CN107923636A - 从湿度变化获取能量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于改善建筑物内环境条件的系统。大量的多孔吸湿材料形成建筑物结构的显着部分体积，例如包含：建筑物或房屋的墙壁、地板及天花板的大部分。通过鼓风机、通风口、泵、自然对流等手段提供强制气流以在一个或多个点处进入到及离开所述大量的吸湿材料。这种气流既可以来自于建筑物的包围结构内，也可以来自周围环境，且也可以排放至建筑物内或排出至周围环境。通过吸湿材料吸收/解吸水气的加热及冷却效应被利用而大大地补偿了室内舒适性的加热/冷却要求。

Description

从湿度变化获取能量的方法
本申请案主张2015年6月24日提交的美国临时专利申请案第62/184,157号的优先权。
1.技术领域
本发明是有关于温度及湿度控制的领域。
2.背景技术
家用的能源开支的大部分用于维护建筑物内的舒适条件。舒适度是温度及湿度水平的一个函数。在一定程度上，温度变化几乎在任何气候中都是普遍存在的，并且可以通过使用热质量作为热缓冲器来保持稳定的温度，并且降低建筑物中的峰值(最高及最低)温度。热质量大多适用于温度变化较大的气候环境，并且要求使用重型建筑物构件(石材、土、水)，以提供舒适的显着收益。
空气中的水蒸气吸附到吸附材料上或吸附材料中将大量的能量转移到材料上。相对湿度也是每日及季节性的波动，但目前没有提供利用这些相对湿度波动来获取能量的商业解决方案。本发明关于利用相对湿度波动来稳定建筑物内的峰值温度及湿度，从而减少对用于控制室内温度及湿度的更昂贵的能量措施(电、天然气)的需要。
在一方面，在技术进步下不断增加的全球人口及全球暖化(无论是否是人为的)的综合因素之间，另一方面，用于温度及湿度控制的能量象征全球能源负荷总量的一小部分上升。因此迫切需要新颖的，节能的温度及湿度控制。
3.发明内容
风能及太阳能是无处不在的，我们已经学会了获取它们，并将这些能源转换成易于使用的形式。改变在空气的相对湿度亦“出现在门口处”，并且可以从中获取大量的能量。本申请案关于一种使用这种能量的新颖方式，即使在这个环保意识及对可再生能源的重视的时代，这个来源也很大程度地被忽视。
这种创新利用了空气干湿条件的差异，通过在一吸湿材料中储存“干燥”或“潮湿”。当周围空气比吸湿材料更干燥或潮湿时，空气中的水分与材料中的水分之间的势能差可使用作为将热量从材料传输到空气的一种方式，反之亦然。一个简单的方法可以用于一建筑物的加热及冷却。例如，大量储存的吸附材料可以在炎热的夏季被干燥，在寒冷的冬季允许重新吸附水分，从而获得热量可用于家用加热。
一个实施方式由大量的多孔吸湿材料构成，构成一建筑物结构的显着部分体积，例如包含建筑物或房屋的大部分墙壁、地板及天花板。
吸湿材料被封入在一个大的不透气膜或层中，例如不透气涂料，焦油等。气流在一个或多个点处被提供进入到及离开所述吸湿材料，通过鼓风机、通风口、泵、自然对流等手段。这种气流这种气流既可以来自于建筑物的包围结构内，也可以来自周围环境，且也可以从建筑物内或周围环境中排出。
如本领域技术人员将清楚的是，当将被强迫进入建筑物的吸湿材料中的空气相对湿度高于吸湿材料的“平衡湿度”(这是空气的湿度水平与所述材料的当前水分含量达到平衡)湿度将被这种材料吸附，并且因此将升温，释放出相对地大量的能量，即吸附热包含蒸发潜热及水与吸附材料之间的结合能。
类似地，当导入到系统中的空气湿度小于材料的“平衡湿度”时，空气将吸收来自吸湿材料的水分，并且其温度将降低。
考虑到有两个可能的空气来源及汇集(在建筑物包围结构内及建筑物包围结构外)，并进一步考虑到上述在很大程度上可预测的温度及湿度的日常变化模式，可以使用建筑物的吸湿体来缓冲外部温度每天甚至是季节性的变化，从而在建筑物内提供相对稳定的温度及湿度。达到这种效果不仅仅是通过建筑物材料的热质量，而是包含如上所述的通过吸附/解吸的冷却/加热的手段的效果更大。
本发明的上述实施例已经被描述并示出结合系统及其方法，这些系统及方法仅仅是说明性的而不是限制性的。此外正如每个特定的参考可以具体化特定的方法/系统，但是不需要这样做，最终，尽管使用了特定的实施例，但是这样的教示是针对所有表达的。
4.附图简短说明
本发明的实施例及特征在本文中描述并结合以下附图：
图1示出了使用在陶瓷工业中的不同原材料的吸收能力。
图2示出了本发明的一个实施例的实施方式作为建筑物的屋顶的一部分。
图3示出了本发明的一个实施例的实施方式作为一组墙砖。
图4示出了本发明的一个实施例的实施方式作为一地砖。
图5示出了本发明的一个实施例组装为一墙壁。
图6示出了本发明的一个实施例的一高表面积能量存储建筑物构件的侧视图。其可以组装成地板墙或天花板。
图7示出了本发明的一个实施例，包含高表面积能量存储的一构件、建筑物构件，其可以组装成地板墙或天花板。
图8显示了用于4个通风口结构的可能的气流模式。
图9示出了本发明的一个实施例的实施方式作为“吸收屋顶瓦片”。
图10示出了一个可能的实施例的物理系统。
图11示出了夏季模式算法的一个示例实施例，包含冷却循环算法及夏季模式再生循环算法。
图12示出了冬季模式算法的一个示例实施例，包含加热循环算法及冬季模式再生循环算法。
5.具体实施方式
5.1总体概念及一个可能的实施例：
从以下对优选实施例的详细描述中将理解本发明，这些描述意在是描述性的而不是限制性的。为了简洁起见，一些已知的特征、方法、系统、程序、部件、电路等将没有详细的描述。
本发明最一般的说法是其允许利用湿度变化作为能源，通过在吸湿材料中储存水分或“干燥”。一种实际方法使用这种储存能量是用于加热及冷却，在这种情况下，这种加热及冷却潜力是在住宅内，其中：(a)所需的温度变化相对较小，几十度摄氏温度或更少，(b)建筑本身可能部分是由本来就会吸湿的材料构成。
在这样的应用中，本发明使用大量的吸湿材料来加热及冷却。这些可以包含或是部分的建筑物的多个墙壁、天花板、地板或建筑物的其他部分，或者可以存储在建筑物的外部或内部的容器中适合于此目的。这种可能性掺入大量物质可以使用成本较低的材料(例如具有较低的吸湿性能)，并使系统经济实惠。
许多吸湿材料可能适用于这些目的。陶瓷工业中具有吸湿性的几种常见原料如图1所示。吸湿材料可以是有机物像纤维素，也可以是无机物像不同的盐类。例如，氯化钙是一种很常见的盐类，在50％的相对湿度下可以吸收其本身重量的2倍。它可以与其他材料混合使用以增加吸附性。如下文将要描述的，一装置的多个气流路径进入到系统增加了进出吸收材料的(水蒸汽)热能及质量交换。吸湿材料对气体的渗透性(在我们的情况下一般是空气)将决定系统能够释放及吸收水汽及能量的速度。渗透性可受到吸湿材料的粒径及形状的影响，未来的研究将决定何种几何形状最适合蒸汽的输送。
在一些实施例中，空气可以被强迫进入或离开大量的吸湿材料在一个或多个点处，通过鼓风机、通风口、泵等手段，或通过自然对流、使用风及烟囱等。这种气流的摄入可以来源于建筑物的包围结构或周围环境，也可以在建筑物的包围结构或周围环境中释放。
当强迫进入建筑物的吸湿材料的空气相对湿度低于吸湿材料的“当量湿度”(即空气的湿度与材料当前含水量平衡)，空气会从吸湿体吸收水分且温度会下降。
类似地，当被导入到系统的吸湿体中的空气湿度高于吸湿体的“平衡湿度”时，空气中的水分会被吸湿体吸收，结果会升温，释放吸收的热量(包含水的汽化潜热及材料的水结合能)。
有两个可能的空气来源及汇集(在建筑物包围结构内及建筑物包围结构外)，并进一步考虑到在大且通常有些可预测的温度及湿度的日常变化，可以使用建筑物的吸湿体来缓冲在外部温度及湿度下的每天甚至是季节性的变化，从而在建筑物内提供相对稳定的温度及湿度。全部用一个几乎完全被动的系统(能量仅用于移动空气及打开/关闭阀)。值的注意的是，这种缓冲效应不仅是由于建筑物材料的热质量，而是通过上述的加湿/除湿的冷却/加热效应大大地放大。
我们进一步注意到，热量可以添加到建筑物内部或从建筑物内部移除，通过移动大量的热空气或冷空气进入内部(对流)或通过吸湿体的热量传导到房屋内部，反之亦然。因此，这些墙壁不仅可以用来储存吸湿材料在一定的含水量状态下，也可以与建筑物内部交换热量。为了这个目的，墙壁及内表面之间的热导率可以保持尽可能高，并且墙壁及外表面之间的热导率保持尽可能低(例如通过在墙壁“吸湿性活跃的”的部分及建筑物的外部之间添加绝缘材料)。由于极大表面积可用于热交换，相对较低的温度差足以加热/冷却建筑物内部，使得系统具有高效率。
5.1.2日常温度及湿度使用的实施例：
为了在夏天降温，部分或全部吸湿材料可能会被水分“充填(charged)”在一夜之间及在清晨通过将大量周围的(外部)空气吹过材料。由于材料吸收水分，材料会在一定程度上升温，但由于夜间凉爽的空气，也会在一定程度上冷却。为了保持材料尽可能冷却，可发现通过材料吹入非常大量的空气是有利的，释放这些被加热的空气到周围环境。这将趋向于冷却材料，因为可以由材料释放的最大热量是固定的(通过在夜间、大量的材料及其物理性质达到的最大相对湿度(以下相对湿度简称RH))，而可能从材料拉开的热量仅受材料及周围之间的温度差的限制，而可能从材料中拉出的热量仅受材料与周围之间的温差以及通过它的总空气量的限制。因此，通过将大量的空气吹过材料，黎明时可以使材料几乎“充满(full charge)”(即，具有高水分含量与清晨的高湿度平衡)而且几乎及夜晚的空气一样凉爽。这使系统对于一天的高温处于一个良好的处境。随着一天开始升温，来自周围或来自建筑物内的空气穿过材料。由于这种空气的相对湿度比与材料平衡时的湿度相对较低，水分会被空气吸收，结果将会降温。这是除了“直接”热效应，温暖的空气通过吸湿材料的较冷物质之外，空气被冷却并且材料被加热。只要入流的空气不太热，在吸湿材料上的净效应(来自热交换及解吸)是冷却的，同时空气的效应在任何情况下都是冷却的。冷的空气可以被导入到建筑物内部，或者可能从建筑物中排出。在后一种情况下，逆流交换理想地被使用通过(例如)一热交换器的手段，所述热交换器允许排出的冷空气冷却入流的暖空气。所述热交换器也可以内置在系统的建筑物构件中。
上述描述的工艺可以每天、每周或季节地重复。这种简单的循环同样可以用来加热，通过使吸湿体与相对干燥的空气达到平衡(例如中午左右)，并在晚上吹送潮湿的周围空气通过吸湿体(当相对湿度通常将会增加时)。
似乎周围日常或季节性湿度变化的这样使用，以将湿气储存在吸湿材料中以在需要冷却时有利地释放，并且使用相同的系统来存储“干燥”，允许材料在需要加热时吸收水分，这样的方式是一种加热及冷却的新颖手段。
一种在结构中被广泛使用的类似方法，是在建筑物结构中使用一个大的热质量。当周围越来越热的时候大量吸收能量，当周围环境变冷时释放能量，这样做可以稳定建筑物内部的温度。如上所述的一个系统中的湿度储能及热能储存的组合给出了一个综合的效果，但有一个额外的物理机制，这在下一部分的定量实施例中可以体会到很多优点。
当前系统的一个实施例于被动式热质量的另一个优点是指由于气流受到控制，加热/冷却效果也可以被控制。如果效果是“错误的趋向”的情况下(即当极热空气进入系统当冷却时不能冷却到当前的室内空气温度以下时，或者当极冷进气空气当加热时不能被加热到当前室内空气温度以上时)气流可以被停止。
目前的系统于被动式热质量的又一个优点是密封要求。为使一热质量接近初始温度，必须保持良好的绝缘状态。为使大量吸湿材料保持在原来的等量湿度附近，其必须被密封以达到气密。这在许多情况下可能更容易完成(例如通过屋顶密封剂、环氧树脂、上釉、涂料等手段)与实现高度隔热阻障所需的努力相比。
如上所述，目前的系统实际上采用了两种方法(热质量及吸湿体)作为材料的热质量的自然结果及其吸湿性质。
5.1.3量化的实施例：
我们现在考虑一个量化的实施例。水的蒸发热为2257千焦(耳)/公斤，且加入结合能后，硅胶的总吸收能达到2500千焦(耳)/公斤，膨润土+CaCl2的总吸收能达到3500千焦(耳)/公斤。
通过比较的方式，混凝土热质量的热容量约为0.9千焦(耳)/公斤*K。因此，对于10摄氏度的变化(摄氏度具有与凯氏温度相同量值)，一公斤混凝土将吸收/释放约10千焦。然而，考虑到大气相对湿度的每日变化可以很容易地从早上的65％RH到中午的20％RH。在与这种日常变化平衡时，一公斤膨润土的含水量变化将从约16％至约6％(以重量百分比计)，吸收/解吸的水份含量为100g，对应于上述膨润土/CaCl2混合物的350千焦(耳)，约为1公斤混凝土热质量吸收释放的能量的35倍。
这些数据是针对简单未加工的膨润土混合物计算的，且一个量身定制的材料(例如)设计为吸收/释放最大量的水在25％至60％RH之间，可能比上面计算的数字350千焦(耳)/公斤更好地吸收/释放。
5.2机会型湿度及干燥收获：
对吸收解吸机制中储存能量的可能性有极大的兴趣。在迄今为止公开的系统中，用于系统充填(干燥)的能源来自太阳能集热器、余热等。为了蒸发冷却，通常会外加水。这里使用的新颖方法涉及到“搜集(foraging)”在正确的周围条件下(在等待这些条件在一天或一季中自然发生的意思)的。通过这样做，系统不仅储存能量，而且还获取这种通常不被使用的可再生能源。
5.3与建筑物的整合：
5.3.1定义：
一组件：结合一吸收储存器的功能与一建筑物构件的一般功能，如一墙壁、一地板、一天花板、一屋顶或甚至一布置像是沿着一外墙的一个大的工作台。所有不同的实施例包含大量的吸湿材料，多个气流管道，以及至少两个通风口将吸湿材料连接到室外空气、室内空气或两者皆是。
一结构组件：是一结构具有与上述“组件”相同功能。
气流通道：可以如下：
1.分离的多个管道，在材料内使得空气可以从通风口流入材料、通过材料，并从材料中流出。
2.多个管道，通过在材料与其封装材料之间的一空气间隙形成。
3.多个管道，形成在组件及最近环绕物之间，如另一个建筑物构件。在图2的情况下，所述最近的环绕物是屋顶，图中示出一空气间隙在多个屋顶瓦片及吸收材料之间。
4.多个管道如图3、图4所示通过装置的材料形成，及其组件如图5所示，以及图6及其组件图7。
5.多个管道通过材料颗粒之间的空气路径形成。如果材料由颗粒构成形式，则气流路径位于颗粒之间。各种形式的内部空气路径也可以在其制造过程中导入到吸收材料中。
6.多个管道采用上述可能性的一种或一组合。
不同组件之间的连接具有允许不同部件之间的空气流动的多个阀，如图6所示(其示出了图7的组件)
通风区域：是指体积中空气与吸湿材料接触，从而可能发生热量及湿度转移。
通风口：可以是电子控制的并且通常包含一阀门(如一蝶阀，一盲通风口等)为了允许或防止空气流动，并且可选地设计成强制空气流动的鼓风机。借助于通风口及鼓风机组件，空气可以被允许或被迫流经本发明的多个管道，与大量吸湿材料接触。可能有几个这样的通风口，例如两个通风口连接到建筑物的外面及两个连接到建筑物的里面。根据周围、内部及预期未来的温度及湿度条件的情况，这四个通风口允许采取四个可能的行动：空气被强制由外向外，从内向内，从外到内，以及从内到外，具体的流程可以通过使用自然对流现象进行，例如，允许热空气升高及冷空气下降，如图8所示。通风口也可以使用，不用强迫空气，通过允许被动温度及湿度交换当通风口打开时。例如，一天花板组件可以向建筑物内部打开在一炎热干燥的白天时，并通过蒸发水来冷却天花板附近的空气。
大型被动内部通风口：被动通风口操作的一个具体情况如图2所示，其中内部通风口被扩大以将所述多个气流管道的大部分暴露于建筑物内部容积，从而允许空气及水蒸气被动地从所述吸湿材料转移到所述建筑物内部。这种可能性可以在图9中示出，示出了在外侧封装有气密密封的“吸收瓦片”并在其内侧具有高度多孔的结构。当气流在瓦片下被激活时，可以从吸收材料到气流进行空气交换。
结构部件：是多个部件包含一定量的吸湿材料暴露于空气中在一个相邻的通风区域内。
周围空气：通常指的是所述组件或结构部件之外的空气，除非具体地指明在内部或外部空气。
气流控制系统：可以用来控制这些通风口，再次控制基于当前及预期的温度及RH的条件，以及用户偏好。例如，如果用户指示，他或她的舒适区在18至23℃的温度之间，且25％至65％RH之间，可以使用算法来决定上述四种可能动作的预期效果(基于例如过去动作及结果的数据库，使用热及质量传递方程式直接计算等)。如果发现这些行为中的一个使内部条件更接近舒适区，则可以采取这种行动。
可以使用平均或估计的舒适区，而不是为每个用户定义一个舒适区。
替代地，可以使用“夏季模式”及“冬季模式”。例如在“夏季模式”可以认为冷却应该是优选的，通过从材料中解吸水，而在冬季模式中，加热应该是优选的，通过将水吸附到材料上。
对于本发明的所有模式，吸湿材料必须能够“再生”，一般在每天一次。如果材料被用来润湿/冷却空气，那么它会逐渐失去其含水量，如果要重复这个过程，那么将不得不更换含材料。这通常可以在夜间进行，当周围空气的RH增加时(当露水沉降达到100％时)。由于材料从空气中吸收了这种水分，所以它会升温，但是以这样的方式被加热的空气可被强制排气到建筑物的外面，此外气流可以在很长一段时间内发生。这是有用的，因为夜晚的空气本身通常会更冷，大量冷空气与吸湿材料之间的热交换可以用来抵消其吸湿的加热效果。
在冬季或需要加热的时候，所有的影响都会发生在相反的方向上。材料会逐渐吸收湿气及热空气，用于建筑物的加热目的，但需要被干燥以用于下一天或下一个加热期间。因此，在RH较低的日子里，大量的空气可以通过吸湿材料以干燥吸湿材料，并且在夜间，室内潮湿的空气(例如)可以通过吸湿材料进行除湿及加热。
所述组件为一煤渣砌块：一种常见的建筑物技术涉及一混凝土或其他的“骨架”(地板/天花板及柱子)形成建筑物的结构，用煤渣砌块或其他非结构构件填充墙壁。这些煤渣砌块用于以形成墙壁成本低，并且作为不是关键结构的用途。在本发明的一个实施例中，引入了新的“煤渣砌块”，允许将大量多孔的吸湿材料用于墙壁、地板、天花板或其他建筑物部件的任何组合中。如本领域技术人员将会理解的，地板及天花板也可以包含一部分的吸湿材料，或者可以以铺地砖、涂层或以任何其他方式使用，作为结构或非结构的建筑物构件。唯一的要求是建筑物结构足够的体积可以制成吸湿材料。
封装：通过密封剂、环氧树脂、上釉、膜板，薄膜，涂料等不同的方式用于封装。根据实施例的要求，可以全部或部分密闭。封装也可以通过将封装构件连接到一个或多个建筑物构件来实现。在一些实施例中，材料大部分或全部封装在密闭的包围结构中，但这不是一个严格的要求，因为与周围的被动交换可能与强制通风期间的交换相比足够小，它不会对系统性能产生明显的影响。
部分封装的实施例的一个例子可见于图2至9。
5.3.2高表面用于热交换及质量交换与储存效率：
1.理解所述方法令人惊讶的效果的一种方式是考虑到许多加热装置需要较大的温度差异。例如散热器可以保持在60℃，或者一加热构件保持在600℃，以便将足够的热量传递给周围环境，以达到有效的效果。在本发明的情况下，由于压倒性地大表面积的提供，一温度差异例如与周围小于5℃，可能足以为建筑物居住者提供舒适的温度，通过快速加热或冷却整个内部空气到达这个升温或降低的温度。低温差所需的热交换允许“更深”地使用能量储存器，意思是温度差可以被使用到“降到最后的程度”。其他方法需要较高的温度差，并且这样做有热损失，以及效率损失当温度差较低时。
2.热交换、湿度吸收及解吸自然发生在墙壁、天花板、地板等表面。系统的响应时间对于系统的效率是至关重要的，尤其是在低温及湿度差异方面。通过允许空气在材料内部流动，可以极大地扩大可用的表面积(如将在下面的部分5.3.3中所述，在三维结构上)。这意味着我们所知道的热质量的效果以及吸收及解吸的效果将被极大地放大。
5.3.3三维结构：
在一个实施例中，建筑物组件诸如砌块由大百分比的吸湿材料组成。有用的结构强度结合一个高度多孔的三维结构，允许一高表面积及相对应的蒸汽质量交换、捕获及热交换速率。建筑物构件由高强度、优化密度的三维结构构成，但同时具有高表面积。建筑物构件的内部结构包含三维空气通道，允许快速扩散、吸收及释放水分。这是通过的网状构造的手段来实现，例如由粗到细的多个管道，诸如在肺中的动脉/静脉系统，树根或分支，以及任何其他需要大表面积用于相互交换的系统。例如，所述装置将允许比目前使用的球体的随机网状构造更高的表面积。
本发明可以使用传统的施工技术，使得能够生产密封，热驱动的吸附-再吸收的建筑物组件，由周围的环境条件所驱动。
5.3.4湿度平衡：
在本发明的一个实施例中，吸湿材料不仅用于控制温度，而且用于控制室内湿度。例如在炎热的日子里，热的感觉被高湿度所混淆，“舒适区”考虑到了这一点，并要求较低的湿度以在较高的温度下保持舒适度。由于用于冷却的目的，本发明需要增加空气的湿度与所述吸湿材料接触、周围(外部)空气可以通过吸湿并返回到外部，允许墙壁/地板/天花板被冷却，而不用引入任何额外的湿度。
5.3.5作为不同的实施例的组件：
本发明实施例的一些具体情况是：
1.(i)墙壁提供冷却/加热(图3、图5)
(ii)地板砖提供地板下的冷却/加热(图4、图6、图7)。
2.屋顶瓦片晚上吸附水分，白天蒸发水分，因而保持瓦片在较低的温度。在一个实施例中，使用了一个完全开放的系统。
3.内部或外部附加构件。在已经建成的建筑物或者其他原因的情况下，创新的一个实施例使用多个构件被添加到墙壁天花板或地板。这些构件也可以自主地操作，或者共同工作，或者与其他构件分开。
5.3.5.1吸收屋顶瓦片及屋顶下的吸收层：
主要的热交换进入及从房子离开发生在屋顶。吸收屋顶瓦片(图9)及屋顶下的吸收层(图2)可以大大改善热交换通过建筑物包围结构，从而降低加热及冷却成本。
许多屋顶由陶瓷瓦片制成，由于其粘土材料已经具有一定程度的吸湿性。我们提出了一种新颖的高吸收及高表面积的瓦片，它可以吸收及解吸大量的湿度，从而分别加热及冷却。在一个实施例中，系统可以不需控制，使用日常湿度及温度变化如其他地方所述。
5.3.5.2家具：
将吸收材料集成到建筑物构件中仅仅是本发明的一个可能的实施例。也可以将其整合到家具等其他组件中。墙壁上的一个巨大的工作台，例如尺寸为0.5米×0.6米、长度为3米，包含工作容积为0.9立方米。如果这个量主要是由高吸收性材料组成，那么它可以实际上从空气中吸收及解吸至空气中100公斤的水。在能源方面，每个周期约为100千瓦小时。假设甚至在一季内几个完整的周期，这个数量的能量能够足以满足一个房间的大多数冷却及加热要求。
这种构件可以集成在现有的住宅中，作为空调的集成，不会改变结构。5.3.6每米的建筑物的量化实施例：
每公斤水的吸附或释放的释放/吸收热约为1千瓦小时/公斤水，并且几百公斤的水可被每立方米的建筑物材料吸收，取决于孔隙率、表面积及吸湿材料特性。当考虑到每年的加热负荷可能在20千瓦小时/平方公尺左右时(例如一地中海气候)，水的储存当量对于一整年的空调约为33公斤/平方公尺，可以实际上以正常的材料及厚墙例如30公分被达成(假设干燥剂中水的储存量为100克/公斤)。此外，加热/冷却所需的能量不需要储存一年以上，因为在较短时间内的多个波动，例如一天也可以被有效利用。
5.4一墙壁组件的详细实例：
物理系统的一个可能的实施例如图10所示：
实施例的主要部分构成建筑物1的一部分的多个墙壁部分2，但其他可能的实施例可以使用现有墙壁上的可拆卸面板来建造。所述墙壁部分2用湿度阻挡材料封装诸如涂料、塑料或某种形式的玻璃之类的。在墙壁的封装部分，有一多孔吸湿材料5填充了大部分的墙壁部分体积。
材料可以以一几何图案排列，以最大化表面积及通过材料的气流(例如锯齿形线条或多个角度，未示出)。
面对建筑物内部6的墙体部分有2个通风口，高的通风口11及低的通风口13，允许气流进出建筑物内部。这些通风口由2个相应的可切换阀10、12控制。
面向建筑物外部7的部分也有2个通风口，高的通风口3及低的通风口4，允许气流到建筑物外部及从建筑物外部进入。上通风口耦合到一空气鼓风系统，风扇14，可以强制两个方向的空气，从外部进入(从通风口15朝向通风口3)，或者从内部离开(从通风口3朝向通风口15)。
风扇14可以被关闭，以减少通风口内的空气通过。更多的可切换阀可被添加，即耦合到风扇14，以允许甚至更好地控制墙壁内的湿度条件，但对于基本的使用示例，它们不是关键的。
外部空气的温度及湿度是使用一温度及湿度传感器20监测。
在下部内通风口13中的空气的温度及湿度也使用一温度及湿度传感器22进行监测。
利用位于建筑物内部的一温度及湿度传感器23监测建筑物内部空气的温度及湿度，与内部空气接触。
空气可以通过几种不同的路径流经吸湿材料，这些路径通过多个可切换阀10、12、16的状态(打开/关闭)及风扇14的状态(迫使空气进入、吸取空气离开、关掉)的不同组合所决定。根据多个传感器19、20、21、22、23的读数及一般模式通过用户设定(冷却/夏季模式或加热/冬季模式)或者基于通过考虑当地天气预报及用户使用模式的控制算法决定。一个简单的决策方案的实施例如图11所示(用于夏季/冷却模式)及图12(用于冬季/加热模式)，基于以下气流路径及定义：
参数定义：
建筑物内部的舒适温度范围：从Tc_min到Tc_max。
建筑物内的温度，由传感器23测定：Tb。
外部(周围)空气温度及湿度，由传感器20测定：Ta代表温度，Hm代表相对湿度。
在通风口17上的空气温度，由传感器21测定：Tout。
在通风口13上的空气温度，由传感器22测定：Tin。在激活空气流动几分钟之后的主动模式下，Tin可以被量测。
吸湿材料的温度及相对湿度，由传感器19测定：Tm代表温度，Hm代表相对湿度。传感器19可以在某些结构中被省略，通过比较Tb及Tin的方式，以量测吸湿材料是否是冷却的(Tb>Tin)还是加热的(Tb<Tin)，而不是直接检查吸湿材料的状态。
可能的气流路径及系统模式的定义：
1.主动模式：
阀10及16关闭。空气从通风口15进入，穿过激活的风扇14，通过通风口4到达吸湿材料，并从通风口13及打开的阀12流出进入到建筑物中。
2.被动模式：
阀12及16关闭。风扇14将空气推入建筑物中而不通过吸湿材料、通风口3与11以及打开的阀门10。
3.再生模式：
内部的阀10、12两者皆关闭，风扇14将空气推入到吸湿材料中并且从打开的阀门16排出。
4.存储模式：
所有阀都关闭，且风扇关闭。
值的注意的是，为了找出Tin，系统应该在主动模式下几分钟。通过在每个通风口11、13、15、17上皆设置一风扇及一阀门，可以实现更加精细的系统。这将允许其他的气流路径，例如：
5.内部再生/激活模式：
2个内部风扇同时工作以从较高/较低内部开口吸入空气，迫使其通过吸湿材料，并从较低/较高内部开口返回进入到建筑物中。2个外部风扇关闭且2个外部阀关闭。确切的路径(从较低到较高，从较高到较低)可以被选择以利用空气对流作用力(热空气上升，冷空气沉降)，以减少风扇的负载，甚至完全关闭在某些条件下。
6.对流冷却模式：
所有风扇关闭。上部外部阀门及下部内部阀门打开。吸湿材料中被冷却的空气由于其密度较高而向下流动，从而产生一种被动空气的运动来冷却建筑物。这种被动运动也可以通过激活一些风扇来辅助。
7.对流加热模式：
所有风扇关闭。下部外部阀门及上部内部阀门打开。在吸湿材料中被加热的空气由于其密度较低而向上流动，从而产生一种被动的空气运动来加热建筑物。这种被动运动也可以通过激活一些风扇来辅助。
湿度冷却阈值：
为了使用湿度交换来冷却建筑物，与进入的空气相比，吸湿材料应该是“足够的”湿润，以使进入的空气将蒸发从吸湿材料中的水分，从而导致进入的空气及材料本身的冷却。在这种情况下，“足够的”在这种情况下是当空气的蒸气压与吸湿材料平衡比进入组件的空气更潮湿时(无论是从室外还是从室内)。
湿度加热阈值：
为了使用湿度交换来加热建筑物，与进入的空气相比，吸湿材料应该是“足够的”干燥，以使进入的空气将蒸发从吸湿材料中的水分，从而导致进入的空气及材料本身的加热。在这种情况下，“足够的”在这种情况下是当空气的蒸气压与吸湿材料平衡比进入组件的空气更不潮湿时(无论是从室外还是从室内)。
一更先进的控制方案可以被设计，进一步提升用户体验，通过结合以下一项或多项：
·未来的气象条件预测。
·用户的正常行为模式(工时、周末等)
·使用者的特殊需求(生病在家，探亲，小孩出生)。
·有关系统行为的预测基于累积的使用数据。

Claims (20)

1.一种用于改变一建筑物内的多个环境条件的系统，其特征在于：所述系统由下述组成：
(a)至少一组件，集成到所述建筑物中，所述组件包含一定量的吸湿材料暴露到多个气流管道的一装置，所述组件至少部分地被封装以防止在所述吸湿材料与所述建筑物外的空气之间进行湿度交换；
(b)一第一外部通风口及一第二外部通风口，与所述组件相联结，并且在所述多个气流管道与所述建筑物外部的周围空气之间定义出多个气流通道，所述第一及第二外部通风口经由所述多个气流管道在所述组件内形成互连；
(c)至少一内部通风口，与所述组件相联结，并在所述多个气流管道与所述建筑物内部空气之间定义出一气流通道；以及
(d)一气流控制系统，与所述第一及第二外部通风口及所述内部通风口相联结，所述气流控制系统包含一鼓风机装置，所述鼓风机装置包含至少一风扇及包含一切换装置，所述切换装置包含多个可切换的流量阀，所述气流控制系统被配置为选择性地设定为：
(i)一第一状态，在所述第一状态下，所述鼓风机装置循环周围空气，以便当所述内部通风口被阻塞时，使所述周围空气通过所述外部通风口中的一个沿着所述多个气流通道流入且通过另一个所述外部通风口流出，因而促使在所述周围空气与所述吸湿材料之间进行湿度交换；以及
(ii)一第二状态，在所述第二状态下，所述鼓风机装置循环周围空气，以便当所述第二外部通风口被阻塞时，使所述周围空气通过所述第一外部通风口沿着所述多个气流通道流入且通过所述内部通风口流出，因而引导一湿度改善及温度改善的空气进入到所述建筑物内。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统更包含：
(a)一内部传感器组，包含至少一温度传感器及一湿度传感器，被部署用于感测所述建筑物内部的空气的一温度及一湿度；
(b)一外部传感器组，包含至少一温度传感器及一湿度传感器，被部署用于感测所述建筑物外部的周围空气的一温度及一湿度；以及
(c)一控制器，包含至少一处理器，所述控制器与所述内部传感器组及所述外部传感器组相联结，用于接收表明所述内部温度与湿度以及所述外部温度与湿度的多个信号，所述控制器在操作上连接到所述气流控制系统，以便在所述第一状态、所述第二状态及一第三状态之间切换所述气流控制系统，其中所述第三状态用以避免气流通过所述组件。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述控制器被配置为将一下一个预期需求定义为一加热需求或一冷却需求，所述控制器根据所述下一个预期要求选择性地操作一加热循环算法或一冷却循环算法。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述控制器被配置为选择性地操作在一加热循环模式下，所述加热循环模式包含：监测一室外湿度，并且当所述室外湿度降至一下限阈值以下时，则致动所述气流控制系统在所述第一状态下运作，以降低所述吸湿材料的一水分含量。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述控制器被配置为选择性地操作在一冷却循环模式下，所述冷却循环模式包含：监测一室外湿度，并且当所述室外湿度超过一上限阈值以上时，则致动所述气流控制系统在所述第一状态下运作，以增加所述吸湿材料的一水分含量。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的系统更包含：一湿度传感器与所述控制器相联结，并被部署用于感测所述组件内的空气的一湿度，并且其中所述上限阈值及所述下限阈值是至少部分地衍生来自于所述组件内的空气的所述湿度。
7.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的系统更包含：一第二内部通风口，与所述组件相联结，并且在所述多个气流管道与所述建筑物内的空气之间定义一气流通道，所述两个内部通风口通过所述多个气流管道在所述组件内互连，并且其中所述控制器进一步被配置为选择性地将所述气流控制系统切换到一第四状态，在所述第四状态中所述鼓风机装置循环来自建筑物内部的空气，以便当所述第一及第二外部通风口被堵塞时，使所述空气通过所述多个内部通风口的一个并沿着所述多个气流通道流入，以及通过所述内部通风口中的另一个流出，从而改善所述建筑物内的空气的一温度及/或湿度。
8.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述控制器被配置用以：
(a)比较一当前室内温度与一目标温度范围；及
(b)当所述当前室内温度超过所述目标温度范围时，决定一冷却阈值用于所述周围空气湿度，且如果所述周围空气湿度低于所述冷却阈值，则致动所述气流控制系统，以产生一气流通过所述多个气流管道并通过所述内部通风口进入到所述建筑物内。
9.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述控制器被配置为：
(a)比较一当前室内温度与一目标温度范围；及
(b)当所述当前室内温度低于所述目标温度范围时，决定一加热阈值用于所述周围空气湿度，且如果所述周围空气湿度高于所述加热阈值，则致动所述气流控制系统，以产生一气流通过所述多个气流管道并通过所述内部通风口进入到所述建筑物内。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述组件面向所述建筑物内部的一表面的至少15％被实施为一多孔表面，所述多孔表面暴露于所述建筑物内部的空气，从而允许空气及水蒸气被动的从所述吸湿材料转移到所述建筑物内部的空气中。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述组件面向建筑物内部的一表面被封装，以防止空气及水蒸气被动的从所述吸湿材料转移到所述建筑物内部的空气中。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述组件形成所述建筑物的一部分，所述部分选自于由下述组成的群组：所述建筑物的一墙壁的一部份、所述建筑物的一地板的一部分、所述建筑物的一天花板的一部分，及所述建筑物的一屋顶的一部分。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述吸湿材料被配置为以重量百分比计占所述组件的至少约80％。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述吸湿材料被配置为提供一气流渗透率至少为10-6平方厘米(105毫达西)。
15.一种用于一建筑物的至少一部分的水份增强式冷却的方法，其特征在于：
所述方法包含以下步骤：
(a)提供至少一结构部件并使所述结构部件集成到所述建筑物内，所述结构部件包含一定量的吸湿材料暴露于在一相邻的通风区域内的一空气中；
(b)监测在所述通风区域内的一空气的一湿度及监测一周围空气的一湿度；
(c)在一充气期间，当所述周围空气的所述湿度大于在所述通风区域中的空气的所述湿度时，在所述周围空气与所述通风区域之间产生一空气转移；且如果所述周围空气的所述湿度降低至低于所述通风区域的空气的所述湿度，则中断所述空气转移；以及
(d)在一冷却期间，当所述周围空气的所述湿度低于在所述通风区域中的空气的所述湿度时，在所述周围空气与所述通风区域之间产生一空气转移；且如果所述周围空气的所述湿度升高至高于所述通风区域的空气的所述湿度，则中断所述空气转移。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于：所述结构部件是一封装组件的一部分，所述封装组件被封装以防止在所述吸湿材料与所述组件之外的空气之间进行湿度交换，并且其中所述通风区域是一装置穿过所述组件的多个气流管道。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于：所述结构部件是所述建筑物的一屋顶结构的一部分，并且其中所述通风区域是所述屋顶下方的一屋顶空间。
18.一种用于一建筑物的至少一部分的水份增强式加热的方法，其特征在于：
所述方法包含以下步骤：
(a)提供至少一结构部件并使所述结构部件集成到所述建筑物内，所述结构部件包含一定量的吸湿材料暴露于在一相邻的通风区域内的一空气中；
(b)监测在所述通风区域内的一空气的一湿度及监测一周围空气的一湿度；
(c)在一充气期间，当所述周围空气的所述湿度低于在所述通风区域中的空气的所述湿度时，在所述周围空气与所述通风区域之间产生一空气转移；且如果所述周围空气的所述湿度升高至高于所述通风区域的空气的所述湿度，则中断所述空气转移；以及
(d)在一加热期间，当所述周围空气的所述湿度高于在所述通风区域中的空气的所述湿度时，在所述周围空气与所述通风区域之间产生一空气转移；且如果所述周围空气的所述湿度降低至低于所述通风区域的空气的所述湿度，则中断所述空气转移。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述结构部件是一封装组件的一部分，所述封装组件被封装以防止在所述吸湿材料与所述组件之外的空气之间进行湿度交换，并且其中所述通风区域是一装置穿过所述组件的多个气流管道。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述结构部件是所述建筑物的一屋顶结构的一部分，并且其中所述通风区域是所述屋顶下方的一屋顶空间。
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