脈沖式熱電制冷系統(tǒng)動態(tài)特性及其優(yōu)化研究

本項目采用計算模擬和實驗方法對脈沖電流驅(qū)動模式下熱電制冷的系統(tǒng)動態(tài)特性及其優(yōu)化與控制進行了深入的理論分析與實驗研究。通過對熱電制冷系統(tǒng)建立非穩(wěn)態(tài)模型，探索了脈沖式熱電制冷的動態(tài)物理過程特性及其特征參數(shù)變化規(guī)律，同時也研究了脈沖驅(qū)動模式與熱電制冷的高效耦合機制，并獲得了最佳脈沖驅(qū)動模式與優(yōu)化調(diào)控方法，為后續(xù)實驗提供了理論指導(dǎo)；與此同時，亦研究了變工況及動態(tài)工作條件下熱沉與脈沖式熱電制冷的匹配關(guān)系，并提出了適合脈沖式熱電制冷的高效經(jīng)濟的熱沉方式及其優(yōu)化匹配方法，且對脈沖式熱電制冷系統(tǒng)進行了熱力學(xué)優(yōu)化分析，獲得了其系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法。此外，搭建及調(diào)試了脈沖熱電制冷實驗臺并進行了相關(guān)變工況實驗，而實驗結(jié)果與理論模擬結(jié)果的高度接近表明了前期理論模擬數(shù)學(xué)模型的正確性。實驗探索了脈沖參量變化對熱電制冷工作特性和可靠性的影響關(guān)系，研究了非穩(wěn)態(tài)熱電制冷過程中熱電模塊與散熱端熱沉之間的耦合傳熱特性。課題組在熱電制冷方向發(fā)表的已標(biāo)注基金國際期刊論文有14篇，已為SCI、EI等檢索并引用，取得了一定的研究成果，且基于該課題研究已申請兩項發(fā)明專利，其中一項已授權(quán)。本課題從更深的層次上揭示了非穩(wěn)態(tài)熱電制冷過程的物理本質(zhì)和基本規(guī)律，進一步豐富了熱電制冷的理論體系，同時為在電子器件主動冷卻方面應(yīng)用脈沖式熱電制冷技術(shù)打下了良好基礎(chǔ)。 2100433B

本項目采用計算模擬和實驗方法對脈沖電流驅(qū)動模式下熱電制冷的系統(tǒng)動態(tài)特性及其優(yōu)化與控制進行深入的理論分析與實驗研究。探索脈沖式熱電制冷的動態(tài)物理過程特性及其特征參數(shù)變化規(guī)律，闡明脈沖式熱電制冷過程中的瞬態(tài)過冷效應(yīng)與脈沖間隙冷端溫度過沖特性以及對被冷卻電子器件溫度的影響規(guī)律；研究脈沖驅(qū)動模式與熱電制冷的高效耦合機制，探討脈沖驅(qū)動模式及其參量變化對制冷性能的影響關(guān)系，獲得最佳脈沖驅(qū)動模式與優(yōu)化調(diào)控方法；研究變工況及動態(tài)工作條件下熱沉與脈沖式熱電制冷的匹配關(guān)系，提出適合脈沖式熱電制冷的高效經(jīng)濟的熱沉方式及其優(yōu)化匹配方法；探尋脈沖式熱電制冷的非穩(wěn)態(tài)建模新方法及構(gòu)建系統(tǒng)優(yōu)化模型，對脈沖式熱電制冷系統(tǒng)進行熱力學(xué)優(yōu)化分析，獲得系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法。本研究將從更深的層次上揭示非穩(wěn)態(tài)熱電制冷過程的物理本質(zhì)和基本規(guī)律，豐富熱電制冷的理論體系，同時將為脈沖式熱電制冷技術(shù)應(yīng)用于電子器件冷卻領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)并提供開發(fā)思路。

冷熱電聯(lián)供是近些年國內(nèi)外蓬勃發(fā)展的一種能源供應(yīng)形式。它可以利用低品位余熱，實現(xiàn)能源梯級利用。因此，將其應(yīng)用到建筑中去節(jié)能潛力巨大。然而由于缺乏對建筑物負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測，致使設(shè)備選型不合理，系統(tǒng)長期處于較低部分負(fù)荷率下運行；此外對系統(tǒng)的動態(tài)變工況性能的研究很少，使得系統(tǒng)缺乏有效的動態(tài)控制，可靠性較差。圍繞上述問題，該項目首先研究人員分布和流動以及外部氣候參數(shù)動態(tài)變化對建筑物各區(qū)冷、熱、電負(fù)荷的影響，建立綜合考慮人員和氣候隨機因素的建筑物分區(qū)動態(tài)負(fù)荷預(yù)測模型；其次，建立基于最優(yōu)化控制策略的建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，確立高效數(shù)值算法；再次，研究建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)全年工況的控制算法以及系統(tǒng)內(nèi)部各參量的動態(tài)變化特性；最后，通過構(gòu)建實驗平臺，對模型進行驗證。通過上述研究，形成一套包括建筑物動態(tài)負(fù)荷預(yù)測、系統(tǒng)動態(tài)控制和變工況優(yōu)化運行在內(nèi)的建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)分析設(shè)計理論，為相關(guān)研究提供指導(dǎo)和理論支撐。

減壓閥的動態(tài)特性指減壓閥工作時二次側(cè)壓力隨時間變化的過渡狀態(tài)的性能，通常用減壓閥二次側(cè)流道突然關(guān)閉時二次側(cè)壓力隨時間變化的過渡品質(zhì)來評價。

減壓閥的動態(tài)特性不僅與閥本身諸參數(shù)有關(guān)，而且還受一次側(cè)回路容積及二次側(cè)回路容積等因素的影響。如果減壓閥的動態(tài)特性惡劣，就會產(chǎn)生異常高的脈沖壓力，嚴(yán)重影響回路的正常工作。

冷熱電聯(lián)供技術(shù)在近些年得到了廣泛的發(fā)展，但一些示范工程表明，實際應(yīng)用中存在負(fù)荷率低下、系統(tǒng)適應(yīng)性不強、綜合效益不明顯等問題。一個重要原因是系統(tǒng)實際運行不能與實際負(fù)荷需求形成有效的匹配。其涉及用戶負(fù)荷預(yù)測、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、變工況運行策略及性能評價等多方面，尤其有必要對系統(tǒng)變工況下運行特性進行研究以應(yīng)對實際運行中復(fù)雜多變的負(fù)荷。為此，本項目主要做了以下幾個方面工作。第一，基于人員流動和氣候隨機變化，建立了建筑分區(qū)動態(tài)負(fù)荷預(yù)測模型，通過動態(tài)負(fù)荷預(yù)測可以為系統(tǒng)變工況運行提供重要參考；第二，提出了一種基于最小距離的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，研究表明基于這種方法優(yōu)化的系統(tǒng)性能要優(yōu)于其它常用方法；第三，研究了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中典型部件的數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)建模和變工況性能預(yù)測提供了理論依據(jù)；第四，對變工況下的系統(tǒng)動態(tài)特性進行了實驗研究，并將實驗結(jié)果與理論預(yù)測進行了對比；第五，研究了變工況下系統(tǒng)最優(yōu)化運行策略和性能分布，為系統(tǒng)在實際變工況運行中提供理論依據(jù)，同時對全年下的系統(tǒng)變工況性能進行了分析；第六，研究了孤島模式下的系統(tǒng)獨立運行及能量輸出特性，提出了三種調(diào)節(jié)能量輸出的策略；第七，分別提出了基于模糊區(qū)間和層次分析法、基于聚類與判別分析的冷熱電聯(lián)供后評估模型及方法。 2100433B