CN111465815B - 空气调节模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气调节模块，该空气调节模块包括：热电单体，该热电单体具有第一侧和第二侧；调节管道，该调节管道附接到热电单体的第一侧；以及排放管道，该排放管道附接到热电单体的第二侧；其中，调节管道接收并调节来自房间的空气，并且排放管道排出不需要的热能。

Description

空气调节模块

技术领域

本发明涉及一种利用热电单体并可联接到光伏板的空气调节模块。

背景技术

为了提高居住者的舒适度，许多建筑物结合了空气调节系统。即，根据需要去除或增加到房间的热量。为了冷却房间，空调可以从房间吸取热量并将该热量传递到外部。为了使房间变暖，该过程可以有效地颠倒，并且空调充当热泵。

各种技术被用于或已经被用于控制房间条件。最常见的类型可能是制冷空调。来自建筑物的热空气流经位于建筑物外部的冷凝器中的盘管。盘管在其内部具有冷的制冷剂，制冷剂从空气吸收热量，这允许冷却的空气返回到建筑物。

另一种常见的技术是蒸发冷却。在这些系统中，从外部吸取暖空气并使其穿过填充有水的垫。随着水蒸发，空气被冷却，然后被泵送到建筑物中。

在一些军事和消费品应用中，已经使用帕尔贴或热电单体空调。该系统通过将DC电源施加到半导体的两个元件来工作。当施加电力时，装置的一侧将变冷。该侧位于待冷却区域内部，并且风扇用于循环空气以冷却该区域。这些系统在振动环境中非常稳健，由此对于在诸如装甲车和坦克的应用中使用具有吸引力。加热或冷却所需的功率输出越高，对一次能量供应源(通常为柴油气体或其它液体化石燃料)的需求越高。然而，在这种应用中，系统在恶劣的物理、气候或远程环境中，且尤其是在加热/冷却技术可用的空间需求紧张的情况下，其功能将能量效率置于低优先级。

另一种技术是所谓的自由冷却，其从冷源泵送冷却剂。冷却剂然后充当冷却区域的散热器。

对于空气调节建筑物，特别是对于住宅用途，越来越重要的目标是提供既高效又划算的有效加热和/或冷却。一个这种度量是性能系数(COP)。COP涉及由装置生成的热能相对于供应给该装置的功率量的比率。使用传统制冷空调进行加热和冷却的良好COP将为4到5，但对于整个系统通常高于3。蒸发空调可以在10-15和更高的COP范围下运行，但该过程不发生除湿。事实上，在冷却过程中常常增加湿气，这使得这种类型的系统的应用在一些地方存在问题。因此，大多数商业应用往往串联地结合有制冷热泵系统，特别是在湿热气候中，这降低了COP。温带和干热气候将蒸发系统用于单一住宅应用，但现在用水费用也成为评估可行性的问题。

差的COP将为1或更小。这对于“帕尔贴”或热电冷却是个问题，因为大多数传统应用所需的通常的冷却速率或供热速率经常导致单体电力过载。帕尔贴冷却系统对于冷却通常具有0.5或更小的COP，对于加热通常具有小于1.5的COP。例如，帕尔贴冷却用于空间和振动是关键问题的装甲车中。获得足够的冷却功率以保持操作者舒适的唯一方法是将更多的柴油生成的功率泵入系统中。因此，COP大大降低到约0.2或0.3。这对于军队的使用可以是合理的，但对于住宅冷却不可行。

目前，通常优选制冷系统，但在一些领域中，蒸发系统是优越的。问题是运行这种系统的成本增加，即使系统本身变得更加高效。发电更昂贵，并且这些成本越来越多地被传递给消费者。随着成本增加，很多解决方案是减少空调的运行时间。

期望提供一种具有合理COP和更便宜运行成本的改进的空气调节系统。

发明内容

在广义形式中，提供了一种利用帕尔贴单体或热电单体来调节房间空气的空气调节系统。该系统通过调节从房间接收的空气的热能来调节房间。这可以通过根据是期望冷却还是加热房间而去除或增加热能来完成。

在另一广义形式中，提供了一种改进的热交换通道。通道的横截面通常为圆形，并且通道包括多个延伸到通道中心的肋。

在第一方面，提供了一种空气调节模块，该空气调节模块包括：

热电单体，该热电单体具有第一侧和第二侧；

调节管道，该调节管道附接到所述热电单体的所述第一侧；以及

排放管道，该排放管道附接到所述热电单体的所述第二侧；

其中，所述调节管道接收并调节来自房间的空气，并且所述排放管道排出不需要的热能。

热电单体的第一侧可以附接到空气调节管道的侧壁，并且热电单体的第二侧可以附接到排放管道的侧壁。优选地，至少将空气调节管道附接到热电单体的第一侧经由热传递块。

空气调节模块可以包括至少一个风扇，该至少一个风扇生成穿过空气调节管道和/或排放管道的气流，并且理想地，各个管道将具有单独的风扇。

排放管道可以从墙腔接收空气。

在第二方面，本发明提供了一种空气调节系统，该空气调节系统包括：

至少一个热电单体，各个单体具有第一侧和第二侧；

多个调节管道，该多个调节管道附接到各个热电单体的第一侧；以及

多个排放管道，该多个排放管道附接到各个热电单体的第二侧；

其中，各个调节管道接收并调节来自房间的空气，并且各个排放管道排出不需要的热能。

在第三方面，本发明提供了一种改进的热交换通道，其中，该通道的横截面基本上为圆形，并且该通道包括从所述通道的周边朝向所述通道的横截面中心延伸的多个肋，并且其中，相邻的肋的长度在第一长度与第二长度之间交替。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的例示性实施方式。本发明的另外特征和优点还将从附图变得明显。

图1示出了附接有本发明的空气调节模块的房间。

图2示出了热交换通道的构造和布置。

图3示出了空气调节模块的可能布置。

图4示出了本发明的可能安装的示例。

图5示出了帕尔贴单体和散热器通道的一种布置。

图6示出了用于本发明的一个实施方式的示例性控制布置。

图7示出了控制系统的可能配置。

图8a和图8b例示了本发明的优选实施方式与传统系统之间的概念上不同的方法。

具体实施方式

以下描述被提出为使得本领域技术人员能够进行并使用本发明，并且在特定应用及其要求的环境中提供。所公开实施方式的各种修改将对本领域技术人员容易地清楚，并且本文所定义的一般原理可以在不偏离本发明精神和范围的情况下应用于其他实施方式和应用。由此，本发明不旨在限于所示出的实施方式，而是符合与本文所公开的原理和特征一致的最宽范围。

在该文献中将提及帕尔贴单体、热电单体或TEC。应当理解，所有三个术语是可互换的，并且是相同项的简单替换术语。

帕尔贴单体或热电单体是一种能够经由半导体将电能转换成热能的单体。更具体地，当施加电流时，其在单体的一侧提供冷却，同时在单体的相对侧提供加热。单体由半导体组成，除了代替激活能量流的太阳能之外，这些半导体在配置上类似于光伏电池，单体是以相反方式转换为热能的电力的应用(在冷却的情况下，在单体的相对侧上没有热能)。它们已经用于内部冷却计算机中，并且在美国军队已经用于装甲车中。在向单体供应一定的电压/电流时，存在热泵效应，其中，与传统空调一样，可以生成比所供应的电力更多的加热或冷却功率。

参照图1，示出了通过本发明的空气调节模块冷却的房间的横截面。为了简化说明，房间具有外墙11,13、地板17、内墙36以及天花板18。该构造示出了标准空心砖外墙，其优选地在夏季面向阴凉位置。空心墙由外部墙11、内部墙13组成，外部墙11和内部墙13之间的空间形成腔12。为了更大的能量效率，腔12可以包含隔热材料。内墙36优选地是质量材料(诸如，例如石头或混凝土或轻质构架墙结构的新一代相变灌注衬板)的实心墙，然而实心内墙不是必需的。

本发明的空气调节模块理想地穿过建筑物的外墙11,13。通过进入穿过外墙11,13，模块2可以进入外墙腔12，该腔可以用于缓和穿过腔12吸取到模块2的空气。当利用腔提高COP时，这不是必要的。作为另选方案，如果期望，模块2可以以与优选布置进入外墙腔12相同的方式进入建筑物的屋顶空间、或由假天花板形成的腔。

为了冷却，暖空气通过理想地位于天花板附近的回气挡板19吸入，由模块冷却，然后冷却后的空气经由供气挡板20返回到房间。在优选的布置中，供气挡板20将沿着内部墙13引导调节后的空气，以使得调节后的空气能够总体地存储其热能并再次辐射到空气。在该布置中，系统主要通过辐射效应冷却空气，并且在与墙的质量表面的该过渡交换之后部分地经由一些对流来冷却空气。墙可衬有相变浸渍板，以便获得重量更轻的构架墙，该构架墙具有增强的热质量效果，以有助于吸收和辐射热量的这种主要热功能。关于构架面板隔墙，这可以帮助匹配重量较重的墙的性能。

另选地，供气挡板20可以以与传统空调相同的方式将调节后的空气引导到房间空间中，然而，认为沿着墙引导调节后的空气显著更有效。优选的布置在图8a和8b中例示。

图8a示出了优选的布置，凭借该布置，调节的空气被抵靠房间的热质量(即，墙、地板以及天花板)推送。模块将最可能仅在光伏板能够产生DC电力的日照时间期间运行。在日照时间期间，质量的热惯性继续通过对空气和居住者的辐射而为房间提供空间调节。由此，系统可以通过直接空气调节和来自热质量的辐射能量的组合来调节房间空间。

图8b示出了传统的空调，该空调具有与房间内部的风扇和热交换单元50一起工作的外部冷凝器51。传统的空气调节系统将调节后的空气推入房间空间中，以根据需要快速升高或降低空气温度。这允许居住者感觉到几乎瞬时的效果。在许多情况下，这种系统由于高能耗而通常不能长时间地有效。在这种传统系统中，包围房间空间的热质量将没有机会收集显著的热惯性。

回气挡板19和供气挡板20理想地穿过塑料墙插入块9。块9可以是聚氨酯隔热材料的模制部分，这些部分帮助将组件保持在墙中的适当位置，并且还可以在管道穿过墙时热隔离管道。另选地，任意发泡隔热材料都可以用来代替块9，但应具有与聚氨酯类似的隔热特性。

回气挡板19允许空气从房间22的内部通到回气管道5。然后，空气传入图3所示的模块中，之后在冷却(或加温)状态下经由供气管道4返回到房间22中。

设置排气口10以将在冷却过程期间加温的空气排出到环境条件中。墙腔12可为冷却系统的拒热路径提供空气源。新鲜空气可以经由新鲜空气进口14进入墙腔12，以提供排出空气源。排出空气的路径可以被看作图1中从项15到项10的路径。优选地，空气进口14在低位置处构建或切入到外部墙11中，以便使排气到模块的行进长度最大化。排气的行进长度在腔12内部将为大约3米。目的是使空心墙的外部叶片11缓和外部空气，以与质量或墙温度一致。这通过以下方式来实现：将热能从排气传递到空心墙11,13的外部叶片11，以使得能够对排放通道增加额外的被动冷却，并因此提高热电或帕尔贴单体的拒热侧的效率。这可以有助于将帕尔贴的热和冷单体保持在低于10℃且优选更低，因此热电单体的COP在稳定流动条件下为约3或更高。在冬天，发生相反的情况，其中，白天的热量向该排放路径增添热量，这使得排放路径在从相反极性产生的冷侧带走冷温度方面更有效，由此在调节后的房间内部发生加热的同时改善了在稳定流动条件下的温差。

由于这个原因，为了最佳性能，空心墙11,13的外部叶片11在夏天将被遮挡，并且优选在冬天在阳光下。在夏季，在早晨当夜晚温度已经自然冷却外部墙11时，可以开始冷却。在冬天，可能更好的是在正午开始加热，以便给予直接的阳光和白天温度时间来尽可能多地加热外部墙11。系统将没有这些条件的情况下也将工作，但是如果在设计阶段在定位模块在外墙上的布局中所处的位置时适当考虑，则将更有效。

为了更好的性能，模块被容纳在隔热壳套6中。壳套6应当完全包围模块中的所有供气通道25和排气通道26。壳套6有助于防止或至少抑制来自排气口10的热量被传递到供气管道4或回气管道5。

在优选布置中，供气热交换通道25和抽气热交换通道26以交叉路径配置呈直角布置。两个通道25,26的接合处是帕尔贴单体23和热传递块24所处的位置。

另选地，通道可以布置在30°和90°之间而不是直角，并且仍然具有热可行性。然而，直角是优选的，因为它使热能传递最小化。

为了更好的安全性和强度，隔热壳套6可以进一步被金属箱外壳7包围。箱外壳7可以提供将通道保持在适当位置的包围隔热部分的天气保护。它还可以提供对巢居在隔热壳套中的昆虫(诸如蚂蚁)的屏障。箱7可以包括可拆卸的百叶窗或格栅8以允许接近模块。格栅8也可以兼作用于排出空气的出口。

在优选实施方式中，模块还将包括模块控制系统3。控制系统3可以控制加热和冷却周期的时间，并且可以监测温度，以在房间中达到期望的内部温度时将PV能量转移到并网系统中。控制系统3还应跟踪单体的温度，因此它们不会过热和出故障。由此，应当包括切断功能，以防止帕尔贴单体由于过热而潜在地破坏。控制系统3还应当改变电压和电流，以确保总是向帕尔贴单体输送正确的电量，以适应一天的气候和温度条件以及供应系统需要热空气还是冷空气。

控制系统3可以控制用于各种气候/天气条件的风扇速度、运行时间、电压和安培数供应。控制系统3和模块通常可以连接到光伏板1。另选地，电力可以从干线或其它另选装置(诸如例如风力或柴油发电机)获取。

转到图2，可以看到模块的构造和概念。帕尔贴单体23优选安装在热传递块24上，以增加单体的热侧与冷侧之间的隔热值。在另选方案中，传递块24可以与通道25,26成一体，但预期该另选布置可能不划算。

优选的传递块24将采用梯形形状。申请人认为梯形形状更好地将源自方形帕尔贴单体的能量传递到连接到加厚铝肋的纵向延伸通道，并确保沿着通道侧面进入基本圆形周界然后并且然后又进入翼片中的最高效的传导性，其中材料质量随着能量最终传导到通道内的锥形翼片的末端而减少。该形状确保了到各个通道的内表面区域的更大的传导性，包括翼片的表面区域。传递块24附接到供气热交换通道25。虽然在一些实施方式中并非必需，但是帕尔贴23的相对侧可以安装到另一个热传递块，该另一个热传递块接合到抽气热交换通道26。在所示的布置中，帕尔贴23被配置成经由热传递块24冷却供气热交换通道25。在帕尔贴23的一个供应通道侧上生成冷却效果时，相对侧生成热量。该热量被传递到抽气热交换通道26以被耗散。

在通道之间产生的该间隙允许在单体处的关键交叉路径连接接合处的铝的可行厚度。目的是使铝的质量使得由帕尔贴单体生成的热能能够尽可能快地从单体扩散出去，并且又以最大速率进入通道，其加厚侧继续以最大传导速率进入通道的内表面中。

梯形块的体积应该使得从单体吸收的扩散热能以最大可能的速率传导，并经由比单体单独的表面区域更大的增大的表面区域将其分配到连接通道。梯形形状确保了接近两倍的铝的表面区域邻接供气通道，以确保在预期的温差范围不会产生超过铝材料本身预期的实际电阻的额外热阻。由此可见，在通往供应通道的途中，这不会使块内的温度升高到超过单体本身所生成的温度。这确保了随着热能生成，它以快的速率传导出去。然后，传递到空气中的控制因素由通道内的运动空气自身与通道的内表面区域碰撞以及翼片将热能传递到运动空气中的热阻确定。空气的速度优选地被特别选择和控制，以便获得在变化的气候和热负荷条件下最大化整个组件的COP所需的最大效率。

如果优选，则可以使用诸如铜和其它合金的其它材料代替铝。目的是确保热量的高效扩散。铜可以稍微提高通道的传导性，但是折衷将增加成本。

优选的布置将包括帕尔贴单体和供应通道之间的热传递块。另选实施方式也可以包括帕尔贴单体和排放通道之间的热传递块，但预期在大多数应用中这不是需要的。由于优选的布置包括用于单个供应通道的两个排放通道，所以在排放通道上通常不需要传递块。另外，在供应通道上包括传递块增加了热通道和冷通道之间的距离，由此改善了它们之间的隔热。预期单个传递块提供足够的隔热分离。

供气热交换通道25包括至少一个进气扇28，以从回气管道5吸取空气，并使空气沿供气通道25向下传递以被冷却。风扇位于通道25的顶部，然而，应当理解，风扇可以沿着通道定位或者位于通道的端部。另选地，可以采用沿通道隔开的多个风扇。然而，预期单个风扇对于大多数安装将是足够的，并且避免了对额外风扇的增加成本的需要。

类似的布置在抽气热交换通道26上，借此抽气扇29位于通道26的一端。再次，应当理解，风扇29可以沿着通道或在相对端定位，并且可以包括多个风扇。

进气扇28和抽气扇29两者的目的是使空气沿着相应的热交换通道25,26的路径移动，以便更好地促进热传递。

各个通道应当具有低能耗要求，并且可以工作在AC或DC电源上，但至少对于帕尔贴单体来说，DC电源是优选的。AC似乎是更可靠的供应解决方案，因为它使得能够在非高峰夜晚时间使用，并且如果需要的话，也在极端天气条件下使用。然而，在大多数情况下，白天时间期间的DC应该是足够的。如果最终顾客需要或要求，则非高峰AC另选方案在可用时可以是基本DC系统的“附加”。

不是在各个通道中设置单独的风扇，而是该系统可以采用单个空气供应或数量减少的风扇来使空气移动通过通道。例如，位于回气挡板19中的单个风扇可以将空气吸入模块中，然后迫使空气通过通道。然而，使用单独的风扇代替单个供气或排气风扇确保了最大的控制、最低的噪音以及在特定风扇故障的情况下更少的依赖性。

在优选的布置中，包括张紧带27或类似装置以更好地固定通道并防止移动。申请人优选使用弹簧夹来确保正确的压缩。针对通过在各个通道和热传导膏体中定位肋来保持在适当位置的单体的接合处，优选地保持跨越抵靠帕尔贴单体的区域的0.5至1N的压缩范围。这具有减少单体与通道之间的传导损耗的附加益处。预期使用合适的弹簧夹会导致可忽略的传导损耗，如果有的话。除了附接到热传递块24之外，供气通道25和抽气通道26应当彼此热隔离。即，供气通道25和抽气通道26彼此不接触，这使得模块能够高效运行。

由于供气通道25和抽气通道26之间的有限接触，张紧带27能够针对任何移动或振动更好地固定通道。可以使用各种另选机构来代替张紧带27，例如，由弹簧钢制成的具有中心卷曲的带是实现这种情况的一种方式，或者经紧固以在组装期间给予正确压缩的螺纹接头是实现指定结果的另一种方式。张紧带可以以多种方式构造，但是需要是牢固的。它们不需要隔热，因为它们从相似侧连接到拒热通道，或者如果使用反极性则连接到拒冷通道。夹子被包入隔热材料中并避开供应通道(无论在使用中情况可能是热的或冷的)，由此使夹子与热通道和冷通道之间的热桥接的任何影响隔离。

应当理解，隔热壳套6可以用于防止或减少通道的移动，从而在一些应用中不需要张紧带27。

供气挡板20被配置成使较冷的空气沿内部墙13的侧面向下偏转，这两者都用于冷却内部墙并在房间中开始循环气流(如图1中的16所示)以便进行最佳运行。

即，暖空气从天花板水平面附近被吸取，向下移动通过模块的竖直通道，并且在白天时间冷却(在夏季)和加热(在冬季)之后被排放回到房间中，或者如果提供电源，则潜在地持续地排放。朝向地板17供应的空气产生对流16，该对流帮助将调节的空气流分配到房间中，首先沿着主质量墙13向下，然后地板17，沿着相对或内墙36向上并且横跨天花板18。然后空气准备用于另一调节循环。

图3中可以更详细地看到该模块。可以看出，模块由一系列供气通道22组成，供气通道容纳两个排放通道4,5(竖直供气通道的每侧各一个)。在大多数情况下，模块尺寸通常可在2至7个供气通道22的范围内，但可根据工程师的要求重复。在图3中可以看到，所示的模块具有四个供气通道。通道阵列可以夹在一起，并且理想地通过共享或模制的聚氨酯隔热件6的两个部分封装和保持在适当位置，如图中的虚线区域所示。隔热件的目的是通过隔离各个部分以避免另一部分的热干扰隔离来允许模块的最佳运行。优选地，供应通道是铝的，并且通过弯曲的PVC塑料管以直角连接顶部和底部，所述PVC塑料管被模制的绝缘壳套包围。PVC是有利的，因为标准的管道配件可以适于使用，然而，可以使用其它塑料，只要其具有与PVC相当或更好的结构强度即可。

如图2所示，风扇28附接到各个供应通道的顶部，以确保空气以优选的速度移动通过通道。申请人优选磁轴承风扇，因为与其它另选选择(诸如套筒轴承、滚珠轴承或流体轴承)相比，它们应当降低电源要求，并且有效地降低摩擦和噪音问题。转子通过使用磁力保持在适当位置，这意味着轴和定子之间没有接触，因此噪音较低。结果，也不需要润滑剂，这去除作为故障可能原因的油的损失。进一步地，预期小型磁轴承应当具有极长的寿命并且是非常划算的。它们还确保在通道中的气流分布非常良好，以实现到移动空气的设定速度的良好热传递。

另选地，不是为各个通道设置单独的风扇，而是对于供应通道可以使用单个风扇，并且对于排放通道可以使用单个风扇。然而，这将需要歧管和附加控制器来确保提供各个通道中的期望的空气流速。

在各个通道中使用单独的小风扇的附加优点是，如果一个风扇发生故障，则系统将继续工作。由于风扇和通道中的气流之间存在直接关系，所以单独的风扇还允许更简单地控制各个通道中的气流。

专用的12v风扇将以0.7I/s到12I/s的速度供应空气，以便最佳地进行热传递。优选地，这些风扇是由位于包围组装模块的金属箱7中的专门设计的控制器3控制的变速风扇。如果适用，控制器3还可以在不使用时将PV功率转移回到并网系统中。这将在房间/质量温度达到24℃或由住户选择的任何舒适温度时发生。另选地，系统可以具有预设舒适温度。

如果期望，则可以经由提离格栅8包括风扇更换的入口，然后如果需要，去除面向外部的模制隔热部分6。然而，理论上优选的磁轴承风扇应该持续产品本身两倍长的时间。

排气或抽气扇29优选地正好位于外部格栅的内部，以便容易接近以进行清洁和维护。

在优选的布置中，供应通道22的长度可以在350mm和650mm之间，申请人优选的供应通道的长度为500mm。为了方便起见，供应通道22的直径将为80mm，以便适合为模块选择的标准风扇尺寸。如果选择了另选的风扇，那么直径可以相应地改变，例如，一些其它常见的轴流式风扇直径是92mm、120mm、140mm和200mm。只要比例维持在所提交的范围内，那么通道的直径可以按比例增大或减小。

当通道直径为80mm时，供应通道的壁厚优选地为大约3.5mm。这是为了通过允许热能穿过梯形传递块24、侧面加厚部并进入锥形翼片70,71中来促进单体热能的快速传递。通过从帕尔贴单体23快速传导，并提供穿过通道25,26的均匀的热能扩散，启用高效的热传递。理想地，通道将包括如图所示的锥形翼片70,71。

在通道25,26外侧上的侧翼片或加厚部是通道挤出件的一部分，并且改善了沿通道25,26长度向下的传导。虽然通道可以不设置翼片，但是供气通道22设计成内部具有最佳的表面积，以便使沿着通道22的长度从单体23到空气的热传递最大化。

在优选的布置中，大翼片70为大约32×2×1mm的锥形形状，而小翼片71为大约23×1.5×1mm的锥形形状。可以并入各个比例+/-5％的变化。增加了更小和更长的翼片，以增加径向定位的翼片的数量，而不会过度增加通道中的空气阻力。

通道的优选尺寸具有两个优点。80mm直径恰好完全适合以前用于计算机冷却的通常制造的轴流式风扇，这避免了对定制风扇的需要。当组合在供应和排放通道的阵列中时，输送空气流量以加热和冷却空气也是实用的，这通过系统给予大约0.5到1ACH(每小时换气)的房间空气变化。在优选的布置中，在各个通道25,26内部有十二个锥形翼片70,71，这些翼片试图最大化通道的热传递，而不指数地增加空气阻力并由此增大需要由低能量风扇供应的空气压力。

优选的布置采用了交替长度的翼片70,71，以确保最大限度地到达通道的中心，同时保持翼片70,71之间的室在中心附近打开，以便于通道风扇28的较低压力要求，并且允许空气作为单个空气体积流动。风扇的数量及其在通道内的可达范围寻求最大化表面积，而影响以选定速度往返于移动空气的最佳热传递速率所需的风扇空气压力的增加最小。

排气通道26的长度在200mm和400mm之间，优选地为250mm长。在优选的布置中，排放通道与供应通道的厚度相同，并且由相同的挤出型材制成，并且具有80mm的外径，以再次适合为模块选择的选定的标准轴流式风扇。优选地，排放通道26还将包括翼片，理想地，大翼片为32×2×1mm的锥形形状，小翼片为23×1.5×1mm的锥形形状。

如果期望，则系统可以按这些尺寸所指示的比例放大(或缩小)，以为更小或更大的建筑物提供相同的配置。

供应通道25的长度：排放通道26的长度：通道25,26的外径：热传递块24的厚度：通道25,26加厚的总厚度(其为通道挤出件的侧加厚部，以允许连接到TEC并帮助沿着源自接合处的长度传导)：热电单体23的壳体宽度的比率

理想地应当是＝500：250：80：25：6：40

或更简单地＝50：25：8：2.5：0.6：4。

然而，考虑到对各种气候条件的微调，作为模块2的通用指导，比率可以在如下范围内成比例：

(40-60)：(15-35)：(5-15)：(1-5)：(0.2-1：2-6)

能量可以由接合处/控制器供应，接合处/控制器向位于竖直铝供应通道25和水平排气通道26之间的TEC或“帕尔贴”单体23供电。这在图5中例示，在图5中，DC电力布线37被示为去往帕尔贴23。

排气通道26从腔12吸取空气。理想地，对于新的建筑物，将存在由任何隔热材料形成的最小25mm的空气腔，该隔热材料抵靠内部墙13和外部墙11的内表面而建立。这确保了有助于空间内部温度的内部热惯性与排放路径隔离。与系统的排放侧有关的外部墙11部分地通过在途中缓和来自外部墙11的外部空气21的温度来起作用。这通过空气穿过外部墙11的内表面而发生。抵靠较厚的内部墙13的隔热使内部墙13与这种类型的热传递热隔离。该排放空气将夏季的拒绝的热空气和冬季的拒绝的冷空气从TEC带走，这有效地最大化了该过程中的COP。通过降低通过腔进入的外部空气的温度，夏季热侧上的温度在稳定流动的情况下保持较冷，这降低了单体两侧的温差，由此有助于提高COP。在冬季加热的情况下，排放侧变成排放侧，并且外部叶片的白天加温导致抵靠冷侧的更暖的排气，因此当极性相反以用于供应侧加热时也提高COP。

在进口19和供应出口20处的特殊门帘盒沿正确的方向引导空气，以使质量/空气热交换最大化，而且使房间内的进口19和出口20的开口能够在美学上被隐藏。

各个通道具有其自身的轴流式风扇，以向下供应空气，以便房间内的调节空气以及排气通道将空气排回到外面。这在质量缓和的腔交换之后发生，这将更有利的温度排气输送到TEC的拒绝侧。

如果包括可拆卸的格栅，则该格栅允许清洁和维护进入到风扇和通道，风扇和通道实际上应当被包入隔热壳体中。

在优选的布置中，热交换通道25,26将是圆形的以获得更好的效率。圆管形通道25,26确保了最小的外表面积，以达到最大的空气体积，这确保了从通道25,26到隔热材料6的热损失尽可能小。由于通道25,26是圆形的，因此气流在通道25,26的横截面上是均匀的，这将空气均匀地分布在内表面和翼片70,71上，以使热传递最大化，同时使对应的空气阻力最小化。通道可以具有与优选的高效、长寿命的磁轴承型轴流式风扇28,29的半径相匹配的相同轮廓。

优选的轮廓包括侧壁加厚部，该侧壁加厚部提供了挤出件中的一些额外铝质量形式的额外材料，以帮助为帕尔贴23的交替的冷却侧和加热侧的每侧的传导能量，使得能量被迅速扩散到各个通道25,26中，并且经由通道25,26径向定向翼片70,71而被迅速传递到移动的空气。在各个通道的侧面上的加厚部允许单体到通道的直线连接。额外质量的尺寸可以被设计为提供正确体积的铝，以扩散来自系统的拒绝侧的能量，从而影响热能的正确扩散量，以便不抑制热能在铝中向通道内通过的空气的流速。这种加厚部作为系统的拒热路径的挤出件的一部分是有效的。在供应路径上，梯形块增强了热能在通道内的该扩散，如前所述。在侧面上的额外的壁加厚部提供了由铝的宽度、长度和厚度生成的正确的材料体积，所述铝并入到通道的挤压件中以达到上面指定的比例。这被设计成沿着各个通道的整个长度扩散热能，该热能最初从用于排放通道的帕尔贴单体而且在单体的另一侧上传递到梯形阻挡片连接器，再到单体和供应通道。预期，与一些标准的专用散热器相比，在优选设计中所需的铝体积的细化可以将所需的铝体积减少高达50％。

圆形形状使通道的外表面积与空气体积之比最小，并且在选择用于高效热传递的速度下，给予通道高效的结果，尤其在内部翼片增加内部通道表面积时。

本发明的设计使得能够使用减少高达50％的铝，而在热能扩散方面没有(或最小)下降，尤其是在为系统的加热和冷却功能所选择的设计速度下。

热交换通道经由塑料管道连接到房间空间22，该塑料管道塞入穿过构建到墙11,13中的发泡塑料插入物9。可拆卸的外部格栅8和策略性放置的控制箱3使得能够接近单体23和风扇28,29，以便随着时间的推移可能需要进行修理和更换。

该模块可以由各种光伏或用AC和DC连接和配置两者供电，然而，申请人寻求优选使用一个320W/PV板1或更大PV阵列的那部分，其将在白天时间内提供到6m×4m×3m标准房间尺寸的补充冷却或加热。对于更大的房间或空间，将利用附加的模块或模块本身的扩展，加上增加PV供应。图4提供了安装概观。

在图4的示例中，示出了两个房间34,35，但是将理解的是，可以以相同的方式添加额外的房间。两个房间34,35配置有三个模块32，以提供足够的冷却/加热。该图指示可以使用一个或多个模块来冷却或加热与公共控制器连接的空间。模块32各自由模块控制系统3控制，并且在所示的布置中还包括主控制系统33。主控制器33可以查看整个建筑物的整体热效率和能量效率，并将能量引导到空间或区域，以确保整个的建筑物舒适性和能效性。它还可以直流(DC)地或经由逆变器引导来自PV阵列的正确的电量。控制系统3,33和帕尔贴单体23可以由位于建筑物屋顶或接收足够阳光的另选位置上的太阳能光伏板1供电。

图6中例示了优选布置。图6示出了三个房间34,35,63。在房间63中，使用根据本发明的单个空气调节模块32。对于房间35，已经决定使用两个模块，而对于房间34，使用三个模块。模块的数量可以通过考虑房间体积、环境因素(诸如位置和墙是被遮蔽还是在阳光充足的情况下)以及其它要求(诸如期望的周围室温)来选择。

各个模块32理想地由单独的控制器3控制，该控制器本身可由主控制系统33控制。单独的控制器3可以基于由主控制系统33提供的信息调节到帕尔贴单体23和风扇28,29的供电。

主控制系统33可以由光伏板1供电，并且将电力分配给各个控制器3中的每一个。电力可以直接被引导到各个控制器，然而，可以感觉到，通过主控制系统33路由电力提供了更简单的控制机制。电源也可以是另一种另选方案，诸如干线电源44或可再生和不可再生能源的组合。在一些安装中，可以保证包括AC非高峰升压41。这种安装还将可能包括控制干线功率消耗的定时器。在可应用的情况下，该系统还可以被配置成将剩余的DC功率返回到DC/AC逆变器43以用于其它电器或返回到电网。

如图7所示，主控制系统33可以包括系统功率控制器65，其具有用于安装中的各个模块32的多个功率控制器。主控制系统33还可以包括具有用于各个模块32的数据和控制处理68的处理器67。

单独的控制器3可以包括由功率单元71供电的处理器70，功率单元自身从主控制系统33中的功率控制器69接收功率。处理器70操作进气扇电压控制器72和排气扇电压控制器73。

理想地，该系统还将包括温度调节安全电源关闭装置74，如果温度超过预定阈值，则该装置将运行，以停用帕尔贴单体23。

在优选的布置中，主控制系统33将向各个控制器3提供功率60，各个控制器然后将分配功率39,40给帕尔贴单体23和风扇28,29，并将控制数据62从主控制系统33提供给模块32。模块32还可以将传感器信息61提供回主控制系统33。该传感器信息可以从各种可能的传感器获得，诸如帕尔贴单体第一侧温度46、帕尔贴单体第二侧温度47、房间热质量温度48、房间空气温度49、外部空气温度50或外墙温度51。可以看出，在一些情况下，传感器读数对于一组模块是共同的，而在其它情况下，传感器读数对于模块是特定的。例如，房间空气温度49对于该房间内的所有模块是共同的，而帕尔贴单体第一侧温度将专用于单个模块。

从单个控制器3到帕尔贴单体23的功率优选地将通过电压控制器38，该电压控制器能够根据需要冷却还是加热来反转功率的极性。

一般而言，系统将感测温度并将感测到的温度与所需温度进行比较。这将确定系统是否需要加热或冷却，并相应地设置到帕尔贴单体的电压极性。电力将被送到帕尔贴单体以生成冷却和加热效果，并且还被送到风扇以产生沿着通道的必要气流。调节后的空气离开模块并沿着房间的热质量传递，以被再辐射到房间中。

系统可以被预先配置成维持预定的环境温度，和/或在设定的时间期间运行。然而，预期大多数安装将包括允许最终用户进行控制操作的用户输入接口53。根据实施方案，用户可以例如设置各个房间的房间温度或设置各个房间的运行时间。接口53可以硬连线到主控制系统33或者可经由诸如因特网的全球计算机网络访问。

理想地，接口53还将访问到气象天气预报52的链接。如果预报是针对特定的热或冷时段，则系统可以被配置为预先调节运行以考虑预测的天气。例如，如果预报是针对特别炎热的天，则系统可以开始冷却房间的热质量，以便限制即将到来的炎热天气的影响。

在夏日，腔变成用于排出空气的冷却路径和用于来自TEC的拒绝冷空气的被动热路径。在温带型气候的冬季，腔将始终在13℃至15℃左右(对于外部冷空气的被动预热，外部冷空气在早晨可能容易为7-10℃)，而在夏季，在大多数温带气候下，腔将为25℃至28℃(当外部空气在一天中可能为26℃至45℃时)。由此，通过控制器的定时，可以提高用于排放/拒绝空气功能的外部空气的温度，这通过外墙腔来缓和。

大多数建筑物响应于天气和气候变化反应较差(能量效率方面)，但是相当迅速。传统的空气调节系统实现本发明并不试图与之竞争的高速率的加热和冷却功率。即，本发明不采用在快速响应时间范围内加热或冷却的相同策略。然而，通过以不同的方式利用建筑物的热质量，快速响应对于提供连续的舒适度水平的重要性降低。

当依赖光伏/优选地DC能量时，本系统在整个白天时间内缓慢地工作。如果还提供电源，则可以提供更长的运行。蓄冷或蓄热在围绕空间的质量中，而不是试图快速间歇地加热和冷却空间内的空气(这是一种传统策略)。即，本系统被设计成全天运行以便维持舒适的温度，而不是仅在高需求时段期间运行。

本系统适用于被动式太阳能建筑物，在这些建筑物中，热质量在冬季储存来自太阳的能量，在夏季使用遮光物遮蔽，冬季在晚上捕捉能量或夏季经由夜间通风排出能量，这大大缓和了建筑物中24小时期间的热质量温度。

热质量可以以有吸引力的速率存储热能，而不需要在蓄电池中存储电能，然后在稍后时间在太阳不可直接利用之后将能量应用于运行加热和冷却。代替电存储，本系统在白天时间的运行使得天气温暖或“凉爽”能够被存储在建筑物本身的墙地板和天花板下表面中，在冷却的情况下重新发射热能或吸收热量以保持温度稳定，因为夜间往往通过穿过建筑物外皮的传导或经由空气渗透和泄漏而降低内部温度。

这样，可简单地通过以下方式在白天和晚上维持约24℃的稳定温度：根据需要生成热量或冷量，以在白天时间使用PV生成的电力使质量和空气温度达到该目标。这些基准温度适合澳大利亚95％人口的生活的温带气候。存在适用于热带和寒带气候的明显不同的舒适温度，但是操作原理是相同的，并且将应用或多或少的模块以满足舒适条件和在整个季节中的白天时间期间的可用太阳辐射。相同的方法可应用于世界上的其它地方。

通过交叉路径圆形通道的系统，热交换以高效方式从帕尔贴单体或热电单体传递到空气，这改善COP，无论是在加热循环还是冷却循环中。

作为示例，当以下情况发生时，可以从DC连接的PV源获得高度可行的COP：

·TEC的热侧与冷侧之间的温差在稳定流条件下为10℃以下，在夏季，处于例如20℃到28℃的从位置(15)到(10)的空气在交叉路径位置处与处于例如24℃到26℃的经由空气路径(16)的供应空气相遇。

·在白天时间的大多数时间，通过通风和连接壁的外皮的夜间再辐射，将被选择用于夏季冷却准则的空气温度保持在28℃以下。

·供气目标为24℃。

·建筑物的夜间通风在夏季将内部预冷至最高28℃，冬季由于太阳增益而预冷至18℃，这使得在白天时间内的绝大部分时间内温差能够保持较低。

该系统自然可以在较低的冷却和较高的加热温度下工作，但是如果TEC单体23自身的温差在稳定流动条件下在热侧和冷侧之间超过10℃，则COP将降低，并且作为节能系统的经济可行性将变差。

帕尔贴单体23在单体23的一侧提供冷却，在单体23的另一侧提供加热。关于哪一侧是冷却和哪一侧是加热的选择可以通过控制到单体的功率的极性来确定。

在本申请中，如果系统处于冷却模式，使得帕尔贴单体23的冷却侧连接到供应通道4，则可以通过反转到单体23的功率极性将模块切换到加热。即，当需要加热时，控制器3可以通过固态机构简单地改变到帕尔贴单体23的功率的方向。供应通道4然后将简单地输送加热后的空气而不是冷却后的空气。相反地，通过电源的这种极性变化，排放通道10将排放冷空气而不是在启动冷却过程时正常排放的拒热空气。

可以包括开关来允许用户反转电源的极性，由此从加热模式变为冷却模式，反之亦然。在优选的布置中，从内部和外部恒温器监测的简单温度条件将触发数据库中的决策和被编程到固态控制器中的激活算法，以在特定的一天加热或冷却，尤其是在季节中期，如果经历异常的热或冷的天气并且开始影响建筑物内部的温度水平。

通过简单地切换到TEC的功率的极性，系统从供气冷却切换到供气加热，反之亦然，这通过该腔在夏季的拒绝热空气和在冬季的拒绝冷空气进行。

本发明的空气调节模块提供了优于更传统的制冷和蒸发式空气调节的多个优点，包括：

·传统热泵型系统的资本成本可能降低高达50％，并且由于在优选系统中除了耐用的小风扇之外没有移动零件，因此即使有维护成本也是很少的。

·消除了与传统AC系统关联的脱气的需要，从而降低了空气调节的环境影响。

·降低了对建筑物的补充加热和冷却的功率需求，特别是在使用光伏电池来提供功率时。

·使得来自一天的热能能够被存储在建筑物的结构中，这减少了(如果不是消除的话)对于用于夜间建筑物使用的蓄电池存储系统的需要。

·与现有帕尔贴系统相比，改善了预期的COP，并引入了高热效率和通道隔离，以减少从单体的热侧向冷侧的热量溢出。

·将新型材用于管道挤出件，这提高热交换效率。这是通过平衡能量穿过通道的质量的扩散到其径向翼片的理想表面厚度和面积来实现的。这使从TEC到供应和排放通道中的优化的移动空气的热传递最大化。

·减少电力需求，使得经由DC的单个PV板能够为离网位置的系统供电。

另外，本发明预期实现可接受的COP。例如，在温带气候中，预期模块实现以下COP：

夏季冷却：在平均条件下为3.0

在极端条件下为0.5至1.0

在温和条件下为4至5

冬季加热：在平均条件下为9.0

在极端条件下为1.0至1.5

在温和条件下为10.0至12.0

本系统还可以与传统的空调结合。即，本模块可以以混合形式与其它空调结合工作，这在温和条件下提供加热和冷却并且节省能量，在条件允许时更直接地使用热质量，间歇地节省能量和运行成本。即，本系统可以缓和温度，而传统系统可以提供用户期望的“瞬时”效果。使用本系统将至少降低对传统系统的要求。

概括地说，本发明提供了一种空气调节系统，其中传统热泵被帕尔贴单体或热电单体代替，该单体理想地由光伏太阳能供电。与传统系统不同，本系统旨在在更长的时间段内(诸如在白天时间期间)使用更低的功率。本系统希望在白天时间期间缓和到帕尔贴单体模块的供电，以冷却房间中的主墙，以便通过从辐射热控制散发来在白天时间期间冷却或加热空间，而不是主要直接向空间本身的空气散发来加热和冷却建筑物中的房间或空间。然而，在房间或空间中产生的来自传统空气调节系统的对流可以作为辅助机构来辅助分配热调节，这发生在首先将空气缓慢地分配到该空间中的所有质量表面(主墙、地板、相对的侧面和相邻的墙)之后，然后是天花板下表面，因为空气自然地上升以准备再循环。

除了空调的一般应用之外，本系统的优选实施方式与其它TEC系统相比独特的一个方面是：当前的系统将一种填充式平行板热交换器类型的系统用于加热和冷却。虽然这种系统在紧密封闭的空间中是良好的，但是热效率被牺牲。传统的布置由于从热侧到冷侧的热泄漏而在效率上产生一些热损失，并且还导致单体本身中的额外热阻和电阻。这导致需要更多的功率来操作TEC系统以获得所需的冷却或加热功率。本发明采用交叉路径或垂直热交换布置，而不是平行板热交换器，这去除或至少减少热损失。

并入交叉的气流是优选实施方式的一个独特特征。然而，如果空间是问题，则平行的竖直通道可以用作交叉路径配置的变型，然而，应当注意确保由铝传递块产生的隔热间隙应当始终维持为通道之间的最小距离。预期，由于可能发生的热通道和冷通道之间的传热增加，与交叉配置相比，平行配置将导致COP的损失。

贯穿本说明书对“一个实施方式”或“实施方式”的提及意指关于实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中。由此，短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”在贯穿本说明书的各种位置中的出现不是必须全部提及同一实施方式。

此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个组合中。应当理解，本领域技术人员可以以与上述方式不同的方式实施本发明，并且可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下进行改变。

本说明书中的任何文献、装置、动作或知识的讨论被包括以说明本发明的上下文。不应认为承认任何材料在任何国家、在本说明书所属的专利申请的申请日或之前形成现有技术基础或相关领域的公知常识的一部分。

Claims (10)

1.一种空气调节系统，该系统包括：

空心墙，该空心墙包括：

内墙；和

外墙，其中，所述外墙和所述内墙之间的空间形成腔，外墙上设有新鲜空气进口，新鲜空气经由该新鲜空气进口进入所述腔；

空气调节模块(2)，该空气调节模块配置为安装至所述空心墙，该空气调节模块(2)包括：

热电单体(23)，该热电单体具有第一侧和第二侧，所述热电单体(23)能操作为维持所述第一侧和所述第二侧之间的温度差；

供气调节管道(25)，该供气调节管道附接到所述热电单体(23)的所述第一侧，所述供气调节管道(25)包括至少一个空气调节管道壁，并且其中：

所述空气调节管道壁的附接到所述热电单体(23)的第一部分具有比所述空气调节管道壁的不附接到所述热电单体(23)的第二部分更大的厚度；并且

所述供气调节管道延伸穿过所述外墙并与所述新鲜空气隔离；

排放管道(26)，该排放管道附接到所述热电单体(23)的所述第二侧；以及

供气挡板(20)，该供气挡板配置为流体连接到所述供气调节管道(25)，所述供气挡板延伸穿过安装至所述空心墙的墙插入块并与所述新鲜空气隔离；

其中：

所述供气调节管道(25)接收并调节来自房间的空气以产生调节后的空气；

所述供气挡板(20)配置为在平行于墙的方向上引导来自所述供气调节管道(25)的所述调节后的空气，以使所述调节后的空气和所述墙之间的热能量沿着所述墙交换；

所述排放管道(26)从所述腔接收空气，使热能够传递到被接收的空气，并且使空气能够被排出，从而排出(10)不需要的热能；

所述供气调节管道(25)相对于所述排放管道(26)成30°和90°之间的角度；

所述供气调节管道(25)包括供气热交换通道，所述排放管道包括抽气热交换通道；

所述热电单体(23)位于所述供气热交换通道和所述抽气热交换通道的接合处；

所述供气热交换通道和所述抽气热交换通道为基本上圆形的横截面，并且包括从各自的通道的周边朝向各自的通道的横截面中心延伸的多个肋。

2.根据权利要求1所述的空气调节系统，其中，所述排放管道(26)包括至少一个排放管道壁，并且其中，所述排放管道壁的附接到所述热电单体(23)的第一部分具有比所述排放管道壁的不附接到所述热电单体(23)的第二部分更大的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的空气调节系统，其中，所述热电单体(23)的所述第一侧通过热传递块(24)附接到所述供气调节管道(25)的所述空气调节管道壁。

4.根据权利要求1或2所述的空气调节系统，还包括：至少一个风扇(28,29)，该至少一个风扇生成穿过所述供气调节管道(25)和/或所述排放管道(26)的气流。

5.根据权利要求1或2所述的空气调节系统，还包括：风扇(28,29)，该风扇用于所述供气调节管道(25)和所述排放管道(26)中的每一个，以生成穿过所述供气调节管道(25)和所述排放管道(26)的气流。

6.根据权利要求1或2所述的空气调节系统，其中，所述供气调节管道(25)包括在一端处从所述房间接收空气的回气管道(5)以及在相对端处将调节后的空气返回到所述房间的供气管道(4)。

7.根据权利要求1或2所述的空气调节系统，其中，所述热电单体(23)包括帕尔贴单体。

8.根据权利要求1所述的空气调节系统，该空气调节系统包括：

多个所述供气调节管道(25)，每个所述供气调节管道(25)附接到各自的所述热电单体(23)的第一侧，各个所述供气调节管道(25)包括至少一个空气调节管道壁；以及

多个所述排放管道(26)，每个所述排放管道(26)附接到各自的所述热电单体(23)中的一个热电单体的第二侧。

9.根据权利要求1或2所述的空气调节系统，其中：

所述空气调节模块(2)容纳在隔热壳套(6)中；

所述空气调节模块还包括：

传感器；

控制系统；

在所述供气调节管道或所述排放管道上的一个或多个风扇；并且

所述控制系统被配置为基于所述传感器提供的传感器数据，控制一个或多个风扇或者所述热电单体。

10.根据权利要求1或2所述的空气调节系统，其中，所述肋或翼片随着所述肋或翼片从所述周边延伸而在横截面上逐渐变细，并且其中，各个通道中的相邻的所述肋或翼片的长度在第一长度与第二长度之间交替。

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