半导体制冷空调的应用与发展前景

半导体制冷空调的应用与发展前景

罗清海汤广发李涛

(湖南大学土木工程学院)

摘要通过深入系统的文献研究,考察近40年来,特别是近10年来热电空调技术的发展,指出大型热电空调系统近期仍然难以作为普通建筑空调推广,小型热电空调装置应用于特殊场合则具备独特优势;20世纪90年代开始全球性禁止使用CF Cs物质,为热电空调技术的发展提供新的机遇和动力;预期超晶格结构是提高热电材料优值系数的极具潜力的途径。

关键词热电制冷优值系数超晶格

REVIEW AND APPLIC ATION OF THERMOELEC TRIC

AIR C ONDITIONING

Luo Qinghai Tang Guang fa Li Tao

(Civ il Eng ineering College,Hunan U niversity)

ABSTRACT Review s the progress of thermoelectric(TE)air conditioning in the past40 years,especially the recent advance in the past10y ears.It is still difficult to popularize large scale TE air-conditioning as building one,while small one,utilized in special situation,present distinct advantages in comparison w ith other refrigeration manners.Initiating prohibition of CFCs in1990s brings new opportunity and urge to develop thermoelectric dev ices.It is antic-i pated that superlattice thermoelectric m aterials present great potential in increasing cofficient of merit.

KEY WORDS TE refrigeration Coefficient of merit Superlattice

热电制冷又称之为半导体制冷,没有压缩机和制冷剂,具有控制方便、运行可靠、布局灵活、适应性强等特点。20世纪90年代末开始全球性禁止使用CFCs物质,以节能紧迫性和环保迫切性为背景,新材料和其他相关技术的渗透和促进,为热电空调提供新的发展机遇和动力。笔者通过系统深入的文献研究,考察近40年来,特别是近10年来热电空调技术的发展,旨在为相关研究提供参考。1热电空调系统的组织结构

1.1大型热电空调

本文所讨论大型热电空调指的是制冷量在1kW以上的装置。目前最大制冷量超过30kW。按照系统冷、热媒的不同,可分为气-气系统[1]、气-水系统[2]、水-水系统[3]。

一种重要的系统组织结构方式是P型、N型热电元件与热交换器直接交错连接集成,热交换器也成为电流通道一部分,系统组织方式有三种,分别为柱型结构(a)、直线型结构(b)、平面型结构(c),如图1所示。采取这种组织结构的主要意义在于适应大电流的需要,并减少热电元件与冷、热媒体之间热阻。P型、N型热电元件一端为平面,焊接在热交换器基准面上,而另一端为球面柱头,通过压应力与热交换器接触,以消除剪切应力对元件的损伤,并降低热交换器等部件的形位公差引起的不利影响。为保证热电元件与散热器的良好接触,压力范围为1~ 5MPa;热电元件的规格比较大,横截面积范围为0.5~3.0cm2;另外,相邻散热器之间采用弹性绝缘密封件,消除散热器热膨胀应力,防止形成电桥,并保证冷、热媒介通道的连续性、密封性[4]。

第5卷第6期2005年12月

制冷与空调

REFRI GERA T ION AN D A IR-CON DIT I ON ING

Vol.5,No.6

December2005

图1 热电元件与热交换器集成系统组织结构

这种系统结构只适合于大型热电空调系统。近40年来,没有突破性进展,而更多的系统采用陶瓷绝缘热电制冷模块与热交换器组合的单元式结构体系。

1.2 小型热电空调

小型热电空调器的制冷量一般是几百瓦,即1kW 以内,基本组织模式是采用若干陶瓷绝缘热电制冷模块与热交换器组合。这种结构模式的优点是:¹制冷模块已经标准化,规格型号齐全,可以方便地选用和组合;º电路联接可以串联、并联组合,非常灵活;»每个散热器上可以布置一个到几个制冷模块;¼便于规模化生产,降低工艺成本。但是这种结构对散热器基础面的加工精度要求高,应注意减少相对散热器之间的辐射、导热等热漏引起的效率降低,同时设法消除剪切应力对制冷模块的结构破坏。

2 热电空调的应用与开发

2.1 潜艇、舰艇、电子车辆空调

潜艇、舰艇、军用通讯车等特殊移动性空间对空调设备的性能有其特殊要求,高度可靠、适应性强、便于调控等特性往往是首要追求的目标,而能源利用效率则处于次要地位。20世纪60年代开始,热电制冷空调系统陆续装备在潜艇、舰艇、通讯车上。

电子通讯车空调为气-气系统,系统的标准工况主要参数为:制冷功率7kW,两侧散热器表面温差50e ,COP 值1.0。为了提高效率,制冷侧全回风,但如果操作人员与设备共用一套空调设备,则考虑一定比例新风[5]

。

潜艇、舰艇空调既有气-水系统[2,6-10]

,也有水-水系统[3,11-12]

,制冷功率不一,范围为7~31kW 。系

统构成主要是单元组合式,各单元可独立运行。因为是密闭空间,制冷侧全回风,以海水为冷、热源,平稳运行时制冷COP 可达1.1~2.1。

2.2 旅客列车空调

列车空调的运行条件变化大,因此空调的适应能力尤其重要。热电空调与列车在技术上有较好的兼容性,列车可以自备直流电源,热电空调调控方便,特别适用于包厢式旅客列车。某热电列车空调系统在室内外温差6e 时,制冷功率17kW,COP 约为0.7;室内外温差12.8e 时,制热功率26kW,COP 约为1.2;除霜时间为压缩空调系统的1/10;系统由4个单元组成,各单元可独立运

行,又分为8个子单元,对不同区域实行分布式送风

[1,13]

。

室内外温差为15e 时,采取热(冷)回收措施

与不做排热(冷)回收的情况比较,COP 可提高72%;如果车辆保温材料厚度增加33%,则COP 提高20%,能耗降低22%[14]

。

2.3 汽车空调

某太阳能辅助小汽车热电空调装置采用商业单级热电制冷模块,冷端散热器直接冷却送风气流,而热端通过循环水流散热。对于38e 的环境温度,如果不考虑太阳能电池的作用,制冷功率4.01kW,COP 为0.42;如果天气晴朗,布满车顶的太阳能电池可获得225W 的功率,空调COP 可以提高2%,但太阳能电池的关键意义在于降低汽车启动时的高峰负荷,提高降温速度;该系统没有能量回收措施[15]

。通过改善围护结构隔热以及密封性能,可以减少汽车空调所需负荷量50%,进而可显著降低能耗[16];如果采取冷回收措施,可进一步提高COP [14];另外,冬天供热时,热电热泵相对于电热装置而言,具有相当高的能效[17]

,如果采取措施以冷却水为热源,制热COP 可以达到1.5以上。热电汽车空调冷热一体,独立运行,可直接利用车辆直流电源,因而系统简单,与车辆具有很好的兼容性,而且环境问题日益紧迫,因而热电汽车空调具有一定的现实意义。2.4 水源热泵

对压缩式水源热泵、热电式水源热泵进行计算比较得出:当地下水温度低于18e 时,热电热泵的制冷性能优于压缩式热泵,而制热性能不及压缩式热泵。如果地下水温度为13e ,热电热泵制冷COP 为6.4,制热COP 为1.72,而压缩式热泵则

#6# 制 冷 与 空 调

第5卷