熱電技術(shù)在綠色建筑的應(yīng)用研究

普希望，申利梅，劉威，張騰

（1-華為技術(shù)有限公司，廣東東莞 523808；2-華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

隨著可再生能源的應(yīng)用，綠色建筑引起了越來(lái)越多的關(guān)注。綠色建筑開始成為未來(lái)新型建筑設(shè)計(jì)的目標(biāo)。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的制冷設(shè)備使用的CFCs、HCFCs等制冷劑，因其是臭氧層空洞和溫室效應(yīng)主要誘因，面臨淘汰壓力[1]。由于不使用制冷劑，熱電制冷技術(shù)被作為代替?zhèn)鹘y(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的綠色制冷方法[2]。熱電制冷/熱技術(shù)直接利用直流電，方便熱電制冷系統(tǒng)與能夠提供直流電的新能源系統(tǒng)整合[3]。

研究者們?cè)跓犭娭评?制熱[4]和熱電發(fā)電[5]進(jìn)行了很多研究。對(duì)于熱電制冷/制熱的供電系統(tǒng)，現(xiàn)有的研究主要為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的熱電空調(diào)系統(tǒng)[6]。熱電發(fā)電的研究包括理論[7]和實(shí)驗(yàn)研究[8]，如通過增加熱電發(fā)電模塊冷熱端溫差提高熱電發(fā)電的效率或者使用更好的熱電材料。太陽(yáng)能光伏板和熱電發(fā)電模塊可以互補(bǔ)，TIAN等[9]提出一種光伏-熱電混合系統(tǒng)，使用熱電模塊冷卻光伏板的背部，以提高光伏板的發(fā)電效率。

在不同氣候條件下，對(duì)熱電技術(shù)在綠色建筑領(lǐng)域應(yīng)用的研究非常少。本研究首次對(duì)不同氣候條件下，熱電制冷和熱電發(fā)電技術(shù)在綠色建筑應(yīng)用時(shí)的性能。

1 理論分析

1.1 太陽(yáng)能熱電輻射空調(diào)系統(tǒng)

本文將熱電制冷系統(tǒng)和熱電發(fā)電系統(tǒng)（Thermoelectric Generation，TEG）同時(shí)應(yīng)用于綠色建筑，熱電制冷系統(tǒng)主要包括熱電輻射系統(tǒng)（Thermoelectric Radiant Conditioning，TE-RC）和熱電置換通風(fēng)系統(tǒng)（Themoelectric Displacement Ventilation，TE-DV），TE-RC和TE-DV主要用來(lái)保證綠色建筑內(nèi)的熱舒適性和新鮮空氣。TEG系統(tǒng)整合了太陽(yáng)能光伏板，以提高綠色電能的發(fā)電量。TEG同時(shí)回收太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)多余的熱量用來(lái)發(fā)電。

1.2 建筑能效評(píng)估

采用太陽(yáng)能熱電輻射空調(diào)系統(tǒng)的建筑物，建筑物內(nèi)部的能耗是TE-RC、TE-DV與其他耗電裝置（電燈、電腦等）的總和，可用公式(1)計(jì)算得到。

式中：

Qtot——建筑物內(nèi)部總耗能，W；

QRA——輻射空調(diào)系統(tǒng)耗能，W；

QTE-DV——熱電置換通風(fēng)系統(tǒng)耗能，W；

Qother——建筑物內(nèi)部其他耗電裝置的能耗，W。

對(duì)于采用吊頂輻射板的建筑物，輻射板的換熱包括對(duì)流換熱和輻射換熱兩種換熱形式。對(duì)流部分換熱量的求解采用BEHNE等[10]提出的模型，輻射部分的換熱量采用張倫[11]的計(jì)算模型。

式中：

Ta——空氣的溫度，K；

Tpm——輻射板表面的平均溫度值，K；

AUST——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均溫度值，K。

熱電輻射空調(diào)系統(tǒng)只能負(fù)擔(dān)室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，對(duì)于室內(nèi)的冷負(fù)荷卻無(wú)能為力。因此需要結(jié)合使用TE-RC與TE-DV，這樣既能滿足室內(nèi)的負(fù)荷條件，又能保證室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

式中：

Qc——熱電模塊的制冷量，W；

Qh——熱電模塊的制熱量，W；

QTE-DV——TE-DV冷卻和再熱階段的總制冷和制熱量，W；

Kc——TE模塊的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

Tc——熱電模塊冷端溫度，K；

Th——熱電模塊熱端溫度，K；

Rc——熱電冷端換熱熱阻，(m2?K)/W；

Rh——熱電熱端換熱熱阻，(m2?K)/W；

I——通入TEC的電流值，A；

N1——冷卻階段所需的熱電片數(shù)量；

N2——制熱階段所需的熱電片數(shù)量。

冷卻和制熱階段熱電模塊的能耗Pc和Ph，可用公式(7)和(8)分別計(jì)算。

式中：

Pc——冷卻階段熱電模塊的能耗，W；

Ph——冷卻階段熱電模塊的能耗，W。

熱電置換通風(fēng)系統(tǒng)中熱電片數(shù)量設(shè)置依據(jù)熱電置換通風(fēng)系統(tǒng)的COP?；谶@個(gè)原因，熱電置換通風(fēng)系統(tǒng)的COP取TEC模塊的綜合COPt，可由公式(9)計(jì)算得到。

在太陽(yáng)能光伏與熱電發(fā)電（Solar Photovoltaic Panels-Thermoelectric Generator，SPV-TEG）系統(tǒng)中，熱電發(fā)電模塊（Thermoelectric Generator，TEG）和太陽(yáng)能光伏板（Photovoltaic Panels，PV）相結(jié)合提高總發(fā)電量，結(jié)合形式如圖1所示。在SPV-TEG系統(tǒng)中，TEG貼附于PV的背部，吸收PV背部的熱量從而降低PV背部的溫度，另外，TEG通過吸收PV背部的熱量可產(chǎn)生更多的電能。

圖1 SPV-TEG系統(tǒng)示意圖

為將SPV-TEG系統(tǒng)與傳統(tǒng)的SPV系統(tǒng)性能相比較，SPV-TEG系統(tǒng)的發(fā)電量可用式(10)計(jì)算。式(13)等式右邊第一項(xiàng)代表PV板的發(fā)電量，第二項(xiàng)代表TEG產(chǎn)生的附加電量。

式中：

PSPV-TEG——SPV-TEG系統(tǒng)發(fā)電量，W；

ηSPV——PV板的發(fā)電效率；

A——PV板的總面積，m2；

ηTEG——TEG的發(fā)電效率；

τ——玻璃的透射率，取τ=0.95[16]；

G——太陽(yáng)輻射密度，W/m2。

TEG模塊的發(fā)電效率可用式(11)計(jì)算得到：

式中：

Ig——TEG的輸出電流，A；

Rl——TEG外接負(fù)荷值，Ω；

αg——TEG的塞貝克系數(shù)，V/K；

Rg——TEG的電阻值，Ω；

Th——TEG的熱端溫度，K；

Tc——TEG的冷端溫度，K。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 建筑全年逐時(shí)負(fù)荷與空調(diào)系統(tǒng)性能分析

中國(guó)的氣候條件可以劃分為5個(gè)典型區(qū)域：嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、溫和地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)[12]。針對(duì)每一個(gè)氣候區(qū)域，選取5個(gè)城市（沈陽(yáng)、鐵干里克、武漢、昆明、香港）作為代表城市進(jìn)行研究。文中用TRNSYS軟件建立一個(gè)4 m×5 m×3.5 m的房間。依據(jù)ASHRAE和中國(guó)的空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)，房屋內(nèi)的溫度夏季設(shè)定值是26 ℃、冬季為22 ℃。ASHARE推薦的室內(nèi)設(shè)定溫度夏季為23 ℃～26 ℃，冬季為21 ℃～24 ℃[13]；而中國(guó)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦的室內(nèi)設(shè)定溫度夏季值是24 ℃～28 ℃，冬季是18 ℃～22 ℃[14]。房間內(nèi)有兩位住戶，兩臺(tái)電腦，產(chǎn)熱量均為200 W[2]。

香港地區(qū)不推薦建筑外墻使用保溫層，其他4個(gè)城市的建筑外墻結(jié)構(gòu)的選擇依據(jù)GB 50189-2015設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的整體換熱需求[15]。5個(gè)城市的南墻和北墻的窗墻比分別為25%和30%。計(jì)算得到5個(gè)城市的全年逐時(shí)負(fù)荷圖如圖2所示。

TE-RC系統(tǒng)與TE-PAU系統(tǒng)作為房間的空調(diào)系統(tǒng)。5個(gè)城市空調(diào)系統(tǒng)綜合性能結(jié)果如圖3所示。

圖2 全年逐時(shí)負(fù)荷圖

圖3 不同城市空調(diào)系統(tǒng)月平均COP圖

從5個(gè)城市的全年逐時(shí)負(fù)荷圖可以看出，香港和昆明地區(qū)負(fù)荷主要集中在夏季，但昆明的全年最大負(fù)荷值在5個(gè)城市中最低；武漢、沈陽(yáng)和鐵干里克地區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間高于香港和昆明地區(qū)，也消耗更多電能。

從5個(gè)城市的空調(diào)系統(tǒng)月平均COP圖能夠得到，在上述5個(gè)典型城市中TE-RC與TE-PAU組合成的空調(diào)系統(tǒng)COP的全年變化趨勢(shì)，各城市的空調(diào)系統(tǒng)性能全年運(yùn)行情況良好，全年月平均COP能達(dá)到1.85～3.85。COP在香港地區(qū)出現(xiàn)0值的原因是香港地區(qū)在1月至3月期間，空調(diào)系統(tǒng)不需運(yùn)行。二者組成的空調(diào)系統(tǒng)，在鐵干里克地區(qū)COP最低，最低值為1.85；在昆明地區(qū)月平均COP在大部分月份里高于其他地區(qū)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是鐵干里克地區(qū)比其他地區(qū)的溫差波動(dòng)大，昆明地區(qū)的溫差波動(dòng)最小。因此TE-RC系統(tǒng)與TE-PAU系統(tǒng)組合成的空調(diào)系統(tǒng)不僅能滿足室內(nèi)舒適性條件，還可提高系統(tǒng)的COP，該系統(tǒng)更適合在與昆明地區(qū)有類似氣候條件的地區(qū)推廣。

2.2 不同地區(qū)SPV-TEG的全年逐時(shí)發(fā)電量

在SPV-TEG發(fā)電系統(tǒng)中，PV板背部的TEG模塊利用PV板的余熱產(chǎn)生電能。由公式(10)計(jì)算得到SPV-TEG在5個(gè)典型城市運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的全年逐時(shí)發(fā)電量，不同城市的發(fā)電量如圖4所示。

圖4 全年逐時(shí)發(fā)電量

根據(jù)5個(gè)城市的全年SPV-TEG系統(tǒng)全年逐時(shí)發(fā)電量圖可以得到SPV-TEG的總發(fā)電量除香港外，其他4個(gè)城市的SPV-TEG發(fā)電量峰值均出現(xiàn)在夏季，主要原因是因?yàn)镾PV-TEG系統(tǒng)受環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射密度的影響較大，香港地區(qū)環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射密度最高。計(jì)算得到SPV-TEG系統(tǒng)總運(yùn)行效率，沈陽(yáng)和鐵干里克的最高，達(dá)0.302，武漢和昆明為0.289，香港的最低，為0.280?？梢婅F干里克地區(qū)的SPV-TEG系統(tǒng)性能最優(yōu)，主要原因是PV板和TEG模塊的性能均受冷熱端溫度影響，說(shuō)明在鐵干里克類似的氣候地區(qū)SPV-TEG系統(tǒng)更適于推廣。

傳統(tǒng)的SPV系統(tǒng)（即未與TEG模塊結(jié)合的SPV發(fā)電系統(tǒng)）在5個(gè)城市運(yùn)行的全年總發(fā)電量最大值出現(xiàn)在鐵干里克，系統(tǒng)最大運(yùn)行總效率為0.145，沈陽(yáng)和鐵干里克地區(qū)的系統(tǒng)運(yùn)行效率最大，香港地區(qū)最差。可見SPV-TEG系統(tǒng)發(fā)電量比SPV系統(tǒng)有很大提高，主要是SPV-TEG系統(tǒng)的總效率高于SPV系統(tǒng)。對(duì)于SPV-TEG系統(tǒng)的應(yīng)用，在沈陽(yáng)和鐵干里克相應(yīng)的氣候條件的地區(qū)更適于推廣。

2.3 不同地區(qū)系統(tǒng)能量收支分析

圖5給出了在5個(gè)城市中TE-RC系統(tǒng)和TE-DV系統(tǒng)的全年綜合總能耗以及SPV-TEG全年總發(fā)電量。圖中將空調(diào)系統(tǒng)的能耗與發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 系統(tǒng)全年能量收支圖

應(yīng)用熱電發(fā)電技術(shù)使得系統(tǒng)的發(fā)電量大幅度提高。從圖5可以看出空調(diào)系統(tǒng)全年的能耗均比發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量要高，其中以武漢地區(qū)的能耗最高，系統(tǒng)的發(fā)電量?jī)H能匹配37%的空調(diào)能耗。在香港、昆明、鐵干里克3個(gè)地區(qū)，發(fā)電系統(tǒng)可以為空調(diào)系統(tǒng)提供至少59%以上的電能，在昆明地區(qū)可以達(dá)到70%。香港、昆明地區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)全年能耗在3,100 kW左右，武漢、沈陽(yáng)和鐵干里克地區(qū)的能耗比香港和昆明地區(qū)全年能耗高出1,500 kW，因?yàn)樵摎夂虻貐^(qū)空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間以及運(yùn)行頻率均高于香港和昆明地區(qū)，而且在同一時(shí)期該氣候地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷也較大。發(fā)電系統(tǒng)在5個(gè)不同氣候地區(qū)的全年總發(fā)電量相近，全武漢地區(qū)最低，鐵干里克地區(qū)最高，因?yàn)榘l(fā)電系統(tǒng)在鐵干里克氣候地區(qū)運(yùn)行時(shí)的效率最高。雖各個(gè)氣候地區(qū)發(fā)電系統(tǒng)全年總發(fā)電量均未完全滿足空調(diào)系統(tǒng)的全年總能耗，但發(fā)電系統(tǒng)可以為空調(diào)系統(tǒng)降低最少37%、最大70%的能耗，很大程度上減少了空調(diào)系統(tǒng)的能量消耗。

3 結(jié)論

在不同氣候條件下，通過對(duì)5個(gè)典型代表城市太陽(yáng)能輻射空調(diào)系統(tǒng)的性能分析，得出如下結(jié)論：

1）夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)的建筑物空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷主要集中在夏季，但溫和地區(qū)全年總負(fù)荷最低；其他地區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷分布趨勢(shì)相似，但空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，耗電能多；

2）5個(gè)地區(qū)的TE-RC系統(tǒng)與TE-PAU系統(tǒng)的綜合COP可達(dá)1.85～3.85；該系統(tǒng)在氣候寒冷地區(qū)的運(yùn)行性能最差，在氣候溫和地區(qū)的運(yùn)行性能最優(yōu)；

3）SPV-TEG系統(tǒng)在氣候寒冷地區(qū)的運(yùn)行性能最好，發(fā)電效率達(dá)0.302，全年總發(fā)電量最高；比傳統(tǒng)的SPV系統(tǒng)運(yùn)行性能高0.157；SPV-TEG系統(tǒng)更適于在寒冷地區(qū)推廣；

4）太陽(yáng)能熱電輻射空調(diào)系統(tǒng)可以為建筑節(jié)省37%～70%的電能，為綠色建筑設(shè)計(jì)提供一種新的方案。