基于半導體制冷技術的節能環保空調設計

張子旭 蔡壯 胡敏杰

摘 要： 針對現今社會所用的空調所造成的環境污染、耗電量大等問題，現提出一種新型節能環?？照{的設計。該設計利用半導體制冷技術[1]來實現空調的制冷與制熱，可以很好地解決現型空調帶來的環境污染以及能源消耗過大等問題。該新型空調適用于家庭、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代科技發展帶來的便利。

關鍵詞： 節能環保；半導體制冷；新型空調

空氣調節簡稱空調，是指實現對建筑物內環境的溫度、濕度、潔凈度、流動速度等參數進行調節和控制[2]。自從1902年“空調之父”威利斯·凱利設計了首個現代化由電力推動的空氣調節系統以來，人類通過人工手段調節室內空氣的溫度、濕度等參數的能力不斷增強。隨著空調的不斷發展，給我們帶來巨大的便利的同時也給我們帶來的一系列問題，現型空調存在耗能高、噪音大等問題迫切需要我們的解決[3]。在當今世界，環保、節能、可持續已經成為主流，而利用半導體制冷技術，對節約使用常規能源、保護自然環境和實現可持續發展具有十分重要的意義。

1 現型空調

1.1現型空調的工作原理

現型空調指的是采用壓縮機作為主要工作部件的空調，其主要是利用卡諾逆循環和卡諾正循環原理來實現空調的制冷與制熱[4]?，F型空調主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥（又稱節流元件）四大部分組成。四大部件一起工作來實現空調制冷與制熱的功能，圖一為現型空調制冷的工作原理圖。

壓縮機將氣態的制冷劑壓縮為高溫高壓的液態制冷劑，然后將制冷劑送到冷凝器散熱后成為常溫高壓的液態制冷劑，所以室外機吹出來的是熱風[5]。 液態的制冷劑經膨脹閥進入蒸發器，空間突然增大，壓力減小，液化的制冷劑就會汽化變成氣態的低溫的制冷劑，從而吸收了大量的熱量，這時候蒸發器就會變冷，室內機的風扇將室內的空氣從蒸發器中吹過，所以室內吹出來的是冷風[5]。然后，將氣態的制冷劑送回到壓縮機繼續壓縮，重新循環[5]。

1.2 現型空調存在的問題

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

如果長期待在空調房中就會容易患上空調綜合征（俗稱空調?。?，這都是由于大量的灰塵和污垢堆積在空調的蒸發器和室外機冷凝器上所導致的。與此同時由于大量灰塵堆積導致循環受阻，空調的制冷制熱率下降，噪音增加，耗能耗電增加為普通家庭用電增加了額外的負擔。

2 新型空調

2.1 新型空調的原理

新型空調改變了現型空調的工作原理，利用半導體制冷（又稱熱電制冷）技術產生帕爾帖效應（法國科學家帕爾帖在1843年發現，當外加直流電電流流過不同導電材料構成的回路時，其中一端產生吸熱現象，而另一端產生放熱現象，此種現象被稱為帕爾帖效應）來實現制冷與制熱[1]。半導體制冷是帕爾帖效應在制冷技術上的應用。實際應用中的半導體制冷裝置是用熱電制冷效率比較高的特種半導體材料構成P-N結，形成熱電偶對，產生帕爾帖效應[7]。目前采用半導體材料銻化秘做成型和型熱電偶，用模塊將其集合成半導體制冷元器件。圖二為新型空調原理圖。

2.2 現型空調的優點

與傳統制冷技術相比，半導體制冷技術具有以下優勢：（1）環保，不使用制冷劑所以對臭氧層無污染，對環境零污染；（2）無噪聲，因該技術不需要機械制冷部件，在運行時不會發生震動以及噪音；（3）集成化程度高，可以通過并聯以及串聯等方式擴大功率，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]。

因此利用半導體制冷技術開發出來的新型空調具有無噪音、可靠性高、節能環保等特點；因為用冷水做介質以此來替代傳統空調中的壓縮機和制冷劑，所以對臭氧層無污染，對環境零污染從而實現真正的節能環?？照{。

2.3新型節能環?？照{的工作過程

新型節能環?？照{的工作過程：在箱體中的電子制冷塊利用珀爾帖效應給箱體中的水進行降溫，水泵將降溫后的水抽送到室內空調中的銅管內，冷水在室內側空調循環產生冷氣從而使室內空調吹出冷風，另一側通過銅管將循環后的水排回箱體中。電子制冷塊在工作時產生的熱量，在散熱板上進行水循環，將電子制冷塊產生的熱量帶走。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，經上部風機進行散熱，完成對電子制冷塊的冷卻循環。在制熱過程中，電子制冷塊對箱體的水進行加熱，水泵將加熱后水輸送到室內側的空調處產生熱氣，此時室內空調產生熱風。

2.4新型節能環?？照{的結構

新型節能環?？照{分為兩大部分：室外側和室內側，具體結構見圖三。室外側由冷卻塔、水泵以及相關管道組成，主要功能是為電子制冷系統進行降溫，防止其在工作過程中產生過多的熱量影響制冷效果。室內側主要由箱體、電子制冷塊、散熱板以及室內空調組成，其中放置在散熱板上的電子制冷塊是主要工作部件。電子制冷塊是整個電子制冷系統的核心，主要用于實現新型空調的制冷和制熱功能。室內空調的主要元件是風扇，將銅管上產生的冷氣或熱氣輸送到室內。箱體是作為存放冷水這一介質的容器，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，節約能源的使用。于此同時電子制冷塊存在制冷時間過長的問題，對水降溫大概需要三小時左右。如果不提前對水進行降溫處理的話將極大影響用戶的體驗，新型空調設計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，可以對箱體進行適當的改裝。大部分人使用空調的時間都是在夏天，所以在面對普通的家庭用戶時，可以將箱體改裝成小型冰箱。這樣可以實現對能源進行更合理的運用，在解決問題的同時可以為家庭提供另一種方便使用的家庭電器。