半導體冷熱墻的實驗研究

0 引言

在武漢為代表的夏熱冬冷地區，住宅采用外圍護結構保溫技術，室內的冷熱負荷均滿足近零能耗建筑對房屋制冷、采暖需求的要求。但夏季公共建筑的冷負荷還是偏大，還是需要采用空調制冷設備來滿足室內的溫度要求，不過相比外圍護結構不保溫的建筑，其冷負荷大大減小，室內的冷負荷指標不超過50W/m2，可以采用半導體制冷這種綠色冷源[1]。

1 半導體冷熱墻的介紹

在兩種不同金屬組成的閉合線路中，通以直流電，一個接觸點就會變冷，另一個接觸點就會變熱，這種珀爾貼效應，也是半導體制冷的基本原理[2]，如圖1。

圖1 半導體制冷原理圖

半導體制冷是一種固體制冷，主要是靠空穴和電子在運動中直接傳遞熱量來實現的。與傳統的壓縮機制冷系統相比，沒有機械轉動部分，不需有污染的制冷劑，沒有噪聲，無污染，可靠性較高，壽命長，而且電流反向就可以變成加熱，便于恒溫控制等。

半導體冷熱墻的結構如圖2，具體尺寸為500mm×250mm×250mm，大小與建筑使用的加氣混凝土砌塊一樣，鋁 板 厚 度3mm，鋁棒尺寸為250mm×50mm×50mm。半導體片、鋁板、鋁棒之間用導熱硅膠連接，保證能很好地傳熱。

圖2 半導體冷熱墻結構圖

半導體冷熱墻的原理是對半導體通電后，與室內鋁棒相連的面是冷端，半導體與鋁棒相連的面是熱端，熱量經過鋁棒傳給室內的鋁板，再由鋁板與室內空氣自然對流換熱，室內的鋁板與室內空氣自然對流，將冷量傳到室內。若需要采暖，將半導體片與電源反接，室內鋁板就變成熱端。

2 半導體制冷量的計算

根據半導體片的熱電制冷原理，根據測得的半導體冷熱端溫差、電壓及電流，可以計算出半導體制冷原件的特性參數[3]。

式中，α——制冷片的塞貝克系數，V/K；U——供電電壓，V；I——制冷元件的工作電流，A；ΔT——制冷元件的冷熱端溫差，K。

式中，Qc——半導體元件的制冷量，W；Th——半導體制冷片熱端的溫度，K；Tc——半導體制冷片冷端的溫度，K；R——半導體制冷片的電阻，Ω；K——半導體制冷片的導熱系數，W/K。

制冷片的輸入功率為：N=αI（Th-Tc）+I2R

式中，N——半導體制冷片的輸入功率，W；

式中，ε——半導體制冷片的制冷效率；Qc——半導體元件的制冷量，W；N——半導體制冷片的輸入功率，W。

3 半導體冷熱墻的實驗研究

3.1 實驗目的及測試內容

本實驗主要是對半導體冷熱墻的傳熱效果及半導體制冷片的制冷效果進行測試，主要測試的內容有[4]：①通過半導體制冷片的工作電流及工作電壓，計算分析半導體冷熱墻中制冷片的制冷量及制冷率。②測量半導體冷熱墻中鋁棒的溫度分布情況，主要是分析鋁棒的傳熱效果。③對冷熱端的鋁板表面的溫度進行測試，了解鋁板的表面溫度分布情況。

3.2 實驗系統與測試儀器

根據半導體冷熱墻的系統組成選擇材料，半導體選用Tec1-12706，外形尺寸為40mm×40mm×3.8mm，阻值1.95～2.15Ω，最大溫差為65℃～69℃，最大工作電壓15.4VDC，12VDC時的最大工作電流為4.7A，最大制冷功率56W。

利用硅酮導熱膠將鋁板與鋁棒、鋁棒與半導體片、半導體片與鋁棒按照圖2黏在一起，鋁板、鋁棒連之間需用砂紙進行打磨，保證半導體冷熱墻的牢固性。

由于半導體制冷片需要不超過15.4V的直流電壓，還需要一個開關電源，輸入電壓為240VAC，輸出電壓為12VDC，這樣就能保證半導體制冷片能正常的工作[5]。

實驗中的測試儀器有電流表、電壓表、溫度計。溫度計用熱電偶溫度計，有熱電偶、導線和顯示儀表組成，精度為0.1℃

3.3 實驗數據整理與分析

3.3.1 半導體制冷片的電壓、電流測試

用電流表、電壓表對通過半導體制冷片的電流及兩端的電壓進行測試，到半導體制冷片達到穩定的工作狀態，半導體制冷片兩端的工作電壓基本不變，為12V。通過半導體制冷片的最大電流為3.5A，半導體制冷片工作60min后，工作電流降為2.8A，之后，電流趨于穩定，保持不變。

3.3.2 鋁棒的溫度分布測試

用熱電偶溫度計對鋁棒表面的溫度進行測試，鋁棒長度為250mm，為更好地了解鋁板的傳熱效果及其溫度分布，布置6個測點，測點均勻布置。

為了測試鋁板的傳熱效果，對半導體冷熱墻在連續工作4小時鋁棒表面的溫度進行測試，鋁板最初的溫度為14.8℃，運行8min后，鋁板溫度達到最低溫度11.8℃，之后鋁板溫度緩慢上升，4h后，鋁板中心的溫度為22.0℃，冷熱端的換熱也達到穩定平衡狀態。熱端鋁板溫度先上升后趨于穩定，開始階段鋁板溫度為14.8℃，90min后，熱端鋁板中心溫度上升到46.3℃，再往后，鋁板中心的溫度變化不大，最高溫度為48.2℃。

在半導體制冷片工作的前120min，導熱鋁板各測點的溫度逐漸上升，離半導體制冷片熱端越近，測點的溫度越高，各測點之間的溫差大小相差不大，同一時刻，相鄰兩測點的溫差為2℃～3.7℃。

3.3.3 冷端鋁板溫度測試

為測試鋁板與室內空氣通過自然對流與輻射的換熱效果，對冷端鋁板表面的溫度進行測試，布置17個測點，測點沿鋁板表面中心線均勻布置。

每隔半小時記錄各測點的溫度，120min后，冷端鋁板的溫度基本達到平衡穩定狀態，在30min時，鋁板各測點的溫度都較低，此時的制冷效果較好，中心位置的溫度最低，為9.1℃，鋁板邊緣處的溫度為9.8℃。到60min時，鋁板各測點的溫度為15℃～16℃，此時鋁板中心的溫度比邊緣處高些，這是因為半導體冷熱端的溫度沒有及時地散出去，導致制冷效果變差，半導體形成串熱，之后的變化規律相似，鋁板表面的溫度緩慢升高，120min時冷熱達到平衡狀態，各測點的溫度也相近。

3.3.4 熱端鋁板溫度測試

為測試鋁板與室外空氣通過自然對流與輻射的換熱效果，對熱端鋁板表面的溫度進行測試，測點的布置與冷端的一樣。

每隔一小時記錄各測點的溫度，4小時后，熱端鋁板的溫度基本達到平衡穩定狀態。在1h時，熱端鋁板各測點的溫度相差較大，熱端鋁板的溫度較低，此時的制冷效果較好，中心位置的溫度比兩端的溫度高大約10℃，鋁板中心的溫度為41.7℃。到2h時，鋁板中心測點的溫度為47℃，此時鋁板中心的溫度基本達到平衡，再工作2h后，鋁板中心的溫度為47.6℃，與之前升高了只有0.6℃。在4h時，與3h時各測點的溫度相比，還略低2℃左右，說明此時半導體制冷片的散熱達到的穩定平衡狀態。

3.3.5 半導體冷熱墻制冷量的計算

利用半導體制冷量的計算公式，對達到穩定狀態的半導體冷熱墻的制冷量進行計算[5]。穩定狀態時，半導體冷熱墻冷端的溫度為21.1℃，半導體冷熱墻熱端的溫度為70.3℃，半導體制冷片的工作電壓為12V，通過半導體制冷片的電流為2.8A，再利用Tecl-12706半導體制冷片的具體參數，對半導體冷熱墻的制冷量進行計算。

半導體冷熱墻的制冷量為：

4 半導體制冷強化換熱的實驗研究

為了更好地了解半導體制冷傳熱的過程及影響制冷效果的因素，建立一個小型的半導體制冷換熱模型，通過實驗來研究增大冷端的散熱面積、熱端采用強制對流散熱對半導體制冷的影響。

4.1 系統方案設計

根據需要做一個小型簡單的半導體制冷模型，具體由半導體制冷片Tec1-12706、鋁板、小風扇組成。設計4個實驗來分析增強熱端散熱和增強冷端換熱對半導體制冷的影響。

實驗一：用導熱硅膠將半導體制冷片的熱端與20mm厚鋁板的相連，冷端與40mm×40mm×1mm（厚）的鋁板相連，熱端鋁板的兩側用1mm厚的鋁板做2個肋片。

實驗二：在實驗一半導體制冷模塊的基礎上，在熱端鋁板上加以小風扇，增強鋁板的對流換熱。

實驗三，在實驗一半導體制冷模塊的基礎上，在冷端鋁板上再連160mm×160mm（長×寬）的鋁板，冷端的自然換熱面積增加了15倍。

實驗四：綜合實驗二與實驗三，冷端增大自然對流換熱面積，熱端加風扇增強對流換熱。

4.2 實驗結果分析

①對半導體制冷模塊通12V的直流電壓，實驗一中半導體制冷片兩端的電壓為12V，電壓變化不大，通過半導體制冷片的電流在最初時刻其值最大，達到4.5A，受冷熱端鋁板散熱效果的影響，工作電流慢慢減小，工作10min，由3.2A降至2.6A，之后電流趨于穩定。冷端鋁板中心的溫度先迅速降低，之后溫度逐漸升高，而熱端鋁板中心的溫度緩慢升高。冷端鋁板的溫度在1min內由14.3℃降至最低溫度1.9℃，工作10min后，冷端鋁板溫度已達34.0℃，此時已達不到我們所需的制冷目的，冷熱端的散熱效果都不好。

②對半導體制冷模塊通12V的直流電壓，實驗二中半導體制冷片兩端的電壓為12V，電壓變化不大，通過半導體制冷片的電流在最初時刻其值最大，達到4.5A，受冷熱端鋁板散熱效果的影響，工作電流慢慢減小，工作20min，由3.2A降至2.7A，之后電流趨于穩定。冷端鋁板中心的溫度先迅速降低，之后溫度逐漸升高，而熱端鋁板中心的溫度緩慢升高。冷端鋁板的溫度在1min內由14.3℃降至最低溫度1.5℃，工作10min后，冷端鋁板溫度為19.7℃，之后冷端鋁板的溫度升溫幅度較小，冷熱端鋁板換熱基本達到平衡；10min內，熱端鋁板的溫度由14.3℃升至32.2℃，之后熱端鋁板的溫度趨于穩定，最高溫度為33.8℃。說明開了熱端風扇后，熱端鋁板的散熱明顯增強，半導體制冷片的制冷效果較好。

③對半導體制冷模塊通12V的直流電壓，實驗三中半導體制冷片兩端的電壓為12V，電壓變化不大，通過半導體制冷片的電流在最初時刻其值最大，達到4.5A，受冷熱端鋁板散熱效果的影響，工作電流慢慢減小，工作10min，由3.1A降至2.5A，之后電流趨于穩定。冷端鋁板中心的溫度先迅速降低，之后溫度逐漸升高，而熱端鋁板中心的溫度緩慢升高。冷端鋁板的溫度在1min內由14.8℃降至9.0℃，因為此時冷端的鋁板厚度為2mm，而上兩個實驗中冷端鋁板的厚度為1mm，冷端鋁板的最低溫度與前面相比高了近7℃，工作10min后，冷端鋁板溫度已達30.4℃，此時已達不到我們所需的制冷目的，說明靠增大冷端鋁板的面積對半導體制冷片的制冷效果并不是很好。

④對半導體制冷模塊通12V的直流電壓，實驗四中半導體制冷片兩端的電壓為12V，電壓變化不大，通過半導體制冷片的電流在最初時刻其值最大，達到4.5A，受冷熱端鋁板散熱效果的影響，工作電流慢慢減小，工作20min，由3.1A降至2.5A，之后電流趨于穩定。冷端鋁板中心的溫度先迅速降低，之后溫度逐漸升高，而熱端鋁板中心的溫度緩慢升高。冷端鋁板的溫度在1min內由14.3℃降至最低溫度9.0℃，工作10min后，冷端鋁板溫度為20.2℃，之后冷端鋁板的溫度升溫幅度較小，冷熱端鋁板換熱基本達到平衡；10min內，熱端鋁板的溫度由14.3℃升至35.5℃，之后熱端鋁板的溫度趨于穩定，最高溫度為38.8℃。說明通過增強半導體制冷片冷熱兩端的換熱，可以提高半導體制冷片的制冷效果。

5 半導體冷熱墻的優化設計

5.1 增強半導體制冷片冷熱端的換熱

增強半導體制冷片冷熱端的換熱可以提高半導體制冷片的制冷效率[6]。為增強半導體制冷片冷熱端的換熱，在冷熱端的鋁板上再增加一種導熱材料超導熱納米板，超導熱納米板在地板輻射采暖中應用較多，其導熱速度是普通金屬材料的六倍，具有單向導熱功能。在半導體冷熱墻的內外墻北側都加一層超導熱納米板，就可以把單個的半導體冷熱墻砌塊連成一個整體，更有利于半導體制冷片冷熱端的換熱。對冷端，在室內由于超導熱納米板，可以改善半導體冷熱墻帶來的墻體局部溫度過低的現象，使室內環境溫度更加的均衡。

5.2 減少半導體制冷片冷熱端的串熱

在進行半導體冷熱墻實驗過程中，半導體制冷片冷端的溫度先降低，后都會升高，這主要是由于半導體制冷片較薄，半導體制冷片冷熱端沒有完全絕熱，同時半導體制冷片本身是個半導體，也有一定的導熱能力。在半導體制冷片冷熱端散熱不及時，熱量就會通過半導體制冷片及縫隙傳到半導體制冷片的冷端，造成冷熱抵消，甚至冷端溫度升高的現象，這是要避免的。在實驗研究中，由于工作環境及條件的限制，在制作半導體冷熱墻模塊中，沒有使用好的制作工藝，出現半導體冷熱端串熱現象。實際應用過程中，半導體制冷片冷熱端應采用絕熱板隔絕，中間還要填充絕熱材料，保證半導體制冷片冷熱端不會通過縫隙或導熱材料形成串熱。做好半導體冷熱墻制冷片兩端的串熱問題，解決半導體冷熱墻室內冷端溫度較高的問題，提高半導體制冷片的制冷效率。

6 結語

通過對半導體冷熱墻及半導體制冷片的實驗研究，可得出以下結論：①穩定狀態下，半導體冷熱墻模塊的工作電壓為12V，工作電流為2.8A，制冷量為20.8W，制冷效率為38%。②對于半導體制冷片，增強半導體制冷片冷熱兩端的換熱及做好絕熱，可以提高半導體制冷片的制冷效果，增強熱端的換熱比增強冷端的換熱效果好些。