半導體制冷器除濕實驗研究

羅仲　張旭　王勝己　李翔（同濟大學機械與能源工程學院 上海 201804）

半導體制冷器除濕實驗研究

羅仲張旭王勝己李翔
（同濟大學機械與能源工程學院 上海 201804）

為了探討半導體制冷器用于家用除濕的潛力，本文利用半導體制冷器搭建了半導體除濕系統，待處理的濕空氣先后流經冷熱端肋片換熱器，達到除濕的目的。在自然室溫環境下，對空氣溫濕度、熱電堆電壓及處理風量等影響制冷器性能的因素進行了實驗研究與分析，并通過實驗方法優化了半導體制冷器實際運行時的除濕能力及除濕效率，為半導體除濕機的設計及改進提供了實驗依據。結合最佳工作電壓，最佳處理風量的選取，在環境溫度26℃，相對濕度65％工況下，本制冷器最大除濕量可達150 g/h，除濕效率0.37。

半導體制冷；除濕；性能優化；實驗研究

環境溫度條件下，降低濕度會讓人們感覺更加干燥和涼爽，過高或者過低的濕度環境都會增加人體的不舒適感，根據現有的研究［1］，當環境溫度為26℃時，相對濕度由30％變為70％而引起的PMV值上升0.298，并且溫度越高，由相對濕度引起的PMV值改變越大。傳統的除濕技術包括冷凍除濕、液體除濕等雖被廣泛應用，但仍有一定的不足，冷凍除濕機振動強、噪聲大，液體除濕設備復雜，需要有高溫熱源，且冷水耗量大［2］。半導體制冷與傳統制冷方法不同，既沒有制冷劑，也沒有復雜的機械設備以及管路系統，在半導體片上通上直流電源，由帕爾貼效應形成冷端從外界吸熱，另一端形成熱端向外界散熱。

對半導體制冷現有的研究主要是針對如何提高制冷性能，如1）新型半導體材料的開發：Xhaxhiu K等［3］通過固態合成得到針狀晶體In5Se5Br材料，塞貝克系數可達到8900 μV/K。2）改變熱端散熱方式：李茂德等［4］在第三類邊界條件下得出制冷性能與熱端散熱強度之間的解析關系式，隨著熱端散熱強度增強，制冷性能有所提升，但不可無限制通過提高熱端散熱強度來提高制冷器的制冷性能；任欣等［5］給出了半導體制冷器在有限的熱端散熱強度下不同制冷工況的實驗研究，并推導出最佳工況下半導體制冷器的工作電流和制冷量的近似公式；Astrain D等［6］利用熱虹吸管強化熱端的散熱，熱阻比一般翅片換熱器減少36％，制冷系數提高32％；代彥軍等［7］采用強迫對流換熱和熱端采用熱管換熱器對實際半導體制冷裝置進行實驗分析，提出了改善半導體制冷元件散熱條件的具體措施。3）改善冷熱端換熱器肋片尺寸、間距、排布形式等：金剛善等［8］模擬小空間（1 m3）的制冷環境，利用實驗表明半導體熱電堆兩端的散熱器和散冷器的結構是影響半導體制冷效率的一個重要因素。隨著研究的不斷深入，對半導體制冷性能的研究已相對成熟，而對半導體制冷器除濕性能的研究較少，Vián J G等［9］基于半導體制冷技術及熱電類比技術設計了一個100 W雙級半導體除濕器，研究了雙級制冷器的輸入電壓及空氣流量對除濕性能的影響；Udomsakdigool C等［10］通過改變肋片散熱器的尺寸提高制冷器除濕能力，肋片效率可達0.95，除濕效率能達到0.88；謝玲［11］通過熱端散熱能力的改善對小型半導體制冷除濕器進行開發和研究；韓耀明［12］模擬小空間恒溫恒濕環境，對最大制冷量50 W半導體除濕器的除濕性能因素進行了分析并與化學干燥劑對比研究。楊秀榮等［13］利用半導體制冷技術設計了一種適用于小型儀器的小空間控溫除濕系統。綜上所述：多項研究已驗證半導體制冷器在小型空間的制冷及除濕具有很大的優勢，而用于家用除濕的潛力并未得到開發，也缺乏實驗模型的支撐。因此，本文利用半導體制冷器搭建了半導體除濕系統，通過多組工況實驗的方法探究其制冷除濕能力，并開發其用于家用除濕的潛能。

1　實驗方案與原理

1.1除濕系統

實驗半導體制冷器采用16片TEC-12706平板型半導體制冷器件構成，為了保證每片半導體制冷片上電壓電流均勻分布，采用4×4排布方式，即單獨4片串聯后并聯布置，具體布置如圖1所示。制冷片外形尺寸為39.5 mm×39.5 mm×3.82 mm，最大溫差電流6 A，最大溫差電壓15.4 V，最大制冷量53.1 W，最大溫差67℃，電阻2.05 Ω。冷熱端分別布置了兩個鋁制翅片散熱器，熱端肋片尺寸為295 mm×360 mm×110 mm，冷端肋片尺寸為295 mm×360 mm× 60 mm，冷熱端底板厚度均為10 mm，在冷熱端表面均涂有一層導熱硅脂，減少接觸熱阻。冷熱端散熱器分別安裝6個直流風扇，型號為12038，風扇尺寸為120 mm×120 mm×38 mm，用于控制處理空氣流量。

實驗系統如圖2所示，待處理的濕空氣由風扇的作用流經半導體制冷器的冷端，經冷凝除濕后，循環進入制冷器的熱端，能夠有效改善熱端的散熱情況，降低熱端的溫度，一定程度上提高了半導體的制冷性能。

需要測試的空氣參數包括空氣體積流量及分別流經半導體制冷器的空氣狀態點1、2、3的干濕球溫度。處理風量通過測試空氣流速及風管截面積所得，空氣流速由WFWZY-1型熱線風速風溫記錄儀測量，測量精度為0.05～30 m/s，溫度-20～80℃。空氣干球溫度采用銅-康銅熱電偶測量，濕球溫度采用濕紗布包裹的熱電偶測量。

圖1　半導體制冷片布置圖Fig.1 Layout of semiconductor

圖2　實驗系統圖Fig.2 Schematic of the experimental rig

1.2除濕原理

利用半導體冷端制冷量對空氣冷凝除濕，除濕原理如圖3所示，待處理的空氣為狀態點1，吸收制冷器冷端產生的冷量冷凝除濕后變為狀態點2，由風扇作用強制將處理后的空氣通過半導體制冷器的熱端，吸熱升溫后變為狀態點3，最終送入室內。

除濕過程中，濕空氣的含濕量由d1降為d2，溫度由t1冷卻為t2，除濕量為：

式中：mda1，mda2分別為狀態點1、2干空氣的質量流量，kg/s；d1，d2分別為狀態點1、2含濕量，g/（kg干空氣）；而mda1=G/υ1，mda2=G/υ2，G為濕空氣體積流量，m3/s；υ1，υ2分別為空氣狀態點1，2的比容，m3/kg。

因此，公式（1）可表示為：

1.3實驗可行性分析

根據帕爾貼效應，在半導體片上通入直流電壓，半導體的兩側分別形成冷熱端，并伴隨一定的冷量生成，熱電堆產冷量［14］表示為：

圖3　濕空氣處理過程圖Fig.3 Air handling process

結合熱電堆輸入電壓關系式：

由公式（3）～（4）可得：

式中：αp、αn分別為p型及n型半導體溫差電動勢率，αp=αn=1.8×10-4V/K；M為待處理空氣質量流量，kg/s；U、I、P分別為熱電堆輸入電壓、電流和功率；ΔT為半導體冷熱端溫差，℃；R為半導體電偶臂電阻，R=1.81×10-3Ω；K為半導體電偶臂總熱導，W/K；K=knSn/ln+kpSp/lp，Sn=Sp=1.4 mm×1.4 mm，ln=lp=2.5 mm。

由公式（5）可知，為獲取半導體理論制冷量，直接測量量有電流I，電壓U及冷端溫度Tc。因此，有Q0=f（I，U，Tc），根據隨機誤差傳遞公式：δ Q0=，xi分別為I，U，Tc。在電流測量精度0.1 A，電壓測量精度0.1 V，溫度測量精度0.1℃的條件下，做多組工況對比實驗，可得δ Q0 max=0.503 W，而此時實際單半導體片制冷量為23.2 W，相對誤差僅為2.17％，故從誤差傳遞方面可保障理論制冷量的準確性。

而在實際除濕過程中，濕空氣吸收的冷量為：

利用簡化理論所得制冷量Q0與實測制冷量Qt進行對照，來驗證實驗的可靠性和實驗數據的可信性。

由如圖4可知，隨著電壓的升高，制冷量不斷升高。在相同送風量條件下，電壓大約為39 V時，制冷量達到最大值，制冷能力最強；然而隨著電壓的繼續增大，制冷能力反而下降。根據理論及實驗均可知，在制冷片冷熱端散熱能力有限的情況下，隨著電壓的增大，熱端溫度不斷上升，冷熱端溫差不斷增大，而熱端散熱能力不足，致使半導體內部蓄熱，由提高電壓而增加的制冷量低于由焦耳熱產生的熱量，出現制冷量下降的趨勢。圖中理論制冷量及實驗制冷量變化趨勢一致，并且擬合度較高，經過相對誤差計算，大部分數值相對誤差控制在5％以內，僅有少部分實驗數據相對誤差能達到15％，因此證明，在實驗誤差允許范圍內，理論和實驗結果吻合較好，此研究方法是可靠的。

圖4　理論制冷量與實驗制冷量對比Fig.4 Comparison of theoretical and experimental refrigeration capacity

2　實驗結果與分析

2.1輸入電壓對除濕性能的影響

本實驗設計多組實驗工況，用兩臺數顯直流開關電源分別控制半導體熱電堆電壓和直流風扇電壓，實現熱電堆輸入電壓和送風量的獨立控制，開關電源脈動系數在10％以下。實驗開始前，先對實驗用制冷器運行2 h以上，待其穩定運行后，以3 V電壓做遞增實驗，并采用FLUKE2635A Hydra數據采集儀記錄狀態點1、2、3干濕球溫度以及制冷片冷熱端溫度。以下實驗條件均為環境干球溫度為26℃，相對濕度為65％。

通過改變處理風量以及半導體制冷片輸入電壓，分析半導體制冷器的除濕能力和除濕效率的變化情況，此處定義半導體除濕效率為：

式中：γ為水的汽化潛熱，kJ/kg；m為除濕量，g/ h；系統消耗的總功率Po應為熱電堆輸入功率P及風扇輸入功率PF之和，W，即P0=P+PF。

由圖5可知，隨著電壓的升高，除濕量不斷升高。在各送風量條件下，電壓大約為39 V時，制冷器除濕量達到最大值，除濕能力最強，然而隨著電壓的繼續增大，除濕能力反而下降。由此可知，除濕量與制冷量的變化趨勢是基本同步的，當電壓小于39 V時，增大電壓所增加的產冷量大于增加電壓而產生的焦耳熱，故除濕能力增強；反之，電壓大于39 V時，增加的產冷量逐步小于增加的焦耳熱，導致除濕能力的下降。然而，半導體的最佳除濕效率電壓卻在21 V附近，如圖6所示，可知最佳除濕能力電壓與最佳除濕效率電壓并不一致。在半導體制冷器實際運行中，應同時兼顧除濕能力及除濕效率的匹配，結合不同送風量工況分析，除濕電壓宜控制在21～39 V電壓之間，即單制冷片電壓于5.25～9.75 V為優。在此段電壓下，電壓的微小變化對除濕量的影響小于對半導體耗功率的影響，因此，制冷除濕能力在上升，而除濕效率卻在下降。由實驗結果可知，最大除濕量可達150 g/ h，即單片制冷片除濕量達9.38 g/h，最大除濕效率可達0.37。根據除濕機標準GB/T19411—2003，換算得本制冷除濕器名義除濕量為140.2 g/h，能夠達到冷凍除濕機性能的43.7％。

圖5　除濕量隨輸入電壓的變化Fig.5 Dehumidification capacity with the variation of input voltage

2.2處理風量對除濕性能的影響

圖6　除濕效率隨輸入電壓的變化Fig.6 Dehumidification efficiency with the variation of input voltage

圖7　除濕量隨處理風量的變化Fig.7 Dehumidification capacity with the variation of air flow rate

圖8　除濕效率隨處理風量的變化Fig.8 Dehumidification efficiency with the variation of air flow rate

調節直流風扇輸入電壓，控制送風量，對不同處理風量進行了實驗研究，發現存在最佳處理風量。如圖7和圖8所示，在干球溫度26℃，相對濕度65％實驗工況下，最佳處理風量為0.045 m3/s，即單制冷片最佳處理風量為10.1 m3/h。當送風量小于0.045 m3/s時，隨著送風量的增大，能夠有效加快制冷器冷熱端與空氣的熱交換速度，降低半導體制冷片冷熱端溫差，增大制冷量。并且此時空氣流速并不大，與冷端肋片接觸時間足夠長，能夠有效保證水蒸氣的冷凝速度，從而增大除濕量。當處理風量超過0.045 m3/s后，即使加強了冷熱端散熱能力，但由于半導體片制冷能力有限，且空氣流速較大，與冷端肋片接觸時間短，造成空氣中大部分水蒸氣無法冷凝，只能除去部分水蒸氣，除濕量下降，除濕效率也隨之下降。

2.3初始狀態對除濕性能的影響

本研究的目的是探索半導體制冷器用于家用除濕的可能性。在不同的環境參數下，半導體制冷器除濕效果不同，如圖9所示。隨著環境溫度的升高，除濕量與除濕效率均有升高的趨勢。

我國長江中下游的一些地區，溫濕度大是梅雨季節的主要特征，半導體制冷器在該地區可以達到很好的除濕效果，并得到較好的推廣應用。

圖9　除濕量及除濕效率隨環境溫度的變化Fig.9 Dehumidification capacity and efficiency with the variation of environmental temperature

2.4送風狀態分析

除濕機處理的空氣先經冷端冷凝除濕，后經熱端加熱升溫。由空氣處理過程可知，將半導體實際耗功率加載到空氣中，會引起送風溫度的升高，從而消除將冷空氣直接排入室內的冷風感。利用降溫除濕后的空氣再次經過除濕機的熱端，能夠有效改善熱端的散熱，降低熱端的溫度，一定程度上提高半導體制冷性能。然而，冷空氣在經過除濕機后，對送風的空氣狀態并未做詳細研究，送風溫度過高過低，均會引起PMV的偏移，因此，本實驗對出風口空氣狀態進行了監測，如圖10所示。處理風量越小，輸入電壓越大，送風進出口溫差越大，且溫差對輸入電壓呈線性增長。制冷器在低壓段21 ～39 V內運行，不僅能有效提高除濕量及除濕效率，還能有效控制送風狀態。

圖10　送風進出口溫差隨輸入電壓的變化Fig.10 Supply air temperature difference with the variation of input voltage

3　結論

為了驗證新型半導體除濕技術的除濕性能，并開發其應用于家用除濕的潛力，本文利用半導體制冷器搭建了半導體除濕系統，通過多組工況實驗的方法探究其制冷除濕能力。研究發現：

1）在半導體冷熱端散熱能力有限的條件下，半導體制冷器最佳除濕量電壓與最佳除濕效率電壓不匹配，單制冷片電壓適宜控制在5.25～9.75 V低電壓段；

2）當半導體制冷片輸入電壓一定，其制冷能力受到限制，存在最佳處理風量。本制冷器最佳處理風量為0.045 m3/s，單片制冷片最佳除濕風量為10.1 m3/h。

3）結合送風溫度、最佳除濕量電壓、最佳除濕效率電壓和最佳處理風量的選取，制冷器最大除濕量可達150 g/h，單片制冷片最大除濕量能達9.38 g/h，最大除濕效率可達0.37，最大除濕量可達到冷凍除濕機性能的43.7％。

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About the corresponding author

Zhang Xu，male，professor，Ph.D.adviser，director of Department of HVAC and Thermal Engineering，School of Mechanical Engineering，Tongji University，+86 21-65983605，E-mail：zhangxu-hvac@tongji.edu.cn.Research fields：energy conservation and renewable energy in building，LCA，low-exergy energy in rural area，ventilation in complicated space.

Experimental Research on Performance Optimization of Thermoelectric Dehumidifier

Luo Zhong Zhang Xu Wang Shengji Li Xiang
（School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai，201804，China）

In order to verify thermoelectric refrigerator's capability to be used as domestic dehumidifier，a typical single-stage thermoelectric dehumidification system was built by using a thermoelectric refrigerator.The moist air flowed through the cold side and the hot side in turn which condensed in the cold side and the heat dissipation was recycled in the hot side.The factors（voltage，temperature，mass flow rate etc.）which affect the thermoelectric dehumidification capacity and efficiency are analyzed.In addition，by conducting the experiment，the performance of this thermoelectric dehumidifier was optimally improved.For example，a test was carried out at atmospheric conditions of 26℃ and 65％humidity，the maximum amount of dehumidification of this device can reach 150 g/h，dehumidification efficiency can reach 0.37.

semiconductor refrigeration；dehumidification；optimal operation；experimental investigation

TB66；TU831.5

A

0253-4339（2015）05-0101-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.101

2014年12月22日

簡介

張旭，男，教授，博士生導師，同濟大學暖通空調及燃氣研究所所長，同濟大學機械與能源工程學院，（021）65983605，E-mail：zhangxu-hvac@tongji.edu.cn。研究方向：建筑節能及新能源在建筑系統的應用，建筑物能量系統生命周期評價方法及評價指標體系，面向小城鎮及農村的低成本能源系統的技術集成和新能源綜合利用，復雜空間通風技術。