加热制冷送风机原理（可穿戴热电材料构建）

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作者：南山

可以说，适宜的环境温度在人体舒适和健康方面起着至关重要的作用，但是其维持能耗非常高昂。仅建筑物的温度调节就占到目前占全球总能耗的10％以上。特别是随着经济的快速发展，温度调节所需要的能耗也越来越多，占比也越来越大。如恶略环境下驾驶汽车，约40%左右的能演都用于汽车内部的温度调节了。

为了进一步降低温度调节的功耗，目前的研发主要集中在开发高效环保的温度调节技术，诸如优化空调功率，提高效率。然而，传统的空调模式需要对整个环境空间进行温度调节，考虑到使用者所需体积非常小，因此浪费了大量的能量。此外，每个人的温度体感不同，因此难以设定整个建筑物或内部空间的温度以确保所有使用者的舒适性。

为了避免传统模式所带来的资源浪费和难以针对性调节的缺点。近期，针对个人的可定制化的体温调节装置引起了研究者的极大兴趣。与传统环境温度调节方式相比，针对个人作为目标斑点，可以根据需求精确进行温度调控，能够极大降低能源消耗。当然，传统的温控系统具有覆盖空间大，冷却/加热效率高等优点，适用于人群密集的大型建筑物中，或者会明显偏离正常值的环境温度进行调节。然而，当需要冷却/加热的人数较少，需定制化温度调节，或者在室外环境下，这种个性化的温度调节装置具有更适合的应用场景。

目前个性化温度调节装置比较成熟的是加热系统。如利用金属纳米线网，石墨烯材料做的智能加热服就是个性化体温调节装置的一个显著例子，并且已经取得了良好的市场反馈。然而，主动冷却服装尚未有成熟的解决方案，因此开发更具迫切性和挑战性。现有大多数的冷却装置体积庞大且难以整合到服装中。如，市售的冷却装置主要是通过冰水或低温冷却液等低温材料在服装内部的循环流动实现物理降温，然而其冷却效率难以精确调节。为了解决这些缺点，目前的研究主要集中在固态制冷技术，如电热，磁热和热电（TE）等方式。尽管进行了大量的研究，但具有高冷却性能的可穿戴设备仍未实现。最近，有文献报道使用小型的热电装置中可以实现主动式的降温，不过温度下降仅有1.4°C。

全固态的热电装置（TED）具有体积小，柔性轻薄，且冷却功率可调节等优势，因此特别适用于个人的体温调节。尽管柔性TED已经广泛应用于可穿戴设备中，然而这些设备大多只利用身体热量进行发电，或是利用水凝胶或者风扇等笨重的散热设备进行温度调节，效率有限。可穿戴TED设备原则上可用于冷却，但实现主动冷却（即，将热量从冷侧传递到热侧）的要求基本上更严格。能够发电的可穿戴TED不一定适合主动冷却； 此外，输送到热侧的热量必须有效地散发到环境中。从根本上说，用于散热的热电器件不但需要具有较高的热电效率，还需要具有合理的散热设计。此前一些的关于可穿戴的TED仅显示了发电能力；然而，还没有表现出持续主动冷却性能。这主要是因为柔性TE材料的热电效率比较低，且散热结构没有经过优化。

近期，加州大学圣地亚哥分校的科学家和工程师成功解决了上述挑战，设计并演示了第一款长期（> 8小时）和高效的（> 10°C）主动冷却效果的柔性可穿戴TED。与传统的可穿戴TED相比，这次制备的TED器件是在可拉伸的弹性体片材之间夹入无机刚性纳米柱，并且凭借创新性的散热设计，在不使用任何材料的情况下展现出超过10°C的高效冷却效果。采用这种方式制备的柔性TED在用作体热发电机时的功率输出明显高于以前报道的TED器件。此外这种TED器件还可以整合到可穿戴服装中。集成有该设备的服装可以在22°至36°C不同的环境温度下，使皮肤保持在32°C的舒适温度。

图 1 TED设计和制造工艺。（A）具有冷却功能的可穿戴TED示意图（左），以及可穿戴TED的内部结构（右），TE柱由柔性铜电极连接，夹在两个可拉伸薄膜之间。（B）制备的5厘米×5厘米柔性TED的照片。（C）TED结构示意图。TED内部的低热传导和可拉伸薄膜的高热传导是用于实现冷却效果的关键设计。（D）示意图和照片显示了TED具有良好的弯曲柔性。（E）采用有限元模拟方式比较了双层和单层设计柔性TED器件的Gted和弯曲刚度与TE柱高度的关系曲线。（F）TED的制造过程示意图。

图2 TED的发电性能以及主动冷却的影响关系。（A）用于监测人体皮肤发电的测量装置的示意图。将TED连接到佩戴者的手臂上，使用不同负载测量输出的电压和电流。（B）在不同热环境下，输出功率与输出电压的函数关系。（C）不同温差环境下的最大输出功率曲线示意图。（D）目前报道的不同的可穿戴TED的输出功率和VOC的性能列表。（E）冷却效率（Peltier effect，黑色）和输出功率（塞贝克效应，蓝色）与GTED的关系示意图和模拟曲线。

图3 冷却和加热性能。（A）实验室级别的冷却/加热测量装置。为了模拟人的典型代谢率，将加热器的加热功率固定在87Wm-2。（B）TED设备的冷却/加热效应。（C）长时间（8小时）的可持续冷却效果，电流为140 mA。（D）在自然对流的TED操作期间温度变化（黑色）和性能系数（COP）（蓝色）曲线。最高温度降低为7.3°C。（E）中等强度下的强制对流条件下的TED的温度变化曲线。最高温度降低超过13.6°C。（F）弯曲半径（r）为30和40 mm的冷却/加热效果，显示与未弯曲状态基本没有明显变化。（G）使用TED设备进行的人体皮肤温度调节的示意图。（H）体温调节测量结果。PDMS的表面温度可以通过TED冷却和加热保持恒定温度。

图4 TED器件再人体皮肤温度调节情况。（A）TED臂带的照片和示意图。佩戴者的手臂处于可控热环境中。（B）不同的温度条件下，佩戴TED前后的体表温度T的变化情况。没有佩戴TED时，当空气温度从 22°变化到36°C，皮肤温度从28.5°C变化到34.3°C。佩戴上TED设备后，皮肤表面的温度在环境条件下收敛到预设的舒适温度（32°C）。（C）冷却过程中TED臂带（热侧）的红外图像（I= 160 mA）。（D）去除TED臂带后的皮肤的IR图像，显示出残留的冷却效果。（E）对比了有和无TED设备情况下的，皮肤温度与空气温度的数据总结。TED设备的存在，可以使得室内舒适温度从28℃-30℃，扩展到22℃-36℃。（F）将柔性电池与TED设备集成一起的佩戴设备。（G.）三种不同条件下的TED冷却效果：（1）室内静坐，（2）在室内行走，（3）在温和的风力条件下到户外散步。最大皮肤冷却效果为6°C。

参考文献：

Wearablethermoelectrics for personalized thermoregulation，SahngkiHong, Yue Gu, Joon Kyo Seo, Joseph Wang,Ping Liu, Y. Shirley Meng，Sheng Xu, Renkun Chen. Sci.Adv. 2019; 5: eaaw0536.

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