半导体制冷器除湿实验研究

罗仲　张旭　王胜己　李翔（同济大学机械与能源工程学院 上海 201804）

半导体制冷器除湿实验研究

罗仲张旭王胜己李翔
（同济大学机械与能源工程学院 上海 201804）

为了探讨半导体制冷器用于家用除湿的潜力，本文利用半导体制冷器搭建了半导体除湿系统，待处理的湿空气先后流经冷热端肋片换热器，达到除湿的目的。在自然室温环境下，对空气温湿度、热电堆电压及处理风量等影响制冷器性能的因素进行了实验研究与分析，并通过实验方法优化了半导体制冷器实际运行时的除湿能力及除湿效率，为半导体除湿机的设计及改进提供了实验依据。结合最佳工作电压，最佳处理风量的选取，在环境温度26℃，相对湿度65％工况下，本制冷器最大除湿量可达150 g/h，除湿效率0.37。

半导体制冷；除湿；性能优化；实验研究

环境温度条件下，降低湿度会让人们感觉更加干燥和凉爽，过高或者过低的湿度环境都会增加人体的不舒适感，根据现有的研究［1］，当环境温度为26℃时，相对湿度由30％变为70％而引起的PMV值上升0.298，并且温度越高，由相对湿度引起的PMV值改变越大。传统的除湿技术包括冷冻除湿、液体除湿等虽被广泛应用，但仍有一定的不足，冷冻除湿机振动强、噪声大，液体除湿设备复杂，需要有高温热源，且冷水耗量大［2］。半导体制冷与传统制冷方法不同，既没有制冷剂，也没有复杂的机械设备以及管路系统，在半导体片上通上直流电源，由帕尔贴效应形成冷端从外界吸热，另一端形成热端向外界散热。

对半导体制冷现有的研究主要是针对如何提高制冷性能，如1）新型半导体材料的开发：Xhaxhiu K等［3］通过固态合成得到针状晶体In5Se5Br材料，塞贝克系数可达到8900 μV/K。2）改变热端散热方式：李茂德等［4］在第三类边界条件下得出制冷性能与热端散热强度之间的解析关系式，随着热端散热强度增强，制冷性能有所提升，但不可无限制通过提高热端散热强度来提高制冷器的制冷性能；任欣等［5］给出了半导体制冷器在有限的热端散热强度下不同制冷工况的实验研究，并推导出最佳工况下半导体制冷器的工作电流和制冷量的近似公式；Astrain D等［6］利用热虹吸管强化热端的散热，热阻比一般翅片换热器减少36％，制冷系数提高32％；代彦军等［7］采用强迫对流换热和热端采用热管换热器对实际半导体制冷装置进行实验分析，提出了改善半导体制冷元件散热条件的具体措施。3）改善冷热端换热器肋片尺寸、间距、排布形式等：金刚善等［8］模拟小空间（1 m3）的制冷环境，利用实验表明半导体热电堆两端的散热器和散冷器的结构是影响半导体制冷效率的一个重要因素。随着研究的不断深入，对半导体制冷性能的研究已相对成熟，而对半导体制冷器除湿性能的研究较少，Vián J G等［9］基于半导体制冷技术及热电类比技术设计了一个100 W双级半导体除湿器，研究了双级制冷器的输入电压及空气流量对除湿性能的影响；Udomsakdigool C等［10］通过改变肋片散热器的尺寸提高制冷器除湿能力，肋片效率可达0.95，除湿效率能达到0.88；谢玲［11］通过热端散热能力的改善对小型半导体制冷除湿器进行开发和研究；韩耀明［12］模拟小空间恒温恒湿环境，对最大制冷量50 W半导体除湿器的除湿性能因素进行了分析并与化学干燥剂对比研究。杨秀荣等［13］利用半导体制冷技术设计了一种适用于小型仪器的小空间控温除湿系统。综上所述：多项研究已验证半导体制冷器在小型空间的制冷及除湿具有很大的优势，而用于家用除湿的潜力并未得到开发，也缺乏实验模型的支撑。因此，本文利用半导体制冷器搭建了半导体除湿系统，通过多组工况实验的方法探究其制冷除湿能力，并开发其用于家用除湿的潜能。

1　实验方案与原理

1.1除湿系统

实验半导体制冷器采用16片TEC-12706平板型半导体制冷器件构成，为了保证每片半导体制冷片上电压电流均匀分布，采用4×4排布方式，即单独4片串联后并联布置，具体布置如图1所示。制冷片外形尺寸为39.5 mm×39.5 mm×3.82 mm，最大温差电流6 A，最大温差电压15.4 V，最大制冷量53.1 W，最大温差67℃，电阻2.05 Ω。冷热端分别布置了两个铝制翅片散热器，热端肋片尺寸为295 mm×360 mm×110 mm，冷端肋片尺寸为295 mm×360 mm× 60 mm，冷热端底板厚度均为10 mm，在冷热端表面均涂有一层导热硅脂，减少接触热阻。冷热端散热器分别安装6个直流风扇，型号为12038，风扇尺寸为120 mm×120 mm×38 mm，用于控制处理空气流量。

实验系统如图2所示，待处理的湿空气由风扇的作用流经半导体制冷器的冷端，经冷凝除湿后，循环进入制冷器的热端，能够有效改善热端的散热情况，降低热端的温度，一定程度上提高了半导体的制冷性能。

需要测试的空气参数包括空气体积流量及分别流经半导体制冷器的空气状态点1、2、3的干湿球温度。处理风量通过测试空气流速及风管截面积所得，空气流速由WFWZY-1型热线风速风温记录仪测量，测量精度为0.05～30 m/s，温度-20～80℃。空气干球温度采用铜-康铜热电偶测量，湿球温度采用湿纱布包裹的热电偶测量。

图1　半导体制冷片布置图Fig.1 Layout of semiconductor

图2　实验系统图Fig.2 Schematic of the experimental rig

1.2除湿原理

利用半导体冷端制冷量对空气冷凝除湿，除湿原理如图3所示，待处理的空气为状态点1，吸收制冷器冷端产生的冷量冷凝除湿后变为状态点2，由风扇作用强制将处理后的空气通过半导体制冷器的热端，吸热升温后变为状态点3，最终送入室内。

除湿过程中，湿空气的含湿量由d1降为d2，温度由t1冷却为t2，除湿量为：

式中：mda1，mda2分别为状态点1、2干空气的质量流量，kg/s；d1，d2分别为状态点1、2含湿量，g/（kg干空气）；而mda1=G/υ1，mda2=G/υ2，G为湿空气体积流量，m3/s；υ1，υ2分别为空气状态点1，2的比容，m3/kg。

因此，公式（1）可表示为：

1.3实验可行性分析

根据帕尔贴效应，在半导体片上通入直流电压，半导体的两侧分别形成冷热端，并伴随一定的冷量生成，热电堆产冷量［14］表示为：

图3　湿空气处理过程图Fig.3 Air handling process

结合热电堆输入电压关系式：

由公式（3）～（4）可得：

式中：αp、αn分别为p型及n型半导体温差电动势率，αp=αn=1.8×10-4V/K；M为待处理空气质量流量，kg/s；U、I、P分别为热电堆输入电压、电流和功率；ΔT为半导体冷热端温差，℃；R为半导体电偶臂电阻，R=1.81×10-3Ω；K为半导体电偶臂总热导，W/K；K=knSn/ln+kpSp/lp，Sn=Sp=1.4 mm×1.4 mm，ln=lp=2.5 mm。

由公式（5）可知，为获取半导体理论制冷量，直接测量量有电流I，电压U及冷端温度Tc。因此，有Q0=f（I，U，Tc），根据随机误差传递公式：δ Q0=，xi分别为I，U，Tc。在电流测量精度0.1 A，电压测量精度0.1 V，温度测量精度0.1℃的条件下，做多组工况对比实验，可得δ Q0 max=0.503 W，而此时实际单半导体片制冷量为23.2 W，相对误差仅为2.17％，故从误差传递方面可保障理论制冷量的准确性。

而在实际除湿过程中，湿空气吸收的冷量为：

利用简化理论所得制冷量Q0与实测制冷量Qt进行对照，来验证实验的可靠性和实验数据的可信性。

由如图4可知，随着电压的升高，制冷量不断升高。在相同送风量条件下，电压大约为39 V时，制冷量达到最大值，制冷能力最强；然而随着电压的继续增大，制冷能力反而下降。根据理论及实验均可知，在制冷片冷热端散热能力有限的情况下，随着电压的增大，热端温度不断上升，冷热端温差不断增大，而热端散热能力不足，致使半导体内部蓄热，由提高电压而增加的制冷量低于由焦耳热产生的热量，出现制冷量下降的趋势。图中理论制冷量及实验制冷量变化趋势一致，并且拟合度较高，经过相对误差计算，大部分数值相对误差控制在5％以内，仅有少部分实验数据相对误差能达到15％，因此证明，在实验误差允许范围内，理论和实验结果吻合较好，此研究方法是可靠的。

图4　理论制冷量与实验制冷量对比Fig.4 Comparison of theoretical and experimental refrigeration capacity

2　实验结果与分析

2.1输入电压对除湿性能的影响

本实验设计多组实验工况，用两台数显直流开关电源分别控制半导体热电堆电压和直流风扇电压，实现热电堆输入电压和送风量的独立控制，开关电源脉动系数在10％以下。实验开始前，先对实验用制冷器运行2 h以上，待其稳定运行后，以3 V电压做递增实验，并采用FLUKE2635A Hydra数据采集仪记录状态点1、2、3干湿球温度以及制冷片冷热端温度。以下实验条件均为环境干球温度为26℃，相对湿度为65％。

通过改变处理风量以及半导体制冷片输入电压，分析半导体制冷器的除湿能力和除湿效率的变化情况，此处定义半导体除湿效率为：

式中：γ为水的汽化潜热，kJ/kg；m为除湿量，g/ h；系统消耗的总功率Po应为热电堆输入功率P及风扇输入功率PF之和，W，即P0=P+PF。

由图5可知，随着电压的升高，除湿量不断升高。在各送风量条件下，电压大约为39 V时，制冷器除湿量达到最大值，除湿能力最强，然而随着电压的继续增大，除湿能力反而下降。由此可知，除湿量与制冷量的变化趋势是基本同步的，当电压小于39 V时，增大电压所增加的产冷量大于增加电压而产生的焦耳热，故除湿能力增强；反之，电压大于39 V时，增加的产冷量逐步小于增加的焦耳热，导致除湿能力的下降。然而，半导体的最佳除湿效率电压却在21 V附近，如图6所示，可知最佳除湿能力电压与最佳除湿效率电压并不一致。在半导体制冷器实际运行中，应同时兼顾除湿能力及除湿效率的匹配，结合不同送风量工况分析，除湿电压宜控制在21～39 V电压之间，即单制冷片电压于5.25～9.75 V为优。在此段电压下，电压的微小变化对除湿量的影响小于对半导体耗功率的影响，因此，制冷除湿能力在上升，而除湿效率却在下降。由实验结果可知，最大除湿量可达150 g/ h，即单片制冷片除湿量达9.38 g/h，最大除湿效率可达0.37。根据除湿机标准GB/T19411—2003，换算得本制冷除湿器名义除湿量为140.2 g/h，能够达到冷冻除湿机性能的43.7％。

图5　除湿量随输入电压的变化Fig.5 Dehumidification capacity with the variation of input voltage

2.2处理风量对除湿性能的影响

图6　除湿效率随输入电压的变化Fig.6 Dehumidification efficiency with the variation of input voltage

图7　除湿量随处理风量的变化Fig.7 Dehumidification capacity with the variation of air flow rate

图8　除湿效率随处理风量的变化Fig.8 Dehumidification efficiency with the variation of air flow rate

调节直流风扇输入电压，控制送风量，对不同处理风量进行了实验研究，发现存在最佳处理风量。如图7和图8所示，在干球温度26℃，相对湿度65％实验工况下，最佳处理风量为0.045 m3/s，即单制冷片最佳处理风量为10.1 m3/h。当送风量小于0.045 m3/s时，随着送风量的增大，能够有效加快制冷器冷热端与空气的热交换速度，降低半导体制冷片冷热端温差，增大制冷量。并且此时空气流速并不大，与冷端肋片接触时间足够长，能够有效保证水蒸气的冷凝速度，从而增大除湿量。当处理风量超过0.045 m3/s后，即使加强了冷热端散热能力，但由于半导体片制冷能力有限，且空气流速较大，与冷端肋片接触时间短，造成空气中大部分水蒸气无法冷凝，只能除去部分水蒸气，除湿量下降，除湿效率也随之下降。

2.3初始状态对除湿性能的影响

本研究的目的是探索半导体制冷器用于家用除湿的可能性。在不同的环境参数下，半导体制冷器除湿效果不同，如图9所示。随着环境温度的升高，除湿量与除湿效率均有升高的趋势。

我国长江中下游的一些地区，温湿度大是梅雨季节的主要特征，半导体制冷器在该地区可以达到很好的除湿效果，并得到较好的推广应用。

图9　除湿量及除湿效率随环境温度的变化Fig.9 Dehumidification capacity and efficiency with the variation of environmental temperature

2.4送风状态分析

除湿机处理的空气先经冷端冷凝除湿，后经热端加热升温。由空气处理过程可知，将半导体实际耗功率加载到空气中，会引起送风温度的升高，从而消除将冷空气直接排入室内的冷风感。利用降温除湿后的空气再次经过除湿机的热端，能够有效改善热端的散热，降低热端的温度，一定程度上提高半导体制冷性能。然而，冷空气在经过除湿机后，对送风的空气状态并未做详细研究，送风温度过高过低，均会引起PMV的偏移，因此，本实验对出风口空气状态进行了监测，如图10所示。处理风量越小，输入电压越大，送风进出口温差越大，且温差对输入电压呈线性增长。制冷器在低压段21 ～39 V内运行，不仅能有效提高除湿量及除湿效率，还能有效控制送风状态。

图10　送风进出口温差随输入电压的变化Fig.10 Supply air temperature difference with the variation of input voltage

3　结论

为了验证新型半导体除湿技术的除湿性能，并开发其应用于家用除湿的潜力，本文利用半导体制冷器搭建了半导体除湿系统，通过多组工况实验的方法探究其制冷除湿能力。研究发现：

1）在半导体冷热端散热能力有限的条件下，半导体制冷器最佳除湿量电压与最佳除湿效率电压不匹配，单制冷片电压适宜控制在5.25～9.75 V低电压段；

2）当半导体制冷片输入电压一定，其制冷能力受到限制，存在最佳处理风量。本制冷器最佳处理风量为0.045 m3/s，单片制冷片最佳除湿风量为10.1 m3/h。

3）结合送风温度、最佳除湿量电压、最佳除湿效率电压和最佳处理风量的选取，制冷器最大除湿量可达150 g/h，单片制冷片最大除湿量能达9.38 g/h，最大除湿效率可达0.37，最大除湿量可达到冷冻除湿机性能的43.7％。

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About the corresponding author

Zhang Xu，male，professor，Ph.D.adviser，director of Department of HVAC and Thermal Engineering，School of Mechanical Engineering，Tongji University，+86 21-65983605，E-mail：zhangxu-hvac@tongji.edu.cn.Research fields：energy conservation and renewable energy in building，LCA，low-exergy energy in rural area，ventilation in complicated space.

Experimental Research on Performance Optimization of Thermoelectric Dehumidifier

Luo Zhong Zhang Xu Wang Shengji Li Xiang
（School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai，201804，China）

In order to verify thermoelectric refrigerator's capability to be used as domestic dehumidifier，a typical single-stage thermoelectric dehumidification system was built by using a thermoelectric refrigerator.The moist air flowed through the cold side and the hot side in turn which condensed in the cold side and the heat dissipation was recycled in the hot side.The factors（voltage，temperature，mass flow rate etc.）which affect the thermoelectric dehumidification capacity and efficiency are analyzed.In addition，by conducting the experiment，the performance of this thermoelectric dehumidifier was optimally improved.For example，a test was carried out at atmospheric conditions of 26℃ and 65％humidity，the maximum amount of dehumidification of this device can reach 150 g/h，dehumidification efficiency can reach 0.37.

semiconductor refrigeration；dehumidification；optimal operation；experimental investigation

TB66；TU831.5

A

0253-4339（2015）05-0101-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.101

2014年12月22日

简介

张旭，男，教授，博士生导师，同济大学暖通空调及燃气研究所所长，同济大学机械与能源工程学院，（021）65983605，E-mail：zhangxu-hvac@tongji.edu.cn。研究方向：建筑节能及新能源在建筑系统的应用，建筑物能量系统生命周期评价方法及评价指标体系，面向小城镇及农村的低成本能源系统的技术集成和新能源综合利用，复杂空间通风技术。