基于塞贝克效应的家用空调除霜装置设计

程浩　程舒婷　何俊宇　彭昱贤　张春枝

摘 要：针对目前家用空调冬季制热过程中室外热交换器结霜严重影响空调运行性能的问题，本文提出了一种基于塞贝克效应的家用空调除霜装置的设计。该装置包括温差发电机构、蓄电机构和电加热机构三个部分。该设计通过基于塞贝克效应的温差发电技术储能，利用所储电能加热电热带，产生热量融化空调室外换热器的霜层实现除霜。同时，本文具体阐述了装置的原理、结构以及工作流程，并进行简单的理论研究分析。分析表明：该装置能有效避免传统除霜方式可能带来的能量消耗、机组损害和热舒适度差的问题。

关键词：空调;除霜;塞贝克效应;温差发电;节能

1 概述

随着我国经济的快速发展，居民居住条件日益改善，人们对家居环境舒适度的要求越来越高，在各个地区居民对家用空调的需求量越来越大。但空调在制热过程中，尤其是在中南部地区的冬季寒冷天气的时候，由于温度低、湿度大，导致空调室外机结霜，故空调器每运行一段时间后就会自动融霜，当室外气温过低且湿度增大时，空調器融霜频率增加，这样会大大降低房间制热量，导致舒适度降低。有时霜层越结越厚，空调室外机完全被霜层堵住，致使室外热交换器无法与空气进行换热，制冷剂无法蒸发，制冷剂输配管内部压力过低，空调系统低压保护停机，所以及时除去空调器制热运行中室外机上的霜层显得尤为重要。

目前的除霜方法主要有四通阀换向除霜、热气旁通除霜和电加热除霜三种方法^[1]。家用空调常用的除霜方法为其中四通阀换向除霜法，它采用的是逆循环机制，即将制热工况转为制冷工况，使压缩机输出的高温高压制冷剂输送到室外结霜的热交换器中，使室外机上的霜层融化。采用这种方法不仅会使空调的制热周期缩短，制热效率下降，能耗增大，而且会大幅降低室内人员的舒适度，因此需要新的除霜方法来克服已有除霜方法的不足。

基于塞贝克效应的温差发电技术是一种绿色环保的发电方式^[2]，其具有无运动部件、体积小、重量轻、使用温度范围大、可靠稳定、直接将余热转化为电能等特点^[3]。如果在空调器制热运行过程中取部分高温高压制冷剂的热量用作温差发电，将所得电能用于除霜，使空调器始终处于制热工况，不进行工况的转换，可以解决现有空调除霜方法的不足。

本文对温差发电技术与空调除霜技术的结合进行了理论研究，设计出了一种通过温差发电的方式取家用空调高温高压制冷剂中部分热量进行发电，并将转化得来的电能用于除霜装置。针对空调系统的结构特点，本文给出了能够合理利用高温高压制冷剂热量的温差发电装置和其他各部件的设计方案，并对装置的工作流程进行了具体阐述。

2 除霜装置的设计方案

基于塞贝克效应的家用空调除霜装置的整体示意图如图1所示，装置主要由温差发电机构、蓄电机构和电加热机构三大部分组成，温差发电机构利用空调系统中高温高压制冷剂的部分热量制取电能，蓄电机构将制取的电能进行稳压处理后储存起来用以供给电加热机构进行除霜。采用此除霜装置就避免了四通阀换向除霜中空调由制热工况到制冷工况的转换，使空调始终处于制热工况。

2.1 温差发电机构的设计

2.2.1  热端换热器的设计

热端换热器的设计对空调余热的利用效率以及温差发电片的热端温度起决定性作用，在相同冷端温度的条件下，温差发电片的热端温度越高，两端温差越大，温差发电片产生的电能就越大。因此，具有良好换热效果的热端换热器是温差发电装置高效运行的重要保障。温差发电装置的热端换热器应满足以下3点：（1）由于温差发电机构需要吸取部分高温高压制冷剂用于室内制热的热量，因此热端换热器要在满足温差发电片热端温度要求的基础上尽量减小对原空调系统的影响，确保原空调系统能够正常运行;⑵由于温差发电片的热端温度与温差发电片的发电效率密切相关，因此要确保温差发电片热端具有较高的温度;⑶ 由于制冷剂配管为圆管，温差发电片无法与制冷剂配管直接相连，因此应采用合理的设计将温差发电片与制冷剂配管相连。

本装置热端换热器的设计如温差发电机构结构图图2所示，在温差发电片与制冷剂配管之间设置具有良好传热效果的传热块，并对原有的保温套筒进行适当改进，使其筒壁上开设多个与温差发电片一一对应的通孔，每个温差发电片的冷端均穿过对应的通孔与外界空气接触。

2.2.2  冷端散热器的设计

半导体热电堆在工作过程中，需要不断地将热量从电堆的热端通过热电偶臂转移到电堆的冷端，热量的积累将导致冷端的温度升高，其后果是减小冷热两端的温差，影响发电效率。^[4]因此，为了维持冷端的相对低温环境，从热端转移过来的热量应当及时地排放出去，具有良好散热效果的冷端散热器也是温差发电装置高效运行的重要保障，本装置一方面采用在温差发电片冷端贴附热沉的方法来提高温差发电片冷端的散热效率，如图2所示。另一方面温差发电装置设在室外，温差发电片冷端直接与室外冷空气相接触，冬季室外温度低至几度甚至是零下，为温差发电片提供了良好的冷源。

2.3 蓄电机构的设计

由于温差发电片热端和冷端的温度不稳定，由塞贝克效应电势差的计算公式：（S_A、S_B为两种材料的塞贝克系数;T₁、T₂为低、高温热源的温度）可知温差发电装置产生的输出电压不稳定，产生的电量难以储存。现假设蓄电池采用充电电压为5V的锂电池，为达到储存来自温差发电装置电能的目的，需要将温差发电装置产生的直流电通过稳压电路进行稳压处理，使具有变电压的直流电变为电压恒为5V的直流电，然后将其接入蓄电池为蓄电池充电。

2.4 电加热机构的设计

电加热装置由电加热带和温控开关两部分组成，电加热带采用缠绕的方式布置在室外热交换器的铜管上面，温控开关接在蓄电池和电加热带之间，其带有的温度感应器布置在室外热交换器的表面，用于感应室外热交换器表面的温度，从而控制开关的开启与关闭。

3 装置工作流程

冬季当空调开始制热时，温差发电机构在空调开始工作后持续運行，产生电能，蓄电机构对产生的电能进行稳压并将其储存进蓄电池中。由于室外换热器温度较低，空气中的水蒸气在其表面逐渐凝结成霜，室外换热器表面温度逐渐降低，当位于室外换热器表面的低温温度传感器感受到过低温度后，温控开关闭合，蓄电池供电，电加热带开始工作，室外换热器表面凝结的霜逐渐融化，其表面温度逐渐升高，当温度传感器感受到冷凝器表面温度上升到一定值时，温控开关断开，电加热带停止工作，完成除霜过程。

夏季当空调持续工作为房间制冷时，温差发电装置也能利用制冷剂配管与室外的温差产生电能储存于蓄电池中，蓄电池中的电量又可以通过合理的电路设计供给原空调系统或者为家用小功率电器供电。

4 结论

本文设计了一种由温差发电机构、蓄电机构和电加热机构三大部分组成的基于塞贝克效应的家用空调除霜装置，该装置具有以下优点：⑴避免了常用空调除霜方式的逆循环机制所带来的能量消耗、机组损害和热舒适度差的问题;（2）在夏季空调为房间制冷时，温差发电装置也能利用制冷剂配管与室外的温差产生电能储存于蓄电池中，蓄电池中的电量又可以通过合理的电路设计供给原空调系统或者为家用小功率电器供电。

该装置在节能的基础上大幅度的提高了空调除霜过程中室内人员的热舒适性，且精简高效，造价低，故而有很好的应用前景。但是目前该装置的设计还只是处于初步的理论阶段，由于制冷剂中原本用于室内制热的热量会被温差发电机构吸收一部分用于发电，因此需要对装置的合理性进行论证，除此之外还需要对装置的温差发电机构进行软件模拟、对蓄电机构进行具体的电路设计以及确定装置中各个部件的具体尺寸，继而制作出实体装置，通过实体装置进行实验，逐步改进、完善装置，使其能够真正应用到家用空调的生产中。

参考文献：

[1]孙汉尚，谢海召，于长山.中央空调节能控制技术综述[J].科技致富向导， 2011，（20）：250-250.

[2]杜青，张寓皓，于书海.接触压力对温差发电系统性能的影响[J].天津大学学报， 2014，（1）：9-14.

[3]赵建云，朱冬生，周泽广，王长宏，陈宏.温差发电技术的研究进展及现状[J].电源技术， 2010，34（03）：310-313.

[4]李改莲，吴彦生，金听祥.空调压缩机余热温差发电系统设计[J].低温与超导， 2016，44（05）：70-74.

课题来源：“基于塞贝克效应的储能除霜装置”校基金项目，项目编号：18ZRA018