劉秋新，潘華陽，王心慰

（武漢科技大學，湖北 武漢 430081）

近零能耗建筑半導體熱電堆空調(diào)器應(yīng)用研究

劉秋新，潘華陽，王心慰

（武漢科技大學，湖北 武漢 430081）

我國近零能耗建筑的研究起步較晚，近年來，我國北方寒冷地區(qū)已有一些近零能耗建筑，但在夏熱冬冷地區(qū)還沒有具體的應(yīng)用工程。文章以武漢地區(qū)為代表，在太陽能光伏發(fā)電和半導體制冷技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，搭建了一套近零能耗建筑半導體電熱堆空調(diào)器的實驗系統(tǒng)。并形成了一套完整的嵌入墻體式太陽能半導體空調(diào)器。通過實驗研究分析半導體空調(diào)器不同因素影響下的制冷或制熱效果。

近零能耗建筑；太陽能光伏發(fā)電；半導體制冷；空調(diào)器

中國建筑能耗約占社會總能耗的30%，目前建筑節(jié)能技術(shù)做得非常好也只能滿足65%的節(jié)能要求。然而對于2020年建筑節(jié)能要達到75%的要求，需要新的途徑實現(xiàn)這一目標。目前，在我國北方寒冷地區(qū)，通過與德國能源署的合作[1]，已經(jīng)有一些比較成功的近零能耗住宅項目。但是在夏熱冬冷地區(qū)，室內(nèi)舒適性較差，還沒有具體的應(yīng)用工程。針對上述要求，本文以夏熱冬冷地區(qū)的代表城市武漢為例，從地區(qū)氣候特點、建筑構(gòu)造與可再生能源利用入手，研究了基于太陽能的近零能耗建筑關(guān)鍵技術(shù)，在太陽能光伏發(fā)電和半導體制冷技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，搭建了一套近零能耗建筑半導體電熱堆空調(diào)器的實驗系統(tǒng),研究太陽能半導體熱電堆空調(diào)器在近零能耗建筑中的應(yīng)用，分析影響太陽能半導體熱電堆空調(diào)器制冷制熱的因素。

在武漢地區(qū)建立了一個小型的近零能耗住宅建筑模型。具體外形尺寸見圖1。

本實驗系統(tǒng)中近零能耗建筑太陽能半導體空調(diào)系統(tǒng)主要由太陽能光伏電池、半導體制冷器、控制器和蓄電池組成。在夏季，將半導體制冷器的冷端置于制冷空間，熱端置于室外散熱，從而達到向空間制冷的效果；在冬季，通過改變通過半導體制冷器的電流方向，從而達到交換半導體冷、熱端的目的，實現(xiàn)冬季向房間制熱的目的。

圖1 實驗模型

溫度是該實驗的一個比較重要的因素，通過數(shù)字溫度計，分別在1、2、3、4、5五個點進行溫度測量，而且每個測量點縱向劃分為5個等分位置點，分別為距離地面高度為0m、0.5m、1m、1.5m、2m的5個位置，最后測量得到每個時間點的溫度分布，得出冬季1月14號～16號室內(nèi)縱向各測點的平均溫度變化，夏季7月10號～12號室內(nèi)縱向各測點的平均溫度變化。

圖2 測點分布圖

圖3 冬季1月14號～16號室內(nèi)地面處測點的平均溫度變化

圖4 冬季1月14號～16號室內(nèi)0.5m高處測點的平均溫度變化

圖5 冬季1月14號～16號室內(nèi)1m高處測點的平均溫度變化

圖6 冬季1月14號～16號室內(nèi)1.5m高處測點的平均溫度變化

圖7 冬季1月14號～16號室內(nèi)2m高處測點的平均溫度變化

圖8 夏季7月10號-12號室內(nèi)地面處測點的平均溫度變化

根據(jù)圖3～圖7可以得到結(jié)論：冬季，從10點到14點室內(nèi)溫度逐漸上升，14點到20點房間溫度基本維持18℃左右，太陽能半導體空調(diào)器運行良好，滿足供暖的需要。

圖9 夏季7月10號-12號室內(nèi)0.5m處測點的平均溫度變化

圖10 夏季7月10號-12號室內(nèi)1m處測點的平均溫度變化

圖11 夏季7月10號-12號室內(nèi)1.5m處測點的平均溫度變化

圖12 夏季7月10號-12號室內(nèi)2m處測點的平均溫度變化

根據(jù)圖8～圖12可以得到結(jié)論：夏季，從10點到14點室內(nèi)溫度有小幅度升高，14點到20點房間溫度逐漸下降，最后能夠維持在26℃左右，達到了制冷的效果。

半導體空調(diào)器的制冷/制熱效果受到工作電流、環(huán)境溫度、蓄電池的使用情況、本文在理論分析的基礎(chǔ)上，通過實驗的方法，分析和研究上述因素對半導體制冷/制熱的影響程度，并得出最優(yōu)的半導體制冷/制熱條件。

為保證輸出電壓的穩(wěn)定性，實驗采用由控制器后輸出的12V直流穩(wěn)壓作為工作電壓，環(huán)境溫度27.8℃，將三組各4塊并聯(lián)后的半導體制冷器與滑動變阻器相連，僅改變工作電流，通過測試不同工作電流對應(yīng)的制冷空間穩(wěn)定后的溫度，實驗結(jié)果如圖13所示。

圖13 制冷空間溫度隨工作電流的變化

從圖13可以看出，隨著電流的增大，制冷空間的溫度先減小后增大，最小值對應(yīng)的工作電流就是半導體制冷器最佳工作電流[2]。產(chǎn)生上述變化規(guī)律的主要原因是當工作電流增大時，冷端制冷量增大，制冷空間溫度降低，但隨著工作電流繼續(xù)增大，半導體制冷器的熱端產(chǎn)熱也繼續(xù)增加，而當熱端的散熱能力不足時，半導體制冷器熱端產(chǎn)生的富余熱量就會向冷端傳遞，導致制冷空間的溫度有所回升。

通過實驗數(shù)據(jù)可知，當通過半導體制冷器的電流約為9.2A時，制冷空間的溫度最低，此時單片制冷器的最佳工作電流約為2.3A。

在其他條件不變時，通過測試環(huán)境溫度分別為23.5℃、28.6℃和33.5℃時半導體制冷器熱端溫度和制冷空間的溫度變化，分析環(huán)境溫度對制冷器制冷效果的影響。

由圖14～圖16可以看出，系統(tǒng)在3種不同溫度的環(huán)境下運行時，前幾個小時降低很快，后基本穩(wěn)定，且環(huán)境溫度越高，制冷空間穩(wěn)定后與環(huán)境溫度差值越大，降溫效果越明顯。

圖14 環(huán)境溫度23.5℃時制冷空間和熱端溫度變化情況

圖15 環(huán)境溫度28.6℃時制冷空間和熱端溫度變化情況

圖16 環(huán)境溫度33.5℃時制冷空間和熱端溫度變化情況

同時，熱端的溫度隨著系統(tǒng)的運行，前幾分鐘升溫很快，然后基本保持不變。通過實驗發(fā)現(xiàn)，制冷器熱端穩(wěn)定后的溫度隨著環(huán)境溫度的增大而增大。這是由于在散熱條件不變的情況下，環(huán)境溫度越高，換熱溫差越小，散熱能力降低導致的。

從系統(tǒng)的初始成本看，蓄電池的成本相對較高，如果能夠在保證制冷效果的前提下，可以不使用蓄電池，這對系統(tǒng)的成本和應(yīng)用將有著重要意義。因此，通過實驗，分析有無蓄電池時系統(tǒng)的制冷效果。

圖17 有、無蓄電池條件下制冷空間溫度的變化情況

由圖17可以看出，在上午9:00之前，有蓄電池的情況下，制冷空間的溫度平穩(wěn)下降，而無蓄電池時，系統(tǒng)不工作，制冷空間與環(huán)境溫度一致；在9:00～13: 30之間，有、無蓄電池兩種情況下，制冷空間的溫度變化曲線趨勢基本一致，有蓄電池比無蓄電池時制冷空間的溫度略低；在中午13:30后，有蓄電池情況下，制冷空間的溫度基本穩(wěn)定，而無蓄電池的情況下，制冷空間的溫度開始逐漸上升。通過實驗可以分析得出，蓄電池的運用可以使得系統(tǒng)的工作更加穩(wěn)定。

通過實驗測試并記錄不同電流情況下，制熱空間穩(wěn)定后的溫度，測試結(jié)果如圖18。

圖18 制熱空間溫度隨電流的變化情況

由圖18可以看出：制熱空間穩(wěn)定后的溫度隨著工作電流的增大而增大，但是，半導體的產(chǎn)熱和產(chǎn)冷是同時進行的，并不是工作電流越高，效果越好，過大的電流可能引起半導體自身熱短路甚至結(jié)構(gòu)毀壞，影響整個系統(tǒng)的運行情況。從圖中可以看出當工作電流在1.5A～2.5A之間時，制熱效果較好。

在其他條件不變時，通過測試環(huán)境溫度分別為7.0℃、10.5℃和12.5℃時的3種不同工況進行測試并記錄，如圖19至圖21所示

圖19 環(huán)境溫度7.0℃時制熱空間隨時間變化情況

圖20 環(huán)境溫度10.5℃時制熱空間隨時間變化情況

圖21 環(huán)境溫度12.5℃時制熱空間隨時間變化情況

由圖19～圖21可以看出：在3種不同工況下，制熱空間的溫度先迅速升高，然后趨于穩(wěn)定，波動幅度微弱。穩(wěn)定后的溫度分別為12.5℃、17.6℃和18.4℃，計算可得制熱空間與環(huán)境之間的溫差為5.5℃、7.1℃和5.9℃。環(huán)境溫度越大，制熱空間穩(wěn)定后與環(huán)境溫度差值不呈線性變化。

通過把近零能耗建筑與太陽能半導體空調(diào)器相結(jié)合，并運用到夏熱冬冷地區(qū)，通過搭建小型實驗平臺得到的制冷/制熱的相關(guān)研究成果如下。

制冷空間的制冷效果受到環(huán)境溫度、工作電流、有無蓄電池和風扇功率等因素的影響。制冷空間穩(wěn)定后的溫度及其與環(huán)境之間的溫差均隨著環(huán)境溫度的增大而增大，制冷空間的溫度隨著工作電流的增大而先減小后增大，最佳工作電流為2.3A左右。同時蓄電池的運用可以使制冷空間的制冷效果更加穩(wěn)定，持續(xù)。風扇的功率越大越有利于熱端熱量的排出，制冷性能也就越好。

但是由于對研究內(nèi)容知識的掌握有限，同時實驗條件、材料設(shè)備的限制，在有些地方考慮得還不是很全面，需要各位專家學者做進一步的研究工作。

[1]彭夢月.被動房在中國北方地區(qū)及夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用的可行性研究[J].建設(shè)科技，2011(5).

[2]DCroom.FurureHorizonsinBuildi Environmental EngineeringTsinghua HVAC,1996,9（24）.

TU831.3

A

1007-7359（2016）05-0069-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.018

劉秋新（1956-），男，湖北武漢人，畢業(yè)于中國地質(zhì)大學，工學博士；高級工程師，注冊公用設(shè)備工程師。