将半导体制冷应用于空调服的可行性分析

 摘 要：笔者简述了将半导体制冷应用于空调服的原理，并且通过简单计算选择了所需设备的规格型号，继而分析其可行性，提出该方案的优点和未来仍需要探索改进的地方。

关键词：半导体制冷；空调服；散热

空调服是一种新型服装，它在高温环境下能为人体提供所需的冷量，使其维持正常的生理活动，提高工作效率。目前，国内外科学家已经提出了多种类型的空调服广泛应用在军事领域，比如液体循环空调服、PCM空调服等，但是他们或多或少都存在着一些弊端。半导体制冷片使用的是一种新型的制冷方式，由于其体积小、节能、环保等优点，正在被应用到越来越多的领域。因此，文章尝试提出了将半导体制冷技术应用在空调服的猜想。

1 工作原理

1.1 半导体制冷原理。半导体制冷应用的是帕尔贴效应，当两个不同的导体材料连结成电偶对并通以直流电时，在他们的接点处会发生热量的传递，使一端成为冷端，另一端成为热端。其中换热量的大小与电偶对的数量有关，是直流电流的函数。

1.2 该空调服工作原理。该空调服使用空气作为热量传递的介质，如图1工作原理图，接通电源后，高温空气在小型风扇的作用下进入到安装有半导体制冷片的微小密闭空间，被制冷片冷端降温，随后，被降温的空气通过在人体均匀分布的管道传递到全身各处，与身体发生热交换。热交换后的空气可以重新被风扇抽取从而实现一个循环。与此同时，制冷片热端利用散热器将热量排放到外界环境中去，散热器和制冷片并联在同一电源上。其中，制冷片和散热器处的具体布置如图2。

2 设备选型

2.1 制冷片的选择。孙晓阳指出100W的制冷量可以满足人体的一般代谢活动需要，使人体温度长时间可以维持在38摄氏度以下，因此这里设定制冷片的制冷量为100W。另外，设制冷系数ε=0.5 则输入功率P=100/0.5=200W

综上，查制冷片规格表选择TEC1-12715型号的制冷片，其具体参数如下表。

2.2 电源的选择。根据空调服的使用特性，选择电池时应该着重于考虑电池的重量、尺寸、寿命、容量等因素。由于交流电不方便携带，这里不予考虑。而锂电池具有重量轻、绿色环保、一般能够充放电300-500次，寿命比较长等显著优点，所以最终采用锂电池。结合上边提到的制冷片最大工作电压和最大工作电流，选择使用12V锂电池供电。

2.3 散热器的选择。电源采用12V锂电池，由于该设计中制冷片与散热器并联，所以也选择12V电压的散热器；制冷片的规格为50×50×3.6mm3，为了使设备尺寸尽量小，选择散热器长宽规格也为50X50mm2，综上，这里使用NMB品牌的散热风扇，型号为2004KL-04W-B59，其转速是4500RPM（r/min），风量32.4CFM。

2.4 除湿方法的选择。空气温度的降低必然会导致湿度的增加，为了防止服装管道内湿度太大影响人体舒适性，还需要在密闭空间中设置除湿系统。考虑到成本问题及空间有限，这里采用最简单的炭包除湿，利用竹炭的吸附性使服装内循环的空气湿度适宜。

3 优缺点分析

选型发现，将半导体制冷用于空调服这一猜想是存在可行性的。这种空调服的优点很明显：（1）整个系统使用半导体制冷，构造非常简单。锂电池的生产和报废均不会对环境造成污染，符合我国的可持续发展战略；（2）该系统使用的用于热量交换的介质为空气，不会像PCM空调服的制冷剂一样可能会对人体健康产生不良影响；（3）成本比较低，整体重量较轻，经济实惠；（4）制冷装置为半导体制冷片，运行时无噪音的产生，抗冲击能力比较强。

但是，在计算过程中也可以发现：（1）这种空调服制冷效率不高，一定程度上造成能源的浪费；（2）为了将制冷片热端的热量散发到空气中去我们安装了散热器，散热风扇暴露在衣服外表面，这对空调服的外观会产生一定的影响，也因此势必会限制它的使用群和将来的推广普及；（3）另外，衣服中安装管道、散热器、制冷片这些设备，清洗的时候会比较麻烦，需要使用者熟练地拆卸和安装。

如果不考虑成本问题，也可以另外增加一套辅助系统，通过温度传感器感知人体的实时温度并将这个信号传递给执行机构，通过增大或减小电流来增加或者减少制冷片的制冷量，从而使人体一直处于较为舒适的状态。

4 结语

因此，该空调服具有可行性，改变电流方向也可以同时实现低温环境制热的功能，而如何提高它的使用效率、增强其美观性和实用性会是该类型空调服未来应该重点解决的问题，使其趋于智能化以及减少制造成本也是今后应该着重探索的一个领域。

参考文献

[1] 孙晓阳.一种新型高效环保空调服的提出[J].应用能源技术，2015（04）：33-38.

[2] 肖居霞.智能微空调服设计原理的研究[D].西安：西安工程科技学院硕士学位论文，2004.

[3] 刘杰.智能微空调服系统的设计与研究[D].成都：西南石油大学，2012.