半导体制冷空气取水系统的优化研究

曹 旦 邹 钺 东华大学

半导体制冷空气取水系统的优化研究

曹 旦 邹 钺 东华大学

空气中蕴含着大量的水分，空气取水技术日益发展。其中，半导体制冷空气取水技术是基于半导体制冷技术发展而来的空气取水技术，主要利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应,从而达到冷端制冷的效果，冷凝空气制取冷凝水。针对半导体制冷空气取水技术进行分析模型搭建，对系统各个环节进行改进，对半导体制冷电流，制冷温度进行控制，获取最节能最优化的系统工况。

半导体；空气取水；制冷温度；节能；取水量

缺水是一个世界性的普遍现象。据统计，全世界有100多个国家存在着不同程度的缺水，世界上有28个国家，被列为缺水国或严重缺水国。大部分地区的地下水被过度开采，地球上的水资源越来越匮乏。尤其是在沙漠地区，干旱地区，地下水已经不能完全满足日常的生活需求，而空气中蕴涵着大量的水资源，大气中能容纳多少水汽是由温度、压力所决定的。在标准大气压下，1 m³空气中在不同温度下，水汽最大含量见下表1(即空气处于饱和时的含水量)。

空气取水技术目前可分为两种：一是直接式取水，包括有“集雾器”（聚雾取水法）；利用仿生原理采用亲水与憎水材料收集水珠的方法；吸附剂吸附式采集水。二是间接式取水，利用温差把空气中的湿空气变成冷凝水收集起来，其中最常见的就是制冷结露的方法，原理是冷却湿空气，使其达到露点以下从而制取冷凝水。本文介绍的半导体制冷空气取水技术是由半导体通直流电使冷端制冷，温度降低至露点温度以下，空气经过制冷面从而制取冷凝水。半导体制冷技术具有重量轻、速度快、无污染、方便、寿命长、成本低等优点适合推广。

表1 在标准大气压下，1 m³空气中在不同温度下的最大含水量

1 实验

1.1 实验模型与测试设备

本次实验中选取的制冷片是TEC1-12706，工作温度范围是-50～80℃，最大电流6 A，最大电压15.2 V，最大制冷功率56.5 W，最大制热功率92.4 W，外形尺寸40×40×3.9±0.1 mm，原件对数127。导冷模块外形尺寸是60mm×45 mm×25mm，导热模块外形尺寸是100 mm×98 mm×24 mm，以及散热风扇ZY-922512SM，额定工作电压12 V，额定电流0.18 A，12 V 6 A的开关电源，以及一些配件，如导热硅胶、螺丝、隔热垫等。将制冷片与导冷块和导热块连接，连界面均匀涂抹导热硅胶，导冷块和导热块之间用螺丝固定，导冷片外围垫上隔热垫，热端固定散热风扇，风扇连接开关电源。

测试仪器为PT100温度传感器，温湿度传感器以及SWEMA Y-BOAT多功能测试系统，其中Y-BOAT多功能测试系统是集温度、湿度、照度、二氧化碳浓度等为数据采集为一体的多功能系统。PT100温度传感器固定在制冷端，连接到Y-BOAT多功能测试箱中，通过无线或有线传输到电脑端，进行数据收集和分析。原理图如图1。

图1 半导体制冷空气取水系统测试原理图

1.2 热端对比实验

实验一为调节直流电源，使流过实验模型电流为1.5 A，记录冷热端温度进行观察，实验二为对比实验，热端不固定散热风扇，同样调节直流电源，使流过实验模型电流为1.5 A，观察冷端制冷温度，如图2，实验结果及分析比较如图2。

由图2可以看出，在通电电流为1.5 A，电压5.0 V的相同情况下，散热端在不加散热风扇的情况下，制冷片的温度从19.5℃开始降低，直到11℃左右稳定，稳定过程约为2.5 min；如果在散热端加上风扇，制冷片的温度从19.5℃下降到约8℃，并且稳定时间约为2min。从两组数据可以得出，半导体在通直流电情况下，制冷端的温度会降低，散热端温度会升高，最终达到一个相对稳定的状态，稳定时间大概会持续2～3 min。散热端在不加风扇的条件下，主要是依靠与空气自然对流进行散热，散热效率比较低，效果不明显，热量会从热端通过导热和自然对流传到冷端使制冷端温度升高，影响制冷效果。所以在加入风扇强化热端散热之后，热量被带走，远离冷端，稳定后的冷端冷温度要比不加风扇的情况下低，制冷效果更好。

图2 有无散热风扇对制冷端制冷温度的影响

1.3 工作电流对比实验

在热端有散热风扇的情况下，调节直流电源，分别对半导体通以1.5 A、2.0 A和2.5 A的直流电流，记录制冷片冷端温度，如图3，实验结果及分析比较如下：

图3 不同制冷工作电流对制冷端制冷温度的影响

从图3可以看出，在热端游散热风扇的前提下，半导体制冷端温度随着时间慢慢降低直到稳定温度；通以1.5 A电流时，从19.5℃稳定到约8℃；通以2.0 A电流时，从19.1℃稳定到约7℃；通以2.5 A电流时，从20.5℃稳定到约2℃，效果最明显。从3组数据对比可以看出，最终稳定的制冷温度与通过半导体的直流电大小有关，随着电流的增大，最低制冷温度随之降低。

1.4 控制策略

在现有半导体制冷技术下，半导体空气取水的方法也得到很多的研究，但是为了保持一个很好的制冷工况，需要对制冷温度进行控制，因为外界环境会发生变化，制冷温度与露点温度的关系密切，当制冷温度大于露点温度，不结露，当制冷温度小于露点温度时，结露，但如果工作电流过高，制冷端温度过低，达到0℃以下，就会形成冰晶，更有甚者会结冰，在这种工况下是制取不了冷凝水的，而且还造成了能源浪费。

在实际条件下，空气的温湿度是会随着外界空气参数的变化而发生变化。外界的温度在白天温度比较高，湿度较低，而到了晚上，温度下降到较低温度，湿度上升，空气的露点温度在一天当中随之发生变化，图4是上海地区某时间段室内外露点温度变化情况。

图4 室内外露点温度变化

从图4可以看出，以某一天为测试范围，在这一天中，露点温度随着时间的推移而发生变化，测试数据当中最高点室外露点温度为13.8℃，室内最高为13.3℃，室外露点温度最低点为早上7:00 为10.2℃，室内此时接近10℃。一天当中露点温度最高为4℃，如果我们系统工作电流不变的话，那制冷端温度也就不会发生变化，从而有一部分能量就会浪费。如果我们控制电流的变化使制冷端温度会随着露点温度变化而发生变化，那么在既不影响制冷工况的前提下同时节省能量。另外，就是在通风适当的情况下，室内露点温度和室外露点温度相差不大，温差大概0.5℃。

在保证工况的情况下，控制制冷端制冷温度低于露点温度4℃，并且随着露点温度的变化同时发生变化，这样既能较好工况制冷制冷取水，同时最大限度地节省能源。

2 取水量分析

假设室内温度25℃，相对湿度60%，有小型风扇下风速为1 m/s，则可查表得出露点温度为16.7℃，25℃、100%相对湿度含水量23.01 g/m³，25℃ 60%相对湿度含水量23.01×60%=13.80 g/m³，（16.7-5=）11.7℃、100%相对湿度含水量10.45 g/m³，肋片表面规格是40 mm×22 mm,肋片共有11片，底座规格是60 mm×45 mm，接收肋片的空气按10 mm一层考虑，所以S=0.06×0.022=0.00132㎡，则肋片每小时接触的空气1×3 600×0.00132=4.8 m³，所以结露量Q=（13.80-10.45）×4.8=16.1 g。 如果10个半导体制冷片连续工作12 h，则可以产水量Q=16.1×10×12=1 932 g。当然，为了能得到更多的水量，还需要从各个方面对半导体制冷系统进行优化。

在实际条件下，我们运行半导体制冷系统，并调节工作电流，对半导体制冷温度进行控制，收集制冷端制取的冷凝水，1 h后记录冷凝水制取量，记录分析结果如表2：

表2 半导体装置实际取水量

从表2可以分析得出，在1 h的连续运行下，1套半导体制冷空气取水系统可以制取7 g的液态水，实际取水效率为P=7/16.1=43.5%，空气取水效率理想。参照中国居民膳食指南建议，在温和气候条件下轻体力活动的成年人饮水量至少为1200 mL /d，半导体系统连续工作24 h可以保证正常谁的摄入量，对人的正常生理活动有着重要的作用。

3 结语

通过对半导体制冷系统的实验研究，得到如下结论：

（1）散热端撒热优化，工作电流控制以及制冷段温度的控制对系统有着重要影响；

（2）半导体制冷空气取水系统具有很高的实用性，连续工作条件下能制取较大的取水量，实际取水量取水效率为43.5%，具有较高的制冷效率能，而且能保证一天的正常摄入量；

（3）半导体制冷系统在控制温度下运行，能随着外界环境露点温度的变化而发生改变，能节省很大额定能量输入，避免造成能源浪费。

Optimization Study on Semiconductor Refrigeration Condensed Water Extraction from Condensed Air System

Cao Dan, Zou Yue Donghua University

Air is full of water. Water Extraction from air technology is developing day by day. Semiconductor refrigeration condensed water extraction from condensed air technology is based on semiconductor refrigeration and changed into water extraction from air technology. It uses P-N junctions consisting of special semiconductor materials to form thermocouple pair and result in Peltier effect to achieve refrigeration effect to condense air to extract condensed water. It analyzes and builds up model to conduct semiconductor refrigeration condensed water extraction from condensed air technology and improves all aspects of the system. It controls semiconductor refrigeration current and refrigeration temperature to obtain the best energy saving and most optimal system condition.

Semiconductor, Condensed Water Extraction from Condensed Air, Refrigeration Temperature, Water Extraction Quantity

曹旦：（1991~），男，硕士研究生。

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.01.007

节能技术与产品 Energy Conservation Technologies and Products