利用帕尔贴效应制冷供暖的局部空调设计及性能研究

摘要

利用帕尔帖原理，在N型半导体和P型半导体组成的回路中通以电流，即会在NP结处会出现制冷、制热现象，利用这一现象制成的空调称为半导体空调。
　　本文利用半导体空调技术，构建了一种可冷暖兼供的局部空调，目前结合睡眠需求应用于床体，简称空调床。所构建的空调床高2米，宽1.5米，长2.2米，蚊帐采用密织型布料，冬季空调床维持床内温度为22oC，夏季维持床内温度为28 oC。在空调床头部设置制冷单元，送风量为1m3/min；脚部设置制热单元，送风量为2m3/min。通过空调床负荷计算，确定制冷单元和制热单元均需要两片型号TEC1-12708制冷片。当夏季室温小于30 oC时，空调床制冷能将床内温度减低至28 oC，当室温高于30oC时，空调床与房间空调联合运行，控制床内温度低于28oC；空调床制热能满足整个冬季的制热要求。本文针对该空调床的耗电特性和“头凉脚暖”特性展开实验研究和理论研究。
　　空调床和房间空调在两个相邻且相同的房间同时运行，房间空调保持整个房间温度为冬季22oC，夏季28oC；空调床仅维持床内温度为冬季22oC，夏季28oC。对比房间空调耗电和空调床耗电，即能得出空调床的耗电特性。在空调床内部的头部、脚部、腰部放置温度测点，分别在冬季、夏季测量这三个区域的平均温度，则可以验证空调床是否能实现“头凉脚暖”的特殊睡眠环境。建立空调床耗电量理论模型，根据该理论模型编写TRNSYS部件。在TRNSYS中以上海地区为例，建立建筑空调和空调床耦合运行模型，最后与房间空调的全年能耗对比，得到空调床的全年节能率。
　　实验数据显示：（1）空调床单独运行可满足上海整个冬季的制热需求，相对房间空调，空调床节能率约为85％；夏季只有在室温小于30 oC时，空调床单独运行能降低床内温度至28 oC，此时节能率约为80%；当室温大于30 oC时，空调床需与房间空调联合运行来降低床内温度，此时与房间空调单独运行相比，节能率约为9%；（2）冬季脚部加热，脚部温度比头部温度高约4 oC至6 oC，夏季头部制冷，脚部温度比头部温度高约1 oC，可见“头凉脚暖”效果在冬季明显，而在夏季微弱；（3）对比空调床耗电量计算值与实验值值，两者相对误差小于20%。模拟结果显示：（1）在普通居室中使用空调床，冬季可节能43%，夏季可节能13%；在节能居室中使用空调床，冬季和夏季可分别节能39%和7.5%。（2）空调床夏季制冷量小，适合运行的时间短，节能率低，因此将空调床夏季送、回风方式改为上送下回，这样送风口远离头部，可以增大制冷量，使空调床满足整个夏季的制冷需求。用TRNSYS对改进后的空调床进行全年能耗模拟，可知在普通居室和节能居室中夏季使用改进空调床，节能率分别为45%和38%。

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符号与标记

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2半导体制冷技术

1.3半导体制冷原理

1.4空调床的国内外研究现状

1.5睡眠热舒适的国内外研究现状

1.6本文主要研究工作

第二章 空调床设计及理论计算

2.1空调床设计

2.2空调床能耗计算

2.3本章小结

第三章 空调床的实验研究

3.1实验方案

3.2实验测试方法

3.3空调床温度适应性实验结果及分析

3.4空调床“头凉脚暖”特性实验结果及分析

3.5空调床节能性实验结果及分析

3.6实验数据和理论计算的对比

3.7本章小结

第四章 建筑空调与空调床耦合运行模拟分析

4.1模拟系统介绍

4.2空调床模拟系统

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1研究工作总结

5.2研究展望

参考文献

附录－空调床模拟程序代码

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文