近零能耗建筑半導(dǎo)體熱電堆空調(diào)器應(yīng)用研究

劉秋新，潘華陽(yáng)，王心慰

（武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081）

近零能耗建筑半導(dǎo)體熱電堆空調(diào)器應(yīng)用研究

劉秋新，潘華陽(yáng)，王心慰

（武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081）

我國(guó)近零能耗建筑的研究起步較晚，近年來(lái)，我國(guó)北方寒冷地區(qū)已有一些近零能耗建筑，但在夏熱冬冷地區(qū)還沒(méi)有具體的應(yīng)用工程。文章以武漢地區(qū)為代表，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電和半導(dǎo)體制冷技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，搭建了一套近零能耗建筑半導(dǎo)體電熱堆空調(diào)器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。并形成了一套完整的嵌入墻體式太陽(yáng)能半導(dǎo)體空調(diào)器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析半導(dǎo)體空調(diào)器不同因素影響下的制冷或制熱效果。

近零能耗建筑；太陽(yáng)能光伏發(fā)電；半導(dǎo)體制冷；空調(diào)器

中國(guó)建筑能耗約占社會(huì)總能耗的30%，目前建筑節(jié)能技術(shù)做得非常好也只能滿足65%的節(jié)能要求。然而對(duì)于2020年建筑節(jié)能要達(dá)到75%的要求，需要新的途徑實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。目前，在我國(guó)北方寒冷地區(qū)，通過(guò)與德國(guó)能源署的合作[1]，已經(jīng)有一些比較成功的近零能耗住宅項(xiàng)目。但是在夏熱冬冷地區(qū)，室內(nèi)舒適性較差，還沒(méi)有具體的應(yīng)用工程。針對(duì)上述要求，本文以夏熱冬冷地區(qū)的代表城市武漢為例，從地區(qū)氣候特點(diǎn)、建筑構(gòu)造與可再生能源利用入手，研究了基于太陽(yáng)能的近零能耗建筑關(guān)鍵技術(shù)，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電和半導(dǎo)體制冷技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，搭建了一套近零能耗建筑半導(dǎo)體電熱堆空調(diào)器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究太陽(yáng)能半導(dǎo)體熱電堆空調(diào)器在近零能耗建筑中的應(yīng)用，分析影響太陽(yáng)能半導(dǎo)體熱電堆空調(diào)器制冷制熱的因素。

在武漢地區(qū)建立了一個(gè)小型的近零能耗住宅建筑模型。具體外形尺寸見(jiàn)圖1。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中近零能耗建筑太陽(yáng)能半導(dǎo)體空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能光伏電池、半導(dǎo)體制冷器、控制器和蓄電池組成。在夏季，將半導(dǎo)體制冷器的冷端置于制冷空間，熱端置于室外散熱，從而達(dá)到向空間制冷的效果；在冬季，通過(guò)改變通過(guò)半導(dǎo)體制冷器的電流方向，從而達(dá)到交換半導(dǎo)體冷、熱端的目的，實(shí)現(xiàn)冬季向房間制熱的目的。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

溫度是該實(shí)驗(yàn)的一個(gè)比較重要的因素，通過(guò)數(shù)字溫度計(jì)，分別在1、2、3、4、5五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量，而且每個(gè)測(cè)量點(diǎn)縱向劃分為5個(gè)等分位置點(diǎn)，分別為距離地面高度為0m、0.5m、1m、1.5m、2m的5個(gè)位置，最后測(cè)量得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度分布，得出冬季1月14號(hào)～16號(hào)室內(nèi)縱向各測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化，夏季7月10號(hào)～12號(hào)室內(nèi)縱向各測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化。

圖2 測(cè)點(diǎn)分布圖

圖3 冬季1月14號(hào)～16號(hào)室內(nèi)地面處測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化

圖4 冬季1月14號(hào)～16號(hào)室內(nèi)0.5m高處測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化

圖5 冬季1月14號(hào)～16號(hào)室內(nèi)1m高處測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化

圖6 冬季1月14號(hào)～16號(hào)室內(nèi)1.5m高處測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化

圖7 冬季1月14號(hào)～16號(hào)室內(nèi)2m高處測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化

圖8 夏季7月10號(hào)-12號(hào)室內(nèi)地面處測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化

根據(jù)圖3～圖7可以得到結(jié)論：冬季，從10點(diǎn)到14點(diǎn)室內(nèi)溫度逐漸上升，14點(diǎn)到20點(diǎn)房間溫度基本維持18℃左右，太陽(yáng)能半導(dǎo)體空調(diào)器運(yùn)行良好，滿足供暖的需要。

圖9 夏季7月10號(hào)-12號(hào)室內(nèi)0.5m處測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化

圖10 夏季7月10號(hào)-12號(hào)室內(nèi)1m處測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化

圖11 夏季7月10號(hào)-12號(hào)室內(nèi)1.5m處測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化

圖12 夏季7月10號(hào)-12號(hào)室內(nèi)2m處測(cè)點(diǎn)的平均溫度變化

根據(jù)圖8～圖12可以得到結(jié)論：夏季，從10點(diǎn)到14點(diǎn)室內(nèi)溫度有小幅度升高，14點(diǎn)到20點(diǎn)房間溫度逐漸下降，最后能夠維持在26℃左右，達(dá)到了制冷的效果。

半導(dǎo)體空調(diào)器的制冷/制熱效果受到工作電流、環(huán)境溫度、蓄電池的使用情況、本文在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，分析和研究上述因素對(duì)半導(dǎo)體制冷/制熱的影響程度，并得出最優(yōu)的半導(dǎo)體制冷/制熱條件。

為保證輸出電壓的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)采用由控制器后輸出的12V直流穩(wěn)壓作為工作電壓，環(huán)境溫度27.8℃，將三組各4塊并聯(lián)后的半導(dǎo)體制冷器與滑動(dòng)變阻器相連，僅改變工作電流，通過(guò)測(cè)試不同工作電流對(duì)應(yīng)的制冷空間穩(wěn)定后的溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 制冷空間溫度隨工作電流的變化

從圖13可以看出，隨著電流的增大，制冷空間的溫度先減小后增大，最小值對(duì)應(yīng)的工作電流就是半導(dǎo)體制冷器最佳工作電流[2]。產(chǎn)生上述變化規(guī)律的主要原因是當(dāng)工作電流增大時(shí)，冷端制冷量增大，制冷空間溫度降低，但隨著工作電流繼續(xù)增大，半導(dǎo)體制冷器的熱端產(chǎn)熱也繼續(xù)增加，而當(dāng)熱端的散熱能力不足時(shí)，半導(dǎo)體制冷器熱端產(chǎn)生的富余熱量就會(huì)向冷端傳遞，導(dǎo)致制冷空間的溫度有所回升。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)通過(guò)半導(dǎo)體制冷器的電流約為9.2A時(shí)，制冷空間的溫度最低，此時(shí)單片制冷器的最佳工作電流約為2.3A。

在其他條件不變時(shí)，通過(guò)測(cè)試環(huán)境溫度分別為23.5℃、28.6℃和33.5℃時(shí)半導(dǎo)體制冷器熱端溫度和制冷空間的溫度變化，分析環(huán)境溫度對(duì)制冷器制冷效果的影響。

由圖14～圖16可以看出，系統(tǒng)在3種不同溫度的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，前幾個(gè)小時(shí)降低很快，后基本穩(wěn)定，且環(huán)境溫度越高，制冷空間穩(wěn)定后與環(huán)境溫度差值越大，降溫效果越明顯。

圖14 環(huán)境溫度23.5℃時(shí)制冷空間和熱端溫度變化情況

圖15 環(huán)境溫度28.6℃時(shí)制冷空間和熱端溫度變化情況

圖16 環(huán)境溫度33.5℃時(shí)制冷空間和熱端溫度變化情況

同時(shí)，熱端的溫度隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，前幾分鐘升溫很快，然后基本保持不變。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，制冷器熱端穩(wěn)定后的溫度隨著環(huán)境溫度的增大而增大。這是由于在散熱條件不變的情況下，環(huán)境溫度越高，換熱溫差越小，散熱能力降低導(dǎo)致的。

從系統(tǒng)的初始成本看，蓄電池的成本相對(duì)較高，如果能夠在保證制冷效果的前提下，可以不使用蓄電池，這對(duì)系統(tǒng)的成本和應(yīng)用將有著重要意義。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分析有無(wú)蓄電池時(shí)系統(tǒng)的制冷效果。

圖17 有、無(wú)蓄電池條件下制冷空間溫度的變化情況

由圖17可以看出，在上午9:00之前，有蓄電池的情況下，制冷空間的溫度平穩(wěn)下降，而無(wú)蓄電池時(shí)，系統(tǒng)不工作，制冷空間與環(huán)境溫度一致；在9:00～13: 30之間，有、無(wú)蓄電池兩種情況下，制冷空間的溫度變化曲線趨勢(shì)基本一致，有蓄電池比無(wú)蓄電池時(shí)制冷空間的溫度略低；在中午13:30后，有蓄電池情況下，制冷空間的溫度基本穩(wěn)定，而無(wú)蓄電池的情況下，制冷空間的溫度開始逐漸上升。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以分析得出，蓄電池的運(yùn)用可以使得系統(tǒng)的工作更加穩(wěn)定。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試并記錄不同電流情況下，制熱空間穩(wěn)定后的溫度，測(cè)試結(jié)果如圖18。

圖18 制熱空間溫度隨電流的變化情況

由圖18可以看出：制熱空間穩(wěn)定后的溫度隨著工作電流的增大而增大，但是，半導(dǎo)體的產(chǎn)熱和產(chǎn)冷是同時(shí)進(jìn)行的，并不是工作電流越高，效果越好，過(guò)大的電流可能引起半導(dǎo)體自身熱短路甚至結(jié)構(gòu)毀壞，影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。從圖中可以看出當(dāng)工作電流在1.5A～2.5A之間時(shí)，制熱效果較好。

在其他條件不變時(shí)，通過(guò)測(cè)試環(huán)境溫度分別為7.0℃、10.5℃和12.5℃時(shí)的3種不同工況進(jìn)行測(cè)試并記錄，如圖19至圖21所示

圖19 環(huán)境溫度7.0℃時(shí)制熱空間隨時(shí)間變化情況

圖20 環(huán)境溫度10.5℃時(shí)制熱空間隨時(shí)間變化情況

圖21 環(huán)境溫度12.5℃時(shí)制熱空間隨時(shí)間變化情況

由圖19～圖21可以看出：在3種不同工況下，制熱空間的溫度先迅速升高，然后趨于穩(wěn)定，波動(dòng)幅度微弱。穩(wěn)定后的溫度分別為12.5℃、17.6℃和18.4℃，計(jì)算可得制熱空間與環(huán)境之間的溫差為5.5℃、7.1℃和5.9℃。環(huán)境溫度越大，制熱空間穩(wěn)定后與環(huán)境溫度差值不呈線性變化。

通過(guò)把近零能耗建筑與太陽(yáng)能半導(dǎo)體空調(diào)器相結(jié)合，并運(yùn)用到夏熱冬冷地區(qū)，通過(guò)搭建小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得到的制冷/制熱的相關(guān)研究成果如下。

制冷空間的制冷效果受到環(huán)境溫度、工作電流、有無(wú)蓄電池和風(fēng)扇功率等因素的影響。制冷空間穩(wěn)定后的溫度及其與環(huán)境之間的溫差均隨著環(huán)境溫度的增大而增大，制冷空間的溫度隨著工作電流的增大而先減小后增大，最佳工作電流為2.3A左右。同時(shí)蓄電池的運(yùn)用可以使制冷空間的制冷效果更加穩(wěn)定，持續(xù)。風(fēng)扇的功率越大越有利于熱端熱量的排出，制冷性能也就越好。

但是由于對(duì)研究?jī)?nèi)容知識(shí)的掌握有限，同時(shí)實(shí)驗(yàn)條件、材料設(shè)備的限制，在有些地方考慮得還不是很全面，需要各位專家學(xué)者做進(jìn)一步的研究工作。

[1]彭夢(mèng)月.被動(dòng)房在中國(guó)北方地區(qū)及夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用的可行性研究[J].建設(shè)科技，2011(5).

[2]DCroom.FurureHorizonsinBuildi Environmental EngineeringTsinghua HVAC,1996,9（24）.

TU831.3

A

1007-7359（2016）05-0069-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.018

劉秋新（1956-），男，湖北武漢人，畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，工學(xué)博士；高級(jí)工程師，注冊(cè)公用設(shè)備工程師。