伞口直径对半导体制冷空调伞性能的影响

(内蒙古科技大学能源与环境学院 包头 014010)

为了营造舒适性局域环境，日本三菱重工首次研制出顶置吹风式空调伞，并提出热风幕空调伞达到制冷效果的最佳高径比为1.0～1.2[1]。何丽娟等[2-3]在相同送、回风速及测试条件(环境温度37 ℃)下对气幕式空调伞伞内温度场进行了实验研究，研究发现热风幕空调伞内风幕环形送风口处温度为11.8 ℃，环形回风口处温度为18.6 ℃；而冷风幕空调伞内风幕环形送风口处温度为23.2 ℃，环形回风口处温度为25.5 ℃，同时对热风幕气幕式空调伞空调区流场和温度场进行了实验研究，结果表明：热风幕气幕式空调伞最佳制冷高径比为1.2和2，但气幕式空调伞仍存在耗电量大、不便携带等缺点。近年来一种新兴起的太阳能发电技术在小空间建筑中得到广泛应用[4]，太阳能发电技术具有持续供给、稳定发电、无污染、舒缓高峰电力需求等优点[5]。郭领波等[6]提出一种室外太阳能空调伞，该空调伞通过太阳薄膜电池将太阳能转化为电能，以该电能作为制冷系统的直流电源驱动压缩式制冷系统运行达到制冷效果，但太阳能空调伞只能解决耗电量的问题，仍存在压缩式制冷系统体积庞大、不易维修等缺点。

针对上述问题，学者致力于寻找新的空调伞制冷方法。近年来半导体制冷技术发展迅猛，具有体积小、无复杂的传动元件、工作稳定、制冷迅速、操作简便、温度控制精确、无噪音等优点[7-10]。1834年德国物理学家珀尔帖在实验中发现在不同半导体的结点处有电流通过时会产生吸热和放热现象[11]，由此，郑爱平[12]依据通电半导体吸热现象提出适用于驾驶室中的半导体制冷空调器，送风方式采用顶吹式，由于小空间气流循环处理不当，其冷却效果并不理想。何丽娟等[13]采用下送上回式和侧送下吹式的送风方式设计了一种小型便携式半导体制冷空调伞，对伞内温度场、流场进行对比实验研究，结果表明下送上回式半导体制冷空调伞空调区温度、风速分布均匀，适于营造舒适性环境。

本文空调伞采用下送风方式，研究伞口直径对半导体制冷空调伞性能的影响。在满足人体舒适性要求的条件下[14]，分别对伞口直径为36、38、40 cm的半导体空调伞性能进行对比实验研究，为半导体技术在空调领域的应用奠定基础。

1 下送风半导体空调伞工作原理

半导体制冷空调伞伞头装配如图1所示，主要由轴流风机、散热风机、热冷端散热器和半导体制冷片组成，该装置结构简单、占据空间小、易于携带。

图1 半导体制冷空调伞伞头装配Fig.1 Assembly of air-conditioning umbrella withsemiconductor refrigeration

该装置气流分布见图1，伞下空气被轴流风机卷吸完成送风，冷、热气流分别由冷端散热器和顶端散热风机排出外界。由伞面形状可知，伞内中轴线处热空气与冷端散热器喷出的冷空气掺混后经轴流风机卷吸，在伞内营造气流循环，增加人体舒适感。半导体制冷片利用珀尔帖效应：当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶两端可产生吸热和放热现象。工作时伞内空气经轴流风机旋转卷吸和叶轮叶片的挤压推送下流经半导体制冷片的放热端和吸热端进行升、降温，产生的高温气流通过热端散热器排向外界，产生的低温气流由冷端散热器导出，用于冷却由风机卷吸的热空气，冷却后的空气通过外壳和遮流板喷向四周，营造一个相对舒适的空调环境，伞内热空气和喷出的冷空气掺混后经轴流风机卷吸进入空调伞进行下周期空气循环。

2 实验装置和内容

2.1 实验装置

实验装置如图2所示，该系统由半导体制冷片、空调伞头和测试系统组成。

1支架；2吊钩；3外壳；4导流裙；5半导体制冷片；6热电阻温度巡检仪； 7微风测速仪；8电脑；9各个测试点。图2 半导体制冷空调伞实验装置Fig.2 The experiment equipment of air-conditioning umbrella with semiconductor refrigeration

半导体空调伞是本实验的主要设备，经模拟表明伞口直径为36～40 cm时具有最佳制冷效果，因此本实验对伞口直径为36、38、40 cm的半导体空调伞性能进行对比实验研究。实验中采取的半导体制冷片型号为C1206，散热片为铝挤压散热片，由于实验需要显示测量数据曲线，故采用精度为±0.1 ℃的PTH-A24型精密温度巡检仪测定温度，采用精度为±0.02%FS的EY3-A电子微风仪测定风速，测得的数据导入电脑进行分析。实验中为防止热量传递对实验结果造成影响，在伞内包裹一层EPE珍珠棉和铝箔胶带起到保温隔热的作用。

2.2 实验内容

实验中控制半导体制冷片额定吸热量、外界环境温度、气流流量和距地高度不变，对半导体空调伞进行下送风实验，接通直流电源1 min后半导体制冷片开始吸热。流经半导体制冷片吸热端的气流发生降温，产生的冷气流由风机驱动经空调伞的外壳和遮流板向伞内四周吹出，伞内各测试点的风速和温度由热电阻温度巡检仪和微风测速仪测量并导入电脑进行分析，通过分析不同伞口直径的空调伞伞内温度场和速度场，得出半导体制冷空调伞的最佳伞口直径。

3 实验处理与分析

空调伞探头布置如图3所示。分别定义伞内距离(伞边沿)伞头2.4、9.2、16 cm处水平面为基准面H1、H2、H3。分别在不同直径空调伞的3个基准面上布置测试探头，对探头测试点风速和温度进行分析。

3.1 测试点温差分布

将各测试点温度与外界环境温度的差值作为研究对象，分析基准面H1、H2、H3上各点温差随径向距离的变化规律。

图3 空调伞探头布置Fig.3 Probe distribution of the air-conditioning umbrella

图4 不同基准面上各测试点温差随径向距离的变化Fig.4 The variation of temperature difference with radial distance at each test point of different base level

图4所示为伞口直径为36、38、40 cm空调伞在基准面H1、H2、H3上各测试点温差随径向距离的变化。温差变化曲线近似为开口向上的抛物线形状，在基准面H1、H2、H3上随着径向距离的变化，温差先减小后增大。由下送风半导体空调伞工作原理可知，风机卷吸的气流被通电半导体吸热冷却后沿空调伞外壳及遮流板喷出，故空调伞边缘温度低，伞下中轴线附近热空气与喷出的冷空气掺混后经轴流风机卷吸，故中轴线附近温度稍高、温差偏小，形成如图4所示的温差随径向距离的变化趋势。

对于半导体制冷芯片额定吸热量，制冷空间越大制冷性能越差，反之亦然。故伞口直径为40 cm的半导体空调伞制冷效果较差；吸热量相同条件下伞口直径为36 cm的半导体空调伞空间较小，轴流风机直接卷吸伞内没有充分掺混的冷空气和热空气，从而影响制冷性能，故理论分析伞口直径为38 cm的半导体空调伞制冷效果最好。由图4可知，相同实验条件下，在相同伞高水平面上伞口直径为38 cm的半导体空调伞各测试点与外界温差较大，最大温差为3.04 ℃，可达最佳制冷效果。

3.2 测试点风速分布

实验中室内空气自然对流，风速、温度、大气压力相同，空调伞悬挂于离地面1.5 m的实验台架上,测速探头与测温探头布置相同。通过微风测速仪对速度场进行测定，分析不同伞口直径下的风速随径向距离的变化规律。

图5 不同基准面上各测试点风速随径向距离的变化Fig.5 The variation of wind speed with radial distance at each test point of different base level

图5所示为伞口直径为36、38、40 cm的半导体空调伞基准面H1、H2、H3上各测试点风速随径向距离的变化。风速变化曲线近似为开口向上的抛物线，随径向距离的增加，风速先减小后增大。这是因为中轴线附近产生由风机卷吸引起的循环气流，循环气流不断混合摩擦使气流流速均匀，故中轴线附近风速低于空调伞边缘处风速；流经半导体吸热端的气流由风机驱动产生的冷气流量相同，故面积大的空调伞风速较小，这是40 cm伞头的半导体空调伞风速较低的原因；36 cm伞头的半导体空调伞面积较小，导致风机卷吸伞边缘的气流，造成伞下风速不均匀，无法营造舒适的空调效果。由图5可知，伞口直径为38 cm的半导体空调伞伞内风速均匀，最高风速为0.47 m/s，最低风速为0.23 m/s，适于营造最佳的局域环境。

4 结论

本实验将半导体技术应用于空调伞中，设计了一种环保的新型半导体制冷空调伞。实验中控制半导体制冷芯片额定吸热量不变，依次使用不同伞口直径的空调伞进行实验，采用热电阻温度巡检仪和微风测速仪对伞内的温度和风速进行测定，研究了伞口直径对半导体制冷空调伞性能的影响。

结果表明：在半导体制冷芯片额定吸热量以及室内环境温度不变的情况下，伞口直径为38 cm的半导体空调伞最高风速可达0.47 m/s，最低风速为0.23 m/s；空调区与外界环境最大温差可达3.04 ℃。伞口直径为38 cm的半导体空调伞伞内温差和风速符合GB 50019—2013《采暖通风与空气调节设计规范》对人体舒适性的要求，适于营造舒适的局域环境。

本文受内蒙古自治区自然科学基金项目(2015MS0547，2015MS0561)和内蒙古自治区科技创新引导奖励资金项目(2017CXYD-1)资助。(The project was supported by National Natural Science Foundation of Inner Mongolia(No.2015MS0547 & No.2015MS0561)，Fund Programs of Technological Innovation & Guide & Reward of Inner Mongolia(No.2017CXYD-1).)