新型节能冷热温饮水机

周倩，黄曾新，刘志强

（上海市育才初级中学，上海 200041）

0 引言

市场上饮水机产品较多，按使用的效果来说有温热、冰热、冰温热三种类型[1]。不管是什么类型饮水机，采用的加热技术都是电阻式（电热管）加热技术；而采用的制冷技术有半导体制冷和压缩式制冷两种。由于制冷和加热都要消耗电能，并且制冷和加热过程中饮水机内与饮水机外热交换比较大，能效系数不高。本文提出的发明采用的是在三个方形截面金属水箱之间的夹层中放置2 组半导体制冷片，组成三箱二夹层的结构，通过聪明杯（进水量自动调节器）调整三个水箱内的进水量，当通入直流电后，可使半导体制冷片热端面加热和冷端面制冷，同时又使相邻二个水箱内的水发生热量转移。在加热、制冷和热量转移的过程中，在三个水箱内分别获得热水、冷水和温水，总的能效系数超过100%，是一种节能减排新型冷热温饮水器。

1 原有技术

在市场已有的众多品牌、型号饮水机产品中，归纳起来不外乎是温热、冰热、冰温热三种类型。

1.1 温热型饮水机

温热型饮水机能够提供温水和热水。采用电热管通电加热使水升温，当热水罐内的水被加热到设定的温度时，温控器触点断开，切断加热及加热指示回路电源，“加热”指示灯熄灭，电热管停止加热。当水温下降到设定温度时，温控器触点接通电源回路，电热管重新加热饮水，如此周而复始地使热水温度保持在85℃～95℃之间，常用的饮水机一般属于这种类型。

1.2 冷热饮水机和冷温热饮水机

冷热型饮水机能够提供冷水和热水，而冷温热饮水机则能提供冷水、温水和热水。按制冷方式，饮水机又可分为压缩式制冷饮水机和半导体制冷饮水机两种。这两种饮水机中使水温升高的方式都采用电热管加热；而使水温下降的方式则是通过压缩式制冷或半导体制冷使水温下降，把水的热量排出饮水机外。

1）压缩式制冷的冷热饮水机

如果按下制冷开关，压缩式制冷机启动运行，蒸发器吸收冷水罐内水的热量而使水温下降；如果按下制热开关时，加热和温度控制电路接通，电热管把热水罐内的水加热到设定温度。

2）半导体制冷的冷热饮水机

如果按下制冷开关，交流电经降压、全波整流以及滤波后，成为直流电供给半导体制冷器件，半导体制冷使水温下降；如果按下制热开关时，加热和温度控制电路接通，电热管把水温加热到设定温度。

1.3 高效冷热饮水器

2011 年我们学校同学研究发明了一种高效冷热饮水器样机(见图1)。

图1 高效冷热饮水器样机

它是把半导体制冷片与两个保温金属箱组合起来，产生热水和冷水的饮水装置。但是这种饮水机仍存在几点不足：

1）由于半导体制冷片单排式排列，冷热饮水器占据的空间比较大；

2）由于二个金属箱紧挨着排列会发生热的传导，加热的效果非常明显，而制致冷的效果没有达到预期的目标；

3）解决了用热水泡茶和喜欢喝冰水人群的需求，但是对于喜欢喝温水的人群还没有照顾到。所以我就继续解决这样的问题进行了创新的设计，设计和试制出一种新型节能冷热温饮水器。

2 新型节能冷热温饮水器的结构和原理

2.1 结构

1）在三个方形截面金属水箱之间的二个夹层中布置半导体制冷片，组成三箱二夹层的结构。图2 是结构的原理图，图3 是结构的实物图。

图2 三箱二夹层结构原理图

图3 三箱二夹层结构实物图

2）半导体制冷片接通直流电后，热水箱与温水箱夹层中制冷片的热端制热，使热水箱内水的温度升高。同时，该制冷片的冷端制冷，吸收温水箱内水的热量，使温水箱内水的温度有所下降。这样，该制冷片把温水箱中水的热量转移到热水箱内，使热水箱内的水升温成热水放出。同样，温水箱与冷水箱夹层中的制冷片把冷水箱中水的热量转移到温水箱内，使冷水箱内的水降温成冷水放出。而在温水箱内由于热量和冷量的混合，产生了温水。由于采用三箱二夹层的结构和设置了温水箱，可以达到同时供应热水、温水和冷水的目的。

3）如图4，三个金属水箱外包裹着隔热层，以防止箱内和箱外的漏热。

4）三个方形截面金属水箱之间的夹层中放半导体制冷片，组合箱设计成折叠并列式排列，可以使饮水器的高度下降了许多，同时占有的空间也减少了许多。

5）如图5，聪明杯是一种进水量自动调节器，内置三个出口与各个水箱相连，其作用是根据三个水箱流出的水量来自动调节各箱的进水量。热水、冷水以及温水分别通过热水龙头、冷水龙头和温水龙头人为的控制饮用。

图4 水箱外包裹的2 隔热层

图5 聪明杯的调节和水龙头的饮用控制

2.2 原理

1）半导体制冷片制冷制热原理

半导体制冷片是由N 型半导体元件和P 型半导体元件联结成的电偶对所组成的一种冷却装置。在电路中接通直流电后，电偶对中发生了能量的转移：在电流由N 型元件流向P 型元件的接头处吸收热量，成为冷端；在电流由P 型元件流向N 型元件的接头处释放热量，成为热端。半导体制冷片吸热量和放热量的大小是由通过电流的大小、半导体材料的热电性能以及半导体元件的对数决定的。

2）新型节能冷热温饮水器工作原理

半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，不需要任何制冷剂，可连续工作，制热效率比较高，制冷制热时间很快，因此使用半导体制冷片组合就可以代替加热系统和制冷系统。三个方形截面金属水箱之间的夹层中放半导体制冷片，半导体制冷片接通直流电后，在其热端的一面和冷端的一面同时对两个有保温功能的水箱内的水加热与制冷，使相邻两个水箱内的水发生热量的转移，即使一个箱内水的热量转移到另一个箱的水内，实现一个箱内水升温而另一个箱内水降温。由于采用三箱二夹层结构，使热水箱的水温更高、冷水箱的水温更低，而作为过渡的温水箱就可以产生温水。

在本课题中，饮水器通电后，把半导体制冷片冷端面容器内的水的能量吸收到热端面容器内，使冷端面容器内水温下降，热端面容器内水温上升。由于同时利用了半导体制冷片热端的制热量和冷端的制冷量，使饮水器获得的总能量大于半导体制冷片所消耗的电能。因此，饮水器的总能效系数=（制热量+制冷量）/ 所消耗的电能，其数值超过了100%。

3 数据测量与分析

3.1 半导体制冷片加热水的实验

如图6，热水锅用铝合金材料加工而成，采用8 块半导体制冷片排列在热水锅的两侧加热锅内的水，测量半导体制冷片加热水的性能参数。使用电子温度计和测温记录仪同时进行测量，为减少本文篇幅，实验数据就不在文中列出了。

图6 半导体制冷片加热水的实验

进行了二组实验：第1 组实验进行时，半导体制冷片冷端以流动的冷水进行冷却；第2 组实验进行时，半导体制冷片冷端无水流动。实验数据显示，第1 组实验的总吸收热量和制热能效系数都比第2组实验的高。

在半导体制冷片冷端通流动的冷水情况下，其冷端可以保持接近于水温的一定温度。一般情况下，水温等于环境温度。而在冷端无水流动的情况下，冷端的温度是低于环境温度的。因此，在相同的加热时间，冷端通流动的冷水的半导体制冷片的冷热端温差比较小，而制热量和制热能效系数比较大。这样，第1 组实验的总吸收热量、制热能效系数都要比第2 组实验的高。

3.2 饮水器内水静止不流动加热至沸腾的实验

在实验时，热水静止不流动被加热至沸腾，冷水部分不工作（不流动、不测量），测量制热性能系数；并以市售冷热饮水器（美的MYD920S-W）为对照物。

把273 毫升（273 毫升是三箱二夹层结构新型节能冷热温饮水器的一个水箱的体积）的水分别装入不同饮水器加热水的容器内。水的初温为24℃，加热到100℃沸腾。根据Q=CMΔt计算，总吸收热量值相同。制冷容器内同时也加273 毫升的水，但不测量。水被加热到沸腾时的耗电量，经电能表和电压表、电流表读数，以及时间测量后进行计算。测量数据和计算结果，见表1。

可见，三箱二夹层结构新型节能冷热温饮水器要比市售饮水器节能50%。如果考虑制冷，市售饮水器还需要消耗电能；而高效冷热温饮水器不需要再消耗电能，可以直接从冷水管道放出冷水，节能效果更为明显。

表1 水静止不流动被加热至沸腾的实验数据

3.3 饮水器的模拟应用实验

实验时，把桶装水放在新型节能冷热温饮水器的座架上，聪明杯内置三个出口与各个水箱相连，在热水、冷水、温水出口处用电子温度计测量水的温度。

1）连续通电实验（测量数据见表2）

可以看出；当水温比较高（31℃）时，热水的温度在通电 4 分钟后已经上升到比较高的值（79℃），以后随着时间增加，温度增加比较少；而冷水的温度在通电4 分钟后下降到10℃左右，以后随着时间增加，温度下降也不明显。因此，高效冷热温饮水器选择预热4 分钟放水饮用比较合理。

表2 连续通电实验数据

2）间隔通电实验（测量数据见表3）

可以看出：通电4 分钟后，取热水或冷水饮用，由于筒装水进入使水箱内的水温发生变化（其它类型饮水器也有类似问题）；再通电2 分钟后，又可以达到原来的热水或冷水温度，而温水温度基本上变化不大。

表3 间隔通电实验数据

比较以上数据发现：如饮水器内水静止不流动加热至沸腾的实验，此时室温 25 ℃、热水初温24℃，各水箱没有与筒装水连通，热水能够加热到沸腾，并且加热时间只有3 分28 秒。而如饮水器的模拟应用实验，连续通电时，室温 31℃、热水初温27℃，各水箱是与筒装水连通的，加热时间4分钟后热水温度只达到79℃。随后继续加热，热水温度、冷水温度、温水温度变化不是很大，可能原因是冷热水对流或其他传递方式消耗了热量。解决办法可以设置温控开关，在加热一段时间后，当冷、热水不取用时自动断电；而当温度不足时继续通电。

4 结论和后续设想

1）利用半导体制冷片二端面的制热和制冷的特性，可以替代原有冰热、冰温热饮水机各自独立的加热系统和制冷系统，同时实现产生热水、温水和冰水的功能。本课题进行了原创性研究，所研制的新型节能冷热温饮水器不仅可行，而且可以实施。

2）新型节能冷热温饮水机内半导体制冷片按热泵原理工作，用于热水箱内热水的加热和冷水箱内冷水的冷却，由于同时利用了半导体制冷片热端的制热量和冷端的制冷量，饮水器的总能效系数超过了100%。因此，新型节能冷热温饮水机是一种节能减排的绿色产品。

3）根据饮水器内水静止不流动加热至沸腾的实验，新型节能冷热温饮水机要比传统的饮水器节能（～50%）；如果考虑同时制冷，节能效果更为明显。

4）根据实验数据，在水初温和气温比较高的情况下，冷水箱内的冷水降温效果比较好，可以降温到接近10℃。根据我国的地理分布，南方地区高温时间比较长，10℃的水能够满足高温天气喝水降温的需求，新型节能冷热温饮水机对于解决南方地区冷、热、温水的饮用是比较适合的。

[1]朱东梅.饮水机介绍全方位[J].现代家电,2001,4:52.