热电技术在绿色建筑的应用研究

普希望，申利梅，刘威，张腾

（1-华为技术有限公司，广东东莞 523808；2-华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074）

0 引言

随着可再生能源的应用，绿色建筑引起了越来越多的关注。绿色建筑开始成为未来新型建筑设计的目标。传统空调系统中的制冷设备使用的CFCs、HCFCs等制冷剂，因其是臭氧层空洞和温室效应主要诱因，面临淘汰压力[1]。由于不使用制冷剂，热电制冷技术被作为代替传统空调系统的绿色制冷方法[2]。热电制冷/热技术直接利用直流电，方便热电制冷系统与能够提供直流电的新能源系统整合[3]。

研究者们在热电制冷/制热[4]和热电发电[5]进行了很多研究。对于热电制冷/制热的供电系统，现有的研究主要为太阳能驱动的热电空调系统[6]。热电发电的研究包括理论[7]和实验研究[8]，如通过增加热电发电模块冷热端温差提高热电发电的效率或者使用更好的热电材料。太阳能光伏板和热电发电模块可以互补，TIAN等[9]提出一种光伏-热电混合系统，使用热电模块冷却光伏板的背部，以提高光伏板的发电效率。

在不同气候条件下，对热电技术在绿色建筑领域应用的研究非常少。本研究首次对不同气候条件下，热电制冷和热电发电技术在绿色建筑应用时的性能。

1 理论分析

1.1 太阳能热电辐射空调系统

本文将热电制冷系统和热电发电系统（Thermoelectric Generation，TEG）同时应用于绿色建筑，热电制冷系统主要包括热电辐射系统（Thermoelectric Radiant Conditioning，TE-RC）和热电置换通风系统（Themoelectric Displacement Ventilation，TE-DV），TE-RC和TE-DV主要用来保证绿色建筑内的热舒适性和新鲜空气。TEG系统整合了太阳能光伏板，以提高绿色电能的发电量。TEG同时回收太阳能热水系统多余的热量用来发电。

1.2 建筑能效评估

采用太阳能热电辐射空调系统的建筑物，建筑物内部的能耗是TE-RC、TE-DV与其他耗电装置（电灯、电脑等）的总和，可用公式(1)计算得到。

式中：

Qtot——建筑物内部总耗能，W；

QRA——辐射空调系统耗能，W；

QTE-DV——热电置换通风系统耗能，W；

Qother——建筑物内部其他耗电装置的能耗，W。

对于采用吊顶辐射板的建筑物，辐射板的换热包括对流换热和辐射换热两种换热形式。对流部分换热量的求解采用BEHNE等[10]提出的模型，辐射部分的换热量采用张伦[11]的计算模型。

式中：

Ta——空气的温度，K；

Tpm——辐射板表面的平均温度值，K；

AUST——围护结构的平均温度值，K。

热电辐射空调系统只能负担室内的显热负荷，对于室内的冷负荷却无能为力。因此需要结合使用TE-RC与TE-DV，这样既能满足室内的负荷条件，又能保证室内的空气质量。

式中：

Qc——热电模块的制冷量，W；

Qh——热电模块的制热量，W；

QTE-DV——TE-DV冷却和再热阶段的总制冷和制热量，W；

Kc——TE模块的导热系数，W/(m·K)；

Tc——热电模块冷端温度，K；

Th——热电模块热端温度，K；

Rc——热电冷端换热热阻，(m2⋅K)/W；

Rh——热电热端换热热阻，(m2⋅K)/W；

I——通入TEC的电流值，A；

N1——冷却阶段所需的热电片数量；

N2——制热阶段所需的热电片数量。

冷却和制热阶段热电模块的能耗Pc和Ph，可用公式(7)和(8)分别计算。

式中：

Pc——冷却阶段热电模块的能耗，W；

Ph——冷却阶段热电模块的能耗，W。

热电置换通风系统中热电片数量设置依据热电置换通风系统的COP。基于这个原因，热电置换通风系统的COP取TEC模块的综合COPt，可由公式(9)计算得到。

在太阳能光伏与热电发电（Solar Photovoltaic Panels-Thermoelectric Generator，SPV-TEG）系统中，热电发电模块（Thermoelectric Generator，TEG）和太阳能光伏板（Photovoltaic Panels，PV）相结合提高总发电量，结合形式如图1所示。在SPV-TEG系统中，TEG贴附于PV的背部，吸收PV背部的热量从而降低PV背部的温度，另外，TEG通过吸收PV背部的热量可产生更多的电能。

图1 SPV-TEG系统示意图

为将SPV-TEG系统与传统的SPV系统性能相比较，SPV-TEG系统的发电量可用式(10)计算。式(13)等式右边第一项代表PV板的发电量，第二项代表TEG产生的附加电量。

式中：

PSPV-TEG——SPV-TEG系统发电量，W；

ηSPV——PV板的发电效率；

A——PV板的总面积，m2；

ηTEG——TEG的发电效率；

τ——玻璃的透射率，取τ=0.95[16]；

G——太阳辐射密度，W/m2。

TEG模块的发电效率可用式(11)计算得到：

式中：

Ig——TEG的输出电流，A；

Rl——TEG外接负荷值，Ω；

αg——TEG的塞贝克系数，V/K；

Rg——TEG的电阻值，Ω；

Th——TEG的热端温度，K；

Tc——TEG的冷端温度，K。

2 数值计算结果与分析

2.1 建筑全年逐时负荷与空调系统性能分析

中国的气候条件可以划分为5个典型区域：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、温和地区、夏热冬暖地区[12]。针对每一个气候区域，选取5个城市（沈阳、铁干里克、武汉、昆明、香港）作为代表城市进行研究。文中用TRNSYS软件建立一个4 m×5 m×3.5 m的房间。依据ASHRAE和中国的空调设计手册，房屋内的温度夏季设定值是26 ℃、冬季为22 ℃。ASHARE推荐的室内设定温度夏季为23 ℃～26 ℃，冬季为21 ℃～24 ℃[13]；而中国空调设计手册推荐的室内设定温度夏季值是24 ℃～28 ℃，冬季是18 ℃～22 ℃[14]。房间内有两位住户，两台电脑，产热量均为200 W[2]。

香港地区不推荐建筑外墙使用保温层，其他4个城市的建筑外墙结构的选择依据GB 50189-2015设计标准的整体换热需求[15]。5个城市的南墙和北墙的窗墙比分别为25%和30%。计算得到5个城市的全年逐时负荷图如图2所示。

TE-RC系统与TE-PAU系统作为房间的空调系统。5个城市空调系统综合性能结果如图3所示。

图2 全年逐时负荷图

图3 不同城市空调系统月平均COP图

从5个城市的全年逐时负荷图可以看出，香港和昆明地区负荷主要集中在夏季，但昆明的全年最大负荷值在5个城市中最低；武汉、沈阳和铁干里克地区的空调系统运行时间高于香港和昆明地区，也消耗更多电能。

从5个城市的空调系统月平均COP图能够得到，在上述5个典型城市中TE-RC与TE-PAU组合成的空调系统COP的全年变化趋势，各城市的空调系统性能全年运行情况良好，全年月平均COP能达到1.85～3.85。COP在香港地区出现0值的原因是香港地区在1月至3月期间，空调系统不需运行。二者组成的空调系统，在铁干里克地区COP最低，最低值为1.85；在昆明地区月平均COP在大部分月份里高于其他地区。出现上述现象的原因是铁干里克地区比其他地区的温差波动大，昆明地区的温差波动最小。因此TE-RC系统与TE-PAU系统组合成的空调系统不仅能满足室内舒适性条件，还可提高系统的COP，该系统更适合在与昆明地区有类似气候条件的地区推广。

2.2 不同地区SPV-TEG的全年逐时发电量

在SPV-TEG发电系统中，PV板背部的TEG模块利用PV板的余热产生电能。由公式(10)计算得到SPV-TEG在5个典型城市运行时产生的全年逐时发电量，不同城市的发电量如图4所示。

图4 全年逐时发电量

根据5个城市的全年SPV-TEG系统全年逐时发电量图可以得到SPV-TEG的总发电量除香港外，其他4个城市的SPV-TEG发电量峰值均出现在夏季，主要原因是因为SPV-TEG系统受环境温度和太阳辐射密度的影响较大，香港地区环境温度和太阳辐射密度最高。计算得到SPV-TEG系统总运行效率，沈阳和铁干里克的最高，达0.302，武汉和昆明为0.289，香港的最低，为0.280。可见铁干里克地区的SPV-TEG系统性能最优，主要原因是PV板和TEG模块的性能均受冷热端温度影响，说明在铁干里克类似的气候地区SPV-TEG系统更适于推广。

传统的SPV系统（即未与TEG模块结合的SPV发电系统）在5个城市运行的全年总发电量最大值出现在铁干里克，系统最大运行总效率为0.145，沈阳和铁干里克地区的系统运行效率最大，香港地区最差。可见SPV-TEG系统发电量比SPV系统有很大提高，主要是SPV-TEG系统的总效率高于SPV系统。对于SPV-TEG系统的应用，在沈阳和铁干里克相应的气候条件的地区更适于推广。

2.3 不同地区系统能量收支分析

图5给出了在5个城市中TE-RC系统和TE-DV系统的全年综合总能耗以及SPV-TEG全年总发电量。图中将空调系统的能耗与发电系统的发电量进行对比分析。

图5 系统全年能量收支图

应用热电发电技术使得系统的发电量大幅度提高。从图5可以看出空调系统全年的能耗均比发电系统的发电量要高，其中以武汉地区的能耗最高，系统的发电量仅能匹配37%的空调能耗。在香港、昆明、铁干里克3个地区，发电系统可以为空调系统提供至少59%以上的电能，在昆明地区可以达到70%。香港、昆明地区的空调系统全年能耗在3,100 kW左右，武汉、沈阳和铁干里克地区的能耗比香港和昆明地区全年能耗高出1,500 kW，因为该气候地区空调系统全年运行时间以及运行频率均高于香港和昆明地区，而且在同一时期该气候地区空调系统的负荷也较大。发电系统在5个不同气候地区的全年总发电量相近，全武汉地区最低，铁干里克地区最高，因为发电系统在铁干里克气候地区运行时的效率最高。虽各个气候地区发电系统全年总发电量均未完全满足空调系统的全年总能耗，但发电系统可以为空调系统降低最少37%、最大70%的能耗，很大程度上减少了空调系统的能量消耗。

3 结论

在不同气候条件下，通过对5个典型代表城市太阳能辐射空调系统的性能分析，得出如下结论：

1）夏热冬暖地区和温和地区的建筑物空调系统负荷主要集中在夏季，但温和地区全年总负荷最低；其他地区的空调系统负荷分布趋势相似，但空调系统全年运行时间较长，耗电能多；

2）5个地区的TE-RC系统与TE-PAU系统的综合COP可达1.85～3.85；该系统在气候寒冷地区的运行性能最差，在气候温和地区的运行性能最优；

3）SPV-TEG系统在气候寒冷地区的运行性能最好，发电效率达0.302，全年总发电量最高；比传统的SPV系统运行性能高0.157；SPV-TEG系统更适于在寒冷地区推广；

4）太阳能热电辐射空调系统可以为建筑节省37%～70%的电能，为绿色建筑设计提供一种新的方案。