基本信息
- 项目名称：
- 改进型高效率温差电空调
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品使用半导体制冷芯片作为空调的核心组件，因此在反应速度方面明显优于现有的压缩机空调。并且整机完全不包含制冷剂，安全环保，能耗低。正常使用情况下，只需要压缩机空调50%以下的电力消耗即可达到相同的制冷效果。本机在全马力输出时，噪声等级≤10dB。其噪声人耳无法察觉真正实现了空调机的无噪声运转。 本设计首次将液体回路结构用于温差电空调，彻底解决了以往温差电空调不便于安装、破坏房屋整体装修结构的缺点，使得本设计成为了真正意义上可以用于民用领域的空调机设备。
- 详细介绍：
- 本设计利用温差电技术代替了现家用空调的利用压缩机产热传输的过程。本设计中温差电材料通电，使两侧温度上升或降低，经热量传导至容器内比热容很小的液体导热剂，再经导热液体的流动经热量传送到散热片出已达到对室内进行制热或制冷的过程。由于直接将温差片产生的热量经均匀涂在温差片上的导热硅胶传导到容器中的液体内，再经液体直接传到散热片上即完成了冷热交换。过程中热量传导充分，循环回路短，可将制冷或加热的效率大大提高且耗能少，同比将会节约60%的能耗。并且过程中没有压缩机或较大规模的叶轮扇工作，噪音量也将大大减少。 随着国民经济持续稳定地增长，人们生活水平不断提高，人们对居住室内环境的要求也日益提高，再加上空调价格持续下跌，在大中城市里，原来在人们心目中属于奢侈品的空调也逐步走入了普通百姓家庭，成了家居必备用品。如果使用我们的产品，家用空调一项的耗电指标就可以降低200亿千瓦时以上，直接降低经济损失超过100亿元人民币以上。从而大大缓解我国的电力资源紧缺。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计、发明目的： 基于目前市场上采用压缩机制冷的空调存在的能耗高、效率低、噪音大、成本高等缺点，我们设计了这款高效率的温差电空调，用以弥补现有空调在能耗、制冷制热效率，噪音、成本等方面的缺陷。 基本思路： 现有家用空调之所以存在上述诸多缺点，其根源就在于现有主流空调制冷方式为压缩机循环制冷。在制冷系统中，压缩机作为制冷系统中重要的环节之一，其能量消耗非常大。通常情况下占到总能耗的25％~50％。所以要从根本上解决现有家用空调的这些问题，只有两种方法可供选用。一种是改进现有压缩机技术，但是现有压缩机技术已经处于成熟阶段，很难出现大的技术革新。第二种就是寻找一种替代品代替压缩机的功能。我们小组就是沿用第二种思路，利用半导体芯片的帕尔贴效应为空调提供冷热交换，取代压缩机。 创新点： 环保 本作品由于使用半导体制冷芯片作为空调的核心组件，因此在反应速度方面明显优于现有的压缩机空调。并且整机完全不包含制冷剂，安全环保。 能耗低 正常使用情况下，只需要压缩机空调50%以下的电力消耗即可达到相同的制冷效果。 无噪声 本机在全马力输出时，噪声等级≤10dB。其噪声人耳无法察觉，真正实现了空调机的无噪声运转。 实用性强 本设计首次将液体回路结构用于温差电空调，彻底解决了以往温差电空调不便于安装、破坏房屋整体装修结构的缺点，使得本设计成为了真正意义上可以用于民用领域的空调机设备。 技术关键： （1）利用环氧树脂将芯片和部分导热管以及导热硅胶进 行包覆，使其绝热绝缘密封； （2）该工作芯片的冷热温差不能过高，否则会降低其效率 （保证△T应小于15K）； （3）通过变压器对芯片两端的电压加以限制，提高效率 （U为2.5伏时，致冷效率r达到4~5）； （4）使用大面积散热板，用于降低散热器与周围环境温差； （5）用于与外界传导热量的液体选用比热容小的常温稳定 无害液体。 主要技术指标 （1）锗硅半导体温差电芯片堆，优值系数z≥3； （2）选用导热良好的导热硅胶对温度进行传导，导热系数 为0.90； （3）整个管路循环系统与外界完全隔绝，热损比≤1%
科学性、先进性
- 现有家用空调绝大部分采用压缩机制冷，其功耗大，噪声大，效率低，且作为其制冷剂的氟利昂为有害物质，散入大气中会对大气造成严重破坏。如果使用氟利昂的替代品，如R22等，会使得生产及维护成本大幅上升。 本设计利用温差电技术代替了现家用空调的利用压缩机产热传输的过程。本设计中温差电材料通电，使两侧温度上升或降低，热量传导至容器内比热容很小的液体导热剂，再经导热液体的流动将热量传送到散热片导出，以达到对室内空气进行冷热调节的目的。使用温差电组件制冷的空调，首先摆脱了对制冷剂的依靠，从而从根本上杜绝了有害物质对大气的破坏，其次，使用无毒无害的液体导热剂进行热量的传导，增强了空调运行的稳定性，降低了整个装机的重量，减小了整个设备的体积，节省了许多空间。没有压缩机的工作环境，使得本空调的工作噪音大幅下降，同时在保持原功率输出的情况下，可以降低80%的能耗，大大提高空调的能效，也就意味着没有损失冷热转换效率。 目前为数不多的对温差电空调研究，如专利号为200520123945.9的设计中，仍然存在诸多缺陷，不能用于空调的产业化研发。上述专利设计的空调设备采用温差电技术，在每一个热传导单元上集成有四片温差片，共10组，将流动的气体加热或制冷，经过风机将热量传输出去，风机有纵横共14个叶轮扇组成。此过程中将空气加热为冷风或热风的时间较长，且空气经叶轮扇吹动大规模流动，使得热量损耗率较大，不能有效的提高效率，且带动40个温差片及14个叶轮扇所用的功耗较大，叶轮扇在快速转动中会产生大的噪音。 本作品在设计中采用不到20个温差片单排或多排并列，直接将产生的热量传导至导热系数良好的液体中，由两个微型泵带动液体在管道中流动，流至散热片中进行热量交换，冷却或升温的液体继续回流到原容器中继续加热或制冷，此过程中导热剂充满容器管道及散热片的微型管中。由于直接将温差片产生的热量经均匀涂在温差片上的导热硅脂传导到容器中的液体内，再经液体直接传到散热片上即完成了冷热交换，过程中热量传导充分，循环回路短，可将制冷或加热的效率大大提高且耗能少，同比将会节约60%的能耗。且过程中没有压缩机或较大规模的叶轮扇工作，噪音量也将大大减少。 最重要的一点是本设计不再使用氟利昂作为制冷加热的中间媒介产热或制冷，而是借助温差片的加热制冷，以及无害的液体导热剂来导热，不会对环境产生任何的污染，且能耗低。本设计兼具了压缩机式空调和已有的温差电空调的双重优点，基本达到了绿色环保节能空调的要求。 参考文献 [1]陈传涓，王如竹，夏再忠，胡金强 瞬态平面热源法测量硅胶混合吸附剂导热系数。工程热物理学报，2008，29(5)：1-4 [2]关于印发《公共建筑室内温度控制管理办法》的通知，发布日期：2008.06.25，实施日期：2008.07.01，建科[2008]115号，中华人民共和国住房和城乡建设部 ，2008年07月02日 [3]韩宝琦，李树林 制冷空调原理及应用。机械工业出版社，2002.6 [4]亢雅君，殷立新 热固性树脂[M]。1995，10(2):1-5 [5]梁海波 陶瓷工程。1998，32(2):18-20 [6]沈晋明 重症监护病房环境控制依据与实施[J]，洁净与空调技术，Contamination Control & Air-Conditioning Technology。2006年02期 [7]田健，朱瑞琪，冯金科 风冷变频制冷系统运行能耗分析与实验[J]，家电科技。2006年3期:1-2 [8]王铁民，王泽深，林磊，张建中.《对温差电空调系统效率的探讨》 [9]王铁民，马洪奎，陈学军，张昕琰，葛晓丽 一种高功率温差电空调器[P]。中国专利: 200520123945.9,2006.12.13 [10]徐德胜 半导体制冷与应用技术[M]。上海：交通大学出版社，l992,7.P41 [11]朱国辉 录音演播间的设计与实施[J]。音响技术，2007年01期 [12]张翊 中高粘度范围的标准粘度液—甲基硅油。上海大学机械电子与自动化学院，上海计量测试 2006，33(5): 22-24 [13]英C•W•伊文思.胶管工艺学.1983.04第1版 [14]G. A. Slack，in CRC Handbook of Thermoelectrics，D. M. Rowe, Ed. (CRC Press, Boca Raton, FL, 1995), P407. [15]G.S. Nolas. J. Sharp, H. J. Goldsmid，Thermoelectrics: Basic Principles and New Materials Developments (Springer-Verlag, New York, 2001) [16]I-Yu Huanga,Jr-Ching Linb,Kun-Dian Shea,Ming-Chan Lia, Jiann-Heng Chenc and Jin-Shun Kuob. Development of low-cost micro-thermoelectric coolers utilizing MEMS technology. Elsevier B.V.2008.07 [17]Recent Developments in Thermoelectricity. Blatt. Science 27 October 1967: 524 [18]Rematch, The National Semiconductor Roadmap (Sematech and Semiconductor Industry Association, Austin, TX, 1994). [19]Thermoelectricity at Very Low Temperatures. MacDonald. Science 10 April 1959: 943-949
获奖情况及鉴定结果
- 2009年4月，华东理工大学第八届“奋进杯”大学生课外学术科技作品竞赛，二等奖 2009年6月，第十一届上海市大学生学术科技作品竞赛，特等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、磁盘、图片、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 本设计打破了传统空调使用压缩机制冷的常规做法，在现有温差电芯片制冷效率达到4~5的基础之上，利用温差电芯片替代传统压缩机制冷系统。不使用任何制冷剂，不污染大气，能耗降低50%以上，制冷反应速度提高80%，噪音≤10dB，体积减少30%，重量降低70%。技术及实用性均完全高于传统的压缩机制冷空调。 适应范围： 由于结构条件所限，目前温差电制冷空调还仅限于家用。也就是说，单个温差电空调制冷面积≤100㎡。但随着本产品的进一步改进，其适用面积将逐步提高，最终可以完全替代现有空调产品。 市场分析及经济效益预测： 本土电力资源紧缺 来自国家电网的最新报告显示，全国出现拉闸限电的地区，已经从2003年的l2个省级电网扩大到21个，预计今后两三年内用电紧张局面将日趋严重。造成电力紧张的诸多原因中，居民家庭电器用电，特别是空调用电的大幅度增长不可忽视。仅家用空调一项年耗电量就达到400亿KW·H以上，超过电网负荷的30％。我国已经成为世界上电力消费第二大国，家用电器是耗能大户，推广节能产品，我们责无旁贷。 2004年10月份，我国出台了《节能中长期专项规划》，这是我国制定的第一个节能中长期规划。规划中确定将开展十大重点节电工程，电机系统节能是重点工程之一。在2005年4月10日举行的“2005年中国家电变频技术与节约经济论坛”上，作为国内主推变频节能技术的30多个家电企业代表以及中国消费者协会、国家发改委等机构代表共同签名，号召社会使用节能家电产品。家电变频联盟同时成立。 如果使用我们的产品，家用空调一项的耗电指标就可以降低200亿KW·H以上，直接降低经济损失超过100亿元人民币以上。 住宅空调市场需求空间巨大 1.我国空调远未普及。 目前，我国住宅空调的普及率及人均住宅制冷量相对较低，我国经济发达地区的住宅平均制冷量也仅相当于日本、美国六七十年代的水平。随着国民经济持续稳定地增长，人们生活水平不断提高，人们对居住室内环境的要求也日益提高，再加上空调价格持续下跌，在大中城市里，原来在人们心目中属于奢侈品的空调也逐步走入了普通百姓家庭，成了家居必备用品。但我国人口主要分布在中小城镇和农村地区，这些地区经济相对落后，目前居民家庭空调的拥有率还处于一个非常低的水平，正逐步接受空调产品，可以说，这是一个比大中城市更为广阔的市场，其市场容量非常巨大。 2.气候特征变化使空调需求区域不断扩大。 我国西部地区日照时间长，夏季非常炎热，许多城市一年内超过35℃的天数很多，最热月平均温度比我国许多南方城市还高，如西安一年内超过35℃的天数为24.3天，高于武汉的21天。近几年，我国华北、东北地区夏季气温逐年提高，东北地区的最高气温连续多年超过了36℃ ，哈尔滨在夏季的最高气温有时高达39℃，华北地区夏季38~39℃的天气已屡见不鲜。随着这些地区经济条件的改善，空调需求量也非常可观。 3.我国每年新增大量住宅，对空调需求量很大。 目前我国城市住宅总体水平仍然不高，城镇住宅人均建筑面积与发达国家相比有较大差距。前几年，我国取消了福利分房制度，人们停止了对单位分房的等待，再加上许多需要改善住房条件的人纷纷从房地产市场购买住房，我国房地产行业迅速发展，每年新增大量住宅。随着城市改造进程的加快，城市中大量拆迁户需要购买住房，同时人们对居住面积、居住档次要求越来越高，再加上农村有大量富余劳动力进入城市就业，城市人口急剧增长，住宅的开发面积越来越大，空调需求也将随之膨胀。 随着我国农村人口生活水平的逐步提高，他们的住房条件也在迅速改善，再加上农村电网价格与城市电价接轨，农村人们对空调需求将出现大幅增长。
同类课题研究水平概述
- 在二十世纪六、七十年代,美国地区发生罕见的干旱天气,为解决干旱缺水地区的空调冷热源问题,美国率先研制出风冷式冷水机,用空气散热代替冷却塔,其英文名称是:Air cool Chiller,简称为Chiller。美的制冷家电集团总裁方洪波在接受记者采访时表示，制造业的竞争取决于核心竞争力领先所带来的优势，包括总生产成本、服务网络、技术研究开发等多个方面的优势。 空调产业是一个传统标准化产业，要革命性创新是十分困难的，例如格兰仕不锈钢高级空调在一些沿海城市，长江流域较潮湿的地区优势十分显著，而且时尚，但在干燥地区只能体现空调时尚，而产品的实用优点却难以体现，今后空调主要是在智能化、材料、款式等上面的变化。目前在数字化技术、新材料等方面，不管是新牌子，还是老牌子，都是站在一条起跑线上的。 由于热电空调器具有抗震、耐压、无制冷剂泄漏和使用直流电等一系列优点，因此目前许多国家已经投入这方面的研究。但纵观国内外的研究，从一个整体水平来看，还是有待提高的。 就我们国内的一些相关研究来看，如专利号200520123945.9中的设计，包括温差电组件两面冷端换热单元、热端换热单元及其围成的通道；冷端换热单元依次为温差电组件冷面、导块、散冷器；所述热端换热单元依次紧贴有温差电组件热面、散热器；通道壁为散冷器围成；其特点是：所述散热器为高密度刨削散热器，所述散冷器为高密度散冷器；所述通道为上、下两层；所述散热器外面上设置有与所述通道垂直的散热风扇；所述通道出风口设置有出风口风扇。由于采用双层结构和轻质、高密度铝散热器，温差电空调器的效率达到了4.7[1]；由于采用冷风道气流方向与散热风道气流方向呈垂直的交叉流换热以及上、下两个冷端换热风道并行的结构，致冷功率达到400W以上[2]。但它的改进之处略显狭窄，未对空调内外机的交换管道进行一些改进，有助于提高制冷功率。 就国外的一些相关研究来看，如专利号US 7,325,407 B2中的设计，包括一个框架和基础组件。基础组件包括：热电冷却芯片，热/冷导管，散热片，温度控制器和电扇；运行过程中，热电冷却芯片产生冷/热空气，接着这些空气通过超导体导管传送到散热片，再由用户推动面板上的按钮，从而达到在短时间内控制室内温度的效果。其中的温度控制器被分为了2个部分，一个冷空气控制器和一个热空气控制器，以确保冷热温度控制得当[3]。不过这个专利也没有具体阐述其导热系统的设计，基本属于理论文献，里面的数据缺乏翔实可信性，设计存在一些漏洞。 参考文献 [1]I-Yu Huanga, Jr-Ching Linb, Kun-Dian Shea, Ming-Chan Lia, Jiann-Heng Chenc and Jin-Shun Kuob. Development of low-cost micro-thermoelectric coolers utilizing MEMS technology. Elsevier B.V.2008.07 [2]王铁民,马洪奎,陈学军,张昕琰,葛晓丽. 一种高功率温差电空调器[P].中国专利: 200520123945.9,2006-12-13. [3]Chanting Chen. Thermoelectric Air Conditioner.美国专利: US 7,325,407 B2,2006.4.13.
