基于热管换热与半导体制冷技术的节能新风系统

崔夏昕

摘 要：基于热管换热器及半导体制冷片的技术特点，本文原创性地将上述两种器件集成于双向流热交换新风系统。室外进风与室内排气通过热管换热器进行热量交换，换热效率高、热量传递快，且换热过程无任何额外能耗；半导体制冷片与热管散热器相结合，用于室外进风与室内排气间的热量传递，完成新风的二次再热和再冷，既无需制冷剂，亦无复杂的机械设备和管路系统，调节半导体工作电流大小即可在一定范围内控制新风出口温度，变换直流电极性即可实现冷端与热端对调。本新风系统整体结构简单紧凑、操控便捷、可靠性高、维护量小、占用空间少、无交叉污染，在保证室内空气品质的基础上有效地降低了供热和空调负荷。

关键词：热管换热；半导体制冷；节能；新风系统

据相关数据统计，我国建筑能耗每年占国家能源总消耗量的三分之一，[1-2]在建筑能耗构成中，室内制冷与供暖系统约占2/3，照明系统约占1/4，剩余为其它电器设备所消耗，建筑降耗的重点工作在于减少制冷与供暖系统的能源消耗。[3]

近几年我国出重拳治理环境污染，成果亦较为显著。但受制于当前技术水平和国情，污染和重污染天气仍屡见不鲜，使得人们“谈霾色变”，自然通风换气的机会或时间亦大大减小和缩短。即使每天能够保持一定时间的自然通风，但无疑会降低人体的舒适感，并增加空调或供热系统的能耗。

本文将热管换热器和半导体制冷/制热模块以及PLC控制模块应用于双向流热交换新风系统，完成新风的预热/预冷与再热/再冷、除湿、增湿和系统的自动控制，较目前常用的转轮式、板翅式、溶液吸收式及板式新风系统而言，该系统具有换热效率高、热量传递快、结构简单、占用空间少、运行稳定、维护量少、无交叉污染的特点。

1 系统原理

新风换气机是新风系统的核心部件，气-气热交换器是决定新风系统节能效率、系统结构、运行可靠性等问题的关键所在。[4]

1.1 热管换热器

本新风系统中，室外进风的预热和预冷由热管换热器完成。热管换热器由一簇水平放置的吸液芯式热管管束按照一定间隔均匀排列固定在框架内，每根热管外壁焊接铝、铜制薄鳍片，增大换热面积。典型热管由钢、铜、铝制的管壳、吸液芯和端盖组成，将管壳内抽成真空并充以适量的导热工质，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满工质后加以密封而成。当热管一端受热，导热工质汽化，从热源吸收汽化潜热；气体在微小的压差下流向另一端，并向外界释放潜热后凝结成液体，液体沿多孔材料回流至受热段；工质在管内的气化和冷凝循环不已，热量由热管一端快速传至另一端。热管的热阻很小，其导热能力超过任何已知金属，[5]具有传热效率高、热量传递迅速、等温特良好、传热方向可逆、结构紧凑，适用温度范围广、安全性高、寿命长等特点。[6-9]

1.2 半导体制冷/制热模块

本系统室外进风的二次再热和再冷过程是基于半导体制冷片实现的，该技术建立于塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应理论基础上。接通直流电，半导体制冷片的冷端从热源持续吸收热量，此即为制冷量，连同所消耗的电热功一起从热端的散热器不断地释放到环境中，此即为制热量；通过调节工作电流大小可控制制冷功率；改变直流电的极性，冷端和热端对调，热量迁移方向改变。工作过程既无制冷剂，又无复杂的机械设备和盘管，一个模块即可代替分立的加热和制冷系统，而且制冷量精确可调，制冷及传热速度快，尺寸小、重量轻、无噪音、无磨损、运行可靠、维护便捷、寿命长。[10-12]

为了提高半导体制冷和散热效率，降低冷、热端温差，本新风系统选用同容量的热管散热器分别贴合在半导体的冷端和热端，组成半导体制冷/制热模块。在冷端，使热源热量快速传递到制冷片；在热端，使热量快速释放至冷源，两端的热管散热器均采用空气强迫对流方式散热。

2 系统构成

本系统的新风换气机结构如下图所示，新风换气机借助进风和排气管路可联通室内与室外环境。新风换气机的中间纵向隔板，将换气机内部分隔为室外进风通道和室内排气通道，进风与排气完全隔离，避免交叉污染。依照气流方向，将构成系统的各部件功用分述如下。

新风换气机内部结构示意图

室外进风与室内排气风机为相同型号的静音调速轴流风机，便于通过调节风机转速较精确地控制进风与排气流量。

气流缓冲室可使室外进风和室内排气相对均匀地流经复合滤网和排气滤网，既提高净化和过滤效果，又延长了滤网使用寿命。

复合滤网由前置滤网层、PET层、H11级HEPA层、活性炭层和PET层构成，室外进风流经复合滤网，其所含的PM2.5、粉尘、花粉、异味、甲醛、细菌、过敏原等污染物被滤除。室内排气滤网用来滤除排气杂质，减少热管换热器和热管散热器表面附着物，降低脏污对传热效率及半导体制冷、制热性能的影响。

热管换热器用于进风与排气间高效、快速地热交换。吸液芯热管因其内部循环动力是毛细作用，因此传热方向可逆，任意一端受热就可作为蒸发段，另一端向外散热就成为冷凝段，可实现进风冬天回收排气热量和夏天释放热量至排气，不需改变其管道布置和气流方向。在春秋时节，即使室内外空气的温差较小，因热管良好的等温特性，热管换热器亦可维持进风与排气之间快速高效的换热过程。

半导体制冷片上下并列安装于新风换气机的中间隔板，其冷、热端的热管散热器上下并列布置，充满室外进风通道和室内排气通道的喉部，以提高流经散热器的气体流速，增强吸热和散热效果。半导体冷端可对空气进行有效除湿，[13-15]空气中水分遇冷凝结并附着于热管散热器上，从而可大幅降低出口新风湿度，热管散热器上的凝结水通过疏水管路排出新风换气机。本系统的半导体制冷所需能量主要源于太阳能，通过光伏发电方式将低品位的太阳能转换为高品位的电能，该部分由太阳能光伏组件、电源控制器以及配套的蓄电池构成。

抽屉式水盒是位于进风通道底部的扁平状敞口集水盒。北方冬季时节室外空气干燥，盒内装有一定量的纯净水，具有一定流速的再热新风流经水盒时与纯净水表面充分接触，加速水分蒸发，在一定程度上提高了出口新風的湿度。

PLC控制模塊、液晶触控屏以及相关的传感器和无线发射及接收模块、数模转换器共同组成新风系统控制单元，并安装于新风出口通道外壳上。新风出口通道内部安装温度、湿度、风速、PM2.5、花粉浓度传感器，采集新风参数并实时传输至控制单元；安放于室内的PM2.5、粉尘浓度以及异味传感器采集室内空气质量参数，通过ZigBee实时传送至控制单元；进风与排气风机转速、半导体制冷制热模块运行状态以及太阳能控制器电压信号传输至控制单元，相关参数显示于液晶触控屏。控制单元根据所接收的参数，比照对应预设值的上限和下限，其差值超出设定范围后自动启停新风系统。

新风系统采用双路电源供电。第一路由市电AC220V经开关电源提供DC12V电源；第二路由蓄电池提供DC12V电源，半导体制热制冷模块由双电源供电。控制单元、进风和排气风机由第一路电源供电。

3 系统运行

在液晶触控屏上设定相关参数限值，选择人工模式手动启停新风系统，也可选择自动模式，根据室内空气参数自动启停新风系统。当室内空气污浊程度达到设定上限时，控制单元同时启动两个风机，延时60秒后接通半导体制冷片电路，系统开始运行。冬季时节，室外进风温度低于室内空气，流经复合滤网后的室外新风通过热管换热器时，吸收室内排气热量，完成新风的预热；半导体冷端处于排气侧，通过热管散热器进一步吸收室内排气热量，并将该热量通过半导体热端的热管散热器传递至流经其表面的预热新风，完成新风二次再热；再热新风流经抽屉式水盒后提高了其水分含量，经新风出口通道进入室内；室内排气经两次放热后通过排气管路排向室外。夏季时节，室外进风温度高于室内空气，流经复合滤网后的室外新风通过热管换热器时，向室内排气释放热量，完成新风的预冷；控制单元自动调换半导体驱动电流的极性，半导体热端与冷端对调，其冷端处于进风侧，通过热管散热器进一步吸收预冷新风的热量，并将该热量通过半导体热端的热管散热器传递至流经其表面的室内排气，完成新风二次再冷，与此同时，因新风所含水分遇冷凝结，其湿度亦随之下降，再冷新风经新风出口通道进入室内；室内排气经两次吸热后通过排气管路排向室外。当室内空气的相关参数下降到预设值以下时，控制单元先停止半导体制冷供电，延时60秒后停运风机。

新风系统运行过程中，控制单元依照设定的新风出口温度，调节半导体制冷片供电电流的大小，控制制冷量，可在一定范围内精确控制新风出口温度；控制单元实时检测太阳能电源控制器输出电压，自动控制半导体制热制冷模块的供电途径，优先选择蓄电池供电，仅当输出电压过低（电池匮电）时，自动切换到市电供电；控制单元通过调整风机转速使流经半导体热端热管散热器的空气流量始终高于冷端散热器的空气流量，以此减小冷、热端温差，确保冷却效果，如：冬季时节，进风吸热，进风风机转速高于排气风机，夏季时节，排气吸热，排气风机转速高于进风风机。

4 结语

本文基于热管换热器与半导体制冷片的技术特点及其产品的工作属性，设计了新型双向流热交换节能新风系统，可高效地完成室外进风的预热/预冷与再热/再冷，同时兼具进风的除湿与增湿效能。本新风系统结构异常简单、紧凑，换热效率高、响应时间短，操控便捷、可靠性高、维护量小，无交叉污染、占用空间少，使用低品位的清洁能源作为系统运行的动力，适用于提高绿色建筑和普通建筑居室内空气品质，实现了真正意义上的高效与节能之目的。

根据不同地区气象条件、普通建筑还是绿色建筑、居室面积大小等因素，具体器件的选型仍有待进一步试验和优化。

参考文献：

[1]甄云亮.暖通空调和建筑节能的实现[J]，居舍，2017，10（下），37.

[2]建筑总能耗占全国能耗总量的三分之一，发展绿色建筑刻不容缓！https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1595099933988193196&wfr=spider&for=pc.

[3]熊镭.全热交换新风系统实验方案研究与仿真分析（D）.武汉：华中科技大学，2016.

[4]陈亚争，熊盎然，周雨先.新风换气机换热器形式及其应用分析[J].建筑热能通风空调，2017，36（8）：84-87.

[5]百度百科，https：//baike.baidu.com/item/%E7%83%AD%E7%AE%A1/6971109？fr=aladdin.

[6]周智勇，吴青青，韦中师，等.二次热回收热管式空调系统[J].化工学报，2017，68（5）：1823-1832.

[7]张淇淇，陆琼文，马伟骏.热管换热器在洁净手术室空调系统中的应用[J].暖通空调，2018，48（1）：109-112.

[8]栗庆文，王翌琛，冯春雨.热管热回收装置在空调系统中的应用[J].中国战略新兴产业，2018，3：199.

[9]张志.热管技术在数据中心散热中的应用[J].工程技术研究，2018，9：94-97.

[10]田茹.半导体制冷器的应用研究[J].机电产品开发与创新，2012，25（1）：159-160.

[11]胡良斌，温宗宝，卿德藩，等.半导体制冷/空气能热水器耦合节能应用技术研究[J].装备制造技术，2016，4：185-186.

[12]卢菡涵，刘志奇，徐昌贵，等.半导体制冷技术及应用[J].机械工程与自动化，2013，179（4）：219-221.

[13]成波，王昌龙，李倩雯，等.半导体制冷式除湿干燥装置的控制系统研制[J].扬州大学学报（自然科学版），2014，17（1）：67-70.

[14]罗仲，张旭，王胜己，等.半导体制冷器除湿实验研究[J].制冷学报，2015，36（5）：101-106.

[15]史俊.半导体制冷除湿技术在端子箱中的应用研究[J].通讯世界，2016，1（上）：163-164.