基于熱電原理的過冷器在家用空調(diào)中應(yīng)用的實驗研究

金聽祥 呂子建（鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院 鄭州 450002）

基于熱電原理的過冷器在家用空調(diào)中應(yīng)用的實驗研究

金聽祥 呂子建
（鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院 鄭州 450002）

在蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)中，增加系統(tǒng)的過冷度可以提高系統(tǒng)的制冷量及其性能系數(shù)。本文設(shè)計了一種基于熱電制冷原理來增加系統(tǒng)過冷度的空調(diào)系統(tǒng)，并在最小制冷，額定制冷和最大制冷三種工況下，對運行過冷裝置前后的空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行實驗對比。結(jié)果表明:采用設(shè)計的過冷器后，冷凝器出口的過冷度分別提高了2.3℃、1.9℃和1.5℃，系統(tǒng)的制冷量分別提高了3.6%、3.2%和4%，系統(tǒng)的性能系數(shù)分別提高了3.7%、3.1%和4.2%。在下一步的實驗中可通過優(yōu)化熱電制冷片的運行工況，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。

空調(diào)器；熱電制冷；過冷度；能效比

在蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)的過冷度可減少節(jié)流損失，通過對流出冷凝器的制冷劑液體進(jìn)行過冷，能有效地提高系統(tǒng)的性能及制冷量，減少高低熱源的溫差，防止制冷劑液體進(jìn)入壓縮機(jī)，對壓縮機(jī)造成損壞［1］。目前所研究的過冷方法，一方面引入了新的能源消耗，另一方面依靠犧牲自身的冷量來獲得過冷，對整個系統(tǒng)而言，并不能達(dá)到節(jié)能的目的［2-4］。

熱電制冷又稱半導(dǎo)體制冷，主要是帕爾貼效應(yīng)在制冷方面的應(yīng)用。熱電元件結(jié)構(gòu)緊湊，運行穩(wěn)定，在很小的溫差下，具有較高的制冷系數(shù)［5-6］，廣泛應(yīng)用于制冷、除濕、發(fā)電等領(lǐng)域［7-10］；而將熱電元件應(yīng)用到蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)中，為系統(tǒng)提供過冷的研究不多，因此具有很好的研究價值。Reinhaed R等［11］在蒸氣壓縮制冷循環(huán)中運用熱電元件對流出冷凝器的制冷劑過冷進(jìn)行理論分析，結(jié)果表明在5℃的過冷下熱電元件具有較高的制冷系數(shù)，制冷系統(tǒng)的COP提高3.5%，如果多個熱電元件串聯(lián)使用，保證熱電元件在較小的溫差下工作，當(dāng)過冷度達(dá)到15℃，系統(tǒng)COP達(dá)到最大值，制冷量提高20%。Winkler等［12］在CO2跨臨界制冷循環(huán)中采用熱電元件進(jìn)行過冷，并將熱電元件的能耗考慮在內(nèi)，整個系統(tǒng)的制冷量提高了20%，系統(tǒng) COP提高了 18%；白澤雨等［13］選用R134a為制冷劑，在汽車空調(diào)系統(tǒng)中運用熱電元件對系統(tǒng)提供過冷，使用焓差法對系統(tǒng)性能進(jìn)行實驗測試，實驗結(jié)果表明采用設(shè)計的過冷器可使冷凝器出口過冷度提高1.5℃，系統(tǒng)COP提高6.5%。

國內(nèi)外學(xué)者在CO2跨臨界循環(huán)中應(yīng)用熱電元件進(jìn)行過冷方面有較多的研究，而對于選用氟利昂類工質(zhì)的制冷系統(tǒng)，研究較少。因此，本文選用制冷劑R410A，在家用空調(diào)系統(tǒng)中使用熱電元件對系統(tǒng)進(jìn)行過冷，采用熱管為熱電元件熱端進(jìn)行散熱，并且在熱管上安裝若干翅片，進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，與常規(guī)的家用空調(diào)進(jìn)行實驗對比，分析系統(tǒng)性能并指出后續(xù)的優(yōu)化方向。

1　實驗裝置與實驗方法

1.1實驗裝置

實驗裝置包括以下三個部分組成:1）實驗樣機(jī)，選用某品牌定頻分體式家用空調(diào)器，室外機(jī)銘牌參數(shù)如表1所示；2）過冷器，安裝于冷凝器出口，對流出冷凝器出口的制冷劑進(jìn)行過冷；3）降壓整流變壓器，作用是將市電220 V交流電轉(zhuǎn)換為12 V直流電供熱電片及軸流風(fēng)扇使用。其中過冷器主要由2個熱電制冷片，1個冷端鋁板換熱器和2個熱端散熱器組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱電制冷片型號為TEC1-12705，規(guī)格為40 mm×40 mm×3.7 mm，基本參數(shù)如表2所示；經(jīng)過對冷凝器出口管路的改造，制冷劑管路與鋁板換熱器充分接觸，使鋁板溫度分布均勻；兩個熱電制冷片分別安裝在鋁板換熱器兩側(cè)，冷端與鋁板換熱器表面接觸，熱電制冷片熱端與熱端散熱器接觸，圖2為室外機(jī)實物圖，圖3為過冷器實物圖。

表1　空調(diào)器室外機(jī)銘牌參數(shù)Tab.1 The outdoor unit′s parameters of room air-conditioner

表2　熱電片性能參數(shù)Tab.2 The performance parameters of thermoelectric element

圖1　過冷器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of sub-cooler

1.1.1冷端換熱器

考慮到制冷劑流路是一種管件，與熱電片不可能充分接觸，對流出冷凝器的制冷劑管路進(jìn)行改造，使管路呈蛇形布置，并貫穿于方形鋁板換熱器中，鋁板尺寸為160 mm×120 mm×22 mm。

1.1.2熱端散熱器

本文使用熱管為制冷片的熱端進(jìn)行散熱，將熱管的蒸發(fā)段鑲嵌于鋁板中，冷凝段安裝翅片，以加強(qiáng)換熱效果，并用2臺DC12V、0.15A直流軸流風(fēng)機(jī)為熱管熱端進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，使空氣具有良好的流動性，獲得最佳散熱效果，保證熱電片熱端熱量及時散出。

1.1.3接觸面

熱電制冷片與鋁板換熱器直接接觸，中間會有空氣存在，空氣是熱的不良導(dǎo)體，嚴(yán)重阻礙熱量在接觸面之間的傳遞。而使用低熱阻的導(dǎo)熱硅膠可以很好的填充接觸面的間隙，將空氣擠出接觸面，減少了半導(dǎo)體制冷片表面和散熱器件之間接觸面的接觸熱阻，從而達(dá)到提升散熱效率的目的。

1.2實驗設(shè)備

實驗在焓差實驗室中進(jìn)行，實驗條件及其精度完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/7725—2004［14］和ISO D5151—94《不帶風(fēng)道的空調(diào)器和熱泵的實驗和測定》的要求。實驗臺包括室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)兩個房間，通過模擬空調(diào)運行時室內(nèi)外側(cè)的環(huán)境條件，運用焓差法測試空調(diào)器運行時的各項參數(shù)。

1.3實驗過程及工況

實驗通過銅-鎳熱電偶進(jìn)行溫度采集，溫度采集點分別布置在壓縮機(jī)進(jìn)排氣口、熱電片熱端、過冷器進(jìn)出口和四組熱管的冷熱端。首先在半導(dǎo)體過冷器未運行時，對實驗樣機(jī)進(jìn)行測試，然后啟動過冷器，再對樣機(jī)在相同工況下進(jìn)行測試，實驗工況如表3所示。

圖2　室外機(jī)實物圖Fig.2 The outdoor unit

圖3　過冷器實物圖Fig.3 The physicalmap of sub-cooler

表3　實驗工況Tab.3 Experiment conditions

2　實驗結(jié)果及分析

2.1過冷度

圖4所示為三種工況下在運行過冷器前后系統(tǒng)的過冷度的變化。由于對冷凝出口管路進(jìn)行了改造，過冷器在未運行時，相當(dāng)于增加了冷凝器的換熱面積，因此在過冷器未運行時也提高了系統(tǒng)的過冷度；在過冷器運行時，三種工況下系統(tǒng)的過冷度分別提高了2.3℃、1.9℃和1.5℃，其中最小運行制冷的過冷度提高最多，額定制冷次之，最大運行制冷最少。由于系統(tǒng)在最大運行制冷工況下，室外側(cè)溫度較高，熱電片運行時冷熱端溫度都有提高，熱端溫度如表4所示，尤其是熱電片的熱端聚集了大量的熱量，不能及時散出，熱量通過熱傳導(dǎo)的方式，從熱端又傳到了熱電片的冷端，造成了熱電制冷片制冷量的減少，制冷效率的降低，過冷度提高較少；因此，可以看出熱電片熱端的散熱效果是影響其制冷性能的一個重要因素。

圖4　運行過冷器前后過冷度的對比圖Fig.4 The subcooling degree of running subcooler and un-running subcooler

表4　熱電片冷熱端溫度Tab.4 The tem perature of therm oelectric element′s cold side and hot side

2.2制冷量

在實驗中使用過冷器前后，系統(tǒng)的制冷量變化如圖5所示，最小制冷工況下系統(tǒng)的制冷量提高了95 W，額定制冷工況下制冷量提高了85 W，最大運行制冷工況下制冷量提高了94 W?？梢园l(fā)現(xiàn)在三種工況下時，過冷度每提高1℃，系統(tǒng)的制冷能力分別提高了41.3W、44.7 W和62.7W。結(jié)果表明:制冷量的增加受蒸發(fā)溫度和冷凝溫度影響，制冷系統(tǒng)在高溫工況下運行時，增加系統(tǒng)的過冷度，能有效提高系統(tǒng)的制冷量。

2.3能效比

三種工況下運行過冷器前后系統(tǒng)的COP的變化，如圖6所示?？梢钥闯觯S著室外溫度的增加，系統(tǒng)的COP呈下降趨勢。在使用過冷器后，在各個工況下系統(tǒng)的COP相對于過冷器使用前都有所提高；其中在最小運行制冷工況下，系統(tǒng)的COP提高了3.7%；在額定工況下，系統(tǒng)的COP提高了3.1%；在最大運行制冷下，系統(tǒng)的COP提高了4.2%。由于系統(tǒng)過冷度的增加，制冷劑在節(jié)流后的干度減小，循環(huán)的單位制冷量增加，因此在使用過冷器后空調(diào)器COP有所提高，尤其是在高溫工況下，系統(tǒng)的COP增加的更多，在一定程度內(nèi)，對由于室外溫度的升高，造成系統(tǒng)COP的下降有一定的抵消作用。

圖5　運行過冷器前后制冷量對比圖Fig.5 The cooling capacity of running subcooler and un-running subcooler

圖6　運行過冷器前后COP對比圖Fig.6 The COP of running subcooler and un-running subcooler

2.4輸入功率

在實驗中熱電制冷片和軸流風(fēng)機(jī)均為耗電設(shè)備，變壓器在運行過程中也存在能量的損耗，實驗測出過冷裝置的功率為120 W?？梢园l(fā)現(xiàn)實驗中熱電片的制冷效率并不高，這是因為在此次實驗中熱電制冷片是在一般工況下運行的，其制冷量和制冷系數(shù)都沒有達(dá)到最佳值。

熱電制冷片存在兩種極限工況:最大制冷量工況和最大制冷系數(shù)工況［16］。在最大制冷量工況中，雖然得到了最大的制冷量，卻消耗了較大的功率，制冷系數(shù)較小；在最大制冷系數(shù)工況下，雖然經(jīng)濟(jì)性好，熱電片耗電少，但是制冷量卻很少。因此在這兩種工況下運行，對系統(tǒng)而言都不能達(dá)到最佳的運行狀態(tài)。而在這兩種工況之間，存在著一個最佳工況，具有較高的制冷量和制冷系數(shù)，熱電片的綜合效益達(dá)到最佳［16］。當(dāng)熱電片的工作溫度、材料性質(zhì)、尺寸、電壓和熱端散熱條件一定時，熱電片的制冷量只受工作電流影響［17］，因此在下一步的實驗中，將對熱電片的工作電流進(jìn)行優(yōu)化，使熱電片在最佳工況下運行，從而提高整個制冷系統(tǒng)的能效。

3　結(jié)論

本文將熱電制冷技術(shù)應(yīng)用到蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)當(dāng)中，為流出冷凝器出口的制冷劑提供過冷，在三種工況下進(jìn)行實驗并與原型機(jī)進(jìn)行實驗對比，由實驗結(jié)果可知:

1）采用設(shè)計的過冷器后，家用空調(diào)在最小制冷，額定制冷和最大制冷工況下運行時與原型機(jī)對比，流出冷凝器的制冷劑的過冷度分別提高了了2.3℃、1.9℃和1.5℃，系統(tǒng)的制冷量分別提高了3.6%、3.2%和4%，系統(tǒng)的COP分別提高了3.7%、3.1% 和4.2%?？梢钥闯鲈黾恿鞒隼淠髦评鋭┑倪^冷度總能提高制冷系統(tǒng)的性能；制冷系統(tǒng)在高溫工況下運行時，通過增加系統(tǒng)的過冷度，能有效提高系統(tǒng)的制冷量。這在一定程度內(nèi)，對由于室外溫度的升高，造成系統(tǒng)COP的下降有一定的彌補作用。

2）熱電制冷片的制冷效果受其自身材料、工作溫度及其熱端的散熱的效果影響，尤其熱電片的熱端散熱效果直接制約熱電片制冷效率的高低。

3）熱電片是在一般工況下運行的，其制冷量和制冷系數(shù)都較低，在下一步的實驗中，應(yīng)對熱電片的工作電流進(jìn)行優(yōu)化，使其在最佳工況下運行，從而提高整個系統(tǒng)的效率。

［1］ 謝英柏，朱海濤，陳祎，等.過冷度對蒸汽壓縮式制冷循環(huán)性能的影響分析［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2014（1）: 41-44.（XIE Yingbai，ZHU Haitao，CHEN Yi，et al. Thermodynamic analysis of influence of subcooling on vapor compression refrigeration cycle［J］.Applied Energy Technology，2014（1）:41-44.）

［2］ 折曉會，殷勇高，張曉松.一種蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)裝置及過冷方法，103398485［P］.2013-11-20.

［3］ 孟慶海，秦海杰，單永明，等.制冷系統(tǒng)中過冷技術(shù)的應(yīng)用與分析［J］.制冷與空調(diào)（北京），2009，9（4）:87-90.（MENG Qinghai，QIN Haijie，SHAN Yongming，et al.Application and analysis of subcooling technology in refrigeration system［J］.Refrigeration and Air-conditioning，2009，9（4）:87-90.）

［4］ 周曉棠，李吉生，趙慶珠.家用空調(diào)中冰蓄冷的應(yīng)用及實驗研究［J］.制冷學(xué)報，2001，22（3）:1-4.（ZHOU Xiaotang，LIJisheng，ZHAO Qingzhu.Experimental study on residential ice-storage air conditioning system［J］.Journal of Refrigeration，2001，22（3）:1-4.）

［5］ 胡韓瑩，朱冬生.熱電制冷技術(shù)的研究進(jìn)展與評述［J］.制冷學(xué)報，2008，29（5）:1-7.（HU Hanying，ZHU Dongsheng.Review of recent thermoelectric refrigeration technology［J］.Journal of Refrigeration，2008，29（5）:1-7.）

［6］ Pottker G，Hrnjak P.Effectof the condenser subcooling on the performance of vapor compression systems［J］.International Journal of Refrigeration，2015，50:156-164.

［7］ 黃翔，孫哲，劉佳莉.分體式蒸發(fā)空調(diào)器的設(shè)計與實驗［J］.制冷學(xué)報，2014，35（5）:38-43.（HUANG Xiang，SUN Zhe，LIU Jiali.Design and test of split evaporative air conditioner［J］.Journal of Refrigeration，2014，35 （5）:38-43.）

［8］ 羅仲，張旭，王勝已，等.半導(dǎo)體制冷器除濕實驗研究［J］.制冷學(xué)報，2015，36（5）:101-106.（LUO Zhong，ZHANG Xu，WANGShengyi，etal.Experimental research on performance optimization of thermoelectric dehumidifier ［J］.Journal of Refrigeration，2015，36（5）:101-106.）

［9］ 鄭江，厲彥忠，王春燕，等，面向LNG汽車的發(fā)動機(jī)排氣與低溫燃料溫差發(fā)電器研究［J］.制冷學(xué)報，2014，35（6）:21-28.（ZHENG Jiang，LI Yanzhong，WANG Chunyan，et al.Study on thermoelectric generators based on exhaust gas and cryogenic fuel for LNG vehicles［J］. Journal of Refrigeration，2014，35（6）:21-28.）

［10］金聽祥，吳彥生.帶有壓縮機(jī)余熱溫差發(fā)電裝置的家用空調(diào)性能的實驗研究［J］.低溫與超導(dǎo)，2015，43 （7）:55-58.（JIN Tingxiang，WU Yansheng.Experimental study for the performance of the household air conditioner with compressor residual heat thermoelectric energy generation device［J］.Cryogenics&Supererconductivity，2015，43（7）:55-58.）

［11］Radermacher R，Yang B，Hwang Y.Integrating alternative and conventional cooling technologies［J］.ASHRAE Journal，2007，49（10）:28-35.

［12］Winkler，Jonathan，Radermacher，et al.Potential benefits of thermoelectric elements used with air-cooled heat exchangers［J］.International Journal of Refrigeration，2008，31（5）:930-942.

［13］白澤雨，門一凡，王宇辰，等.基于半導(dǎo)體熱電原理的空調(diào)過冷器［J］.制冷技術(shù)，2012，32（3）:10-13.（BAI Zeyu，MEN Yifan，WANG Yuchen，et al.Sub-cooler for air conditioner based on thermoelectric effect of semiconductor［J］.Chinese Journal of Refrigeration Technology，2012，32（3）:10-13.）

［14］全國家用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T7725—2004房間空氣調(diào)節(jié)器［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［15］龐云鳳.半導(dǎo)體制冷最優(yōu)工況及散熱強(qiáng)度的理論分析與實驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱商業(yè)大學(xué)，2010.

［16］紀(jì)志堅，楊萍，呂志家，等.TEC制冷系統(tǒng)最佳運行工況的理論分析與試驗研究［J］.制冷與空調(diào)（北京），2015，15（2）:47-50.（JI Zhijian，YANG Ping，LYU Zhijia，et al.Theoretical analysis and experimental research on optimal operation condition of TEC refrigeration system［J］.Refrigeration and Air-conditioning，2015，15 （2）:47-50.）

［17］鄭賢德.制冷原理與裝置［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:117-122.

Jin Tingxiang，male，Ph.D.，associate professor，Schol of Energy& Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，+86 371-63624381，E-mail:txjin@126.com.Research fields:new techniques development for air-conditioning system.

Experimental Research on the Room Air Conditioner w ith Thermoelectric Subcooler

Jin Tingxiang LüZijian
（School of Energy&Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，China）

In the vapor compression refrigeration system，the increasing subcooling degree of air conditioner can improve the refrigerating capacity and the coefficient of performance（COP）.Based on the principle of thermoelectric refrigeration to increase the subcooling degree，the air conditionerwith thermoelectric subcoolerwas designed in this paper.The performance of air conditionerwas tested and compared before and after equipped with the subcooler in the following three operation conditions:theminimum cooling operation condition，the rated cooling operation condition and themaximum cooling operation condition.The results show that，the exit subcooling degrees of condenser at three operation conditions are improved by 2.3℃，1.9℃ and 1.5℃，respectively.The refrigeration capacities of the air conditioner are increased 3.6%，3.2%and 4%，respectively.Meanwhile，the COPs of the air conditioner are increased 3.7%，3.1% and 4%，respectively.In the future，the performance of air conditioner can be improved by the optimization of operation conditions of thermoelectric element.

air conditioner；thermoelectric refrigeration；degree of subcooling；energy efficiency ratio

About the

TB61+1；TM925.1；TN37

A

0253-4339（2016）05-0082-05

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.082

2016年1月30日

簡介

金聽祥，男，博士，副教授，鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院，（0371）63624381，E-mail:txjin@126.com。研究方向:制冷空調(diào)設(shè)備新技術(shù)研究。