基于相變儲(chǔ)能技術(shù)的木制恒溫酒柜設(shè)計(jì)研究?

黃瓊濤 彭文明 陳淑云

（宜華生活科技股份有限公司，廣東 汕頭 515834）

葡萄酒富含葡萄多酚，具有抗氧化、抗衰老及預(yù)防心血管疾病等諸多保健作用，因其酒精度低、色澤美，在長期形成的葡萄酒文化熏陶下，已成為高雅時(shí)尚、老少皆宜的飲品。在各種會(huì)議、社交聚會(huì)場合，葡萄酒更是成為飲品標(biāo)配，并逐漸進(jìn)入我國消費(fèi)者的日常生活，這就為儲(chǔ)藏保鮮葡萄酒的酒柜帶來了市場，尤其是高品質(zhì)、智能化、功能型酒柜的制造，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士眼中的朝陽產(chǎn)業(yè)[1-2]。在室內(nèi)裝修與家具領(lǐng)域，整木家居受到越來越多的關(guān)注與青睞[3]，天然木材制造、整體家裝渾然一體的效果成為現(xiàn)代家庭的時(shí)尚追求?，F(xiàn)階段，國內(nèi)的酒柜基本上停留在“擺放式”階段，真正可以溫濕度精準(zhǔn)控制的功能型酒柜仍待深度研究開發(fā)[4]。相變材料（phase-change material,PCM）的潛熱值大、儲(chǔ)熱密度大,且可實(shí)現(xiàn)近似等溫的儲(chǔ)放熱,有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，因而被廣泛應(yīng)用于太陽能熱利用、工業(yè)余熱回收、建筑節(jié)能以及白色家電等領(lǐng)域[5-6]。隨著相變儲(chǔ)熱技術(shù)和材料的推廣應(yīng)用，木質(zhì)相變儲(chǔ)能復(fù)合材料開始被嘗試應(yīng)用于家居領(lǐng)域[7]，但木質(zhì)材料均以碎末形式出現(xiàn)，以實(shí)木為基材的相變儲(chǔ)能材料制造家居產(chǎn)品未見報(bào)道，因此本文基于相變儲(chǔ)能技術(shù)研究設(shè)計(jì)了一種低噪聲、零振動(dòng)、無溫度波動(dòng)的木制恒溫酒柜，對木材加工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新和新材料的應(yīng)用進(jìn)行探索。

1 基于相變儲(chǔ)能技術(shù)的恒溫酒柜設(shè)計(jì)思路

1.1 葡萄酒儲(chǔ)存基本要求

葡萄酒是一種有生命的佳釀，會(huì)隨著陳放時(shí)間的延長逐漸熟化，且對外在環(huán)境因素如溫度、濕度、振動(dòng)、空氣等比較敏感，因此應(yīng)以科學(xué)的方式儲(chǔ)藏葡萄酒維持其芳醇美味[8]。葡萄酒的儲(chǔ)藏需要避光，最佳儲(chǔ)存溫度為12～14 ℃，并需盡可能保持恒溫，同時(shí)應(yīng)減少或避免震動(dòng)，防止酒瓶中的酒液因?qū)α鞫冑|(zhì)[2,9]。

1.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

傳統(tǒng)的葡萄酒儲(chǔ)藏方法是陳放在地下酒窖，利用酒窖環(huán)境滿足葡萄酒的儲(chǔ)藏要求，然而在現(xiàn)代城市中，普通家庭配置地下酒窖不現(xiàn)實(shí)，于是適于居家環(huán)境陳列且能滿足葡萄酒存儲(chǔ)保鮮的酒柜無疑是替代地下酒窖的最佳選擇[10]。本設(shè)計(jì)目標(biāo)是研制一種新型的木制酒柜，采用實(shí)木家具外在結(jié)構(gòu)，使酒柜能與整體木質(zhì)家裝融為一體，提升酒柜的品味、性能和消費(fèi)體驗(yàn)。

本設(shè)計(jì)的恒溫酒柜采用半導(dǎo)體制冷片調(diào)節(jié)溫度[11]，結(jié)合相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)熱、釋熱功能[12]，消減運(yùn)行過程中的溫度波動(dòng)，使酒柜內(nèi)部溫度控制在（13±1） ℃。利用制冷片調(diào)節(jié)溫度，速度快、使用壽命長，且易于控制。在調(diào)節(jié)過程中，可通過改變電流方向切換制冷或制熱狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)工作電流大小、制冷片通電個(gè)數(shù)或通電時(shí)間長短控制升溫或降溫速率，方便高效，同時(shí)還可以消除制冷劑可能對環(huán)境造成的污染，避免使用壓縮機(jī)調(diào)溫造成的震動(dòng)和運(yùn)行噪音。相變材料參與調(diào)溫，能有效減小溫度波動(dòng)。如遇突發(fā)停電，相變材料內(nèi)部預(yù)先存儲(chǔ)的潛熱（熱量或冷量）仍會(huì)持續(xù)放熱或吸熱，消減柜內(nèi)溫度變化，使之在40～60 min內(nèi)維持基本恒定。

柜內(nèi)預(yù)留循環(huán)風(fēng)道，存酒架采用欄柵式結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到柜內(nèi)通風(fēng)的目的。酒柜的門頁采用木材等不透明材料制作，實(shí)現(xiàn)酒柜內(nèi)外的光隔斷。為減少能量損失和溫度波動(dòng)，調(diào)溫單元的內(nèi)部風(fēng)道與柜外通過隔熱材料隔開，相變酒架和柜內(nèi)結(jié)構(gòu)之間有密封，柜門邊緣設(shè)置有密封圈，柜門閉合可封住相變酒架的兩個(gè)前端口，使柜內(nèi)空氣與外界隔離。

2 基于相變儲(chǔ)能技術(shù)的木制恒溫酒柜關(guān)鍵技術(shù)

2.1 相變木材儲(chǔ)能技術(shù)

2.1.1 相變儲(chǔ)能材料

相變材料的應(yīng)用原理，就是利用物質(zhì)不同相之間轉(zhuǎn)化過程中能吸收或釋放的熱量（即相變焓）。在相變過程中吸收或釋放的熱量不超過完全相變所需要的熱量時(shí)，相變材料的溫度會(huì)維持在一定溫度區(qū)間內(nèi)（相變溫度）[13]，相變過程的吸熱或放熱被稱作相變儲(chǔ)能（儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷）[14]，將相變材料應(yīng)用于儲(chǔ)存系統(tǒng)的保溫，有利于減緩內(nèi)部溫度波動(dòng)，并降低能耗[15]。常用的相變材料按相變形式可分為固-固、固-液、固-氣及液-氣四類[12]，按化學(xué)成分又可分為有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料及復(fù)合相變材料[13]。有機(jī)相變材料主要用于中低溫場景，無機(jī)相變材料一般用于高溫（190～900 ℃）場合，復(fù)合相變材料是指有機(jī)和無機(jī)相變共熔成型的相變材料[16]，不同組合和不同比例的復(fù)合材料有不同的物理性質(zhì)，如硬度、強(qiáng)度、相變溫度等。

2.1.2 相變木材

相變儲(chǔ)能材料由支撐材料和功能材料（相變材料）組成，將相變材料填充封裝于支撐材料中，使支撐材料基本保持原有的外形特征及力學(xué)性能，同時(shí)還賦予相變材料吸熱和放熱的功能[17]。一般是將固-固或固-液相變材料填充于均勻分布的孔狀結(jié)構(gòu)材料中并進(jìn)行封裝，將相變材料膠囊化就是一種封裝固-液相變材料的有效方法[18]。本文所述恒溫酒柜中的相變木材，是將輕質(zhì)木材置于真空浸漬罐中抽真空，加入微膠囊化的相變材料，木材全部浸入溶液后加壓，再重復(fù)“真空-加壓”循環(huán)2～3次，相變?nèi)芤壕鶆蚪肽静闹?，隨后對木材進(jìn)行干燥，干燥處理后的木材形狀穩(wěn)定，保持了組織的分層結(jié)構(gòu)及抗拉強(qiáng)度、剛性等力學(xué)性能[19-21]，將其加工成酒柜部件，不僅具有吸熱和放熱特性，而且還擁有調(diào)節(jié)溫度功能。

2.2 半導(dǎo)體溫度調(diào)節(jié)技術(shù)

半導(dǎo)體制冷片也叫電熱制冷器（Thermo Electric Cooler，簡稱TEC），其原理基于1834年法國科學(xué)家珀?duì)栙N（Peltier）發(fā)現(xiàn)的溫差電效應(yīng)[15-17]。當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的電偶對通入電流時(shí)，兩端之間就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，在P端和N端之間產(chǎn)生溫差形成冷熱端。將多個(gè)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的N、P之間利用銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接成完整線路，再由兩片絕緣且導(dǎo)熱良好的陶瓷片以“夾心餅”方式組合，以此方法制成半導(dǎo)體制冷片，兩個(gè)陶瓷面一個(gè)制冷一個(gè)制熱（見圖1）。以型號TEC1-12703為例，其制冷面有127對熱電偶，允許電流為3A，當(dāng)電流從N端流向P端時(shí)，使用金屬連接P端和N端的一側(cè)制冷，與該金屬材料連接的陶瓷面即為制冷面，另一個(gè)陶瓷面則為制熱面；當(dāng)電流從P端流向N端時(shí)，使用金屬連接的P和N側(cè)制熱，與從P端到N端連接的陶瓷面為制熱端，通電工作時(shí)，不斷將熱端的熱量帶走，冷端則不斷吸熱。將制冷片上的熱量不斷送入酒柜，即可對酒柜加熱升溫；使制冷片上的冷端不斷吸收酒柜中的熱量，即可對酒柜冷卻降溫[22]。

圖1 半導(dǎo)體制冷原理圖Fig. 1 Schematic diagram of semiconductor refrigeration

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本例酒柜采用木制零部件結(jié)構(gòu)形式與外觀，為了提升產(chǎn)品檔次，酒柜可視部位均首選柚木等珍貴樹種木材制作，并根據(jù)家裝風(fēng)格和用戶審美要求進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)，整體風(fēng)格高端大氣，充分展現(xiàn)了酒柜的美學(xué)效果和文化內(nèi)涵，如圖2所示。由于天然林柚木商品材資源短缺，而人工林小徑柚木因其培育周期短，成材快，價(jià)位低，將有可能成為柚木商品材的主要來源[23]，故本實(shí)例中以人工林小徑柚木代替天然林柚木，加工后產(chǎn)品性能和感觀效果良好。

圖2 恒溫酒柜設(shè)計(jì)圖Fig. 2 Design drawing of constant temperature wine cabinet

內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)開發(fā)，溫度調(diào)節(jié)單元設(shè)置在酒柜中下部；控制計(jì)算機(jī)設(shè)置在兩側(cè)下端；存酒架由相變木材制作而成，不僅起到陳放酒品的作用，其吸熱和放熱功能在調(diào)溫過程中可消減柜內(nèi)溫度的波動(dòng)，在相變木存酒架中的焓值沒有釋放完全的情況下，剩余焓值在停電時(shí)還可繼續(xù)發(fā)揮自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的作用。

2.3.1 溫度調(diào)節(jié)單元

溫度調(diào)節(jié)單元安裝于酒柜中間下端。本實(shí)例設(shè)置7對半導(dǎo)體制冷片，分成5組，分別由5個(gè)無觸點(diǎn)開關(guān)控制其電流的通斷（見圖3）。通過固定架、固定框安裝固定制冷片和散熱器，散熱器1和導(dǎo)熱塊緊密連接，導(dǎo)熱塊與制冷片的陶瓷面連接，散熱器2通過同樣方式連接制冷片的另一個(gè)陶瓷面。溫度調(diào)節(jié)單元通過安裝架固定于酒柜底板上，上部與支撐板接觸，形成內(nèi)、外兩個(gè)風(fēng)道，散熱器1設(shè)置在內(nèi)風(fēng)道，在風(fēng)扇1作用下，散熱器1上的熱量或冷量隨著柜內(nèi)空氣的流動(dòng)，調(diào)節(jié)柜內(nèi)溫度。散熱器2設(shè)置在柜外循環(huán)風(fēng)道中，在調(diào)溫單元調(diào)節(jié)溫度過程中，將散熱器2上的熱量或冷量帶至柜外（見圖4）。

圖3 溫度調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of temperature regulating unit

圖4 外風(fēng)道示意圖Fig. 4 Schematic diagram of external air duct

本實(shí)例中，存酒架由相變木材制成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。存酒格設(shè)置成水平方向，以使軟木塞得到瓶內(nèi)葡萄酒的浸潤，避免軟木塞因干縮松動(dòng)導(dǎo)致空氣進(jìn)入瓶中而使葡萄酒變質(zhì)。存酒格下端加工成槽型結(jié)構(gòu)G3，防止酒瓶左右晃動(dòng)，存酒格左右兩側(cè)加工成長形孔G2和G1。結(jié)合圖3與圖5可知，其調(diào)溫過程中，氣流從T風(fēng)口2進(jìn)入，經(jīng)G1流向G2，再經(jīng)過T風(fēng)口1進(jìn)入溫度調(diào)節(jié)單元，與散熱器1進(jìn)行熱交換。底部加工的通風(fēng)孔1和2是為了保證控制單元和開關(guān)電源正常工作而設(shè)置的通風(fēng)散熱孔。

圖5 存酒架結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Schematic diagram of winerack

2.3.2 隔熱材料選用

酒柜內(nèi)、外部環(huán)境以輕木實(shí)現(xiàn)熱隔斷。輕木（Orchromalagopus）的氣干密度為1.9 g/cm3，內(nèi)部有許多孔隙，是一種可加工成各種造型的天然環(huán)保隔熱材料[24-25]。將輕木按設(shè)計(jì)方案要求的造型和規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，然后在其表面噴涂UV漆(紫外線光固化涂料，也稱光引發(fā)涂料、光固化涂料)[26]，環(huán)保無污染且耐久性強(qiáng)，其隔熱防潮性能可滿足本設(shè)計(jì)要求。

2.3.3 溫度調(diào)節(jié)單元的電控過程

1）電氣控制原理。酒柜控制由可編程邏輯控制器（PLC）完成，電氣原理見圖6。酒柜設(shè)置4個(gè)溫度傳感器，分別檢測柜內(nèi)存酒區(qū)域溫度、柜外環(huán)境溫度、散熱器1和散熱器2的溫度，溫度傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻[27]。酒柜的制冷和制熱功能由2個(gè)專用的220 V交流轉(zhuǎn)12 V直流的電源控制，12 V電源1和電源2,分別由Y6和Y7輸出控制，當(dāng)環(huán)境溫度大于存酒區(qū)溫度時(shí)，Y6輸出，A6使K1閉合，制冷電源供電；當(dāng)環(huán)境溫度小于存酒區(qū)溫度時(shí)，Y7輸出，A7使K2閉合，制熱電源供電。制冷片投入組數(shù)根據(jù)散熱器1和目標(biāo)溫度13 ℃的溫差控制，差值越大，控制投入運(yùn)行的制冷片投入的組數(shù)越多，反之投入組數(shù)越少。

圖6 控制電路圖Fig.6 Control circuit diagram

2）溫度調(diào)控過程。酒柜的溫度調(diào)節(jié)由半導(dǎo)體制冷單元結(jié)合相變木材的潛熱功能實(shí)現(xiàn)，相變木材的相變溫度設(shè)置為13 ℃。當(dāng)PLC測得外部環(huán)境溫度大（?。┯谀繕?biāo)溫度13 ℃時(shí)，半導(dǎo)體制冷將柜內(nèi)溫度逐漸下降（上升），以維持目標(biāo)溫度。為使相變木材的潛熱功能得到充分利用，系統(tǒng)制熱時(shí)需將柜內(nèi)溫度調(diào)至葡萄酒最佳存儲(chǔ)溫度的上限；反之，當(dāng)系統(tǒng)需要制冷時(shí)，則需將柜內(nèi)溫度調(diào)至最佳存儲(chǔ)溫度的下限。本實(shí)例中，溫度上限設(shè)置為13.1 ℃，下限設(shè)置為12.9 ℃，具體控制過程是通過半導(dǎo)體制冷單元將散熱器1的溫度控制在13.1 ℃（升溫時(shí)）或12.9 ℃（降溫時(shí)），通過風(fēng)扇1不斷循環(huán)，使柜內(nèi)溫度達(dá)到散熱器1的溫度。

溫度控制過程有起始和維持平衡兩個(gè)階段。起始階段，PLC根據(jù)溫度差進(jìn)行控制，當(dāng)溫度大于（13+5） ℃，制冷單元啟動(dòng)后制冷片全部啟動(dòng)開始制冷，每降低1℃切斷一組制冷單元。當(dāng)溫度降低至14 ℃時(shí)，剩下一組制冷單元作用，直到散熱器1溫度降至12.9 ℃，風(fēng)扇1持續(xù)運(yùn)行，使柜內(nèi)溫度達(dá)到散熱器1的溫度，制冷單元停止運(yùn)行。起始階段從13 ℃以下啟動(dòng)時(shí)，其過程以同樣的模式逆向運(yùn)行。制冷片的投入和切除由5個(gè)無觸點(diǎn)開關(guān)控制[28]，無觸點(diǎn)開關(guān)SSR1～SSR5分別對應(yīng)控制一至五組制冷片，制冷單元切除順序是從一組到五組依次切除，調(diào)整階段只有第五組參與運(yùn)行，在這個(gè)階段，以通電時(shí)間長短控制制冷片溫度。制冷單元停止運(yùn)行后，由相變木材儲(chǔ)存的熱量或冷量維持柜內(nèi)溫度恒定；柜內(nèi)溫度超出12.9～13.1 ℃范圍時(shí)，半導(dǎo)體制冷元件自行啟動(dòng)參與溫度調(diào)節(jié)[29]，使散熱器1上的溫度調(diào)整至12.9 ℃或13.1 ℃。再通過風(fēng)扇1使儲(chǔ)藏區(qū)溫度達(dá)到散熱器1的溫度。

3 結(jié)語

采用木材制作酒柜，可滿足葡萄酒儲(chǔ)藏避光的要求。利用半導(dǎo)體制冷片作為溫度調(diào)節(jié)的主要元件，結(jié)合相變儲(chǔ)能材料的吸熱和放熱作用，并根據(jù)結(jié)構(gòu)材料和相變材料加工特性進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造[30]，使恒溫酒柜在保持木制酒柜天然木材美感的同時(shí)，具有零震動(dòng)、低噪音、溫度無波動(dòng)（允許范圍內(nèi)波動(dòng)最小化）的特性，且在突然斷電時(shí)，相變木材短時(shí)間內(nèi)通過釋放儲(chǔ)藏的能量可保持酒柜溫度恒定，為葡萄酒的儲(chǔ)藏保鮮提供良好條件。本文對基于相變儲(chǔ)能技術(shù)的木制恒溫酒柜進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，是對木材工業(yè)新材料的應(yīng)用與產(chǎn)品創(chuàng)新的一次有益嘗試與探索。