空調熱利用系統對空調熱有效利用研究

劉敏等

摘要：基于對空調外機排放熱的有效利用，研制了一款空調熱利用系統。該系統由“氣一水”轉換、溫差發電和蓄電三部分構成。空調熱首先進入“氣一水”轉換裝置，接著冷水和從轉換裝置流出來的熱水交替通入溫差發電裝置的液冷板，溫差發電片利用鄰近液冷板的溫差進行發電，最后產生的電能儲存至蓄電池。該系統的溫差發電裝置采用12片4cm×4cm的溫差發電片進行的實驗，實驗表明：溫差發電裝置的輸出功率、電壓和電流不僅與熱水和冷水的溫度差有關，還與熱水和冷水本身的溫度有關。當熱水溫度為90℃，冷水溫度為5℃，即熱水與冷水溫差為85℃時，輸出的功率、電壓和電流分別可以達到1839W、2587V和071A，該輸出的功率可以供日常生活LED照明和手機充電。研發的空調熱利用系統對空調熱的排放起到了節能減排的作用，實現了“廢熱—能源”的綠色轉換。

關鍵詞：空調熱利用系統；溫差發電；節能減排

1引言

溫室氣體排放會引起全球氣候變暖，而加強節能減排正是應對全球氣候變化的首要工作[1，2]。合理用電，節約用電，以及將一些廢棄能源轉化為電能成為節能減排工作中的重中之重[3]。我國有著最大的煤焦化產業，有著在數量和產量上都占世界前列的冶金鋼鐵行業，水泥行業。這些行業在生產過程中所產生的大量的 余熱，煙氣，尾氣，排放到空氣中不但是對能源的重大浪費也是對環境的重大污染，合理采集利用將其轉化為電能既可以減少環境污染也可獲得大量的電能促進能源的再利用。目前國內一些專業的節能服務公司如山東耀節能，北京中科宇杰等，中節能等在節電與余熱發電領域都做了大量的工作[4，6]。

目前，伴隨著城市建設的高速發展，空調已廣泛普及，空調外機向大氣排放的熱量十分巨大，是引起氣候變暖的又一主要因素。基于目前的狀況，如何收集并合理地利用空調熱是我們目前急待解決的問題。本文試圖研發一款空調熱排放利用系統，該系統裝置不僅可以合理地收集空調熱，并可以將空調熱轉化為電能。這不僅可以大大降低空調熱向空氣的排放量，還可以利用空調熱發電，同時高溫循環水還可以供我們日常生活利用。

2空調熱利用系統設計

21溫差發電裝置

本文設計了一款由5塊液冷板和12片溫差發電片構成的發電裝置。該裝置的平面設計圖如圖1所示。相鄰的兩個液冷板之間分別嵌入3片規格的溫差發電片，相鄰的液冷板交替通入自來水（簡稱冷水）和“氣一水”換熱器流出來的熱水（簡稱熱水）。通入熱水的液冷板稱之為熱源，通入冷水的液冷板稱之為冷源。溫差發電片正是利用與熱源接觸的一面熱激發作用較強，空穴和電子濃度高，在這種載流子濃度梯度的驅動下，空穴和電子向與冷源接觸的一面擴散，在低溫開路端形成電勢差，并在器件內變成電能，輸出直流電壓和電流。為了增加發電片與熱源和冷源的接觸面積及時間，液冷板內管設計成為螺旋狀[7]。液冷板內管的內部構造示意圖如圖2所示。

22蓄電裝置

由于熱源和冷源的溫度差不穩定，因此，發電裝置產生的電量難以儲存[8～10]。為解決這一問題，本文設計了一種新的蓄電電路。該蓄電電路如圖3所示。首先將發電裝置產生的直流電經電源穩壓模塊穩壓，輸出5V穩壓電源給充電電路及系統工作，目的是調整由于溫差不穩定造成的波動狀態的電流和電壓，將電壓和電流的輸出值與蓄電池的充電電壓值保持一致，從而更好的儲存電量。本系統用的是鋰電池蓄電，由于鋰電池的易損壞，所以我們采用MAXl898充電芯片為鋰電池進行智能充電，該芯片的內部集成了輸入電流調節器、電壓檢測器、充電電流檢測器、定時器、溫度檢測器等。利用MAXl898充電芯片與STC12C5A60S2單片機結合，組成一個智能的充電系統，提供精確的恒流、恒壓充電，并且檢測鋰電池的輸入輸出電壓，自動切斷充電及放電，充分保護電池，提高了電池性能并延長了電池使用壽命。在鋰電池的電能輸出利用方面，使用了高效的開關型升壓芯片LM2577為外界提供可變電壓的輸出電源。

3結果和討熱水溫度不變時發電裝置的輸出功率，電壓和電流隨熱水與冷水溫差（簡稱溫差）的變化。表中資料清晰顯示：輸出的功率、電壓和電流均隨溫差的減小而下降，輸出的電壓和功率隨溫差的減小而下降的速率大于輸出電流隨溫差的減小而下降的速率。這是由于熱水溫度不變，隨著冷水溫度的升高，即溫差變小，溫差片與熱源接觸的一面所激發的空穴和電子濃度不變，而與冷源接觸的一面所激發的空穴和電子濃度增大。那么，溫差片的兩個面的空穴和電子濃度梯度下降，這必將會導致空穴和電子的擴散速率變慢，因此，輸出的功率、電壓和電流下降。當溫差為85℃時，輸出功率、電壓和電流分別達到1839W、2587V和071A。可見，空調排氣熱經發電裝置所輸出的功率可以支持2個9W的LED燈照明，也可適用于手機充電。

“多余”的空調排放熱經空調熱利用系統，不僅大大降低了“多余”的空調熱向大氣的排放，同時這種“多余”的空調熱還可以轉化為電能。本文發電裝置采用1的溫差發電片進行的實驗，發電裝置的最大輸出功率可以達到1839W，足夠供我們日常生活LED照明和手機充電。如果將發電裝置系統做的更大一些，如將發電裝置的面積做到05m2，即相當于液冷板之間嵌入的溫差發電片，這樣，發電裝置輸出的功率足夠供電腦工作。本文研制的空調熱利用系統可以有效地利用空調熱這種“多余”的能源，符合我國綠色能源發展方向，這對抑制氣候變暖和獲取電能具有現實意義。

4結語

本文研制的一款由“氣一水”轉換、溫差發電和蓄電三部分構成的空調熱利用系統。該系統可以將空調熱這種“廢熱”合理地轉化為電能，是一種絕對環保的發電方式。本文采用12片4cm×4cm的溫差發電片進行的實驗，該實驗表明：當高溫熱源溫度為90℃，低溫熱源溫度為5℃，即溫差為85℃時，輸出功率、電壓和電流分別可以達到1839W、2587V和071A。那么，輸出的功率足夠供我們日常生活LED照明和手機充電。本文研發的空調熱利用系統結構簡單，成本低，占地面積小，且對空調排放熱的利用效率高。該系統裝置具有普及和廣泛應用的前景。

參考文獻：

[1] 袁圓，賴于民，王小李應對氣候變化積極節能減排[C]//編委會第四屆環境與發展中國（國際）論壇論文集，北京：科技出版社，2008

[2] 何業鋼中國港口加強節能減排積極應對全球氣候變化[J]中國港口，2010（1）：512～13

[3] 常征基于能源利用的碳脈分析[D]上海：復旦大學，2012

[4] 趙靚中科宇能：技術強者的“超能力”[J]風能，2012（15）：7～10

[5] 李鐵軍淺析建筑施工技術中節能理念的應用[J]科技創新與應用，2013（10）：10～13

[6] 李圣梅余熱發電自動控制系統[D]濟南：濟南大學，2012

[7] 朱月海，鐘淳昌循環冷卻水[M]北京：中國建筑工業出版社，2008

[8] 李建保，李敬鋒新能源材料及其應用技術：鋰離子電池太陽能電池及溫差電池[M]北京：清華大學出版社，2005

[9] 張毅剛，彭喜元，彭宇單片機原來及應用（第2版）[M]北京：高等教育出版社，2010

[10] 雷思孝，凌陽16位單片機原理及應用[M]西安：西安電子科技大學出版社，2003endprint

摘要：基于對空調外機排放熱的有效利用，研制了一款空調熱利用系統。該系統由“氣一水”轉換、溫差發電和蓄電三部分構成。空調熱首先進入“氣一水”轉換裝置，接著冷水和從轉換裝置流出來的熱水交替通入溫差發電裝置的液冷板，溫差發電片利用鄰近液冷板的溫差進行發電，最后產生的電能儲存至蓄電池。該系統的溫差發電裝置采用12片4cm×4cm的溫差發電片進行的實驗，實驗表明：溫差發電裝置的輸出功率、電壓和電流不僅與熱水和冷水的溫度差有關，還與熱水和冷水本身的溫度有關。當熱水溫度為90℃，冷水溫度為5℃，即熱水與冷水溫差為85℃時，輸出的功率、電壓和電流分別可以達到1839W、2587V和071A，該輸出的功率可以供日常生活LED照明和手機充電。研發的空調熱利用系統對空調熱的排放起到了節能減排的作用，實現了“廢熱—能源”的綠色轉換。

關鍵詞：空調熱利用系統；溫差發電；節能減排

1引言

溫室氣體排放會引起全球氣候變暖，而加強節能減排正是應對全球氣候變化的首要工作[1，2]。合理用電，節約用電，以及將一些廢棄能源轉化為電能成為節能減排工作中的重中之重[3]。我國有著最大的煤焦化產業，有著在數量和產量上都占世界前列的冶金鋼鐵行業，水泥行業。這些行業在生產過程中所產生的大量的 余熱，煙氣，尾氣，排放到空氣中不但是對能源的重大浪費也是對環境的重大污染，合理采集利用將其轉化為電能既可以減少環境污染也可獲得大量的電能促進能源的再利用。目前國內一些專業的節能服務公司如山東耀節能，北京中科宇杰等，中節能等在節電與余熱發電領域都做了大量的工作[4，6]。

目前，伴隨著城市建設的高速發展，空調已廣泛普及，空調外機向大氣排放的熱量十分巨大，是引起氣候變暖的又一主要因素。基于目前的狀況，如何收集并合理地利用空調熱是我們目前急待解決的問題。本文試圖研發一款空調熱排放利用系統，該系統裝置不僅可以合理地收集空調熱，并可以將空調熱轉化為電能。這不僅可以大大降低空調熱向空氣的排放量，還可以利用空調熱發電，同時高溫循環水還可以供我們日常生活利用。

2空調熱利用系統設計

21溫差發電裝置

本文設計了一款由5塊液冷板和12片溫差發電片構成的發電裝置。該裝置的平面設計圖如圖1所示。相鄰的兩個液冷板之間分別嵌入3片規格的溫差發電片，相鄰的液冷板交替通入自來水（簡稱冷水）和“氣一水”換熱器流出來的熱水（簡稱熱水）。通入熱水的液冷板稱之為熱源，通入冷水的液冷板稱之為冷源。溫差發電片正是利用與熱源接觸的一面熱激發作用較強，空穴和電子濃度高，在這種載流子濃度梯度的驅動下，空穴和電子向與冷源接觸的一面擴散，在低溫開路端形成電勢差，并在器件內變成電能，輸出直流電壓和電流。為了增加發電片與熱源和冷源的接觸面積及時間，液冷板內管設計成為螺旋狀[7]。液冷板內管的內部構造示意圖如圖2所示。

22蓄電裝置

由于熱源和冷源的溫度差不穩定，因此，發電裝置產生的電量難以儲存[8～10]。為解決這一問題，本文設計了一種新的蓄電電路。該蓄電電路如圖3所示。首先將發電裝置產生的直流電經電源穩壓模塊穩壓，輸出5V穩壓電源給充電電路及系統工作，目的是調整由于溫差不穩定造成的波動狀態的電流和電壓，將電壓和電流的輸出值與蓄電池的充電電壓值保持一致，從而更好的儲存電量。本系統用的是鋰電池蓄電，由于鋰電池的易損壞，所以我們采用MAXl898充電芯片為鋰電池進行智能充電，該芯片的內部集成了輸入電流調節器、電壓檢測器、充電電流檢測器、定時器、溫度檢測器等。利用MAXl898充電芯片與STC12C5A60S2單片機結合，組成一個智能的充電系統，提供精確的恒流、恒壓充電，并且檢測鋰電池的輸入輸出電壓，自動切斷充電及放電，充分保護電池，提高了電池性能并延長了電池使用壽命。在鋰電池的電能輸出利用方面，使用了高效的開關型升壓芯片LM2577為外界提供可變電壓的輸出電源。

3結果和討熱水溫度不變時發電裝置的輸出功率，電壓和電流隨熱水與冷水溫差（簡稱溫差）的變化。表中資料清晰顯示：輸出的功率、電壓和電流均隨溫差的減小而下降，輸出的電壓和功率隨溫差的減小而下降的速率大于輸出電流隨溫差的減小而下降的速率。這是由于熱水溫度不變，隨著冷水溫度的升高，即溫差變小，溫差片與熱源接觸的一面所激發的空穴和電子濃度不變，而與冷源接觸的一面所激發的空穴和電子濃度增大。那么，溫差片的兩個面的空穴和電子濃度梯度下降，這必將會導致空穴和電子的擴散速率變慢，因此，輸出的功率、電壓和電流下降。當溫差為85℃時，輸出功率、電壓和電流分別達到1839W、2587V和071A。可見，空調排氣熱經發電裝置所輸出的功率可以支持2個9W的LED燈照明，也可適用于手機充電。

“多余”的空調排放熱經空調熱利用系統，不僅大大降低了“多余”的空調熱向大氣的排放，同時這種“多余”的空調熱還可以轉化為電能。本文發電裝置采用1的溫差發電片進行的實驗，發電裝置的最大輸出功率可以達到1839W，足夠供我們日常生活LED照明和手機充電。如果將發電裝置系統做的更大一些，如將發電裝置的面積做到05m2，即相當于液冷板之間嵌入的溫差發電片，這樣，發電裝置輸出的功率足夠供電腦工作。本文研制的空調熱利用系統可以有效地利用空調熱這種“多余”的能源，符合我國綠色能源發展方向，這對抑制氣候變暖和獲取電能具有現實意義。

4結語

本文研制的一款由“氣一水”轉換、溫差發電和蓄電三部分構成的空調熱利用系統。該系統可以將空調熱這種“廢熱”合理地轉化為電能，是一種絕對環保的發電方式。本文采用12片4cm×4cm的溫差發電片進行的實驗，該實驗表明：當高溫熱源溫度為90℃，低溫熱源溫度為5℃，即溫差為85℃時，輸出功率、電壓和電流分別可以達到1839W、2587V和071A。那么，輸出的功率足夠供我們日常生活LED照明和手機充電。本文研發的空調熱利用系統結構簡單，成本低，占地面積小，且對空調排放熱的利用效率高。該系統裝置具有普及和廣泛應用的前景。

參考文獻：

[1] 袁圓，賴于民，王小李應對氣候變化積極節能減排[C]//編委會第四屆環境與發展中國（國際）論壇論文集，北京：科技出版社，2008

[2] 何業鋼中國港口加強節能減排積極應對全球氣候變化[J]中國港口，2010（1）：512～13

[3] 常征基于能源利用的碳脈分析[D]上海：復旦大學，2012

[4] 趙靚中科宇能：技術強者的“超能力”[J]風能，2012（15）：7～10

[5] 李鐵軍淺析建筑施工技術中節能理念的應用[J]科技創新與應用，2013（10）：10～13

[6] 李圣梅余熱發電自動控制系統[D]濟南：濟南大學，2012

[7] 朱月海，鐘淳昌循環冷卻水[M]北京：中國建筑工業出版社，2008

[8] 李建保，李敬鋒新能源材料及其應用技術：鋰離子電池太陽能電池及溫差電池[M]北京：清華大學出版社，2005

[9] 張毅剛，彭喜元，彭宇單片機原來及應用（第2版）[M]北京：高等教育出版社，2010

[10] 雷思孝，凌陽16位單片機原理及應用[M]西安：西安電子科技大學出版社，2003endprint

摘要：基于對空調外機排放熱的有效利用，研制了一款空調熱利用系統。該系統由“氣一水”轉換、溫差發電和蓄電三部分構成。空調熱首先進入“氣一水”轉換裝置，接著冷水和從轉換裝置流出來的熱水交替通入溫差發電裝置的液冷板，溫差發電片利用鄰近液冷板的溫差進行發電，最后產生的電能儲存至蓄電池。該系統的溫差發電裝置采用12片4cm×4cm的溫差發電片進行的實驗，實驗表明：溫差發電裝置的輸出功率、電壓和電流不僅與熱水和冷水的溫度差有關，還與熱水和冷水本身的溫度有關。當熱水溫度為90℃，冷水溫度為5℃，即熱水與冷水溫差為85℃時，輸出的功率、電壓和電流分別可以達到1839W、2587V和071A，該輸出的功率可以供日常生活LED照明和手機充電。研發的空調熱利用系統對空調熱的排放起到了節能減排的作用，實現了“廢熱—能源”的綠色轉換。

關鍵詞：空調熱利用系統；溫差發電；節能減排

1引言

溫室氣體排放會引起全球氣候變暖，而加強節能減排正是應對全球氣候變化的首要工作[1，2]。合理用電，節約用電，以及將一些廢棄能源轉化為電能成為節能減排工作中的重中之重[3]。我國有著最大的煤焦化產業，有著在數量和產量上都占世界前列的冶金鋼鐵行業，水泥行業。這些行業在生產過程中所產生的大量的 余熱，煙氣，尾氣，排放到空氣中不但是對能源的重大浪費也是對環境的重大污染，合理采集利用將其轉化為電能既可以減少環境污染也可獲得大量的電能促進能源的再利用。目前國內一些專業的節能服務公司如山東耀節能，北京中科宇杰等，中節能等在節電與余熱發電領域都做了大量的工作[4，6]。

目前，伴隨著城市建設的高速發展，空調已廣泛普及，空調外機向大氣排放的熱量十分巨大，是引起氣候變暖的又一主要因素。基于目前的狀況，如何收集并合理地利用空調熱是我們目前急待解決的問題。本文試圖研發一款空調熱排放利用系統，該系統裝置不僅可以合理地收集空調熱，并可以將空調熱轉化為電能。這不僅可以大大降低空調熱向空氣的排放量，還可以利用空調熱發電，同時高溫循環水還可以供我們日常生活利用。

2空調熱利用系統設計

21溫差發電裝置

本文設計了一款由5塊液冷板和12片溫差發電片構成的發電裝置。該裝置的平面設計圖如圖1所示。相鄰的兩個液冷板之間分別嵌入3片規格的溫差發電片，相鄰的液冷板交替通入自來水（簡稱冷水）和“氣一水”換熱器流出來的熱水（簡稱熱水）。通入熱水的液冷板稱之為熱源，通入冷水的液冷板稱之為冷源。溫差發電片正是利用與熱源接觸的一面熱激發作用較強，空穴和電子濃度高，在這種載流子濃度梯度的驅動下，空穴和電子向與冷源接觸的一面擴散，在低溫開路端形成電勢差，并在器件內變成電能，輸出直流電壓和電流。為了增加發電片與熱源和冷源的接觸面積及時間，液冷板內管設計成為螺旋狀[7]。液冷板內管的內部構造示意圖如圖2所示。

22蓄電裝置

由于熱源和冷源的溫度差不穩定，因此，發電裝置產生的電量難以儲存[8～10]。為解決這一問題，本文設計了一種新的蓄電電路。該蓄電電路如圖3所示。首先將發電裝置產生的直流電經電源穩壓模塊穩壓，輸出5V穩壓電源給充電電路及系統工作，目的是調整由于溫差不穩定造成的波動狀態的電流和電壓，將電壓和電流的輸出值與蓄電池的充電電壓值保持一致，從而更好的儲存電量。本系統用的是鋰電池蓄電，由于鋰電池的易損壞，所以我們采用MAXl898充電芯片為鋰電池進行智能充電，該芯片的內部集成了輸入電流調節器、電壓檢測器、充電電流檢測器、定時器、溫度檢測器等。利用MAXl898充電芯片與STC12C5A60S2單片機結合，組成一個智能的充電系統，提供精確的恒流、恒壓充電，并且檢測鋰電池的輸入輸出電壓，自動切斷充電及放電，充分保護電池，提高了電池性能并延長了電池使用壽命。在鋰電池的電能輸出利用方面，使用了高效的開關型升壓芯片LM2577為外界提供可變電壓的輸出電源。

3結果和討熱水溫度不變時發電裝置的輸出功率，電壓和電流隨熱水與冷水溫差（簡稱溫差）的變化。表中資料清晰顯示：輸出的功率、電壓和電流均隨溫差的減小而下降，輸出的電壓和功率隨溫差的減小而下降的速率大于輸出電流隨溫差的減小而下降的速率。這是由于熱水溫度不變，隨著冷水溫度的升高，即溫差變小，溫差片與熱源接觸的一面所激發的空穴和電子濃度不變，而與冷源接觸的一面所激發的空穴和電子濃度增大。那么，溫差片的兩個面的空穴和電子濃度梯度下降，這必將會導致空穴和電子的擴散速率變慢，因此，輸出的功率、電壓和電流下降。當溫差為85℃時，輸出功率、電壓和電流分別達到1839W、2587V和071A。可見，空調排氣熱經發電裝置所輸出的功率可以支持2個9W的LED燈照明，也可適用于手機充電。

“多余”的空調排放熱經空調熱利用系統，不僅大大降低了“多余”的空調熱向大氣的排放，同時這種“多余”的空調熱還可以轉化為電能。本文發電裝置采用1的溫差發電片進行的實驗，發電裝置的最大輸出功率可以達到1839W，足夠供我們日常生活LED照明和手機充電。如果將發電裝置系統做的更大一些，如將發電裝置的面積做到05m2，即相當于液冷板之間嵌入的溫差發電片，這樣，發電裝置輸出的功率足夠供電腦工作。本文研制的空調熱利用系統可以有效地利用空調熱這種“多余”的能源，符合我國綠色能源發展方向，這對抑制氣候變暖和獲取電能具有現實意義。

4結語

本文研制的一款由“氣一水”轉換、溫差發電和蓄電三部分構成的空調熱利用系統。該系統可以將空調熱這種“廢熱”合理地轉化為電能，是一種絕對環保的發電方式。本文采用12片4cm×4cm的溫差發電片進行的實驗，該實驗表明：當高溫熱源溫度為90℃，低溫熱源溫度為5℃，即溫差為85℃時，輸出功率、電壓和電流分別可以達到1839W、2587V和071A。那么，輸出的功率足夠供我們日常生活LED照明和手機充電。本文研發的空調熱利用系統結構簡單，成本低，占地面積小，且對空調排放熱的利用效率高。該系統裝置具有普及和廣泛應用的前景。

參考文獻：

[1] 袁圓，賴于民，王小李應對氣候變化積極節能減排[C]//編委會第四屆環境與發展中國（國際）論壇論文集，北京：科技出版社，2008

[2] 何業鋼中國港口加強節能減排積極應對全球氣候變化[J]中國港口，2010（1）：512～13

[3] 常征基于能源利用的碳脈分析[D]上海：復旦大學，2012

[4] 趙靚中科宇能：技術強者的“超能力”[J]風能，2012（15）：7～10

[5] 李鐵軍淺析建筑施工技術中節能理念的應用[J]科技創新與應用，2013（10）：10～13

[6] 李圣梅余熱發電自動控制系統[D]濟南：濟南大學，2012

[7] 朱月海，鐘淳昌循環冷卻水[M]北京：中國建筑工業出版社，2008

[8] 李建保，李敬鋒新能源材料及其應用技術：鋰離子電池太陽能電池及溫差電池[M]北京：清華大學出版社，2005

[9] 張毅剛，彭喜元，彭宇單片機原來及應用（第2版）[M]北京：高等教育出版社，2010

[10] 雷思孝，凌陽16位單片機原理及應用[M]西安：西安電子科技大學出版社，2003endprint