傘口直徑對半導體制冷空調傘性能的影響

(內蒙古科技大學能源與環境學院 包頭 014010)

為了營造舒適性局域環境，日本三菱重工首次研制出頂置吹風式空調傘，并提出熱風幕空調傘達到制冷效果的最佳高徑比為1.0～1.2[1]。何麗娟等[2-3]在相同送、回風速及測試條件(環境溫度37 ℃)下對氣幕式空調傘傘內溫度場進行了實驗研究，研究發現熱風幕空調傘內風幕環形送風口處溫度為11.8 ℃，環形回風口處溫度為18.6 ℃；而冷風幕空調傘內風幕環形送風口處溫度為23.2 ℃，環形回風口處溫度為25.5 ℃，同時對熱風幕氣幕式空調傘空調區流場和溫度場進行了實驗研究，結果表明：熱風幕氣幕式空調傘最佳制冷高徑比為1.2和2，但氣幕式空調傘仍存在耗電量大、不便攜帶等缺點。近年來一種新興起的太陽能發電技術在小空間建筑中得到廣泛應用[4]，太陽能發電技術具有持續供給、穩定發電、無污染、舒緩高峰電力需求等優點[5]。郭領波等[6]提出一種室外太陽能空調傘，該空調傘通過太陽薄膜電池將太陽能轉化為電能，以該電能作為制冷系統的直流電源驅動壓縮式制冷系統運行達到制冷效果，但太陽能空調傘只能解決耗電量的問題，仍存在壓縮式制冷系統體積龐大、不易維修等缺點。

針對上述問題，學者致力于尋找新的空調傘制冷方法。近年來半導體制冷技術發展迅猛，具有體積小、無復雜的傳動元件、工作穩定、制冷迅速、操作簡便、溫度控制精確、無噪音等優點[7-10]。1834年德國物理學家珀爾帖在實驗中發現在不同半導體的結點處有電流通過時會產生吸熱和放熱現象[11]，由此，鄭愛平[12]依據通電半導體吸熱現象提出適用于駕駛室中的半導體制冷空調器，送風方式采用頂吹式，由于小空間氣流循環處理不當，其冷卻效果并不理想。何麗娟等[13]采用下送上回式和側送下吹式的送風方式設計了一種小型便攜式半導體制冷空調傘，對傘內溫度場、流場進行對比實驗研究，結果表明下送上回式半導體制冷空調傘空調區溫度、風速分布均勻，適于營造舒適性環境。

本文空調傘采用下送風方式，研究傘口直徑對半導體制冷空調傘性能的影響。在滿足人體舒適性要求的條件下[14]，分別對傘口直徑為36、38、40 cm的半導體空調傘性能進行對比實驗研究，為半導體技術在空調領域的應用奠定基礎。

1 下送風半導體空調傘工作原理

半導體制冷空調傘傘頭裝配如圖1所示，主要由軸流風機、散熱風機、熱冷端散熱器和半導體制冷片組成，該裝置結構簡單、占據空間小、易于攜帶。

圖1 半導體制冷空調傘傘頭裝配Fig.1 Assembly of air-conditioning umbrella withsemiconductor refrigeration

該裝置氣流分布見圖1，傘下空氣被軸流風機卷吸完成送風，冷、熱氣流分別由冷端散熱器和頂端散熱風機排出外界。由傘面形狀可知，傘內中軸線處熱空氣與冷端散熱器噴出的冷空氣摻混后經軸流風機卷吸，在傘內營造氣流循環，增加人體舒適感。半導體制冷片利用珀爾帖效應：當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶兩端可產生吸熱和放熱現象。工作時傘內空氣經軸流風機旋轉卷吸和葉輪葉片的擠壓推送下流經半導體制冷片的放熱端和吸熱端進行升、降溫，產生的高溫氣流通過熱端散熱器排向外界，產生的低溫氣流由冷端散熱器導出，用于冷卻由風機卷吸的熱空氣，冷卻后的空氣通過外殼和遮流板噴向四周，營造一個相對舒適的空調環境，傘內熱空氣和噴出的冷空氣摻混后經軸流風機卷吸進入空調傘進行下周期空氣循環。

2 實驗裝置和內容

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示，該系統由半導體制冷片、空調傘頭和測試系統組成。

1支架；2吊鉤；3外殼；4導流裙；5半導體制冷片；6熱電阻溫度巡檢儀； 7微風測速儀；8電腦；9各個測試點。圖2 半導體制冷空調傘實驗裝置Fig.2 The experiment equipment of air-conditioning umbrella with semiconductor refrigeration

半導體空調傘是本實驗的主要設備，經模擬表明傘口直徑為36～40 cm時具有最佳制冷效果，因此本實驗對傘口直徑為36、38、40 cm的半導體空調傘性能進行對比實驗研究。實驗中采取的半導體制冷片型號為C1206，散熱片為鋁擠壓散熱片，由于實驗需要顯示測量數據曲線，故采用精度為±0.1 ℃的PTH-A24型精密溫度巡檢儀測定溫度，采用精度為±0.02%FS的EY3-A電子微風儀測定風速，測得的數據導入電腦進行分析。實驗中為防止熱量傳遞對實驗結果造成影響，在傘內包裹一層EPE珍珠棉和鋁箔膠帶起到保溫隔熱的作用。

2.2 實驗內容

實驗中控制半導體制冷片額定吸熱量、外界環境溫度、氣流流量和距地高度不變，對半導體空調傘進行下送風實驗，接通直流電源1 min后半導體制冷片開始吸熱。流經半導體制冷片吸熱端的氣流發生降溫，產生的冷氣流由風機驅動經空調傘的外殼和遮流板向傘內四周吹出，傘內各測試點的風速和溫度由熱電阻溫度巡檢儀和微風測速儀測量并導入電腦進行分析，通過分析不同傘口直徑的空調傘傘內溫度場和速度場，得出半導體制冷空調傘的最佳傘口直徑。

3 實驗處理與分析

空調傘探頭布置如圖3所示。分別定義傘內距離(傘邊沿)傘頭2.4、9.2、16 cm處水平面為基準面H1、H2、H3。分別在不同直徑空調傘的3個基準面上布置測試探頭，對探頭測試點風速和溫度進行分析。

3.1 測試點溫差分布

將各測試點溫度與外界環境溫度的差值作為研究對象，分析基準面H1、H2、H3上各點溫差隨徑向距離的變化規律。

圖3 空調傘探頭布置Fig.3 Probe distribution of the air-conditioning umbrella

圖4 不同基準面上各測試點溫差隨徑向距離的變化Fig.4 The variation of temperature difference with radial distance at each test point of different base level

圖4所示為傘口直徑為36、38、40 cm空調傘在基準面H1、H2、H3上各測試點溫差隨徑向距離的變化。溫差變化曲線近似為開口向上的拋物線形狀，在基準面H1、H2、H3上隨著徑向距離的變化，溫差先減小后增大。由下送風半導體空調傘工作原理可知，風機卷吸的氣流被通電半導體吸熱冷卻后沿空調傘外殼及遮流板噴出，故空調傘邊緣溫度低，傘下中軸線附近熱空氣與噴出的冷空氣摻混后經軸流風機卷吸，故中軸線附近溫度稍高、溫差偏小，形成如圖4所示的溫差隨徑向距離的變化趨勢。

對于半導體制冷芯片額定吸熱量，制冷空間越大制冷性能越差，反之亦然。故傘口直徑為40 cm的半導體空調傘制冷效果較差；吸熱量相同條件下傘口直徑為36 cm的半導體空調傘空間較小，軸流風機直接卷吸傘內沒有充分摻混的冷空氣和熱空氣，從而影響制冷性能，故理論分析傘口直徑為38 cm的半導體空調傘制冷效果最好。由圖4可知，相同實驗條件下，在相同傘高水平面上傘口直徑為38 cm的半導體空調傘各測試點與外界溫差較大，最大溫差為3.04 ℃，可達最佳制冷效果。

3.2 測試點風速分布

實驗中室內空氣自然對流，風速、溫度、大氣壓力相同，空調傘懸掛于離地面1.5 m的實驗臺架上,測速探頭與測溫探頭布置相同。通過微風測速儀對速度場進行測定，分析不同傘口直徑下的風速隨徑向距離的變化規律。

圖5 不同基準面上各測試點風速隨徑向距離的變化Fig.5 The variation of wind speed with radial distance at each test point of different base level

圖5所示為傘口直徑為36、38、40 cm的半導體空調傘基準面H1、H2、H3上各測試點風速隨徑向距離的變化。風速變化曲線近似為開口向上的拋物線，隨徑向距離的增加，風速先減小后增大。這是因為中軸線附近產生由風機卷吸引起的循環氣流，循環氣流不斷混合摩擦使氣流流速均勻，故中軸線附近風速低于空調傘邊緣處風速；流經半導體吸熱端的氣流由風機驅動產生的冷氣流量相同，故面積大的空調傘風速較小，這是40 cm傘頭的半導體空調傘風速較低的原因；36 cm傘頭的半導體空調傘面積較小，導致風機卷吸傘邊緣的氣流，造成傘下風速不均勻，無法營造舒適的空調效果。由圖5可知，傘口直徑為38 cm的半導體空調傘傘內風速均勻，最高風速為0.47 m/s，最低風速為0.23 m/s，適于營造最佳的局域環境。

4 結論

本實驗將半導體技術應用于空調傘中，設計了一種環保的新型半導體制冷空調傘。實驗中控制半導體制冷芯片額定吸熱量不變，依次使用不同傘口直徑的空調傘進行實驗，采用熱電阻溫度巡檢儀和微風測速儀對傘內的溫度和風速進行測定，研究了傘口直徑對半導體制冷空調傘性能的影響。

結果表明：在半導體制冷芯片額定吸熱量以及室內環境溫度不變的情況下，傘口直徑為38 cm的半導體空調傘最高風速可達0.47 m/s，最低風速為0.23 m/s；空調區與外界環境最大溫差可達3.04 ℃。傘口直徑為38 cm的半導體空調傘傘內溫差和風速符合GB 50019—2013《采暖通風與空氣調節設計規范》對人體舒適性的要求，適于營造舒適的局域環境。

本文受內蒙古自治區自然科學基金項目(2015MS0547，2015MS0561)和內蒙古自治區科技創新引導獎勵資金項目(2017CXYD-1)資助。(The project was supported by National Natural Science Foundation of Inner Mongolia(No.2015MS0547 & No.2015MS0561)，Fund Programs of Technological Innovation & Guide & Reward of Inner Mongolia(No.2017CXYD-1).)