基于熱管換熱與半導(dǎo)體制冷技術(shù)的節(jié)能新風(fēng)系統(tǒng)

崔夏昕

摘 要：基于熱管換熱器及半導(dǎo)體制冷片的技術(shù)特點(diǎn)，本文原創(chuàng)性地將上述兩種器件集成于雙向流熱交換新風(fēng)系統(tǒng)。室外進(jìn)風(fēng)與室內(nèi)排氣通過(guò)熱管換熱器進(jìn)行熱量交換，換熱效率高、熱量傳遞快，且換熱過(guò)程無(wú)任何額外能耗；半導(dǎo)體制冷片與熱管散熱器相結(jié)合，用于室外進(jìn)風(fēng)與室內(nèi)排氣間的熱量傳遞，完成新風(fēng)的二次再熱和再冷，既無(wú)需制冷劑，亦無(wú)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備和管路系統(tǒng)，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體工作電流大小即可在一定范圍內(nèi)控制新風(fēng)出口溫度，變換直流電極性即可實(shí)現(xiàn)冷端與熱端對(duì)調(diào)。本新風(fēng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、操控便捷、可靠性高、維護(hù)量小、占用空間少、無(wú)交叉污染，在保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的基礎(chǔ)上有效地降低了供熱和空調(diào)負(fù)荷。

關(guān)鍵詞：熱管換熱；半導(dǎo)體制冷；節(jié)能；新風(fēng)系統(tǒng)

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑能耗每年占國(guó)家能源總消耗量的三分之一，[1-2]在建筑能耗構(gòu)成中，室內(nèi)制冷與供暖系統(tǒng)約占2/3，照明系統(tǒng)約占1/4，剩余為其它電器設(shè)備所消耗，建筑降耗的重點(diǎn)工作在于減少制冷與供暖系統(tǒng)的能源消耗。[3]

近幾年我國(guó)出重拳治理環(huán)境污染，成果亦較為顯著。但受制于當(dāng)前技術(shù)水平和國(guó)情，污染和重污染天氣仍屢見(jiàn)不鮮，使得人們“談霾色變”，自然通風(fēng)換氣的機(jī)會(huì)或時(shí)間亦大大減小和縮短。即使每天能夠保持一定時(shí)間的自然通風(fēng)，但無(wú)疑會(huì)降低人體的舒適感，并增加空調(diào)或供熱系統(tǒng)的能耗。

本文將熱管換熱器和半導(dǎo)體制冷/制熱模塊以及PLC控制模塊應(yīng)用于雙向流熱交換新風(fēng)系統(tǒng)，完成新風(fēng)的預(yù)熱/預(yù)冷與再熱/再冷、除濕、增濕和系統(tǒng)的自動(dòng)控制，較目前常用的轉(zhuǎn)輪式、板翅式、溶液吸收式及板式新風(fēng)系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)具有換熱效率高、熱量傳遞快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間少、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)量少、無(wú)交叉污染的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)原理

新風(fēng)換氣機(jī)是新風(fēng)系統(tǒng)的核心部件，氣-氣熱交換器是決定新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能效率、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行可靠性等問(wèn)題的關(guān)鍵所在。[4]

1.1 熱管換熱器

本新風(fēng)系統(tǒng)中，室外進(jìn)風(fēng)的預(yù)熱和預(yù)冷由熱管換熱器完成。熱管換熱器由一簇水平放置的吸液芯式熱管管束按照一定間隔均勻排列固定在框架內(nèi)，每根熱管外壁焊接鋁、銅制薄鰭片，增大換熱面積。典型熱管由鋼、銅、鋁制的管殼、吸液芯和端蓋組成，將管殼內(nèi)抽成真空并充以適量的導(dǎo)熱工質(zhì)，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿工質(zhì)后加以密封而成。當(dāng)熱管一端受熱，導(dǎo)熱工質(zhì)汽化，從熱源吸收汽化潛熱；氣體在微小的壓差下流向另一端，并向外界釋放潛熱后凝結(jié)成液體，液體沿多孔材料回流至受熱段；工質(zhì)在管內(nèi)的氣化和冷凝循環(huán)不已，熱量由熱管一端快速傳至另一端。熱管的熱阻很小，其導(dǎo)熱能力超過(guò)任何已知金屬，[5]具有傳熱效率高、熱量傳遞迅速、等溫特良好、傳熱方向可逆、結(jié)構(gòu)緊湊，適用溫度范圍廣、安全性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。[6-9]

1.2 半導(dǎo)體制冷/制熱模塊

本系統(tǒng)室外進(jìn)風(fēng)的二次再熱和再冷過(guò)程是基于半導(dǎo)體制冷片實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)建立于塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)理論基礎(chǔ)上。接通直流電，半導(dǎo)體制冷片的冷端從熱源持續(xù)吸收熱量，此即為制冷量，連同所消耗的電熱功一起從熱端的散熱器不斷地釋放到環(huán)境中，此即為制熱量；通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流大小可控制制冷功率；改變直流電的極性，冷端和熱端對(duì)調(diào)，熱量遷移方向改變。工作過(guò)程既無(wú)制冷劑，又無(wú)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備和盤(pán)管，一個(gè)模塊即可代替分立的加熱和制冷系統(tǒng)，而且制冷量精確可調(diào)，制冷及傳熱速度快，尺寸小、重量輕、無(wú)噪音、無(wú)磨損、運(yùn)行可靠、維護(hù)便捷、壽命長(zhǎng)。[10-12]

為了提高半導(dǎo)體制冷和散熱效率，降低冷、熱端溫差，本新風(fēng)系統(tǒng)選用同容量的熱管散熱器分別貼合在半導(dǎo)體的冷端和熱端，組成半導(dǎo)體制冷/制熱模塊。在冷端，使熱源熱量快速傳遞到制冷片；在熱端，使熱量快速釋放至冷源，兩端的熱管散熱器均采用空氣強(qiáng)迫對(duì)流方式散熱。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)的新風(fēng)換氣機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖所示，新風(fēng)換氣機(jī)借助進(jìn)風(fēng)和排氣管路可聯(lián)通室內(nèi)與室外環(huán)境。新風(fēng)換氣機(jī)的中間縱向隔板，將換氣機(jī)內(nèi)部分隔為室外進(jìn)風(fēng)通道和室內(nèi)排氣通道，進(jìn)風(fēng)與排氣完全隔離，避免交叉污染。依照氣流方向，將構(gòu)成系統(tǒng)的各部件功用分述如下。

新風(fēng)換氣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

室外進(jìn)風(fēng)與室內(nèi)排氣風(fēng)機(jī)為相同型號(hào)的靜音調(diào)速軸流風(fēng)機(jī)，便于通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較精確地控制進(jìn)風(fēng)與排氣流量。

氣流緩沖室可使室外進(jìn)風(fēng)和室內(nèi)排氣相對(duì)均勻地流經(jīng)復(fù)合濾網(wǎng)和排氣濾網(wǎng)，既提高凈化和過(guò)濾效果，又延長(zhǎng)了濾網(wǎng)使用壽命。

復(fù)合濾網(wǎng)由前置濾網(wǎng)層、PET層、H11級(jí)HEPA層、活性炭層和PET層構(gòu)成，室外進(jìn)風(fēng)流經(jīng)復(fù)合濾網(wǎng)，其所含的PM2.5、粉塵、花粉、異味、甲醛、細(xì)菌、過(guò)敏原等污染物被濾除。室內(nèi)排氣濾網(wǎng)用來(lái)濾除排氣雜質(zhì)，減少熱管換熱器和熱管散熱器表面附著物，降低臟污對(duì)傳熱效率及半導(dǎo)體制冷、制熱性能的影響。

熱管換熱器用于進(jìn)風(fēng)與排氣間高效、快速地?zé)峤粨Q。吸液芯熱管因其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)作用，因此傳熱方向可逆，任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，另一端向外散熱就成為冷凝段，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)冬天回收排氣熱量和夏天釋放熱量至排氣，不需改變其管道布置和氣流方向。在春秋時(shí)節(jié)，即使室內(nèi)外空氣的溫差較小，因熱管良好的等溫特性，熱管換熱器亦可維持進(jìn)風(fēng)與排氣之間快速高效的換熱過(guò)程。

半導(dǎo)體制冷片上下并列安裝于新風(fēng)換氣機(jī)的中間隔板，其冷、熱端的熱管散熱器上下并列布置，充滿室外進(jìn)風(fēng)通道和室內(nèi)排氣通道的喉部，以提高流經(jīng)散熱器的氣體流速，增強(qiáng)吸熱和散熱效果。半導(dǎo)體冷端可對(duì)空氣進(jìn)行有效除濕，[13-15]空氣中水分遇冷凝結(jié)并附著于熱管散熱器上，從而可大幅降低出口新風(fēng)濕度，熱管散熱器上的凝結(jié)水通過(guò)疏水管路排出新風(fēng)換氣機(jī)。本系統(tǒng)的半導(dǎo)體制冷所需能量主要源于太陽(yáng)能，通過(guò)光伏發(fā)電方式將低品位的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為高品位的電能，該部分由太陽(yáng)能光伏組件、電源控制器以及配套的蓄電池構(gòu)成。

抽屜式水盒是位于進(jìn)風(fēng)通道底部的扁平狀敞口集水盒。北方冬季時(shí)節(jié)室外空氣干燥，盒內(nèi)裝有一定量的純凈水，具有一定流速的再熱新風(fēng)流經(jīng)水盒時(shí)與純凈水表面充分接觸，加速水分蒸發(fā)，在一定程度上提高了出口新風(fēng)的濕度。

PLC控制模塊、液晶觸控屏以及相關(guān)的傳感器和無(wú)線發(fā)射及接收模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器共同組成新風(fēng)系統(tǒng)控制單元，并安裝于新風(fēng)出口通道外殼上。新風(fēng)出口通道內(nèi)部安裝溫度、濕度、風(fēng)速、PM2.5、花粉濃度傳感器，采集新風(fēng)參數(shù)并實(shí)時(shí)傳輸至控制單元；安放于室內(nèi)的PM2.5、粉塵濃度以及異味傳感器采集室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)，通過(guò)ZigBee實(shí)時(shí)傳送至控制單元；進(jìn)風(fēng)與排氣風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、半導(dǎo)體制冷制熱模塊運(yùn)行狀態(tài)以及太陽(yáng)能控制器電壓信號(hào)傳輸至控制單元，相關(guān)參數(shù)顯示于液晶觸控屏?？刂茊卧鶕?jù)所接收的參數(shù)，比照對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)值的上限和下限，其差值超出設(shè)定范圍后自動(dòng)啟停新風(fēng)系統(tǒng)。

新風(fēng)系統(tǒng)采用雙路電源供電。第一路由市電AC220V經(jīng)開(kāi)關(guān)電源提供DC12V電源；第二路由蓄電池提供DC12V電源，半導(dǎo)體制熱制冷模塊由雙電源供電?？刂茊卧?、進(jìn)風(fēng)和排氣風(fēng)機(jī)由第一路電源供電。

3 系統(tǒng)運(yùn)行

在液晶觸控屏上設(shè)定相關(guān)參數(shù)限值，選擇人工模式手動(dòng)啟停新風(fēng)系統(tǒng)，也可選擇自動(dòng)模式，根據(jù)室內(nèi)空氣參數(shù)自動(dòng)啟停新風(fēng)系統(tǒng)。當(dāng)室內(nèi)空氣污濁程度達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，控制單元同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)風(fēng)機(jī)，延時(shí)60秒后接通半導(dǎo)體制冷片電路，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。冬季時(shí)節(jié)，室外進(jìn)風(fēng)溫度低于室內(nèi)空氣，流經(jīng)復(fù)合濾網(wǎng)后的室外新風(fēng)通過(guò)熱管換熱器時(shí)，吸收室內(nèi)排氣熱量，完成新風(fēng)的預(yù)熱；半導(dǎo)體冷端處于排氣側(cè)，通過(guò)熱管散熱器進(jìn)一步吸收室內(nèi)排氣熱量，并將該熱量通過(guò)半導(dǎo)體熱端的熱管散熱器傳遞至流經(jīng)其表面的預(yù)熱新風(fēng)，完成新風(fēng)二次再熱；再熱新風(fēng)流經(jīng)抽屜式水盒后提高了其水分含量，經(jīng)新風(fēng)出口通道進(jìn)入室內(nèi)；室內(nèi)排氣經(jīng)兩次放熱后通過(guò)排氣管路排向室外。夏季時(shí)節(jié)，室外進(jìn)風(fēng)溫度高于室內(nèi)空氣，流經(jīng)復(fù)合濾網(wǎng)后的室外新風(fēng)通過(guò)熱管換熱器時(shí)，向室內(nèi)排氣釋放熱量，完成新風(fēng)的預(yù)冷；控制單元自動(dòng)調(diào)換半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電流的極性，半導(dǎo)體熱端與冷端對(duì)調(diào)，其冷端處于進(jìn)風(fēng)側(cè)，通過(guò)熱管散熱器進(jìn)一步吸收預(yù)冷新風(fēng)的熱量，并將該熱量通過(guò)半導(dǎo)體熱端的熱管散熱器傳遞至流經(jīng)其表面的室內(nèi)排氣，完成新風(fēng)二次再冷，與此同時(shí)，因新風(fēng)所含水分遇冷凝結(jié)，其濕度亦隨之下降，再冷新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)出口通道進(jìn)入室內(nèi)；室內(nèi)排氣經(jīng)兩次吸熱后通過(guò)排氣管路排向室外。當(dāng)室內(nèi)空氣的相關(guān)參數(shù)下降到預(yù)設(shè)值以下時(shí)，控制單元先停止半導(dǎo)體制冷供電，延時(shí)60秒后停運(yùn)風(fēng)機(jī)。

新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，控制單元依照設(shè)定的新風(fēng)出口溫度，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片供電電流的大小，控制制冷量，可在一定范圍內(nèi)精確控制新風(fēng)出口溫度；控制單元實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)能電源控制器輸出電壓，自動(dòng)控制半導(dǎo)體制熱制冷模塊的供電途徑，優(yōu)先選擇蓄電池供電，僅當(dāng)輸出電壓過(guò)低（電池匱電）時(shí)，自動(dòng)切換到市電供電；控制單元通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使流經(jīng)半導(dǎo)體熱端熱管散熱器的空氣流量始終高于冷端散熱器的空氣流量，以此減小冷、熱端溫差，確保冷卻效果，如：冬季時(shí)節(jié)，進(jìn)風(fēng)吸熱，進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于排氣風(fēng)機(jī)，夏季時(shí)節(jié)，排氣吸熱，排氣風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于熱管換熱器與半導(dǎo)體制冷片的技術(shù)特點(diǎn)及其產(chǎn)品的工作屬性，設(shè)計(jì)了新型雙向流熱交換節(jié)能新風(fēng)系統(tǒng)，可高效地完成室外進(jìn)風(fēng)的預(yù)熱/預(yù)冷與再熱/再冷，同時(shí)兼具進(jìn)風(fēng)的除濕與增濕效能。本新風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)異常簡(jiǎn)單、緊湊，換熱效率高、響應(yīng)時(shí)間短，操控便捷、可靠性高、維護(hù)量小，無(wú)交叉污染、占用空間少，使用低品位的清潔能源作為系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)力，適用于提高綠色建筑和普通建筑居室內(nèi)空氣品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的高效與節(jié)能之目的。

根據(jù)不同地區(qū)氣象條件、普通建筑還是綠色建筑、居室面積大小等因素，具體器件的選型仍有待進(jìn)一步試驗(yàn)和優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]甄云亮.暖通空調(diào)和建筑節(jié)能的實(shí)現(xiàn)[J]，居舍，2017，10（下），37.

[2]建筑總能耗占全國(guó)能耗總量的三分之一，發(fā)展綠色建筑刻不容緩！https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1595099933988193196&wfr=spider&for=pc.

[3]熊鐳.全熱交換新風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案研究與仿真分析（D）.武漢：華中科技大學(xué)，2016.

[4]陳亞爭(zhēng)，熊盎然，周雨先.新風(fēng)換氣機(jī)換熱器形式及其應(yīng)用分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2017，36（8）：84-87.

[5]百度百科，https：//baike.baidu.com/item/%E7%83%AD%E7%AE%A1/6971109？fr=aladdin.

[6]周智勇，吳青青，韋中師，等.二次熱回收熱管式空調(diào)系統(tǒng)[J].化工學(xué)報(bào)，2017，68（5）：1823-1832.

[7]張淇淇，陸瓊文，馬偉駿.熱管換熱器在潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2018，48（1）：109-112.

[8]栗慶文，王翌琛，馮春雨.熱管熱回收裝置在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018，3：199.

[9]張志.熱管技術(shù)在數(shù)據(jù)中心散熱中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2018，9：94-97.

[10]田茹.半導(dǎo)體制冷器的應(yīng)用研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2012，25（1）：159-160.

[11]胡良斌，溫宗寶，卿德藩，等.半導(dǎo)體制冷/空氣能熱水器耦合節(jié)能應(yīng)用技術(shù)研究[J].裝備制造技術(shù)，2016，4：185-186.

[12]盧菡涵，劉志奇，徐昌貴，等.半導(dǎo)體制冷技術(shù)及應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013，179（4）：219-221.

[13]成波，王昌龍，李倩雯，等.半導(dǎo)體制冷式除濕干燥裝置的控制系統(tǒng)研制[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，17（1）：67-70.

[14]羅仲，張旭，王勝己，等.半導(dǎo)體制冷器除濕實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2015，36（5）：101-106.

[15]史俊.半導(dǎo)體制冷除濕技術(shù)在端子箱中的應(yīng)用研究[J].通訊世界，2016，1（上）：163-164.