热电热管辐射系统数值模拟和实验研究

普希望，申利梅

(1.广东美的厨房电器制造有限公司，佛山 528315；2.华中科技大学，武汉 430074)

0 引言

传统HVAC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HVAC系统的绿色制冷方法[2]。辐射吊顶与其他空调末端设备相比具有很多优点，在欧洲地区，德国建设的辐射吊顶总面积在一年内就达到80万平方米[3]。辐射吊顶产品在上世纪末进入北美市场，得到快速地推广，在加拿大地区使用辐射吊顶的新建楼宇超过50%的建筑面积[4]。欧美国家流行的金属辐射是用导热硅脂和卡套将金属辐射板和水管连接成一个整体，拥有低噪声、负荷反应时间短、安装维护方便的优势[5]，但由于辐射板和铜制水管之间存在导热系数不高的空气或者导热硅脂，使得辐射板制冷量不高[6]。

国内外针对金属辐射板、热管和热电相结合的研究还很少[7-8]。本文通过试验和数值模拟的方法研究了热电热管辐射板的板面温度分布均匀程度、热惰性，以及采用热电热管辐射板的辐射空调系统的性能。

1 数值模拟分析

1.1 新型热电热管辐射板的结构

我国与欧洲国家的气候相比更加潮湿，尤其是位于我国南方的城市，辐射板在这种气候下工作极易出现结露现象，这极大地阻碍了热电辐射空调系统在我国应用的步伐。结露现象的出现会使得辐射板的换热热阻(包括对流换热热阻以及辐射板与其他换热表面的热阻)增大，从而影响整个辐射空调系统的换热性能。为了提高辐射板的热均匀性，本章给出一种新的热电热管辐射板结构，该结构的简单示意图如图1所示。在新结构中热电片放置在辐射板背部的几何中心处，热管等间距的焊接在金属辐射板上。

图1 热电热管辐射板结构示意图

1.2 辐射板数值计算

数值计算基于MATLAB平台，建模中对于热电模块(TEC)，在制冷模式下，热端采用水冷换热，水冷换热热阻RW为0.0012K/W，冷端与铝合金辐射板用导热硅胶连接在一起，冷端采用空气自然对流换热，换热热阻Ra为0.1K/W，热端换热的环境温度Tao设为40℃不变，而冷端换热的环境温度Tai假定为26℃不变；在制热模式下，热端采用水冷换热，换热热阻RW为0.001K/W，冷端采用空气自然对流换热，换热热阻Ra假定为0.1K/W，热端换热的环境温度Tao假定为22℃不变，冷端换热的环境温度Tai假定为0℃不变。

忽略热电辐射板其他能量损失，基于热电模块的制冷以及制热的基本计算公式，结合热力学系统换热方程进行数学建模，根据一段时间内进出TEC模块电流值I的不同，得到TEC的冷端温度Tc和热端温度Th，制冷量Qc或制热量Qh以及最大COP下对应的电流值，将此时的电流值和COP值作为热电辐射板的最佳工作电流和性能参数。基于上述分析，数值计算的流程图如图2所示。

图2 数值计算流程图

数值计算结果表明，当环境温度为40℃，室内设定温度为26℃(即为辐射板换热的环境温度)时，这时热电模块处于制冷模式，COP对应的最大值COPmax为2.47，而COPmax相应的最适电流值I为1.06A，对应的热电模块的制冷量Qc为7.41W；当环境温度为0℃，室内设定温度为22℃(即为辐射板室内换热的环境温度)，此时热电模块处于制热模式，COP对应的最大值COPmax为2.12，而COPmax对应的最适电流值I为1.85A，对应的热电模块的制热量Qh为18.93W。

1.3 物理模型建立与热分析

基于本课题组之前的研究，采用热电模块数量为每平方米16片热电模块(TEC1-12706)，热电片冷热两端分别通过使用导热硅脂与铜制水冷换热器和铝合金辐射板胶合，金属辐射板的厚度为4mm。由于热电模块的结构形状复杂，故对模型进行了简化，截取一个尺寸为250mm×250mm的热电辐射单元，进行模型的建立与仿真热分析。

将视为体热源的热电模块，在其添加热荷载以及其他的初始边界条件。根据ASHRAE推荐的室内温度夏季为23～26℃，冬季为21～24℃；而中国的设计指导书推荐的温度夏季为24～28℃，冬季为18～22℃，本文设计的室内温度夏季时是26℃，冬季时为22℃。夏季时热电模块热流量为-7.41W，自然对流换热系数为15W∕m2· ℃，对流换热的环境温度26℃；冬季热电模块热流量为18.93W，自然对流换热系数为15W∕m2· ℃，对流换热的环境温度22℃。在求解器中插入温度，对热电热管辐射板和热电辐射板分别采用上述设置，运行求解器，得到的两者辐射板的温度分布情况如图3-6所示。

图3 制冷模式下热电热管辐射板温度分布

图4 制冷模式下热电辐射板温度分布

图5 制热模式下热电热管辐射板温度分布

图6 制热模式下热电辐射板温度分布

从图3-6可以看出热电热管辐射板的板面温度分布比热电辐射板的板面温度分布更加均匀。制冷模式下热电热管辐射板的最高温度和最低温度的差值比热电辐射板的最高温度和最低温度的差值低0.90℃，制热模式下热电热管辐射板的最高温度和最低温度的差值比热电辐射板的最高温度和最低温度的差值低2.29℃。

2 热电热管辐射板的实验研究

2.1 热电热管辐射板实物结构

热电热管辐射板的实验设计只截取辐射板的一个辐射单元，尺寸为250mm×250mm×4mm的金属辐射板，辐射板的材料为纯铝。

辐射单元包含4个扁平热管，扁平热管的尺寸为250mm×2.5mm×6.5mm，热电模块TEC1-12706一块。

对铝金属板按照热管的尺寸进行开槽处理，通过焊接方法将扁平热管逐一焊接在辐射板上。

辐射板的换热性能与辐射板的表面发射率相关，为强化辐射板的发射率，对辐射板表面进行镀镍处理，经镀镍处理后，辐射板的发射率提高至0.37，而未镀镍处理的辐射板的发射率仅为0.09。

图7为热管辐射板实物图。

图7 热管辐射板实物图

2.2 实验方法和实验结果分析

采用的实验装置主要包括新型的热电热管辐射板、热电辐射板、水冷换热器、热电模块、精密烤箱、数据采集仪、亚克力板小房间、直流电源、水桶。将辐射板、水冷换热器以及两端涂有导热硅脂的热电模块用塑料螺栓进行紧固连接，装配好的辐射板水平的放置在亚克力板小房间上方，作为小房间的房顶。小房间置于精密烤箱内部，为了防止热量散失以及环境温度的影响，实验过程中在小房间的外侧以及辐射板的背部均敷设保温材料。实验进行时的实验装置图如图8所示。

图8 实验装置实物图

对采用热管辐射板时的实验数据和非热管辐射板的实验数据进行处理，图9、图10为小房间的屋顶热电非热管式辐射板处于制冷/热模式时各测点的温度曲线，图11、图12为小房间的屋顶热电热管辐射板处于制冷/热模式时各测点的温度曲线。

2.2.1 制冷模式时的实验结果分析

图9 热电非热管式辐射板制冷时各点温度曲线

图10 热电非热管式辐射板制热时各点温度曲线

图11 热电热管式辐射板制冷时各点温度曲线

从图9和图11可以看出，在满足制冷工况的环境温度下，装置运行的环境温度始终保持在40℃左右。板面平均温度是辐射板表面各个测点测量值的平均值。热电模块在辐射板为热电热管辐射板时，热电模块冷热两端的温度差值为18.63℃，辐射板为热电非热管式辐射板时，热电模块冷热两端的温度差值为17.63℃，说明热电模块在热电热管辐射板下的工作性能优于非热管辐射板的工作性能。

循环水在水冷换热器流动120分钟来模拟水在整个系统中流动换热一次后的温升，由图可得在120分钟的换热时间内，辐射板为非热管式辐射板时水温升高12.07℃，辐射板为热管式辐射板时水温升高12.69℃，水温均有所增加，故能为家庭住户提供一定的温度的生活热水，节约电能。

从图中还可得，采用热电热管式辐射板的辐射空调系统，板面平均温度达到稳定时间为58分钟，稳定值为18.53℃，而热电非热管式辐射板系统的稳定时间为75分钟，稳定值为17.91℃；由于实验中辐射板背部条件并非完全处于绝热条件，导致两者的实测值均高于仿真值，但热管式辐射板的板面平均温度高于非热管式辐射板的结论是一致的。

由于实验室的实验条件的限制，对于制热条件的工作环境无法满足0℃的环境条件，进行实验时的外界环境温度为12℃与13℃之间。

2.2.2 制热模式时的实验结果分析

在制热工况下，从图10和图12可以看出，板面平均温度同样是按照辐射板表面各个测点测量值求平均值得到的。热电模块在辐射板为热管辐射板时，热电模块冷热两端的温度差值为36.22℃，辐射板为非热管辐射板时，热电模块冷热两端的温度差值为29.53℃，说明热电模块在热管式辐射板下的工作性能优于非热管式辐射板的工作性能。

冷端进行换热的水在120分钟的换热时间内，水温基本不变，说明在满足换热条件的基础上，水温不会出现太大的降幅。

从图中还可得制热时，采用热电热管辐射板的辐射空调系统，板面平均温度达到稳定时间为69分钟，稳定值为38.82℃，而热电辐射板系统的稳定时间为93分钟，稳定值为39.02℃。

3 结论

本文提出了一种新型热电热管式辐射板结构，通过实验与仿真结果的对比分析得到下列结论：

(1)热电热管式辐射板的板面温度分布比热电非热管式辐射板的板面温度分布更加均匀，热电热管式辐射板的温度均匀性更好。

(2)TEC模块在热管式辐射板的条件下其工作性能比非热管式辐射板的高，能在达到室内环境舒适度的同时，节约电能。

(3)对于热电辐射空调系统而言，房间围护结构的保温效果以及辐射板背部的保温效果对辐射板和辐射空调系统的性能影响很大。

(4)TEC模块的工作性能以及热端冷换热器的换热效果直接影响辐射空调系统的性能。