一种新型热电热泵暖风机的性能研究＊

张 泠，孟方芳，刘忠兵，罗勇强，谢 磊

（湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082）

随着生活水平的改善，人们对浴室的要求越来越高，节能是浴室取暖发展的永恒主题．现有各种浴室用取暖器都存在各自的技术缺陷：浴霸采用电直接加热，制热系数低，近年来，不断发生浴霸爆炸伤人或者强光灼伤幼儿眼睛的悲剧，安全性不高；现有暖风机虽然安全性能得到改善，但同样采用电能直接加热，转换效率在0．9左右，能耗较高．

热电制冷（制热）系统因具有不需要制冷剂、无机械运动、无噪声、体积小、可靠性强、制冷制热快等优点而受到广泛重视．近年来，国内外专家学者纷纷投入到该课题的理论研究与应用探索［1－6］．热电制热系统因具有较高的制热系数，而被用于热电热泵热水器［7－8］、建筑低品位余热回收［9］等．刘忠兵等［10］提出了一种厨房余热回收热水器，回收厨房烟气余热加热生活用水，不仅减轻了厨房烟气热污染，而且比普通电热水器节省电耗30%以上；韩天鹤等［11］提出了一种热电新风机，克服了传统余热回收新风机不能主动制冷和制热的缺点，具有明显的节能优势．本文基于热电热泵通入直流电后制冷、制热同时产生且具有较高制热系数的特点，提出一种结构简单的、可回收排风余热的新型浴室用热电热泵暖风机，较好地克服了现有浴室取暖器能耗高的缺点，具有安全、环保、节能的优势．

1 热电热泵暖风机工作原理

热电热泵的基本元件是热电芯片，通入直流电的热电芯片产生热端与冷端，若干这样的热电芯片并联起来，则构成一个热电热泵制热系统．热电热泵暖风机的原理图和安装示意图如图1和图2所示，该装置置于浴室天花板内，主要由热电芯片、加热风道和排风风道组成，热电热泵冷端和热端分别连接置于排风风道和加热风道内的冷、热端热管散热器．冷、热端热管散热器均采用整体式热管散热器，主要由热管、翅片和热管底座组成．

图1 热电热泵暖风机原理图Fig．1 Schematic diagram of the thermoelectric heat pump air heater

热电热泵暖风机的工作原理：直流电驱动热电芯片，经热电热泵作用后产生的热量与冷量分别与热端和冷端热管散热器换热，在送风机作用下，浴室内空气通过回风口进入加热风道，与热端热管散热器进行强制对流换热，被加热后的空气经送风口进入浴室；此外，在加热浴室内空气的同时，有一部分空气在排气风机的作用下，通过排气风道排到室外，这部分空气进入排风风道内，与冷端热管散热器进行热交换，提高了热电芯片冷端的温度，减少冷热端的温差，实现了室内排气余热的回收利用，提高了系统的制热性能．

图2 热电热泵暖风机安装示意图Fig．2 Schematic diagram of the thermoelectric heat pump air heater installation

2 数值模型

为了对比市场上常用功率在1 000W 左右暖风机，根据Ferrotec半导体厂家样本，本文初步选用型号为TEC1－12706的热电芯片，最大工作电压、最大电流分别为15．4V 和6A，共计36片，每12片芯片为一组，共3组．风机的输入功率为21 W，额定流量195m3／h．

根据能量平衡和热电制冷（制热）热力学基本理论，得该系统基本方程［12］．

热端空气的热量Qh：

式中：Ta为室内温度，K；Ts为送风温度，K；ρ为空气密度，kg／m3；Cp为空气比热容，kJ／（kg·K）；G为空气流量，m3／h．

热电热泵制热量Qh和制冷量Qc分别为：

热电热泵的工作电压U为：

系统耗功率P为：

式中：α为热电热泵的热电系数（塞贝克系数），V／K；R为热阻，K／W；K为热传导率，W／（m·K）；I为热电热泵的工作电流；Th为热电热泵热端温度，K；Tc为热电热泵冷端温度，K；Th－Tc为冷热端温差，K；n为热电芯片个数．

热端热管散热器和冷端热管散热器传热方程：

式中：T′h为与热端热管散热器进行热交换的空气计算温度，K；Rh为热端热管散热器的热阻，K／W；Tc＇为冷端热管散热器进行热交换的空气计算温度，K；Rc为冷端热管散热器的热阻，K／W．

制热系数：

式中：Pf为风机功率，W．

根据热电制冷器的数学模型［13］，通过对芯片为7106型号制冷器模型热电系数αM，热阻RM和热传导率KM的转化，求热电偶对数N为127，最大电流INew为6A 的热电芯片内参数，公式如下：

迭代计算如图3所示系统模拟流程图．

3 结果分析与讨论

为了评估热电热泵暖风机的制热性能，通过建立数学模型，模拟了在不同的室内温度下，工作电压及冷热端热管散热器热阻对暖风机制热性能的影响．

图4描述了冷热端热管散热器热阻均为0．001K／W 时，系统制热量随室内温度的变化情况．从图4可以看出，随着室内温度的升高，电压一定时，制热量基本不变，但电压越高，制热量越大，这是因为工作电压越高，冷端和热端具有较大的热流密度．当工作电压取5 V时，制热量约为1 000W．

图5描述了冷热端热管散热器热阻均为0．001K／W 时，系统的送风温度随室内温度的变化情况．从图5可以看出，随着加热过程的进行，室内温度逐渐升高，送风温度逐渐升高，电压越高，送风温度越高．

图6描述了冷热端热管散热器热阻一定时，系统的制热系数随室内温度的变化情况．从图6可以看出，随着室内温度的升高，COP呈增大趋势，但电压越低，COP越大，工作电压为4V 时，COP在3．2左右，而当工作电压为6V 时，COP在2．4左右，两者相差0．8．因为工作电压越高，冷端和热端较大的热流密度导致热电芯片的冷、热端温差越大，而冷、热端温差越大，COP越小．同时，随着室内温度的升高，热电热泵冷端回收浴室余热，减少了冷热端温差，保证系统COP 维持在较高水平．工作电压为5 V 时，COP 值为2．6～2．9．综合考虑制热量和COP，工作电压选择5V 较适宜．从图5和图6可以看出，随着浴室温度逐渐升高，高温高湿的空气通过冷端既可以排到室外，又能回收排风中潜在的能量，减小热电热泵冷热端温差，从而提高了热电热泵暖风机的制热性能．

图3 系统模拟流程图Fig．3 Flow chart of the system simulation

图4 制热量Qh与室内温度Ta的关系Fig．4 Relationship between heating capacity and indoor temperature

工作电压取5V，冷热端热管散热器热阻为不同值时，COP与室内温度的关系如图7所示．从图7中可以看出，随着室内温度的升高，3种热阻情况下的COP 均逐渐增大，且冷热端热管散热器热阻越小，COP越大，这是因为冷端热管散热器热阻越小，散热器换热效率越高，从而使得COP越大．

图5 送风温度Ts与室内温度Ta的关系Fig．5 Relationship between supply air temperature and indoor temperature

图6 制热系数COP与室内温度Ta的关系Fig．6 Relationship between coefficient of performance and indoor temperature

图7 不同冷热端热管散热器热阻下，制热系数COP与室内温度Ta的关系Fig．7 Relatlonship between heating coefficient of performance and indoor temperature under different thermal resistance at hot and cold sides of heat pipe

4 结 论

本文利用热电热泵制热效率高的特点，提出了一种利用热电热泵制热且可回收余热的浴室用热电热泵暖风机，建立了热电热泵暖风机的数学模型，研究了在不同环境温度下，工作电压及冷热端热管散热器热阻对暖风机制热性能的影响，得出以下结论：

1）在热电芯片总数一定的情况下，工作电压越高，制热量越大．电压从4V 升高到6V 时，电压越高制热系数越低．综合考虑暖风机的制热系数和制热量，暖风机工作电压宜取5V．

2）冷热端散热器热阻越小，系统制热系数越高．适当减小系统冷热端散热热阻，有利于提高系统制热性能的经济性．

3）随着室内温度升高，热电热泵冷端温度越高，暖风机制热系数越高，暖风机制热系数最高可达2．9．相比直接电加热转换效率为0．9，本文研究的热电热泵暖风机节能效果明显．

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