熱電制冷技術在船舶艙室熱環境控制中的應用

徐雋霏，李小軍，周愛民，王世忠

(1.中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064;2.武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

熱電制冷技術在船舶艙室熱環境控制中的應用

徐雋霏1，李小軍1，周愛民2，王世忠2

(1.中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064;2.武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430064）

從熱電制冷技術原理出發，將熱電制冷與傳統機械壓縮式制冷的各固有特性進行對比，介紹了2種船用空調系統的熱電制冷應用方案及工藝流程;并根據船舶艙室溫濕度控制的需求，設計了一套水冷熱電制冷裝置，用于船舶艙室局部空間環境溫濕度的控制;最后分析研究了該熱電制冷裝置的特性，分別考察了制冷量與環境溫度、工作電流、制冷效率和工作電壓等參數之間的關系。

熱電制冷裝置;水冷;空調系統

0 引言

目前在船用空調領域中，盤管空調器作為主要的局部空調設備得到廣泛應用，但其也存在著管路復雜、控制精度低、體積大、噪聲大等缺點。相應的，應用熱電式制冷技術的空調設備因具有無運動部件、不使用制冷劑、工作無噪聲、結構簡單，可靠性高，壽命周期長、外形輕巧、制冷迅速及制冷量調控方便等特性，已在軍事、航空航天、通信、電子制造等特殊領域的制冷空調和溫度控制上得到成功應用［1］。

隨著船舶人機環技術的發展，要求居住艙室的背景噪聲、居住環境條件進一步改善，提高居住艙室的熱舒適性，于是熱電制冷技術近年來受到關注。目前隨著各種人工半導體新材料制造技術的不斷深入，熱電制冷已突破傳統意義上制冷效率低的缺點，因水冷熱電制冷裝置在效率上優于風冷方式［2］，結合船用散熱環境，因而開展水冷式熱電制冷裝置的實驗研究更具有實際意義。本文擬設計1套水冷式熱電制冷裝置，取代現行的水冷盤管式空調，開展其在船用局部空調系統中的應用研究，以提高船舶艙室的居住性。

1 應用分析

1.1 熱電制冷原理

熱電制冷因其具有的熱電能量轉換特性，在通過直流電時能產生制冷效果而得名。熱電效應中起主導作用的是珀爾帖效應，因此熱電制冷其實是珀爾帖效應在制冷技術中的應用。實用的熱電制冷裝置是由熱電效應比較顯著及熱電制冷效率比較高的半導體熱電偶構成的。如圖1所示，把1只P型半導體元件和1只N型半導體元件聯結成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。在上面的1個接頭處，電流方向是N→P，該接頭溫度下降，從環境中吸收熱量，因而形成冷端;相反的，在下面的1個接頭處，電流方向是P→N，該接頭溫度上升，向環境放出熱量，形成熱端。借助對流、相變、傳導、熱輻射等各種換熱手段，使熱電偶的熱端在保持一定溫度的前提下，將產生的熱量不斷向環境散發;把熱電偶的冷端放到工作環境中去吸熱，使環境降溫，形成熱量借助熱電偶的流動，這就是熱電制冷的工作原理［3］。

圖1 熱電制冷原理Fig.1 Thermoelectric refrigeration theory drawing

在工程應用中，鑒于1對半導體熱電偶對制冷量很有限，通常通過采用對P型半導體元件和N型半導體元件的串聯、并聯或串并聯混合連接的形式，使前一級 (較高溫度級）的冷端是后一級的熱端散熱器，依次類推，構成多級半導體制冷電堆［4］，從而滿足較大制冷量的需求。

1.2 熱電制冷與機械壓縮式制冷技術的比較

表1給出了熱電制冷裝置和機械式壓縮制冷裝置的特性對比 (其中4表示很好;1表示很差）。從表1可以看出，熱電制冷裝置與普通機械壓縮式制冷裝置的顯著區別在于:無需制冷劑，沒有運動部件，使用直流電工作。由于不使用制冷劑，消除了制冷劑泄漏將對人體造成的毒害。由于沒有運動部件，熱電制冷裝置運行時，無噪聲、無振動、無磨損，因此工作可靠，維護方便，使用壽命長［5］。

對于船用封閉空間等特殊環境，對噪聲和振動有比較高的要求，維護操作亦力求簡便，熱電制冷是較理想的冷源。

就調節特性來說，熱電制冷裝置可以通過調節工作電壓來改變它的產冷量和制冷溫度;大型的熱電空調裝置，也可以通過改變電路的連接方式對產冷量進行調節，可調幅度相對較大。熱電制冷裝置的這種優良的可調性比較適合船舶局部艙室的使用要求。

鑒于熱電制冷的靜音、無污染、能量調節范圍大的特點，在船用制冷空調領域，尤其是針對局部空間內的應用，具有明顯的優越性，或將成為船用制冷空調的一個重要組成部分。

表1 熱電制冷技術與機械壓縮機制冷技術總體比較Tab.1 General comparison between the thermoelectric refrigeration and compression refrigeration

1.3 熱電制冷在船用空調系統上的應用

熱電制冷可有2種工作方式應用于船舶制冷空調領域。其一是熱電裝置的冷端設置水冷熱交換器，通過冷端吸熱冷卻來自艙室空調冷水系統的冷媒水，冷媒水溫度降低后由空調冷水系統的輸送設備送至船舶艙室內各需冷用戶，達到制取空調冷水的目的，相當于現有的船舶艙室內的空調冷水制冷機組;其二是熱電裝置的冷端設置冷熱交換器，通過冷端吸熱冷卻來自艙室空調的回風，對其降溫和除濕后再送回艙室中，達到對艙室空氣進行降溫和除濕的目的。

1.3.1 熱電式冷水系統

圖2為熱電式冷水系統散熱系統原理圖。從圖中可以看出，該熱電制冷裝置熱電組熱端產生的熱經放熱回路 (淡水）帶至海水熱交換器，由淡水與海水回路組成的熱交換器完成熱交換，將該能量釋放到10℃ ～28℃的海水回路中;同時冷端通過熱交換器吸收來自艙室空調冷水系統冷媒水攜帶的熱能，對冷媒水進行降溫處理，制取5℃ ～7℃的冷媒水，再供給到艙室內的各需冷用戶。

這類系統的制冷量可達幾百千瓦級，通過改變供電電壓進行制冷量的調節;同時，可依據系統回路中熱交換器出口處的水溫來控制裝置的供電電壓，形成系統的恒定水溫自動控制。

圖2 熱電式冷水機組原理Fig.2 Thermoelectric refrigeration chiller drawing

1.3.2 熱電式空調系統

熱電式空調系統用于調節艙室內的空氣溫濕度，為工作人員和艙室內設備提供一個適宜的工作環境，該系統由熱電式空調裝置、低噪聲風機、淡水泵、海水熱交換器、消音器、減振接管和電氣控制箱等組成(見圖3），其制冷量通常在千瓦級～幾十千瓦級。

圖3 熱電式空調系統原理Fig.3 Schematic drawing of thermoelectric air conditioning system

其工作原理是:空調系統將艙室內的熱空氣，送到熱電式空調裝置的冷端，由冷端對其吸熱降溫后，再送回艙室;冷端吸收的熱量經熱電效應傳給熱端;冷水系統內循環的淡水將空調裝置熱端的熱量帶至海水熱交換器，再通過海水熱交換器向外界排熱。

熱電式空調系統能自動調節艙室溫度，即該系統可通過設定熱電式空調裝置出口處的空氣溫度，依據裝置出口處的實際空氣溫度與設定溫度的差值，進行供電電壓的自動調節，從而達到自動調節艙室內空氣溫度的目的。當艙室的空調熱負荷小于空調裝置的產冷量時，裝置出口處空氣溫度小于設定溫度，自動降低裝置的供電電壓，進而減小產冷量;當空調熱負荷超過裝置的產冷量時，裝置出口處空氣溫度大于設定溫度，自動升高裝置的供電電壓，直至空調裝置全負荷工作，最大限度地降低艙室溫度。

2 水冷熱電式空調裝置

熱電制冷在能量轉化、熱量傳遞各環節中，存在焦耳效應、傅立葉效應、有限傳熱等內外不可逆性因素，以及電流、冷卻水溫度等運行條件，為開展熱電制冷技術在船舶艙室熱環境控制的應用可行性分析，本文通過設計一臺水冷式熱電空調裝置，就此進行相關試驗，分析考察其實用性以及變工況控制特性，探索提高其效率的技術途徑。

本文設計的水冷式熱電制冷裝置屬于局部空調器，類似于目前使用的盤管式空調器，外形結構如圖4所示。該裝置的標準制冷量為4 kW，風量為800m3/h。

該裝置由以下幾部分組成:

1）冷端型材散熱器。冷端采用特殊的高密、高倍齒鋁型材散熱器，總散熱面積達9.5 m2;

2）熱端水冷散熱器。進出口溫度差7℃，水流量1 m3/h;

3）熱電制冷片。總供電電壓0～216 V DC可調，電流0～30 A可調;

4）采用可拆卸式風機組成的風道系統。

圖4 水冷式熱電制冷裝置外形結構Fig.4 Water-cooled thermoelectric refrigerator drawing

3 實驗及結果分析

3.1 實驗方法

實驗在恒溫恒濕的試驗室內進行。為考察其實用性以及變工況控制特性，主要的測試參數包括進出口溫度、空氣處理前后相對濕度、送風風量、冷卻水流量等。

實驗所需的主要測量儀器儀表主要由以下部分組成:定制直流穩壓電源輸出電壓0～220 V DC，輸出電流0～30 A;多功能測溫儀;風速儀;功率計;冷卻水流量計;便攜式采集計算機。

實驗測試中，工作電壓調節分為4個等級，調節范圍為54～216 V;用風速儀測量風量Qa;在熱電制冷裝置進、出風口各布置1個測點，用多功能測溫儀測量空氣側進口溫度Th和出口溫度Tc;用流量計測量冷卻水的流量Qw，用溫度計測量水側的進口溫度Twi和出口溫度Two，如圖5所示。實驗過程中，保持冷卻水側的流量為1 m3/h，水進口溫度為8.4℃，出口溫度為14.3℃。對不同進口溫度、不同電源電壓下制冷效果分別進行實驗，并對實驗結果進行分析和討論。

圖5 水冷式熱電制冷裝置試驗原理與測試Fig.5 Schematic drawing of water-cooled thermoelectric refrigerator test

3.2 實驗結果分析

3.2.1 標準工況制冷量

按照標準制冷工況，保持額定電壓為DC 216 V，改變進口溫度為32.2℃和26.5℃時，電流A，功率值P，制冷量Qo，制冷效率如表2所示。

表2 不同溫度下標準制冷量試驗記錄表Tab.2 List of normal refrigeration capacity experiment under different temperature

從表2可以看出，隨著環境溫度的升高，制冷量、制冷效率隨著上升，但其電功率消耗反而減小，其原因是環境溫度升高后，熱電偶兩端溫差加大，抵消的電源電勢也較大所致［6］。

3.2.2 變工況制冷量

分別調節電壓至DC 216V，162V，108V，54V，該空調器的制冷量在0.58～3.94 kW，制冷效率在0.74～1.44之間，把4.8～7.3 m/s的空氣冷卻到10℃ ～13℃，所需電流強度為7.5～24.5A。

電流A和制冷量Qo隨電壓變化的關系如圖6所示，功率值P和制冷效率隨電壓變化的關系如圖7所示。

從圖6～圖7可以看出，隨著電壓的升高，制冷量和電流強度同時增加，導致功率也隨著增加，但是制冷效率并不是正比增加，制冷效率先增加到一定程度后，隨之下降后又出現拐點，表明熱電制冷裝置的效率在一定的環境溫度下，存在一個最佳工作點。

圖6 電流強度、制冷量隨電壓值變化關系Fig.6 Relation between electric current，refrigeration capacity and voltage

圖7 電功率、制冷效率隨電壓值變化關系Fig.7 Relation between power，refrigeration efficiency and voltage

4 結論及展望

4.1 結論

1）熱電制冷技術作為一種低噪聲的制冷裝置，相比傳統的機械壓縮式制冷裝置，其無污染、無振動、低噪聲、配置靈活、調節和控制方便的重要優點，特別適用于船用局部空間熱環境控制上;

2）熱電空調裝置的工作電壓、電流強度、環境條件、冷卻方式等工作參數對裝置的制冷效率、制冷量有著十分重要的影響，各種工況下，制冷效率存在著一個最佳值，在實際船用熱電空調裝置設計以及系統應用時應該充分予以考慮。

4.2 展望

本文完成了熱電空調裝置的研制以及額定工況和變工況的考核，其性能可滿足實船上局部空間的熱環境控制。但是由于其制冷系數低，對電能需求很大，這使得熱電空調系統不可能全部大規模地應用于船舶艙室中。

在下一步的工作中，可以通過試驗分析焦耳效應、傅立葉效應、有限傳熱等內、外不可逆因素對實際熱電系統性能的相對影響，研究冷熱媒溫度比值、工作電流變化與實際熱電制冷系統性能的關系，并進而確定實際熱電制冷系統的最佳運行工況區域，為指導系統優化設計、拓展熱電制冷應用范圍提供技術支撐。

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App lication research on the thermoelectric refrigeration technology used in the control of thermal environment

XU Jun-fei1，LIXiao-jun1，ZHOU Ai-min2，WANG Shi-zhong2
(1.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China;2.Wuhan 2nd Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

This paper firstly introduces the refrigeration principle of the thermoelectric refrigerating technology，compareswith the traditional compression refrigerating system and presents the two kinds of the thermoelectric refrigerating program and system process used in the ship air conditioning system.Also a set of water-cooled thermoelectric refrigerator as a new type local air conditioner is designed，which could substitute water-cooled coined cooler.Finally this paper studies the different parameters relation such as the temperature、working current、refrigeration capacity and so on.

thermoelectric refrigeration;water-cooled;air conditioning system

TB69

A

1672－7649(2013）03－0069－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.015

2012－05－04;

2012－06－06

徐雋霏(1971－），女，高級工程師，從事船舶大氣環境控制系統研究。