熱電技術在綠色建筑的應用研究

普希望，申利梅，劉威，張騰

（1-華為技術有限公司，廣東東莞 523808；2-華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430074）

0 引言

隨著可再生能源的應用，綠色建筑引起了越來越多的關注。綠色建筑開始成為未來新型建筑設計的目標。傳統空調系統中的制冷設備使用的CFCs、HCFCs等制冷劑，因其是臭氧層空洞和溫室效應主要誘因，面臨淘汰壓力[1]。由于不使用制冷劑，熱電制冷技術被作為代替傳統空調系統的綠色制冷方法[2]。熱電制冷/熱技術直接利用直流電，方便熱電制冷系統與能夠提供直流電的新能源系統整合[3]。

研究者們在熱電制冷/制熱[4]和熱電發電[5]進行了很多研究。對于熱電制冷/制熱的供電系統，現有的研究主要為太陽能驅動的熱電空調系統[6]。熱電發電的研究包括理論[7]和實驗研究[8]，如通過增加熱電發電模塊冷熱端溫差提高熱電發電的效率或者使用更好的熱電材料。太陽能光伏板和熱電發電模塊可以互補，TIAN等[9]提出一種光伏-熱電混合系統，使用熱電模塊冷卻光伏板的背部，以提高光伏板的發電效率。

在不同氣候條件下，對熱電技術在綠色建筑領域應用的研究非常少。本研究首次對不同氣候條件下，熱電制冷和熱電發電技術在綠色建筑應用時的性能。

1 理論分析

1.1 太陽能熱電輻射空調系統

本文將熱電制冷系統和熱電發電系統（Thermoelectric Generation，TEG）同時應用于綠色建筑，熱電制冷系統主要包括熱電輻射系統（Thermoelectric Radiant Conditioning，TE-RC）和熱電置換通風系統（Themoelectric Displacement Ventilation，TE-DV），TE-RC和TE-DV主要用來保證綠色建筑內的熱舒適性和新鮮空氣。TEG系統整合了太陽能光伏板，以提高綠色電能的發電量。TEG同時回收太陽能熱水系統多余的熱量用來發電。

1.2 建筑能效評估

采用太陽能熱電輻射空調系統的建筑物，建筑物內部的能耗是TE-RC、TE-DV與其他耗電裝置（電燈、電腦等）的總和，可用公式(1)計算得到。

式中：

Qtot——建筑物內部總耗能，W；

QRA——輻射空調系統耗能，W；

QTE-DV——熱電置換通風系統耗能，W；

Qother——建筑物內部其他耗電裝置的能耗，W。

對于采用吊頂輻射板的建筑物，輻射板的換熱包括對流換熱和輻射換熱兩種換熱形式。對流部分換熱量的求解采用BEHNE等[10]提出的模型，輻射部分的換熱量采用張倫[11]的計算模型。

式中：

Ta——空氣的溫度，K；

Tpm——輻射板表面的平均溫度值，K；

AUST——圍護結構的平均溫度值，K。

熱電輻射空調系統只能負擔室內的顯熱負荷，對于室內的冷負荷卻無能為力。因此需要結合使用TE-RC與TE-DV，這樣既能滿足室內的負荷條件，又能保證室內的空氣質量。

式中：

Qc——熱電模塊的制冷量，W；

Qh——熱電模塊的制熱量，W；

QTE-DV——TE-DV冷卻和再熱階段的總制冷和制熱量，W；

Kc——TE模塊的導熱系數，W/(m·K)；

Tc——熱電模塊冷端溫度，K；

Th——熱電模塊熱端溫度，K；

Rc——熱電冷端換熱熱阻，(m2?K)/W；

Rh——熱電熱端換熱熱阻，(m2?K)/W；

I——通入TEC的電流值，A；

N1——冷卻階段所需的熱電片數量；

N2——制熱階段所需的熱電片數量。

冷卻和制熱階段熱電模塊的能耗Pc和Ph，可用公式(7)和(8)分別計算。

式中：

Pc——冷卻階段熱電模塊的能耗，W；

Ph——冷卻階段熱電模塊的能耗，W。

熱電置換通風系統中熱電片數量設置依據熱電置換通風系統的COP。基于這個原因，熱電置換通風系統的COP取TEC模塊的綜合COPt，可由公式(9)計算得到。

在太陽能光伏與熱電發電（Solar Photovoltaic Panels-Thermoelectric Generator，SPV-TEG）系統中，熱電發電模塊（Thermoelectric Generator，TEG）和太陽能光伏板（Photovoltaic Panels，PV）相結合提高總發電量，結合形式如圖1所示。在SPV-TEG系統中，TEG貼附于PV的背部，吸收PV背部的熱量從而降低PV背部的溫度，另外，TEG通過吸收PV背部的熱量可產生更多的電能。

圖1 SPV-TEG系統示意圖

為將SPV-TEG系統與傳統的SPV系統性能相比較，SPV-TEG系統的發電量可用式(10)計算。式(13)等式右邊第一項代表PV板的發電量，第二項代表TEG產生的附加電量。

式中：

PSPV-TEG——SPV-TEG系統發電量，W；

ηSPV——PV板的發電效率；

A——PV板的總面積，m2；

ηTEG——TEG的發電效率；

τ——玻璃的透射率，取τ=0.95[16]；

G——太陽輻射密度，W/m2。

TEG模塊的發電效率可用式(11)計算得到：

式中：

Ig——TEG的輸出電流，A；

Rl——TEG外接負荷值，Ω；

αg——TEG的塞貝克系數，V/K；

Rg——TEG的電阻值，Ω；

Th——TEG的熱端溫度，K；

Tc——TEG的冷端溫度，K。

2 數值計算結果與分析

2.1 建筑全年逐時負荷與空調系統性能分析

中國的氣候條件可以劃分為5個典型區域：嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、溫和地區、夏熱冬暖地區[12]。針對每一個氣候區域，選取5個城市（沈陽、鐵干里克、武漢、昆明、香港）作為代表城市進行研究。文中用TRNSYS軟件建立一個4 m×5 m×3.5 m的房間。依據ASHRAE和中國的空調設計手冊，房屋內的溫度夏季設定值是26 ℃、冬季為22 ℃。ASHARE推薦的室內設定溫度夏季為23 ℃～26 ℃，冬季為21 ℃～24 ℃[13]；而中國空調設計手冊推薦的室內設定溫度夏季值是24 ℃～28 ℃，冬季是18 ℃～22 ℃[14]。房間內有兩位住戶，兩臺電腦，產熱量均為200 W[2]。

香港地區不推薦建筑外墻使用保溫層，其他4個城市的建筑外墻結構的選擇依據GB 50189-2015設計標準的整體換熱需求[15]。5個城市的南墻和北墻的窗墻比分別為25%和30%。計算得到5個城市的全年逐時負荷圖如圖2所示。

TE-RC系統與TE-PAU系統作為房間的空調系統。5個城市空調系統綜合性能結果如圖3所示。

圖2 全年逐時負荷圖

圖3 不同城市空調系統月平均COP圖

從5個城市的全年逐時負荷圖可以看出，香港和昆明地區負荷主要集中在夏季，但昆明的全年最大負荷值在5個城市中最低；武漢、沈陽和鐵干里克地區的空調系統運行時間高于香港和昆明地區，也消耗更多電能。

從5個城市的空調系統月平均COP圖能夠得到，在上述5個典型城市中TE-RC與TE-PAU組合成的空調系統COP的全年變化趨勢，各城市的空調系統性能全年運行情況良好，全年月平均COP能達到1.85～3.85。COP在香港地區出現0值的原因是香港地區在1月至3月期間，空調系統不需運行。二者組成的空調系統，在鐵干里克地區COP最低，最低值為1.85；在昆明地區月平均COP在大部分月份里高于其他地區。出現上述現象的原因是鐵干里克地區比其他地區的溫差波動大，昆明地區的溫差波動最小。因此TE-RC系統與TE-PAU系統組合成的空調系統不僅能滿足室內舒適性條件，還可提高系統的COP，該系統更適合在與昆明地區有類似氣候條件的地區推廣。

2.2 不同地區SPV-TEG的全年逐時發電量

在SPV-TEG發電系統中，PV板背部的TEG模塊利用PV板的余熱產生電能。由公式(10)計算得到SPV-TEG在5個典型城市運行時產生的全年逐時發電量，不同城市的發電量如圖4所示。

圖4 全年逐時發電量

根據5個城市的全年SPV-TEG系統全年逐時發電量圖可以得到SPV-TEG的總發電量除香港外，其他4個城市的SPV-TEG發電量峰值均出現在夏季，主要原因是因為SPV-TEG系統受環境溫度和太陽輻射密度的影響較大，香港地區環境溫度和太陽輻射密度最高。計算得到SPV-TEG系統總運行效率，沈陽和鐵干里克的最高，達0.302，武漢和昆明為0.289，香港的最低，為0.280。可見鐵干里克地區的SPV-TEG系統性能最優，主要原因是PV板和TEG模塊的性能均受冷熱端溫度影響，說明在鐵干里克類似的氣候地區SPV-TEG系統更適于推廣。

傳統的SPV系統（即未與TEG模塊結合的SPV發電系統）在5個城市運行的全年總發電量最大值出現在鐵干里克，系統最大運行總效率為0.145，沈陽和鐵干里克地區的系統運行效率最大，香港地區最差。可見SPV-TEG系統發電量比SPV系統有很大提高，主要是SPV-TEG系統的總效率高于SPV系統。對于SPV-TEG系統的應用，在沈陽和鐵干里克相應的氣候條件的地區更適于推廣。

2.3 不同地區系統能量收支分析

圖5給出了在5個城市中TE-RC系統和TE-DV系統的全年綜合總能耗以及SPV-TEG全年總發電量。圖中將空調系統的能耗與發電系統的發電量進行對比分析。

圖5 系統全年能量收支圖

應用熱電發電技術使得系統的發電量大幅度提高。從圖5可以看出空調系統全年的能耗均比發電系統的發電量要高，其中以武漢地區的能耗最高，系統的發電量僅能匹配37%的空調能耗。在香港、昆明、鐵干里克3個地區，發電系統可以為空調系統提供至少59%以上的電能，在昆明地區可以達到70%。香港、昆明地區的空調系統全年能耗在3,100 kW左右，武漢、沈陽和鐵干里克地區的能耗比香港和昆明地區全年能耗高出1,500 kW，因為該氣候地區空調系統全年運行時間以及運行頻率均高于香港和昆明地區，而且在同一時期該氣候地區空調系統的負荷也較大。發電系統在5個不同氣候地區的全年總發電量相近，全武漢地區最低，鐵干里克地區最高，因為發電系統在鐵干里克氣候地區運行時的效率最高。雖各個氣候地區發電系統全年總發電量均未完全滿足空調系統的全年總能耗，但發電系統可以為空調系統降低最少37%、最大70%的能耗，很大程度上減少了空調系統的能量消耗。

3 結論

在不同氣候條件下，通過對5個典型代表城市太陽能輻射空調系統的性能分析，得出如下結論：

1）夏熱冬暖地區和溫和地區的建筑物空調系統負荷主要集中在夏季，但溫和地區全年總負荷最低；其他地區的空調系統負荷分布趨勢相似，但空調系統全年運行時間較長，耗電能多；

2）5個地區的TE-RC系統與TE-PAU系統的綜合COP可達1.85～3.85；該系統在氣候寒冷地區的運行性能最差，在氣候溫和地區的運行性能最優；

3）SPV-TEG系統在氣候寒冷地區的運行性能最好，發電效率達0.302，全年總發電量最高；比傳統的SPV系統運行性能高0.157；SPV-TEG系統更適于在寒冷地區推廣；

4）太陽能熱電輻射空調系統可以為建筑節省37%～70%的電能，為綠色建筑設計提供一種新的方案。