基于热电原理的过冷器在家用空调中应用的实验研究

金听祥 吕子建（郑州轻工业学院能源与动力工程学院 郑州 450002）

基于热电原理的过冷器在家用空调中应用的实验研究

金听祥 吕子建
（郑州轻工业学院能源与动力工程学院 郑州 450002）

在蒸气压缩制冷系统中，增加系统的过冷度可以提高系统的制冷量及其性能系数。本文设计了一种基于热电制冷原理来增加系统过冷度的空调系统，并在最小制冷，额定制冷和最大制冷三种工况下，对运行过冷装置前后的空调系统的性能进行实验对比。结果表明:采用设计的过冷器后，冷凝器出口的过冷度分别提高了2.3℃、1.9℃和1.5℃，系统的制冷量分别提高了3.6%、3.2%和4%，系统的性能系数分别提高了3.7%、3.1%和4.2%。在下一步的实验中可通过优化热电制冷片的运行工况，进一步提高系统的性能。

空调器；热电制冷；过冷度；能效比

在蒸气压缩制冷系统中，提高系统的过冷度可减少节流损失，通过对流出冷凝器的制冷剂液体进行过冷，能有效地提高系统的性能及制冷量，减少高低热源的温差，防止制冷剂液体进入压缩机，对压缩机造成损坏［1］。目前所研究的过冷方法，一方面引入了新的能源消耗，另一方面依靠牺牲自身的冷量来获得过冷，对整个系统而言，并不能达到节能的目的［2-4］。

热电制冷又称半导体制冷，主要是帕尔贴效应在制冷方面的应用。热电元件结构紧凑，运行稳定，在很小的温差下，具有较高的制冷系数［5-6］，广泛应用于制冷、除湿、发电等领域［7-10］；而将热电元件应用到蒸气压缩制冷系统中，为系统提供过冷的研究不多，因此具有很好的研究价值。Reinhaed R等［11］在蒸气压缩制冷循环中运用热电元件对流出冷凝器的制冷剂过冷进行理论分析，结果表明在5℃的过冷下热电元件具有较高的制冷系数，制冷系统的COP提高3.5%，如果多个热电元件串联使用，保证热电元件在较小的温差下工作，当过冷度达到15℃，系统COP达到最大值，制冷量提高20%。Winkler等［12］在CO2跨临界制冷循环中采用热电元件进行过冷，并将热电元件的能耗考虑在内，整个系统的制冷量提高了20%，系统 COP提高了 18%；白泽雨等［13］选用R134a为制冷剂，在汽车空调系统中运用热电元件对系统提供过冷，使用焓差法对系统性能进行实验测试，实验结果表明采用设计的过冷器可使冷凝器出口过冷度提高1.5℃，系统COP提高6.5%。

国内外学者在CO2跨临界循环中应用热电元件进行过冷方面有较多的研究，而对于选用氟利昂类工质的制冷系统，研究较少。因此，本文选用制冷剂R410A，在家用空调系统中使用热电元件对系统进行过冷，采用热管为热电元件热端进行散热，并且在热管上安装若干翅片，进行强制风冷，与常规的家用空调进行实验对比，分析系统性能并指出后续的优化方向。

1　实验装置与实验方法

1.1实验装置

实验装置包括以下三个部分组成:1）实验样机，选用某品牌定频分体式家用空调器，室外机铭牌参数如表1所示；2）过冷器，安装于冷凝器出口，对流出冷凝器出口的制冷剂进行过冷；3）降压整流变压器，作用是将市电220 V交流电转换为12 V直流电供热电片及轴流风扇使用。其中过冷器主要由2个热电制冷片，1个冷端铝板换热器和2个热端散热器组成，结构如图1所示。热电制冷片型号为TEC1-12705，规格为40 mm×40 mm×3.7 mm，基本参数如表2所示；经过对冷凝器出口管路的改造，制冷剂管路与铝板换热器充分接触，使铝板温度分布均匀；两个热电制冷片分别安装在铝板换热器两侧，冷端与铝板换热器表面接触，热电制冷片热端与热端散热器接触，图2为室外机实物图，图3为过冷器实物图。

表1　空调器室外机铭牌参数Tab.1 The outdoor unit′s parameters of room air-conditioner

表2　热电片性能参数Tab.2 The performance parameters of thermoelectric element

图1　过冷器结构图Fig.1 The structure of sub-cooler

1.1.1冷端换热器

考虑到制冷剂流路是一种管件，与热电片不可能充分接触，对流出冷凝器的制冷剂管路进行改造，使管路呈蛇形布置，并贯穿于方形铝板换热器中，铝板尺寸为160 mm×120 mm×22 mm。

1.1.2热端散热器

本文使用热管为制冷片的热端进行散热，将热管的蒸发段镶嵌于铝板中，冷凝段安装翅片，以加强换热效果，并用2台DC12V、0.15A直流轴流风机为热管热端进行强制风冷，使空气具有良好的流动性，获得最佳散热效果，保证热电片热端热量及时散出。

1.1.3接触面

热电制冷片与铝板换热器直接接触，中间会有空气存在，空气是热的不良导体，严重阻碍热量在接触面之间的传递。而使用低热阻的导热硅胶可以很好的填充接触面的间隙，将空气挤出接触面，减少了半导体制冷片表面和散热器件之间接触面的接触热阻，从而达到提升散热效率的目的。

1.2实验设备

实验在焓差实验室中进行，实验条件及其精度完全符合国家标准GB/7725—2004［14］和ISO D5151—94《不带风道的空调器和热泵的实验和测定》的要求。实验台包括室内侧和室外侧两个房间，通过模拟空调运行时室内外侧的环境条件，运用焓差法测试空调器运行时的各项参数。

1.3实验过程及工况

实验通过铜-镍热电偶进行温度采集，温度采集点分别布置在压缩机进排气口、热电片热端、过冷器进出口和四组热管的冷热端。首先在半导体过冷器未运行时，对实验样机进行测试，然后启动过冷器，再对样机在相同工况下进行测试，实验工况如表3所示。

图2　室外机实物图Fig.2 The outdoor unit

图3　过冷器实物图Fig.3 The physicalmap of sub-cooler

表3　实验工况Tab.3 Experiment conditions

2　实验结果及分析

2.1过冷度

图4所示为三种工况下在运行过冷器前后系统的过冷度的变化。由于对冷凝出口管路进行了改造，过冷器在未运行时，相当于增加了冷凝器的换热面积，因此在过冷器未运行时也提高了系统的过冷度；在过冷器运行时，三种工况下系统的过冷度分别提高了2.3℃、1.9℃和1.5℃，其中最小运行制冷的过冷度提高最多，额定制冷次之，最大运行制冷最少。由于系统在最大运行制冷工况下，室外侧温度较高，热电片运行时冷热端温度都有提高，热端温度如表4所示，尤其是热电片的热端聚集了大量的热量，不能及时散出，热量通过热传导的方式，从热端又传到了热电片的冷端，造成了热电制冷片制冷量的减少，制冷效率的降低，过冷度提高较少；因此，可以看出热电片热端的散热效果是影响其制冷性能的一个重要因素。

图4　运行过冷器前后过冷度的对比图Fig.4 The subcooling degree of running subcooler and un-running subcooler

表4　热电片冷热端温度Tab.4 The tem perature of therm oelectric element′s cold side and hot side

2.2制冷量

在实验中使用过冷器前后，系统的制冷量变化如图5所示，最小制冷工况下系统的制冷量提高了95 W，额定制冷工况下制冷量提高了85 W，最大运行制冷工况下制冷量提高了94 W。可以发现在三种工况下时，过冷度每提高1℃，系统的制冷能力分别提高了41.3W、44.7 W和62.7W。结果表明:制冷量的增加受蒸发温度和冷凝温度影响，制冷系统在高温工况下运行时，增加系统的过冷度，能有效提高系统的制冷量。

2.3能效比

三种工况下运行过冷器前后系统的COP的变化，如图6所示。可以看出，随着室外温度的增加，系统的COP呈下降趋势。在使用过冷器后，在各个工况下系统的COP相对于过冷器使用前都有所提高；其中在最小运行制冷工况下，系统的COP提高了3.7%；在额定工况下，系统的COP提高了3.1%；在最大运行制冷下，系统的COP提高了4.2%。由于系统过冷度的增加，制冷剂在节流后的干度减小，循环的单位制冷量增加，因此在使用过冷器后空调器COP有所提高，尤其是在高温工况下，系统的COP增加的更多，在一定程度内，对由于室外温度的升高，造成系统COP的下降有一定的抵消作用。

图5　运行过冷器前后制冷量对比图Fig.5 The cooling capacity of running subcooler and un-running subcooler

图6　运行过冷器前后COP对比图Fig.6 The COP of running subcooler and un-running subcooler

2.4输入功率

在实验中热电制冷片和轴流风机均为耗电设备，变压器在运行过程中也存在能量的损耗，实验测出过冷装置的功率为120 W。可以发现实验中热电片的制冷效率并不高，这是因为在此次实验中热电制冷片是在一般工况下运行的，其制冷量和制冷系数都没有达到最佳值。

热电制冷片存在两种极限工况:最大制冷量工况和最大制冷系数工况［16］。在最大制冷量工况中，虽然得到了最大的制冷量，却消耗了较大的功率，制冷系数较小；在最大制冷系数工况下，虽然经济性好，热电片耗电少，但是制冷量却很少。因此在这两种工况下运行，对系统而言都不能达到最佳的运行状态。而在这两种工况之间，存在着一个最佳工况，具有较高的制冷量和制冷系数，热电片的综合效益达到最佳［16］。当热电片的工作温度、材料性质、尺寸、电压和热端散热条件一定时，热电片的制冷量只受工作电流影响［17］，因此在下一步的实验中，将对热电片的工作电流进行优化，使热电片在最佳工况下运行，从而提高整个制冷系统的能效。

3　结论

本文将热电制冷技术应用到蒸气压缩制冷系统当中，为流出冷凝器出口的制冷剂提供过冷，在三种工况下进行实验并与原型机进行实验对比，由实验结果可知:

1）采用设计的过冷器后，家用空调在最小制冷，额定制冷和最大制冷工况下运行时与原型机对比，流出冷凝器的制冷剂的过冷度分别提高了了2.3℃、1.9℃和1.5℃，系统的制冷量分别提高了3.6%、3.2%和4%，系统的COP分别提高了3.7%、3.1% 和4.2%。可以看出增加流出冷凝器制冷剂的过冷度总能提高制冷系统的性能；制冷系统在高温工况下运行时，通过增加系统的过冷度，能有效提高系统的制冷量。这在一定程度内，对由于室外温度的升高，造成系统COP的下降有一定的弥补作用。

2）热电制冷片的制冷效果受其自身材料、工作温度及其热端的散热的效果影响，尤其热电片的热端散热效果直接制约热电片制冷效率的高低。

3）热电片是在一般工况下运行的，其制冷量和制冷系数都较低，在下一步的实验中，应对热电片的工作电流进行优化，使其在最佳工况下运行，从而提高整个系统的效率。

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Experimental Research on the Room Air Conditioner w ith Thermoelectric Subcooler

Jin Tingxiang LüZijian
（School of Energy&Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，China）

In the vapor compression refrigeration system，the increasing subcooling degree of air conditioner can improve the refrigerating capacity and the coefficient of performance（COP）.Based on the principle of thermoelectric refrigeration to increase the subcooling degree，the air conditionerwith thermoelectric subcoolerwas designed in this paper.The performance of air conditionerwas tested and compared before and after equipped with the subcooler in the following three operation conditions:theminimum cooling operation condition，the rated cooling operation condition and themaximum cooling operation condition.The results show that，the exit subcooling degrees of condenser at three operation conditions are improved by 2.3℃，1.9℃ and 1.5℃，respectively.The refrigeration capacities of the air conditioner are increased 3.6%，3.2%and 4%，respectively.Meanwhile，the COPs of the air conditioner are increased 3.7%，3.1% and 4%，respectively.In the future，the performance of air conditioner can be improved by the optimization of operation conditions of thermoelectric element.

air conditioner；thermoelectric refrigeration；degree of subcooling；energy efficiency ratio

About the

TB61+1；TM925.1；TN37

A

0253-4339（2016）05-0082-05

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.082

2016年1月30日

简介

金听祥，男，博士，副教授，郑州轻工业学院能源与动力工程学院，（0371）63624381，E-mail:txjin@126.com。研究方向:制冷空调设备新技术研究。