半导体汽车空调可行性分析.docx

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半导体汽车空调可行性分析

半导体汽车空调可行性分析

一、汽车空调现状

目前汽车空调功率为3600w～4800w，制冷功率一般是

1600w～2500w；制热功率我3600w～4800w，而制冷量一般

是4500w～5000w，能效比在2.8倍左右；制热量在5000w～

6500w，能效比是1.5倍左右，因为汽车保温效果远远不如

房间，因此每平方空间所需冷量或热量是房间几倍以上，因

此，一台汽车空调功率相当2～3台家用空调功率，汽车空

调能耗占汽车发动机输出功率的10%～15%。

汽车空调售价

一般在3000元～6000元，就汽车空调压缩机一般是530元/

台～1800元/台。

尤其是电动汽车采暖能耗会极大限制了电

动汽车最大行程里数，其耗电会占整个电动汽车耗电量的20%

以上了，这不得不是电动汽车一个痛点。

若环境湿度增加，将会多费20%的动力油，如果湿度再

翻个倍，变成100%，水汽都在车玻璃上凝结成水珠了，墙

边上都有小水珠，还有滴下来的水珠。

这个时候开着空调，

它的油耗要多耗20%。

气温再翻倍增加的结果会多费30%的

油。

我们再来假设一下气温给它翻个倍，气温从20℃变成

40℃，然后湿度湿度从50%增加到100%。

这种情况下油耗

最多有可能会增加到30%左右，这是非常厉害的，原来是10

升的油耗，现在就要13升了。

基本上最少的影响为10%耗

油量，最多影响是增加30%的耗油量。

油耗不仅与油门的深

浅、车子的排量、压缩机的功率有关，还与天气的温度，以

及环境的湿度都有很大的关系。

若能把汽车空调制热能效比提高到2倍以上，而制冷空

调维持到2.4倍左右，那么，至少可以会给汽车节能5%以上。

其带来的经济效率也是非常可观的，我们可否采用半导体制

冷来替代传统压缩机方式制冷与制热来改善空调整体能效

比并实现上述目标，下面我们来分析一下这种可能性。

二、目前半导体制冷状况

当前半导体制冷片优值得到极大改善，半导体制冷片优

值目前基本上可以达到2.0以上，据有关报道甚至有的可以

达到3.5了，这个数值的优值半导体制冷其效率完全可以超

过传统压缩机的效率了，但市场至今仍然没有看到完全可以

替代压缩机制冷的半导体制冷空调出现。

目前的半导体空调，

基本以小型的便携式空调扇为主，比如手持式空调，宠物空

调扇等等。

在家用空调方面还是应用较少，只是有一些概念

产品的出现，并没有达到量产，毕竟成本高，效率低。

另外

一些智能冷暖型净化风扇，其集成了多项功能于一体，也用

到了半导体制冷功能。

电信基站空调上很多用到半导体制冷

器件，因为电信基站通常采用48V直流供电，需要使用专用

的低压直流空调。

而半导体制冷可以直接利用48V直流供电

而省去了AC-DC的电源部分，这样就可以节约许多成本。

当前半导体制冷所存在的局限性：

虽然半导体制冷器有着许多的优点，应用的领域也越来

越广，但也有着一些无法克服的局限性。

比如在大规模制冷

量的情况下，半导体制冷器的制冷效率远远低于机械压缩机

式冷冻机。

因此，半导体制冷器只能用作小功率制冷器。

另

外，关于供电电源方面，半导体制冷片电偶对中的电源只能

使用直流电源，如果使用市电的交流电源，就会产生焦耳热，

达不到吸热降温的目的。

所以半导体制冷在电池供电的系统

领域使用较多。

此外使用的电偶堆元件采用高纯稀有材料，

再加上工艺条件尚未成熟，导致元件成本比较高，因此，极

大地限制了在普通制冷领域广泛的使用。

半导体制冷想要在

冰箱和空调上替代传统的压缩机制冷，有着很大困难。

其最

大的原因就是其用作冰箱和空调的制冷器效能很低，而且成

本异常的高。

而十年前半导体制冷片非常昂贵，用半导体制冷片做

一台制冷量为3000W空调，而半导体的制冷效率一般为0.55，

这样制冷片就需要5455W。

假如我选择250W的大功率制冷

片，总共需要22片，每片按照价格250元计算，则总共需

要5500元，还不包括大面积的铝制散热器、冷却风扇、大

功率的电源等等，把这些都加上，共计差不多要7000元左

右的成本了。

而这种规模的制冷量的压缩机不会超过500元，

空调整机加在一起也就2500元左右。

相比压缩机制冷空调，

半导体空调的成本高出几倍了。

另外还有很重要的一点，制

冷空调的效能是2.8～3.5倍左右，而半导体制冷器是0.55倍

左右，差距太大了，对电能是一个极大的浪费，成本也太高。

现在家电普遍讲究能效等级，半导体制冷空调完全无法达到

压缩机制冷的能效标准最初级要求。

现在半导体制冷片生产工艺不断完善，其优值也不断提

高，半导体制冷片生产成本降低了许多，其市场售价225元

一块降到了目前22元了，只有过去十分之一的价钱，其降

价趋势还会继续进行，预计会降到10元以内，甚至是5元

钱一块都有可能，而且制冷效率也大幅提高。

现在半导体制

冷片能效比一般会有0.75左右了，有的还会在1.2倍以上，

半导体制冷效率高低不只是靠半导体制冷片本身品质（优值）

的优劣好坏，还要靠传热方式的好坏来提高其制冷效率，尤

其是半导体制冷片冷热端温差越小其制冷量会越大，采用缩

小温差相关换热技术可使能效比一样得到很大提高，能效比

甚至可以接近传统压缩机的水平，尤其是我们正在研究的半

导体复叠技术方案很可能会实现这个目标。

随着人类科学技术的进步，材料的发展更是日新月异，

相信新材料也将层出不穷，到时候可能会有更好性能的材料

用在半导体制冷器上，极大地降低生产成本。

另外随着核电

技术及新能源技术的发展，电力资源不再匮乏，半导体制冷

技术可能会有着很广泛的应用，我们必须以发展的眼观看问

题，不能停留在几年前半导体制冷技术水平上，这样会贻误

商机，我们若及时介入，这会给我们带来前所未有的机遇。

三、本半导体制冷创新内容：

采用了复叠技术方案，这在现有半导体制冷技术上目前

还没有这样的相关技术，还有冷热冷侧都以液态流体作为传

热介质目前尚未看见，半导体传热都用水为介质也是具有很

强的效率优势，现有相关技术只是热侧采用了水冷却，而冷

侧却是直接通过换热翅片与空气进行交换热量，我们知道水

换热能力比空气强许多，会是空气6倍以上，由于增大了热

侧与冷侧热交换过程的热流密度，可以使半导体制冷片温差

降低许多。

本发明专利半导体制冷汽车空调采用了20片

40mm×40mm的半导体制冷片，每个制冷片额定功率为

180w，最大制冷量为139w，能效比在0.76左右，共计制冷

量＝139×20＝2780w，这显然是不能满足轿车冷量的需求，

汽车空调制冷量一般是4500w，为了达到4500w制冷量，还

要降低功耗，采用现有技术方案肯定是做不到的，我们可以

把半导体制冷片冷热端温差缩小来提高其制冷量，从而达到

提高能效比的目的，原来制冷片温差是40℃～65℃，从图表

1我们可以看出从50℃缩小至10℃，那么其制冷量会提高

100%以上，其能效比相应也会提高100%以上了，缩小制冷

片冷热端温差方式有多种，如提高换热流体流量，增大换热

空气风量等可以实现，但这是有条件的，也需要考虑成本因

素的，若缩小温差导致表冷器与空气换热变弱，就不能满足

制冷空调需求了，这也是没有任何意义的，也就是说用20℃

的冷媒水来作为制冷空调与空气进行换热，风扇吹出来空气

温度最多就是25℃，显然25℃冷风是无法满足把汽车车内

空气温度降到25℃的，最多是可以维持汽车车内30℃左右

的温度，因此从表冷器吹出来风的温度是20℃左右才可以维

持汽车车内温度在25℃左右，那么冷媒水温度必须15℃左

右才可以实现，而15℃冷媒水经过与空气换热变成了18℃

左右的回水再次回到半导体制冷片两侧释放热量，其温度又

重新降至15℃左右了，那么半导体冷侧温度大概会在14℃

左右，若环境温度是35℃，那么冷却水回水温度会有36℃

以上，而半导体热侧温度会有37℃左右，那么半导体冷热端

温差会有23℃左右，这种情况下半导体制冷效率基本上会与

传统压缩机制冷效率是差不了很多，至少会很接近压缩机制

冷效率70%以上的。

表1

那么，半导体制冷片用来产热其效率又会怎样呢？

首

先可以肯定的是：

它与一般电产热器件原理现象有所不同，

丝或电加热棒所产热量效率永远都会小于1的，而半导体制

冷片产热效率永远都是大于1的，这是符合能量守恒定律的，

若半导体制冷片制冷的能效比是1的话，那么其制热效率就

是2了，若其制冷能效比是2.4（压缩机的是2.8），那么它

的产热效率可高达3.4了（因为制冷片本身功率基本上转变

为可利用的焦耳热了，所以总能效比＝2.4＋1＝3.4），这就

远远高于传统汽车压缩机式热泵普遍不超过1.8倍的平均水

平，而且半导体制冷片冷侧吸热后所导致的表冷器与空气换

热过程中出现结霜概率远远要低于传统压缩机式热泵机组

中蒸发器结霜的概率，因为半导体制冷片工作功率基本转变

为焦耳热被用于采暖了，而压缩机功率是无法全部转变为焦

耳热的，即便有焦耳热产生也实现不了用来采暖，这就基本

上化解了因化霜问题而感到困惑的大难题。

显然，半导体制

冷片用作分子热泵具有很强的优势，虽然在制冷方面比传统

压缩机效率还是低一些（通过复叠技术提升的情况下），但

制热空调耗能比制冷空调多耗能35%以上，再加上采暖天数

我国一般会比制冷空调天数多一些，只要我们在采暖能耗上

面能够比压缩机式热泵节能30%，哪怕半导体制冷效率比压

缩机制冷效率低30%，但总体节能优势还是比压缩机式空调

要强很多。

提高，期待着换热技术方案进一步得到优化，超越传统压缩机制冷效率是指日可待的。

四、所存在的风险：

由于没有掌握更多的相关技术参数，计算出现问题在所难

免，主要是因为现有汽车空调是采用冷媒与汽车内空气直接

进行热量交换，而本发明专利却是采用了水与汽车内空气进

行热量交换，冷媒与空气直接交换过程中会产生相变过程，

使得换热效率很高，同时还可以直接以较低的温度与车内空

气进行换热，因此汽车表冷器出风温度可以非常低，虽然风

量不大，但出风温度可以达到15℃以下，而本发明专利显然

是达不到，除非是温差加大，那么能效比就会降低许多，我

们虽然可以把冷媒水循环速度增加来实现，采用24L/min循

环泵输送15℃冷媒水到表冷器里，回水温度是18℃，就3℃

温差，那么出风温度一般可以达到20℃左右，但是出风量有

这么大来保证车内25℃水平，这个我确实很担心的事情，因

为汽车表冷器出风量不可能会很大。