新型節(jié)能冷熱溫飲水機(jī)

周倩，黃曾新，劉志強(qiáng)

（上海市育才初級中學(xué)，上海 200041）

0 引言

市場上飲水機(jī)產(chǎn)品較多，按使用的效果來說有溫?zé)?、冰熱、冰溫?zé)崛N類型[1]。不管是什么類型飲水機(jī)，采用的加熱技術(shù)都是電阻式（電熱管）加熱技術(shù)；而采用的制冷技術(shù)有半導(dǎo)體制冷和壓縮式制冷兩種。由于制冷和加熱都要消耗電能，并且制冷和加熱過程中飲水機(jī)內(nèi)與飲水機(jī)外熱交換比較大，能效系數(shù)不高。本文提出的發(fā)明采用的是在三個(gè)方形截面金屬水箱之間的夾層中放置2 組半導(dǎo)體制冷片，組成三箱二夾層的結(jié)構(gòu)，通過聰明杯（進(jìn)水量自動(dòng)調(diào)節(jié)器）調(diào)整三個(gè)水箱內(nèi)的進(jìn)水量，當(dāng)通入直流電后，可使半導(dǎo)體制冷片熱端面加熱和冷端面制冷，同時(shí)又使相鄰二個(gè)水箱內(nèi)的水發(fā)生熱量轉(zhuǎn)移。在加熱、制冷和熱量轉(zhuǎn)移的過程中，在三個(gè)水箱內(nèi)分別獲得熱水、冷水和溫水，總的能效系數(shù)超過100%，是一種節(jié)能減排新型冷熱溫飲水器。

1 原有技術(shù)

在市場已有的眾多品牌、型號飲水機(jī)產(chǎn)品中，歸納起來不外乎是溫?zé)帷⒈鶡?、冰溫?zé)崛N類型。

1.1 溫?zé)嵝惋嬎畽C(jī)

溫?zé)嵝惋嬎畽C(jī)能夠提供溫水和熱水。采用電熱管通電加熱使水升溫，當(dāng)熱水罐內(nèi)的水被加熱到設(shè)定的溫度時(shí)，溫控器觸點(diǎn)斷開，切斷加熱及加熱指示回路電源，“加熱”指示燈熄滅，電熱管停止加熱。當(dāng)水溫下降到設(shè)定溫度時(shí)，溫控器觸點(diǎn)接通電源回路，電熱管重新加熱飲水，如此周而復(fù)始地使熱水溫度保持在85℃～95℃之間，常用的飲水機(jī)一般屬于這種類型。

1.2 冷熱飲水機(jī)和冷溫?zé)犸嬎畽C(jī)

冷熱型飲水機(jī)能夠提供冷水和熱水，而冷溫?zé)犸嬎畽C(jī)則能提供冷水、溫水和熱水。按制冷方式，飲水機(jī)又可分為壓縮式制冷飲水機(jī)和半導(dǎo)體制冷飲水機(jī)兩種。這兩種飲水機(jī)中使水溫升高的方式都采用電熱管加熱；而使水溫下降的方式則是通過壓縮式制冷或半導(dǎo)體制冷使水溫下降，把水的熱量排出飲水機(jī)外。

1）壓縮式制冷的冷熱飲水機(jī)

如果按下制冷開關(guān)，壓縮式制冷機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，蒸發(fā)器吸收冷水罐內(nèi)水的熱量而使水溫下降；如果按下制熱開關(guān)時(shí)，加熱和溫度控制電路接通，電熱管把熱水罐內(nèi)的水加熱到設(shè)定溫度。

2）半導(dǎo)體制冷的冷熱飲水機(jī)

如果按下制冷開關(guān)，交流電經(jīng)降壓、全波整流以及濾波后，成為直流電供給半導(dǎo)體制冷器件，半導(dǎo)體制冷使水溫下降；如果按下制熱開關(guān)時(shí)，加熱和溫度控制電路接通，電熱管把水溫加熱到設(shè)定溫度。

1.3 高效冷熱飲水器

2011 年我們學(xué)校同學(xué)研究發(fā)明了一種高效冷熱飲水器樣機(jī)(見圖1)。

圖1 高效冷熱飲水器樣機(jī)

它是把半導(dǎo)體制冷片與兩個(gè)保溫金屬箱組合起來，產(chǎn)生熱水和冷水的飲水裝置。但是這種飲水機(jī)仍存在幾點(diǎn)不足：

1）由于半導(dǎo)體制冷片單排式排列，冷熱飲水器占據(jù)的空間比較大；

2）由于二個(gè)金屬箱緊挨著排列會(huì)發(fā)生熱的傳導(dǎo)，加熱的效果非常明顯，而制致冷的效果沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)；

3）解決了用熱水泡茶和喜歡喝冰水人群的需求，但是對于喜歡喝溫水的人群還沒有照顧到。所以我就繼續(xù)解決這樣的問題進(jìn)行了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)和試制出一種新型節(jié)能冷熱溫飲水器。

2 新型節(jié)能冷熱溫飲水器的結(jié)構(gòu)和原理

2.1 結(jié)構(gòu)

1）在三個(gè)方形截面金屬水箱之間的二個(gè)夾層中布置半導(dǎo)體制冷片，組成三箱二夾層的結(jié)構(gòu)。圖2 是結(jié)構(gòu)的原理圖，圖3 是結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖。

圖2 三箱二夾層結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 三箱二夾層結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

2）半導(dǎo)體制冷片接通直流電后，熱水箱與溫水箱夾層中制冷片的熱端制熱，使熱水箱內(nèi)水的溫度升高。同時(shí)，該制冷片的冷端制冷，吸收溫水箱內(nèi)水的熱量，使溫水箱內(nèi)水的溫度有所下降。這樣，該制冷片把溫水箱中水的熱量轉(zhuǎn)移到熱水箱內(nèi)，使熱水箱內(nèi)的水升溫成熱水放出。同樣，溫水箱與冷水箱夾層中的制冷片把冷水箱中水的熱量轉(zhuǎn)移到溫水箱內(nèi)，使冷水箱內(nèi)的水降溫成冷水放出。而在溫水箱內(nèi)由于熱量和冷量的混合，產(chǎn)生了溫水。由于采用三箱二夾層的結(jié)構(gòu)和設(shè)置了溫水箱，可以達(dá)到同時(shí)供應(yīng)熱水、溫水和冷水的目的。

3）如圖4，三個(gè)金屬水箱外包裹著隔熱層，以防止箱內(nèi)和箱外的漏熱。

4）三個(gè)方形截面金屬水箱之間的夾層中放半導(dǎo)體制冷片，組合箱設(shè)計(jì)成折疊并列式排列，可以使飲水器的高度下降了許多，同時(shí)占有的空間也減少了許多。

5）如圖5，聰明杯是一種進(jìn)水量自動(dòng)調(diào)節(jié)器，內(nèi)置三個(gè)出口與各個(gè)水箱相連，其作用是根據(jù)三個(gè)水箱流出的水量來自動(dòng)調(diào)節(jié)各箱的進(jìn)水量。熱水、冷水以及溫水分別通過熱水龍頭、冷水龍頭和溫水龍頭人為的控制飲用。

圖4 水箱外包裹的2 隔熱層

圖5 聰明杯的調(diào)節(jié)和水龍頭的飲用控制

2.2 原理

1）半導(dǎo)體制冷片制冷制熱原理

半導(dǎo)體制冷片是由N 型半導(dǎo)體元件和P 型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成的電偶對所組成的一種冷卻裝置。在電路中接通直流電后，電偶對中發(fā)生了能量的轉(zhuǎn)移：在電流由N 型元件流向P 型元件的接頭處吸收熱量，成為冷端；在電流由P 型元件流向N 型元件的接頭處釋放熱量，成為熱端。半導(dǎo)體制冷片吸熱量和放熱量的大小是由通過電流的大小、半導(dǎo)體材料的熱電性能以及半導(dǎo)體元件的對數(shù)決定的。

2）新型節(jié)能冷熱溫飲水器工作原理

半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，制熱效率比較高，制冷制熱時(shí)間很快，因此使用半導(dǎo)體制冷片組合就可以代替加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。三個(gè)方形截面金屬水箱之間的夾層中放半導(dǎo)體制冷片，半導(dǎo)體制冷片接通直流電后，在其熱端的一面和冷端的一面同時(shí)對兩個(gè)有保溫功能的水箱內(nèi)的水加熱與制冷，使相鄰兩個(gè)水箱內(nèi)的水發(fā)生熱量的轉(zhuǎn)移，即使一個(gè)箱內(nèi)水的熱量轉(zhuǎn)移到另一個(gè)箱的水內(nèi)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)箱內(nèi)水升溫而另一個(gè)箱內(nèi)水降溫。由于采用三箱二夾層結(jié)構(gòu)，使熱水箱的水溫更高、冷水箱的水溫更低，而作為過渡的溫水箱就可以產(chǎn)生溫水。

在本課題中，飲水器通電后，把半導(dǎo)體制冷片冷端面容器內(nèi)的水的能量吸收到熱端面容器內(nèi)，使冷端面容器內(nèi)水溫下降，熱端面容器內(nèi)水溫上升。由于同時(shí)利用了半導(dǎo)體制冷片熱端的制熱量和冷端的制冷量，使飲水器獲得的總能量大于半導(dǎo)體制冷片所消耗的電能。因此，飲水器的總能效系數(shù)=（制熱量+制冷量）/ 所消耗的電能，其數(shù)值超過了100%。

3 數(shù)據(jù)測量與分析

3.1 半導(dǎo)體制冷片加熱水的實(shí)驗(yàn)

如圖6，熱水鍋用鋁合金材料加工而成，采用8 塊半導(dǎo)體制冷片排列在熱水鍋的兩側(cè)加熱鍋內(nèi)的水，測量半導(dǎo)體制冷片加熱水的性能參數(shù)。使用電子溫度計(jì)和測溫記錄儀同時(shí)進(jìn)行測量，為減少本文篇幅，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就不在文中列出了。

圖6 半導(dǎo)體制冷片加熱水的實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行了二組實(shí)驗(yàn)：第1 組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，半導(dǎo)體制冷片冷端以流動(dòng)的冷水進(jìn)行冷卻；第2 組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，半導(dǎo)體制冷片冷端無水流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，第1 組實(shí)驗(yàn)的總吸收熱量和制熱能效系數(shù)都比第2組實(shí)驗(yàn)的高。

在半導(dǎo)體制冷片冷端通流動(dòng)的冷水情況下，其冷端可以保持接近于水溫的一定溫度。一般情況下，水溫等于環(huán)境溫度。而在冷端無水流動(dòng)的情況下，冷端的溫度是低于環(huán)境溫度的。因此，在相同的加熱時(shí)間，冷端通流動(dòng)的冷水的半導(dǎo)體制冷片的冷熱端溫差比較小，而制熱量和制熱能效系數(shù)比較大。這樣，第1 組實(shí)驗(yàn)的總吸收熱量、制熱能效系數(shù)都要比第2 組實(shí)驗(yàn)的高。

3.2 飲水器內(nèi)水靜止不流動(dòng)加熱至沸騰的實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，熱水靜止不流動(dòng)被加熱至沸騰，冷水部分不工作（不流動(dòng)、不測量），測量制熱性能系數(shù)；并以市售冷熱飲水器（美的MYD920S-W）為對照物。

把273 毫升（273 毫升是三箱二夾層結(jié)構(gòu)新型節(jié)能冷熱溫飲水器的一個(gè)水箱的體積）的水分別裝入不同飲水器加熱水的容器內(nèi)。水的初溫為24℃，加熱到100℃沸騰。根據(jù)Q=CMΔt計(jì)算，總吸收熱量值相同。制冷容器內(nèi)同時(shí)也加273 毫升的水，但不測量。水被加熱到沸騰時(shí)的耗電量，經(jīng)電能表和電壓表、電流表讀數(shù)，以及時(shí)間測量后進(jìn)行計(jì)算。測量數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，見表1。

可見，三箱二夾層結(jié)構(gòu)新型節(jié)能冷熱溫飲水器要比市售飲水器節(jié)能50%。如果考慮制冷，市售飲水器還需要消耗電能；而高效冷熱溫飲水器不需要再消耗電能，可以直接從冷水管道放出冷水，節(jié)能效果更為明顯。

表1 水靜止不流動(dòng)被加熱至沸騰的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 飲水器的模擬應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，把桶裝水放在新型節(jié)能冷熱溫飲水器的座架上，聰明杯內(nèi)置三個(gè)出口與各個(gè)水箱相連，在熱水、冷水、溫水出口處用電子溫度計(jì)測量水的溫度。

1）連續(xù)通電實(shí)驗(yàn)（測量數(shù)據(jù)見表2）

可以看出；當(dāng)水溫比較高（31℃）時(shí)，熱水的溫度在通電 4 分鐘后已經(jīng)上升到比較高的值（79℃），以后隨著時(shí)間增加，溫度增加比較少；而冷水的溫度在通電4 分鐘后下降到10℃左右，以后隨著時(shí)間增加，溫度下降也不明顯。因此，高效冷熱溫飲水器選擇預(yù)熱4 分鐘放水飲用比較合理。

表2 連續(xù)通電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2）間隔通電實(shí)驗(yàn)（測量數(shù)據(jù)見表3）

可以看出：通電4 分鐘后，取熱水或冷水飲用，由于筒裝水進(jìn)入使水箱內(nèi)的水溫發(fā)生變化（其它類型飲水器也有類似問題）；再通電2 分鐘后，又可以達(dá)到原來的熱水或冷水溫度，而溫水溫度基本上變化不大。

表3 間隔通電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

比較以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：如飲水器內(nèi)水靜止不流動(dòng)加熱至沸騰的實(shí)驗(yàn)，此時(shí)室溫 25 ℃、熱水初溫24℃，各水箱沒有與筒裝水連通，熱水能夠加熱到沸騰，并且加熱時(shí)間只有3 分28 秒。而如飲水器的模擬應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，連續(xù)通電時(shí)，室溫 31℃、熱水初溫27℃，各水箱是與筒裝水連通的，加熱時(shí)間4分鐘后熱水溫度只達(dá)到79℃。隨后繼續(xù)加熱，熱水溫度、冷水溫度、溫水溫度變化不是很大，可能原因是冷熱水對流或其他傳遞方式消耗了熱量。解決辦法可以設(shè)置溫控開關(guān)，在加熱一段時(shí)間后，當(dāng)冷、熱水不取用時(shí)自動(dòng)斷電；而當(dāng)溫度不足時(shí)繼續(xù)通電。

4 結(jié)論和后續(xù)設(shè)想

1）利用半導(dǎo)體制冷片二端面的制熱和制冷的特性，可以替代原有冰熱、冰溫?zé)犸嬎畽C(jī)各自獨(dú)立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生熱水、溫水和冰水的功能。本課題進(jìn)行了原創(chuàng)性研究，所研制的新型節(jié)能冷熱溫飲水器不僅可行，而且可以實(shí)施。

2）新型節(jié)能冷熱溫飲水機(jī)內(nèi)半導(dǎo)體制冷片按熱泵原理工作，用于熱水箱內(nèi)熱水的加熱和冷水箱內(nèi)冷水的冷卻，由于同時(shí)利用了半導(dǎo)體制冷片熱端的制熱量和冷端的制冷量，飲水器的總能效系數(shù)超過了100%。因此，新型節(jié)能冷熱溫飲水機(jī)是一種節(jié)能減排的綠色產(chǎn)品。

3）根據(jù)飲水器內(nèi)水靜止不流動(dòng)加熱至沸騰的實(shí)驗(yàn)，新型節(jié)能冷熱溫飲水機(jī)要比傳統(tǒng)的飲水器節(jié)能（～50%）；如果考慮同時(shí)制冷，節(jié)能效果更為明顯。

4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在水初溫和氣溫比較高的情況下，冷水箱內(nèi)的冷水降溫效果比較好，可以降溫到接近10℃。根據(jù)我國的地理分布，南方地區(qū)高溫時(shí)間比較長，10℃的水能夠滿足高溫天氣喝水降溫的需求，新型節(jié)能冷熱溫飲水機(jī)對于解決南方地區(qū)冷、熱、溫水的飲用是比較適合的。

[1]朱東梅.飲水機(jī)介紹全方位[J].現(xiàn)代家電,2001,4:52.