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(tǒng)，待處理的濕空氣先后流經(jīng)冷熱端肋片換熱器，達到除濕的目的。在自然室溫環(huán)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(yōu)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(shè)計及改進提供了實驗依據(jù)。結(jié)合最佳工作電壓，最佳處理風量的選取，在環(huán)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(yōu)化；實驗研究

環(huán)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(huán)境都會增加人體的不舒適感，根據(jù)現(xiàn)有的研究［1］，當環(huán)境溫度為26℃時，相對濕度由30％變?yōu)?0％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(tǒng)的除濕技術(shù)包括冷凍除濕、液體除濕等雖被廣泛應(yīng)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(shè)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(tǒng)制冷方法不同，既沒有制冷劑，也沒有復雜的機械設(shè)備以及管路系統(tǒng)，在半導體片上通上直流電源，由帕爾貼效應(yīng)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(xiàn)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(fā)：Xhaxhiu K等［3］通過固態(tài)合成得到針狀晶體In5Se5Br材料，塞貝克系數(shù)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(guān)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(shù)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(huán)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(jié)構(gòu)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(shù)及熱電類比技術(shù)設(shè)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(fā)和研究；韓耀明［12］模擬小空間恒溫恒濕環(huán)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(shù)設(shè)計了一種適用于小型儀器的小空間控溫除濕系統(tǒng)。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(yōu)勢，而用于家用除濕的潛力并未得到開發(fā)，也缺乏實驗?zāi)Ｐ偷闹?。因此，本文利用半導體制冷器搭建了半導體除濕系統(tǒng)，通過多組工況實驗的方法探究其制冷除濕能力，并開發(fā)其用于家用除濕的潛能。

1　實驗方案與原理

1.1除濕系統(tǒng)

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(gòu)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(lián)后并聯(lián)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(tǒng)如圖2所示，待處理的濕空氣由風扇的作用流經(jīng)半導體制冷器的冷端，經(jīng)冷凝除濕后，循環(huán)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(shù)包括空氣體積流量及分別流經(jīng)半導體制冷器的空氣狀態(tài)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℃?？諝飧汕驕囟炔捎勉~-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(tǒng)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(tài)點1，吸收制冷器冷端產(chǎn)生的冷量冷凝除濕后變?yōu)闋顟B(tài)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?yōu)闋顟B(tài)點3，最終送入室內(nèi)。

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(tài)點1、2干空氣的質(zhì)量流量，kg/s；d1，d2分別為狀態(tài)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(tài)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(jù)帕爾貼效應(yīng)，在半導體片上通入直流電壓，半導體的兩側(cè)分別形成冷熱端，并伴隨一定的冷量生成，熱電堆產(chǎn)冷量［14］表示為：

圖3　濕空氣處理過程圖Fig.3 Air handling process

結(jié)合熱電堆輸入電壓關(guān)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(zhì)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(jù)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(shù)據(jù)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(xù)增大，制冷能力反而下降。根據(jù)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(nèi)部蓄熱，由提高電壓而增加的制冷量低于由焦耳熱產(chǎn)生的熱量，出現(xiàn)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(jīng)過相對誤差計算，大部分數(shù)值相對誤差控制在5％以內(nèi)，僅有少部分實驗數(shù)據(jù)相對誤差能達到15％，因此證明，在實驗誤差允許范圍內(nèi)，理論和實驗結(jié)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(jié)果與分析

2.1輸入電壓對除濕性能的影響

本實驗設(shè)計多組實驗工況，用兩臺數(shù)顯直流開關(guān)電源分別控制半導體熱電堆電壓和直流風扇電壓，實現(xiàn)熱電堆輸入電壓和送風量的獨立控制，開關(guān)電源脈動系數(shù)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(wěn)定運行后，以3 V電壓做遞增實驗，并采用FLUKE2635A Hydra數(shù)據(jù)采集儀記錄狀態(tài)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(huán)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(tǒng)消耗的總功率Po應(yīng)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(xù)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(chǎn)冷量大于增加電壓而產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)同時兼顧除濕能力及除濕效率的匹配，結(jié)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(yōu)。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(jié)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(jù)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(diào)節(jié)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(fā)現(xiàn)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(tài)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(huán)境參數(shù)下，半導體制冷器除濕效果不同，如圖9所示。隨著環(huán)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(qū)，溫濕度大是梅雨季節(jié)的主要特征，半導體制冷器在該地區(qū)可以達到很好的除濕效果，并得到較好的推廣應(yīng)用。

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

2.4送風狀態(tài)分析

除濕機處理的空氣先經(jīng)冷端冷凝除濕，后經(jīng)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(nèi)的冷風感。利用降溫除濕后的空氣再次經(jīng)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(jīng)過除濕機后，對送風的空氣狀態(tài)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(tài)進行了監(jiān)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(nèi)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(tài)。

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(jié)論

為了驗證新型半導體除濕技術(shù)的除濕性能，并開發(fā)其應(yīng)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(tǒng)，通過多組工況實驗的方法探究其制冷除濕能力。研究發(fā)現(xiàn)：

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(jié)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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［14］徐德勝.半導體制冷與應(yīng)用技術(shù)［M］.2版.上海：上海交通大學出版社，1999：7-12.

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@#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(diào)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@#edu.cn。研究方向：建筑節(jié)能及新能源在建筑系統(tǒng)的應(yīng)用，建筑物能量系統(tǒng)生命周期評價方法及評價指標體系，面向小城鎮(zhèn)及農(nóng)村的低成本能源系統(tǒng)的技術(shù)集成和新能源綜合利用，復雜空間通風技術(shù)。