溫室內濕度過高對植物生長有不利影響，但現有的除濕裝置多數體積大、功耗高、成本較為昂貴，不便于小型溫室使用，北京市第一〇一中學高三年級的施一泓同學設計并制作了一種裝置將空氣中的水蒸氣冷凝成為液態水，既達到溫室降濕的目的，還補充了灌溉用水，實現了水資源的回收再利用。她的論文《新型管道循環半導體制冷凝水裝置的研制》獲得北京市青少年科技創新競賽一等獎、第41屆日內瓦國際發明展金獎，在剛剛結束的第十三屆明天小小科學家獎勵活動終評活動中獲得一等獎。

我的發現：

溫室凝水對植物有害

從小喜歡刨根問底的我，一踏進一〇一中學就參加了學校的科研小組，在學校溫室大棚學習時發現，冬季溫室的玻璃壁上常常有凝水，物理學知識告訴我，這樣的滴水是由于溫室內濕度過高，水蒸氣遇冷凝結成液態水造成的，這樣的滴水對植物生長有什么影響呢，通過詢問老師和查閱資料，我了解到，溫室滴水引起的植物葉面沾濕會導致多種植物病害，溫室內濕度過高也對各種植物的生長發育不利。

這種溫室滴水就沒有一點兒好處嗎？我思考起了這個問題，這些對植物不利的“高濕”水蒸氣來源于空氣，其實也是一種水資源。如果能夠回收利用這部分水，將有害的“廢物”轉換成我們可以利用的水資源，同時達到對溫室除濕的效果，這不是一舉兩得嗎，因此我想可以研制一種裝置，通過冷凝水蒸氣來為溫室除濕，還能將這部分珍貴的水資源回收利用。

我的研究：

設計四種模型做對比

通過查閱資料，我了解到現有的溫室除濕裝置體積大，功耗高，成本較為昂貴，安裝架設不易，于是我選擇了新興的半導體制冷技術。半導體制冷片分為冷面和熱面，通電時，熱面發熱而冷面溫度降低，空氣中的水蒸氣遇冷凝結成液態水，可以達到回收再利用水資源和溫室除濕的效果。與傳統除濕裝置不同的是，半導體制冷技術體積小，耗能低，成本低。

研究的第一步是設計凝水器的外形和結構，為了比較各種不同方案的優劣，我先后做了多種結構的設計并一一制造出模型。

第一種設計是半導體制冷片下直接接漏斗收集冷凝水；第二種設計是在半導體制冷片冷面外接銅制及鋁制散冷片，增大凝水面積；第三種設計是在制冷片冷面外接小水箱，水箱接銅制循環管；第四種設計是直接用半導體制冷片對大水箱中的水制冷，水箱外接不銹鋼螺紋管，增大凝水面積。經過多次試驗、修改、調整、重試、對比之后我發現：第四種設計中用半導體制冷片對水箱中的水制冷，并用水泵使水箱中的水在水箱外接的很長的水管中流動起來，使水管外部各處變冷，從而冷凝水蒸氣獲得液態水的方法是最好的。

在決定了設計方案之后，我繪制了設計圖，結構圖，電路圖等，并依照設計購買了制作所需的材料。

我的制作：

變身“女漢子”

解決困難

制作過程中遇到了許多困難，走了不少回頭路，總結整個制作過程，共需要四步：一是使用鋼鋸砂輪及電鉆加工角鐵，用電鉆在每段角鐵兩端按設計圖打孔，用于組裝時插入螺釘固定。用銼刀及砂紙在角鐵表面打磨使之光滑，避免在組裝及后續試驗中割傷手。按照設計圖紙組裝加工好的角鐵，用螺絲螺母固定，組裝成整個裝置的外部框架部分。二是將制冷片與肋片型散熱鋁板緊密黏合，中間涂抹導熱硅脂以減少接觸熱阻，在肋片與水箱不接觸處填充隔熱性能好的泡沫隔熱保溫材料以減少熱端肋片與冷端水箱間的傳熱；在肋片開口端外接散熱風扇，以螺絲固定，將兩制冷片安置于水箱外側開口，制成半導體制冷箱。三是將兩根不銹鋼軟管兩端分別與銅制轉接頭、不銹鋼可插拔轉接頭相接，再分別與水箱出、入水口，水泵出、入水口相連，用鐵絲固定纏繞在支架上，完成循環管道的組裝。四是用廢舊塑料箱及尺寸與水箱合適的鋁板做成便于收集冷凝水且不易蒸發的冷凝水收集箱。

制作過程說起來不太復雜，然而在實際操作過程中我卻發現，要把設計好的圖紙制作成成品并不那么容易，在半導體制冷片與循環水箱的連接上我就碰到了困難，如果在水箱上挖孔將半導體制冷片鑲嵌進去，挖孔精度很難掌握，一旦不能緊密貼合就會造成漏水；如果將半導體制冷片直接黏合在水箱外部，又會因為水箱外殼的傳熱效果不佳而損失制冷效率，同時因為我使用的黏合劑硅脂是一種導熱性極佳而黏性較差的材料，半導體制冷片很難與水箱固定連接好。這個困難著實讓我狼狽了一陣，那段時間的我變成了操鉗使鋸的女漢子，最終經過許多次的修改和嘗試才找到了最好的辦法將兩部分順利連接起來。

我的挫折：

冷凝裝置沒有一滴凝水

解決完第一步后，后續的進展也困難重重，精心設計好并制作出的裝置拿到溫室去試用時卻因為制冷效果不好而沒有一滴凝水，完全達不到預期的效果。當看到用來收集冷凝水的水管中連一滴水都沒有時，我懷疑起了自己項目原理的可行性，那一瞬間我真的想放棄了。那天我垂頭喪氣地回到家，一頭倒在床上，淚水從眼眶里涌出來，“科研”、“發明”、“困難”、“放棄”這些字眼在我腦中蹦來跳去，我第一次感到了科學研究的艱辛和不易。

在一段時間的混沌掙扎后，我漸漸地理清思緒，學著從另一個方向去看問題。我注意到了身邊的飲水機，飲水機和我的凝水器一樣也是通過半導體制冷片工作的，既然它能夠把水制冷到我們常喝的冰水的溫度，那么這個原理就一定是可行的。于是我參考查閱了許多關于飲水機原理和技術參數的資料，摸索著將它們融合到自己的設計中來。一個多月的努力過后，當我再一次將新做的凝水器拿到溫室中運行時，我欣喜地看到了水管上一滴滴晶亮的水珠，亦體會到了通過自己的思考和努力解決問題后的快樂。

我的驗證：

24小時可凝水363毫升

制作完成后，我對裝置進行了測試：靜態測試顯示該裝置功耗為108瓦，之后進行了實際溫室凝水效果測試，測試數據說明，該裝置在實際溫室中運行可獲得凝水，凝水量隨環境溫濕度值不同而改變，當空氣溫度為16℃，相對濕度為84.6%時，24小時可獲得363毫升冷凝水，大概能裝多半個礦泉水瓶，凝水效率為每小時15毫升。

為了精確控制不同環境要素，進行短時間穩定溫濕度實驗測試，我決定進行模擬溫室凝水效果測試實驗，我在密閉恒溫恒濕模擬溫室中進行了28組不同溫濕度條件下對比及重復試驗，得到了一系列測試結果。然后對其進行分析，發現環境變量中，“加濕方式”及“實驗持續時間”這兩個指標均對凝水效率無明顯影響。因此我假設“水汽壓”是凝水效率的唯一影響因素，以“水汽壓”為自變量，“凝水效率”為因變量繪制散點圖，擬合出了數學模型。這個函數圖像是一條平滑的多項式三次曲線，凝水效率隨水汽壓的增長而增長，在水汽壓約為38百帕處達最大值。

為了繼續增大裝置的凝水效率，我將裝置3米循環水管改裝為5米管，測試發現相同水汽壓條件下，5米管裝置凝水效率明顯高于3米管裝置，說明適當增大凝水表面積可以提高凝水效率。

為了提高裝置的適用性，我還進行了供能裝置測試，證明本裝置不僅可以接交流電源使用，還可以接太陽能板、鉛蓄電池、車載電源等使用，應用范圍廣。

我的結論：

可用于海洋作業淡水獲取

通過半年多時間的努力，我制作出了可以方便增加凝水面積，便攜的新型管道循環式半導體制冷凝水裝置，對裝置進行了實地測試，對測試結果進行了分析并擬合出了數學模型。

該裝置創新地結合了半導體制冷技術和管道循環水設計，體積僅0.11平方米，功耗108瓦，成本約325元，凝水效果較好，3米管裝置在平均空氣溫度為26.9℃、相對濕度為90%、體積約11平方米的模擬溫室內，24小時最大凝水量為560毫升，凝水效率為每小時23.3毫升，在不同環境溫室中可安裝多臺以適應不同凝水需要。這種裝置不僅可以應用于小型溫室的除濕，還可以用于干旱地區水資源循環利用、海島或海洋作業時獲取淡水等方面。

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