热电制冷技术在船舶舱室热环境控制中的应用

徐隽霏，李小军，周爱民，王世忠

(1.中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064;2.武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

热电制冷技术在船舶舱室热环境控制中的应用

徐隽霏1，李小军1，周爱民2，王世忠2

(1.中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064;2.武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064）

从热电制冷技术原理出发，将热电制冷与传统机械压缩式制冷的各固有特性进行对比，介绍了2种船用空调系统的热电制冷应用方案及工艺流程;并根据船舶舱室温湿度控制的需求，设计了一套水冷热电制冷装置，用于船舶舱室局部空间环境温湿度的控制;最后分析研究了该热电制冷装置的特性，分别考察了制冷量与环境温度、工作电流、制冷效率和工作电压等参数之间的关系。

热电制冷装置;水冷;空调系统

0 引言

目前在船用空调领域中，盘管空调器作为主要的局部空调设备得到广泛应用，但其也存在着管路复杂、控制精度低、体积大、噪声大等缺点。相应的，应用热电式制冷技术的空调设备因具有无运动部件、不使用制冷剂、工作无噪声、结构简单，可靠性高，寿命周期长、外形轻巧、制冷迅速及制冷量调控方便等特性，已在军事、航空航天、通信、电子制造等特殊领域的制冷空调和温度控制上得到成功应用［1］。

随着船舶人机环技术的发展，要求居住舱室的背景噪声、居住环境条件进一步改善，提高居住舱室的热舒适性，于是热电制冷技术近年来受到关注。目前随着各种人工半导体新材料制造技术的不断深入，热电制冷已突破传统意义上制冷效率低的缺点，因水冷热电制冷装置在效率上优于风冷方式［2］，结合船用散热环境，因而开展水冷式热电制冷装置的实验研究更具有实际意义。本文拟设计1套水冷式热电制冷装置，取代现行的水冷盘管式空调，开展其在船用局部空调系统中的应用研究，以提高船舶舱室的居住性。

1 应用分析

1.1 热电制冷原理

热电制冷因其具有的热电能量转换特性，在通过直流电时能产生制冷效果而得名。热电效应中起主导作用的是珀尔帖效应，因此热电制冷其实是珀尔帖效应在制冷技术中的应用。实用的热电制冷装置是由热电效应比较显著及热电制冷效率比较高的半导体热电偶构成的。如图1所示，把1只P型半导体元件和1只N型半导体元件联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的1个接头处，电流方向是N→P，该接头温度下降，从环境中吸收热量，因而形成冷端;相反的，在下面的1个接头处，电流方向是P→N，该接头温度上升，向环境放出热量，形成热端。借助对流、相变、传导、热辐射等各种换热手段，使热电偶的热端在保持一定温度的前提下，将产生的热量不断向环境散发;把热电偶的冷端放到工作环境中去吸热，使环境降温，形成热量借助热电偶的流动，这就是热电制冷的工作原理［3］。

图1 热电制冷原理Fig.1 Thermoelectric refrigeration theory drawing

在工程应用中，鉴于1对半导体热电偶对制冷量很有限，通常通过采用对P型半导体元件和N型半导体元件的串联、并联或串并联混合连接的形式，使前一级 (较高温度级）的冷端是后一级的热端散热器，依次类推，构成多级半导体制冷电堆［4］，从而满足较大制冷量的需求。

1.2 热电制冷与机械压缩式制冷技术的比较

表1给出了热电制冷装置和机械式压缩制冷装置的特性对比 (其中4表示很好;1表示很差）。从表1可以看出，热电制冷装置与普通机械压缩式制冷装置的显著区别在于:无需制冷剂，没有运动部件，使用直流电工作。由于不使用制冷剂，消除了制冷剂泄漏将对人体造成的毒害。由于没有运动部件，热电制冷装置运行时，无噪声、无振动、无磨损，因此工作可靠，维护方便，使用寿命长［5］。

对于船用封闭空间等特殊环境，对噪声和振动有比较高的要求，维护操作亦力求简便，热电制冷是较理想的冷源。

就调节特性来说，热电制冷装置可以通过调节工作电压来改变它的产冷量和制冷温度;大型的热电空调装置，也可以通过改变电路的连接方式对产冷量进行调节，可调幅度相对较大。热电制冷装置的这种优良的可调性比较适合船舶局部舱室的使用要求。

鉴于热电制冷的静音、无污染、能量调节范围大的特点，在船用制冷空调领域，尤其是针对局部空间内的应用，具有明显的优越性，或将成为船用制冷空调的一个重要组成部分。

表1 热电制冷技术与机械压缩机制冷技术总体比较Tab.1 General comparison between the thermoelectric refrigeration and compression refrigeration

1.3 热电制冷在船用空调系统上的应用

热电制冷可有2种工作方式应用于船舶制冷空调领域。其一是热电装置的冷端设置水冷热交换器，通过冷端吸热冷却来自舱室空调冷水系统的冷媒水，冷媒水温度降低后由空调冷水系统的输送设备送至船舶舱室内各需冷用户，达到制取空调冷水的目的，相当于现有的船舶舱室内的空调冷水制冷机组;其二是热电装置的冷端设置冷热交换器，通过冷端吸热冷却来自舱室空调的回风，对其降温和除湿后再送回舱室中，达到对舱室空气进行降温和除湿的目的。

1.3.1 热电式冷水系统

图2为热电式冷水系统散热系统原理图。从图中可以看出，该热电制冷装置热电组热端产生的热经放热回路 (淡水）带至海水热交换器，由淡水与海水回路组成的热交换器完成热交换，将该能量释放到10℃ ～28℃的海水回路中;同时冷端通过热交换器吸收来自舱室空调冷水系统冷媒水携带的热能，对冷媒水进行降温处理，制取5℃ ～7℃的冷媒水，再供给到舱室内的各需冷用户。

这类系统的制冷量可达几百千瓦级，通过改变供电电压进行制冷量的调节;同时，可依据系统回路中热交换器出口处的水温来控制装置的供电电压，形成系统的恒定水温自动控制。

图2 热电式冷水机组原理Fig.2 Thermoelectric refrigeration chiller drawing

1.3.2 热电式空调系统

热电式空调系统用于调节舱室内的空气温湿度，为工作人员和舱室内设备提供一个适宜的工作环境，该系统由热电式空调装置、低噪声风机、淡水泵、海水热交换器、消音器、减振接管和电气控制箱等组成(见图3），其制冷量通常在千瓦级～几十千瓦级。

图3 热电式空调系统原理Fig.3 Schematic drawing of thermoelectric air conditioning system

其工作原理是:空调系统将舱室内的热空气，送到热电式空调装置的冷端，由冷端对其吸热降温后，再送回舱室;冷端吸收的热量经热电效应传给热端;冷水系统内循环的淡水将空调装置热端的热量带至海水热交换器，再通过海水热交换器向外界排热。

热电式空调系统能自动调节舱室温度，即该系统可通过设定热电式空调装置出口处的空气温度，依据装置出口处的实际空气温度与设定温度的差值，进行供电电压的自动调节，从而达到自动调节舱室内空气温度的目的。当舱室的空调热负荷小于空调装置的产冷量时，装置出口处空气温度小于设定温度，自动降低装置的供电电压，进而减小产冷量;当空调热负荷超过装置的产冷量时，装置出口处空气温度大于设定温度，自动升高装置的供电电压，直至空调装置全负荷工作，最大限度地降低舱室温度。

2 水冷热电式空调装置

热电制冷在能量转化、热量传递各环节中，存在焦耳效应、傅立叶效应、有限传热等内外不可逆性因素，以及电流、冷却水温度等运行条件，为开展热电制冷技术在船舶舱室热环境控制的应用可行性分析，本文通过设计一台水冷式热电空调装置，就此进行相关试验，分析考察其实用性以及变工况控制特性，探索提高其效率的技术途径。

本文设计的水冷式热电制冷装置属于局部空调器，类似于目前使用的盘管式空调器，外形结构如图4所示。该装置的标准制冷量为4 kW，风量为800m3/h。

该装置由以下几部分组成:

1）冷端型材散热器。冷端采用特殊的高密、高倍齿铝型材散热器，总散热面积达9.5 m2;

2）热端水冷散热器。进出口温度差7℃，水流量1 m3/h;

3）热电制冷片。总供电电压0～216 V DC可调，电流0～30 A可调;

4）采用可拆卸式风机组成的风道系统。

图4 水冷式热电制冷装置外形结构Fig.4 Water-cooled thermoelectric refrigerator drawing

3 实验及结果分析

3.1 实验方法

实验在恒温恒湿的试验室内进行。为考察其实用性以及变工况控制特性，主要的测试参数包括进出口温度、空气处理前后相对湿度、送风风量、冷却水流量等。

实验所需的主要测量仪器仪表主要由以下部分组成:定制直流稳压电源输出电压0～220 V DC，输出电流0～30 A;多功能测温仪;风速仪;功率计;冷却水流量计;便携式采集计算机。

实验测试中，工作电压调节分为4个等级，调节范围为54～216 V;用风速仪测量风量Qa;在热电制冷装置进、出风口各布置1个测点，用多功能测温仪测量空气侧进口温度Th和出口温度Tc;用流量计测量冷却水的流量Qw，用温度计测量水侧的进口温度Twi和出口温度Two，如图5所示。实验过程中，保持冷却水侧的流量为1 m3/h，水进口温度为8.4℃，出口温度为14.3℃。对不同进口温度、不同电源电压下制冷效果分别进行实验，并对实验结果进行分析和讨论。

图5 水冷式热电制冷装置试验原理与测试Fig.5 Schematic drawing of water-cooled thermoelectric refrigerator test

3.2 实验结果分析

3.2.1 标准工况制冷量

按照标准制冷工况，保持额定电压为DC 216 V，改变进口温度为32.2℃和26.5℃时，电流A，功率值P，制冷量Qo，制冷效率如表2所示。

表2 不同温度下标准制冷量试验记录表Tab.2 List of normal refrigeration capacity experiment under different temperature

从表2可以看出，随着环境温度的升高，制冷量、制冷效率随着上升，但其电功率消耗反而减小，其原因是环境温度升高后，热电偶两端温差加大，抵消的电源电势也较大所致［6］。

3.2.2 变工况制冷量

分别调节电压至DC 216V，162V，108V，54V，该空调器的制冷量在0.58～3.94 kW，制冷效率在0.74～1.44之间，把4.8～7.3 m/s的空气冷却到10℃ ～13℃，所需电流强度为7.5～24.5A。

电流A和制冷量Qo随电压变化的关系如图6所示，功率值P和制冷效率随电压变化的关系如图7所示。

从图6～图7可以看出，随着电压的升高，制冷量和电流强度同时增加，导致功率也随着增加，但是制冷效率并不是正比增加，制冷效率先增加到一定程度后，随之下降后又出现拐点，表明热电制冷装置的效率在一定的环境温度下，存在一个最佳工作点。

图6 电流强度、制冷量随电压值变化关系Fig.6 Relation between electric current，refrigeration capacity and voltage

图7 电功率、制冷效率随电压值变化关系Fig.7 Relation between power，refrigeration efficiency and voltage

4 结论及展望

4.1 结论

1）热电制冷技术作为一种低噪声的制冷装置，相比传统的机械压缩式制冷装置，其无污染、无振动、低噪声、配置灵活、调节和控制方便的重要优点，特别适用于船用局部空间热环境控制上;

2）热电空调装置的工作电压、电流强度、环境条件、冷却方式等工作参数对装置的制冷效率、制冷量有着十分重要的影响，各种工况下，制冷效率存在着一个最佳值，在实际船用热电空调装置设计以及系统应用时应该充分予以考虑。

4.2 展望

本文完成了热电空调装置的研制以及额定工况和变工况的考核，其性能可满足实船上局部空间的热环境控制。但是由于其制冷系数低，对电能需求很大，这使得热电空调系统不可能全部大规模地应用于船舶舱室中。

在下一步的工作中，可以通过试验分析焦耳效应、傅立叶效应、有限传热等内、外不可逆因素对实际热电系统性能的相对影响，研究冷热媒温度比值、工作电流变化与实际热电制冷系统性能的关系，并进而确定实际热电制冷系统的最佳运行工况区域，为指导系统优化设计、拓展热电制冷应用范围提供技术支撑。

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App lication research on the thermoelectric refrigeration technology used in the control of thermal environment

XU Jun-fei1，LIXiao-jun1，ZHOU Ai-min2，WANG Shi-zhong2
(1.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China;2.Wuhan 2nd Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China）

This paper firstly introduces the refrigeration principle of the thermoelectric refrigerating technology，compareswith the traditional compression refrigerating system and presents the two kinds of the thermoelectric refrigerating program and system process used in the ship air conditioning system.Also a set of water-cooled thermoelectric refrigerator as a new type local air conditioner is designed，which could substitute water-cooled coined cooler.Finally this paper studies the different parameters relation such as the temperature、working current、refrigeration capacity and so on.

thermoelectric refrigeration;water-cooled;air conditioning system

TB69

A

1672－7649(2013）03－0069－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.015

2012－05－04;

2012－06－06

徐隽霏(1971－），女，高级工程师，从事船舶大气环境控制系统研究。