BR112020007332B1

BR112020007332B1 - Módulo e sistema de ar-condicionado

Info

Publication number: BR112020007332B1
Application number: BR112020007332-6A
Authority: BR
Inventors: Garry Frederick Baverstock; Sam Peter Paolino; Stephen Frederick Lucks
Original assignee: Wise Earth Pty Ltd
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2023-10-03
Also published as: AU2024201849A1; US20200271337A1; AU2018348782A1; AU2018348782B2; CN111465815B; BR112020007332A2; EP3695184A1; CN111465815A; EP3695184C0; GB202006976D0; EP3695184B1; US11761647B2; GB2581729A; ZA202002055B; US20240060663A1; GB2581729B; EP3695184A4; WO2019071310A1

Abstract

a presente invenção se refere a um módulo de ar condicionado compreendendo uma célula termoelétrica com um primeiro lado e um segundo lado; um duto de condicionamento conectado ao primeiro lado da célula termoelétrica; e um duto de exaustão conectado ao segundo lado da célula termoelétrica; em que o duto de condicionamento recebe e condiciona o ar de uma sala e o duto de exaustão libera energia térmica indesejada.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a um módulo de ar condicionado que utiliza uma célula termoelétrica e pode ser acoplado a painéis fotovoltaicos.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Para melhorar o conforto dos ocupantes, muitos edifícios incorporam sistemas de ar condicionado. Ou seja, a remoção ou adição de calor a uma sala, conforme necessário. Para resfriar uma sala, o ar condicionado pode extrair calor da sala e transferir esse calor para o exterior. Para aquecer uma sala, o processo pode ser efetivamente revertido e o ar condicionado atua como uma bomba de calor.

[003] Várias técnicas são, ou foram, usadas para controlar as condições da sala. Possivelmente o tipo mais comum é um ar condicionado refrigerado. O ar quente do edifício flui sobre as serpentinas em um condensador localizado fora do edifício. As bobinas têm um refrigerante frio dentro delas, que absorve o calor do ar, permitindo que o ar resfriado retorne ao edifício.

[004] Outra técnica comum é o resfriamento evaporativo. Nestes sistemas, o ar quente é retirado do exterior e passado por almofadas cheias de água. À medida que a evaporação da água ocorre, o ar é resfriado e bombeado para dentro do prédio.

[005] Em algumas aplicações militares e de produtos de consumo, foi utilizado um ar condicionado Peltier ou célula termoelétrica. Este sistema funciona aplicando uma fonte de energia CC a dois elementos de um semicondutor. Quando a energia é aplicada, um lado do dispositivo esfria. Este lado está localizado dentro da área a ser resfriada e um ventilador é usado para circular o ar para resfriar a área. Esses sistemas são muito robustos em um ambiente vibracional e, portanto, atraentes para uso em aplicações como veículos blindados e tanques. Quanto mais altas as saídas de energia necessárias para aquecer ou resfriar, maiores são as demandas exigidas das fontes primárias de fornecimento de energia, geralmente gás diesel ou outros combustíveis fósseis líquidos. No entanto, em tais aplicações, o funcionamento do sistema em ambientes físicos, climáticos ou remotos adversos, e particularmente com demandas espaciais disponíveis para a tecnologia de aquecimento/resfriamento, coloca a eficiência energética como baixa prioridade.

[006] Outra técnica é chamada de resfriamento livre que bombeia um fluido de refrigeração de uma fonte fria. O fluido de refrigeração atua como um dissipador de calor para resfriar uma área.

[007] Para edifícios de ar condicionado, e em particular para uso residencial, um objetivo cada vez mais importante é fornecer aquecimento e/ou resfriamento eficazes que sejam eficientes e econômicos. Uma dessas medidas é o coeficiente de desempenho (COP). COP se refere à proporção de energia térmica gerada por um dispositivo em relação à quantidade de energia fornecida a esse dispositivo. Um bom COP para aquecimento e resfriamento usando um ar condicionado refrigerado convencional seria de 4 a 5, mas geralmente acima de 3 para um sistema total. O ar condicionado evaporativo pode operar nas faixas de COP de 10 a 15 e acima, mas a desumidificação não ocorre com esse processo. De fato, a umidade é frequentemente adicionada no processo de resfriamento que torna problemática a aplicação desse tipo de sistema em alguns locais. Portanto, a maioria das aplicações comerciais tende a incorporar sistemas de bomba de calor refrigerante em conjunto, particularmente em climas quentes e úmidos, reduzindo o COP. Climas quentes temperados e secos usam sistemas evaporativos para aplicações residenciais únicas, mas agora as despesas com uso de água também estão se tornando um problema na avaliação da viabilidade.

[008] Um COP ruim seria 1 ou menos. Esse é um problema para o ‘Peltier’ ou resfriamento termoelétrico, porque a taxa usual de resfriamento ou fornecimento de calor necessária para a maioria das aplicações convencionais geralmente leva à sobrecarga das células com energia elétrica. É comum que um sistema de resfriamento Peltier tenha 0,5 COP ou menos para resfriamento e menos de 1,5 para aquecimento. Por exemplo, o resfriamento Peltier é usado em veículos blindados, onde espaço e vibrações são questões- chave. A única maneira de obter energia de resfriamento suficiente para manter os operadores confortáveis é injetar mais energia gerada a diesel no sistema. Portanto, o COP é bastante reduzido para cerca de 0,2 ou 0,3. Isso pode ser justificado para uso militar, mas não é viável para refrigeração residencial.

[009] Atualmente, os sistemas refrigerados são geralmente preferidos, embora em algumas áreas os sistemas evaporativos sejam superiores. Um problema é que os custos para executar esses sistemas estão aumentando - mesmo que os próprios sistemas estejam se tornando mais eficientes. A geração de energia é mais cara e esses custos são cada vez mais repassados aos consumidores. À medida que os custos aumentam, a solução para muitos é diminuir o tempo de funcionamento dos aparelhos de ar condicionado.

[0010] É desejável fornecer um sistema de ar condicionado aprimorado que possua um COP razoável e custos operacionais mais baratos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0011] De uma forma ampla, é fornecido um sistema de ar condicionado utilizando células Peltier ou termoelétricas para condicionar o ar de uma sala. O sistema condiciona a sala ajustando a energia térmica do ar recebido da sala. Isso pode ser feito removendo ou adicionando energia térmica, dependendo se se deseja esfriar ou aquecer a sala.

[0012] Em outra forma ampla, é fornecido um túnel de troca de calor aprimorado. O túnel é geralmente circular na seção transversal e inclui uma pluralidade de nervuras que se estendem para o centro do túnel.

[0013] Em um primeiro aspecto, é fornecido um módulo de ar condicionado que compreende: uma célula termoelétrica tendo um primeiro lado e um segundo lado; um duto de condicionamento ligado ao referido primeiro lado da referida célula termoelétrica; e um duto de exaustão ligado ao referido segundo lado da referida célula termoelétrica; em que o referido duto de condicionamento recebe e condiciona o ar de uma sala, e o referido duto de exaustão libera energia térmica indesejada.

[0014] O primeiro lado da célula termoelétrica pode ser anexado a uma parede lateral do duto de ar condicionado e o segundo lado da célula termoelétrica pode ser conectado a uma parede lateral do duto de exaustão. De um modo preferido, pelo menos a ligação do duto de ar condicionado ao primeiro lado da célula termoelétrica é através de um bloco de transferência térmica.

[0015] O módulo de ar condicionado pode incluir pelo menos um ventilador para gerar fluxo de ar através do duto de ar condicionado e/ou duto de exaustão e, idealmente, cada duto terá um ventilador individual.

[0016] O duto de exaustão pode receber ar de uma cavidade da parede.

[0017] Em um segundo aspecto, a presente invenção fornece um sistema de ar condicionado que compreende: pelo menos uma célula termoelétrica, cada célula tendo um primeiro lado e um segundo lado; uma pluralidade de dutos de condicionamento ligados ao primeiro lado de cada célula termoelétrica; e uma pluralidade de dutos de exaustão conectados ao segundo lado de cada célula termoelétrica; em que cada duto de condicionamento recebe e condiciona o ar de uma sala e cada duto de exaustão libera energia térmica indesejada.

[0018] Em um terceiro aspecto, a presente invenção fornece um túnel de troca de calor aprimorado, em que o referido túnel é substancialmente circular na seção transversal e inclui uma pluralidade de nervuras que se estendem da periferia do referido túnel em direção ao centro da seção transversal do referido túnel, e em que nervuras adjacentes alternam de comprimento entre um primeiro comprimento e um segundo comprimento.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0019] Uma modalidade ilustrativa da presente invenção será agora descrita com referência às figuras anexas. Outras características e vantagens da invenção também se tornarão evidentes a partir da descrição anexa.

[0020] A Figura 1 mostra uma sala com um módulo de ar condicionado da presente invenção anexado.

[0021] A Figura 2 mostra a construção e a disposição dos túneis de troca de calor.

[0022] A Figura 3 mostra uma possível disposição do módulo de ar condicionado.

[0023] A Figura 4 mostra um exemplo de uma possível instalação da presente invenção.

[0024] A Figura 5 mostra um arranjo das células Peltier e dos túneis do dissipador de calor.

[0025] A Figura 6 mostra um arranjo de controle exemplar para uma modalidade da presente invenção.

[0026] A Figura 7 mostra uma possível configuração de um sistema de controle.

[0027] As Figuras 8a e 8b exemplificam a abordagem conceitualmente diferente entre a modalidade preferida da presente invenção e sistemas convencionais.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0028] A descrição a seguir é apresentada para permitir que qualquer pessoa versada na técnica faça e use a invenção, e é fornecida no contexto de uma aplicação específica e seus requisitos. Várias modificações nas modalidades divulgadas serão prontamente reconhecidas para as pessoas versadas na técnica, e os princípios gerais aqui definidos podem ser aplicados a outras modalidades e aplicações sem se afastar da essência e do escopo da presente invenção. Assim, a presente invenção não se destina a ser limitada às modalidades mostradas, mas deve ser concedido o escopo mais amplo consistente com os princípios e as características aqui divulgados.

[0029] As referências neste documento serão feitas a uma célula Peltier, célula termoelétrica ou TEC. Será entendido que todos os três termos são intercambiáveis e são simplesmente termos alternativos do mesmo item.

[0030] Uma célula Peltier ou termoelétrica é uma célula capaz de converter energia elétrica, através de um semicondutor, em energia térmica. Mais especificamente, quando uma corrente elétrica é aplicada, ela fornece resfriamento em um lado da célula enquanto aquece simultaneamente no lado oposto da célula. A célula é composta por semicondutores de configuração semelhante às células fotovoltaicas, exceto que, em vez de a energia solar ativar o fluxo de energia, é a aplicação de eletricidade que é convertida de maneira reversa em energia térmica (no caso do resfriamento ser ausência de energia de calor no lado oposto da célula). Eles tiveram uso em computadores de refrigeração interna e foram usados nas forças armadas dos EUA em veículos blindados. A certo suprimento de tensão/corrente da célula existe um efeito de bomba de calor, onde, como o ar condicionado convencional, é possível gerar mais energia de aquecimento ou resfriamento do que a energia elétrica fornecida.

[0031] Referindo-nos à Fig. 1, é mostrada uma seção transversal através de uma sala sendo resfriada por um módulo de ar condicionado da presente invenção. Para simplificar a explicação, a sala possui uma parede externa 11, 13, um piso 17, uma parede interna 36 e um teto 18. A construção mostra uma parede externa de tijolo de cavidade padrão que preferencialmente enfrenta uma posição de sombra no verão. A parede da cavidade é composta da parede externa 11, parede interna 13, com o espaço entre as paredes externa 11 e interna 13 formando a cavidade 12. Para maior eficiência energética, a cavidade 12 pode conter um material isolante. As paredes internas 36 são de um modo preferido paredes sólidas de materiais de massa, como pedra ou concreto, por exemplo, ou placas de revestimento com infusão de mudança de fase de nova geração em estruturas de parede com estrutura leve, no entanto, uma parede interna sólida não é essencial.

[0032] O módulo de ar condicionado da presente invenção penetra idealmente através da parede externa 11, 13 de um edifício. Ao entrar pela parede externa 11, 13, o módulo 2 pode acessar a cavidade da parede externa 12, que pode ser usada para moderar o ar aspirado através da cavidade 12 para o módulo 2. Embora a utilização da cavidade melhore o COP, não é imperativo. Como alternativa, se desejado, o módulo 2 pode acessar o espaço do telhado de um edifício ou uma cavidade criada por um teto falso da mesma maneira que o arranjo preferido acessa a cavidade da parede externa 12.

[0033] Para o resfriamento, o ar quente é aspirado através da placa defletora de retorno 19, idealmente localizado próximo ao teto, refrigerado pelo módulo e, em seguida, o ar refrigerado é retornado para a sala através do defletor de ar de suprimento 20. Na disposição preferida, a placa defletora de ar direcionará o ar condicionado ao longo da parede interna 13 para permitir que o ar condicionado armazene sua energia térmica na massa e retransmita para o ar. Nesse arranjo, o sistema está principalmente resfriando o ar através de efeitos radiativos e parcialmente através de alguma convecção após essa troca transitória com a superfície de massa da parede. A parede pode ser revestida com uma placa impregnada de mudança de fase para paredes com peso mais leve, com um efeito de massa térmica aprimorado para ajudar nessa função térmica primária de absorção e irradiação de calor. Com partições emolduradas, isso pode ajudar a corresponder ao desempenho de paredes pesadas.

[0034] Alternativamente, o defletor de ar de suprimento 20 pode direcionar o ar condicionado para o espaço da sala da mesma maneira que os condicionadores de ar convencionais, no entanto, considera-se que direcionar o ar condicionado ao longo da parede é significativamente mais eficaz. O arranjo preferido é exemplificado nas Figuras 7a e 7b.

[0035] A Figura 7a mostra o arranjo preferido pelo qual o ar condicionado é empurrado contra a massa térmica da sala - as paredes, o piso e o teto. O módulo provavelmente só funcionará durante o horário de luz do sol quando um painel fotovoltaico for capaz de produzir energia elétrica CC. Durante as horas de sol, a inércia térmica da massa continua a fornecer condicionamento de espaço ao ambiente por radiação no ar e nos ocupantes. Assim, o sistema poderia condicionar o espaço da sala através de uma combinação de ar condicionado direto e energia irradiada da massa térmica.

[0036] A Figura 7b mostra um condicionador de ar convencional, com um condensador externo 51 trabalhando com um ventilador e uma unidade de troca de calor 50 dentro da sala. O sistema de condicionador de ar convencional empurra o ar condicionado para o espaço da sala para aumentar ou diminuir rapidamente a temperatura do ar, conforme necessário. Isso permite que os ocupantes sintam um efeito quase instantâneo. Em muitos casos, esses sistemas normalmente não estão ativos por longos períodos devido ao alto consumo de energia. Em tais sistemas convencionais, a massa térmica ao redor do espaço da sala não teria a oportunidade de coletar inércia térmica significativa.

[0037] O defletor de ar de retorno 19 e o defletor de ar de suprimento 20 passam idealmente através dos blocos de inserção de parede de plástico 9. Os blocos 9 podem ser seções moldadas de isolamento de poliuretano que ajudam a manter o conjunto no lugar na parede e também podem isolar termicamente os dutos como eles passam através da parede. Alternativamente, qualquer material isolante espumado pode ser usado no lugar dos blocos 9, mas deve ter propriedades isolantes semelhantes às do poliuretano.

[0038] O defletor de ar de retorno 19 permite que o ar passe do interior da sala 22 para retornar o duto de ar 5. O ar passa então para o módulo mostrado na Figura 3, antes de retornar em um estado resfriado (ou aquecido) de volta à sala 22 através do duto de ar de suprimento 4.

[0039] Um exaustor de ar 10 é fornecido para expelir o ar aquecido durante o processo de resfriamento para as condições ambientais. A cavidade da parede 12 pode fornecer a fonte de ar para o caminho de rejeição de calor do sistema de refrigeração. O ar fresco pode entrar na cavidade da parede 12 através de uma ventilação de entrada de ar fresco 14 para fornecer a fonte de ar de exaustão. A trajetória do ar de exaustão pode ser vista como a trajetória do item 15 ao item 10 na Figura 1. De um modo preferido, a ventilação de entrada de ar 14 é construída ou cortada na parede externa 11 em uma posição baixa, de modo a maximizar o comprimento de percurso de exaustão de ar para o módulo. A duração do percurso da exaustão de ar será de cerca de 3 metros dentro da cavidade 12. O objetivo é que a folha externa 11 da parede da cavidade modere o ar externo para coincidir com a massa ou a temperatura da parede. Isto é conseguido através da transferência de energia térmica da exaustão do ar para a folha externa 11 da parede da cavidade 11, 13, para permitir um resfriamento passivo adicional adicionado ao túnel de exaustão e, portanto, melhorar a eficiência do lado térmico rejeitado da célula Peltier ou termolétrica. Isso pode ajudar a manter as células quentes e frias do Peltier abaixo de 10 °C e, de um modo preferido, menos, de modo que o COP da célula termoelétrica esteja em torno de 3 ou acima em uma condição de fluxo constante. O inverso ocorre no inverno, onde o calor do dia adiciona calor a esse caminho de exaustão, tornando-o mais eficaz em remover a temperatura fria da polaridade reversa criada pelo lado frio, melhorando assim a diferença de temperatura em uma condição de fluxo constante enquanto o aquecimento ocorre no interior do sala condicionada.

[0040] Por esta razão para um desempenho ideal, a folha externa 11 da parede da cavidade 11, 13 seria sombreada no verão e, de um modo preferido, ao sol no inverno. No verão, o resfriamento pode começar pela manhã, quando as temperaturas noturnas resfriaram naturalmente a parede externa 11. No inverno, provavelmente seria melhor começar o aquecimento ao meio-dia, de modo a dar ao sol direto e à temperatura diurna tempo para aquecer a parede externa 11 tanto quanto possível. O sistema funcionará sem essas condições, mas será mais eficaz se for considerado adequadamente no estágio de projeto, para localizar onde os módulos estão posicionados na configuração da parede externa.

[0041] Para um melhor desempenho, o módulo é alojado em um invólucro de isolamento 6. O invólucro 6 deve envolver completamente todos os túneis de suprimento 25 e de exaustão de ar 26 no módulo. O invólucro 6 ajuda a impedir, ou pelo menos inibir, o calor da exaustão de ar 10 sendo transferido para os dutos de suprimento 4, ou de retorno 5.

[0042] Na disposição preferida, o túnel de troca de calor de ar de suprimento 25 e o túnel de troca de calor de ar de extração 26 são dispostos em ângulos retos em uma configuração de trajetória cruzada. A junção dos dois túneis 25, 26 é o local onde a célula Peltier 23 e o bloco de transferência térmica 24 estão localizados.

[0043] Em vez de ângulos retos, os túneis poderiam, alternativamente, ser dispostos entre 30° e 90° e ainda ter viabilidade térmica. O ângulo reto é, no entanto, preferido, pois minimiza as transferências de energia térmica.

[0044] Para melhor segurança e resistência, o invólucro de isolamento 6 pode ser ainda mais cercado por um invólucro de caixa metálico 7. O invólucro de caixa 7 pode fornecer proteção contra intempéries das seções de isolamento envolvente que mantêm os túneis no lugar. Também pode fornecer uma barreira para insetos, como formigas aninhadas no invólucro do isolamento. A caixa 7 pode incluir persianas removíveis ou grade 8 para permitir o acesso ao módulo. A grade 8 também pode funcionar como uma saída para o ar de exaustão.

[0045] Na modalidade preferida, o módulo também incluiria um sistema de controle do módulo 3. O sistema de controle 3 pode controlar os tempos dos períodos de aquecimento e resfriamento e pode monitorar as temperaturas para desviar a energia fotovoltaica para o sistema conectado à rede quando a temperatura interna desejada na sala é alcançada. O sistema de controle 3 também deve rastrear as temperaturas das células para que elas não superaqueçam e falhem. Portanto, uma função de desligamento deve ser incluída para evitar a destruição potencial da célula Peltier devido ao superaquecimento. Além disso, o sistema de controle 3 deve variar a tensão e a corrente para garantir que a quantidade correta de energia seja sempre fornecida à célula Peltier para se adequar às condições climáticas e de temperatura do dia e se é necessário ar quente ou frio para o sistema de alimentação.

[0046] O sistema de controle 3 pode controlar a velocidade dos ventiladores, tempos de operação, tensão e fornecimento de corrente para várias condições climáticas/de tempo. O sistema de controle 3 e o módulo geralmente podem ser conectados a um painel fotovoltaico 1. Como alternativa, a energia pode ser extraída da rede elétrica ou de outros meios alternativos, como geradores eólicos ou a diesel, por exemplo.

[0047] Voltando à Figura 2, a construção e o conceito do módulo podem ser vistos. A célula Peltier 23 é preferencialmente montada em um bloco de transferência térmica 24 para aumentar o valor de isolamento entre os lados quente e frio da célula. Em uma alternativa, o bloco de transferência 24 pode ser parte integrante do túnel 25, 26, embora seja esperado que esse arranjo alternativo não seja tão econômico.

[0048] O bloco de transferência preferido 24 terá a forma de um trapézio. A Requerente considera que a forma do trapézio transfere melhor a energia que emana da célula quadrada de Peltier para o túnel de corrida longitudinal que se conecta à nervura espessa do alumínio e garante a condutividade mais eficiente ao longo das laterais dos túneis para o perímetro da forma circular básica e, então, por sua vez, nas aletas, com a massa de material diminuindo à medida que a energia finalmente é conduzida para as extremidades das aletas cônicas dentro dos túneis. A forma garante maior condutividade para a área da superfície interna de cada túnel, incluindo a área da superfície das aletas. O bloco de transferência 24 é fixado para fornecer o túnel de troca de calor do ar 25. Embora não seja essencial em algumas modalidades, o lado oposto da Peltier 23 pode ser montado em outro bloco de transferência térmica que é unido ao túnel de troca de calor do ar de extração 26. Na disposição mostrada, a Peltier 23 está configurada para resfriar o túnel de troca de calor do ar de suprimento 25, através do bloco de transferência térmica 24. Ao gerar o efeito de resfriamento em um lado do túnel de suprimento da Peltier 23, o lado oposto gera calor. Este calor é passado para o túnel de troca de calor do ar de extração 26 para ser dissipado.

[0049] Essa lacuna criada entre os túneis permite uma espessura viável de alumínio nas junções críticas de conexão do caminho transversal nas células. O objetivo é que a massa de alumínio permita que a energia térmica gerada pela célula Peltier seja difundida da célula o mais rápido possível e, por sua vez, a uma taxa máxima dentro do túnel com o seu lado espessado para continuar a taxa máxima condutância dentro das superfícies internas do túnel.

[0050] O volume do bloco de trapézio deve ser tal que a energia térmica difusa absorvida da célula seja conduzida na taxa máxima possível e a distribua ao túnel de conexão por meio de uma área de superfície aumentada maior que a da célula isolada. O formato do trapézio garante que quase o dobro da área da superfície do alumínio se una ao túnel de ar de suprimento para garantir que não haja resistência térmica extra criada além da resistência real esperada do material de alumínio na faixa esperada de diferenças de temperatura. Como tal, isso não aumenta a temperatura dentro do bloco no caminho para os túneis de suprimento além daqueles gerados pela própria célula. Isso garante que, à medida que a energia térmica é gerada, ela seja conduzida rapidamente. O fator governante da transferência para o ar é então determinado pela resistência térmica do próprio ar em movimento dentro do túnel, colidindo com a área de superfície interna do túnel e as aletas transferindo a energia térmica para o ar em movimento. A velocidade do ar é preferencialmente especialmente selecionada e controlada para obter a máxima eficiência necessária para maximizar o COP do conjunto total em condições variáveis de carga climática e térmica.

[0051] Outros materiais, como cobre e outras ligas, podem ser utilizados em vez de alumínio, se preferir. O objetivo é garantir a difusão eficiente do calor. O cobre poderia melhorar marginalmente a condutividade dos túneis, mas a compensação aumentaria o custo.

[0052] O arranjo preferido incluirá um bloco de transferência térmica entre a célula Peltier e o túnel de suprimento. Uma modalidade alternativa também pode incluir um bloco de transferência térmica entre a célula Peltier e o túnel de escape, embora seja esperado que isso não seja necessário na maioria das aplicações. Como a disposição preferida inclui dois túneis de exaustão para um único túnel de suprimento, o bloco de transferência geralmente não é necessário nos túneis de exaustão. Além disso, a inclusão do bloco de transferência nos túneis de suprimento aumenta a distância entre os túneis quente e frio, melhorando assim o isolamento entre eles. Espera-se que um único bloco de transferência forneça separação de isolamento suficiente.

[0053] O túnel de troca de calor do ar de suprimento 25 inclui pelo menos um ventilador de suprimento 28 para aspirar o ar do duto de ar de retorno 5 e passar o ar pelo túnel de ar de suprimento 25 para ser resfriado. O ventilador está localizado no topo do túnel 25, no entanto, deve ser entendido que o ventilador pode estar localizado ao longo do túnel ou no final do túnel. Alternativamente, uma pluralidade de ventiladores poderia ser empregada espaçada ao longo do túnel. Espera-se, no entanto, que um único ventilador seja suficiente para a maioria das instalações e evite a necessidade de aumento do custo de ventiladores extras.

[0054] Um arranjo semelhante está no túnel de troca de calor de ar de extração 26, em que um ventilador de extração 29 está localizado em uma extremidade do túnel 26. Novamente, deve ser entendido que o ventilador 29 pode estar localizado ao longo do túnel ou no lado oposto final e pode incluir vários ventiladores.

[0055] O objetivo do ventilador de suprimento 28 e do ventilador de extração 29 é mover o ar ao longo do caminho dos respectivos túneis de troca de calor 25, 26, a fim de facilitar melhor a transferência de calor.

[0056] Cada túnel deve ter requisitos de baixo consumo de energia e pode funcionar com energia CA ou CC, embora a energia CC seja preferida para pelo menos as células Peltier. CA parece uma solução mais confiável para o suprimento, pois permite o uso fora do horário noturno de pico e também em condições climáticas extremas, se necessário. No entanto, o CC durante o dia deve ser suficiente na maioria das situações. A alternativa CA fora do pico, quando disponível, pode ser um complemento para o sistema CC básico, se necessário ou exigido pelo cliente final.

[0057] Em vez de um ventilador individual em cada túnel, o sistema poderia empregar um único suprimento de ar, ou um número reduzido de ventiladores, para mover o ar pelos túneis. Por exemplo, um único ventilador localizado no defletor de ar de retorno 19 poderia aspirar ar para o módulo que seria então forçado através dos túneis. No entanto, o uso de ventiladores individuais, em vez de um único suprimento de ar ou exaustor, garante maior controle, menor ruído e menos dependência no caso de uma falha específica do ventilador.

[0058] Na disposição preferida, estão incluídas tiras de tensão 27 ou dispositivo semelhante para melhor proteger os túneis e impedir o movimento. A Requerente prefere usar grampos de mola para garantir também a compressão correta. Uma faixa de compressão de 0,5 a 1 N de força através da área adjacente à célula Peltier é preferencialmente mantida contra as junções com as células mantidas no lugar, localizando nervuras em cada túnel e pasta de condutividade térmica. Isso tem um benefício adicional de reduzir as perdas de condutância entre as células e os túneis. Espera-se que o uso de grampos de mola adequados resulte em perda de condutância negligenciável, se houver. Exceto por ser fixado ao bloco de transferência térmica 24, o túnel de ar de suprimento 25 e o túnel de ar de extração 26 devem ser isolados termicamente um do outro. Ou seja, o túnel de ar de suprimento 25 e o túnel de ar de extração 26, não entram em contato um com o outro, permitindo a operação eficiente do módulo.

[0059] Devido ao contato limitado entre o túnel de ar de suprimento 25 e o túnel de ar de extração 26, as tiras de tensão 27 são capazes de proteger melhor os túneis contra qualquer movimento ou vibração. Vários mecanismos alternativos podem ser usados no lugar das tiras de tensão 27, por exemplo, tiras de aço de mola com um grampo centralizado é uma maneira de fazê-lo ou uma junta roscada apertada para dar a compressão correta durante a montagem é outra maneira de obter o resultado especificado. As tiras de tensão podem ser configuradas de várias maneiras, mas precisam ser fortes. Eles não precisam ser isolantes, pois se conectam de lados iguais, tanto quentes quanto frios, se for usada polaridade reversa. Os grampos são encerrados no isolamento e mantidos afastados dos túneis de alimentação (quentes ou frios, seja qual for o caso, talvez esteja em uso) e, assim, isolam os grampos de qualquer influência da ponte térmica entre os túneis quentes e frios.

[0060] Será reconhecido que o invólucro de isolamento 6 pode ser utilizado para impedir ou reduzir o movimento dos túneis, eliminando assim a necessidade das tiras de tensão 27 em algumas aplicações.

[0061] O defletor de ar de suprimento 20 está configurado para desviar o ar mais frio para o lado da parede interna 13, ambos agindo para resfriar a parede interna e iniciar o fluxo de ar circular (mostrado como 16 na Figura 1) na sala para operação ideal.

[0062] Ou seja, o ar quente é aspirado próximo ao nível do teto, movido para baixo através dos túneis verticais do módulo e descarregado de volta para a sala após resfriamento (no verão) e aquecimento (no inverno) durante o dia, ou potencialmente continuamente se é fornecida uma fonte de energia. O ar fornecido em direção ao piso 17 cria uma corrente de convecção 16 que ajuda a distribuir o fluxo de ar condicionado em uma sala, primeiro pela parede de massa primária 13, depois o piso 17 pela parede oposta ou interna 36 e através do teto 18. O ar está pronto para outro ciclo de condicionamento.

[0063] O módulo pode ser visto em mais detalhes na Figura 3. Pode ser visto que o módulo é constituído por uma série de túneis de ar de suprimento 22 que abrigam dois túneis de exaustão 4, 5 (um de cada lado do túnel de ar de suprimento vertical). O tamanho do módulo, na maioria dos casos, pode variar de 2 a 7 túneis de ar de suprimento 22 normalmente, mas pode ser repetido de acordo com os requisitos dos engenheiros. Na Figura 3, pode-se ver que o módulo mostrado possui quatro túneis de ar de suprimento. A matriz de túneis pode ser presa em conjunto e idealmente encapsulada e mantida no lugar por duas seções de isolamento de poliuretano compartilhado ou moldado 6, como mostrado pelas áreas pontilhadas no diagrama. O objetivo do isolamento é permitir a operação ideal do módulo, isolando cada uma das partes da interferência térmica por outra parte. De um modo preferido, os túneis de suprimento são de alumínio e conectados em cima e em baixo em ângulos retos por tubos de plástico dobrado de PVC que são envoltos pelo invólucro isolado de isolamento. O PVC é vantajoso, pois os acessórios de encanamento padrão podem ser adaptados para uso, no entanto, outro plástico pode ser usado, desde que tenha a resistência estrutural equivalente ao, ou melhor que, PVC.

[0064] Como mostrado na Figura 2, os ventiladores 28 são conectados ao topo de cada túnel de suprimento para garantir que o ar seja movido através do túnel na velocidade preferida. A Requerente prefere ventiladores de rolamentos magnéticos, pois eles devem reduzir os requisitos de fornecimento de energia em comparação com outras opções alternativas, como mancais de rolamentos, rolamentos de esferas ou rolamentos de fluidos, além de reduzir efetivamente os problemas de atrito e ruído. O rotor é mantido no lugar através do uso de força magnética, o que significa que não há contato entre o eixo e o estator, daí o menor ruído. Além disso, como resultado, o lubrificante não é necessário, removendo a perda de óleo como uma possível razão para a falha. Além disso, espera-se que o pequeno rolamento magnético tenha uma vida útil extremamente longa e seja muito econômico. Eles também garantem fluxos de ar muito bem distribuídos nos túneis para obter boas transferências de calor nas velocidades definidas do ar em movimento.

[0065] Alternativamente, em vez de um ventilador separado para cada túnel, um único ventilador pode ser usado para os túneis de suprimento e um único ventilador para os túneis de exaustão. No entanto, isso exigiria um coletor e controles adicionais para garantir que a taxa de fluxo de ar desejada em cada túnel fosse fornecida.

[0066] Uma vantagem adicional do uso de um pequeno ventilador separado em cada túnel é que, se um ventilador funcionar mal, o sistema continuará funcionando. Ventiladores separados também permitem que o fluxo de ar em cada túnel seja mais simplesmente controlado, pois há uma relação direta entre o ventilador e o fluxo de ar no túnel.

[0067] Os ventiladores especiais de 12v devem fornecer ar a 0,7 l/s até 12 l/s para uma ótima transferência de calor. De um modo preferido, estes são ventiladores de velocidade variável controlados por um controlador especialmente projetado 3 localizado na caixa de metal 7 que envolve o módulo de montagem. O controlador 3 também pode desviar a energia fotovoltaica de volta para o sistema conectado à rede quando não estiver sendo usado, se aplicável. Isso acontecerá quando a temperatura ambiente/massa atingir 24 °C ou qualquer temperatura de conforto selecionada pelo morador. Como alternativa, o sistema pode ter uma temperatura de conforto predefinida.

[0068] Se desejado o acesso para a substituição de ventiladores poderia ser incluído por meio de uma grade de elevação 8 e, em seguida, remoção da seção de isolamento moldado externamente 6, se necessário. Teoricamente, porém, os ventiladores de rolamentos magnéticos preferidos devem durar o dobro do tempo que o próprio produto.

[0069] O ar de exaustão ou os ventiladores de extração 29 estão preferencialmente localizados dentro da grade externa, de modo a serem facilmente acessíveis para limpeza e manutenção.

[0070] Nas disposições preferidas, os túneis de alimentação 22 podem ter entre 350 mm e 650 mm de comprimento, com os túneis de alimentação preferidos dos requerentes com 500 mm de comprimento. Por conveniência, o diâmetro do túnel de suprimento 22 será de 80 mm, de modo a se adequar a um tamanho de ventilador padrão escolhido para o módulo. Se forem selecionados ventiladores alternativos, o diâmetro poderá mudar de acordo, por exemplo, com alguns outros diâmetros axiais comuns dos ventiladores são 92 mm, 120 mm, 140 mm e 200 mm. Desde que as proporções sejam mantidas nas faixas submetidas, o diâmetro dos túneis pode ser aumentado ou diminuído.

[0071] A espessura da parede do túnel de alimentação é preferencialmente de cerca de 3,5 mm quando o diâmetro do túnel é de 80 mm. Isso é para facilitar a transferência rápida da energia térmica da célula, permitindo que a energia térmica passe através do bloco de transferência de trapézio 24, espessando o lado e entrando nas aletas cônicas 70, 71. Conduzindo rapidamente a partir da célula Peltier 23 e fornecendo uma uniformidade propagação de energia térmica através do túnel 25, 26, é permitida uma transferência de calor eficiente. Idealmente, o túnel incluirá aletas cônicas 70, 71, como mostrado.

[0072] As aletas laterais ou espessamentos do lado de fora do túnel 25, 26 fazem parte das extrusões do túnel e melhoram a condução ao longo do comprimento do túnel 25, 26. Embora um túnel possa ser fornecido sem aletas, os túneis de ar de suprimento 22 são criados para a área de superfície ideal no interior, de modo a maximizar a transferência de calor da célula 23 para o ar ao longo do comprimento do túnel 22.

[0073] Na disposição preferida, as aletas grandes 70 têm uma forma afilada de cerca de 32 x 2 x 1 mm e as aletas pequenas 71 têm uma forma afilada de cerca de 23 x 1,5 x 1 mm. Variações de +/- 5% em cada proporção podem ser incorporadas. Adicionadas aletas menores e mais longas para aumentar o número de aletas posicionadas radialmente, sem aumentar indevidamente a resistência do ar no túnel.

[0074] As dimensões preferidas do túnel têm duas vantagens. O diâmetro de 80 mm se adapta perfeitamente aos ventiladores axiais comumente usados anteriormente no resfriamento do computador, evitando a necessidade de ventiladores personalizados. Também é prático fornecer o volume do fluxo de ar para aquecer e resfriar o ar quando combinado em uma variedade de túneis de suprimento e de exaustão, proporcionando aproximadamente 0,5 a 1 ACH (troca de ar por hora) de mudança de ar ambiente através do sistema. Na disposição preferida, existem doze aletas cônicas 70, 71 dentro de cada túnel 25, 26 que se esforçam para maximizar a transferência térmica do túnel sem aumentar exponencialmente a resistência do ar e, assim, aumentar a pressão do ar necessária para ser fornecida pelos ventiladores de baixa energia.

[0075] O arranjo preferido adotou aletas de comprimento alternativo 70, 71, para garantir alcance máximo em direção ao centro do túnel, mantendo as câmaras entre as aletas 70, 71 abertas perto do centro para facilitar uma exigência de pressão mais baixa do ventilador do túnel 28 e permita que o ar flua como um único volume de ar. O número de ventiladores e seu alcance dentro dos túneis procura maximizar a área de superfície com um aumento mínimo na pressão do ar necessária para afetar a melhor taxa de transferência de calor de ou para o ar em movimento na velocidade selecionada.

[0076] Os túneis de exaustão de ar 26 têm entre 200 mm e 400 mm de comprimento e, de um modo preferido, 250 mm de comprimento. Na disposição preferida, o túnel de exaustão tem a mesma espessura que os túneis de suprimento e é fabricado com o mesmo perfil de extrusão, e tem um diâmetro externo de 80 mm novamente para se adequar ao ventilador axial padrão selecionado escolhido para o módulo. De um modo preferido, o túnel de escape 26 também incluirá aletas e, idealmente, as aletas grandes têm formato afilado de 32 x 2 x 1 mm e as aletas pequenas têm formato afilado de 23 x 1,5 x 1 mm.

[0077] O sistema pode ser escalado para cima (ou para baixo) nas proporções indicadas por essas dimensões para fornecer as mesmas configurações para edifícios menores ou maiores, se desejado.

[0078] A proporção de: comprimento do túnel de suprimento 25 : comprimento do túnel de exaustão 26: diâmetro externo dos túneis 25, 26 : espessura do bloco de transferência térmica 24 : espessura geral do túnel 25, 26, a espessura sendo o espessamento lateral do túnel de extrusão para permitir conexões ao TECs e ajudam a conduzir ao longo do comprimento que emana das junções : largura da caixa da célula termoelétrica 23 Idealmente, deve ser = 500 : 250 : 80 : 25 : 6 : 40; ou, mais simplesmente = 50 : 25 : 8 : 2,5 : 0,6 : 4.

[0079] No entanto, permitindo o ajuste fino de várias condições climáticas, as proporções podem ser proporcionadas dentro de faixas da seguinte forma como um guia universal para o módulo 2: (40 a 60) : (15 a 35) : (5 a 15) : (1 a 5) : (0,2 a 1) : (2 a 6).

[0080] A energia pode ser fornecida por uma junção/controlador que fornece eletricidade às células TEC ou 'Peltier' 23 localizadas entre o túnel vertical de suprimento de alumínio 25 e os túneis horizontais de ar de exaustão 26. Isso é exemplificado na Figura 5, onde a fiação de energia CC 37 é mostrada indo para Peltier 23.

[0081] Os túneis de ar de exaustão 26 aspiram ar da cavidade 12. Idealmente, para novas construções, haverá um mínimo de 25 mm de cavidade de ar de qualquer isolamento construído contra a parede interna 13 e a superfície interna da parede externa 11. Isso garante que a inércia térmica interna que ajuda a temperatura interna do espaço seja isolada do caminho de exaustão. A parede externa 11 relacionada ao lado de exaustão do sistema funciona parcialmente moderando a temperatura do ar externo 21 a partir da parede externa 11 no caminho. Isso acontece pelo ar que passa pela superfície interna da parede externa 11. O isolamento contra a parede interna mais espessa 13 isola termicamente a parede interna 13 desse tipo de transferência térmica. Esse ar de exaustão retira o ar quente rejeitado no verão e o frio no inverno das TECs, maximizando com eficiência o COP no processo. Ao diminuir a temperatura do ar externo recebido através da cavidade, a temperatura no lado quente no verão é mantida mais fria em uma situação de fluxo constante, diminuindo a diferença de temperatura de ambos os lados da célula e ajudando a aumentar o COP. Com o aquecimento no inverno, o lado de exaustão se torna o lado de exaustão e o aquecimento diurno da folha externa resulta em uma exaustão mais quente contra o lado frio e, portanto, aumenta o COP também quando a polaridade é invertida para o aquecimento do lado da fonte.

[0082] Sanefas especiais nas entradas 19 e saídas 20 direcionam o ar na direção correta para maximizar a troca térmica massa/ar, bem como permitir que as aberturas das entradas 19 e saídas 20 dentro da sala sejam ocultadas esteticamente.

[0083] Cada túnel tem seu próprio ventilador axial para fornecer ar para baixo para o ar condicionado na sala, bem como para os túneis de exaustão que expelem o ar de volta para fora. Isso acontece após a troca de cavidades moderada em massa, fornecendo um ar de exaustão de temperatura mais benéfico para o lado rejeitado das TECs.

[0084] Uma grade removível, se incluída, permite o acesso de limpeza e manutenção aos ventiladores e túneis, que na verdade devem ser encaixados em um compartimento isolado.

[0085] Na disposição preferida, os túneis de troca de calor 25, 26 serão circulares para melhores eficiências. Um túnel circular em forma de tubular 25, 26 garante a menor área de superfície externa até o volume máximo de ar, garantindo que as perdas de calor dos túneis 25, 26 para o isolamento 6 sejam o menor possível. Uma vez que os túneis 25, 26 são circulares, o fluxo de ar é uniforme através da seção transversal do túnel 25, 26 distribuindo o ar uniformemente através da superfície interna e das aletas 70, 71, para maximizar as transferências térmicas, minimizando a resistência do ar correspondente. Os túneis podem ter o mesmo perfil que se ajusta ao raio dos ventiladores axiais do tipo rolamento magnético de alta eficiência e vida útil preferidos 28, 29.

[0086] O perfil preferido inclui um espessamento da parede lateral que fornece material extra na forma de uma massa extra de alumínio na extrusão para ajudar na condução de energia para cada lado dos lados alternados de refrigeração e aquecimento da Peltier 23, de modo que a energia é difundida rapidamente em cada túnel 25, 26 e rapidamente transferida para o ar em movimento através das aletas radialmente orientadas 70, 71 dos túneis 25, 26. O espessamento nas laterais de cada túnel permite uma conectividade retilínea da célula aos túneis. A massa extra pode ser dimensionada para fornecer o volume certo de alumínio para difundir a energia do lado rejeitado do sistema, afetando a quantidade certa de difusividade da energia térmica, de modo a não inibir a vazão da energia térmica no alumínio para o ar que passa dentro do túnel. Esse espessamento pode ser eficaz como parte de uma extrusão para o caminho de rejeição de calor do sistema. No caminho de suprimento, o bloco de trapézio aumenta essa difusão de energia térmica dentro do túnel, como descrito anteriormente. O espessamento extra da parede nas laterais fornece o volume correto de material gerado pela largura, comprimento e espessura do alumínio incorporado na extrusão do túnel nas proporções especificadas acima. Isso é planejado para difundir a energia térmica ao longo de todo o comprimento de cada túnel sendo inicialmente transferido da célula Peltier para o túnel de escape, bem como do outro lado da célula para o conector da peça de bloqueio de trapézio na célula e no túnel de suprimento. Espera-se que o refinamento do volume de alumínio necessário no projeto preferido possa reduzir o volume de alumínio necessário em até 50% em comparação com alguns dissipadores de calor padrão proprietários.

[0087] A forma circular fornece aos túneis uma área de superfície externa mínima em relação ao volume de ar e nas velocidades selecionadas para uma transferência de calor eficiente fornece resultados eficientes aos túneis, especialmente quando as aletas internas aumentam a área de superfície do túnel interno.

[0088] O projeto das presentes invenções permite que até 50% menos alumínio seja usado sem queda (ou mínima) na difusão de energia térmica, especialmente nas velocidades de projeto selecionadas para as funções de aquecimento e resfriamento do sistema.

[0089] Os túneis de troca de calor se conectam através do espaço da sala 22 através de dutos plásticos que se encaixam através de inserções de espuma de plástico 9 embutidas na parede 11, 13. Uma grade externa removível 8 e uma caixa de controle estrategicamente posicionada 3 permitem o acesso às células 23 e ventiladores 28, 29 para reparos e substituições que possam ser necessários ao longo do tempo.

[0090] O módulo pode ser alimentado por uma variedade de sistemas fotovoltaicos ou com conexões e configurações CA e CC, no entanto, a Requerente está buscando uma preferência para usar um painel de 320 W/PV 1 ou a proporção de um painel fotovoltaico maior que forneça, durante o dia, refrigeração ou aquecimento suplementar para uma sala padrão de 6 m x 4 m x 3 m. Para salas ou espaços maiores, módulos adicionais ou expansão do próprio módulo, além de aumentar o suprimento fotovoltaico, seriam utilizados. A Figura 4 fornece uma visão geral da instalação.

[0091] No exemplo da Figura 4, duas salas 34, 35 são mostradas, embora seja entendido que salas adicionais podem ser adicionadas da mesma maneira. Ambas as salas 34, 35 são configuradas com três módulos 32 para fornecer refrigeração/aquecimento suficiente. O diagrama indica que é possível usar um ou vários módulos para resfriar ou aquecer um espaço conectado a um controlador comum. Cada um dos módulos 32 é controlado por um sistema de controle de módulo 3 e, na disposição mostrada, também está incluído um sistema de controle mestre 33. O controle mestre 33 pode observar a eficiência térmica e energética geral de todo o edifício e a energia direta para o espaço ou zona para garantir total conforto do edifício e eficiência energética. Também poderia direcionar a quantidade correta de energia de um painel fotovoltaico, CC ou através de um inversor. Os sistemas de controle 3, 33 e a célula Peltier 23 podem ser alimentados por painéis solares fotovoltaicos 1 localizados no telhado do edifício ou por um local alternativo que recebe luz solar suficiente.

[0092] A disposição preferida é exemplificada na Figura 6. A Figura 6 mostra três salas 34, 35, 63. Na sala 63, é utilizado um único módulo de ar condicionado 32 de acordo com a presente invenção. Para a sala 35, foi decidido usar dois módulos e para a sala 34 três módulos. O número de módulos pode ser selecionado levando em consideração o volume da sala, fatores ambientais, como localização e se as paredes estão sombreadas ou a pleno sol, e outros requisitos, como a temperatura ambiente desejada.

[0093] Cada um dos módulos 32 é idealmente controlado por um controlador individual 3, o qual pode ser controlado por um sistema de controle mestre 33. O controlador individual 3 pode regular a fonte de alimentação para as células Peltier 23 e ventiladores 28, 29, com base nas informações fornecidas pelo sistema de controle mestre 33.

[0094] O sistema de controle mestre 33 pode ser alimentado por painéis fotovoltaicos 1 e distribuir energia para cada um dos controladores individuais 3. A energia pode ser direcionada diretamente para os controladores individuais, no entanto, considera-se que a energia de roteamento através do sistema de controle mestre 33 fornece um mecanismo de controle mais simples. A fonte de energia também pode ser outra alternativa, como a energia da rede elétrica 44 ou uma combinação de fontes renováveis e não renováveis. Em algumas instalações, pode ser necessário incluir um impulso fora de pico da CA 41. Tais instalações provavelmente também incluiriam um temporizador para controlar o consumo de energia da rede. Onde aplicável, o sistema também pode ser configurado para retornar a energia CC excedente para um inversor DC/CA 43 para uso com outros aparelhos ou retornar à rede.

[0095] Como mostrado na Fig 7, o sistema de controle principal 33 pode incluir um controlador de energia do sistema 65 tendo um número de controladores de energia para cada módulo 32 na instalação. O sistema de controle principal 33 também pode incluir um processador 67 com processamento de dados e controle 68 para cada módulo 32.

[0096] O controlador individual 3, pode incluir um processador 70 alimentado por uma unidade de energia 71, que recebe energia dos controladores de energia 69 nos sistemas de controle mestre 33. O processador 70 opera o controlador de tensão do ventilador de alimentação 72 e o controlador de tensão do ventilador de exaustão 73.

[0097] O sistema também incluirá, idealmente, um desligamento de energia de segurança regulado por temperatura 74, que funcionaria para desativar as células Peltier 23 se a temperatura exceder um limite predeterminado.

[0098] Na disposição preferida, o sistema de controle principal 33 fornecerá energia 60 ao controlador individual 3, que distribuirá a energia 39, 40, para as células Peltier 23 e para os ventiladores 28, 29, e dados de controle 62 do sistema de controle mestre 33 para o módulo 32. Os módulos 32 também podem fornecer informações do sensor 61 de volta ao sistema de controle mestre 33. Essas informações do sensor podem ser obtidas de vários sensores possíveis, como temperatura do primeiro lado da célula Peltier 46, temperatura do segundo lado da célula Peltier 47, temperatura de massa térmica da sala 48, temperatura do ar ambiente 49, temperatura do ar externo 50 ou temperatura da parede externa 51. Pode-se observar que em alguns casos a leitura do sensor seria comum a um grupo de módulos e, em outros casos, a leitura do sensor seria específica para um módulo. Por exemplo, a temperatura do ar ambiente 49 seria comum a todos os módulos naquela sala, enquanto a temperatura do primeiro lado da célula Peltier seria específica para um único módulo.

[0099] A energia do controlador individual 3 para a célula Peltier 23 passaria, de um modo preferido, através de um controlador de voltagem 38 que é capaz de reverter a polaridade da energia, dependendo da necessidade de refrigeração ou aquecimento.

[00100] Em termos gerais, o sistema detectaria a temperatura e compararia a temperatura detectada com a temperatura requerida. Isso determinaria se o sistema precisa aquecer ou esfriar e definir a polaridade da tensão na célula Peltier de acordo. A energia seria enviada às células Peltier para gerar o efeito de resfriamento e aquecimento, e também aos ventiladores para produzir o fluxo de ar necessário ao longo dos túneis. O ar condicionado sai do módulo e passa ao longo da massa térmica da sala para ser irradiado novamente para a sala.

[00101] O sistema pode ser pré-configurado para manter uma temperatura ambiente predeterminada e/ou operar durante os tempos definidos. Espera-se, no entanto, que a maior parte da instalação inclua uma interface de entrada de usuário 53 para permitir que o usuário final controle a operação. Dependendo da implementação, o usuário pode, por exemplo, definir a temperatura da sala para cada sala ou definir o tempo de operação para cada sala. A interface 53 pode ser conectada ao sistema de controle principal 33 ou acessível através de uma rede global de computadores, como a Internet.

[00102] Idealmente, a interface 53 também acessaria um link para uma previsão de tempo meteorológica 52. Se a previsão for para um período quente ou frio específico, o sistema poderá ser configurado para ajustar preventivamente a operação para levar em consideração o clima previsto. Por exemplo, se a previsão fosse para um dia particularmente quente, o sistema poderia começar a resfriar a massa térmica da sala, de modo a limitar o efeito do próximo clima quente.

[00103] A cavidade nos dias de verão se torna o caminho de resfriamento para o ar de exaustão e um caminho de calor passivo para o ar frio rejeitado da TEC. A cavidade no inverno em climas do tipo temperado será sempre em torno de 13 °C a 15 °C (para pré-aquecimento passivo de ar frio externo que pode facilmente ser de 7 °C a 10 °C pela manhã) e no verão de 25 °C a 28 °C na maioria dos climas temperados (quando o ar externo pode estar entre 26 °C e 45 °C ao longo do dia). Assim, ao cronometrar o tempo através dos controladores, pode ser possível aumentar a temperatura do ar externo usado para a função de exaustão/rejeição de ar, sendo moderado através da cavidade da parede externa.

[00104] A maioria dos edifícios reage mal (em termos de eficiência energética), mas rapidamente em resposta às mudanças climáticas e de tempo. Os sistemas de ar condicionado convencionais fornecem uma alta taxa de energia de aquecimento e resfriamento com a qual a presente invenção não busca competir. Ou seja, a presente invenção não adota a mesma estratégia de aquecimento ou resfriamento em um período de resposta rápida. No entanto, ao utilizar a massa térmica de um edifício de uma maneira diferente, as respostas rápidas diminuem em importância para fornecer níveis de conforto contínuos.

[00105] O presente sistema trabalha lentamente durante todo o dia, dependendo da energia fotovoltaica/de um modo preferido CC. Uma operação mais longa pode ser fornecida se uma fonte de energia também for fornecida. O armazenamento frio ou o calor são armazenados na massa ao redor do espaço, em vez de tentar um aquecimento e resfriamento intermitente rápido do ar dentro do espaço, que é a estratégia tradicional. Esse é o sistema atual que foi projetado para operar durante todo o dia, de modo a manter uma temperatura confortável, em vez de operar apenas durante períodos de alta demanda.

[00106] O sistema é adequado para edifícios solares passivos em que a massa térmica armazena energia do sol no inverno, protegendo a sombra no verão e aprisionando a energia no inverno à noite ou expulsando por ventilação noturna no verão, modera bastante a temperatura da massa térmica superior a 24 horas em um edifício.

[00107] A massa térmica pode armazenar energia térmica a uma taxa atraente, sem a necessidade de armazenar energia elétrica nas baterias, aplicando a energia posteriormente no aquecimento e resfriamento após o sol não estar diretamente disponível. Em vez de armazenamento elétrico, o funcionamento do sistema atual durante o dia permite que o calor ou 'frio' seja armazenado nos pisos das paredes e intradorsos no teto do próprio edifício, reemitindo energia térmica ou absorvendo calor no caso de resfriamento para manter a temperatura estável, pois a noite tende a diminuir a temperatura interna através da condutância na pele do edifício ou por infiltração e vazamento de ar.

[00108] Desta maneira, uma temperatura estável de cerca de 24 °C é mantida dia e noite simplesmente gerando calor ou frio, conforme necessário, para levar a massa e a temperatura do ar a esse alvo durante o dia usando a energia gerada por energia fotovoltaica. Essas temperaturas de referência se adequam ao clima temperado, onde 95% da população da Austrália vive. Obviamente, existem diferentes temperaturas de conforto aplicáveis a climas tropicais e gelados, mas os princípios operacionais são os mesmos e mais ou menos módulos seriam aplicados para satisfazer as condições de conforto e a radiação solar disponível durante o dia durante as estações do ano. A mesma abordagem é aplicável em outras partes do mundo.

[00109] Através de um sistema de túneis circulares de percurso cruzado, a troca de calor é transferida das células Peltier ou termoelétricas para o ar de uma maneira eficiente, melhorando o COP, seja em um ciclo de aquecimento ou de resfriamento.

[00110] Como exemplo, COPs de alta viabilidade podem ser alcançados a partir de uma fonte fotovoltaica conectada à CC quando: • A diferença de temperatura entre os lados quente e frio da TEC está abaixo de 10 °C em um ar de condição de fluxo constante da posição (15) a (10) na posição de 20 °C a 28 °C, por exemplo, de 20 °C a 28 ° C, na posição de trajetória cruzada com o ar de alimentação via trajetória aérea (16), digamos 24 °C a 26 ° C no verão. • A temperatura do ar escolhida para os critérios de resfriamento do verão é mantida abaixo de 28 °C na maioria das vezes durante o dia por ventilação e re-radiação noturna da pele externa da parede conectada. • O alvo do suprimento de ar é 24 °C. • A ventilação noturna do edifício pré-resfria o interior a 28 °C no máximo no verão e 18 °C no mínimo devido a ganhos solares no inverno, permitindo que a diferença de temperatura seja mantida baixa na grande maioria do tempo durante o dia.

[00111] Este sistema pode trabalhar naturalmente com temperaturas mais baixas de resfriamento e aquecimento mais altas, mas se a diferença de temperatura na célula TEC 23 exceder 10 °C entre os lados quente e frio em uma condição de fluxo constante, o COP reduzirá e a viabilidade econômica sofreria como um sistema de economia de energia.

[00112] A célula Peltier 23 fornece resfriamento em um lado da célula 23 e aquecimento no outro lado da célula 23. A seleção de qual lado está esfriando e qual está aquecendo pode ser determinada controlando a polaridade da energia para a célula.

[00113] No presente pedido, se o sistema estivesse no modo de resfriamento, de modo que o lado de resfriamento da célula Peltier 23 fosse conectado ao túnel de alimentação 4, o módulo poderia ser comutado para aquecimento revertendo a polaridade da energia para a célula 23. Ou seja, quando é necessário aquecimento, o controlador 3 pode, através de um mecanismo de estado sólido, simplesmente mudar a direção da energia para as células Peltier 23. O túnel de suprimento 4 simplesmente forneceria ar aquecido em vez de ar resfriado. Inversamente, por essa mudança de polaridade na alimentação elétrica, o túnel de exaustão 10 esgotaria o ar frio em vez do ar quente rejeitado normalmente esgotado quando o processo de resfriamento é ativado.

[00114] Um interruptor pode ser incluído para permitir que o usuário inverta a polaridade da fonte de alimentação e, assim, mude do modo de aquecimento para o modo de resfriamento e vice-versa. No arranjo preferido, uma condição simples de temperatura monitorada dos termostatos interno e externo desencadearia uma decisão nos algoritmos de banco de dados e de ativação programados no controlador de estado vendido para aquecer ou esfriar em um determinado dia, especialmente no meio da temporada, se ocorrer um clima anormalmente quente ou frio e começa a afetar os níveis de temperatura no interior do edifício.

[00115] Simplesmente alternando a polaridade da energia para as TECs, o sistema alterna do resfriamento do suprimento de ar para o aquecimento do suprimento de ar e vice-versa, através da cavidade que rejeita o ar quente no verão e o ar frio no inverno.

[00116] O módulo de ar condicionado da presente invenção fornece uma série de vantagens sobre os condicionadores de ar refrigerativos e evaporativos mais convencionais, incluindo: • Uma possível redução de até 50% no custo de capital dos sistemas convencionais de bomba de calor e pouco ou nenhum custo de manutenção em andamento, pois não há peças móveis além dos pequenos ventiladores de longa duração no sistema preferido. • Elimina a necessidade de eliminação de gases associados aos sistemas CA convencionais, reduzindo assim o impacto ambiental dos aparelhos de ar condicionado. • Reduz as demandas de energia para aquecimento e resfriamento suplementares de edifícios, principalmente se células fotovoltaicas forem usadas para fornecer energia. • Permite que a energia térmica do dia seja armazenada na estrutura do edifício, reduzindo, se não eliminando a necessidade de sistemas de armazenamento de bateria para uso noturno em edifícios. • Melhora o COP esperado em comparação com os sistemas Peltier existentes e apresenta alta eficiência térmica e isolamento de túnel para reduzir o sangramento de calor dos lados quente e frio das células. • Utiliza um novo perfil para as extrusões de túneis que aumenta a eficiência da troca de calor. Isso é conseguido através do equilíbrio da difusão de energia através da massa do túnel para uma espessura superficial ideal e área de suas aletas radiais. Isso maximiza a transferência de calor da TEC para o ar em movimento otimizado nos túneis de suprimento e exaustão. • Reduz a demanda de energia para que um único painel fotovoltaico via CC seja capaz de alimentar o sistema em locais fora da rede.

[00117] Além disso, espera-se que a presente invenção atinja COPs aceitáveis. Por exemplo, em climas temperados, espera-se que o módulo atinja os seguintes COPs: Refrigeração de verão: 3,0 em condições médias 0,5 a 1,0 em condições extremas 4 a 5 em condições moderadas Aquecimento no inverno: 9,0 em condições médias 1,0 a 1,5 em condições extremas 10,0 a 12,0 em condições moderadas

[00118] O presente sistema também pode ser combinado com aparelhos de ar condicionado convencionais. Esse é o módulo atual que pode funcionar em conjunto com outros condicionadores de ar em um formato híbrido, fornecendo aquecimento e resfriamento em condições moderadas e economizando energia, usando a massa térmica mais diretamente quando as condições permitirem, economizando energia e custos operacionais intermitentemente. Esse é o sistema atual que pode moderar temperaturas, enquanto o sistema convencional pode fornecer o efeito "instantâneo" que um usuário deseja. O uso do presente sistema reduziria pelo menos as demandas do sistema convencional.

[00119] Em termos gerais, a presente invenção fornece um sistema de ar condicionado com uma bomba de calor convencional substituída por uma célula Peltier ou termoelétrica, idealmente alimentada por energia solar fotovoltaica. Ao contrário dos sistemas convencionais, o presente sistema pretende usar uma fonte de energia mais baixa por um período mais longo, como durante o dia. O sistema atual parece moderar a fonte de alimentação dos módulos de células Peltier durante o dia para resfriar uma parede principal de uma sala, de modo a resfriar ou aquecer um espaço durante o dia emanado de controle térmico radiativo, em vez de principalmente aquecer e resfriar a sala ou espaço em um edifício direto para o ar do próprio espaço. No entanto, o fluxo de convecção de um sistema de ar condicionado convencional criado na sala ou no espaço pode ajudar na distribuição do condicionamento térmico como um mecanismo secundário, depois de distribuir o ar lentamente em todas as superfícies de massa desse espaço (parede principal, piso, lado oposto) e paredes adjacentes, o intradorso do teto à medida que o ar sobe naturalmente pronto para reciclagem.

[00120] Além da aplicação geral ao ar condicionado, um aspecto em que a modalidade preferida do presente sistema é única em comparação com outros sistemas TEC, é que os sistemas atuais usam um sistema do tipo trocador de calor de placas paralelas embalado para aquecimento e resfriamento. Embora esses sistemas sejam bons em espaços fechados, a eficiência térmica é sacrificada. O arranjo convencional cria algumas perdas térmicas na eficiência do vazamento térmico dos lados quente e frio, e também leva a resistências térmicas e elétricas extras nas próprias células. Isso leva a que ainda seja necessária mais energia para operar o sistema TEC para obter a energia de refrigeração ou aquecimento necessária. Em vez de um trocador de calor de placa paralela, a presente invenção emprega um arranjo de troca cruzada ou perpendicular de calor, removendo ou pelo menos reduzindo as perdas térmicas.

[00121] A incorporação de fluxo de ar cruzado é uma característica única da modalidade preferida. No entanto, se o espaço for um problema, túneis verticais paralelos podem ser usados como uma variação da configuração do caminho cruzado, no entanto, deve-se tomar cuidado para garantir que a folga isolada criada pelo bloco de transferência de alumínio seja mantida ao longo de uma distância mínima entre os túneis. Espera-se que uma configuração paralela resulte em perda de COP em comparação com uma configuração cruzada devido ao aumento da transferência de calor entre os túneis quente e frio que provavelmente ocorreriam.

[00122] A referência ao longo deste relatório descritivo a "uma modalidade" significa que uma característica, estrutura ou característica específica descrita em conexão com a modalidade está incluída em pelo menos uma modalidade da presente invenção. Assim, a aparência da frase "em uma modalidade" em vários lugares ao longo deste relatório não são necessariamente todas referentes à mesma modalidade.

[00123] Além disso, os recursos, estruturas ou características particulares podem ser combinados de qualquer maneira adequada em uma ou mais combinações. Será reconhecido que pessoas versadas na técnica possam implementar a presente invenção de maneiras diferentes da descrita acima, e variações podem ser produzidas sem se afastar de sua essência e escopo.

[00124] Qualquer discussão de documentos, dispositivos, atos ou conhecimentos neste relatório descritivo é incluída para explicar o contexto da invenção. Não se deve admitir que qualquer material faz parte da base da técnica anterior ou do conhecimento geral comum na técnica relevante, em qualquer país, na data ou antes do depósito do pedido de patente a que o presente relatório descritivo se refere.

Claims

1. Módulo de ar-condicionado (2) configurado para ser montado na parede, o módulo de ar-condicionado (2) caracterizado pelo fato de compreender: uma célula termoelétrica (23) tendo um primeiro lado e um segundo lado, a célula termoelétrica (23) sendo operável para manter uma diferença de temperatura entre o primeiro lado e o segundo lado; um duto de fornecimento de ar-condicionado (25) anexado ao primeiro lado da célula termoelétrica (23), o duto de fornecimento de ar-condicionado (25) compreendendo pelo menos uma parede de duto de ar-condicionado e em que uma primeira porção da parede do duto de ar-condicionado que está anexada à célula termoelétrica (23) tem uma espessura maior do que uma segunda porção da parede do duto de ar- condicionado que não está fixada à célula termoelétrica (23); o duto de alimentação do ar-condicionado (25) estende- se pela parede externa (11) e é isolado do ar fresco; um duto de exaustão (26) ligado ao segundo lado da célula termoelétrica (23); e um defletor de ar de fornecimento (20) configurado para ser conectado de forma fluida ao duto de fornecimento de ar- condicionado (25), o defletor de ar de suprimento (20) se estendendo através de um bloco de inserção de parede (9) montado na parede da cavidade e sendo isolado do ar fresco; em que o duto de fornecimento de ar-condicionado (25) recebe e condiciona o ar de uma sala para produzir ar-condicionado; o defletor de ar de fornecimento (20) é configurado para direcionar o ar-condicionado do duto de fornecimento de ar-condicionado (25) em uma direção paralela à parede para permitir uma troca de energia térmica; entre o ar- condicionado e a parede, ao longo da parede; o duto de exaustão (26) recebe o ar da cavidade (12), permite que o calor seja passado para o ar recebido e permite que o ar seja ventilado, liberando assim energia térmica indesejada; o duto de alimentação de ar-condicionado (25) está inclinado entre 30° e 90° em relação ao referido duto de exaustão (26); o duto de fornecimento de ar-condicionado (25) inclui um túnel de troca de calor de ar de alimentação (25) e o duto de exaustão inclui um túnel de troca de calor de ar de extração (26); a célula termoelétrica (23) está localizada em uma junção do túnel de troca de calor do ar de alimentação (25) e o túnel de troca de calor do ar de extração (26); e o túnel de troca de calor de ar de fornecimento (25) e o túnel de troca de calor de ar de extração (26) são substancialmente circulares em seção transversal e incluem uma pluralidade de nervuras que se estendem da periferia do respectivo túnel (25, 26) em direção ao centro da seção transversal do respectivo túnel (25, 26).

2. Módulo de ar-condicionado (2), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o duto de exaustão (26) compreende pelo menos uma parede do duto de exaustão e em que uma primeira porção da parede do duto de exaustão que é fixada à célula termoelétrica (23) tem uma espessura maior que uma segunda porção da parede do duto de exaustão que não está anexada à célula termoelétrica (23).

3. Módulo de ar-condicionado (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o primeiro lado da célula termoelétrica (23) é fixado à parede do duto de ar-condicionado do duto de fornecimento de ar-condicionado (25) por um bloco de transferência térmica (24).

4. Módulo de ar-condicionado (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente pelo menos um ventilador (28, 29) para gerar fluxo de ar através do referido duto de fornecimento de ar-condicionado (25) e/ou do duto de exaustão (26).

5. Módulo de ar-condicionado (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de incluir adicionalmente um ventilador (28, 29) para cada duto de fornecimento de ar-condicionado (25) e duto de exaustão (26) para gerar fluxo de ar através do duto de fornecimento de ar-condicionado (25) e do duto de exaustão (26).

6. Módulo de ar-condicionado (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o duto de fornecimento de ar-condicionado (25) inclui um duto de ar de retorno (5) em uma extremidade para receber ar da referida sala, e um duto de ar de suprimento (4) na extremidade oposta para retornar o ar-condicionado para a sala.

7. Módulo de ar-condicionado (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a célula termoelétrica (23) inclui uma célula Peltier (23).

8. Módulo de ar-condicionado (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o módulo de ar-condicionado (2) está alojado em um invólucro de isolamento (6).

9. Módulo de ar-condicionado (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as nervuras ou aletas afunilam em seção transversal à medida que as referidas nervuras ou aletas se estendem da periferia e em que as nervuras ou aletas adjacentes no respectivo túnel alternam em comprimento entre um primeiro comprimento e um segundo comprimento.

10. Sistema de ar-condicionado, incluindo pelo menos um módulo de ar-condicionado (2), conforme a reivindicação 1, o sistema caracterizado pelo fato de compreender: uma pluralidade dos referidos dutos de fornecimento de ar-condicionado (25), cada referido duto de fornecimento de ar-condicionado (25) anexado ao referido primeiro lado de uma respectiva célula termoelétrica (23), cada um dos dutos de fornecimento de ar-condicionado (25) compreendendo pelo menos uma parede do duto de ar-condicionado, e uma pluralidade dos referidos dutos de exaustão (26), cada um dos referidos dutos de exaustão (26) fixado a um segundo lado de uma das respectivas células termoelétricas (23).