ATE: 熱電式過冷器與空氣源熱泵的集成以提升供暖能力和除濕能力

論文信息：

Yifeng Hu, Yimin Chen, Bo Shen,Sreenidhi Krishnamoorthy,Don Shirey.

Integration of a thermoelectric subcooler with an air-source heat pump to enhance heating capacity and dehumidification.

Applied Thermal Engineering 286 (2026) 129329.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.129329

PART1

研究背景

空間供暖與制冷是住宅建筑的主要能源消耗領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國，供暖約占住宅總能耗的42%，而制冷則占電力消耗的19%。空氣源熱泵因其高效的供暖與制冷能力，已成為全球市場上的關(guān)鍵技術(shù)。然而，在低溫環(huán)境下，ASHP性能顯著下降，常需依賴輔助電加熱，導(dǎo)致能耗增加。此外，在寒冷與溫和氣候區(qū)，室內(nèi)濕負(fù)荷較高，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)往往難以維持舒適的濕度水平，常規(guī)的再熱或獨(dú)立除濕方案能效較低且成本較高。熱電模塊作為一種緊湊、無運(yùn)動(dòng)部件的固態(tài)器件，為提升熱泵性能提供了新的可能。已有研究集中于熱電過冷器在跨臨界CO?系統(tǒng)中的應(yīng)用，但在主流制冷劑（如R-32）中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、極端寒冷條件下的性能評估以及其對潛熱冷卻（除濕）性能的影響方面仍存在研究空白。本文旨在通過實(shí)驗(yàn)研究，探索TES與R-32空氣源熱泵集成的全年運(yùn)行性能，特別是在提升供暖能力與增強(qiáng)除濕效果方面的潛力。

PART2

研究內(nèi)容

本研究設(shè)計(jì)并測試了一臺(tái)集成便攜式熱電過冷器的3噸R-32空氣源熱泵系統(tǒng)。TES安裝在液態(tài)管路上，其冷側(cè)從制冷劑吸熱，熱側(cè)在供暖模式下向回風(fēng)放熱，在制冷模式下向送風(fēng)放熱，實(shí)現(xiàn)全年運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)在可控氣候室內(nèi)進(jìn)行，涵蓋多種供暖與制冷工況。

在供暖模式下，實(shí)驗(yàn)對比了TES啟停狀態(tài)下的系統(tǒng)性能。如圖1所示，激活TES后，系統(tǒng)供暖能力提升了12%–20%，尤其是在較高環(huán)境溫度下提升更為明顯。然而，如圖2所示，系統(tǒng)供暖COP降低了7.6%–10%，說明TES在提升能力的同時(shí)犧牲了部分能效。圖3進(jìn)一步展示了TES模塊自身的性能，其COP隨環(huán)境溫度下降而降低，范圍在1.28–1.39之間，低于先前研究的設(shè)計(jì)值，主要原因在于TES被安裝在空氣處理單元底部，限制了與回風(fēng)的熱交換。

圖1. 系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的加熱容量。

圖2. 系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的加熱COP。

圖3. TES在不同環(huán)境溫度下加熱模式下的性能表現(xiàn)。

在制冷模式下，TES通過再熱送風(fēng)與降低蒸發(fā)溫度來增強(qiáng)除濕能力。如圖4所示，TES的引入顯著降低了系統(tǒng)的顯熱比（SHR），說明潛熱冷卻比例增加，除濕能力增強(qiáng)。圖5顯示，在相同顯熱負(fù)荷下，TES啟用后（TE_ON）的除濕量較基準(zhǔn)系統(tǒng)提升了20%–51%。圖6比較了TES再熱與電加熱再熱的能耗，結(jié)果表明，在實(shí)現(xiàn)相同除濕效果時(shí)，TES（TE_OFF模式）可節(jié)能15%–33%，而TES（TE_ON模式）亦可節(jié)能10%–28%。

圖4. 不同測試條件下系統(tǒng)冷卻SHR的性能。

圖5. 不同測試條件下系統(tǒng)每循環(huán)除濕量。

圖6. 能耗比：TES與電阻再熱法對比

PART3

總結(jié)與展望

本研究表明，集成熱電過冷器的空氣源熱泵系統(tǒng)在提升供暖能力與增強(qiáng)除濕性能方面具有顯著優(yōu)勢：

1.供暖方面：TES可提升12%–20%的供暖能力，盡管系統(tǒng)COP有所下降，但其整體能效仍優(yōu)于采用電阻加熱輔助的常規(guī)系統(tǒng)（圖7）。

2.除濕方面：TES通過再熱與降低蒸發(fā)溫度，顯著提升系統(tǒng)除濕能力，且在實(shí)現(xiàn)相同除濕效果時(shí)，能耗低于傳統(tǒng)電加熱再熱或獨(dú)立除濕器（圖6、圖8）。

3.系統(tǒng)靈活性：TES可在TE_OFF模式下作為被動(dòng)過冷器使用，或在TE_ON模式下作為主動(dòng)再熱與除濕增強(qiáng)裝置，適應(yīng)不同運(yùn)行需求。

圖7. ASHP 中TES與補(bǔ)充電阻加熱積分的COP。

圖8. 能耗比：TES與全屋除濕機(jī)對比。

未來工作可進(jìn)一步優(yōu)化TES的安裝位置與熱交換結(jié)構(gòu)，提升其與空氣流的熱耦合效率；同時(shí)，可開展長期現(xiàn)場測試與不同氣候區(qū)的適用性研究，推動(dòng)該技術(shù)在住宅供暖與除濕系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。

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