半導(dǎo)體冷熱墻的實驗研究

0 引言

在武漢為代表的夏熱冬冷地區(qū)，住宅采用外圍護結(jié)構(gòu)保溫技術(shù)，室內(nèi)的冷熱負荷均滿足近零能耗建筑對房屋制冷、采暖需求的要求。但夏季公共建筑的冷負荷還是偏大，還是需要采用空調(diào)制冷設(shè)備來滿足室內(nèi)的溫度要求，不過相比外圍護結(jié)構(gòu)不保溫的建筑，其冷負荷大大減小，室內(nèi)的冷負荷指標不超過50W/m2，可以采用半導(dǎo)體制冷這種綠色冷源[1]。

1 半導(dǎo)體冷熱墻的介紹

在兩種不同金屬組成的閉合線路中，通以直流電，一個接觸點就會變冷，另一個接觸點就會變熱，這種珀爾貼效應(yīng)，也是半導(dǎo)體制冷的基本原理[2]，如圖1。

圖1 半導(dǎo)體制冷原理圖

半導(dǎo)體制冷是一種固體制冷，主要是靠空穴和電子在運動中直接傳遞熱量來實現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的壓縮機制冷系統(tǒng)相比，沒有機械轉(zhuǎn)動部分，不需有污染的制冷劑，沒有噪聲，無污染，可靠性較高，壽命長，而且電流反向就可以變成加熱，便于恒溫控制等。

半導(dǎo)體冷熱墻的結(jié)構(gòu)如圖2，具體尺寸為500mm×250mm×250mm，大小與建筑使用的加氣混凝土砌塊一樣，鋁 板 厚 度3mm，鋁棒尺寸為250mm×50mm×50mm。半導(dǎo)體片、鋁板、鋁棒之間用導(dǎo)熱硅膠連接，保證能很好地傳熱。

圖2 半導(dǎo)體冷熱墻結(jié)構(gòu)圖

半導(dǎo)體冷熱墻的原理是對半導(dǎo)體通電后，與室內(nèi)鋁棒相連的面是冷端，半導(dǎo)體與鋁棒相連的面是熱端，熱量經(jīng)過鋁棒傳給室內(nèi)的鋁板，再由鋁板與室內(nèi)空氣自然對流換熱，室內(nèi)的鋁板與室內(nèi)空氣自然對流，將冷量傳到室內(nèi)。若需要采暖，將半導(dǎo)體片與電源反接，室內(nèi)鋁板就變成熱端。

2 半導(dǎo)體制冷量的計算

根據(jù)半導(dǎo)體片的熱電制冷原理，根據(jù)測得的半導(dǎo)體冷熱端溫差、電壓及電流，可以計算出半導(dǎo)體制冷原件的特性參數(shù)[3]。

式中，α——制冷片的塞貝克系數(shù)，V/K；U——供電電壓，V；I——制冷元件的工作電流，A；ΔT——制冷元件的冷熱端溫差，K。

式中，Qc——半導(dǎo)體元件的制冷量，W；Th——半導(dǎo)體制冷片熱端的溫度，K；Tc——半導(dǎo)體制冷片冷端的溫度，K；R——半導(dǎo)體制冷片的電阻，Ω；K——半導(dǎo)體制冷片的導(dǎo)熱系數(shù)，W/K。

制冷片的輸入功率為：N=αI（Th-Tc）+I2R

式中，N——半導(dǎo)體制冷片的輸入功率，W；

式中，ε——半導(dǎo)體制冷片的制冷效率；Qc——半導(dǎo)體元件的制冷量，W；N——半導(dǎo)體制冷片的輸入功率，W。

3 半導(dǎo)體冷熱墻的實驗研究

3.1 實驗?zāi)康募皽y試內(nèi)容

本實驗主要是對半導(dǎo)體冷熱墻的傳熱效果及半導(dǎo)體制冷片的制冷效果進行測試，主要測試的內(nèi)容有[4]：①通過半導(dǎo)體制冷片的工作電流及工作電壓，計算分析半導(dǎo)體冷熱墻中制冷片的制冷量及制冷率。②測量半導(dǎo)體冷熱墻中鋁棒的溫度分布情況，主要是分析鋁棒的傳熱效果。③對冷熱端的鋁板表面的溫度進行測試，了解鋁板的表面溫度分布情況。

3.2 實驗系統(tǒng)與測試儀器

根據(jù)半導(dǎo)體冷熱墻的系統(tǒng)組成選擇材料，半導(dǎo)體選用Tec1-12706，外形尺寸為40mm×40mm×3.8mm，阻值1.95～2.15Ω，最大溫差為65℃～69℃，最大工作電壓15.4VDC，12VDC時的最大工作電流為4.7A，最大制冷功率56W。

利用硅酮導(dǎo)熱膠將鋁板與鋁棒、鋁棒與半導(dǎo)體片、半導(dǎo)體片與鋁棒按照圖2黏在一起，鋁板、鋁棒連之間需用砂紙進行打磨，保證半導(dǎo)體冷熱墻的牢固性。

由于半導(dǎo)體制冷片需要不超過15.4V的直流電壓，還需要一個開關(guān)電源，輸入電壓為240VAC，輸出電壓為12VDC，這樣就能保證半導(dǎo)體制冷片能正常的工作[5]。

實驗中的測試儀器有電流表、電壓表、溫度計。溫度計用熱電偶溫度計，有熱電偶、導(dǎo)線和顯示儀表組成，精度為0.1℃

3.3 實驗數(shù)據(jù)整理與分析

3.3.1 半導(dǎo)體制冷片的電壓、電流測試

用電流表、電壓表對通過半導(dǎo)體制冷片的電流及兩端的電壓進行測試，到半導(dǎo)體制冷片達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，半導(dǎo)體制冷片兩端的工作電壓基本不變，為12V。通過半導(dǎo)體制冷片的最大電流為3.5A，半導(dǎo)體制冷片工作60min后，工作電流降為2.8A，之后，電流趨于穩(wěn)定，保持不變。

3.3.2 鋁棒的溫度分布測試

用熱電偶溫度計對鋁棒表面的溫度進行測試，鋁棒長度為250mm，為更好地了解鋁板的傳熱效果及其溫度分布，布置6個測點，測點均勻布置。

為了測試鋁板的傳熱效果，對半導(dǎo)體冷熱墻在連續(xù)工作4小時鋁棒表面的溫度進行測試，鋁板最初的溫度為14.8℃，運行8min后，鋁板溫度達到最低溫度11.8℃，之后鋁板溫度緩慢上升，4h后，鋁板中心的溫度為22.0℃，冷熱端的換熱也達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。熱端鋁板溫度先上升后趨于穩(wěn)定，開始階段鋁板溫度為14.8℃，90min后，熱端鋁板中心溫度上升到46.3℃，再往后，鋁板中心的溫度變化不大，最高溫度為48.2℃。

在半導(dǎo)體制冷片工作的前120min，導(dǎo)熱鋁板各測點的溫度逐漸上升，離半導(dǎo)體制冷片熱端越近，測點的溫度越高，各測點之間的溫差大小相差不大，同一時刻，相鄰兩測點的溫差為2℃～3.7℃。

3.3.3 冷端鋁板溫度測試

為測試鋁板與室內(nèi)空氣通過自然對流與輻射的換熱效果，對冷端鋁板表面的溫度進行測試，布置17個測點，測點沿鋁板表面中心線均勻布置。

每隔半小時記錄各測點的溫度，120min后，冷端鋁板的溫度基本達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)，在30min時，鋁板各測點的溫度都較低，此時的制冷效果較好，中心位置的溫度最低，為9.1℃，鋁板邊緣處的溫度為9.8℃。到60min時，鋁板各測點的溫度為15℃～16℃，此時鋁板中心的溫度比邊緣處高些，這是因為半導(dǎo)體冷熱端的溫度沒有及時地散出去，導(dǎo)致制冷效果變差，半導(dǎo)體形成串熱，之后的變化規(guī)律相似，鋁板表面的溫度緩慢升高，120min時冷熱達到平衡狀態(tài)，各測點的溫度也相近。

3.3.4 熱端鋁板溫度測試

為測試鋁板與室外空氣通過自然對流與輻射的換熱效果，對熱端鋁板表面的溫度進行測試，測點的布置與冷端的一樣。

每隔一小時記錄各測點的溫度，4小時后，熱端鋁板的溫度基本達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。在1h時，熱端鋁板各測點的溫度相差較大，熱端鋁板的溫度較低，此時的制冷效果較好，中心位置的溫度比兩端的溫度高大約10℃，鋁板中心的溫度為41.7℃。到2h時，鋁板中心測點的溫度為47℃，此時鋁板中心的溫度基本達到平衡，再工作2h后，鋁板中心的溫度為47.6℃，與之前升高了只有0.6℃。在4h時，與3h時各測點的溫度相比，還略低2℃左右，說明此時半導(dǎo)體制冷片的散熱達到的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

3.3.5 半導(dǎo)體冷熱墻制冷量的計算

利用半導(dǎo)體制冷量的計算公式，對達到穩(wěn)定狀態(tài)的半導(dǎo)體冷熱墻的制冷量進行計算[5]。穩(wěn)定狀態(tài)時，半導(dǎo)體冷熱墻冷端的溫度為21.1℃，半導(dǎo)體冷熱墻熱端的溫度為70.3℃，半導(dǎo)體制冷片的工作電壓為12V，通過半導(dǎo)體制冷片的電流為2.8A，再利用Tecl-12706半導(dǎo)體制冷片的具體參數(shù)，對半導(dǎo)體冷熱墻的制冷量進行計算。

半導(dǎo)體冷熱墻的制冷量為：

4 半導(dǎo)體制冷強化換熱的實驗研究

為了更好地了解半導(dǎo)體制冷傳熱的過程及影響制冷效果的因素，建立一個小型的半導(dǎo)體制冷換熱模型，通過實驗來研究增大冷端的散熱面積、熱端采用強制對流散熱對半導(dǎo)體制冷的影響。

4.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)需要做一個小型簡單的半導(dǎo)體制冷模型，具體由半導(dǎo)體制冷片Tec1-12706、鋁板、小風(fēng)扇組成。設(shè)計4個實驗來分析增強熱端散熱和增強冷端換熱對半導(dǎo)體制冷的影響。

實驗一：用導(dǎo)熱硅膠將半導(dǎo)體制冷片的熱端與20mm厚鋁板的相連，冷端與40mm×40mm×1mm（厚）的鋁板相連，熱端鋁板的兩側(cè)用1mm厚的鋁板做2個肋片。

實驗二：在實驗一半導(dǎo)體制冷模塊的基礎(chǔ)上，在熱端鋁板上加以小風(fēng)扇，增強鋁板的對流換熱。

實驗三，在實驗一半導(dǎo)體制冷模塊的基礎(chǔ)上，在冷端鋁板上再連160mm×160mm（長×寬）的鋁板，冷端的自然換熱面積增加了15倍。

實驗四：綜合實驗二與實驗三，冷端增大自然對流換熱面積，熱端加風(fēng)扇增強對流換熱。

4.2 實驗結(jié)果分析

①對半導(dǎo)體制冷模塊通12V的直流電壓，實驗一中半導(dǎo)體制冷片兩端的電壓為12V，電壓變化不大，通過半導(dǎo)體制冷片的電流在最初時刻其值最大，達到4.5A，受冷熱端鋁板散熱效果的影響，工作電流慢慢減小，工作10min，由3.2A降至2.6A，之后電流趨于穩(wěn)定。冷端鋁板中心的溫度先迅速降低，之后溫度逐漸升高，而熱端鋁板中心的溫度緩慢升高。冷端鋁板的溫度在1min內(nèi)由14.3℃降至最低溫度1.9℃，工作10min后，冷端鋁板溫度已達34.0℃，此時已達不到我們所需的制冷目的，冷熱端的散熱效果都不好。

②對半導(dǎo)體制冷模塊通12V的直流電壓，實驗二中半導(dǎo)體制冷片兩端的電壓為12V，電壓變化不大，通過半導(dǎo)體制冷片的電流在最初時刻其值最大，達到4.5A，受冷熱端鋁板散熱效果的影響，工作電流慢慢減小，工作20min，由3.2A降至2.7A，之后電流趨于穩(wěn)定。冷端鋁板中心的溫度先迅速降低，之后溫度逐漸升高，而熱端鋁板中心的溫度緩慢升高。冷端鋁板的溫度在1min內(nèi)由14.3℃降至最低溫度1.5℃，工作10min后，冷端鋁板溫度為19.7℃，之后冷端鋁板的溫度升溫幅度較小，冷熱端鋁板換熱基本達到平衡；10min內(nèi)，熱端鋁板的溫度由14.3℃升至32.2℃，之后熱端鋁板的溫度趨于穩(wěn)定，最高溫度為33.8℃。說明開了熱端風(fēng)扇后，熱端鋁板的散熱明顯增強，半導(dǎo)體制冷片的制冷效果較好。

③對半導(dǎo)體制冷模塊通12V的直流電壓，實驗三中半導(dǎo)體制冷片兩端的電壓為12V，電壓變化不大，通過半導(dǎo)體制冷片的電流在最初時刻其值最大，達到4.5A，受冷熱端鋁板散熱效果的影響，工作電流慢慢減小，工作10min，由3.1A降至2.5A，之后電流趨于穩(wěn)定。冷端鋁板中心的溫度先迅速降低，之后溫度逐漸升高，而熱端鋁板中心的溫度緩慢升高。冷端鋁板的溫度在1min內(nèi)由14.8℃降至9.0℃，因為此時冷端的鋁板厚度為2mm，而上兩個實驗中冷端鋁板的厚度為1mm，冷端鋁板的最低溫度與前面相比高了近7℃，工作10min后，冷端鋁板溫度已達30.4℃，此時已達不到我們所需的制冷目的，說明靠增大冷端鋁板的面積對半導(dǎo)體制冷片的制冷效果并不是很好。

④對半導(dǎo)體制冷模塊通12V的直流電壓，實驗四中半導(dǎo)體制冷片兩端的電壓為12V，電壓變化不大，通過半導(dǎo)體制冷片的電流在最初時刻其值最大，達到4.5A，受冷熱端鋁板散熱效果的影響，工作電流慢慢減小，工作20min，由3.1A降至2.5A，之后電流趨于穩(wěn)定。冷端鋁板中心的溫度先迅速降低，之后溫度逐漸升高，而熱端鋁板中心的溫度緩慢升高。冷端鋁板的溫度在1min內(nèi)由14.3℃降至最低溫度9.0℃，工作10min后，冷端鋁板溫度為20.2℃，之后冷端鋁板的溫度升溫幅度較小，冷熱端鋁板換熱基本達到平衡；10min內(nèi)，熱端鋁板的溫度由14.3℃升至35.5℃，之后熱端鋁板的溫度趨于穩(wěn)定，最高溫度為38.8℃。說明通過增強半導(dǎo)體制冷片冷熱兩端的換熱，可以提高半導(dǎo)體制冷片的制冷效果。

5 半導(dǎo)體冷熱墻的優(yōu)化設(shè)計

5.1 增強半導(dǎo)體制冷片冷熱端的換熱

增強半導(dǎo)體制冷片冷熱端的換熱可以提高半導(dǎo)體制冷片的制冷效率[6]。為增強半導(dǎo)體制冷片冷熱端的換熱，在冷熱端的鋁板上再增加一種導(dǎo)熱材料超導(dǎo)熱納米板，超導(dǎo)熱納米板在地板輻射采暖中應(yīng)用較多，其導(dǎo)熱速度是普通金屬材料的六倍，具有單向?qū)峁δ堋Ｔ诎雽?dǎo)體冷熱墻的內(nèi)外墻北側(cè)都加一層超導(dǎo)熱納米板，就可以把單個的半導(dǎo)體冷熱墻砌塊連成一個整體，更有利于半導(dǎo)體制冷片冷熱端的換熱。對冷端，在室內(nèi)由于超導(dǎo)熱納米板，可以改善半導(dǎo)體冷熱墻帶來的墻體局部溫度過低的現(xiàn)象，使室內(nèi)環(huán)境溫度更加的均衡。

5.2 減少半導(dǎo)體制冷片冷熱端的串熱

在進行半導(dǎo)體冷熱墻實驗過程中，半導(dǎo)體制冷片冷端的溫度先降低，后都會升高，這主要是由于半導(dǎo)體制冷片較薄，半導(dǎo)體制冷片冷熱端沒有完全絕熱，同時半導(dǎo)體制冷片本身是個半導(dǎo)體，也有一定的導(dǎo)熱能力。在半導(dǎo)體制冷片冷熱端散熱不及時，熱量就會通過半導(dǎo)體制冷片及縫隙傳到半導(dǎo)體制冷片的冷端，造成冷熱抵消，甚至冷端溫度升高的現(xiàn)象，這是要避免的。在實驗研究中，由于工作環(huán)境及條件的限制，在制作半導(dǎo)體冷熱墻模塊中，沒有使用好的制作工藝，出現(xiàn)半導(dǎo)體冷熱端串熱現(xiàn)象。實際應(yīng)用過程中，半導(dǎo)體制冷片冷熱端應(yīng)采用絕熱板隔絕，中間還要填充絕熱材料，保證半導(dǎo)體制冷片冷熱端不會通過縫隙或?qū)岵牧闲纬纱疅?。做好半?dǎo)體冷熱墻制冷片兩端的串熱問題，解決半導(dǎo)體冷熱墻室內(nèi)冷端溫度較高的問題，提高半導(dǎo)體制冷片的制冷效率。

6 結(jié)語

通過對半導(dǎo)體冷熱墻及半導(dǎo)體制冷片的實驗研究，可得出以下結(jié)論：①穩(wěn)定狀態(tài)下，半導(dǎo)體冷熱墻模塊的工作電壓為12V，工作電流為2.8A，制冷量為20.8W，制冷效率為38%。②對于半導(dǎo)體制冷片，增強半導(dǎo)體制冷片冷熱兩端的換熱及做好絕熱，可以提高半導(dǎo)體制冷片的制冷效果，增強熱端的換熱比增強冷端的換熱效果好些。