基于塞貝克效應(yīng)的家用空調(diào)除霜裝置設(shè)計(jì)

程浩　程舒婷　何俊宇　彭昱賢　張春枝

摘 要：針對(duì)目前家用空調(diào)冬季制熱過程中室外熱交換器結(jié)霜嚴(yán)重影響空調(diào)運(yùn)行性能的問題，本文提出了一種基于塞貝克效應(yīng)的家用空調(diào)除霜裝置的設(shè)計(jì)。該裝置包括溫差發(fā)電機(jī)構(gòu)、蓄電機(jī)構(gòu)和電加熱機(jī)構(gòu)三個(gè)部分。該設(shè)計(jì)通過基于塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電技術(shù)儲(chǔ)能，利用所儲(chǔ)電能加熱電熱帶，產(chǎn)生熱量融化空調(diào)室外換熱器的霜層實(shí)現(xiàn)除霜。同時(shí)，本文具體闡述了裝置的原理、結(jié)構(gòu)以及工作流程，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的理論研究分析。分析表明：該裝置能有效避免傳統(tǒng)除霜方式可能帶來的能量消耗、機(jī)組損害和熱舒適度差的問題。

關(guān)鍵詞：空調(diào);除霜;塞貝克效應(yīng);溫差發(fā)電;節(jié)能

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，居民居住條件日益改善，人們對(duì)家居環(huán)境舒適度的要求越來越高，在各個(gè)地區(qū)居民對(duì)家用空調(diào)的需求量越來越大。但空調(diào)在制熱過程中，尤其是在中南部地區(qū)的冬季寒冷天氣的時(shí)候，由于溫度低、濕度大，導(dǎo)致空調(diào)室外機(jī)結(jié)霜，故空調(diào)器每運(yùn)行一段時(shí)間后就會(huì)自動(dòng)融霜，當(dāng)室外氣溫過低且濕度增大時(shí)，空調(diào)器融霜頻率增加，這樣會(huì)大大降低房間制熱量，導(dǎo)致舒適度降低。有時(shí)霜層越結(jié)越厚，空調(diào)室外機(jī)完全被霜層堵住，致使室外熱交換器無法與空氣進(jìn)行換熱，制冷劑無法蒸發(fā)，制冷劑輸配管內(nèi)部壓力過低，空調(diào)系統(tǒng)低壓保護(hù)停機(jī)，所以及時(shí)除去空調(diào)器制熱運(yùn)行中室外機(jī)上的霜層顯得尤為重要。

目前的除霜方法主要有四通閥換向除霜、熱氣旁通除霜和電加熱除霜三種方法^[1]。家用空調(diào)常用的除霜方法為其中四通閥換向除霜法，它采用的是逆循環(huán)機(jī)制，即將制熱工況轉(zhuǎn)為制冷工況，使壓縮機(jī)輸出的高溫高壓制冷劑輸送到室外結(jié)霜的熱交換器中，使室外機(jī)上的霜層融化。采用這種方法不僅會(huì)使空調(diào)的制熱周期縮短，制熱效率下降，能耗增大，而且會(huì)大幅降低室內(nèi)人員的舒適度，因此需要新的除霜方法來克服已有除霜方法的不足。

基于塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電技術(shù)是一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式^[2]，其具有無運(yùn)動(dòng)部件、體積小、重量輕、使用溫度范圍大、可靠穩(wěn)定、直接將余熱轉(zhuǎn)化為電能等特點(diǎn)^[3]。如果在空調(diào)器制熱運(yùn)行過程中取部分高溫高壓制冷劑的熱量用作溫差發(fā)電，將所得電能用于除霜，使空調(diào)器始終處于制熱工況，不進(jìn)行工況的轉(zhuǎn)換，可以解決現(xiàn)有空調(diào)除霜方法的不足。

本文對(duì)溫差發(fā)電技術(shù)與空調(diào)除霜技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了理論研究，設(shè)計(jì)出了一種通過溫差發(fā)電的方式取家用空調(diào)高溫高壓制冷劑中部分熱量進(jìn)行發(fā)電，并將轉(zhuǎn)化得來的電能用于除霜裝置。針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文給出了能夠合理利用高溫高壓制冷劑熱量的溫差發(fā)電裝置和其他各部件的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)裝置的工作流程進(jìn)行了具體闡述。

2 除霜裝置的設(shè)計(jì)方案

基于塞貝克效應(yīng)的家用空調(diào)除霜裝置的整體示意圖如圖1所示，裝置主要由溫差發(fā)電機(jī)構(gòu)、蓄電機(jī)構(gòu)和電加熱機(jī)構(gòu)三大部分組成，溫差發(fā)電機(jī)構(gòu)利用空調(diào)系統(tǒng)中高溫高壓制冷劑的部分熱量制取電能，蓄電機(jī)構(gòu)將制取的電能進(jìn)行穩(wěn)壓處理后儲(chǔ)存起來用以供給電加熱機(jī)構(gòu)進(jìn)行除霜。采用此除霜裝置就避免了四通閥換向除霜中空調(diào)由制熱工況到制冷工況的轉(zhuǎn)換，使空調(diào)始終處于制熱工況。

2.1 溫差發(fā)電機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.2.1? 熱端換熱器的設(shè)計(jì)

熱端換熱器的設(shè)計(jì)對(duì)空調(diào)余熱的利用效率以及溫差發(fā)電片的熱端溫度起決定性作用，在相同冷端溫度的條件下，溫差發(fā)電片的熱端溫度越高，兩端溫差越大，溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電能就越大。因此，具有良好換熱效果的熱端換熱器是溫差發(fā)電裝置高效運(yùn)行的重要保障。溫差發(fā)電裝置的熱端換熱器應(yīng)滿足以下3點(diǎn)：（1）由于溫差發(fā)電機(jī)構(gòu)需要吸取部分高溫高壓制冷劑用于室內(nèi)制熱的熱量，因此熱端換熱器要在滿足溫差發(fā)電片熱端溫度要求的基礎(chǔ)上盡量減小對(duì)原空調(diào)系統(tǒng)的影響，確保原空調(diào)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行;⑵由于溫差發(fā)電片的熱端溫度與溫差發(fā)電片的發(fā)電效率密切相關(guān)，因此要確保溫差發(fā)電片熱端具有較高的溫度;⑶ 由于制冷劑配管為圓管，溫差發(fā)電片無法與制冷劑配管直接相連，因此應(yīng)采用合理的設(shè)計(jì)將溫差發(fā)電片與制冷劑配管相連。

本裝置熱端換熱器的設(shè)計(jì)如溫差發(fā)電機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖圖2所示，在溫差發(fā)電片與制冷劑配管之間設(shè)置具有良好傳熱效果的傳熱塊，并對(duì)原有的保溫套筒進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，使其筒壁上開設(shè)多個(gè)與溫差發(fā)電片一一對(duì)應(yīng)的通孔，每個(gè)溫差發(fā)電片的冷端均穿過對(duì)應(yīng)的通孔與外界空氣接觸。

2.2.2? 冷端散熱器的設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體熱電堆在工作過程中，需要不斷地將熱量從電堆的熱端通過熱電偶臂轉(zhuǎn)移到電堆的冷端，熱量的積累將導(dǎo)致冷端的溫度升高，其后果是減小冷熱兩端的溫差，影響發(fā)電效率。^[4]因此，為了維持冷端的相對(duì)低溫環(huán)境，從熱端轉(zhuǎn)移過來的熱量應(yīng)當(dāng)及時(shí)地排放出去，具有良好散熱效果的冷端散熱器也是溫差發(fā)電裝置高效運(yùn)行的重要保障，本裝置一方面采用在溫差發(fā)電片冷端貼附熱沉的方法來提高溫差發(fā)電片冷端的散熱效率，如圖2所示。另一方面溫差發(fā)電裝置設(shè)在室外，溫差發(fā)電片冷端直接與室外冷空氣相接觸，冬季室外溫度低至幾度甚至是零下，為溫差發(fā)電片提供了良好的冷源。

2.3 蓄電機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于溫差發(fā)電片熱端和冷端的溫度不穩(wěn)定，由塞貝克效應(yīng)電勢(shì)差的計(jì)算公式：（S_A、S_B為兩種材料的塞貝克系數(shù);T₁、T₂為低、高溫?zé)嵩吹臏囟龋┛芍獪夭畎l(fā)電裝置產(chǎn)生的輸出電壓不穩(wěn)定，產(chǎn)生的電量難以儲(chǔ)存?，F(xiàn)假設(shè)蓄電池采用充電電壓為5V的鋰電池，為達(dá)到儲(chǔ)存來自溫差發(fā)電裝置電能的目的，需要將溫差發(fā)電裝置產(chǎn)生的直流電通過穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓處理，使具有變電壓的直流電變?yōu)殡妷汉銥?V的直流電，然后將其接入蓄電池為蓄電池充電。

2.4 電加熱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

電加熱裝置由電加熱帶和溫控開關(guān)兩部分組成，電加熱帶采用纏繞的方式布置在室外熱交換器的銅管上面，溫控開關(guān)接在蓄電池和電加熱帶之間，其帶有的溫度感應(yīng)器布置在室外熱交換器的表面，用于感應(yīng)室外熱交換器表面的溫度，從而控制開關(guān)的開啟與關(guān)閉。

3 裝置工作流程

冬季當(dāng)空調(diào)開始制熱時(shí)，溫差發(fā)電機(jī)構(gòu)在空調(diào)開始工作后持續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)生電能，蓄電機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)生的電能進(jìn)行穩(wěn)壓并將其儲(chǔ)存進(jìn)蓄電池中。由于室外換熱器溫度較低，空氣中的水蒸氣在其表面逐漸凝結(jié)成霜，室外換熱器表面溫度逐漸降低，當(dāng)位于室外換熱器表面的低溫溫度傳感器感受到過低溫度后，溫控開關(guān)閉合，蓄電池供電，電加熱帶開始工作，室外換熱器表面凝結(jié)的霜逐漸融化，其表面溫度逐漸升高，當(dāng)溫度傳感器感受到冷凝器表面溫度上升到一定值時(shí)，溫控開關(guān)斷開，電加熱帶停止工作，完成除霜過程。

夏季當(dāng)空調(diào)持續(xù)工作為房間制冷時(shí)，溫差發(fā)電裝置也能利用制冷劑配管與室外的溫差產(chǎn)生電能儲(chǔ)存于蓄電池中，蓄電池中的電量又可以通過合理的電路設(shè)計(jì)供給原空調(diào)系統(tǒng)或者為家用小功率電器供電。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種由溫差發(fā)電機(jī)構(gòu)、蓄電機(jī)構(gòu)和電加熱機(jī)構(gòu)三大部分組成的基于塞貝克效應(yīng)的家用空調(diào)除霜裝置，該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：⑴避免了常用空調(diào)除霜方式的逆循環(huán)機(jī)制所帶來的能量消耗、機(jī)組損害和熱舒適度差的問題;（2）在夏季空調(diào)為房間制冷時(shí)，溫差發(fā)電裝置也能利用制冷劑配管與室外的溫差產(chǎn)生電能儲(chǔ)存于蓄電池中，蓄電池中的電量又可以通過合理的電路設(shè)計(jì)供給原空調(diào)系統(tǒng)或者為家用小功率電器供電。

該裝置在節(jié)能的基礎(chǔ)上大幅度的提高了空調(diào)除霜過程中室內(nèi)人員的熱舒適性，且精簡(jiǎn)高效，造價(jià)低，故而有很好的應(yīng)用前景。但是目前該裝置的設(shè)計(jì)還只是處于初步的理論階段，由于制冷劑中原本用于室內(nèi)制熱的熱量會(huì)被溫差發(fā)電機(jī)構(gòu)吸收一部分用于發(fā)電，因此需要對(duì)裝置的合理性進(jìn)行論證，除此之外還需要對(duì)裝置的溫差發(fā)電機(jī)構(gòu)進(jìn)行軟件模擬、對(duì)蓄電機(jī)構(gòu)進(jìn)行具體的電路設(shè)計(jì)以及確定裝置中各個(gè)部件的具體尺寸，繼而制作出實(shí)體裝置，通過實(shí)體裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，逐步改進(jìn)、完善裝置，使其能夠真正應(yīng)用到家用空調(diào)的生產(chǎn)中。

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課題來源：“基于塞貝克效應(yīng)的儲(chǔ)能除霜裝置”校基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：18ZRA018