基于相变储能技术的木制恒温酒柜设计研究∗

黄琼涛 彭文明 陈淑云

（宜华生活科技股份有限公司，广东 汕头 515834）

葡萄酒富含葡萄多酚，具有抗氧化、抗衰老及预防心血管疾病等诸多保健作用，因其酒精度低、色泽美，在长期形成的葡萄酒文化熏陶下，已成为高雅时尚、老少皆宜的饮品。在各种会议、社交聚会场合，葡萄酒更是成为饮品标配，并逐渐进入我国消费者的日常生活，这就为储藏保鲜葡萄酒的酒柜带来了市场，尤其是高品质、智能化、功能型酒柜的制造，已经成为业内人士眼中的朝阳产业[1-2]。在室内装修与家具领域，整木家居受到越来越多的关注与青睐[3]，天然木材制造、整体家装浑然一体的效果成为现代家庭的时尚追求。现阶段，国内的酒柜基本上停留在“摆放式”阶段，真正可以温湿度精准控制的功能型酒柜仍待深度研究开发[4]。相变材料（phase-change material,PCM）的潜热值大、储热密度大,且可实现近似等温的储放热,有助于提高系统的稳定性和效率，因而被广泛应用于太阳能热利用、工业余热回收、建筑节能以及白色家电等领域[5-6]。随着相变储热技术和材料的推广应用，木质相变储能复合材料开始被尝试应用于家居领域[7]，但木质材料均以碎末形式出现，以实木为基材的相变储能材料制造家居产品未见报道，因此本文基于相变储能技术研究设计了一种低噪声、零振动、无温度波动的木制恒温酒柜，对木材加工业产品创新和新材料的应用进行探索。

1 基于相变储能技术的恒温酒柜设计思路

1.1 葡萄酒储存基本要求

葡萄酒是一种有生命的佳酿，会随着陈放时间的延长逐渐熟化，且对外在环境因素如温度、湿度、振动、空气等比较敏感，因此应以科学的方式储藏葡萄酒维持其芳醇美味[8]。葡萄酒的储藏需要避光，最佳储存温度为12～14 ℃，并需尽可能保持恒温，同时应减少或避免震动，防止酒瓶中的酒液因对流而变质[2,9]。

1.2 设计要点

传统的葡萄酒储藏方法是陈放在地下酒窖，利用酒窖环境满足葡萄酒的储藏要求，然而在现代城市中，普通家庭配置地下酒窖不现实，于是适于居家环境陈列且能满足葡萄酒存储保鲜的酒柜无疑是替代地下酒窖的最佳选择[10]。本设计目标是研制一种新型的木制酒柜，采用实木家具外在结构，使酒柜能与整体木质家装融为一体，提升酒柜的品味、性能和消费体验。

本设计的恒温酒柜采用半导体制冷片调节温度[11]，结合相变储能材料的储热、释热功能[12]，消减运行过程中的温度波动，使酒柜内部温度控制在（13±1） ℃。利用制冷片调节温度，速度快、使用寿命长，且易于控制。在调节过程中，可通过改变电流方向切换制冷或制热状态，通过调节工作电流大小、制冷片通电个数或通电时间长短控制升温或降温速率，方便高效，同时还可以消除制冷剂可能对环境造成的污染，避免使用压缩机调温造成的震动和运行噪音。相变材料参与调温，能有效减小温度波动。如遇突发停电，相变材料内部预先存储的潜热（热量或冷量）仍会持续放热或吸热，消减柜内温度变化，使之在40～60 min内维持基本恒定。

柜内预留循环风道，存酒架采用栏栅式结构，从而达到柜内通风的目的。酒柜的门页采用木材等不透明材料制作，实现酒柜内外的光隔断。为减少能量损失和温度波动，调温单元的内部风道与柜外通过隔热材料隔开，相变酒架和柜内结构之间有密封，柜门边缘设置有密封圈，柜门闭合可封住相变酒架的两个前端口，使柜内空气与外界隔离。

2 基于相变储能技术的木制恒温酒柜关键技术

2.1 相变木材储能技术

2.1.1 相变储能材料

相变材料的应用原理，就是利用物质不同相之间转化过程中能吸收或释放的热量（即相变焓）。在相变过程中吸收或释放的热量不超过完全相变所需要的热量时，相变材料的温度会维持在一定温度区间内（相变温度）[13]，相变过程的吸热或放热被称作相变储能（储热和储冷）[14]，将相变材料应用于储存系统的保温，有利于减缓内部温度波动，并降低能耗[15]。常用的相变材料按相变形式可分为固-固、固-液、固-气及液-气四类[12]，按化学成分又可分为有机相变材料、无机相变材料及复合相变材料[13]。有机相变材料主要用于中低温场景，无机相变材料一般用于高温（190～900 ℃）场合，复合相变材料是指有机和无机相变共熔成型的相变材料[16]，不同组合和不同比例的复合材料有不同的物理性质，如硬度、强度、相变温度等。

2.1.2 相变木材

相变储能材料由支撑材料和功能材料（相变材料）组成，将相变材料填充封装于支撑材料中，使支撑材料基本保持原有的外形特征及力学性能，同时还赋予相变材料吸热和放热的功能[17]。一般是将固-固或固-液相变材料填充于均匀分布的孔状结构材料中并进行封装，将相变材料胶囊化就是一种封装固-液相变材料的有效方法[18]。本文所述恒温酒柜中的相变木材，是将轻质木材置于真空浸渍罐中抽真空，加入微胶囊化的相变材料，木材全部浸入溶液后加压，再重复“真空-加压”循环2～3次，相变溶液均匀浸入木材中，随后对木材进行干燥，干燥处理后的木材形状稳定，保持了组织的分层结构及抗拉强度、刚性等力学性能[19-21]，将其加工成酒柜部件，不仅具有吸热和放热特性，而且还拥有调节温度功能。

2.2 半导体温度调节技术

半导体制冷片也叫电热制冷器（Thermo Electric Cooler，简称TEC），其原理基于1834年法国科学家珀尔贴（Peltier）发现的温差电效应[15-17]。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的电偶对通入电流时，两端之间就会产生热量转移，在P端和N端之间产生温差形成冷热端。将多个N型半导体和P型半导体的N、P之间利用铜、铝或其他金属导体，以串联或并联方式连接成完整线路，再由两片绝缘且导热良好的陶瓷片以“夹心饼”方式组合，以此方法制成半导体制冷片，两个陶瓷面一个制冷一个制热（见图1）。以型号TEC1-12703为例，其制冷面有127对热电偶，允许电流为3A，当电流从N端流向P端时，使用金属连接P端和N端的一侧制冷，与该金属材料连接的陶瓷面即为制冷面，另一个陶瓷面则为制热面；当电流从P端流向N端时，使用金属连接的P和N侧制热，与从P端到N端连接的陶瓷面为制热端，通电工作时，不断将热端的热量带走，冷端则不断吸热。将制冷片上的热量不断送入酒柜，即可对酒柜加热升温；使制冷片上的冷端不断吸收酒柜中的热量，即可对酒柜冷却降温[22]。

图1 半导体制冷原理图Fig. 1 Schematic diagram of semiconductor refrigeration

2.3 设计实例

本例酒柜采用木制零部件结构形式与外观，为了提升产品档次，酒柜可视部位均首选柚木等珍贵树种木材制作，并根据家装风格和用户审美要求进行工业设计，整体风格高端大气，充分展现了酒柜的美学效果和文化内涵，如图2所示。由于天然林柚木商品材资源短缺，而人工林小径柚木因其培育周期短，成材快，价位低，将有可能成为柚木商品材的主要来源[23]，故本实例中以人工林小径柚木代替天然林柚木，加工后产品性能和感观效果良好。

图2 恒温酒柜设计图Fig. 2 Design drawing of constant temperature wine cabinet

内部结构根据功能需求设计开发，温度调节单元设置在酒柜中下部；控制计算机设置在两侧下端；存酒架由相变木材制作而成，不仅起到陈放酒品的作用，其吸热和放热功能在调温过程中可消减柜内温度的波动，在相变木存酒架中的焓值没有释放完全的情况下，剩余焓值在停电时还可继续发挥自动调节温度的作用。

2.3.1 温度调节单元

温度调节单元安装于酒柜中间下端。本实例设置7对半导体制冷片，分成5组，分别由5个无触点开关控制其电流的通断（见图3）。通过固定架、固定框安装固定制冷片和散热器，散热器1和导热块紧密连接，导热块与制冷片的陶瓷面连接，散热器2通过同样方式连接制冷片的另一个陶瓷面。温度调节单元通过安装架固定于酒柜底板上，上部与支撑板接触，形成内、外两个风道，散热器1设置在内风道，在风扇1作用下，散热器1上的热量或冷量随着柜内空气的流动，调节柜内温度。散热器2设置在柜外循环风道中，在调温单元调节温度过程中，将散热器2上的热量或冷量带至柜外（见图4）。

图3 温度调节单元结构图Fig.3 Structure diagram of temperature regulating unit

图4 外风道示意图Fig. 4 Schematic diagram of external air duct

本实例中，存酒架由相变木材制成，结构如图5所示。存酒格设置成水平方向，以使软木塞得到瓶内葡萄酒的浸润，避免软木塞因干缩松动导致空气进入瓶中而使葡萄酒变质。存酒格下端加工成槽型结构G3，防止酒瓶左右晃动，存酒格左右两侧加工成长形孔G2和G1。结合图3与图5可知，其调温过程中，气流从T风口2进入，经G1流向G2，再经过T风口1进入温度调节单元，与散热器1进行热交换。底部加工的通风孔1和2是为了保证控制单元和开关电源正常工作而设置的通风散热孔。

图5 存酒架结构图Fig. 5 Schematic diagram of winerack

2.3.2 隔热材料选用

酒柜内、外部环境以轻木实现热隔断。轻木（Orchromalagopus）的气干密度为1.9 g/cm3，内部有许多孔隙，是一种可加工成各种造型的天然环保隔热材料[24-25]。将轻木按设计方案要求的造型和规格进行设计制作，然后在其表面喷涂UV漆(紫外线光固化涂料，也称光引发涂料、光固化涂料)[26]，环保无污染且耐久性强，其隔热防潮性能可满足本设计要求。

2.3.3 温度调节单元的电控过程

1）电气控制原理。酒柜控制由可编程逻辑控制器（PLC）完成，电气原理见图6。酒柜设置4个温度传感器，分别检测柜内存酒区域温度、柜外环境温度、散热器1和散热器2的温度，温度传感器采用负温度系数(NTC)热敏电阻[27]。酒柜的制冷和制热功能由2个专用的220 V交流转12 V直流的电源控制，12 V电源1和电源2,分别由Y6和Y7输出控制，当环境温度大于存酒区温度时，Y6输出，A6使K1闭合，制冷电源供电；当环境温度小于存酒区温度时，Y7输出，A7使K2闭合，制热电源供电。制冷片投入组数根据散热器1和目标温度13 ℃的温差控制，差值越大，控制投入运行的制冷片投入的组数越多，反之投入组数越少。

图6 控制电路图Fig.6 Control circuit diagram

2）温度调控过程。酒柜的温度调节由半导体制冷单元结合相变木材的潜热功能实现，相变木材的相变温度设置为13 ℃。当PLC测得外部环境温度大（小）于目标温度13 ℃时，半导体制冷将柜内温度逐渐下降（上升），以维持目标温度。为使相变木材的潜热功能得到充分利用，系统制热时需将柜内温度调至葡萄酒最佳存储温度的上限；反之，当系统需要制冷时，则需将柜内温度调至最佳存储温度的下限。本实例中，温度上限设置为13.1 ℃，下限设置为12.9 ℃，具体控制过程是通过半导体制冷单元将散热器1的温度控制在13.1 ℃（升温时）或12.9 ℃（降温时），通过风扇1不断循环，使柜内温度达到散热器1的温度。

温度控制过程有起始和维持平衡两个阶段。起始阶段，PLC根据温度差进行控制，当温度大于（13+5） ℃，制冷单元启动后制冷片全部启动开始制冷，每降低1℃切断一组制冷单元。当温度降低至14 ℃时，剩下一组制冷单元作用，直到散热器1温度降至12.9 ℃，风扇1持续运行，使柜内温度达到散热器1的温度，制冷单元停止运行。起始阶段从13 ℃以下启动时，其过程以同样的模式逆向运行。制冷片的投入和切除由5个无触点开关控制[28]，无触点开关SSR1～SSR5分别对应控制一至五组制冷片，制冷单元切除顺序是从一组到五组依次切除，调整阶段只有第五组参与运行，在这个阶段，以通电时间长短控制制冷片温度。制冷单元停止运行后，由相变木材储存的热量或冷量维持柜内温度恒定；柜内温度超出12.9～13.1 ℃范围时，半导体制冷元件自行启动参与温度调节[29]，使散热器1上的温度调整至12.9 ℃或13.1 ℃。再通过风扇1使储藏区温度达到散热器1的温度。

3 结语

采用木材制作酒柜，可满足葡萄酒储藏避光的要求。利用半导体制冷片作为温度调节的主要元件，结合相变储能材料的吸热和放热作用，并根据结构材料和相变材料加工特性进行产品设计和制造[30]，使恒温酒柜在保持木制酒柜天然木材美感的同时，具有零震动、低噪音、温度无波动（允许范围内波动最小化）的特性，且在突然断电时，相变木材短时间内通过释放储藏的能量可保持酒柜温度恒定，为葡萄酒的储藏保鲜提供良好条件。本文对基于相变储能技术的木制恒温酒柜进行设计研究，是对木材工业新材料的应用与产品创新的一次有益尝试与探索。