基于热管换热与半导体制冷技术的新风系统节能分析

2019-11-08

中学生数理化(高中版.高考理化) 2019年10期

引言

一、系统原理

1.热管换热器

在基于热管换热与半导体制冷技术的新风系统中,热管换热器用于室外进风与室内排气之间的热交换,完成进风的预热和预冷,可实现室外进风回收室内排气热量或释放热量至室内排气,无需改变其管道布置和气流方向。热管换热器具有传热效率高、等温性良好、传热方向可逆、结构紧凑、适用温度范围广、安全性高等特点[3-4]。

2.半导体制冷、制热单元

室外进风的再热和再冷是基于半导体制冷片实现的。接通直流,半导体制冷片的冷端从热源吸收热量,连同其所消耗的电热一起从热端的散热器释放到冷源,调节工作电流大小可控制制冷功率；改变直流的极性,将冷端和热端对调,一个单元即可代替分立的加热和制冷系统,制冷及传热速度快、尺寸小、重量轻、无噪音与污染、无磨损、运行可靠、适用寿命长[5-6]。为提高半导体制冷和散热效率,选用热管散热器分别贴合在半导体的冷、热两端,组成半导体制冷/制热单元。

二、模型装置

新风系统的结构原理如图1所示,制作的物理模型实物如图2所示。

图1

在图1、图2两幅图中,1为室外进风入口管道,2为室内排气入口管道,3为进风、排气滤网,4为热管换热器,5为半导体制冷/制热单元,6为室外进风风机,7为室内排气风机,8为新风加湿水盒,9为新风出口,10为排气出口,11为水银温度计,12为热电偶温度计,13为风机电源适配器,14为半导体制冷片电源适配器。

表1 模型主要器件

三、试验过程

试验地点为河北省保定市区某20层居民楼房飘窗,室外进风管道伸出窗外,窗户其余部分用贴膜塑料密封,试验日期为2019年2月9日。接通风机的电源,待风机运转60s以后,接通半导体制冷片电源,新风系统投入运行。手动调节调压模块的输出电压以控制风机转速,可改变室外进风和室内排气流量。

每种工况运行15 min以上,待进风与排气换热过程趋于动态平衡后,分别测量并记录相关参数,各工况试验数据如表2。表中参数的单位分别为气压k Pa,比热k J/kg·K,密度kg/m3,流速m/s,流量kg/s,直径mm,温度℃,热量W,电压V,电流A,功率W。

试验过程中,使用SM ARTAR866 A热线式风速计测量进出模型的室外进风与室内排气风速；使用SMARTAS887和鑫思特HT-9815四通道热电偶温度计测量模型内部各测点温度,并用六根水银温度计同时测量各点温度,以校正热电偶温度计的示数；使用FLUKE18B多用电表测量风机和半导体制冷片的工作电压和电流；使用WSB-1温湿度计和HWMB-M1霾表分别测量室内外空气相对湿度和PM2.5浓度。

表2 新风系统模型试验数据汇总

四、节能分析

1.计算公式

空气密度修正：

进风质量流量：

排气质量流量：

进风预热吸热量：

排气预冷放热量：

进风再热吸热量：

排气再冷放热量：

室内排气带走热量：

风机消耗电功率：

半导体消耗电功率：

热管换热器换热效率：

半导体制热效率：

新风系统模型的热效率：

新风系统模型节约能量：

上述各式中：H为试验地点大气压,计算时近似认为等于标准大气压,cp为定压比热,ρna、ρda分别为对应温度的进风和排气密度,vna、vda分别为进风和排气的入口流速,dna、dda分别为进风和排气入口管道直径,Unafan、Udafan、Inafan、Idafan分别为进风通道和排气通道的风机工作电压和电流,Usc1、Usc2、Isc1、Isc2分别为两块半导体制冷片的工作电压和电流,tna1、tna2、tna3分别为室外进风入口温度、预热温度和再热温度,tda1、tda2、tda3分别为室内排气的入口温度、预冷温度和再冷温度。

2.计算结果

将表2中的试验数据代入(1)～(15)式,计算结果如表3。

表3 试验计算结果汇总

分析表2与表3中的数据可知：冬季在不同工况下,通过热管换热器与半导体制热单元,室外进风从室内排气吸收的热量远大于模型运行所消耗的电功率,两者的差值即模型所节约的能量,分别为398.80W、345.50W和265.63 W,模型整体热效率分别为31.74%、33.67%和38.34%,节能效果非常明显。根据GB/T18883-2002《室内空气质量标准》：每人每小时从室外引入的新鲜空气不小于30m3,按照720m3/人·天新风计算,使用该模型输送所需要的新风,一天可节约1.85kW·h～2.32kW·h的电量。