新型热电式新风设备的性能研究

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新风供应是保证居民健康生活的重要因素,现有民用建筑普遍采用开窗通风的方式引入新风,这不仅存在引入新的污染源,造成室内空气二次污染的隐患,还会引起空调能耗的增加。针对这一问题,本文对一种可实现热回收的新型热电式新风设备进行了研究。以南京地区某建筑面积为24 m2的办公室作为应用载体,新型热电式新风设备为研究对象,该设备送风量为110 m3/h,利用热电模块的制冷制热功能及热管换热器的高效传热性实现对排风的热回收及对新风的辅助制冷制热。本文通过理论分析、实验研究及数值模拟相结合的方式,对新风及排风入口风速、新风入口温度以及热管换热器结构参数对设备COP、热回收效率的影响进行了探究。主要研究工作如下:1.理论分析:基于热电模块特性方程及热管热阻网络模型,建立理论模型,研究了了入口风速(0.14 m/s~0.63 m/s)及新风入口温度(30℃~50℃)对设备性能系数COP及热回收效率的影响。2.实验研究:设计并搭建实验台,对新风入口温度(30℃~50℃)及新风与排风入口风速(0.14 m/s~0.63 m/s)对换热器热阻、空气同冷热源间温差、设备性能系数及设备热回收效率的影响进行了探究。3.数值模拟:以圆形翅片管,翅片间距20 mm,翅片高度13.5 mm,热管管中心距29 mm为基准模型,利用CFD流体计算软件建立数值模型,并基于有限体积法采用基于压力式求解器对模型进行求解,探究了热管换热器翅片间距(5 mm~20 mm),翅片高度(13.5 mm~19.5 mm),热管间距(29 mm~44 mm)对设备的COP及热回收效率的影响,同时对在相同翅片高度(13.5 mm)下,圆形、矩形、H型I(开缝宽度3 mm)、H型II(开缝宽度6 mm)四种翅片型式对样机性能的影响进行了探究。主要研究成果如下:1.理论分析结果表明:(1)热电堆热端温度、冷热端温差及设备热回收效率随入口风速的增加逐渐减小,而热电堆制冷量及制冷系数则随入口风速的增加而增大。当新风入口温度为50℃,入口风速由0.14 m/s提升至0.63 m/s时,热电堆制冷量、制冷系数分别可提升54.96 W及0.235,而热回收效率则降低16.45%。(2)热电堆热端温度及设备热回收效率随新风入口温度的增大而减小,热电堆制冷量及制冷系数则随新风入口温度的增大而增加,当入口风速为0.14 m/s,新风入口温度由30℃提高至50℃时,其制冷量及制冷系数分别可增长3.22 W及0.036,热回收效率则降低28.91%。2.实验结果表明:(1)对于设备性能系数COP及热回收效率随入口风速及新风入口温度的变化,理论分析结果同实验结果具有相同的趋势。(2)在热电堆热端,热管换热器热阻随入口风速的增加而减小,随新风入口温度的升高而增大,新风入口温度为40℃时,入口风速由0.14 m/s变化至0.63 m/s,热阻减小0.025 K/W,入口风速为0.52 m/s时,新风入口温度由50℃降低至30℃,热阻减小0.032 K/W。(3)新风入口及新风出口同冷源间的温差,排风入口及排风出口同热源间的温差均随新风入口温度的升高而增大,当新风入口温度由30℃提升至50℃时,新风入口及新风出口同冷源间的温差可分别提高3.91℃及1.58℃,排风入口及排风出口同热源间的温差可分别提高11.92℃及9.90℃。3.数值模拟结果表明:(1)理论模型与数值模型都能较为精确的对样机性能进行模拟,除热回收效率外误差均小于10%,但数值模型的精确度更高。(2)减小翅片间距、增加翅片高度及热管间距有利于样机制冷系数及热回收效率的提升,其中翅片间距影响最大:翅片间距由20mm减小至5 mm,样机制冷系数提高0.813,热回收效率提高0.60%;翅片高度由13.5mm增加至19.5 mm,样机制冷系数提高0.282,热回收效率提高0.21%;热管间距由29mm增大至44 mm,样机制冷系数提高0.324,热回收效率提高0.20%。(3)在相同的翅片高度下,在圆形、矩形、H型I(开缝宽度3 mm)及H型II(开缝宽度6 mm)四种翅片型式中,采用矩形翅片时制冷系数及设备热回收效率最高。本文采用理论分析、实验研究及数值模拟结合的方式对新型窗式热电新风设备的性能进行了研究,并提出以热回收效率作为其性能评价标准之一,研究成果对具有热回收功能的新型热电新风设备的进一步优化具有一定的指导意义。
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