(內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 包頭 014010)

為了營造舒適性局域環(huán)境，日本三菱重工首次研制出頂置吹風(fēng)式空調(diào)傘，并提出熱風(fēng)幕空調(diào)傘達(dá)到制冷效果的最佳高徑比為1.0～1.2[1]。何麗娟等[2-3]在相同送、回風(fēng)速及測試條件(環(huán)境溫度37 ℃)下對氣幕式空調(diào)傘傘內(nèi)溫度場進行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)幕空調(diào)傘內(nèi)風(fēng)幕環(huán)形送風(fēng)口處溫度為11.8 ℃，環(huán)形回風(fēng)口處溫度為18.6 ℃；而冷風(fēng)幕空調(diào)傘內(nèi)風(fēng)幕環(huán)形送風(fēng)口處溫度為23.2 ℃，環(huán)形回風(fēng)口處溫度為25.5 ℃，同時對熱風(fēng)幕氣幕式空調(diào)傘空調(diào)區(qū)流場和溫度場進行了實驗研究，結(jié)果表明：熱風(fēng)幕氣幕式空調(diào)傘最佳制冷高徑比為1.2和2，但氣幕式空調(diào)傘仍存在耗電量大、不便攜帶等缺點。近年來一種新興起的太陽能發(fā)電技術(shù)在小空間建筑中得到廣泛應(yīng)用[4]，太陽能發(fā)電技術(shù)具有持續(xù)供給、穩(wěn)定發(fā)電、無污染、舒緩高峰電力需求等優(yōu)點[5]。郭領(lǐng)波等[6]提出一種室外太陽能空調(diào)傘，該空調(diào)傘通過太陽薄膜電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，以該電能作為制冷系統(tǒng)的直流電源驅(qū)動壓縮式制冷系統(tǒng)運行達(dá)到制冷效果，但太陽能空調(diào)傘只能解決耗電量的問題，仍存在壓縮式制冷系統(tǒng)體積龐大、不易維修等缺點。

針對上述問題，學(xué)者致力于尋找新的空調(diào)傘制冷方法。近年來半導(dǎo)體制冷技術(shù)發(fā)展迅猛，具有體積小、無復(fù)雜的傳動元件、工作穩(wěn)定、制冷迅速、操作簡便、溫度控制精確、無噪音等優(yōu)點[7-10]。1834年德國物理學(xué)家珀爾帖在實驗中發(fā)現(xiàn)在不同半導(dǎo)體的結(jié)點處有電流通過時會產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象[11]，由此，鄭愛平[12]依據(jù)通電半導(dǎo)體吸熱現(xiàn)象提出適用于駕駛室中的半導(dǎo)體制冷空調(diào)器，送風(fēng)方式采用頂吹式，由于小空間氣流循環(huán)處理不當(dāng)，其冷卻效果并不理想。何麗娟等[13]采用下送上回式和側(cè)送下吹式的送風(fēng)方式設(shè)計了一種小型便攜式半導(dǎo)體制冷空調(diào)傘，對傘內(nèi)溫度場、流場進行對比實驗研究，結(jié)果表明下送上回式半導(dǎo)體制冷空調(diào)傘空調(diào)區(qū)溫度、風(fēng)速分布均勻，適于營造舒適性環(huán)境。

本文空調(diào)傘采用下送風(fēng)方式，研究傘口直徑對半導(dǎo)體制冷空調(diào)傘性能的影響。在滿足人體舒適性要求的條件下[14]，分別對傘口直徑為36、38、40 cm的半導(dǎo)體空調(diào)傘性能進行對比實驗研究，為半導(dǎo)體技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 下送風(fēng)半導(dǎo)體空調(diào)傘工作原理

半導(dǎo)體制冷空調(diào)傘傘頭裝配如圖1所示，主要由軸流風(fēng)機、散熱風(fēng)機、熱冷端散熱器和半導(dǎo)體制冷片組成，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、占據(jù)空間小、易于攜帶。

圖1 半導(dǎo)體制冷空調(diào)傘傘頭裝配Fig.1 Assembly of air-conditioning umbrella withsemiconductor refrigeration

該裝置氣流分布見圖1，傘下空氣被軸流風(fēng)機卷吸完成送風(fēng)，冷、熱氣流分別由冷端散熱器和頂端散熱風(fēng)機排出外界。由傘面形狀可知，傘內(nèi)中軸線處熱空氣與冷端散熱器噴出的冷空氣摻混后經(jīng)軸流風(fēng)機卷吸，在傘內(nèi)營造氣流循環(huán)，增加人體舒適感。半導(dǎo)體制冷片利用珀爾帖效應(yīng)：當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶兩端可產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象。工作時傘內(nèi)空氣經(jīng)軸流風(fēng)機旋轉(zhuǎn)卷吸和葉輪葉片的擠壓推送下流經(jīng)半導(dǎo)體制冷片的放熱端和吸熱端進行升、降溫，產(chǎn)生的高溫氣流通過熱端散熱器排向外界，產(chǎn)生的低溫氣流由冷端散熱器導(dǎo)出，用于冷卻由風(fēng)機卷吸的熱空氣，冷卻后的空氣通過外殼和遮流板噴向四周，營造一個相對舒適的空調(diào)環(huán)境，傘內(nèi)熱空氣和噴出的冷空氣摻混后經(jīng)軸流風(fēng)機卷吸進入空調(diào)傘進行下周期空氣循環(huán)。

2 實驗裝置和內(nèi)容

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示，該系統(tǒng)由半導(dǎo)體制冷片、空調(diào)傘頭和測試系統(tǒng)組成。

1支架；2吊鉤；3外殼；4導(dǎo)流裙；5半導(dǎo)體制冷片；6熱電阻溫度巡檢儀； 7微風(fēng)測速儀；8電腦；9各個測試點。圖2 半導(dǎo)體制冷空調(diào)傘實驗裝置Fig.2 The experiment equipment of air-conditioning umbrella with semiconductor refrigeration

半導(dǎo)體空調(diào)傘是本實驗的主要設(shè)備，經(jīng)模擬表明傘口直徑為36～40 cm時具有最佳制冷效果，因此本實驗對傘口直徑為36、38、40 cm的半導(dǎo)體空調(diào)傘性能進行對比實驗研究。實驗中采取的半導(dǎo)體制冷片型號為C1206，散熱片為鋁擠壓散熱片，由于實驗需要顯示測量數(shù)據(jù)曲線，故采用精度為±0.1 ℃的PTH-A24型精密溫度巡檢儀測定溫度，采用精度為±0.02%FS的EY3-A電子微風(fēng)儀測定風(fēng)速，測得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦進行分析。實驗中為防止熱量傳遞對實驗結(jié)果造成影響，在傘內(nèi)包裹一層EPE珍珠棉和鋁箔膠帶起到保溫隔熱的作用。

2.2 實驗內(nèi)容

實驗中控制半導(dǎo)體制冷片額定吸熱量、外界環(huán)境溫度、氣流流量和距地高度不變，對半導(dǎo)體空調(diào)傘進行下送風(fēng)實驗，接通直流電源1 min后半導(dǎo)體制冷片開始吸熱。流經(jīng)半導(dǎo)體制冷片吸熱端的氣流發(fā)生降溫，產(chǎn)生的冷氣流由風(fēng)機驅(qū)動經(jīng)空調(diào)傘的外殼和遮流板向傘內(nèi)四周吹出，傘內(nèi)各測試點的風(fēng)速和溫度由熱電阻溫度巡檢儀和微風(fēng)測速儀測量并導(dǎo)入電腦進行分析，通過分析不同傘口直徑的空調(diào)傘傘內(nèi)溫度場和速度場，得出半導(dǎo)體制冷空調(diào)傘的最佳傘口直徑。

3 實驗處理與分析

空調(diào)傘探頭布置如圖3所示。分別定義傘內(nèi)距離(傘邊沿)傘頭2.4、9.2、16 cm處水平面為基準(zhǔn)面H1、H2、H3。分別在不同直徑空調(diào)傘的3個基準(zhǔn)面上布置測試探頭，對探頭測試點風(fēng)速和溫度進行分析。

3.1 測試點溫差分布

將各測試點溫度與外界環(huán)境溫度的差值作為研究對象，分析基準(zhǔn)面H1、H2、H3上各點溫差隨徑向距離的變化規(guī)律。

圖3 空調(diào)傘探頭布置Fig.3 Probe distribution of the air-conditioning umbrella

圖4 不同基準(zhǔn)面上各測試點溫差隨徑向距離的變化Fig.4 The variation of temperature difference with radial distance at each test point of different base level

圖4所示為傘口直徑為36、38、40 cm空調(diào)傘在基準(zhǔn)面H1、H2、H3上各測試點溫差隨徑向距離的變化。溫差變化曲線近似為開口向上的拋物線形狀，在基準(zhǔn)面H1、H2、H3上隨著徑向距離的變化，溫差先減小后增大。由下送風(fēng)半導(dǎo)體空調(diào)傘工作原理可知，風(fēng)機卷吸的氣流被通電半導(dǎo)體吸熱冷卻后沿空調(diào)傘外殼及遮流板噴出，故空調(diào)傘邊緣溫度低，傘下中軸線附近熱空氣與噴出的冷空氣摻混后經(jīng)軸流風(fēng)機卷吸，故中軸線附近溫度稍高、溫差偏小，形成如圖4所示的溫差隨徑向距離的變化趨勢。

對于半導(dǎo)體制冷芯片額定吸熱量，制冷空間越大制冷性能越差，反之亦然。故傘口直徑為40 cm的半導(dǎo)體空調(diào)傘制冷效果較差；吸熱量相同條件下傘口直徑為36 cm的半導(dǎo)體空調(diào)傘空間較小，軸流風(fēng)機直接卷吸傘內(nèi)沒有充分摻混的冷空氣和熱空氣，從而影響制冷性能，故理論分析傘口直徑為38 cm的半導(dǎo)體空調(diào)傘制冷效果最好。由圖4可知，相同實驗條件下，在相同傘高水平面上傘口直徑為38 cm的半導(dǎo)體空調(diào)傘各測試點與外界溫差較大，最大溫差為3.04 ℃，可達(dá)最佳制冷效果。

3.2 測試點風(fēng)速分布

實驗中室內(nèi)空氣自然對流，風(fēng)速、溫度、大氣壓力相同，空調(diào)傘懸掛于離地面1.5 m的實驗臺架上,測速探頭與測溫探頭布置相同。通過微風(fēng)測速儀對速度場進行測定，分析不同傘口直徑下的風(fēng)速隨徑向距離的變化規(guī)律。

圖5 不同基準(zhǔn)面上各測試點風(fēng)速隨徑向距離的變化Fig.5 The variation of wind speed with radial distance at each test point of different base level

圖5所示為傘口直徑為36、38、40 cm的半導(dǎo)體空調(diào)傘基準(zhǔn)面H1、H2、H3上各測試點風(fēng)速隨徑向距離的變化。風(fēng)速變化曲線近似為開口向上的拋物線，隨徑向距離的增加，風(fēng)速先減小后增大。這是因為中軸線附近產(chǎn)生由風(fēng)機卷吸引起的循環(huán)氣流，循環(huán)氣流不斷混合摩擦使氣流流速均勻，故中軸線附近風(fēng)速低于空調(diào)傘邊緣處風(fēng)速；流經(jīng)半導(dǎo)體吸熱端的氣流由風(fēng)機驅(qū)動產(chǎn)生的冷氣流量相同，故面積大的空調(diào)傘風(fēng)速較小，這是40 cm傘頭的半導(dǎo)體空調(diào)傘風(fēng)速較低的原因；36 cm傘頭的半導(dǎo)體空調(diào)傘面積較小，導(dǎo)致風(fēng)機卷吸傘邊緣的氣流，造成傘下風(fēng)速不均勻，無法營造舒適的空調(diào)效果。由圖5可知，傘口直徑為38 cm的半導(dǎo)體空調(diào)傘傘內(nèi)風(fēng)速均勻，最高風(fēng)速為0.47 m/s，最低風(fēng)速為0.23 m/s，適于營造最佳的局域環(huán)境。

4 結(jié)論

本實驗將半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)傘中，設(shè)計了一種環(huán)保的新型半導(dǎo)體制冷空調(diào)傘。實驗中控制半導(dǎo)體制冷芯片額定吸熱量不變，依次使用不同傘口直徑的空調(diào)傘進行實驗，采用熱電阻溫度巡檢儀和微風(fēng)測速儀對傘內(nèi)的溫度和風(fēng)速進行測定，研究了傘口直徑對半導(dǎo)體制冷空調(diào)傘性能的影響。

結(jié)果表明：在半導(dǎo)體制冷芯片額定吸熱量以及室內(nèi)環(huán)境溫度不變的情況下，傘口直徑為38 cm的半導(dǎo)體空調(diào)傘最高風(fēng)速可達(dá)0.47 m/s，最低風(fēng)速為0.23 m/s；空調(diào)區(qū)與外界環(huán)境最大溫差可達(dá)3.04 ℃。傘口直徑為38 cm的半導(dǎo)體空調(diào)傘傘內(nèi)溫差和風(fēng)速符合GB 50019—2013《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》對人體舒適性的要求，適于營造舒適的局域環(huán)境。

本文受內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(2015MS0547，2015MS0561)和內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎勵資金項目(2017CXYD-1)資助。(The project was supported by National Natural Science Foundation of Inner Mongolia(No.2015MS0547 & No.2015MS0561)，F(xiàn)und Programs of Technological Innovation & Guide & Reward of Inner Mongolia(No.2017CXYD-1).)