日益严重的全球能源危机加剧了全球气候变化挑战。作为世界上最大的能源消费国和碳排放国，中国已正式承诺实施“双碳”战略[1]，[2]。可再生能源的开发与利用、建筑供暖和冷却系统中能源损失的减少以及废热回收和利用的提高是减少能源消耗和污染物排放的核心研究方向[3]，[4]，[5]，[6]。
与住宅和商业建筑中的空调系统产生的废热[7]，[8]相比，设备运行和工业过程中产生的废热不仅在数量上更多，而且温度也更高，因此具有更高的回收和再利用潜力[9]。工业废热是指在工业过程中不可避免产生的大量高质量热能，这些热能最终被排放到环境中而未被有效利用[10]。根据温度水平，工业废热通常分为三类：高温废热（>400℃），主要来自直接燃烧过程、高炉和工业炉；中温废热（100–400℃），主要来自焦炉和蒸汽锅炉的烟气[11]；以及低温废热（<100℃），通常与工业单元中的组件制造过程和设备运行相关[12]，[13]，[14]。在这些来源中，烟气约占总工业热损失的35%，是工业废热的主要载体[12]。
从工业建筑废气中回收的废热可用于空间供暖[15]，[16]、生活热水生产和新鲜空气预热[17]。在寒冷地区，工业建筑通常有较高的新鲜空气供暖需求；在这种条件下，从高温废气中回收热量以预热进入的新鲜空气可以显著降低与新鲜空气供暖相关的能源消耗[18]。然而，工业建筑的废气流往往伴随着有害污染物的排放。如果不进行适当处理，烟气中的颗粒物和其他污染物可能对大气环境和公共健康构成严重威胁[19]，[20]。因此，将颗粒物去除系统集成到工业建筑废热回收系统中是必要的（图1(a)）。然而，这种集成带来了显著的能源挑战。添加颗粒物去除设备会增加废气侧的流动阻力，导致通风风扇和颗粒物控制系统消耗更多的电力，这可能会部分甚至完全抵消废热回收的节能效益。解决净化高温废气所需的高能耗与工业建筑废热回收潜在的节能效果之间的矛盾需要一个有效的解决方案。将热电模块（TEM）集成到建筑环境控制系统中是一种有前景的方法，它们能够直接将废热转化为电能[21]，[22]。
近年来，许多研究报道了将TEM集成到建筑围护结构材料[23]，[24]和废气系统中进行废热回收和发电的数值建模和实验研究。Cai等人[25]使用CFD模拟评估了热电通风建筑围护结构（TVBE）的被动冷却和发电性能。在900 W/m2的太阳辐射强度下，该系统实现了0.474 mW的最大热电功率输出和10.46 kJ的等效冷却负荷。作为管道集成的一个代表性应用，Irshad等人[26]开发了一种用于热带气候下空间冷却的光伏辅助热电风道系统（TE-AD）。实验结果表明，在6 A的工作电流下，该系统的冷却能力为517.24 W，COP为1.15。与传统的0.75吨分体式空调相比，TE-AD系统每年可减少1806.75 kWh的电力消耗。Chen等人[27]开发了一种基于CFD的方法，将TEM建模为工业烟气废热回收的热吸收器。结果表明，在雷诺数为1000时，降低通道高度以增加烟气的入口速度可使TEM的输出功率提高53.5%。Liu等人[28]提出了一种太阳能驱动的废热热泵回收系统（SDEATHP）。实验结果表明，该系统在冬季条件下仅需要3.12 W的风扇功率，即可实现最高31.8℃的供气温度，比室内环境温度高约12℃。现有研究表明，将TEM应用于建筑废热回收（WHR）是有效且技术上可行的。然而，在实际运行中，废热回收系统在与室外新鲜空气进行热交换时可能会向环境中释放污染物，从而对空气质量产生不利影响。此外，TEM产生的电能可能无法满足风扇和净化系统等空气污染物控制设备的能源需求。因此，需要对建筑排气系统进行系统优化，包括废热回收、热电发电和静电颗粒物净化模块的协调设计和集成。
本研究提出了一种基于热电的自供电系统，用于工业废气废热回收和空气净化（WHAP），该系统集成了废热回收（WHR）模块、热电模块（TEM）和静电除尘器（ESP）模块。如图1(b)所示，在废热回收模块中，工业废气在排气通道中被净化，而冷室外新鲜空气在新鲜空气通道中被加热。TEM利用废气与新鲜空气之间的温差。为了去除工业废气中的颗粒物，在排气通道内安装了放电电线，形成了静电除尘器模块，也称为ESP通道。与广泛使用的纤维过滤器相比，ESP可以在不牺牲颗粒物去除效率的情况下显著降低电力消耗，从而使得自供电空气净化系统的实现成为可能。传统的纤维过滤器依赖于折叠的多孔介质来捕获颗粒物[29]，这会导致通风系统内的气流阻力显著增加，并产生较大的压力降。相比之下，ESP的线板配置引入了更低的流动阻力，从而导致比纤维过滤器更小的压力降和更低的能耗[30]。这种结合废热回收、热电发电和静电颗粒物去除的集成策略为工业建筑排气系统的自供电运行和环境可持续排放控制提供了有希望的途径。
现有研究中已经建立了各个子系统的数值模型。对于废热回收（WHR），基于CFD的数值模型结合了热传递机制和相关的结构设计方法，已经相对成熟[31]，[32]，[33]，[34]，并且已被证明能够在典型运行条件下准确预测热回收性能[35]，[36]。同样，作为广泛使用的工业空气净化系统的静电除尘器（ESPs）也有基于电液动力学（EHD）和颗粒物去除效率预测模型的成熟数值模拟方法支持[37]，[38]，为构建集成多物理场系统提供了可靠的理论基础和边界条件。此外，将CFD模拟与TEM数值模型相结合已成为准确评估TEM性能和优化系统配置的强大方法[39]，[40]，[41]，[42]。
当前的研究主要集中在各个模块的优化上，很少有研究关注WHR、TEM和ESP模块的系统性数值模拟和集成优化。电-流-热相互作用是一个典型的复杂多物理场问题。对于ESP模块，电场会产生电液动力学（EHD）效应，影响热传递特性，从而影响TEM的发电量和新鲜空气的加热性能。同时，TEM的几何配置会改变气流场，影响热传递效率和颗粒物去除性能。此外，模块之间的参数优化可能涉及固有的权衡。例如，最大化TEM的发电量可能会降低颗粒物去除效率。相反，提高颗粒物净化效率通常会增加ESP的能耗，这可能会超过TEM的电能输出。增加TEM的数量以提高发电量也可能干扰ESP的性能。因此，集成系统设计必须全面考虑多物理场相互作用，并仔细平衡模块级别的优化参数，以实现整体性能的提升。
为了定量优化所提出的基于热电的自供电废热回收和空气净化（WHAP）系统，本研究开发了一个多物理场数值模型，能够同时模拟电晕放电电场、湍流两相气流场（空气-颗粒流）和对流热传递过程。在CFD数值模拟中充分考虑了电-流-热场的耦合。经过实验验证后，使用该验证模型研究了关键设计参数对WHAP系统性能的影响。基于参数分析结果，进行了系统的配置优化，以实现高效的自供电运行。本研究为工业建筑中热电技术的可持续和多功能结构应用提供了一种集成设计策略。
