半导体汽车空调可行性分析.docx

1、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 /

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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 7

12、0%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

13、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

14、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。