熱電熱管輻射系統(tǒng)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究

摘要：傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)引起的溫室效應(yīng)和臭氧空洞，使得傳統(tǒng)空調(diào)面臨革新的壓力。本文提出一種新型熱電熱管輻射板結(jié)構(gòu)，并對(duì)該新型輻射板的特性進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)對(duì)應(yīng)用該新型輻射板的輻射空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：熱電輻射空調(diào);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(tǒng)HVAC系統(tǒng)中的制冷設(shè)備使用的CFCs、HCFCs等制冷 劑，因其是臭氧層空洞和溫室效應(yīng)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(shù)被作為代替?zhèn)鹘y(tǒng)HVAC系 統(tǒng) 的 綠 色制冷方法［2］。輻射吊頂與其他空調(diào)末端設(shè)備相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，在歐洲地區(qū)，德國(guó)建設(shè)的輻射吊頂總面積在一年內(nèi)就達(dá)到80萬(wàn)平方米［3］。輻射吊頂產(chǎn)品在上世紀(jì)末進(jìn)入北美市場(chǎng)，得到快速地推廣，在加拿大地區(qū)使用輻射吊頂?shù)男陆怯畛^(guò)50%的建筑面 積［4］。歐美國(guó)家流行的金屬輻射是用導(dǎo)熱硅脂和卡套將金屬輻射板和水管連接成一個(gè)整體，擁有低噪聲、負(fù)荷反應(yīng)時(shí)間短、安裝維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)［5］，但由于輻射板和銅制水管之間存在導(dǎo)熱系數(shù)不高的空氣或者導(dǎo)熱硅脂，使得輻射板制冷量不高［6］。

       國(guó)內(nèi)外針對(duì)金屬輻射板、熱管和熱電相結(jié)合的研究還很少［7－8］。本文通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)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(diào)系統(tǒng)的性能。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 新型熱電熱管輻射板的結(jié)構(gòu)

       我國(guó)與歐洲國(guó)家的氣候相比更加潮濕，尤其是位于我國(guó)南方的城市，輻射板在這種氣候下工作極易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，這極大地阻礙了熱電輻射空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用的步伐。結(jié)露現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)使得輻射板的換熱熱阻(包括對(duì)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(gè) 輻 射空調(diào)系統(tǒng) 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(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單示意圖如圖1所示。在新結(jié)構(gòu)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(shù)值計(jì)算

      數(shù)值計(jì)算 基 于MATLAB平 臺(tái)，建 模 中 對(duì) 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(dǎo)熱硅膠連接在一起，冷端采用空氣自然對(duì)流換熱，換熱熱阻Ｒa為0.1K/W，熱端換熱的環(huán)境溫度Tao設(shè)為40°C不變，而冷端換熱的環(huán)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(duì)流換熱，換熱熱阻Ｒa假定為0.1K/W，熱端換熱的環(huán)境溫度Tao假定為22°C不變，冷端換熱的環(huán)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(jì)算公式，結(jié)合熱力學(xué)系統(tǒng)換熱方程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)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(duì)應(yīng)的電流值，將此時(shí)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(shù)?；谏鲜龇治?，數(shù)值計(jì)算的流程圖如圖2所示。

       數(shù)值計(jì)算 結(jié) 果 表 明，當(dāng) 環(huán) 境 溫 度 為40°C，室內(nèi)設(shè)定溫度為26°C(即為輻射板換熱的環(huán)境溫度)時(shí)，這時(shí)熱電模塊處于制冷模式，COP對(duì) 應(yīng) 的 最大值COPmax為2.47，而COPmax相應(yīng)的最適電流值I為1.06A，對(duì)應(yīng)的熱電模塊的制冷量Qc為7.41W;當(dāng)環(huán)境溫度為0°C，室內(nèi)設(shè)定溫度為22°C(即為輻射板室內(nèi)換熱的環(huán)境溫度) ，此時(shí)熱電模塊處于制熱模 式，COP對(duì) 應(yīng) 的 最 大 值COPmax為2.12，而COPmax對(duì)應(yīng)的最適電流值I為1.85A，對(duì)應(yīng)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(shù)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(guò)使用導(dǎo)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(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，故對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，截取一個(gè)尺寸為250mm×250mm的 熱電輻射單元，進(jìn)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(jù)ASHＲAE推 薦 的 室內(nèi)溫度夏季為23～26°C，冬季為21～24°C;而中國(guó)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)書推薦的溫度夏季為24～28°C，冬季為18～22°C，本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)溫度夏季時(shí)是26°C，冬季時(shí) 為22°C。夏 季 時(shí) 熱 電 模 塊 熱 流 量 為－7.41W，自然對(duì)流換熱系數(shù)為15W∕m2·°C，對(duì)流換熱的環(huán)境溫 度26°C;冬季熱電模塊熱流量為18.93W，自然對(duì)流換熱系數(shù)為15W∕m2·°C，對(duì)流換熱的環(huán)境溫度22°C。在求解器中插入溫度，對(duì)熱電熱管輻射板和熱電輻射板分別采用上述設(shè)置，運(yùn)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(shí)驗(yàn)研究

2.1熱電熱管輻射板實(shí)物結(jié)構(gòu)

       熱電熱管輻射板的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只截取輻射板的一個(gè)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(gè)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(duì)鋁金屬板按照熱管的尺寸進(jìn)行開槽處理，通過(guò)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(fā)射率相關(guān)，為強(qiáng)化輻射板的發(fā)射率，對(duì)輻射板表面進(jìn)行鍍鎳處理，經(jīng) 鍍 鎳 處 理 后，輻射板的發(fā)射率提高至0.37，而未鍍鎳處理的輻射板的發(fā)射率僅為0.09。

         圖7為熱管輻射板實(shí)物圖。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

       采用的實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)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(dǎo)熱硅脂的熱電模塊用塑料螺栓進(jìn)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(nèi)部，為了防止熱量散失以及環(huán)境溫度的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在小房間的外側(cè)以及輻射板的背部均敷設(shè)保溫材料。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖8所示。

       對(duì)采用熱管輻射板時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和非熱管輻射板的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn) 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(shí)各測(cè)點(diǎn)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(shí)各測(cè)點(diǎn)的溫度曲線。

2.2.1 制冷模式時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖9和圖11可以看出，在滿足制冷工況的環(huán)境 溫 度 下，裝置運(yùn)行的環(huán)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(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量值的平均值。熱電模塊在輻射板為熱電熱管輻射板時(shí)，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(shí)，熱電模塊冷熱兩端的溫度差值為17.63°C，說(shuō)明熱電模塊在熱電熱管輻射板下的工作性能優(yōu)于非熱管輻射板的工作性能。

       循環(huán)水在水冷換熱器流動(dòng)120分鐘來(lái)模擬水在整個(gè)系統(tǒng)中流動(dòng)換熱一次后的溫升，由 圖 可 得 在120分鐘的換熱時(shí)間內(nèi)，輻射板為非熱管式輻射板時(shí)水溫升高12.07°C，輻射板為熱管式輻射板時(shí)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(jié)約電能。

       從圖中還可得，采用熱電熱管式輻射板的輻射空調(diào)系統(tǒng)，板面平均溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間為58分鐘，穩(wěn)定值為18.53°C，而熱電非熱管式輻射板系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間 為75分 鐘，穩(wěn) 定 值 為17.91°C;由 于 實(shí)驗(yàn)中輻射板背部條件并非完全處于絕熱條件，導(dǎo)致兩者的實(shí)測(cè)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(jié)論是一致的。由于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件的限制，對(duì)于制熱條件的工作環(huán)境無(wú)法滿足0°C的環(huán)境條件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的外界環(huán)境溫度為12°C與13°C之間。

2.2.2 制熱模式時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量值求平均值得到的。熱電模塊在輻射板為熱管輻射板時(shí)，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(shí)，熱電模塊冷熱兩端的溫度差值為29.53°C，說(shuō)明熱電模塊在熱管式輻射板下的工作性能優(yōu)于非熱管式輻射板的工作性能。

       冷端進(jìn)行換熱的水在120分鐘的換熱時(shí)間內(nèi)，水溫基本不變，說(shuō)明在滿足換熱條件的基礎(chǔ)上，水溫不會(huì)出現(xiàn)太大的降幅。

       從圖中還可得制熱時(shí)，采用熱電熱管輻射板的輻射空調(diào)系統(tǒng)，板面平均溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間為69分鐘，穩(wěn)定值為38.82°C，而熱電輻射板系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間為93分鐘，穩(wěn)定值為39.02°C。

3 結(jié)論

       本文提出了一種新型熱電熱管式輻射板結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比分析得到下列結(jié)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(dá)到室內(nèi)環(huán)境舒適度的同時(shí)，節(jié)約電能。

       (3)對(duì)于熱電輻射空調(diào)系統(tǒng)而言，房 間 圍 護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫效果以及輻射板背部的保溫效果對(duì)輻射板和輻射空調(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)的性能。

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