半導體制冷/空氣能熱水器耦合節能應用技術研究

胡良斌，溫宗寶，卿德藩，鄒家柱

（1.南華大學環境保護與安全工程學院，湖南 衡陽421001；2.南華大學機械工程學院，湖南 衡陽421001）

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半導體制冷/空氣能熱水器耦合節能應用技術研究

胡良斌1.2，溫宗寶2，卿德藩2，鄒家柱2

（1.南華大學環境保護與安全工程學院，湖南 衡陽421001；2.南華大學機械工程學院，湖南 衡陽421001）

摘要：針對常規基于半導體帕爾帖效應產品的研發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，實現空氣能熱水器和半導體冷箱能效互補，實現共生，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，又能解決半導體冰箱散熱的問題，提高半導體冰箱制冷效果。

關鍵詞：半導體帕爾帖效應；空氣能熱水器；共生互補

半導體家用電器大多是基于半導體帕爾帖效應，利用其制冷效果，將其運用到日常電器當中，諸如半導體冰箱、半導體飲水機、半導體空調器等半導體家用電器。此類半導體家用電器都只是運用到半導體片制冷模塊，半導體制冷過程中熱端都需要設計相關部件進行散熱，散熱效果不好將導致制冷效果不佳，能量利用率低，散熱問題已成為半導體家電產業化的瓶頸問題。本項目提出將制冷/制熱效果都利用起來，研制半導體制冷/空氣能熱水器一體機，實現空氣能熱水器和半導體冷箱能效互補，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，又能解決半導體冰箱散熱的問題，提高半導體冰箱制冷效果。

1　半導體制冷/制熱技術研究應用現狀

1.1半導體制冷/制熱原理

當電流流經兩個不同導體形成的接點處會產生放熱和吸熱現象，改變電流的方向，則改變了熱冷的方向，即半導體帕爾帖效應。將P型半導體和N型半導體聯結成熱電偶，接上直流電源，在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。對半導體的熱端不斷散熱，而半導體冷端放到工作環境中去吸熱降溫，即半導體制冷原理。

1.2半導體制冷技術的特點

半導體制冷主要優點如下[1-3]：

（1）是一種綠色能源，不使用制冷劑，對環境無污染。

（2）結構簡單，體積小，由于沒有運動部件，無噪音，特別適應于微型領域及環境要求比較高的場合；

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

1.3基于半導體制冷技術的應用

半導體熱電器件主要應用于制冷、加熱、發電等領域[4]。半導體制冷技術首先應用于高技術領域和軍事領域對紅外探測器，激光器和光電倍增管等光電器件的制冷。現在特別在家用電器中應用越來越廣泛。半導體空調具有抗震、無泄漏、無噪音等優勢，主要應用于潛艇、軍用通訊、飛機機艙等特殊場合。半導體CPU制冷器主要應用于在工作環境溫度高、電腦處理負荷大，銀行、證券等長時間工作電腦系統等使用場合。半導體冰箱由于制冷過程中制熱端產生熱量散熱不及時，且散熱裝置復雜，因此其主要是用在冷藏，而不是冷凍，通常只有在特殊場合使用。半導體制冷技術在各個領域有廣泛的應用。

1.4半導體制冷家電產業化面臨的技術難題

半導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過適當摻雜的碲化鉍合金。優值系數是衡量熱電制冷材料的熱電性能的重要參數，決定制冷元件所能達到的最大溫差。尋找新的熱電制冷材料、提高其優值系數，是促進半導體制冷技術的應用和發展的重要途徑。二是半導體熱端的散熱方式有待改善。半導體制冷過程中熱端散熱的效果將直接影響制冷性能。常用的有空氣強迫對流、接觸導熱、相變傳熱或高熱容物質吸熱以及液體循環冷卻等散熱方式。散熱部件復雜，且制熱模塊的能量被浪費，其散熱效果直接影響到制冷效果。散熱問題限制了半導體家電產業化。

2　空氣能熱水器的發展及面臨的問題

空氣能熱水器是通過壓縮機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能、安全環保、全天候運行、使用方便等諸多優點，其受到社會各方面的廣泛關注。但是當環境溫度比較低時，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，無法達到節能的效果。

3　半導體制冷/空氣能熱水器耦合節能應用技術研究

空氣能熱水器半導體制冷裝置一體機基于半導體帕爾帖效應，充分利用其制冷和制熱技術，將制冷端設計成半導體冰箱，將半導體制熱端產生的熱量輸送給空氣能熱水器，實現能量的充分利用，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，又能解決半導體冰箱散熱的問題，提高半導體冰箱制冷效果，實現能量的高效利用。結構原理如圖1所示。主要包括兩個部分：

圖1　空氣能熱水器半導體制冷裝置一體機的結構原理示意圖

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

（2）熱水器由壓縮機、套管換熱器、蒸發器和儲水箱組成。在原有的空氣能熱水器的基礎上，將半導體制熱端產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。

本設計在空氣能熱水器的基礎上，結合半導體制冷制熱技術，將空氣能熱水器和半導體裝置組合起來，充分發揮各自功能，既解決空氣能熱水器的使用受地域和氣候限制的問題，又解決半導體制冷技術產生的熱量，實現在制造熱水的同時可持續制冷，可用于家庭及企業等的熱水需求，適用范圍廣。

4　結束語

通過用空氣能熱水器蒸發器吸收半導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，增強制冷效果，為半導體制冷產品產業化開拓了新途徑。同時利用制熱端產生的熱量，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，實現熱水器高效使用空氣能，達到真正意義的節能，為空氣能熱水器由市場“節能喙頭”轉變為“真正的空氣能”提供技術支持。

參考文獻：

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

[2]殷亮，李茂德，何文莉.半導體制冷系統非穩態溫度工況的模型及實驗分析[J].能源技術，2004，25（1）:5-6.

[3]張奕，張小松，胡洪，等.冷/熱端散熱對半導體冷藏箱性能的影響[J].江蘇大學學報（自然科學版），2008：1.

[4]蔡德坡.半導體制冷熱端的分析與實驗研究[D].南昌：南昌大學，2010.

[5]陳東勇，應鵬展，崔教林，等.熱電材料的研究現狀及應用[J].材料導報，2008，22（1）:280-282.

中圖分類號:TK11

文獻標識碼:B

文章編號：1672-545X（2016）04-0185-02

收稿日期：2016-01-18

基金項目：湖南省大學生研究性學習和創新性實驗項目（湘教通[2014]248號-244），機械工程湖南省重點學科。

作者簡介：胡良斌（1983-），男，湖南衡陽人，博士生，實驗師，從事機械設計與制造等科研工作。

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