基于半导体制冷技术的节能环保空调设计

张子旭 蔡壮 胡敏杰

摘 要： 针对现今社会所用的空调所造成的环境污染、耗电量大等问题，现提出一种新型节能环保空调的设计。该设计利用半导体制冷技术[1]来实现空调的制冷与制热，可以很好地解决现型空调带来的环境污染以及能源消耗过大等问题。该新型空调适用于家庭、工厂等需要制冷制热的地方，可以大幅度降低用电量，让更多的人享受到现代科技发展带来的便利。

关键词： 节能环保；半导体制冷；新型空调

空气调节简称空调，是指实现对建筑物内环境的温度、湿度、洁净度、流动速度等参数进行调节和控制[2]。自从1902年“空调之父”威利斯·凯利设计了首个现代化由电力推动的空气调节系统以来，人类通过人工手段调节室内空气的温度、湿度等参数的能力不断增强。随着空调的不断发展，给我们带来巨大的便利的同时也给我们带来的一系列问题，现型空调存在耗能高、噪音大等问题迫切需要我们的解决[3]。在当今世界，环保、节能、可持续已经成为主流，而利用半导体制冷技术，对节约使用常规能源、保护自然环境和实现可持续发展具有十分重要的意义。

1 现型空调

1.1现型空调的工作原理

现型空调指的是采用压缩机作为主要工作部件的空调，其主要是利用卡诺逆循环和卡诺正循环原理来实现空调的制冷与制热[4]。现型空调主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀（又称节流元件）四大部分组成。四大部件一起工作来实现空调制冷与制热的功能，图一为现型空调制冷的工作原理图。

压缩机将气态的制冷剂压缩为高温高压的液态制冷剂，然后将制冷剂送到冷凝器散热后成为常温高压的液态制冷剂，所以室外机吹出来的是热风[5]。 液态的制冷剂经膨胀阀进入蒸发器，空间突然增大，压力减小，液化的制冷剂就会汽化变成气态的低温的制冷剂，从而吸收了大量的热量，这时候蒸发器就会变冷，室内机的风扇将室内的空气从蒸发器中吹过，所以室内吹出来的是冷风[5]。然后，将气态的制冷剂送回到压缩机继续压缩，重新循环[5]。

1.2 现型空调存在的问题

众所周知空调具有制冷制热的功能，因此在夏季天气炎热的时候大多数人都会选择整天待在有空调房里面，但他们不知道的是危害人体健康的杀手正在慢慢逼近。由于空调的特殊工作原理就像一个吸尘器一样把室内的细菌、灰尘等悬浮颗粒物吸到潮湿的冷凝器上来，再吹回室内；当空调停机之后，温度回升，空调就会成为细菌繁殖的温床繁殖大量的细菌[6] 。

如果长期待在空调房中就会容易患上空调综合征（俗称空调病），这都是由于大量的灰尘和污垢堆积在空调的蒸发器和室外机冷凝器上所导致的。与此同时由于大量灰尘堆积导致循环受阻，空调的制冷制热率下降，噪音增加，耗能耗电增加为普通家庭用电增加了额外的负担。

2 新型空调

2.1 新型空调的原理

新型空调改变了现型空调的工作原理，利用半导体制冷（又称热电制冷）技术产生帕尔帖效应（法国科学家帕尔帖在1843年发现，当外加直流电电流流过不同导电材料构成的回路时，其中一端产生吸热现象，而另一端产生放热现象，此种现象被称为帕尔帖效应）来实现制冷与制热[1]。半导体制冷是帕尔帖效应在制冷技术上的应用。实际应用中的半导体制冷装置是用热电制冷效率比较高的特种半导体材料构成P-N结，形成热电偶对，产生帕尔帖效应[7]。目前采用半导体材料锑化秘做成型和型热电偶，用模块将其集合成半导体制冷元器件。图二为新型空调原理图。

2.2 现型空调的优点

与传统制冷技术相比，半导体制冷技术具有以下优势：（1）环保，不使用制冷剂所以对臭氧层无污染，对环境零污染；（2）无噪声，因该技术不需要机械制冷部件，在运行时不会发生震动以及噪音；（3）集成化程度高，可以通过并联以及串联等方式扩大功率，有助于更加精密的控制温度；（4）冷热惯性小，改变电流就可以改变其冷、热端；（5）体积小，可适用于一些小容量的制冷条件[8]。

因此利用半导体制冷技术开发出来的新型空调具有无噪音、可靠性高、節能环保等特点；因为用冷水做介质以此来替代传统空调中的压缩机和制冷剂，所以对臭氧层无污染，对环境零污染从而实现真正的节能环保空调。

2.3新型节能环保空调的工作过程

新型节能环保空调的工作过程：在箱体中的电子制冷块利用珀尔帖效应给箱体中的水进行降温，水泵将降温后的水抽送到室内空调中的铜管内，冷水在室内侧空调循环产生冷气从而使室内空调吹出冷风，另一侧通过铜管将循环后的水排回箱体中。电子制冷块在工作时产生的热量，在散热板上进行水循环，将电子制冷块产生的热量带走。散热板一端接室外冷却水泵出水口，出水管将水输送入冷却塔，经上部风机进行散热，完成对电子制冷块的冷却循环。在制热过程中，电子制冷块对箱体的水进行加热，水泵将加热后水输送到室内侧的空调处产生热气，此时室内空调产生热风。

2.4新型节能环保空调的结构

新型节能环保空调分为两大部分：室外侧和室内侧，具体结构见图三。室外侧由冷却塔、水泵以及相关管道组成，主要功能是为电子制冷系统进行降温，防止其在工作过程中产生过多的热量影响制冷效果。室内侧主要由箱体、电子制冷块、散热板以及室内空调组成，其中放置在散热板上的电子制冷块是主要工作部件。电子制冷块是整个电子制冷系统的核心，主要用于实现新型空调的制冷和制热功能。室内空调的主要元件是风扇，将铜管上产生的冷气或热气输送到室内。箱体是作为存放冷水这一介质的容器，有着良好的密封性可以有效阻止箱体中的水与外界的空气传递热量，节约能源的使用。于此同时电子制冷块存在制冷时间过长的问题，对水降温大概需要三小时左右。如果不提前对水进行降温处理的话将极大影响用户的体验，新型空调设计中箱体可以很好地解决这一问题。在面对不同的客户人群时，可以对箱体进行适当的改装。大部分人使用空调的时间都是在夏天，所以在面对普通的家庭用户时，可以将箱体改装成小型冰箱。这样可以实现对能源进行更合理的运用，在解决问题的同时可以为家庭提供另一种方便使用的家庭电器。