CN115053101A - 用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统和方法 - Google Patents

用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本文公开了用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统和方法。在一些实施方案中，一种用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统包括：热泵子系统，该热泵子系统被配置成产生调节空气回路；以及空气幕子系统，该空气幕子系统被配置成产生空气幕空气回路，该空气幕空气回路将该调节空气回路与该系统外部的环境隔离。这样，可在以前不切实际的空间中提供调节空气。此外，这可以有效的方式进行。

Description

用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流 体动力学隔离的系统和方法
技术领域
本发明涉及主动调节空间。
背景技术
全世界对开放的室外空间中的工程微气候的需求正在增加。传统的HVAC解决方案依赖于墙壁和窗户来容纳空气并隔离空间。室外没有墙壁和窗户意味着需要新的解决方案(参见例如图1)。工程师或建筑师必须采用几种技术来既有效又经济地维持室外空间中的热舒适性。考虑居住者的能量平衡。辐射传热和对流传热占主导地位，而第三模式的传热即传导可被忽略。图1示出了室外气候控制应用的实例。
风扇通常用于通过减小流体动力学和热边界层的厚度来增加居住者周围的对流冷却，以增加居住者表面处的热量和质量传递。在温和条件下，风扇是最成本有效的。随着环境温度升高，居住者将开始出汗，这增强了质量传递和蒸发冷却。随着温度和/或湿度进一步升高，居住者感觉到增加的不适并且需要主动冷却系统。主动冷却极限取决于若干因素，出于说明的目的，它已在焓湿图上被任意定义在21℃的露点温度处，以及用于HVAC应用的传统人体舒适区(参见例如图2)。使用对流HVAC装备的主动冷却是笨重的，并且在室外环境中是低效的。图2A和图2B示出了指示露点温度(21摄氏度)的任意极限的焓湿图，在该温度之上需要主动冷却以提供舒适条件和具有人体舒适性的传统方法。
辐射传热通过遮挡太阳(用于冷却)或夜空(用于加热)并将低辐射率涂层施加到与居住者具有大视角系数(立体角)的表面来控制。
发明内容
本文公开了用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统和方法。在一些实施方案中，一种用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统包括：热泵子系统，该热泵子系统被配置成产生调节空气回路；以及空气幕子系统，该空气幕子系统被配置成产生空气幕空气回路，该空气幕空气回路将该调节空气回路与该系统外部的环境隔离。这样，可在以前不切实际的空间中提供调节空气。此外，这可以有效的方式进行。
在一些实施方案中，流动通过由热泵子系统产生的调节空气回路的调节空气在内部再循环并通过由空气幕子系统产生的空气幕空气回路防止与环境空气混合。
在一些实施方案中，该系统还包括环境空气进气/排气子系统，该环境空气进气/排气子系统被配置成将空气从热泵子系统排放到系统外部的环境和/或将空气从环境抽吸到热泵子系统中以进行调节。
在一些实施方案中，该系统还包括电力/能量子系统，该电力/能量子系统包括用于向该系统供电的一个或多个光伏发电或能量存储部件。
在一些实施方案中，该热泵子系统包括热电冷却器。
在一些实施方案中，空气幕空气回路包括关于旋转轴线轴对称的再循环单元。
在一些实施方案中，空气幕空气回路包括关于系统的镜像线对称的再循环单元。
在一些实施方案中，热泵子系统和空气幕空气回路中的一者或多者包括至少一个风扇。在一些实施方案中，该至少一个风扇包括在特定方向上的叶轮和/或风扇。
在一些实施方案中，热泵子系统包括具有蒸发冷却器和热电冷却器的混合系统。
在一些实施方案中，一种操作用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统的方法，该方法包括：使用该系统的热泵子系统产生调节空气回路；以及使用该系统的空气幕子系统产生空气幕空气回路，该空气幕空气回路将该调节空气回路与该系统外部的环境隔离。
在一些实施方案中，流动通过由热泵子系统产生的调节空气回路的调节空气在内部再循环并通过由空气幕子系统产生的空气幕空气回路防止与环境空气混合。
在一些实施方案中，该方法还包括使用系统的环境空气进气/排气子系统将空气从热泵子系统排放到系统外部的环境和/或将空气从环境抽吸到热泵子系统中以进行调节。
在一些实施方案中，该方法还包括用电力/能量子系统为系统供电，该电力/能量子系统包括用于向该系统供电的一个或多个光伏发电或能量存储部件。
在一些实施方案中，该热泵子系统包括热电冷却器。
在一些实施方案中，空气幕空气回路包括关于旋转轴线轴对称的再循环单元。
在一些实施方案中，空气幕空气回路包括关于系统的镜像线对称的再循环单元。
在一些实施方案中，热泵子系统和空气幕空气回路中的一者或多者包括至少一个风扇。在一些实施方案中，该至少一个风扇包括在特定方向上的叶轮和/或风扇。
在一些实施方案中，热泵子系统包括具有蒸发冷却器和热电冷却器的混合系统。
在一些实施方案中，一种用于主动调节大空间的系统包括：热泵子系统，该热泵子系统包括热电单元；以及使用该热泵子系统从大空间中移除热量的设备。
本领域的技术人员在结合附图阅读以下优选实施方案的详细描述之后，将了解本公开的范围并且认识到本公开的另外方面。
附图说明
结合在本说明书中并形成本说明书的一部分的附图说明了本公开的若干方面，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1示出了室外气候控制应用的实例；
图2A和图2B示出了指示露点温度(21摄氏度)的任意极限的焓湿图，在该温度之上需要主动冷却以提供舒适条件和具有人体舒适性的传统方法；
图3示出了可在根据本公开的一些实施方案的系统中使用的再循环流结构的两个实例；
图4是根据本文所述实施方案的至少一些方面的三种操作模式的图示；并且
图5示出了根据本文所述实施方案的至少一些方面的用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统的一个实例。
具体实施方式
下文陈述的实施方案代表使得本领域的技术人员能够实践所述实施方案的必要信息，并且示出实践所述实施方案的最佳模式。在根据附图来阅读以下描述之后，本领域的技术人员将了解本公开的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应了解，这些概念和应用属于本公开和随附示例性实施方案的范围内。
应当理解，虽然在本文中可能使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可命名为第二元件，且类似地，第二元件可命名为第一元件。如本文中所使用，术语“和/或”包括相关列出项目中一个或多个的任何和所有组合。
还应当理解，当元件被称为“连接”或“联接”至另一元件时，它可直接连接或联接至另一元件，或者可存在介于中间的元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”或“直接联接”至另一元件时，不存在介于中间的元件。
应当理解，虽然在本文中可能使用术语“上部”、“下部”、“底部”、“中间”、“中部”、“顶部”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，根据这些元件的相对取向，第一元件可被称为“上部”元件，并且类似地，第二元件可被称为“上部”元件。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而且并不意在限制本公开。如本文所使用，除非上下文另外明确地指出，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”意欲同样包括复数形式。还应理解，当在本文中使用时，术语“包括”、“包含”、“含有”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。
除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)都具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。还应理解，本文所使用的术语应解释为具有与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致的含义，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样定义。
本文公开了用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统和方法。该系统可被分解成两个独立的系统，即：(1)再循环单元和(2)热泵。在一些实施方案中，非限制环境是其中多于一侧对周围环境开放的区域。在一些实施方案中，这可包括多于一个的平面，甚至包括360度开放。
再循环单元
关于再循环单元，再循环单元的优化需要平衡几个竞争因素。温差ΔT＝|T环境-T调节|，并且覆盖区域应最大化，同时最小化总热负荷以维持那些条件。该再循环单元优选地具有平静区域以提供隔离特性，同时对于可变的风负荷是稳定的并且在较大风负荷之后快速地重新形成。
图3示出了可在根据本公开的一些实施方案的系统中使用的再循环流结构的两个实例。这些再循环流结构具有基本对称性，使得它们可近似为二维流。在一个实施方案中，再循环单元关于旋转轴线轴对称。在另一个实施方案中，再循环单元关于镜像线对称，并且该结构被投影以形成长的行走路径。
图3D示出了可产生的两种不同的流型。第一流型可以是单通道走道的实例，而第二流型可以是双通道走道的实例。强制空气产生诱导空气流。
通常，系统(即，再循环流结构)产生三个空气回路：
1.调节空气回路，其提供经受控温度和湿度的过滤(任选的)空气，
2.环境空气回路，该环境空气回路允许与环境热储器热连通，以及
3.空气幕空气回路，该空气幕空气回路将该调节空气回路与环境隔离以获得更高的性能。
该调节空气回路嵌套在该空气幕回路内。这为系统提供重要的时间来容纳“调节供应”空气并将其重新引导回至“调节回风口”。
热泵
任何主动冷却技术可与再循环区一起实施。这包括但不限于：固态(热电、磁热、弹热、电热)、蒸发、吸附/吸收、蒸汽压缩、斯特林和热声技术。热电系统非常适于集成到风扇中以用于微气候控制。在一些实施方案中，风扇可以是特定方向上的叶轮和/或风扇。一些优点包括小形状因子、长寿命、环境友好以及能够进行加热和冷却。该系统将具有用于热电装置的热侧和冷侧的单独的热交换器。用于每个热交换器的空气流将来自被调节的空间。该系统的输出将是被引导朝向该空间的调节空气，并且环境空气回路被引导远离该空间。
在一些实施方案中，热电系统包括在美国专利10,012,417中公布的“Thermoelectric refrigeration system control scheme for high efficiencyperformance”中公开的特征，该专利的公开内容全文据此以引用方式并入本文。另外，这些单元中的任何单元来自美国专利8,893,513中公布的“Thermoelectric heat exchangercomponent including protective heat spreading lid and optimal thermalinterface resistance”，该专利的公开内容全文据此以引用方式并入本文。热电系统还可包括来自美国专利9,144,180中公布的“Thermoelectric heat pump with a surroundand spacer(SAS)structure”的任何特征。
混合(一个实施方案：蒸发冷却器+热电)：该系统还可潜在地适应主动冷却技术的组合。一个实施方案是使用固态和蒸发冷却。在该实施方案中，间接蒸发冷却器将HTF(传热流体(空气、水或其他))流维持在露点或接近露点。而固态(热电)系统可在高湿度条件下提供附加的温度下降和除湿或直接冷却。图4是三种操作模式的图示。这三种模式可被描述为：
·固态
ο在20℃至30℃之间的环境温度下提供初级冷却/加热
οDT是最小的
ο固态系统是最有效的
·蒸发系统：
ο在30℃至40℃之间的环境温度和较低的相对湿度水平下提供初级冷却
ο当相对湿度最低时，蒸发系统是最有效的
·混合：
ο在高于40℃的环境温度和高相对湿度下，OACIS和蒸发系统一起工作以提供冷却
集成PV的离网
在一些实施方案中，该系统包括集成PV(光伏)系统。此类与室外主动冷却的集成提供了若干协同优势：
·遮光：PV同时提供遮光和电力
·离网：PV输出电力和热冷却需求与入射太阳辐射成比例，使得最高热负荷与最高输出电力同时发生。这简化了尺寸问题，使得几乎不需要或完全不需要用于冷却的补偿电网电力。这最小化或可能消除电池或并网装备(诸如逆变器)的成本。
·直接DC：PV系统产生DC电路，其可直接与热电装置和DC风扇一起使用，这节省了与逆变器的成本相关的成本。
系统框图和附加信息
图5示出了根据本文所述实施方案的至少一些方面的用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统500的一个实例。如图所示，系统500包括以下子系统。
·热泵子系统502：热泵系统502(例如，主动冷却系统)产生调节空气回路(参见例如图3)。如本文所述，热泵子系统502包括任何类型的热泵或两种或更多种类型的热泵的任何组合。热泵子系统502可包括例如一个或多个有源热泵(例如一个或多个热电冷却模块)、热交换器、热传输部件等。
·空气幕子系统504：空气幕子系统504产生“空气幕”空气回路。空气幕子系统504包括：进气口(本文也被称“回风口”)、排气口(本文也被称为“供气口”)以及风扇/鼓风机，该风扇/鼓风机通过该进气口从环境中抽吸空气并将空气流从排气口排出，使得该空气流通过进气口再循环，从而产生将调节空气与环境隔离的“空气幕”(即空气幕空气回路)。注意，由热泵子系统502产生的调节空气回路的线路在内部再循环，并通过空气幕子系统防止与外部(环境)空气混合。
·环境空气进气/排气子系统506：环境空气进气/排气子系统506产生环境空气回路。环境空气进气/排气子系统506包括进气口和排气口。由热泵子系统502排放的热空气通过环境空气进气/排气子系统506的排气口排出到环境中。环境空气可通过进气口被抽吸到热泵子系统502中。
·电力/能量存储子系统508(任选)：任选地，系统500包括用于例如向系统500供电的一个或多个电力或能量存储子系统508。此外或另选地，系统500可连接到电网或一些其他电源。
本文所公开的实施方案提供了具有主动冷却/加热的受控微气候，以提供受控温度、受控湿度和经过滤的空气。
在一些实施方案中，本文所公开的系统将与一些形式的辐射传热控件(诸如提供遮光的顶蓬)集成。
下表1定义了本文所用的几个术语。
Figure BDA0003780987030000081
表1：术语定义
下表2描述了用于每个子系统的一些示例性实施方案。这些实施方案彼此独立，但可以任何期望的组合一起使用。
Figure BDA0003780987030000082
表2：实例性实施方案
本领域的技术人员将认识到本公开的优选实施方案的改进和修改。所有此类改进和修改都视为处于本文所公开的概念和随后的示例性实施方案的范围内。

Claims (21)

1.一种用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统，其包括：
热泵子系统，所述热泵子系统被配置成用于产生调节空气回路；以及
空气幕子系统，所述空气幕子系统被配置成产生将所述调节空气回路与所述系统外部的环境隔离的空气幕空气回路。
2.如权利要求1所述的系统，其中流动通过由所述热泵子系统产生的所述调节空气回路的调节空气在内部再循环并通过由所述空气幕子系统产生的所述空气幕空气回路防止与环境空气混合。
3.如权利要求1至2中任一项所述的系统，其还包括：
环境空气进气/排气子系统，所述环境空气进气/排气子系统被配置成将空气从所述热泵子系统排放到所述系统外部的环境和/或将空气从所述环境抽吸到所述热泵子系统中以进行调节。
4.如权利要求1至3中任一项所述的系统，其还包括：
电力/能量子系统，所述电力/能量子系统包括用于向所述系统供电的一个或多个光伏发电或能量存储部件。
5.如权利要求1至4中任一项所述的系统，其中所述热泵子系统包括热电冷却器。
6.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述空气幕空气回路包括关于旋转轴线轴对称的再循环单元。
7.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述空气幕空气回路包括关于所述系统的镜像线对称的再循环单元。
8.如权利要求1至7中任一项所述的系统，其中所述热泵子系统和所述空气幕空气回路中的一者或多者包括至少一个风扇。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述至少一个风扇包括在特定方向上的叶轮和/或风扇。
10.如权利要求1至9中任一项所述的系统，其中所述热泵子系统包括具有蒸发冷却器和热电冷却器的混合系统。
11.一种操作用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统的方法，其包括：
使用所述系统的热泵子系统产生调节空气回路；以及
使用所述系统的空气幕子系统产生将所述调节空气回路与所述系统外部的环境隔离的空气幕空气回路。
12.如权利要求11所述的方法，其中流动通过由所述热泵子系统产生的所述调节空气回路的调节空气在内部再循环并通过由所述空气幕子系统产生的所述空气幕空气回路防止与环境空气混合。
13.如权利要求11至12中任一项所述的方法，其还包括：
使用所述系统的环境空气进气/排气子系统将空气从所述热泵子系统排放到所述系统外部的环境和/或将空气从环境抽吸到所述热泵子系统中以进行调节。
14.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其还包括：
用电力/能量子系统为所述系统供电，所述电力/能量子系统包括用于向所述系统供电的一个或多个光伏发电或能量存储部件。
15.如权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述热泵子系统包括热电冷却器。
16.如权利要求11至15中任一项所述的方法，其中所述空气幕空气回路包括关于旋转轴线轴对称的再循环单元。
17.如权利要求11至15中任一项所述的方法，其中所述空气幕空气回路包括关于所述系统的镜像线对称的再循环单元。
18.如权利要求11至17中任一项所述的方法，其中所述热泵子系统和所述空气幕空气回路中的一者或多者包括至少一个风扇。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述至少一个风扇包括在特定方向上的叶轮和/或风扇。
20.如权利要求11至19中任一项所述的方法，其中所述热泵子系统包括具有蒸发冷却器和热电冷却器的混合系统。
21.一种用于主动调节大空间的系统，其包括：
热泵子系统，所述热泵子系统包括热电单元；以及
使用所述热泵子系统从所述大空间中移除热量的设备。
CN202180012691.5A 2020-02-04 2021-02-04 用于在非限制环境中对主动调节空气流和返回空气流进行流体动力学隔离的系统和方法 Pending CN115053101A (zh)

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