基于相變儲能技術(shù)的木制恒溫酒柜設(shè)計研究?

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，已成為高雅時尚、老少皆宜的飲品。在各種會議、社交聚會場合，葡萄酒更是成為飲品標(biāo)配，并逐漸進入我國消費者的日常生活，這就為儲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、儲熱密度大,且可實現(xiàn)近似等溫的儲放熱,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]。隨著相變儲熱技術(shù)和材料的推廣應(yīng)用，木質(zhì)相變儲能復(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)，以實木為基材的相變儲能材料制造家居產(chǎn)品未見報道，因此本文基于相變儲能技術(shù)研究設(shè)計了一種低噪聲、零振動、無溫度波動的木制恒溫酒柜，對木材加工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新和新材料的應(yīng)用進行探索。

1 基于相變儲能技術(shù)的恒溫酒柜設(shè)計思路

1.1 葡萄酒儲存基本要求

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

1.2 設(shè)計要點

傳統(tǒng)的葡萄酒儲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，于是適于居家環(huán)境陳列且能滿足葡萄酒存儲保鮮的酒柜無疑是替代地下酒窖的最佳選擇[10]。本設(shè)計目標(biāo)是研制一種新型的木制酒柜，采用實木家具外在結(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、性能和消費體驗。

本設(shè)計的恒溫酒柜采用半導(dǎo)體制冷片調(diào)節(jié)溫度[11]，結(jié)合相變儲能材料的儲熱、釋熱功能[12]，消減運行過程中的溫度波動，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、制冷片通電個數(shù)或通電時間長短控制升溫或降溫速率，方便高效，同時還可以消除制冷劑可能對環(huán)境造成的污染，避免使用壓縮機調(diào)溫造成的震動和運行噪音。相變材料參與調(diào)溫，能有效減小溫度波動。如遇突發(fā)停電，相變材料內(nèi)部預(yù)先存儲的潛熱（熱量或冷量）仍會持續(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，實現(xiàn)酒柜內(nèi)外的光隔斷。為減少能量損失和溫度波動，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前端口，使柜內(nèi)空氣與外界隔離。

2 基于相變儲能技術(shù)的木制恒溫酒柜關(guān)鍵技術(shù)

2.1 相變木材儲能技術(shù)

2.1.1 相變儲能材料

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，相變材料的溫度會維持在一定溫度區(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能（儲熱和儲冷）[14]，將相變材料應(yīng)用于儲存系統(tǒng)的保溫，有利于減緩內(nèi)部溫度波動，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)成分又可分為有機相變材料、無機相變材料及復(fù)合相變材料[13]。有機相變材料主要用于中低溫場景，無機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和無機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、強度、相變溫度等。

2.1.2 相變木材

相變儲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)家珀爾貼（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，兩端之間就會產(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，兩個陶瓷面一個制冷一個制熱（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，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，另一個陶瓷面則為制熱面；當(dāng)電流從P端流向N端時，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，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)計實例

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行工業(yè)設(shè)計，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，價位低，將有可能成為柚木商品材的主要來源[23]，故本實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)計開發(fā)，溫度調(diào)節(jié)單元設(shè)置在酒柜中下部；控制計算機設(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，在相變木存酒架中的焓值沒有釋放完全的情況下，剩余焓值在停電時還可繼續(xù)發(fā)揮自動調(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。本實例設(shè)置7對半導(dǎo)體制冷片，分成5組，分別由5個無觸點開關(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，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導(dǎo)致空氣進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，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進入，經(jīng)G1流向G2，再經(jīng)過T風(fēng)口1進入溫度調(diào)節(jié)單元，與散熱器1進行熱交換。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)計方案要求的造型和規(guī)格進行設(shè)計制作，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，其隔熱防潮性能可滿足本設(shè)計要求。

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，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，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，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)制熱時需將柜內(nèi)溫度調(diào)至葡萄酒最佳存儲溫度的上限；反之，當(dāng)系統(tǒng)需要制冷時，則需將柜內(nèi)溫度調(diào)至最佳存儲溫度的下限。本實例中，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）或12.9 ℃（降溫時），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階段。起始階段，PLC根據(jù)溫度差進行控制，當(dāng)溫度大于（13+5） ℃，制冷單元啟動后制冷片全部啟動開始制冷，每降低1℃切斷一組制冷單元。當(dāng)溫度降低至14 ℃時，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)運行，使柜內(nèi)溫度達(dá)到散熱器1的溫度，制冷單元停止運行。起始階段從13 ℃以下啟動時，其過程以同樣的模式逆向運行。制冷片的投入和切除由5個無觸點開關(guān)控制[28]，無觸點開關(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行，在這個階段，以通電時間長短控制制冷片溫度。制冷單元停止運行后，由相變木材儲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，半導(dǎo)體制冷元件自行啟動參與溫度調(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行產(chǎn)品設(shè)計和制造[30]，使恒溫酒柜在保持木制酒柜天然木材美感的同時，具有零震動、低噪音、溫度無波動（允許范圍內(nèi)波動最小化）的特性，且在突然斷電時，相變木材短時間內(nèi)通過釋放儲藏的能量可保持酒柜溫度恒定，為葡萄酒的儲藏保鮮提供良好條件。本文對基于相變儲能技術(shù)的木制恒溫酒柜進行設(shè)計研究，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。