一种半导体耦合辐射供热/供冷装置及设计计算方法

本发明涉及供能，具体是一种半导体耦合辐射供热/供冷装置及功能方法。

背景技术：

1、辐射供冷/供热是依靠换热面以辐射换热为主要换热方式的一种供热/供冷方式。现有辐射系统中多采用水或者制冷剂作为介质，有的还有填充层，由于系统容量较大，响应较慢，调节时存在明显的滞后性，很难进行及时的高精度的温度控制。

2、这在很多情况下是比较不利的，如系统运行初期升温/降温较慢，大多数系统只适合连续运行。通过介质参数进行供冷工况防结露控制时，从发现结露风险到表面温度调节完成也需要较长的时间，因而只能设定较高的露点温度，采用较大的安全余量来防止结露，因此需要将夏季供冷介质的温度设置较高，使得制冷量受到影响。

3、干式电辐射供暖可以实现快速升温，也具有较高的调温精度，但该系统只适合供热工况，无法进行供冷。

4、除了系统响应慢以及控温精度低之外，传统辐射供冷/供热系统以一个循环回路为分区，同一回路区域内参数相同，无法再进行更小范围的分区温度控制。

5、现有中国发明专利cn202210543479.8公开了一种利用基于半导体制取冷冻水的辐射板空调系统，该系统通过使用半导体制冷制取冷冻水，在冷冻水管道表面覆盖辐射板，利用辐射板面的低温达到制冷效果。此方式采用半导体直接制冷，制冷效率低；采用半导体制取冷冻水，利用冷冻水进行辐射制冷，整个过程中存在多个换热过程，会造成热量的损失，无法大幅提升辐射制冷效果。且此技术中只提及了制冷效果，没有提及制热的效果。

6、现有中国发明专利cn202321337421.4公开了一种热电制冷与蒸汽压缩制冷耦合复叠式制冷系统，该系统中包括蒸汽压缩制冷模块和热电制冷模块。其中蒸汽压缩制冷模块通过蒸发器的吸热等过程完成向冷库的制冷，蒸汽压缩制冷模块中的冷凝器与热电制冷模块中半导体制冷元件的冷面进行换热，半导体制冷元件的热面将热量释放到环境中。该系统属于压缩式制冷和半导体制冷的复叠式系统，压缩式制冷为低温级，半导体制冷为高温级，半导体制冷的吸热量等于压缩式制冷系统冷凝器的放热量，其效率及容量受限于半导体制冷，而蒸发器侧的控温精度则受限于压缩式制冷，两方面均不占优势。系统主要用于制冷，可达到较大的温差，但未公开如何实现冷热模式的切换。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足，本发明提供一种半导体耦合辐射供热/供冷装置，在传统辐射供热/供冷模式基础上，耦合半导体制冷元件，进行进一步升温或降温，并实现高精度温度调控。

2、本发明为实现上述目的，采用以下方案：

3、根据本发明一方面，提供一种半导体耦合辐射供热/供冷装置，包括介质层，所述介质层包括多个间隔平行设置的管道、以及半导体制冷元件，所述管道内通供热/供冷介质，所述介质层上下两侧分别设置上均热板和下均热板、且均与半导体制冷元件连接；所述上均热板顶部设置面层。

4、进一步的，所述下均热板底部设置保温层。

5、进一步的，所述管道为扁管道。

6、进一步的，所述半导体制冷元件为任意形状。

7、进一步的，所述半导体制冷元件设置在介质层的任意位置。

8、根据本发明另一方面，提供一种设计计算方法，按供冷工况进行设计，对供热工况进行校核，采用以下步骤：

9、s1、针对传统辐射供热/供冷部分设计参数及计算公式；

10、s2、设计计算过程：

11、s3、确定半导体制冷元件供冷量；

12、s4、供热工况校核。

13、进一步的，s1中设计参数包括：

14、以室内操作温度作为室内设计温度，操作温度t0定义为公式(1)或公式(2)：

15、

16、示(1)中，为平均辐射温度；ta为空气温度；hr为辐射换热系数；hc为对流换热系数；

17、由于在通常环境下，辐射换热系数与对流换热系数的大小相当，因此也常用空气温度与平均辐射温度的平均值来代表操作温度，即：

18、

19、辐射供冷的操作温度范围可取26～28℃，对室内环境要求更高时可取24～26℃；

20、室内非加热/冷表面平均温度tw可按与空气温度相同来计算；

21、参数还包括：介质平均温度tm、面层厚度δ、面层导热系数λ、表面发射ε；

22、s1中计算公式具体为:

23、辐射板向室内的供冷量由辐射和对流两部分组成：

24、q＝qf+qd   (3)

25、式(3)中qf为辐射板与室内非加热/冷却表面之间的辐射传热量；qd为面层与室内空气之间的对流换热量；

26、

27、式(4)中a为辐射板面积；tpj为辐射板温度；tw为室内非加热/冷却表面温度；ε为面层发射率；

28、qd＝h×a×|ta-tpj|   (5)

29、式(5)中h为对流换热系数，可根据传热学经验公式确定，但公式选择时需注意辐射板处于水平还是竖直状态，以及热流方向；

30、通过面层的导热换热量：

31、

32、式(6)中a为辐射板面积；tpj为辐射板温度；tj为均热层温度；λ为面层导热系数；δ为面层厚；

33、介质热量计算公式：

34、qr＝cp×g×δt   (7)

35、式(7)中cp为比热；g为质量流量；δt为介质进出口温差。

36、进一步的，s2中设计计算过程为：

37、s21、根据室内设计参数确定辐射板表面温度tpj；

38、s22、根据室内非加热/冷却表面平均温度和辐射板表面温度，利用公式(3)(4)(5)计算理论供冷量q'，理论供冷量包括辐射换热量和对流换热量两部分；

39、s23、根据面层厚度和导热系数，利用公式(6)计算均热层温度，该温度近似等于介质平均温度tm；

40、s24、设定介质进出口温差δt，2℃﹤δt＜5℃，进口温度为出口温度为根据公式(7)计算介质流量g；

41、s25、结合实验或数值模拟方法确定管道尺寸、长度和管间距，并得到表面温度分布数据，以及给定进口温度条件下的介质出口温度；

42、s26、根据辐射板表面温度均匀性调整均热板厚度，使相邻管道上方的辐射板表面最大温差在2℃以内，并校核介质进出口热量变化和辐射板与室内传热量之间的平衡。

43、进一步的，s3中确定半导体制冷元件供冷量方法为：

44、根据面层厚度和导热系数、室内非加热/冷却表面平均温度，计算进口温度和出口温度分别对应的实际供冷量qi、qo，两个供冷量之间的差值即为消除不均匀性所需的供冷量q1；

45、根据s21中得到的辐射板表面温度降低2℃，重新计算供冷量q"，q"与理论供冷量q'的差值q2即为温度调控所需的供冷量。

46、进一步的，s4中供热工况校核方法为：

47、辐射供热的操作温度范围可取18～22℃，对室内环境要求更高时可取22～24℃；

48、如无温度控制需求，则可采取与传统辐射供热系统相同的设计方法，对系统参数进行校核，不考虑半导体制冷元件的作用；

49、如有温度控制需求，则需要从总供热量中扣除半导体制冷元件反向运行的加热量，然后计算介质温度，介质温度要低于传统辐射供热系统，温差宜控制在0～5℃。

50、对比现有技术，本发明的有益效果在于：

51、1、本发明在传统辐射供热/供冷模式基础上，设置半导体制冷元件，可以显著提高辐射系统对负荷变化的响应速度，温控精度高，并可在供冷模式下实现有效的防结露调节。

52、2、本装置继承了传统辐射供热/供冷系统能效高的优点，系统能效远高于单独的半导体制冷系统，介质可以采用较低的供热温度和较高的供冷温度，其能效可有进一步提升。

53、3、可根据需要设置不同的负荷占比，半导体制冷负荷占比小的情况下，系统能效高，适合进行温度的微调，半导体制冷负荷占比大的情况下，会牺牲一定的能效，但调温范围宽，环境适应性更强。

54、4、一套装置同时具有供热/供冷功能，并且可以实现工况的迅速切换。

55、5、本发明有效解决辐射板表面温度不均匀及其导致的供冷量衰减问题。