半导体制冷/空气能热水器耦合节能应用技术研究

胡良斌，温宗宝，卿德藩，邹家柱

（1.南华大学环境保护与安全工程学院，湖南 衡阳421001；2.南华大学机械工程学院，湖南 衡阳421001）



半导体制冷/空气能热水器耦合节能应用技术研究

胡良斌1.2，温宗宝2，卿德藩2，邹家柱2

（1.南华大学环境保护与安全工程学院，湖南 衡阳421001；2.南华大学机械工程学院，湖南 衡阳421001）

摘要：针对常规基于半导体帕尔帖效应产品的研发局限于利用其制冷效果，并面临散热问题，提出将制冷/制热效果都利用起来，实现空气能热水器和半导体冷箱能效互补，实现共生，提高两者的效能，既能解决空气能热水器在低温下空气能利用效果不明显的问题，又能解决半导体冰箱散热的问题，提高半导体冰箱制冷效果。

关键词：半导体帕尔帖效应；空气能热水器；共生互补

半导体家用电器大多是基于半导体帕尔帖效应，利用其制冷效果，将其运用到日常电器当中，诸如半导体冰箱、半导体饮水机、半导体空调器等半导体家用电器。此类半导体家用电器都只是运用到半导体片制冷模块，半导体制冷过程中热端都需要设计相关部件进行散热，散热效果不好将导致制冷效果不佳，能量利用率低，散热问题已成为半导体家电产业化的瓶颈问题。本项目提出将制冷/制热效果都利用起来，研制半导体制冷/空气能热水器一体机，实现空气能热水器和半导体冷箱能效互补，既能解决空气能热水器在低温下空气能利用效果不明显的问题，又能解决半导体冰箱散热的问题，提高半导体冰箱制冷效果。

1　半导体制冷/制热技术研究应用现状

1.1半导体制冷/制热原理

当电流流经两个不同导体形成的接点处会产生放热和吸热现象，改变电流的方向，则改变了热冷的方向，即半导体帕尔帖效应。将P型半导体和N型半导体联结成热电偶，接上直流电源，在接头处就会产生温差和热量的转移。对半导体的热端不断散热，而半导体冷端放到工作环境中去吸热降温，即半导体制冷原理。

1.2半导体制冷技术的特点

半导体制冷主要优点如下[1-3]：

（1）是一种绿色能源，不使用制冷剂，对环境无污染。

（2）结构简单，体积小，由于没有运动部件，无噪音，特别适应于微型领域及环境要求比较高的场合；

（3）制冷速度快，方便控制。半导体制冷技术解决了许多特殊场合的制冷难题，有着十分广阔的前景。

1.3基于半导体制冷技术的应用

半导体热电器件主要应用于制冷、加热、发电等领域[4]。半导体制冷技术首先应用于高技术领域和军事领域对红外探测器，激光器和光电倍增管等光电器件的制冷。现在特别在家用电器中应用越来越广泛。半导体空调具有抗震、无泄漏、无噪音等优势，主要应用于潜艇、军用通讯、飞机机舱等特殊场合。半导体CPU制冷器主要应用于在工作环境温度高、电脑处理负荷大，银行、证券等长时间工作电脑系统等使用场合。半导体冰箱由于制冷过程中制热端产生热量散热不及时，且散热装置复杂，因此其主要是用在冷藏，而不是冷冻，通常只有在特殊场合使用。半导体制冷技术在各个领域有广泛的应用。

1.4半导体制冷家电产业化面临的技术难题

半导体制冷存在着制冷效率低，制冷温差小等不足。其主要包括两个方面的问题：一是缺少更好的热电制冷材料[5]。常用的热电材料是经过适当掺杂的碲化铋合金。优值系数是衡量热电制冷材料的热电性能的重要参数，决定制冷元件所能达到的最大温差。寻找新的热电制冷材料、提高其优值系数，是促进半导体制冷技术的应用和发展的重要途径。二是半导体热端的散热方式有待改善。半导体制冷过程中热端散热的效果将直接影响制冷性能。常用的有空气强迫对流、接触导热、相变传热或高热容物质吸热以及液体循环冷却等散热方式。散热部件复杂，且制热模块的能量被浪费，其散热效果直接影响到制冷效果。散热问题限制了半导体家电产业化。

2　空气能热水器的发展及面临的问题

空气能热水器是通过压缩机排出的高温高压制冷剂气体加热水罐中的水，制热后的气体通过外盘式的盘管与搪瓷水罐中的水交换热量，既不存在漏电隐患，也避免了电加热管表面温度高，易结垢并影响加热效率的弊端，真正做到了安全可靠。由于空气能热水器高效节能、安全环保、全天候运行、使用方便等诸多优点，其受到社会各方面的广泛关注。但是当环境温度比较低时，特别是在冬季气温低于-10℃的寒冷北方，其空气能的利用就很低，无法达到节能的效果。

3　半导体制冷/空气能热水器耦合节能应用技术研究

空气能热水器半导体制冷装置一体机基于半导体帕尔帖效应，充分利用其制冷和制热技术，将制冷端设计成半导体冰箱，将半导体制热端产生的热量输送给空气能热水器，实现能量的充分利用，既能解决空气能热水器在低温下空气能利用效果不明显的问题，又能解决半导体冰箱散热的问题，提高半导体冰箱制冷效果，实现能量的高效利用。结构原理如图1所示。主要包括两个部分：

图1　空气能热水器半导体制冷装置一体机的结构原理示意图

（1）半导体冰箱由半导体片、半导体导热板和制冷箱组成。将基于半导体制冷端产生的制冷效果作为半导体冰箱的冷源；通过将制热端产生的热量输送给空气能热水器的蒸发器，实现制热端高效、快速散热，提高半导体制冷效果。

（2）热水器由压缩机、套管换热器、蒸发器和储水箱组成。在原有的空气能热水器的基础上，将半导体制热端产生的热量输送给空气能热水器，提高空气能利用率，降低电器电量制热的功率。

本设计在空气能热水器的基础上，结合半导体制冷制热技术，将空气能热水器和半导体装置组合起来，充分发挥各自功能，既解决空气能热水器的使用受地域和气候限制的问题，又解决半导体制冷技术产生的热量，实现在制造热水的同时可持续制冷，可用于家庭及企业等的热水需求，适用范围广。

4　结束语

通过用空气能热水器蒸发器吸收半导体冷箱制冷过程中制热端热量，解决由于散热不佳而影响制冷效果的问题，增强制冷效果，为半导体制冷产品产业化开拓了新途径。同时利用制热端产生的热量，为空气能热水器提供较高温度的空气能，降低电器电量制热的功率，实现热水器高效使用空气能，达到真正意义的节能，为空气能热水器由市场“节能喙头”转变为“真正的空气能”提供技术支持。

参考文献：

[1]陆亚俊，马最良，姚杨.空调工程中的制冷技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2000:1-4.

[2]殷亮，李茂德，何文莉.半导体制冷系统非稳态温度工况的模型及实验分析[J].能源技术，2004，25（1）:5-6.

[3]张奕，张小松，胡洪，等.冷/热端散热对半导体冷藏箱性能的影响[J].江苏大学学报（自然科学版），2008：1.

[4]蔡德坡.半导体制冷热端的分析与实验研究[D].南昌：南昌大学，2010.

[5]陈东勇，应鹏展，崔教林，等.热电材料的研究现状及应用[J].材料导报，2008，22（1）:280-282.

中图分类号:TK11

文献标识码:B

文章编号：1672-545X（2016）04-0185-02

收稿日期：2016-01-18

基金项目：湖南省大学生研究性学习和创新性实验项目（湘教通[2014]248号-244），机械工程湖南省重点学科。

作者简介：胡良斌（1983-），男，湖南衡阳人，博士生，实验师，从事机械设计与制造等科研工作。

Research on Energy Saving Application Technology of Semiconductor Refrigeration Coupled with Air Energy Water Heater

HU Liang-bin1.2，WEN Zong-bao2，QING De-fan2，ZOU Jia-zhu2
（1.School of Environmental Protection and Safety Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China；2.School of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

Abstract:In view of the research and development of the conventional the semiconductor Parr effect products is limited to the use of its cooling effect，but its thermal effect is used as a heat dissipation problem to be solved.In this paper，the cooling and heating effects of which are used to achieve the energy efficiency of the air energy water heater and the semiconductor cold box.This can not only solve the effect of air energy water heater is not obvious at low temperature，but also solve the cooling problem of semiconductor refrigerator，and the cooling effect of semiconductor refrigerator is improved.

Key words:semiconductor parr effect；air energy water heater；symbiotic and complementary