胡良斌，溫宗寶，卿德藩，鄒家柱

（1.南華大學(xué)環(huán)境保護(hù)與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽421001；2.南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽421001）

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半導(dǎo)體制冷/空氣能熱水器耦合節(jié)能應(yīng)用技術(shù)研究

胡良斌1.2，溫宗寶2，卿德藩2，鄒家柱2

（1.南華大學(xué)環(huán)境保護(hù)與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽421001；2.南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽421001）

摘要：針對(duì)常規(guī)基于半導(dǎo)體帕爾帖效應(yīng)產(chǎn)品的研發(fā)局限于利用其制冷效果，并面臨散熱問題，提出將制冷/制熱效果都利用起來，實(shí)現(xiàn)空氣能熱水器和半導(dǎo)體冷箱能效互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)共生，提高兩者的效能，既能解決空氣能熱水器在低溫下空氣能利用效果不明顯的問題，又能解決半導(dǎo)體冰箱散熱的問題，提高半導(dǎo)體冰箱制冷效果。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體帕爾帖效應(yīng)；空氣能熱水器；共生互補(bǔ)

半導(dǎo)體家用電器大多是基于半導(dǎo)體帕爾帖效應(yīng)，利用其制冷效果，將其運(yùn)用到日常電器當(dāng)中，諸如半導(dǎo)體冰箱、半導(dǎo)體飲水機(jī)、半導(dǎo)體空調(diào)器等半導(dǎo)體家用電器。此類半導(dǎo)體家用電器都只是運(yùn)用到半導(dǎo)體片制冷模塊，半導(dǎo)體制冷過程中熱端都需要設(shè)計(jì)相關(guān)部件進(jìn)行散熱，散熱效果不好將導(dǎo)致制冷效果不佳，能量利用率低，散熱問題已成為半導(dǎo)體家電產(chǎn)業(yè)化的瓶頸問題。本項(xiàng)目提出將制冷/制熱效果都利用起來，研制半導(dǎo)體制冷/空氣能熱水器一體機(jī)，實(shí)現(xiàn)空氣能熱水器和半導(dǎo)體冷箱能效互補(bǔ)，既能解決空氣能熱水器在低溫下空氣能利用效果不明顯的問題，又能解決半導(dǎo)體冰箱散熱的問題，提高半導(dǎo)體冰箱制冷效果。

1　半導(dǎo)體制冷/制熱技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1半導(dǎo)體制冷/制熱原理

當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，改變電流的方向，則改變了熱冷的方向，即半導(dǎo)體帕爾帖效應(yīng)。將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)成熱電偶，接上直流電源，在接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。對(duì)半導(dǎo)體的熱端不斷散熱，而半導(dǎo)體冷端放到工作環(huán)境中去吸熱降溫，即半導(dǎo)體制冷原理。

1.2半導(dǎo)體制冷技術(shù)的特點(diǎn)

半導(dǎo)體制冷主要優(yōu)點(diǎn)如下[1-3]：

（1）是一種綠色能源，不使用制冷劑，對(duì)環(huán)境無污染。

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，由于沒有運(yùn)動(dòng)部件，無噪音，特別適應(yīng)于微型領(lǐng)域及環(huán)境要求比較高的場(chǎng)合；

（3）制冷速度快，方便控制。半導(dǎo)體制冷技術(shù)解決了許多特殊場(chǎng)合的制冷難題，有著十分廣闊的前景。

1.3基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用

半導(dǎo)體熱電器件主要應(yīng)用于制冷、加熱、發(fā)電等領(lǐng)域[4]。半導(dǎo)體制冷技術(shù)首先應(yīng)用于高技術(shù)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域?qū)t外探測(cè)器，激光器和光電倍增管等光電器件的制冷?，F(xiàn)在特別在家用電器中應(yīng)用越來越廣泛。半導(dǎo)體空調(diào)具有抗震、無泄漏、無噪音等優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于潛艇、軍用通訊、飛機(jī)機(jī)艙等特殊場(chǎng)合。半導(dǎo)體CPU制冷器主要應(yīng)用于在工作環(huán)境溫度高、電腦處理負(fù)荷大，銀行、證券等長(zhǎng)時(shí)間工作電腦系統(tǒng)等使用場(chǎng)合。半導(dǎo)體冰箱由于制冷過程中制熱端產(chǎn)生熱量散熱不及時(shí)，且散熱裝置復(fù)雜，因此其主要是用在冷藏，而不是冷凍，通常只有在特殊場(chǎng)合使用。半導(dǎo)體制冷技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

1.4半導(dǎo)體制冷家電產(chǎn)業(yè)化面臨的技術(shù)難題

半導(dǎo)體制冷存在著制冷效率低，制冷溫差小等不足。其主要包括兩個(gè)方面的問題：一是缺少更好的熱電制冷材料[5]。常用的熱電材料是經(jīng)過適當(dāng)摻雜的碲化鉍合金。優(yōu)值系數(shù)是衡量熱電制冷材料的熱電性能的重要參數(shù)，決定制冷元件所能達(dá)到的最大溫差。尋找新的熱電制冷材料、提高其優(yōu)值系數(shù)，是促進(jìn)半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展的重要途徑。二是半導(dǎo)體熱端的散熱方式有待改善。半導(dǎo)體制冷過程中熱端散熱的效果將直接影響制冷性能。常用的有空氣強(qiáng)迫對(duì)流、接觸導(dǎo)熱、相變傳熱或高熱容物質(zhì)吸熱以及液體循環(huán)冷卻等散熱方式。散熱部件復(fù)雜，且制熱模塊的能量被浪費(fèi)，其散熱效果直接影響到制冷效果。散熱問題限制了半導(dǎo)體家電產(chǎn)業(yè)化。

2　空氣能熱水器的發(fā)展及面臨的問題

空氣能熱水器是通過壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體加熱水罐中的水，制熱后的氣體通過外盤式的盤管與搪瓷水罐中的水交換熱量，既不存在漏電隱患，也避免了電加熱管表面溫度高，易結(jié)垢并影響加熱效率的弊端，真正做到了安全可靠。由于空氣能熱水器高效節(jié)能、安全環(huán)保、全天候運(yùn)行、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，其受到社會(huì)各方面的廣泛關(guān)注。但是當(dāng)環(huán)境溫度比較低時(shí)，特別是在冬季氣溫低于-10℃的寒冷北方，其空氣能的利用就很低，無法達(dá)到節(jié)能的效果。

3　半導(dǎo)體制冷/空氣能熱水器耦合節(jié)能應(yīng)用技術(shù)研究

空氣能熱水器半導(dǎo)體制冷裝置一體機(jī)基于半導(dǎo)體帕爾帖效應(yīng)，充分利用其制冷和制熱技術(shù)，將制冷端設(shè)計(jì)成半導(dǎo)體冰箱，將半導(dǎo)體制熱端產(chǎn)生的熱量輸送給空氣能熱水器，實(shí)現(xiàn)能量的充分利用，既能解決空氣能熱水器在低溫下空氣能利用效果不明顯的問題，又能解決半導(dǎo)體冰箱散熱的問題，提高半導(dǎo)體冰箱制冷效果，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。主要包括兩個(gè)部分：

圖1　空氣能熱水器半導(dǎo)體制冷裝置一體機(jī)的結(jié)構(gòu)原理示意圖

（1）半導(dǎo)體冰箱由半導(dǎo)體片、半導(dǎo)體導(dǎo)熱板和制冷箱組成。將基于半導(dǎo)體制冷端產(chǎn)生的制冷效果作為半導(dǎo)體冰箱的冷源；通過將制熱端產(chǎn)生的熱量輸送給空氣能熱水器的蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)制熱端高效、快速散熱，提高半導(dǎo)體制冷效果。

（2）熱水器由壓縮機(jī)、套管換熱器、蒸發(fā)器和儲(chǔ)水箱組成。在原有的空氣能熱水器的基礎(chǔ)上，將半導(dǎo)體制熱端產(chǎn)生的熱量輸送給空氣能熱水器，提高空氣能利用率，降低電器電量制熱的功率。

本設(shè)計(jì)在空氣能熱水器的基礎(chǔ)上，結(jié)合半導(dǎo)體制冷制熱技術(shù)，將空氣能熱水器和半導(dǎo)體裝置組合起來，充分發(fā)揮各自功能，既解決空氣能熱水器的使用受地域和氣候限制的問題，又解決半導(dǎo)體制冷技術(shù)產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)在制造熱水的同時(shí)可持續(xù)制冷，可用于家庭及企業(yè)等的熱水需求，適用范圍廣。

4　結(jié)束語

通過用空氣能熱水器蒸發(fā)器吸收半導(dǎo)體冷箱制冷過程中制熱端熱量，解決由于散熱不佳而影響制冷效果的問題，增強(qiáng)制冷效果，為半導(dǎo)體制冷產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化開拓了新途徑。同時(shí)利用制熱端產(chǎn)生的熱量，為空氣能熱水器提供較高溫度的空氣能，降低電器電量制熱的功率，實(shí)現(xiàn)熱水器高效使用空氣能，達(dá)到真正意義的節(jié)能，為空氣能熱水器由市場(chǎng)“節(jié)能喙頭”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢嬲目諝饽堋碧峁┘夹g(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸亞俊，馬最良，姚楊.空調(diào)工程中的制冷技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000:1-4.

[2]殷亮，李茂德，何文莉.半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)溫度工況的模型及實(shí)驗(yàn)分析[J].能源技術(shù)，2004，25（1）:5-6.

[3]張奕，張小松，胡洪，等.冷/熱端散熱對(duì)半導(dǎo)體冷藏箱性能的影響[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008：1.

[4]蔡德坡.半導(dǎo)體制冷熱端的分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2010.

[5]陳東勇，應(yīng)鵬展，崔教林，等.熱電材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008，22（1）:280-282.

中圖分類號(hào):TK11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0185-02

收稿日期：2016-01-18

基金項(xiàng)目：湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（湘教通[2014]248號(hào)-244），機(jī)械工程湖南省重點(diǎn)學(xué)科。

作者簡(jiǎn)介：胡良斌（1983-），男，湖南衡陽人，博士生，實(shí)驗(yàn)師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等科研工作。

Research on Energy Saving Application Technology of Semiconductor Refrigeration Coupled with Air Energy Water Heater

HU Liang-bin1.2，WEN Zong-bao2，QING De-fan2，ZOU Jia-zhu2
（1.School of Environmental Protection and Safety Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China；2.School of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

Abstract:In view of the research and development of the conventional the semiconductor Parr effect products is limited to the use of its cooling effect，but its thermal effect is used as a heat dissipation problem to be solved.In this paper，the cooling and heating effects of which are used to achieve the energy efficiency of the air energy water heater and the semiconductor cold box.This can not only solve the effect of air energy water heater is not obvious at low temperature，but also solve the cooling problem of semiconductor refrigerator，and the cooling effect of semiconductor refrigerator is improved.

Key words:semiconductor parr effect；air energy water heater；symbiotic and complementary