近零能耗建筑半導體熱電堆空調器應用研究

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器應用研究

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，我國北方寒冷地區已有一些近零能耗建筑，但在夏熱冬冷地區還沒有具體的應用工程。文章以武漢地區為代表，在太陽能光伏發電和半導體制冷技術相結合的基礎上，搭建了一套近零能耗建筑半導體電熱堆空調器的實驗系統。并形成了一套完整的嵌入墻體式太陽能半導體空調器。通過實驗研究分析半導體空調器不同因素影響下的制冷或制熱效果。

近零能耗建筑；太陽能光伏發電；半導體制冷；空調器

中國建筑能耗約占社會總能耗的30%，目前建筑節能技術做得非常好也只能滿足65%的節能要求。然而對于2020年建筑節能要達到75%的要求，需要新的途徑實現這一目標。目前，在我國北方寒冷地區，通過與德國能源署的合作[1]，已經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，室內舒適性較差，還沒有具體的應用工程。針對上述要求，本文以夏熱冬冷地區的代表城市武漢為例，從地區氣候特點、建筑構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鍵技術，在太陽能光伏發電和半導體制冷技術相結合的基礎上，搭建了一套近零能耗建筑半導體電熱堆空調器的實驗系統,研究太陽能半導體熱電堆空調器在近零能耗建筑中的應用，分析影響太陽能半導體熱電堆空調器制冷制熱的因素。

在武漢地區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。

本實驗系統中近零能耗建筑太陽能半導體空調系統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號室內縱向各測點的平均溫度變化，夏季7月10號～12號室內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號室內地面處測點的平均溫度變化

圖4 冬季1月14號～16號室內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1m高處測點的平均溫度變化

圖6 冬季1月14號～16號室內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2m高處測點的平均溫度變化

圖8 夏季7月10號-12號室內地面處測點的平均溫度變化

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

圖9 夏季7月10號-12號室內0.5m處測點的平均溫度變化

圖10 夏季7月10號-12號室內1m處測點的平均溫度變化

圖11 夏季7月10號-12號室內1.5m處測點的平均溫度變化

圖12 夏季7月10號-12號室內2m處測點的平均溫度變化

根據圖8～圖12可以得到結論：夏季，從10點到14點室內溫度有小幅度升高，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。

半導體空調器的制冷/制熱效果受到工作電流、環境溫度、蓄電池的使用情況、本文在理論分析的基礎上，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，并得出最優的半導體制冷/制熱條件。

為保證輸出電壓的穩定性，實驗采用由控制器后輸出的12V直流穩壓作為工作電壓，環境溫度27.8℃，將三組各4塊并聯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的制冷空間穩定后的溫度，實驗結果如圖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，最小值對應的工作電流就是半導體制冷器最佳工作電流[2]。產生上述變化規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增大，半導體制冷器的熱端產熱也繼續增加，而當熱端的散熱能力不足時，半導體制冷器熱端產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。

通過實驗數據可知，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，系統在3種不同溫度的環境下運行時，前幾個小時降低很快，后基本穩定，且環境溫度越高，制冷空間穩定后與環境溫度差值越大，降溫效果越明顯。

圖14 環境溫度23.5℃時制冷空間和熱端溫度變化情況

圖15 環境溫度28.6℃時制冷空間和熱端溫度變化情況

圖16 環境溫度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的運行，前幾分鐘升溫很快，然后基本保持不變。通過實驗發現，制冷器熱端穩定后的溫度隨著環境溫度的增大而增大。這是由于在散熱條件不變的情況下，環境溫度越高，換熱溫差越小，散熱能力降低導致的。

從系統的初始成本看，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，這對系統的成本和應用將有著重要意義。因此，通過實驗，分析有無蓄電池時系統的制冷效果。

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下降，而無蓄電池時，系統不工作，制冷空間與環境溫度一致；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的工作更加穩定。

通過實驗測試并記錄不同電流情況下，制熱空間穩定后的溫度，測試結果如圖18。

圖18 制熱空間溫度隨電流的變化情況

由圖18可以看出：制熱空間穩定后的溫度隨著工作電流的增大而增大，但是，半導體的產熱和產冷是同時進行的，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構毀壞，影響整個系統的運行情況。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 環境溫度7.0℃時制熱空間隨時間變化情況

圖20 環境溫度10.5℃時制熱空間隨時間變化情況

圖21 環境溫度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，然后趨于穩定，波動幅度微弱。穩定后的溫度分別為12.5℃、17.6℃和18.4℃，計算可得制熱空間與環境之間的溫差為5.5℃、7.1℃和5.9℃。環境溫度越大，制熱空間穩定后與環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器相結合，并運用到夏熱冬冷地區，通過搭建小型實驗平臺得到的制冷/制熱的相關研究成果如下。

制冷空間的制冷效果受到環境溫度、工作電流、有無蓄電池和風扇功率等因素的影響。制冷空間穩定后的溫度及其與環境之間的溫差均隨著環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定，持續。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。

但是由于對研究內容知識的掌握有限，同時實驗條件、材料設備的限制，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及夏熱冬冷地區應用的可行性研究[J].建設科技，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，畢業于中國地質大學，工學博士；高級工程師，注冊公用設備工程師。