于相變材料（如石蠟和有機(jī)酸等）導(dǎo)熱性能相對較低，對其進(jìn)行封裝后應(yīng)用在生活水箱中，充放能速率較慢，從而降低了相變蓄熱水箱的蓄放熱性能.現(xiàn)有的相應(yīng)措施，如在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部添加翅片[2]或在相變材料里添加泡沫金屬[3]、膨脹石墨[4]等，盡管能提高相變材料熔化速率，但同時也會導(dǎo)致相變材料的體積減小，蓄能密度降低.此外，添加泡沫金屬后形成的復(fù)合相變材料可能存在液態(tài)相變材料從泡沫孔隙中泄露的問題[5]，而石墨等在熔化過程中亦會發(fā)生沉降[6]，鑒于此，限制了上述方法的實際應(yīng)用和推廣.

現(xiàn)有生活水箱中相變材料封裝結(jié)構(gòu)主要包括圓柱型[7]、球型[8]和矩型[9]等，其中應(yīng)用最為廣泛的為圓柱型封裝結(jié)構(gòu)[7].近年來，部分學(xué)者對其內(nèi)部相變材料熔化過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)固態(tài)相變材料由于重力作用，向下運(yùn)動時會對底部液態(tài)相變材料進(jìn)行擠壓并形成薄液態(tài)層，該液態(tài)層以導(dǎo)熱為主要傳熱方式的熔化傳熱過程（即接觸熔化[10]），與側(cè)壁面液態(tài)相變材料以自然對流換熱為主要傳熱方式的熔化過程相比，具有更高的熔化傳熱速率[11-13].基于此，考慮到實際應(yīng)用中圓柱型封裝結(jié)構(gòu)側(cè)壁面面積占總傳熱面積的比例相對較大，能有效提高圓柱型封裝相變材料熔化性能的方法是通過優(yōu)化改進(jìn)其結(jié)構(gòu)型式，使得相變材料在側(cè)壁面處發(fā)生接觸熔化.值得強(qiáng)調(diào)的是，該方法可避免現(xiàn)有添加翅片或高導(dǎo)熱劑等措施所導(dǎo)致的封裝結(jié)構(gòu)蓄能密度降低或石墨沉降等問題，具有較大的實際應(yīng)用潛力.基于上述分析，本文提出在不添加外物的基礎(chǔ)上，通過減小圓柱型封裝結(jié)構(gòu)底面/頂面半徑比形成側(cè)壁面傾斜的倒圓錐型封裝結(jié)構(gòu)，使得固態(tài)相變材料受重力作用，向下運(yùn)動時可充分與側(cè)壁面緊密接觸并發(fā)生接觸熔化，從而實現(xiàn)相變材料熔化效率的提高.

為了深入探究倒圓錐型結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料熔化性能，本文建立了相應(yīng)熔化傳熱模型并通過可視化實驗進(jìn)行驗證.在此基礎(chǔ)上，本文對倒圓錐型和圓柱型結(jié)構(gòu)封裝相變材料的熔化性能進(jìn)行了對比，并基于瞬時速度場和溫度場深入分析了倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料熔化過程特性.此外，本文還對不同底面/頂面半徑比對封裝相變材料熔化性能的影響進(jìn)行了探究，以進(jìn)一步實現(xiàn)其在實際應(yīng)用中的優(yōu)化.

1 實驗裝置及步驟

圖1 為本文所搭建的恒溫水箱內(nèi)倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料可視化實驗系統(tǒng).該系統(tǒng)主要由恒溫水箱、電加熱器、溫度控制箱、倒圓錐型封裝相變材料和數(shù)字照相機(jī)組成.實驗采用雙水箱結(jié)構(gòu)，分別控制水箱水溫為初始溫度與加熱溫度.此外，為便于直接記錄封裝相變材料熔化過程，恒溫水箱前后面板均選用透明PC 板，實驗時可直接將封裝結(jié)構(gòu)固定在恒溫水箱內(nèi)部，并用數(shù)字照相機(jī)進(jìn)行拍照記錄.

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

圖2 為本文開發(fā)的倒圓錐型封裝相變材料（高度為55 mm，內(nèi)徑為110 mm），其封裝結(jié)構(gòu)材質(zhì)選用厚度為5 mm 的透明PC 管，以實現(xiàn)相變材料熔化過程的可視化；頂面采用2 mm 厚的不銹鋼板.實驗選用的相變材料為月桂酸，其物性參數(shù)見表1.表1 中同時給出了實驗所用不銹鋼與透明PC 管的物性參數(shù)[14].

表1 實驗材料熱物性參數(shù)Tab.1 Thermophysical parameters of experimental materials

圖2 倒圓錐形結(jié)構(gòu)封裝相變材料圖Fig.2 Diagram of PCM encapsulated in the inverted conical container

實驗步驟如下：

1）對實驗結(jié)構(gòu)進(jìn)行氣密性測試，確保該結(jié)構(gòu)在60 ℃水溫下不會發(fā)生泄露；

2）向?qū)嶒灲Y(jié)構(gòu)內(nèi)部緩慢灌注液態(tài)相變材料，直至凝固后的固態(tài)相變材料充滿整個腔體；

3）將實驗結(jié)構(gòu)置于1#恒溫水箱中，水溫控制在30 ℃，靜置2 h，以保證相變材料的初始溫度均勻一致，且穩(wěn)定在30 ℃；

4）將實驗結(jié)構(gòu)置于2#恒溫水箱中，水溫控制在60 ℃；

5）用數(shù)字照相機(jī)記錄熔化過程中實驗結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料固液界面的變化，直至完全熔化.

2 模型建立與驗證

2.1 模型建立

為便于建立封裝相變材料熔化過程數(shù)值模型，本文做出以下假設(shè)[15]：

1）相變材料純凈且各向同性，相變材料在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生相變；

2）忽略水箱內(nèi)的溫度分層[16]，假設(shè)水箱內(nèi)各個高度位置的水溫均勻一致；

3）忽略熱水與相變材料換熱以及電加熱引起的溫度波動，假設(shè)相變過程中，水箱內(nèi)水溫保持恒定；

4）忽略封裝結(jié)構(gòu)與水的對流換熱，假設(shè)外表面溫度保持恒定且與水溫一致；

5）忽略封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面之間的橫向傳熱，假設(shè)其導(dǎo)熱只沿厚度方向傳遞；

6）相變過程中，忽略由于液態(tài)相變材料溫度變化引起的密度變化對其流體性質(zhì)的影響，即boussinesq 假設(shè).

基于以上假設(shè)條件，考慮到倒圓錐封裝結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，同時為了提高模型的計算效率，將其簡化為二維軸對稱模型[13].在上述模型假設(shè)及簡化的基礎(chǔ)上，為了獲得相變材料熔化過程中的溫度場和速率場，相變材料傳熱與流體流動的控制方程如下[17-18]：

其中，

式中：ρ 為相變材料的密度，kg/m3；V 為流體速度，m/s；T 為相變材料的溫度，℃；P 為相變材料的表面壓力，Pa；Fa為考慮液態(tài)相變材料的密度隨溫度變化而引起變化產(chǎn)生的浮力，N/m3；Fb為考慮焓孔隙法中的源項[19]，N/m3；B（T）為相變區(qū)域中的液相體積分?jǐn)?shù)；其中C 為糊狀區(qū)系數(shù)，為了確保固態(tài)區(qū)域相變材料速度為0，現(xiàn)有文獻(xiàn)中C 一般取103～106[17]；q為足夠小但不為0 的數(shù)，在本文中C 和q 的值分別設(shè)定為1 000 與0.001[19].

2.2 模型驗證

在上述假設(shè)與模型基礎(chǔ)上，本文采用Comsol Multiphysics5.3a 軟件進(jìn)行相應(yīng)模擬計算分析，并通過計算結(jié)果與可視化實驗結(jié)果的對比分析，驗證模型的準(zhǔn)確性，對比結(jié)果分別如圖3 和圖4 所示.

圖3 為熔化時間分別為1 910 s、2 800 s 以及3 300 s 時的可視化實驗與模型計算的固-液界面對比圖.左側(cè)為可視化實驗結(jié)果，右側(cè)為模型計算結(jié)果.由圖3 可見，模型計算的固態(tài)相變材料形狀以及固液界面始終與實驗值吻合.在此基礎(chǔ)上，圖4 將模型與實驗的液相體積分?jǐn)?shù)值進(jìn)行了對比.由圖4 可見，實驗值與模擬值的吻合程度較好，且兩者之間的均方根誤差僅為0.018，表明該傳熱模型具有較高的準(zhǔn)確性，可用于探究封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化性能.

圖3 固-液界面對比圖Fig.3 Comparison of numerical shapes of solid and liquid fractions with experiment

圖4 液相體積分?jǐn)?shù)對比圖Fig.4 Comparison of the numerical and experimental PCM liquid volume fraction

3 結(jié)果與討論

3.1 兩種封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料液相體積分?jǐn)?shù)變化

圖5 為倒圓錐型與圓柱型兩種封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料液相分?jǐn)?shù)對比圖.兩種封裝結(jié)構(gòu)簡圖及尺寸如圖6 所示，兩種結(jié)構(gòu)材質(zhì)均為壁厚2 mm 的不銹鋼，內(nèi)部容積和高度分別為1.74e-04 m3和0.055 m，各個壁面加熱溫度設(shè)定為60 ℃.

圖5 液相體積分?jǐn)?shù)對比圖Fig.5 Comparison of the PCM liquid volume fraction in cylindrical container and inverted conical container

圖6 結(jié)構(gòu)簡圖（單位：mm）Fig.6 Schematic diagram of containers（unit：mm）

由圖5 可見，在熔化最初階段兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化速率（即液相體積分?jǐn)?shù)隨時間變化曲線的斜率）相對較大且基本一致，這主要是因為該階段加熱壁面處熔化的液態(tài)相變材料層較薄，此時兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)主導(dǎo)的傳熱方式均為導(dǎo)熱；隨著熔化過程的進(jìn)行，液態(tài)相變材料層厚度的增大會導(dǎo)致表面?zhèn)鳠釤嶙柙龃螅沟孟嘧儾牧系娜刍俾手饾u下降.此外，從圖5 中可以看出倒圓錐型結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化速率更大，說明與圓柱型結(jié)構(gòu)底面所發(fā)生的接觸熔化相比，倒圓錐型結(jié)構(gòu)側(cè)壁處的接觸熔化性能更強(qiáng)，其封裝相變材料的熔化速率更快；在熔化后期，未熔化的固態(tài)相變材料體積已較小，且倒圓錐型結(jié)構(gòu)內(nèi)固態(tài)相變材料聚集在底部錐角處，與側(cè)壁面的接觸面積較小，接觸熔化速率降低，此時兩種結(jié)構(gòu)封裝相變材料的熔化速率又基本持平.

就相變材料完全熔化時間（即相變材料液相體積分?jǐn)?shù)為1 時的熔化時間）而言，倒圓錐型封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料完全熔化時間為2 520 s，與圓柱型結(jié)構(gòu)封裝相變材料需要的3 210 s 相比縮短了690 s，熔化性能提高了21.5%.該結(jié)果表明，通過優(yōu)化圓柱型結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)固態(tài)相變材料與加熱壁面的接觸熔化，可以有效提高封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化性能.

3.2 倒圓錐型封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料熔化過程

為了進(jìn)一步探究倒圓錐型結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化過程特性，本文基于所建數(shù)學(xué)模型對其在恒溫水箱中熔化過程的瞬時速度場和溫度場進(jìn)行了分析.圖7 為相變材料被加熱到20 s、80 s、390 s、1 840 s、2 190 s 與2 520 s 時的速度場（左側(cè)）和溫度場（右側(cè)）分布云圖.

如圖7（a）所示，當(dāng)相變材料加熱到20 s 時，附著于加熱壁面的相變材料已完全熔化，并在壁面與固態(tài)相變材料之間形成厚度約為0.8 mm 的液態(tài)相變材料層.由于該液態(tài)層厚度較小，在密度差作用下受到的熱浮力不足以克服固體壁面的粘滯力，從而處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時的傳熱方式主要為導(dǎo)熱.隨著加熱過程進(jìn)行到80 s，壁面處液態(tài)相變材料層厚度逐漸增大，其受到的熱浮力逐漸大于壁面粘滯力，開始產(chǎn)生運(yùn)動，此時側(cè)壁面和頂部液態(tài)相變材料的最大流速分別可達(dá)到1.75e-04 m/s 與8.09e-05 m/s，如圖7（b）所示.該現(xiàn)象標(biāo)志著封裝相變材料的傳熱方式開始從導(dǎo)熱轉(zhuǎn)變?yōu)閷α鲹Q熱.

圖7（c）顯示當(dāng)加熱時間達(dá)到390 s 時，頂部液態(tài)相變材料的厚度達(dá)到了5.2 mm，顯著大于側(cè)壁面液態(tài)相變材料厚度（1.5 mm）.這是因為固態(tài)相變材料在重力作用下，向下運(yùn)動并對側(cè)壁處液態(tài)相變材料產(chǎn)生擠壓，促使其沿側(cè)壁面向上流動，從而呈現(xiàn)頂部液態(tài)相變材料層厚度較大，而側(cè)壁相對較小的現(xiàn)象.值得強(qiáng)調(diào)的是，此時固態(tài)相變材料在重力作用下對側(cè)壁處液態(tài)相變材料層進(jìn)行擠壓并發(fā)生接觸熔化，與圓柱型封裝結(jié)構(gòu)側(cè)壁處傳熱過程相比[14]，倒圓錐型結(jié)構(gòu)側(cè)壁面處的接觸熔化是提高相變材料熔化性能的一個重要因素.

圖7（d）顯示，隨著熔化過程持續(xù)進(jìn)行到1 840 s，側(cè)壁面處出現(xiàn)了明顯的Rayleigh-Bernard 環(huán)流[20].產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可能是隨著固體相變材料與側(cè)壁面之間液態(tài)層厚度的增大（此時已達(dá)到4.5 mm），由加熱壁面?zhèn)鞯焦虘B(tài)相變材料表面的熱量已經(jīng)不足以將剛?cè)刍牡蜏叵嘧儾牧涎杆偌訜嶂粮邷?，并向上流動，因此熔化的低溫液態(tài)相變材料會沿著固-液界面向下流動，在流動過程中換熱升溫后再向上流動，從而形成環(huán)流.該環(huán)流的形成促進(jìn)了液態(tài)相變材料的對流換熱，同時也加大了固態(tài)相變材料與側(cè)壁面間液態(tài)層的厚度，削弱了側(cè)壁面的接觸熔化.

圖7（e）顯示，當(dāng)熔化時間進(jìn)行到2 190 s 時，側(cè)壁面處的Rayleigh-Bernard 環(huán)流已經(jīng)消失，且液態(tài)層的厚度降低到2.3 mm.這可能是由于隨著固態(tài)相變材料體積逐漸減小，通過側(cè)壁面?zhèn)魅氲臒崃孔阋詫⑷刍牡蜏匾簯B(tài)相變材料加熱至高溫并沿壁面向上流動，導(dǎo)致固態(tài)相變材料對側(cè)壁液態(tài)相變材料的壓力增大，從而使得液態(tài)層厚度減小，傳熱速率得以提升.當(dāng)加熱時間達(dá)到2 520 s 時，如圖7（f）所示，倒圓錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部的固態(tài)相變材料已經(jīng)全部熔化，標(biāo)志相變材料固-液相變過程的結(jié)束.

圖7 熔化過程中的瞬時速度場和溫度場Fig.7 Time evolution of thermal and flow fields

由上述分析可知，與圓柱型結(jié)構(gòu)相比，倒圓錐形結(jié)構(gòu)封裝相變材料與側(cè)壁面間的接觸熔化得到了顯著提升，從而提高了相變材料的熔化性能.同時，熔化過程中液態(tài)相變材料的對流換熱對相變材料的熔化性能也具有重要影響，且側(cè)壁面處形成的Rayleigh-Bernard 環(huán)流會加大該處液態(tài)層厚度，導(dǎo)致相變材料接觸熔化性能有所削弱.

3.3 底面/頂面半徑比對相變材料熔化性能的影響

封裝結(jié)構(gòu)高度和體積不變時，其上下底面積及相應(yīng)側(cè)壁面傾斜角度變化會對相變材料接觸熔化和對流換熱產(chǎn)生顯著影響，從而導(dǎo)致相變材料熔化性能的改變.為評估上述參數(shù)變化對相變材料熔化性能的影響，本文以底面/頂面半徑比（β）作為特征參數(shù)，在保持封裝結(jié)構(gòu)高度和體積分別為0.055 m 和1.74e-04 m3的基礎(chǔ)上，基于所建傳熱模型對以下五種典型封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化性能進(jìn)行了對比分析，其封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示，物理模型簡圖如圖8 所示.

表2 封裝結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)Tab.2 Structure parameter of containers

圖8 五種典型封裝結(jié)構(gòu)型式簡圖Fig.8 Schematic diagram of five typical containers

圖9 為上述五種封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料液相體積分?jǐn)?shù)變化曲線圖.由圖9 可知，不同封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料液相體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化趨勢基本一致，在熔化初期相變材料的熔化速率最大，隨著熔化過程的進(jìn)行，熔化效率會逐漸降低，但其完全熔化時間存在較大的差異，如表3 所示.

圖9 不同結(jié)構(gòu)封裝相變材料液相體積分?jǐn)?shù)對比圖Fig.9 Comparison of the PCM liquid volume fraction in different containers

表3 封裝相變材料的完全熔化時間Tab.3 Total melting time of PCM

顯然，當(dāng)封裝結(jié)構(gòu)由倒圓錐型向倒圓臺型與圓柱型轉(zhuǎn)變時，相變材料完全熔化時間先上升后下降.與倒圓錐型結(jié)構(gòu)相比，倒圓臺型與圓柱型結(jié)構(gòu)封裝相變材料的完全熔化時間更長，說明β 的增大使得熔化過程中固態(tài)相變材料對側(cè)壁處液態(tài)相變材料的擠壓力減小，液態(tài)層厚度增大，導(dǎo)致側(cè)壁面?zhèn)鳠崴俾蚀蠓档?，且表面積的減小同樣會降低表面?zhèn)鳠崃?，?dǎo)致相變材料熔化速率降低；而圓柱型結(jié)構(gòu)封裝相變材料完全熔化時間相比倒圓臺型結(jié)構(gòu)有所下降，可能是β 的增大同時會加強(qiáng)底面接觸熔化與液態(tài)相變材料的自然對流，彌補(bǔ)了側(cè)壁面接觸熔化的削弱以及表面積減小導(dǎo)致壁面?zhèn)鳠崃康慕档?，從而使得相變材料熔化性能微弱上?

當(dāng)封裝結(jié)構(gòu)由圓柱型向正圓臺型和正圓錐型轉(zhuǎn)變時，相變材料完全熔化時間持續(xù)顯著降低.其主要原因是，β 的增大促進(jìn)了液態(tài)相變材料的自然對流換熱以及底面處的接觸熔化，此外，表面積的增大進(jìn)一步加強(qiáng)熱流體與封裝結(jié)構(gòu)之間的傳熱，從而有效提高相變材料的熔化性能.一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，與倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料完全熔化時間（2 520 s）相比，正圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料完全熔化僅需2 100 s，熔化性能提高了16.7%.這說明與倒圓錐結(jié)構(gòu)相比，雖然正圓錐結(jié)構(gòu)內(nèi)固態(tài)相變材料在側(cè)壁面處的接觸熔化性能相對較弱，但其內(nèi)部液態(tài)相變材料的自然對流換熱效果要遠(yuǎn)強(qiáng)于倒圓錐型結(jié)構(gòu)，且倒圓錐型結(jié)構(gòu)側(cè)壁面處的Rayleigh-Bernard 環(huán)流會加大該處液態(tài)層厚度，削弱相變材料接觸熔化性能，從而導(dǎo)致正圓錐結(jié)構(gòu)封裝相變材料熔化性能更好.因此，在相變材料封裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計過程中，應(yīng)同時考慮固態(tài)相變材料與加熱壁面的接觸熔化以及液態(tài)相變材料的自然對流作用，才能實現(xiàn)封裝結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計.

盡管實際應(yīng)用中圓錐型封裝結(jié)構(gòu)可以有效提高相變材料的熔化性能，但與傳統(tǒng)圓柱型結(jié)構(gòu)相比，其對空間的利用率較低，不利于封裝結(jié)構(gòu)的布置.針對該問題，一種可行的方法是將正圓錐型結(jié)構(gòu)與倒圓錐型結(jié)構(gòu)間隔布置，在有效提高空間利用率的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)蓄熱量以及蓄熱效率的同時提高.

4 結(jié)論

本文提出在不改變圓柱型封裝結(jié)構(gòu)體積的基礎(chǔ)上，通過減小其底面/頂面半徑比形成側(cè)壁面傾斜的倒圓錐型封裝結(jié)構(gòu)，使得固態(tài)相變材料受重力作用向下運(yùn)動時可充分與側(cè)壁面緊密接觸并發(fā)生接觸熔化，從而實現(xiàn)對相變材料熔化效率的有效提高，并通過建立相應(yīng)熔化傳熱模型對倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料的熔化性能進(jìn)行了深入分析.主要結(jié)論如下：

1）與圓柱型結(jié)構(gòu)相比，倒圓錐型結(jié)構(gòu)可充分利用固態(tài)相變材料與側(cè)壁面間的接觸熔化，從而有效提高相變材料的熔化性能.其中，倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料完全熔化需2 520 s，與圓柱型結(jié)構(gòu)相比縮短了690 s，熔化性能提高了21.5%.

2）倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料熔化過程中，除固態(tài)相變材料與側(cè)壁面間的接觸熔化外，液態(tài)相變材料的自然對流對相變材料熔化性能也具有重要影響，且側(cè)壁面處形成的Rayleigh-Bernard 環(huán)流會加大該處液態(tài)層厚度，導(dǎo)致相變材料接觸熔化性能有所削弱.

3）相比倒圓錐型結(jié)構(gòu)，正圓錐型結(jié)構(gòu)封裝的相變材料熔化性能提高了16.7%.因此，在相變材料封裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計中應(yīng)同時考慮接觸熔化以及液態(tài)相變材料自然對流的作用.同時，為了有效提高相變蓄熱水箱空間利用率并減小布置難度，在實際應(yīng)用中可將正圓錐型與倒圓錐型結(jié)構(gòu)間隔布置，在有效利用空間的基礎(chǔ)上實現(xiàn)水箱蓄熱量和蓄熱效率的同時提高.

在此工作基礎(chǔ)上，考慮到用戶用水行為會對水箱內(nèi)溫度分布以及封裝相變材料的熔化過程產(chǎn)生較大的影響，未來應(yīng)基于用戶用水行為建立相應(yīng)的數(shù)值傳熱模型，以進(jìn)一步優(yōu)化研究不同參數(shù)（相變材料熱物性及封裝結(jié)構(gòu)幾何尺寸等）以及相變材料封裝結(jié)構(gòu)布置方式對相變材料熔化性能的影響.此外，為了探究其在實際太陽能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用，應(yīng)進(jìn)一步將該相變蓄熱水箱與太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行耦合，以探究其對系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響.