基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的節(jié)能環(huán)保空調(diào)設(shè)計(jì)

張子旭 蔡壯 胡敏杰

摘 要： 針對現(xiàn)今社會所用的空調(diào)所造成的環(huán)境污染、耗電量大等問題，現(xiàn)提出一種新型節(jié)能環(huán)?？照{(diào)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)[1]來實(shí)現(xiàn)空調(diào)的制冷與制熱，可以很好地解決現(xiàn)型空調(diào)帶來的環(huán)境污染以及能源消耗過大等問題。該新型空調(diào)適用于家庭、工廠等需要制冷制熱的地方，可以大幅度降低用電量，讓更多的人享受到現(xiàn)代科技發(fā)展帶來的便利。

關(guān)鍵詞： 節(jié)能環(huán)保；半導(dǎo)體制冷；新型空調(diào)

空氣調(diào)節(jié)簡稱空調(diào)，是指實(shí)現(xiàn)對建筑物內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、潔凈度、流動(dòng)速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制[2]。自從1902年“空調(diào)之父”威利斯·凱利設(shè)計(jì)了首個(gè)現(xiàn)代化由電力推動(dòng)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)以來，人類通過人工手段調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣的溫度、濕度等參數(shù)的能力不斷增強(qiáng)。隨著空調(diào)的不斷發(fā)展，給我們帶來巨大的便利的同時(shí)也給我們帶來的一系列問題，現(xiàn)型空調(diào)存在耗能高、噪音大等問題迫切需要我們的解決[3]。在當(dāng)今世界，環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)已經(jīng)成為主流，而利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，對節(jié)約使用常規(guī)能源、保護(hù)自然環(huán)境和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 現(xiàn)型空調(diào)

1.1現(xiàn)型空調(diào)的工作原理

現(xiàn)型空調(diào)指的是采用壓縮機(jī)作為主要工作部件的空調(diào)，其主要是利用卡諾逆循環(huán)和卡諾正循環(huán)原理來實(shí)現(xiàn)空調(diào)的制冷與制熱[4]。現(xiàn)型空調(diào)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥（又稱節(jié)流元件）四大部分組成。四大部件一起工作來實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷與制熱的功能，圖一為現(xiàn)型空調(diào)制冷的工作原理圖。

壓縮機(jī)將氣態(tài)的制冷劑壓縮為高溫高壓的液態(tài)制冷劑，然后將制冷劑送到冷凝器散熱后成為常溫高壓的液態(tài)制冷劑，所以室外機(jī)吹出來的是熱風(fēng)[5]。 液態(tài)的制冷劑經(jīng)膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器，空間突然增大，壓力減小，液化的制冷劑就會汽化變成氣態(tài)的低溫的制冷劑，從而吸收了大量的熱量，這時(shí)候蒸發(fā)器就會變冷，室內(nèi)機(jī)的風(fēng)扇將室內(nèi)的空氣從蒸發(fā)器中吹過，所以室內(nèi)吹出來的是冷風(fēng)[5]。然后，將氣態(tài)的制冷劑送回到壓縮機(jī)繼續(xù)壓縮，重新循環(huán)[5]。

1.2 現(xiàn)型空調(diào)存在的問題

眾所周知空調(diào)具有制冷制熱的功能，因此在夏季天氣炎熱的時(shí)候大多數(shù)人都會選擇整天待在有空調(diào)房里面，但他們不知道的是危害人體健康的殺手正在慢慢逼近。由于空調(diào)的特殊工作原理就像一個(gè)吸塵器一樣把室內(nèi)的細(xì)菌、灰塵等懸浮顆粒物吸到潮濕的冷凝器上來，再吹回室內(nèi)；當(dāng)空調(diào)停機(jī)之后，溫度回升，空調(diào)就會成為細(xì)菌繁殖的溫床繁殖大量的細(xì)菌[6] 。

如果長期待在空調(diào)房中就會容易患上空調(diào)綜合征（俗稱空調(diào)?。@都是由于大量的灰塵和污垢堆積在空調(diào)的蒸發(fā)器和室外機(jī)冷凝器上所導(dǎo)致的。與此同時(shí)由于大量灰塵堆積導(dǎo)致循環(huán)受阻，空調(diào)的制冷制熱率下降，噪音增加，耗能耗電增加為普通家庭用電增加了額外的負(fù)擔(dān)。

2 新型空調(diào)

2.1 新型空調(diào)的原理

新型空調(diào)改變了現(xiàn)型空調(diào)的工作原理，利用半導(dǎo)體制冷（又稱熱電制冷）技術(shù)產(chǎn)生帕爾帖效應(yīng)（法國科學(xué)家帕爾帖在1843年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外加直流電電流流過不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí)，其中一端產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，而另一端產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，此種現(xiàn)象被稱為帕爾帖效應(yīng)）來實(shí)現(xiàn)制冷與制熱[1]。半導(dǎo)體制冷是帕爾帖效應(yīng)在制冷技術(shù)上的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中的半導(dǎo)體制冷裝置是用熱電制冷效率比較高的特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成P-N結(jié)，形成熱電偶對，產(chǎn)生帕爾帖效應(yīng)[7]。目前采用半導(dǎo)體材料銻化秘做成型和型熱電偶，用模塊將其集合成半導(dǎo)體制冷元器件。圖二為新型空調(diào)原理圖。

2.2 現(xiàn)型空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相比，半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有以下優(yōu)勢：（1）環(huán)保，不使用制冷劑所以對臭氧層無污染，對環(huán)境零污染；（2）無噪聲，因該技術(shù)不需要機(jī)械制冷部件，在運(yùn)行時(shí)不會發(fā)生震動(dòng)以及噪音；（3）集成化程度高，可以通過并聯(lián)以及串聯(lián)等方式擴(kuò)大功率，有助于更加精密的控制溫度；（4）冷熱慣性小，改變電流就可以改變其冷、熱端；（5）體積小，可適用于一些小容量的制冷條件[8]。

因此利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)開發(fā)出來的新型空調(diào)具有無噪音、可靠性高、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)；因?yàn)橛美渌鼋橘|(zhì)以此來替代傳統(tǒng)空調(diào)中的壓縮機(jī)和制冷劑，所以對臭氧層無污染，對環(huán)境零污染從而實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能環(huán)?？照{(diào)。

2.3新型節(jié)能環(huán)?？照{(diào)的工作過程

新型節(jié)能環(huán)?？照{(diào)的工作過程：在箱體中的電子制冷塊利用珀?duì)柼?yīng)給箱體中的水進(jìn)行降溫，水泵將降溫后的水抽送到室內(nèi)空調(diào)中的銅管內(nèi)，冷水在室內(nèi)側(cè)空調(diào)循環(huán)產(chǎn)生冷氣從而使室內(nèi)空調(diào)吹出冷風(fēng)，另一側(cè)通過銅管將循環(huán)后的水排回箱體中。電子制冷塊在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，在散熱板上進(jìn)行水循環(huán)，將電子制冷塊產(chǎn)生的熱量帶走。散熱板一端接室外冷卻水泵出水口，出水管將水輸送入冷卻塔，經(jīng)上部風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，完成對電子制冷塊的冷卻循環(huán)。在制熱過程中，電子制冷塊對箱體的水進(jìn)行加熱，水泵將加熱后水輸送到室內(nèi)側(cè)的空調(diào)處產(chǎn)生熱氣，此時(shí)室內(nèi)空調(diào)產(chǎn)生熱風(fēng)。

2.4新型節(jié)能環(huán)?？照{(diào)的結(jié)構(gòu)

新型節(jié)能環(huán)?？照{(diào)分為兩大部分：室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)，具體結(jié)構(gòu)見圖三。室外側(cè)由冷卻塔、水泵以及相關(guān)管道組成，主要功能是為電子制冷系統(tǒng)進(jìn)行降溫，防止其在工作過程中產(chǎn)生過多的熱量影響制冷效果。室內(nèi)側(cè)主要由箱體、電子制冷塊、散熱板以及室內(nèi)空調(diào)組成，其中放置在散熱板上的電子制冷塊是主要工作部件。電子制冷塊是整個(gè)電子制冷系統(tǒng)的核心，主要用于實(shí)現(xiàn)新型空調(diào)的制冷和制熱功能。室內(nèi)空調(diào)的主要元件是風(fēng)扇，將銅管上產(chǎn)生的冷氣或熱氣輸送到室內(nèi)。箱體是作為存放冷水這一介質(zhì)的容器，有著良好的密封性可以有效阻止箱體中的水與外界的空氣傳遞熱量，節(jié)約能源的使用。于此同時(shí)電子制冷塊存在制冷時(shí)間過長的問題，對水降溫大概需要三小時(shí)左右。如果不提前對水進(jìn)行降溫處理的話將極大影響用戶的體驗(yàn)，新型空調(diào)設(shè)計(jì)中箱體可以很好地解決這一問題。在面對不同的客戶人群時(shí)，可以對箱體進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b。大部分人使用空調(diào)的時(shí)間都是在夏天，所以在面對普通的家庭用戶時(shí)，可以將箱體改裝成小型冰箱。這樣可以實(shí)現(xiàn)對能源進(jìn)行更合理的運(yùn)用，在解決問題的同時(shí)可以為家庭提供另一種方便使用的家庭電器。