基于熱管換熱與半導(dǎo)體制冷技術(shù)的新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能分析

引言

一、系統(tǒng)原理

1.熱管換熱器

在基于熱管換熱與半導(dǎo)體制冷技術(shù)的新風(fēng)系統(tǒng)中,熱管換熱器用于室外進風(fēng)與室內(nèi)排氣之間的熱交換,完成進風(fēng)的預(yù)熱和預(yù)冷,可實現(xiàn)室外進風(fēng)回收室內(nèi)排氣熱量或釋放熱量至室內(nèi)排氣,無需改變其管道布置和氣流方向。熱管換熱器具有傳熱效率高、等溫性良好、傳熱方向可逆、結(jié)構(gòu)緊湊、適用溫度范圍廣、安全性高等特點[3-4]。

2.半導(dǎo)體制冷、制熱單元

室外進風(fēng)的再熱和再冷是基于半導(dǎo)體制冷片實現(xiàn)的。接通直流,半導(dǎo)體制冷片的冷端從熱源吸收熱量,連同其所消耗的電熱一起從熱端的散熱器釋放到冷源,調(diào)節(jié)工作電流大小可控制制冷功率；改變直流的極性,將冷端和熱端對調(diào),一個單元即可代替分立的加熱和制冷系統(tǒng),制冷及傳熱速度快、尺寸小、重量輕、無噪音與污染、無磨損、運行可靠、適用壽命長[5-6]。為提高半導(dǎo)體制冷和散熱效率,選用熱管散熱器分別貼合在半導(dǎo)體的冷、熱兩端,組成半導(dǎo)體制冷/制熱單元。

二、模型裝置

新風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示,制作的物理模型實物如圖2所示。

圖1

在圖1、圖2兩幅圖中,1為室外進風(fēng)入口管道,2為室內(nèi)排氣入口管道,3為進風(fēng)、排氣濾網(wǎng),4為熱管換熱器,5為半導(dǎo)體制冷/制熱單元,6為室外進風(fēng)風(fēng)機,7為室內(nèi)排氣風(fēng)機,8為新風(fēng)加濕水盒,9為新風(fēng)出口,10為排氣出口,11為水銀溫度計,12為熱電偶溫度計,13為風(fēng)機電源適配器,14為半導(dǎo)體制冷片電源適配器。

表1 模型主要器件

三、試驗過程

試驗地點為河北省保定市區(qū)某20層居民樓房飄窗,室外進風(fēng)管道伸出窗外,窗戶其余部分用貼膜塑料密封,試驗日期為2019年2月9日。接通風(fēng)機的電源,待風(fēng)機運轉(zhuǎn)60s以后,接通半導(dǎo)體制冷片電源,新風(fēng)系統(tǒng)投入運行。手動調(diào)節(jié)調(diào)壓模塊的輸出電壓以控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速,可改變室外進風(fēng)和室內(nèi)排氣流量。

每種工況運行15 min以上,待進風(fēng)與排氣換熱過程趨于動態(tài)平衡后,分別測量并記錄相關(guān)參數(shù),各工況試驗數(shù)據(jù)如表2。表中參數(shù)的單位分別為氣壓k Pa,比熱k J/kg·K,密度kg/m3,流速m/s,流量kg/s,直徑mm,溫度℃,熱量W,電壓V,電流A,功率W。

試驗過程中,使用SM ARTAR866 A熱線式風(fēng)速計測量進出模型的室外進風(fēng)與室內(nèi)排氣風(fēng)速；使用SMARTAS887和鑫思特HT-9815四通道熱電偶溫度計測量模型內(nèi)部各測點溫度,并用六根水銀溫度計同時測量各點溫度,以校正熱電偶溫度計的示數(shù)；使用FLUKE18B多用電表測量風(fēng)機和半導(dǎo)體制冷片的工作電壓和電流；使用WSB-1溫濕度計和HWMB-M1霾表分別測量室內(nèi)外空氣相對濕度和PM2.5濃度。

表2 新風(fēng)系統(tǒng)模型試驗數(shù)據(jù)匯總

四、節(jié)能分析

1.計算公式

空氣密度修正：

進風(fēng)質(zhì)量流量：

排氣質(zhì)量流量：

進風(fēng)預(yù)熱吸熱量：

排氣預(yù)冷放熱量：

進風(fēng)再熱吸熱量：

排氣再冷放熱量：

室內(nèi)排氣帶走熱量：

風(fēng)機消耗電功率：

半導(dǎo)體消耗電功率：

熱管換熱器換熱效率：

半導(dǎo)體制熱效率：

新風(fēng)系統(tǒng)模型的熱效率：

新風(fēng)系統(tǒng)模型節(jié)約能量：

上述各式中：H為試驗地點大氣壓,計算時近似認為等于標準大氣壓,cp為定壓比熱,ρna、ρda分別為對應(yīng)溫度的進風(fēng)和排氣密度,vna、vda分別為進風(fēng)和排氣的入口流速,dna、dda分別為進風(fēng)和排氣入口管道直徑,Unafan、Udafan、Inafan、Idafan分別為進風(fēng)通道和排氣通道的風(fēng)機工作電壓和電流,Usc1、Usc2、Isc1、Isc2分別為兩塊半導(dǎo)體制冷片的工作電壓和電流,tna1、tna2、tna3分別為室外進風(fēng)入口溫度、預(yù)熱溫度和再熱溫度,tda1、tda2、tda3分別為室內(nèi)排氣的入口溫度、預(yù)冷溫度和再冷溫度。

2.計算結(jié)果

將表2中的試驗數(shù)據(jù)代入(1)～(15)式,計算結(jié)果如表3。

表3 試驗計算結(jié)果匯總

分析表2與表3中的數(shù)據(jù)可知：冬季在不同工況下,通過熱管換熱器與半導(dǎo)體制熱單元,室外進風(fēng)從室內(nèi)排氣吸收的熱量遠大于模型運行所消耗的電功率,兩者的差值即模型所節(jié)約的能量,分別為398.80W、345.50W和265.63 W,模型整體熱效率分別為31.74%、33.67%和38.34%,節(jié)能效果非常明顯。根據(jù)GB/T18883-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》：每人每小時從室外引入的新鮮空氣不小于30m3,按照720m3/人·天新風(fēng)計算,使用該模型輸送所需要的新風(fēng),一天可節(jié)約1.85kW·h～2.32kW·h的電量。

五、結(jié)論

基于熱管換熱與半導(dǎo)體制冷的技術(shù)特點及其工作屬性,筆者設(shè)計了新型的雙向流熱交換新風(fēng)系統(tǒng),據(jù)此制作了物理模型,并在北方的冬季進行了試驗。經(jīng)試驗驗證,基于熱管換熱與半導(dǎo)體制冷技術(shù)的新風(fēng)系統(tǒng)是科學(xué)、合理、可行的,且具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、熱量傳遞快、節(jié)能效率高、無交叉污染、占地空間小等特點,實用價值較高。

后期工作考慮在該模型基礎(chǔ)上配置自動控制系統(tǒng),可根據(jù)需要的溫度、室內(nèi)污染程度等參數(shù)自動啟停和調(diào)節(jié)模型運行。根據(jù)不同地區(qū)氣象條件、不同建筑結(jié)構(gòu)、居室面積大小等因素,具體器件的選型仍有待試驗和優(yōu)化。