熱電熱管輻射系統數值模擬和實驗研究

摘要：傳統空調系統引起的溫室效應和臭氧空洞，使得傳統空調面臨革新的壓力。本文提出一種新型熱電熱管輻射板結構，并對該新型輻射板的特性進行數值模擬，同時對應用該新型輻射板的輻射空調系統進行了實驗研究。

關鍵詞：熱電輻射空調;熱管;輻射板;COP

Numerical Simulation and Experimental Study of Thermoelectric Heat－pipeＲadiationSystem

Abstract:The green house effect and ozone hole caused by the traditional air conditioning system make the traditional air conditioning system face the pressure of innovation. In this paper a new type of radiant plate structure for thermoelectric heat pipe is proposed and the characteristics of the new type radiant plate are numerically simulated. At the same time the experimental research on the radiation air conditioning system with the new type of radiant plate is carried out.

Keywords:Thermoelectric radiant air－conditioning;Heat－pipe;Ｒadiantpanel;COP

0 引言

        傳統HVAC系統中的制冷設備使用的CFCs、HCFCs等制冷 劑，因其是臭氧層空洞和溫室效應主要誘因，面臨淘汰壓力［1］。由于不使用制冷劑，熱電制冷技術被作為代替傳統HVAC系 統 的 綠 色制冷方法［2］。輻射吊頂與其他空調末端設備相比具有很多優點，在歐洲地區，德國建設的輻射吊頂總面積在一年內就達到80萬平方米［3］。輻射吊頂產品在上世紀末進入北美市場，得到快速地推廣，在加拿大地區使用輻射吊頂的新建樓宇超過50%的建筑面 積［4］。歐美國家流行的金屬輻射是用導熱硅脂和卡套將金屬輻射板和水管連接成一個整體，擁有低噪聲、負荷反應時間短、安裝維護方便的優勢［5］，但由于輻射板和銅制水管之間存在導熱系數不高的空氣或者導熱硅脂，使得輻射板制冷量不高［6］。

       國內外針對金屬輻射板、熱管和熱電相結合的研究還很少［7－8］。本文通過試驗和數值模擬的方法研究了熱電熱管輻射板的板面溫度分布均勻程度、熱惰性，以及采用熱電熱管輻射板的輻射空調系統的性能。

1 數值模擬分析

1.1 新型熱電熱管輻射板的結構

       我國與歐洲國家的氣候相比更加潮濕，尤其是位于我國南方的城市，輻射板在這種氣候下工作極易出現結露現象，這極大地阻礙了熱電輻射空調系統在我國應用的步伐。結露現象的出現會使得輻射板的換熱熱阻(包括對流換熱熱阻以及輻射板與其他換熱 表 面 的 熱 阻)增 大，從 而 影 響 整 個 輻 射空調系統 的 換 熱 性 能。為了提高輻射板的熱均勻性，本章給出一種新的熱電熱管輻射板結構，該結構的簡單示意圖如圖1所示。在新結構中熱電片放置在輻射板背部的幾何中心處，熱管等間距的焊接在金屬輻射板上。

1.2 輻射板數值計算

      數值計算 基 于MATLAB平 臺，建 模 中 對 于 熱電模塊(TEC) ，在制冷模式下，熱端采用水冷換熱，水冷換熱熱阻ＲW為0.0012K/W，冷端與鋁合金輻射板用導熱硅膠連接在一起，冷端采用空氣自然對流換熱，換熱熱阻Ｒa為0.1K/W，熱端換熱的環境溫度Tao設為40°C不變，而冷端換熱的環境溫度Tai假定為26°C不變;在制熱模式下，熱端采用水冷換 熱，換 熱 熱 阻ＲW為0.001K/W，冷 端 采 用空氣自然對流換熱，換熱熱阻Ｒa假定為0.1K/W，熱端換熱的環境溫度Tao假定為22°C不變，冷端換熱的環境溫度Tai假定為0°C不變。

       忽略熱電輻射板其他能量損失，基于熱電模塊的制冷以及制熱的基本計算公式，結合熱力學系統換熱方程進行數學建模，根據一段時間內進出TEC模塊電流值I的不同，得到TEC的冷端溫度Tc和熱端溫度Th，制冷量Qc或制熱量Qh以及最大COP下對應的電流值，將此時的電流值和COP值 作 為熱電輻射板的最佳工作電流和性能參數。基于上述分析，數值計算的流程圖如圖2所示。

       數值計算 結 果 表 明，當 環 境 溫 度 為40°C，室內設定溫度為26°C(即為輻射板換熱的環境溫度)時，這時熱電模塊處于制冷模式，COP對 應 的 最大值COPmax為2.47，而COPmax相應的最適電流值I為1.06A，對應的熱電模塊的制冷量Qc為7.41W;當環境溫度為0°C，室內設定溫度為22°C(即為輻射板室內換熱的環境溫度) ，此時熱電模塊處于制熱模 式，COP對 應 的 最 大 值COPmax為2.12，而COPmax對應的最適電流值I為1.85A，對應的熱電模塊的制熱量Qh為18.93W。

1.3 物理模型建立與熱分析

       基于本課題組之前的研究，采用熱電模塊數量為每平方米16片熱電模塊(TEC1－12706) ，熱電片冷熱兩端分別通過使用導熱硅脂與銅制水冷換熱器和鋁合金輻射板膠合，金屬輻射板的厚度為4mm。由于熱電模塊的結構形狀復雜，故對模型進行了簡化，截取一個尺寸為250mm×250mm的 熱電輻射單元，進行模型的建立與仿真熱分析。

       將視為體熱源的熱電模塊，在其添加熱荷載以及其他的初始邊界條件。根 據ASHＲAE推 薦 的 室內溫度夏季為23～26°C，冬季為21～24°C;而中國的設計指導書推薦的溫度夏季為24～28°C，冬季為18～22°C，本文設計的室內溫度夏季時是26°C，冬季時 為22°C。夏 季 時 熱 電 模 塊 熱 流 量 為－7.41W，自然對流換熱系數為15W∕m2·°C，對流換熱的環境溫 度26°C;冬季熱電模塊熱流量為18.93W，自然對流換熱系數為15W∕m2·°C，對流換熱的環境溫度22°C。在求解器中插入溫度，對熱電熱管輻射板和熱電輻射板分別采用上述設置，運行求解器，得到的兩者輻射板的溫度分布情況如圖3－6所示。

        從圖3－6可以看出熱電熱管輻射板的板面溫度分布比熱電輻射板的板面溫度分布更加均勻。制冷模式下熱電熱管輻射板的最高溫度和最低溫度的差值比熱電輻射板的最高溫度和最低溫度的差值低0.90°C，制熱模式下熱電熱管輻射板的最高溫度和最低溫度的差值比熱電輻射板的最高溫度和最低溫度的差值低2.29°C。

2熱電熱管輻射板的實驗研究

2.1熱電熱管輻射板實物結構

       熱電熱管輻射板的實驗設計只截取輻射板的一個輻射單 元，尺 寸 為250mm×250mm×4mm的 金屬輻射板，輻射板的材料為純鋁。

輻射單元包含4個扁平熱管，扁平熱管的尺寸為250mm×2.5mm×6.5mm，熱 電 模 塊TEC1－12706一塊。對鋁金屬板按照熱管的尺寸進行開槽處理，通過焊接方法將扁平熱管逐一焊接在輻射板上。

        輻射板的換熱性能與輻射板的表面發射率相關，為強化輻射板的發射率，對輻射板表面進行鍍鎳處理，經 鍍 鎳 處 理 后，輻射板的發射率提高至0.37，而未鍍鎳處理的輻射板的發射率僅為0.09。

         圖7為熱管輻射板實物圖。

2.2 實驗方法和實驗結果分析

       采用的實驗裝置主要包括新型的熱電熱管輻射板、熱電輻射板、水冷換熱器、熱電模塊、精密烤箱、數據采集儀、亞克力板小房間、直流電源、水桶。將輻射板、水冷換熱器以及兩端涂有導熱硅脂的熱電模塊用塑料螺栓進行緊固連接，裝配好的輻射板水平的放置在亞克力板小房間上方，作為小房間的房頂。小房間置于精密烤箱內部，為了防止熱量散失以及環境溫度的影響，實驗過程中在小房間的外側以及輻射板的背部均敷設保溫材料。實驗進行時的實驗裝置圖如圖8所示。

       對采用熱管輻射板時的實驗數據和非熱管輻射板的實驗數據進 行 處 理，圖9、圖10為 小 房 間 的屋頂熱電非熱管式輻射板處于制冷/熱模式時各測點的溫度曲線，圖11、圖12為小房間的屋頂熱電熱管輻射板處于制冷/熱模式時各測點的溫度曲線。

2.2.1 制冷模式時的實驗結果分析

從圖9和圖11可以看出，在滿足制冷工況的環境 溫 度 下，裝置運行的環境溫度始終保持在40°C左右。板面平均溫度是輻射板表面各個測點測量值的平均值。熱電模塊在輻射板為熱電熱管輻射板時，熱電模塊冷熱兩端的溫度差值為18.63°C，輻射板為熱電非熱管式輻射板時，熱電模塊冷熱兩端的溫度差值為17.63°C，說明熱電模塊在熱電熱管輻射板下的工作性能優于非熱管輻射板的工作性能。

       循環水在水冷換熱器流動120分鐘來模擬水在整個系統中流動換熱一次后的溫升，由 圖 可 得 在120分鐘的換熱時間內，輻射板為非熱管式輻射板時水溫升高12.07°C，輻射板為熱管式輻射板時水溫升高12.69°C，水溫均有所增加，故能為家庭住戶提供一定的溫度的生活熱水，節約電能。

       從圖中還可得，采用熱電熱管式輻射板的輻射空調系統，板面平均溫度達到穩定時間為58分鐘，穩定值為18.53°C，而熱電非熱管式輻射板系統的穩定時間 為75分 鐘，穩 定 值 為17.91°C;由 于 實驗中輻射板背部條件并非完全處于絕熱條件，導致兩者的實測值均高于仿真值，但熱管式輻射板的板面平均溫度高于非熱管式輻射板的結論是一致的。由于實驗室的實驗條件的限制，對于制熱條件的工作環境無法滿足0°C的環境條件，進行實驗時的外界環境溫度為12°C與13°C之間。

2.2.2 制熱模式時的實驗結果分析

       在制熱工況下，從圖10和圖12可以看出，板面平均溫度同樣是按照輻射板表面各個測點測量值求平均值得到的。熱電模塊在輻射板為熱管輻射板時，熱電模塊冷熱兩端的溫度差值為36.22°C，輻射板為非熱管輻射板時，熱電模塊冷熱兩端的溫度差值為29.53°C，說明熱電模塊在熱管式輻射板下的工作性能優于非熱管式輻射板的工作性能。

       冷端進行換熱的水在120分鐘的換熱時間內，水溫基本不變，說明在滿足換熱條件的基礎上，水溫不會出現太大的降幅。

       從圖中還可得制熱時，采用熱電熱管輻射板的輻射空調系統，板面平均溫度達到穩定時間為69分鐘，穩定值為38.82°C，而熱電輻射板系統的穩定時間為93分鐘，穩定值為39.02°C。

3 結論

       本文提出了一種新型熱電熱管式輻射板結構，通過實驗與仿真結果的對比分析得到下列結論:

       (1)熱電熱管式輻射板的板面溫度分布比熱電非熱管式輻射板的板面溫度分布更加均勻，熱電熱管式輻射板的溫度均勻性更好。

       (2)TEC模塊在熱管式輻射板的條件下其工作性能比非熱管式輻射板的高，能在達到室內環境舒適度的同時，節約電能。

       (3)對于熱電輻射空調系統而言，房 間 圍 護結構的保溫效果以及輻射板背部的保溫效果對輻射板和輻射空調系統的性能影響很大。

       (4)TEC模塊的工作性能以及熱端冷換熱器的換熱效果直接影響輻射空調系統的性能。

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