CN216897603U

CN216897603U - 室内调温系统

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Publication number: CN216897603U
Application number: CN202121481723.XU
Authority: CN
Inventors: 刘泽平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2031-06-30

Abstract

室内调温系统，包括安装于窗框内的调温玻璃本体，所述调温玻璃本体包括三层结构，分别为中间层、外层和内层，所述中间层为薄膜太阳能电池，薄膜太阳能电池的两端镶嵌有半导体电偶，外层和内层均为表层镀上半透明散热膜的玻璃，所述半导体电偶的冷热端与外层的散热膜通过二级导热板连接，所述薄膜太阳能电池与充电控制器、蓄电池连接；所述调温玻璃本体安装在窗户框内，窗户框内侧靠近玻璃本体内层的散热膜处设有通风口和风扇，风扇用于加大散热膜表层空气的对流，所述蓄电池连接温控系统。利用本实用新型，可实现主动控温，冷却速度和制冷温度可以通过改变电流大小任意调节，灵活性高，能耗低，无需制冷剂。

Description

室内调温系统

技术领域

本实用新型涉及一种调温系统，具体涉及一种室内调温系统。

背景技术

随着社会科学技术的发展，人们生活水平的不断提供，对房屋内的温度控制要求也越来越高，市面上用于对室内温度进行调控的方法越来越多，其中，主要包括以下种类：

1.注水玻璃

新加坡南洋理工大学科学家开发的一种实验性的新型“智能窗户”，由两块普通玻璃组成，玻璃之间的空间将一种水凝胶(水和稳定化合物组成的溶液)替代空气填充(一种吸热、挡光的液体)。

水凝胶的透光度会随温度的变化而变化：白天，当阳光穿过窗户时，液体会吸收并储存这些光的热能，水凝胶会从透明状态变为不透明状态，并减少了运行空调的需要。当晚上太阳落山时，凝胶冷却并重新变得透明，释放出储存的热能。部分能量通过玻璃进入房间，减少了对建筑供暖系统的需求。

2.热致变玻璃

美国能源部国家可再生能源实验室的科学家在下一代热致变色窗户的研发方面将取得突破，他们开发的这种智能窗户不仅可以提供电能，还能够减少人们对空调的需求。

将钙钛矿薄膜夹在两层玻璃之间，并注入蒸气。这些蒸气会触发反应，进而让钙钛矿材料自身排列成不同的形状，从链状到片状再到立方体。正是这种材料的形状变化，造成人们看到的颜色的变化。随着太阳能对这种智能窗户表面的加热，强度超过一定阈值后，窗口会慢慢变暗。另一方面，当这种智能窗口从透明变为有色时，嵌入材料中的钙钛矿材料会向太阳能电池一样产生电能。(钙钛矿是一种晶体结构，在光能收集方面具有非常显著的效率)

3.空调

压缩机将气态的制冷剂压缩为高温高压的气态，并送至冷凝器进行冷却，经冷却后变成中温高压的液态制冷剂进入干燥瓶进行过滤与去湿，中温液态的制冷剂经膨胀阀节流降压，变成低温低压的气液混合体，经过蒸发器吸收空气中的热量而汽化，变成气态，然后再回到压缩机继续压缩，继续循环进行制冷。制热的时候有一个四通阀使氟利昂在冷凝器与蒸发器的流动方向与制冷时相反，所以制热的时候室外吹的是冷风，室内机吹的是热风。

4.半导体空调

半导体制冷片(TE)也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，上图就是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料(碲化铋)，这个半导体元件在电路上是用串联形式连接组成.半导体制冷片的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆，以达到增强制冷(制热)的效果。

热致变玻璃和注水玻璃属于智能玻璃，在玻璃表层或内侧加入化学添加物，吸收太阳能从而调节透明度，减少太阳照射进房间，被动调节室内的温度，调节幅度也较小，不能达到真正智能化、随时调控、精确控温的效果；

空调使用的氟利昂不环保，空气流通差，即使空调有自动换气功能作用也很小，室内外有温差，经常使用易得空调病太耗电，空调使房间干燥，对皮肤不好。其次空调使用的压缩机是机械部件，工作时有一定噪音，气体的热胀冷缩调节温度，不能精确调温；

半导体空调的效率比压缩机空调低很多，而且做成空调后散热量比同制冷量的空调还大，散热装置无论时风冷还是水冷，装置都比较复杂、耗能高、成本高。

CN201922304882.1公开了一种半导体调温玻璃，包括中空玻璃，中空玻璃由第一玻璃基板和第二玻璃基板构成，所述中空玻璃中设有至少一组调温半导体，所述调温半导体电连接于半导体供电系统，所述半导体供电系统包括数字显示温控器和变压变频器，所述调温半导体的外侧设有散热膜和保温泡沫；所述变压变频器外接于家庭电路；所述散热膜的一端还设有气泵。本技术方案存在能耗高、调温不灵敏等缺点，在实际应用中比较难以大面积推广。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种可实现低耗能调节室内温度的室内调温系统。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是，一种室内调温系统，包括安装于窗框内的调温玻璃本体，所述调温玻璃本体包括三层结构，分别为中间层、外层和内层，所述中间层为薄膜太阳能电池，薄膜太阳能电池的两端镶嵌有半导体电偶，外层和内层均为表层镀上半透明散热膜的玻璃，所述半导体电偶的冷热端与外层的散热膜通过二级导热板连接，所述薄膜太阳能电池与充电控制器、蓄电池连接；所述调温玻璃本体安装在窗户框内，窗户框内侧靠近玻璃本体内层的散热膜处设有通风口和风扇，风扇用于加大散热膜表层空气的对流，所述蓄电池连接温控系统。

进一步，所述散热膜的传热系数≥400W/㎡·K。

利用本实用新型，可实现主动控温，冷却速度和制冷温度可以通过改变电流大小任意调节，灵活性高，能耗低；不需要制冷剂，无泄漏，无污染；工作时无噪音、无磨损、寿命长。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为图1所述实施例中调温玻璃本体的结构示意图；

图3为图1所述实施例的应用示意图；

图4图3所示的应用中室内、室外、调温玻璃本体两侧的温度变化折线图。

图中：1-窗框，2-调温玻璃本体，21-中间层，22-外层，23-内层，3-半导体电偶，4-二级导热板，5-充电控制器，6-蓄电池，7-通风口，8-风扇，9-温控系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

参照附图1-3，本实施例包括安装于窗框1内的调温玻璃本体2，所述调温玻璃本体2包括三层结构，分别为中间层21、外层22和内层23，所述中间层22为薄膜太阳能电池，薄膜太阳能电池的两端镶嵌有半导体电偶3，外层22和内层23均为表层镀有半透明散热膜(传热系数在400W/㎡·K以上)的玻璃，所述半导体电偶3的冷热端与外层的散热膜通过二级导热板4连接，所述薄膜太阳能电池与充电控制器5、蓄电池6依次连接；

所述调温玻璃本体2安装在窗框1内，窗框1内侧靠近调温玻璃本体2内层的散热膜处设有通风口7和风扇8，风扇8用于加大散热膜表层空气的对流，所述蓄电池6连接温控系统9，温控系统9可根据室内外温度精准控制由多个串联/并联半导体电偶3组成的半导体、风扇8工作。

工作过程：白天太阳光照射窗户，窗框1上的调温玻璃本体中间层21的薄膜太阳能电池将太阳能转化成电能经充电控制器5输入并储存在蓄电池6内，(薄膜太阳能电池半透明，可透可见光)，温控系统9工作，根据室内外温度和湿度调整工作模式，电能从蓄电池6输出到风扇8和半导体电偶3(必要时连接室内电路)，半导体电偶3工作，转移热量，两端产生温差并稳定后，(半导体电偶3的温差大小由输入功率，散热量和室内外温差决定，整个系统达到平衡并稳定指这三者达到平衡)，温度高的一端，将热量经二级导热板4转移到调温玻璃本体外层22外侧的半透明散热膜上(散热膜可透可见光，传热系数大于等于400)，风扇工作，增加对流系数，(也就是增大散热量)以加速热量的散发达到平衡，温度低的一端吸收空气中的热量(原理同上，增大对流系数则是加快吸收空气的热量)，达到平衡后一段时间后便可调节一定范围室内空气温度。

本实用新型的原理考虑了以下几点：房间的散热量、半导体电偶3的制冷制热量、窗户散热膜的散热量、太阳能电池的功率、房间空气温度变化梯度。

(1)模拟房间散热量计算

表1普遍建筑材料的物理系数

计算一面墙体的散热量和内外表面温度由下推出：

Q＝KAΔT式1.1式1.1中：Q：散热量

K：散热系数

A：墙体面积

△T：室内外温差

式1.1中传热系数K值计算如下：

式1.2中：δ—材料层厚度(m)

λ—材料导热系数[W/(m.k)]

—墙体内表面换热系数

—墙体外表面换热系数

一般情况下，室外空气对流属于自然对流，且有最多两面墙与外界接触，引入表1的物理量(内表面换热系数、外表面换热系数、传热系数)，计算与室外空气接触的墙壁K值得：

K＝1/(1/8.72+1/23.26+0.52)＝1.476w/m2*k

墙体面积4*3m2，室内外温度分别为18℃和3℃，计算Q值得：

Q＝1.476*12*15＝265.68w

假设室内卧室内外温度分别18℃和13℃，校正室内与室内的墙面k值为1.3344，Q值应为80.64w

则一个卧室模型为六面墙体，总散热量为：

Q总＝265.68*2+80.64*4＝851.616w

计算某一朝向的窗墙面积比时，某一单个住户的户型中只要有一个窗洞口的窗墙面积比超过标准的规定值(如南向为0.35)就应采取特殊处理,GB50176-93民用建筑热工设计规范规定：东西向，不应大于0.25(单层窗)或0.30(双层窗)北向窗墙比，不应大于0.20。

卧室的面积在3*3～4*4之间计算，窗户面积在2.5～4之间，目前大部分家庭都是使用中空玻璃，查阅资料如表2可得中空玻璃传热系数在1.9-2.7之间。

表2 不同中空玻璃的k值

房间大小为4*4m2，窗户面积为4m2，室内外温差为10℃，窗户传热系数为2.5w/m2*k，由此计算窗户的散热量为：

Q窗＝2.5*4*15＝150w

由此可知，一扇窗户的散热量要比室内的一面内墙壁的散热量大，在冬季时，人在窗户边会明显感受到寒冷，设计为窗户提供150w热便可以杜绝大部分热量从室内导入室外。

1)冬季制热

一个4*4平方米的房间，散热膜面积为4平方米的窗户，室内外温度分别为18℃和3℃，房间散热量由上计算为850w，提供50％热量，加上小风扇在窗框内对玻璃表面气流做强制对流，对流系数达到15-20W/(m^2·℃)，需要半导体8块，额定电压工作下，温差为40℃，室内表层热端可达到35℃以上，计算散热膜热端散热量大小：

Q＝KAΔT

式中：Q：散热量

K：对流系数

A：散热面积

ΔT：热端与空气的温差

当额度电压工作下，半导体热端散热量Q＝15*4*15＝900w，考虑散热膜上温度梯度变化，整膜各点温度不同，依次降低，与外界热交换程度也依次降低，降低程度与散热膜散热系数，和热端的距离，和外界空气对流强度有关，相对调整散热量在50％左右，大于半导体制热量，设备能正常运行。

2)夏季制冷

分两种情况，经一段时间后，室内空气比室外空气温度低，且太阳强度减小，窗户将室外空气引入，室内空气排出，辅助散热，第二段时间，室内外空气温度相差不大，太阳强度降低很多，一般在下午五六点左右，窗户开始工作，八块半导体制冷量为270w，可维持窗户一米空间内空气温度为22℃，一米到两米内空气温度25℃，两米外可空气温度正常室外温度，半小时内可达到预定效果，室内外温度为22℃和28℃。(计算方法同上)

(2)房间内空气变化梯度

如图3所示：给房间提供50％以上的热量，可使房间内靠近窗户一米内空间中温度梯度在人体冬季适合温度范围，两米内的温度梯度依次降低至常温，整体房间温度在一段时间后提高第一段温度的一半左右。假设冬季室外温度为3℃，室内要达到18℃，一间4*4平方米的卧室，散热量为850w，窗户设计提供425w热量，靠近窗户一米内空间有气体对流，能达到的温度为20℃，往后一米到两米内的空间内温度依次降低，空间内空气对流强度降低，温度可达到18℃，再往后的空间散热面积翻倍，温度梯度也降低的较快，与常温接近，整体房间温度变化要由窗户设计提供的换气速率和两米内空间气流交换程度计算，预计估算半小时内可以达到效果。

(3)实验数据

以TEC1—12706为例，售价12.23元，40*40*3.8mm，半导体对数127，内电阻2.1～2.5欧姆，最大工作电流5.8安培，最大工作电压15v(工作电压在0～12伏)，冷转换效率为0.639，热转换效率1～1.1，温差可达到45℃(在热端散热条件完好的条件下)，加强制对流，额定电压时，制热量为57.6w，制冷量为36.4w，以下式加散热片(铝片)时测得的数据：初始温度：室内温度T1＝20.5℃，室外温度T2＝20.4℃，半导体热端温度T3＝20.1℃，半导体冷端温度T4＝20.0℃，每次测量时间2分钟。

模拟冬天加热场景，以一个30*40*30cm的聚乙烯泡沫模型箱作为3*4*3m的房间，一块TEC1-12706半导体作为半导体调温玻璃，用6*7cm的散热铝片作为散热膜，自然对流，输入12v以内的电压，测得半导体两侧温度的、房间内温度和时间。用公式Q＝KA△t计算半导体热端制热量和散热量，用公式

计算半导体两端温度达到精确控温和实时调控。

初始温度：室内温度T1＝20.5℃，室外温度T2＝20.4℃，半导体热端温度T3＝20.1℃，半导体冷端温度T4＝20.0℃，每次测量时间2分钟。

表3 半导体两侧温度的、房间内温度和时间

由表3中数据和图4可观测到室外处于大环境，空气流动较大，温度几乎维持不变，室内温度缓慢上升，达到22℃左右稳定下来，热端温度持续上升，到后面越来越快，冷端温度刚开始下降，后来缓慢上升，是由于热端制热量大于散热量，半导体内的热交换达到平衡，使得室内温度上升缓慢下来，调温量低于散热量，热交换增大，冷端温度升高，符合公式推导。当散热端散热量远小于制热量时，半导体的效果将会降低。

整体上4.6v，0.9A时达到最佳平衡状态，在自然对流情况下，提高室内1.6℃，配合其他高效散热条件，可使室内温度上升5～6℃左右。

(4)散热膜上的散热量计算

Q＝KAΔT

其中：k—空气和散热膜之间的对流系数

A—散热膜面积

△T—散热膜与空气温度差

当自然对流时，对流系数在0～10之间，加上风扇属于强制对流，一般在15以上，由于窗户上的散热膜的传热系数在400以上，从半导体电偶的冷热端到中央处，扩散均匀所损失的热量较小，温度差相差在2～4℃，整个散热膜与空气的温度差可以按照平均值计算；窗户的面积大，又是与外界交换能量和空气最为频繁的地方，当制热量不变且整个散热膜上温度变化较小时，散热面积增大为原来的两到三倍，对流系数则减小为原来一半以上，此时在不影响玻璃透光度的情况下，足够大的散热面积使得风扇工作量大大减小，小的强制对流代替原本的水冷或大的强制对流；同时智能温控系统根据是室内外的空气温度选择合适的功率，并在设定的一段时间后将室外空气通过对流装置和室内空气交换，保持室内空气新鲜度，既不会干燥室内空气，还可以自动净化空气。

(5)太阳能电池的功率

第二代薄膜太阳能电池已经应用与商业，市面上有半透明的薄膜太阳能电池，如非晶硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池。根据需要制作成不同的透光率，代替玻璃幕墙，效率为10-12％，平均每天日照六到八小时，太阳辐射平均在八百到一千瓦每小时，一间4*3平方米的卧室窗户面积为3平方米，一天可供能：

3*8*1000*10％＝2400w

房间内智能温控窗一般工作时功率在200w～300w，特殊天气在400w左右，太阳能电池可供设计正常工作8～10小时，实现零能耗调温。

(6)工作过程举例：

制冷半导体可以用来调控一个空间的温度，由于效率问题，在一定范围内才有优势，目前设计的半导体空调相对于卧室如此大的空间而言，效果要远低于传统压缩空调。因此折中考虑，不是加热或制冷整个房间，而是人体常活动的范围。冬天靠近窗户一到两米范围内便会感觉到明显寒冷，将窗户变成热源，调节窗户附近空气温度，即可在这范围内正常工作，看书，休息。本实用新型可达到以下效果：

a.窗户的散热面积加上适当的对流便可替代复杂的散热设备，同时还能交换室内外空气，保持室内空气新鲜；

b.相对于国外的被动调温，本实用新型能主动调温，配合太阳能可以做到低能耗(甚至零能耗)调温(初步计算，总功率在300～400w左右)；

c.结构简单，成本低，易于产工业化，仅仅需要：风扇、温控设备、传热系数在400左右的半透明散热膜、6～8块市面常见半导体。

以下为本实用新型实施例的工作实例：

夏季

上午：太阳光充足(太阳光辐射在500～700w/m²)，太阳能电池吸收太阳能转化为电能储存在蓄电池内，室外空气温度低于室内、二氧化碳浓度低于室内，风扇运行，定时交换室内外空气，保持室内空气新鲜；

中午：太阳辐射较强(太阳光辐射在800～1000w/m²)，玻璃外表面温度较高，室外空气温度提高，高于室内空气温度，但低于玻璃外表面温度，太阳能电池吸收太阳能转化为电能储存在蓄电池内，风扇运行，当室内温度高于设定温度时，半导体电偶和风扇运行，对室内表现为制冷，室内空气内循环，半导体电偶将室内热量转移到室外，定时根据室内空气二氧化碳浓度交换室内外空气；

下午：太阳辐射减弱(太阳光辐射在500～700w/m²)，室外空气温度低于室内空气温度，室内空气温度高于设定温度时，太阳能电池工作，风扇和半导体电偶运行，对室内表现为制冷，室内室外空气双循环，半导体电偶和风扇分别将室内空气热量转移到室外和引入室外冷量，当室内空气温度和室外空气温度相差不大时，室内空气内循环，定时根据室内空气二氧化碳浓度交换室内外空气；

晚上：太阳能电池不工作，室内温度高于室外温度，室内温度高于设定温度，半导体电偶和风扇工作，对室内表现为制冷，室内室外空气双循环，半导体电偶和风扇分别将室内空气热量转移到室外和引入室外冷量，当室内空气温度在设定温度范围内时，半导体电偶不运行，风扇定时运行，根据室内空气二氧化碳浓度定时交换室内外空气；

凌晨：太阳能电池不工作，室内外空气温度降低，室外空气温度低于室内空气温度，当室内空气温度低于设定空气温度时，半导体电偶和风扇工作，对室内表现为制热，室内空气内循环，根据室内空气二氧化碳浓度定时交换室内外空气；

冬季

白天：太阳能电池工作(太阳辐射为400～600w/m²)，室内空气温度低于室外空气温度，半导体电偶和风扇工作，对室内表现为制热，室内空气内循环，根据室内二氧化碳浓度定时交换室内外空气；

晚上：太阳能电池不工作，室内空气温度低于室外空气温度，半导体电偶和风扇工作，对室内表现为制热，室内空气内循环，根据室内二氧化碳浓度定时交换室内外空气；

本实施例中：(1)窗户室内外能量交换最大的地方，改变玻璃的热学性能，可以降低能耗，将半导体运用在窗户上，可以主动制热制冷，自动且精确调节温度，相对于注水玻璃和热致变玻璃更智能化，达到更佳的居住环境；

(2)制冷半导体电偶的工作电流为直流，且电压在几伏以下便可正常工作，配合薄膜太阳能电池简单转化，在窗户上隔绝热量的损失同时调节室内一定空间内的温度，可实现零能耗工作，绿色环保无污染；

(3)制冷半导体电偶工作无机械运动、无噪音、无制冷剂，空间结构大小不影响制冷制热效果，在窗户玻璃上加工，配合高效散热膜和太阳能电池，可实现薄膜化、微型化，无额外部件，结构简单，易于工业化；

本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也仍在本实用新型专利的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims

1.室内调温系统，包括安装于窗框内的调温玻璃本体，所述调温玻璃本体包括三层结构，分别为中间层、外层和内层，其特征在于：所述中间层为薄膜太阳能电池，薄膜太阳能电池的两端镶嵌有半导体电偶，外层和内层均为表层镀上半透明散热膜的玻璃，所述半导体电偶的冷热端与外层的散热膜通过二级导热板连接，所述薄膜太阳能电池与充电控制器、蓄电池连接；所述调温玻璃本体安装在窗户框内，窗户框内侧靠近玻璃本体内层的散热膜处设有通风口和风扇，风扇用于加大散热膜表层空气的对流，所述蓄电池连接温控系统。

2.根据权利要求1所述的室内调温系统，其特征在于：所述散热膜的传热系数≥400W/㎡·K。