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域。據統計，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鍵技術。然而，在低溫環境下，ASHP性能顯著下降，常需依賴輔助電加熱，導致能耗增加。此外，在寒冷與溫和氣候區，室內濕負荷較高，傳統空調系統往往難以維持舒適的濕度水平，常規的再熱或獨立除濕方案能效較低且成本較高。熱電模塊作為一種緊湊、無運動部件的固態器件，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?系統中的應用，但在主流制冷劑（如R-32）中的實驗驗證、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。本文旨在通過實驗研究，探索TES與R-32空氣源熱泵集成的全年運行性能，特別是在提升供暖能力與增強除濕效果方面的潛力。

PART2

研究內容

本研究設計并測試了一臺集成便攜式熱電過冷器的3噸R-32空氣源熱泵系統。TES安裝在液態管路上，其冷側從制冷劑吸熱，熱側在供暖模式下向回風放熱，在制冷模式下向送風放熱，實現全年運行。實驗在可控氣候室內進行，涵蓋多種供暖與制冷工況。

在供暖模式下，實驗對比了TES啟停狀態下的系統性能。如圖1所示，激活TES后，系統供暖能力提升了12%–20%，尤其是在較高環境溫度下提升更為明顯。然而，如圖2所示，系統供暖COP降低了7.6%–10%，說明TES在提升能力的同時犧牲了部分能效。圖3進一步展示了TES模塊自身的性能，其COP隨環境溫度下降而降低，范圍在1.28–1.39之間，低于先前研究的設計值，主要原因在于TES被安裝在空氣處理單元底部，限制了與回風的熱交換。

圖1. 系統在不同環境溫度下的加熱容量。

圖2. 系統在不同環境溫度下的加熱COP。

圖3. TES在不同環境溫度下加熱模式下的性能表現。

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

圖4. 不同測試條件下系統冷卻SHR的性能。

圖5. 不同測試條件下系統每循環除濕量。

圖6. 能耗比：TES與電阻再熱法對比

PART3

總結與展望

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

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

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

3.系統靈活性：TES可在TE_OFF模式下作為被動過冷器使用，或在TE_ON模式下作為主動再熱與除濕增強裝置，適應不同運行需求。

圖7. ASHP 中TES與補充電阻加熱積分的COP。

圖8. 能耗比：TES與全屋除濕機對比。

未來工作可進一步優化TES的安裝位置與熱交換結構，提升其與空氣流的熱耦合效率；同時，可開展長期現場測試與不同氣候區的適用性研究，推動該技術在住宅供暖與除濕系統中的實際應用。

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