一種新型熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)的性能研究＊

張 泠，孟方芳，劉忠兵，羅勇強(qiáng)，謝 磊

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

隨著生活水平的改善，人們對(duì)浴室的要求越來越高，節(jié)能是浴室取暖發(fā)展的永恒主題．現(xiàn)有各種浴室用取暖器都存在各自的技術(shù)缺陷：浴霸采用電直接加熱，制熱系數(shù)低，近年來，不斷發(fā)生浴霸爆炸傷人或者強(qiáng)光灼傷幼兒眼睛的悲劇，安全性不高；現(xiàn)有暖風(fēng)機(jī)雖然安全性能得到改善，但同樣采用電能直接加熱，轉(zhuǎn)換效率在0．9左右，能耗較高．

熱電制冷（制熱）系統(tǒng)因具有不需要制冷劑、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)、無噪聲、體積小、可靠性強(qiáng)、制冷制熱快等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛重視．近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者紛紛投入到該課題的理論研究與應(yīng)用探索［1－6］．熱電制熱系統(tǒng)因具有較高的制熱系數(shù)，而被用于熱電熱泵熱水器［7－8］、建筑低品位余熱回收［9］等．劉忠兵等［10］提出了一種廚房余熱回收熱水器，回收廚房煙氣余熱加熱生活用水，不僅減輕了廚房煙氣熱污染，而且比普通電熱水器節(jié)省電耗30%以上；韓天鶴等［11］提出了一種熱電新風(fēng)機(jī)，克服了傳統(tǒng)余熱回收新風(fēng)機(jī)不能主動(dòng)制冷和制熱的缺點(diǎn)，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢．本文基于熱電熱泵通入直流電后制冷、制熱同時(shí)產(chǎn)生且具有較高制熱系數(shù)的特點(diǎn)，提出一種結(jié)構(gòu)簡單的、可回收排風(fēng)余熱的新型浴室用熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)，較好地克服了現(xiàn)有浴室取暖器能耗高的缺點(diǎn)，具有安全、環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)勢．

1 熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)工作原理

熱電熱泵的基本元件是熱電芯片，通入直流電的熱電芯片產(chǎn)生熱端與冷端，若干這樣的熱電芯片并聯(lián)起來，則構(gòu)成一個(gè)熱電熱泵制熱系統(tǒng)．熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)的原理圖和安裝示意圖如圖1和圖2所示，該裝置置于浴室天花板內(nèi)，主要由熱電芯片、加熱風(fēng)道和排風(fēng)風(fēng)道組成，熱電熱泵冷端和熱端分別連接置于排風(fēng)風(fēng)道和加熱風(fēng)道內(nèi)的冷、熱端熱管散熱器．冷、熱端熱管散熱器均采用整體式熱管散熱器，主要由熱管、翅片和熱管底座組成．

圖1 熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)原理圖Fig．1 Schematic diagram of the thermoelectric heat pump air heater

熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)的工作原理：直流電驅(qū)動(dòng)熱電芯片，經(jīng)熱電熱泵作用后產(chǎn)生的熱量與冷量分別與熱端和冷端熱管散熱器換熱，在送風(fēng)機(jī)作用下，浴室內(nèi)空氣通過回風(fēng)口進(jìn)入加熱風(fēng)道，與熱端熱管散熱器進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，被加熱后的空氣經(jīng)送風(fēng)口進(jìn)入浴室；此外，在加熱浴室內(nèi)空氣的同時(shí)，有一部分空氣在排氣風(fēng)機(jī)的作用下，通過排氣風(fēng)道排到室外，這部分空氣進(jìn)入排風(fēng)風(fēng)道內(nèi)，與冷端熱管散熱器進(jìn)行熱交換，提高了熱電芯片冷端的溫度，減少冷熱端的溫差，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)排氣余熱的回收利用，提高了系統(tǒng)的制熱性能．

圖2 熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)安裝示意圖Fig．2 Schematic diagram of the thermoelectric heat pump air heater installation

2 數(shù)值模型

為了對(duì)比市場上常用功率在1 000W 左右暖風(fēng)機(jī)，根據(jù)Ferrotec半導(dǎo)體廠家樣本，本文初步選用型號(hào)為TEC1－12706的熱電芯片，最大工作電壓、最大電流分別為15．4V 和6A，共計(jì)36片，每12片芯片為一組，共3組．風(fēng)機(jī)的輸入功率為21 W，額定流量195m3／h．

根據(jù)能量平衡和熱電制冷（制熱）熱力學(xué)基本理論，得該系統(tǒng)基本方程［12］．

熱端空氣的熱量Qh：

式中：Ta為室內(nèi)溫度，K；Ts為送風(fēng)溫度，K；ρ為空氣密度，kg／m3；Cp為空氣比熱容，kJ／（kg·K）；G為空氣流量，m3／h．

熱電熱泵制熱量Qh和制冷量Qc分別為：

熱電熱泵的工作電壓U為：

系統(tǒng)耗功率P為：

式中：α為熱電熱泵的熱電系數(shù)（塞貝克系數(shù)），V／K；R為熱阻，K／W；K為熱傳導(dǎo)率，W／（m·K）；I為熱電熱泵的工作電流；Th為熱電熱泵熱端溫度，K；Tc為熱電熱泵冷端溫度，K；Th－Tc為冷熱端溫差，K；n為熱電芯片個(gè)數(shù)．

熱端熱管散熱器和冷端熱管散熱器傳熱方程：

式中：T′h為與熱端熱管散熱器進(jìn)行熱交換的空氣計(jì)算溫度，K；Rh為熱端熱管散熱器的熱阻，K／W；Tc＇為冷端熱管散熱器進(jìn)行熱交換的空氣計(jì)算溫度，K；Rc為冷端熱管散熱器的熱阻，K／W．

制熱系數(shù)：

式中：Pf為風(fēng)機(jī)功率，W．

根據(jù)熱電制冷器的數(shù)學(xué)模型［13］，通過對(duì)芯片為7106型號(hào)制冷器模型熱電系數(shù)αM，熱阻RM和熱傳導(dǎo)率KM的轉(zhuǎn)化，求熱電偶對(duì)數(shù)N為127，最大電流INew為6A 的熱電芯片內(nèi)參數(shù)，公式如下：

迭代計(jì)算如圖3所示系統(tǒng)模擬流程圖．

3 結(jié)果分析與討論

為了評(píng)估熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)的制熱性能，通過建立數(shù)學(xué)模型，模擬了在不同的室內(nèi)溫度下，工作電壓及冷熱端熱管散熱器熱阻對(duì)暖風(fēng)機(jī)制熱性能的影響．

圖4描述了冷熱端熱管散熱器熱阻均為0．001K／W 時(shí)，系統(tǒng)制熱量隨室內(nèi)溫度的變化情況．從圖4可以看出，隨著室內(nèi)溫度的升高，電壓一定時(shí)，制熱量基本不變，但電壓越高，制熱量越大，這是因?yàn)楣ぷ麟妷涸礁撸涠撕蜔岫司哂休^大的熱流密度．當(dāng)工作電壓取5 V時(shí)，制熱量約為1 000W．

圖5描述了冷熱端熱管散熱器熱阻均為0．001K／W 時(shí)，系統(tǒng)的送風(fēng)溫度隨室內(nèi)溫度的變化情況．從圖5可以看出，隨著加熱過程的進(jìn)行，室內(nèi)溫度逐漸升高，送風(fēng)溫度逐漸升高，電壓越高，送風(fēng)溫度越高．

圖6描述了冷熱端熱管散熱器熱阻一定時(shí)，系統(tǒng)的制熱系數(shù)隨室內(nèi)溫度的變化情況．從圖6可以看出，隨著室內(nèi)溫度的升高，COP呈增大趨勢，但電壓越低，COP越大，工作電壓為4V 時(shí)，COP在3．2左右，而當(dāng)工作電壓為6V 時(shí)，COP在2．4左右，兩者相差0．8．因?yàn)楣ぷ麟妷涸礁?，冷端和熱端較大的熱流密度導(dǎo)致熱電芯片的冷、熱端溫差越大，而冷、熱端溫差越大，COP越?。瑫r(shí)，隨著室內(nèi)溫度的升高，熱電熱泵冷端回收浴室余熱，減少了冷熱端溫差，保證系統(tǒng)COP 維持在較高水平．工作電壓為5 V 時(shí)，COP 值為2．6～2．9．綜合考慮制熱量和COP，工作電壓選擇5V 較適宜．從圖5和圖6可以看出，隨著浴室溫度逐漸升高，高溫高濕的空氣通過冷端既可以排到室外，又能回收排風(fēng)中潛在的能量，減小熱電熱泵冷熱端溫差，從而提高了熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)的制熱性能．

圖3 系統(tǒng)模擬流程圖Fig．3 Flow chart of the system simulation

圖4 制熱量Qh與室內(nèi)溫度Ta的關(guān)系Fig．4 Relationship between heating capacity and indoor temperature

工作電壓取5V，冷熱端熱管散熱器熱阻為不同值時(shí)，COP與室內(nèi)溫度的關(guān)系如圖7所示．從圖7中可以看出，隨著室內(nèi)溫度的升高，3種熱阻情況下的COP 均逐漸增大，且冷熱端熱管散熱器熱阻越小，COP越大，這是因?yàn)槔涠藷峁苌崞鳠嶙柙叫?，散熱器換熱效率越高，從而使得COP越大．

圖5 送風(fēng)溫度Ts與室內(nèi)溫度Ta的關(guān)系Fig．5 Relationship between supply air temperature and indoor temperature

圖6 制熱系數(shù)COP與室內(nèi)溫度Ta的關(guān)系Fig．6 Relationship between coefficient of performance and indoor temperature

圖7 不同冷熱端熱管散熱器熱阻下，制熱系數(shù)COP與室內(nèi)溫度Ta的關(guān)系Fig．7 Relatlonship between heating coefficient of performance and indoor temperature under different thermal resistance at hot and cold sides of heat pipe

4 結(jié) 論

本文利用熱電熱泵制熱效率高的特點(diǎn)，提出了一種利用熱電熱泵制熱且可回收余熱的浴室用熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)，建立了熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，研究了在不同環(huán)境溫度下，工作電壓及冷熱端熱管散熱器熱阻對(duì)暖風(fēng)機(jī)制熱性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）在熱電芯片總數(shù)一定的情況下，工作電壓越高，制熱量越大．電壓從4V 升高到6V 時(shí)，電壓越高制熱系數(shù)越低．綜合考慮暖風(fēng)機(jī)的制熱系數(shù)和制熱量，暖風(fēng)機(jī)工作電壓宜取5V．

2）冷熱端散熱器熱阻越小，系統(tǒng)制熱系數(shù)越高．適當(dāng)減小系統(tǒng)冷熱端散熱熱阻，有利于提高系統(tǒng)制熱性能的經(jīng)濟(jì)性．

3）隨著室內(nèi)溫度升高，熱電熱泵冷端溫度越高，暖風(fēng)機(jī)制熱系數(shù)越高，暖風(fēng)機(jī)制熱系數(shù)最高可達(dá)2．9．相比直接電加熱轉(zhuǎn)換效率為0．9，本文研究的熱電熱泵暖風(fēng)機(jī)節(jié)能效果明顯．

［1］徐德勝．半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，1992：7－12．

XU De－sheng．Thermoelectric refrigeration and application technology［M］．Shanghai：Shanghai Jiaotong University Press，1992：7－12．（In Chinese）

［2］ZHAO Dong－liang，TAN Gang．A review of thermoelectric cooling：materials，modeling and applications［J］．Applied Thermal Engineering，2014，66（1）：15－24．

［3］COSNIER M，F(xiàn)RAISSE G，LUO Ling－ai．An experimental and numerical study of a thermoelectric air－cooling and air－h(huán)eating system［J］．International Journal of Refrigeration，2008，31（6）：1051－1062．

［4］LI Tao，TANG Guang－fa，GONG Guang－cai，etal．Investigation of prototype thermoelectric domestic－ventilator［J］．Applied Thermal Engineering，2009，29（10）：2016－2021．

［5］REDDY B V K，BARRY M，LI J，etal．Mathematical modeling and numerical characterization of composite thermoelectric devices［J］．International Journal of Thermal Sciences，2013，67：53－63．

［6］LIU Zhong－bing，ZHANG Ling，GONG Guang－cai．Experimental evaluation of a solar thermoelectric cooled ceiling combined with displacement ventilation system［J］．Energy Conversion and Management，2014，87：559－565．

［7］羅清海，湯廣發(fā)，黃文勝，等．熱電熱泵與熱虹吸管組合的新型熱水器的研究［J］．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，33（5）：35－40．

LUO Qing－h(huán)ai，TANG Guang－fa，HUANG Wen－sheng，etal．Investigation on a novel water heater integrating thermoelectric heat pump with thermo－siphon［J］．Journal of Hunan University：Natural Sciences，2006，33（5）：35－40．（In Chinese）

［8］莫志姣，張泠，劉忠兵，等．熱電熱泵儲(chǔ)水式熱水器的實(shí)驗(yàn)研究［J］．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（12）：129－132．

MO Zhi－jiao，ZHANG Ling，LIU Zhong－bing，etal．Investigation on a thermoelectric heat pump storage water heater［J］．Journal of Hunan University：Natural Sciences，2009，36（12）：129－132．（In Chinese）

［9］LIU Di，ZHAO Fu－yun，TANG Guang－fa．Active low－grade energy recovery potential for building energy conservation［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14（9）：2736－2747．

［10］劉忠兵，張泠，徐敏，等．廚房余熱回收熱電熱泵儲(chǔ)水式熱水器的研究［J］．太陽能學(xué)報(bào)，2011，32（5）：650－654．

LIU Zhong－bing，ZHANG Ling，XU Min，etal．Investigation on a thermoelectric heat pump storage water heater exhaust heater with exhaust heat recovery from kitchens［J］．Acta Energiae Solaris Sinica，2011，32（5）：650－654．（In Chinese）

［11］HAN Tian－h(huán)e，GONG Guang－cai，LIU Zhong－bing，etal．Optimum design and experimental study of a thermoelectric ventilator［J］．Applied Thermal Engineering，2014，67（1）：529－539．

［12］LIU Zhong－bing，ZHANG Ling，GONG Guang－cai，etal．Experimental study and performance analysis of a solar thermoelectric air conditioner with hot water supply［J］．Energy and Buildings，2015，86：619－625．

［13］李維林，劉繁明，陳玲．基于半導(dǎo)體致冷器數(shù)學(xué)模型的TEC制冷系統(tǒng)的效率估算［J］．應(yīng)用科技，2003，30（5）：20－22．

LI Wei－lin，LIU Fan－ming，CHEN Ling．Mathematics－based modeling of thermoelectric cooling module calculation of thermoelectric module cooling system performance［J］．Applied Science and Technology，2003，30（5）：20－22．（In Chinese）