半導體制冷空氣取水系統(tǒng)的優(yōu)化研究

曹 旦 鄒 鉞 東華大學

半導體制冷空氣取水系統(tǒng)的優(yōu)化研究

曹 旦 鄒 鉞 東華大學

空氣中蘊含著大量的水分，空氣取水技術(shù)日益發(fā)展。其中，半導體制冷空氣取水技術(shù)是基于半導體制冷技術(shù)發(fā)展而來的空氣取水技術(shù)，主要利用特種半導體材料構(gòu)成的P-N結(jié)，形成熱電偶對，產(chǎn)生珀爾帖效應(yīng),從而達到冷端制冷的效果，冷凝空氣制取冷凝水。針對半導體制冷空氣取水技術(shù)進行分析模型搭建，對系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進行改進，對半導體制冷電流，制冷溫度進行控制，獲取最節(jié)能最優(yōu)化的系統(tǒng)工況。

半導體；空氣取水；制冷溫度；節(jié)能；取水量

缺水是一個世界性的普遍現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，全世界有100多個國家存在著不同程度的缺水，世界上有28個國家，被列為缺水國或嚴重缺水國。大部分地區(qū)的地下水被過度開采，地球上的水資源越來越匱乏。尤其是在沙漠地區(qū)，干旱地區(qū)，地下水已經(jīng)不能完全滿足日常的生活需求，而空氣中蘊涵著大量的水資源，大氣中能容納多少水汽是由溫度、壓力所決定的。在標準大氣壓下，1 m3空氣中在不同溫度下，水汽最大含量見下表1(即空氣處于飽和時的含水量)。

空氣取水技術(shù)目前可分為兩種：一是直接式取水，包括有“集霧器”（聚霧取水法）；利用仿生原理采用親水與憎水材料收集水珠的方法；吸附劑吸附式采集水。二是間接式取水，利用溫差把空氣中的濕空氣變成冷凝水收集起來，其中最常見的就是制冷結(jié)露的方法，原理是冷卻濕空氣，使其達到露點以下從而制取冷凝水。本文介紹的半導體制冷空氣取水技術(shù)是由半導體通直流電使冷端制冷，溫度降低至露點溫度以下，空氣經(jīng)過制冷面從而制取冷凝水。半導體制冷技術(shù)具有重量輕、速度快、無污染、方便、壽命長、成本低等優(yōu)點適合推廣。

表1 在標準大氣壓下，1 m3空氣中在不同溫度下的最大含水量

1 實驗

1.1 實驗?zāi)Ｐ团c測試設(shè)備

本次實驗中選取的制冷片是TEC1-12706，工作溫度范圍是-50～80℃，最大電流6 A，最大電壓15.2 V，最大制冷功率56.5 W，最大制熱功率92.4 W，外形尺寸40×40×3.9±0.1 mm，原件對數(shù)127。導冷模塊外形尺寸是60mm×45 mm×25mm，導熱模塊外形尺寸是100 mm×98 mm×24 mm，以及散熱風扇ZY-922512SM，額定工作電壓12 V，額定電流0.18 A，12 V 6 A的開關(guān)電源，以及一些配件，如導熱硅膠、螺絲、隔熱墊等。將制冷片與導冷塊和導熱塊連接，連界面均勻涂抹導熱硅膠，導冷塊和導熱塊之間用螺絲固定，導冷片外圍墊上隔熱墊，熱端固定散熱風扇，風扇連接開關(guān)電源。

測試儀器為PT100溫度傳感器，溫濕度傳感器以及SWEMA Y-BOAT多功能測試系統(tǒng)，其中Y-BOAT多功能測試系統(tǒng)是集溫度、濕度、照度、二氧化碳濃度等為數(shù)據(jù)采集為一體的多功能系統(tǒng)。PT100溫度傳感器固定在制冷端，連接到Y(jié)-BOAT多功能測試箱中，通過無線或有線傳輸?shù)诫娔X端，進行數(shù)據(jù)收集和分析。原理圖如圖1。

圖1 半導體制冷空氣取水系統(tǒng)測試原理圖

1.2 熱端對比實驗

實驗一為調(diào)節(jié)直流電源，使流過實驗?zāi)Ｐ碗娏鳛?.5 A，記錄冷熱端溫度進行觀察，實驗二為對比實驗，熱端不固定散熱風扇，同樣調(diào)節(jié)直流電源，使流過實驗?zāi)Ｐ碗娏鳛?.5 A，觀察冷端制冷溫度，如圖2，實驗結(jié)果及分析比較如圖2。

由圖2可以看出，在通電電流為1.5 A，電壓5.0 V的相同情況下，散熱端在不加散熱風扇的情況下，制冷片的溫度從19.5℃開始降低，直到11℃左右穩(wěn)定，穩(wěn)定過程約為2.5 min；如果在散熱端加上風扇，制冷片的溫度從19.5℃下降到約8℃，并且穩(wěn)定時間約為2min。從兩組數(shù)據(jù)可以得出，半導體在通直流電情況下，制冷端的溫度會降低，散熱端溫度會升高，最終達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，穩(wěn)定時間大概會持續(xù)2～3 min。散熱端在不加風扇的條件下，主要是依靠與空氣自然對流進行散熱，散熱效率比較低，效果不明顯，熱量會從熱端通過導熱和自然對流傳到冷端使制冷端溫度升高，影響制冷效果。所以在加入風扇強化熱端散熱之后，熱量被帶走，遠離冷端，穩(wěn)定后的冷端冷溫度要比不加風扇的情況下低，制冷效果更好。

圖2 有無散熱風扇對制冷端制冷溫度的影響

1.3 工作電流對比實驗

在熱端有散熱風扇的情況下，調(diào)節(jié)直流電源，分別對半導體通以1.5 A、2.0 A和2.5 A的直流電流，記錄制冷片冷端溫度，如圖3，實驗結(jié)果及分析比較如下：

圖3 不同制冷工作電流對制冷端制冷溫度的影響

從圖3可以看出，在熱端游散熱風扇的前提下，半導體制冷端溫度隨著時間慢慢降低直到穩(wěn)定溫度；通以1.5 A電流時，從19.5℃穩(wěn)定到約8℃；通以2.0 A電流時，從19.1℃穩(wěn)定到約7℃；通以2.5 A電流時，從20.5℃穩(wěn)定到約2℃，效果最明顯。從3組數(shù)據(jù)對比可以看出，最終穩(wěn)定的制冷溫度與通過半導體的直流電大小有關(guān)，隨著電流的增大，最低制冷溫度隨之降低。

1.4 控制策略

在現(xiàn)有半導體制冷技術(shù)下，半導體空氣取水的方法也得到很多的研究，但是為了保持一個很好的制冷工況，需要對制冷溫度進行控制，因為外界環(huán)境會發(fā)生變化，制冷溫度與露點溫度的關(guān)系密切，當制冷溫度大于露點溫度，不結(jié)露，當制冷溫度小于露點溫度時，結(jié)露，但如果工作電流過高，制冷端溫度過低，達到0℃以下，就會形成冰晶，更有甚者會結(jié)冰，在這種工況下是制取不了冷凝水的，而且還造成了能源浪費。

在實際條件下，空氣的溫濕度是會隨著外界空氣參數(shù)的變化而發(fā)生變化。外界的溫度在白天溫度比較高，濕度較低，而到了晚上，溫度下降到較低溫度，濕度上升，空氣的露點溫度在一天當中隨之發(fā)生變化，圖4是上海地區(qū)某時間段室內(nèi)外露點溫度變化情況。

圖4 室內(nèi)外露點溫度變化

從圖4可以看出，以某一天為測試范圍，在這一天中，露點溫度隨著時間的推移而發(fā)生變化，測試數(shù)據(jù)當中最高點室外露點溫度為13.8℃，室內(nèi)最高為13.3℃，室外露點溫度最低點為早上7:00 為10.2℃，室內(nèi)此時接近10℃。一天當中露點溫度最高為4℃，如果我們系統(tǒng)工作電流不變的話，那制冷端溫度也就不會發(fā)生變化，從而有一部分能量就會浪費。如果我們控制電流的變化使制冷端溫度會隨著露點溫度變化而發(fā)生變化，那么在既不影響制冷工況的前提下同時節(jié)省能量。另外，就是在通風適當?shù)那闆r下，室內(nèi)露點溫度和室外露點溫度相差不大，溫差大概0.5℃。

在保證工況的情況下，控制制冷端制冷溫度低于露點溫度4℃，并且隨著露點溫度的變化同時發(fā)生變化，這樣既能較好工況制冷制冷取水，同時最大限度地節(jié)省能源。

2 取水量分析

假設(shè)室內(nèi)溫度25℃，相對濕度60%，有小型風扇下風速為1 m/s，則可查表得出露點溫度為16.7℃，25℃、100%相對濕度含水量23.01 g/m3，25℃ 60%相對濕度含水量23.01×60%=13.80 g/m3，（16.7-5=）11.7℃、100%相對濕度含水量10.45 g/m3，肋片表面規(guī)格是40 mm×22 mm,肋片共有11片，底座規(guī)格是60 mm×45 mm，接收肋片的空氣按10 mm一層考慮，所以S=0.06×0.022=0.00132㎡，則肋片每小時接觸的空氣1×3 600×0.00132=4.8 m3，所以結(jié)露量Q=（13.80-10.45）×4.8=16.1 g。 如果10個半導體制冷片連續(xù)工作12 h，則可以產(chǎn)水量Q=16.1×10×12=1 932 g。當然，為了能得到更多的水量，還需要從各個方面對半導體制冷系統(tǒng)進行優(yōu)化。

在實際條件下，我們運行半導體制冷系統(tǒng)，并調(diào)節(jié)工作電流，對半導體制冷溫度進行控制，收集制冷端制取的冷凝水，1 h后記錄冷凝水制取量，記錄分析結(jié)果如表2：

表2 半導體裝置實際取水量

從表2可以分析得出，在1 h的連續(xù)運行下，1套半導體制冷空氣取水系統(tǒng)可以制取7 g的液態(tài)水，實際取水效率為P=7/16.1=43.5%，空氣取水效率理想。參照中國居民膳食指南建議，在溫和氣候條件下輕體力活動的成年人飲水量至少為1200 mL /d，半導體系統(tǒng)連續(xù)工作24 h可以保證正常誰的攝入量，對人的正常生理活動有著重要的作用。

3 結(jié)語

通過對半導體制冷系統(tǒng)的實驗研究，得到如下結(jié)論：

（1）散熱端撒熱優(yōu)化，工作電流控制以及制冷段溫度的控制對系統(tǒng)有著重要影響；

（2）半導體制冷空氣取水系統(tǒng)具有很高的實用性，連續(xù)工作條件下能制取較大的取水量，實際取水量取水效率為43.5%，具有較高的制冷效率能，而且能保證一天的正常攝入量；

（3）半導體制冷系統(tǒng)在控制溫度下運行，能隨著外界環(huán)境露點溫度的變化而發(fā)生改變，能節(jié)省很大額定能量輸入，避免造成能源浪費。

Optimization Study on Semiconductor Refrigeration Condensed Water Extraction from Condensed Air System

Cao Dan, Zou Yue Donghua University

Air is full of water. Water Extraction from air technology is developing day by day. Semiconductor refrigeration condensed water extraction from condensed air technology is based on semiconductor refrigeration and changed into water extraction from air technology. It uses P-N junctions consisting of special semiconductor materials to form thermocouple pair and result in Peltier effect to achieve refrigeration effect to condense air to extract condensed water. It analyzes and builds up model to conduct semiconductor refrigeration condensed water extraction from condensed air technology and improves all aspects of the system. It controls semiconductor refrigeration current and refrigeration temperature to obtain the best energy saving and most optimal system condition.

Semiconductor, Condensed Water Extraction from Condensed Air, Refrigeration Temperature, Water Extraction Quantity

曹旦：（1991~），男，碩士研究生。

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.01.007

節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品 Energy Conservation Technologies and Products