基于熱管換熱與半導體制冷技術的節能新風系統

崔夏昕

摘 要：基于熱管換熱器及半導體制冷片的技術特點，本文原創性地將上述兩種器件集成于雙向流熱交換新風系統。室外進風與室內排氣通過熱管換熱器進行熱量交換，換熱效率高、熱量傳遞快，且換熱過程無任何額外能耗；半導體制冷片與熱管散熱器相結合，用于室外進風與室內排氣間的熱量傳遞，完成新風的二次再熱和再冷，既無需制冷劑，亦無復雜的機械設備和管路系統，調節半導體工作電流大小即可在一定范圍內控制新風出口溫度，變換直流電極性即可實現冷端與熱端對調。本新風系統整體結構簡單緊湊、操控便捷、可靠性高、維護量小、占用空間少、無交叉污染，在保證室內空氣品質的基礎上有效地降低了供熱和空調負荷。

關鍵詞：熱管換熱；半導體制冷；節能；新風系統

據相關數據統計，我國建筑能耗每年占國家能源總消耗量的三分之一，[1-2]在建筑能耗構成中，室內制冷與供暖系統約占2/3，照明系統約占1/4，剩余為其它電器設備所消耗，建筑降耗的重點工作在于減少制冷與供暖系統的能源消耗。[3]

近幾年我國出重拳治理環境污染，成果亦較為顯著。但受制于當前技術水平和國情，污染和重污染天氣仍屢見不鮮，使得人們“談霾色變”，自然通風換氣的機會或時間亦大大減小和縮短。即使每天能夠保持一定時間的自然通風，但無疑會降低人體的舒適感，并增加空調或供熱系統的能耗。

本文將熱管換熱器和半導體制冷/制熱模塊以及PLC控制模塊應用于雙向流熱交換新風系統，完成新風的預熱/預冷與再熱/再冷、除濕、增濕和系統的自動控制，較目前常用的轉輪式、板翅式、溶液吸收式及板式新風系統而言，該系統具有換熱效率高、熱量傳遞快、結構簡單、占用空間少、運行穩定、維護量少、無交叉污染的特點。

1 系統原理

新風換氣機是新風系統的核心部件，氣-氣熱交換器是決定新風系統節能效率、系統結構、運行可靠性等問題的關鍵所在。[4]

1.1 熱管換熱器

本新風系統中，室外進風的預熱和預冷由熱管換熱器完成。熱管換熱器由一簇水平放置的吸液芯式熱管管束按照一定間隔均勻排列固定在框架內，每根熱管外壁焊接鋁、銅制薄鰭片，增大換熱面積。典型熱管由鋼、銅、鋁制的管殼、吸液芯和端蓋組成，將管殼內抽成真空并充以適量的導熱工質，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿工質后加以密封而成。當熱管一端受熱，導熱工質汽化，從熱源吸收汽化潛熱；氣體在微小的壓差下流向另一端，并向外界釋放潛熱后凝結成液體，液體沿多孔材料回流至受熱段；工質在管內的氣化和冷凝循環不已，熱量由熱管一端快速傳至另一端。熱管的熱阻很小，其導熱能力超過任何已知金屬，[5]具有傳熱效率高、熱量傳遞迅速、等溫特良好、傳熱方向可逆、結構緊湊，適用溫度范圍廣、安全性高、壽命長等特點。[6-9]

1.2 半導體制冷/制熱模塊

本系統室外進風的二次再熱和再冷過程是基于半導體制冷片實現的，該技術建立于塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應理論基礎上。接通直流電，半導體制冷片的冷端從熱源持續吸收熱量，此即為制冷量，連同所消耗的電熱功一起從熱端的散熱器不斷地釋放到環境中，此即為制熱量；通過調節工作電流大小可控制制冷功率；改變直流電的極性，冷端和熱端對調，熱量遷移方向改變。工作過程既無制冷劑，又無復雜的機械設備和盤管，一個模塊即可代替分立的加熱和制冷系統，而且制冷量精確可調，制冷及傳熱速度快，尺寸小、重量輕、無噪音、無磨損、運行可靠、維護便捷、壽命長。[10-12]

為了提高半導體制冷和散熱效率，降低冷、熱端溫差，本新風系統選用同容量的熱管散熱器分別貼合在半導體的冷端和熱端，組成半導體制冷/制熱模塊。在冷端，使熱源熱量快速傳遞到制冷片；在熱端，使熱量快速釋放至冷源，兩端的熱管散熱器均采用空氣強迫對流方式散熱。

2 系統構成

本系統的新風換氣機結構如下圖所示，新風換氣機借助進風和排氣管路可聯通室內與室外環境。新風換氣機的中間縱向隔板，將換氣機內部分隔為室外進風通道和室內排氣通道，進風與排氣完全隔離，避免交叉污染。依照氣流方向，將構成系統的各部件功用分述如下。

新風換氣機內部結構示意圖

室外進風與室內排氣風機為相同型號的靜音調速軸流風機，便于通過調節風機轉速較精確地控制進風與排氣流量。

氣流緩沖室可使室外進風和室內排氣相對均勻地流經復合濾網和排氣濾網，既提高凈化和過濾效果，又延長了濾網使用壽命。

復合濾網由前置濾網層、PET層、H11級HEPA層、活性炭層和PET層構成，室外進風流經復合濾網，其所含的PM2.5、粉塵、花粉、異味、甲醛、細菌、過敏原等污染物被濾除。室內排氣濾網用來濾除排氣雜質，減少熱管換熱器和熱管散熱器表面附著物，降低臟污對傳熱效率及半導體制冷、制熱性能的影響。

熱管換熱器用于進風與排氣間高效、快速地熱交換。吸液芯熱管因其內部循環動力是毛細作用，因此傳熱方向可逆，任意一端受熱就可作為蒸發段，另一端向外散熱就成為冷凝段，可實現進風冬天回收排氣熱量和夏天釋放熱量至排氣，不需改變其管道布置和氣流方向。在春秋時節，即使室內外空氣的溫差較小，因熱管良好的等溫特性，熱管換熱器亦可維持進風與排氣之間快速高效的換熱過程。

半導體制冷片上下并列安裝于新風換氣機的中間隔板，其冷、熱端的熱管散熱器上下并列布置，充滿室外進風通道和室內排氣通道的喉部，以提高流經散熱器的氣體流速，增強吸熱和散熱效果。半導體冷端可對空氣進行有效除濕，[13-15]空氣中水分遇冷凝結并附著于熱管散熱器上，從而可大幅降低出口新風濕度，熱管散熱器上的凝結水通過疏水管路排出新風換氣機。本系統的半導體制冷所需能量主要源于太陽能，通過光伏發電方式將低品位的太陽能轉換為高品位的電能，該部分由太陽能光伏組件、電源控制器以及配套的蓄電池構成。

抽屜式水盒是位于進風通道底部的扁平狀敞口集水盒。北方冬季時節室外空氣干燥，盒內裝有一定量的純凈水，具有一定流速的再熱新風流經水盒時與純凈水表面充分接觸，加速水分蒸發，在一定程度上提高了出口新風的濕度。

PLC控制模塊、液晶觸控屏以及相關的傳感器和無線發射及接收模塊、數模轉換器共同組成新風系統控制單元，并安裝于新風出口通道外殼上。新風出口通道內部安裝溫度、濕度、風速、PM2.5、花粉濃度傳感器，采集新風參數并實時傳輸至控制單元；安放于室內的PM2.5、粉塵濃度以及異味傳感器采集室內空氣質量參數，通過ZigBee實時傳送至控制單元；進風與排氣風機轉速、半導體制冷制熱模塊運行狀態以及太陽能控制器電壓信號傳輸至控制單元，相關參數顯示于液晶觸控屏。控制單元根據所接收的參數，比照對應預設值的上限和下限，其差值超出設定范圍后自動啟停新風系統。

新風系統采用雙路電源供電。第一路由市電AC220V經開關電源提供DC12V電源；第二路由蓄電池提供DC12V電源，半導體制熱制冷模塊由雙電源供電。控制單元、進風和排氣風機由第一路電源供電。

3 系統運行

在液晶觸控屏上設定相關參數限值，選擇人工模式手動啟停新風系統，也可選擇自動模式，根據室內空氣參數自動啟停新風系統。當室內空氣污濁程度達到設定上限時，控制單元同時啟動兩個風機，延時60秒后接通半導體制冷片電路，系統開始運行。冬季時節，室外進風溫度低于室內空氣，流經復合濾網后的室外新風通過熱管換熱器時，吸收室內排氣熱量，完成新風的預熱；半導體冷端處于排氣側，通過熱管散熱器進一步吸收室內排氣熱量，并將該熱量通過半導體熱端的熱管散熱器傳遞至流經其表面的預熱新風，完成新風二次再熱；再熱新風流經抽屜式水盒后提高了其水分含量，經新風出口通道進入室內；室內排氣經兩次放熱后通過排氣管路排向室外。夏季時節，室外進風溫度高于室內空氣，流經復合濾網后的室外新風通過熱管換熱器時，向室內排氣釋放熱量，完成新風的預冷；控制單元自動調換半導體驅動電流的極性，半導體熱端與冷端對調，其冷端處于進風側，通過熱管散熱器進一步吸收預冷新風的熱量，并將該熱量通過半導體熱端的熱管散熱器傳遞至流經其表面的室內排氣，完成新風二次再冷，與此同時，因新風所含水分遇冷凝結，其濕度亦隨之下降，再冷新風經新風出口通道進入室內；室內排氣經兩次吸熱后通過排氣管路排向室外。當室內空氣的相關參數下降到預設值以下時，控制單元先停止半導體制冷供電，延時60秒后停運風機。

新風系統運行過程中，控制單元依照設定的新風出口溫度，調節半導體制冷片供電電流的大小，控制制冷量，可在一定范圍內精確控制新風出口溫度；控制單元實時檢測太陽能電源控制器輸出電壓，自動控制半導體制熱制冷模塊的供電途徑，優先選擇蓄電池供電，僅當輸出電壓過低（電池匱電）時，自動切換到市電供電；控制單元通過調整風機轉速使流經半導體熱端熱管散熱器的空氣流量始終高于冷端散熱器的空氣流量，以此減小冷、熱端溫差，確保冷卻效果，如：冬季時節，進風吸熱，進風風機轉速高于排氣風機，夏季時節，排氣吸熱，排氣風機轉速高于進風風機。

4 結語

本文基于熱管換熱器與半導體制冷片的技術特點及其產品的工作屬性，設計了新型雙向流熱交換節能新風系統，可高效地完成室外進風的預熱/預冷與再熱/再冷，同時兼具進風的除濕與增濕效能。本新風系統結構異常簡單、緊湊，換熱效率高、響應時間短，操控便捷、可靠性高、維護量小，無交叉污染、占用空間少，使用低品位的清潔能源作為系統運行的動力，適用于提高綠色建筑和普通建筑居室內空氣品質，實現了真正意義上的高效與節能之目的。

根據不同地區氣象條件、普通建筑還是綠色建筑、居室面積大小等因素，具體器件的選型仍有待進一步試驗和優化。

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