一种利用半导体制冷的室内温度调控方法

1.本发明涉及室内制冷温控技术领域，具体涉及一种利用半导体制冷的室内温度调控方法。


背景技术：

2.随着城镇化进程的推进，能源问题和环境问题愈来愈值得引起人们的重视。我国建筑面积总量持续增长，建筑领域能源消费从2000年的4.6 亿吨增长到2019年22.3亿吨，高于农业、工业、交通的能源碳排放增长速度。相比其他领域，建筑领域碳排放刚性增长趋势最明，而在建筑能耗中，空调能耗又占有主要比例，约为2/3左右。同时屋顶和南立面又是建筑接受太阳辐射最强烈最直接的部分，针对一些太阳能资源充足的地区，充分利用太阳能资源，实现各种节能技术的适当应用，可以在一定程度上减少建筑能耗。
3.建筑物的空调制冷技术随着人们节能环保意识的增强得到不断探索，一些国家纷纷实施、推广太阳能计划,光伏发电与建筑物一体化不断得到探索和应用。传统的建筑与光伏系统相结合往往只能满足建筑的供电需求，或者单一的供冷供热需求。
4.半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的p-n结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。
5.采用半导体制冷技术实现室内温度控制，其能源耗费较低，已在一些现有技术中应用。例如cn106642472，曾公开了一种屋顶光伏/半导体温度调节系统，包括设置在屋顶的支架、架设在支架上方与屋顶平行布置的光伏板单元和半导体组件以及用于充放电的蓄电池，所述半导体组件下方的屋顶上开设进风口，进风口处设置进风风机，所述蓄电池通过光伏控制逆变器与光伏板单元连接，且蓄电池与半导体组件及进风风机连接。与现有技术相比，该发明利用半导体片的制冷/制热效果，配合风机及控制器，可稳定室内温度在16-28℃之间；该系统可以实现清洁无污染地工作，所有设备的工作不会对环境产生不利影响，系统工作无需消耗外界能量。
6.但上述专利仍然存在以下缺陷，即半导体组件冷端制得的冷量，需要依靠风流带动流入到室内，风流靠风机驱动产生，极大地提高了能量损耗；同时半导体组件暴露在外受太阳直晒，也会极大地降低制冷效率。故该专利方案，存在制冷效率低下，能量利用效率不高的缺陷，不利于节能。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够利用半导体制冷技术为室内降温，同时制冷效率更高，节能效果更好的利用半导体制冷的室内温度调控方法。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种利用半导体制冷的室内温度调控方法，本方法通过在屋顶设置半导体组件，依靠半导体组件冷端制冷，为室内提供冷量实现降温，其特征在于，将半导体组件冷端设置为内侧并直接相接于室内，将半导体组件外侧的热端露出在一个位于屋顶内部的通风道上部，依靠半导体组件热端加热通风道上部温度产生上升热气流，带动通风道内空气向上流动形成向上的风流为半导体组件热端降温。
9.这样，本发明方案和背景技术所述专利相比。半导体组件位于屋顶内部，冷端为内侧直接和室内相接，直接对室内散发冷量，这样半导体组件可以避免被太阳直晒而导致制冷效率低下。同时更重要的是，本方案依靠半导体组件热端的热量对通风道上部空气加热，通过上升热气流效应，带动空气流动并在通风道内形成向上的风流，实现对半导体组件热端的降温。这样就充分利用了半导体组件热端产生的热能来形成风流冷却，提高了能量的利用效率，同时无需额外设置风机。故极大地提高了节能省排效果。
10.进一步地，屋顶外侧设置太阳能板，转换太阳能为电能并为半导体组件制冷供电。
11.这样，因为半导体组件制冷自身需要为直流电带动。而太阳能板发电也是直流电，故直接用太阳能板发电带动半导体组件制冷，不仅仅充分利用了太阳能，而且无需中间通过交流电转换，极大地提高了太阳能利用效率。
12.进一步地，本方法通过一种光伏制冷房屋温控系统实现，所述光伏制冷房屋温控系统，包括沿从下到上方向设置且至少部分位于屋顶上的通风道和整体呈板状的半导体组件；半导体组件设置于通风道内侧且冷端相接设置于室内，通风道上部的半导体组件热端直接露出设置于通风道内，通风道下部的半导体组件热端外铺设有一个吸热水板，吸热水板具有一个吸热储水腔；通风道上端设置有外接出风口，下端设置有外接进风口。
13.这样，夏季制冷工况时，半导体组件工作制冷，冷量直接从冷端向室内传递以降低室内温度。上部的半导体组件热端为通风道内上部的空气加热，使其受热后向上蒸腾；而下部的半导体组件热端为吸热水板加热获得生活热水，同时避免通风道内下部空气温度过高。这样通风道内形成较大的上下温度差，能够带动通风道内空气整体向上流动形成风流，为半导体组件热端降温，提高半导体组件的制冷效率。这样，半导体组件冷端的冷量和热端的热量都得到了充分利用，能够获得生活热水。而且制冷效率更高，节能效果更好。
14.进一步地，通风道上部的半导体组件热端还设置有若干突出于通风道内的肋片。
15.这样有利于通风道上部的半导体组件热端的散热，更好地提高通风内上部温度，提高上下温度差。
16.进一步地，通风道包括位于屋顶的上部通风道和位于竖墙上的下部通风道，吸热水板位于竖墙上的下部通风道内。
17.这样，上部通风道受太阳辐射加热效果更好，有利于通风道内温度差的形成。
18.进一步地，屋顶和/或竖墙外还设置有光伏板，光伏板和蓄电池相连，蓄电池和半导体组件相连供电。
19.这样，实现了利用太阳能发电进行光伏制冷，且无需经过交流转换，太阳能利用效率高。
20.进一步地，光伏板有多个且间隔地安装在热质变色玻璃板上，热质变色玻璃板形成通风道外侧侧壁。
21.这样利用了热质变色玻璃板的高温白色功能。热致变色玻璃为一种已有的玻璃，
其中间具有一个温致变色胶层，温致变色胶层是一种在低温时为透明的水凝胶，主要成分为vo2含有被均匀地溶解于其中的温敏性物质，当环境温度高于温敏性物质的最低临界溶解温度时，温敏性物质发生析出，产生白浊状态，从而阻挡和反射大部分太阳光线，起到夏季调光遮阳的功能，防止太阳辐射导致半导体制冷片热端温度过高，效率下降。反之，当环境温度低于温敏性物质的最低临界溶解温度时，温敏性物质发生溶解，回复到透明状态，从而透过大部分太阳光线，在冬季提高气流通道内空气温度，起到保温作用；也可以在温度不高时起到亮瓦照明的功能（配合设置在通风道内侧的亮瓦）。具体实施时，热质变色玻璃板的变色温度可以设置在人体舒适温度区域26-29℃，以更好地起到上述效果。
22.进一步地，吸热水板包括位于上部的上联箱和位于下部的下联箱，上联箱和下联箱之间固定连接有波浪板，波浪板内具有连通上联箱和下联箱的吸热储水腔，下联箱和进水管相连，上联箱和出水管相连，出水管外端连接到一个热水储水容器，热水储水容器外接生活用热水管，进水管上安装有进水控制阀并外接市政水管管网，吸热储水腔内设置有热水温度传感器和进水控制阀相连。
23.这样，热水温度传感器检测到热水储水容器内水温超过预设温度并控制进水管进水，并将已升温的热水流出至热水储水容器备用。并以此保证通风道下部温度不会过高，使得通风道内能够保持较大的上下温度差，以带动通风道内空气整体向上流动形成风流。
24.进一步地，屋顶顶部向上设置有太阳能抽吸烟囱和通风道上端相接，外接出风口设置在太阳能抽吸烟囱上端；所述太阳能抽吸烟囱包括位于里部的烟囱；烟囱底部设置有截面呈下凹弧形的反射板，反射板能够将太阳光反射至烟囱外侧同一水平高度位置。
25.这样，太阳能抽吸烟囱设置在屋顶，受太阳直晒温度最高，能够更好地形成通风道的上下温度差以提高通风道内空气流动速度。尤其是设置的反射板，能够将太阳光集中反射后对太阳能抽吸烟囱中部的某段位置进行集中加热，极大地提高了烟囱内部某特定水平高度位置的局部温度，以更好地形成温度差带动通风道内空气向上流动，极大地提高了冷却风流的速率和冷却效果。
26.进一步地，烟囱外侧设置有黑色涂层。更好地提高吸热效果。
27.进一步地，烟囱外还设置有真空夹层，真空夹层外设置有玻璃层。
28.这样，阳光可以透过玻璃层照射烟囱进行加热，同时真空夹层避免烟囱内部热量被外部风流带走，更好地保持烟囱内部形成高温。
29.进一步地，烟囱内侧还设置有若干蓄热凸台，各蓄热凸台内设置有相变蓄热材料。
30.这样，白天烟囱吸收的部分多余热量可以积蓄在蓄热凸台内，到傍晚到入夜时段内释放热量，继续保持通风道内具有足够的上下温度差。
31.进一步地，各蓄热凸台在高度方向上间隔排布且内部的相变蓄热材料不相连通。
32.这样，避免相连通的相变蓄热材料分散热量，使得白天受太阳直晒时，反射板反射位置能够受光照快速升温，缩短升温响应时间，使得通风道内尽早形成风流。局部的蓄热凸台蓄满热量后再向上下两侧扩散蓄热，使得蓄热材料的设置不影响升温速度的同时又满足蓄热效果。
33.进一步地，烟囱内侧还设置有排风扇，排风扇和蓄电池相连。
34.这样，在夜晚蓄热凸台热量耗尽，风流动力不足时，可以开启排风扇产生风流。
35.进一步地，烟囱上端外侧还设置有凸透镜片。
36.这样凸透镜片能够聚焦透射的太阳光，同样产生提高烟囱内局部温度的效果。
37.进一步地，烟囱竖向截面上端两侧呈向外的喇叭形。
38.这样可以使得烟囱上端凸透镜片的聚焦位置和烟囱下端的反射板反射位置为同一水平高度。这样就可以更加高效和快速地提高烟囱内部特定水平高度位置的局部温度，使其能够达到局部区域一百多甚至数百摄氏度，可以更好地形成温度差带动通风道内空气向上流动，快速带走通风道内的热量，提高冷却风流的速率和冷却效果。
39.进一步地，通风道下端还设置有和室内相通的内接进风口，通风道上端还设置有和室内相通的内接出风口，所述内接进风口、外接进风口、外接出风口和内接出风口各自均安装有风阀。
40.这样，有需要的时候，可以从室内进风，或者从室内出风，以根据不同工况需求，可以更好地形成多种风流循环控制方式。具体地说，几种工况分别为。
41.夏季白天工况下，光伏板组件工作，将太阳能转换为电能并储存到蓄电池中，为半导体组件提供电能，半导体组件运行制冷。打开外接进风口和外接出风口。太阳直射上部太阳能抽吸烟囱，烟囱内温度升高，热压带动空气流入通风道流经半导体组件热端表面，带走热量，肋片强化传热。热质变色玻璃在高温下温敏物质析出，产生白浊状态，阻挡和反射大部分太阳辐射，降低气流通道内温度，防止太阳辐射导致半导体制冷片热端温度过高，效率下降。夏季夜间工况下，没有太阳直射辐射，蓄热材料内部相变材料反应，蓄热凸台放出热量，单侧传递给太阳能抽吸烟囱内的空气，利用热压带动空气流动带走热量。
42.考虑到仅利用自然热压驱动空气流动带走热端热量效率较低，在太阳能抽吸烟囱底部设置了排风扇。排风扇和光伏板单元可以都和功率控制器相连，通过比较室内温度与设定值的偏差来控制提供给半导体组件的电流大小以及风机转速。同时在半导体组件运行时，吸热水板工作，制备生活热水。
43.冬季白天工况下，半导体制冷片不运行，光伏板组件工作，通过逆变器将电能储存到蓄电池中，供家庭生活用电。打开内接进风口和内接出风口，关闭外接进风口和外接出风口。冬季低温下热质变色玻璃中间胶层为透明水凝胶，阻挡和反射太阳辐射能力较弱，大量太阳辐射进入气流通道内，上部太阳能抽吸烟囱附近空气温度最高，和室内空气形成热压差。气流从建筑墙体下端内接进风口进入通风道，吸收热量，温度升高，从建筑屋顶内接出风口进入室内，整体气流组织上送下回，形成冬季热风供暖。
44.冬季夜间工况下，半导体制冷片不运行，关闭内接进风口、外接进风口、外接出风口和内接出风口。没有太阳直射辐射，蓄热材料内部蓄热材料反应，蓄热凸台放出热量，单侧传递给太阳能抽吸烟囱的上部空气，同时由于空气的导热系数较低，整个气流通道可视作一整个保温层，阻止房间散热，进行保温。
45.综上所述，本发明能够利用半导体制冷技术和光伏发电技术为室内降温并制备生活热水，同时具有制冷效率更高，节能效果更好的优点。
附图说明
46.图1为本发明采用的光伏制冷房屋温控系统的结构示意图。
47.图2为图1中单独一个吸热水板的结构示意图。
48.图3为图2的侧视图。
具体实施方式
49.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
50.实施方式：一种利用半导体制冷的室内温度调控方法，本方法通过在屋顶设置半导体组件，依靠半导体组件冷端制冷，为室内提供冷量实现降温，其特点在于，将半导体组件冷端设置为内侧并直接相接于室内，将半导体组件外侧的热端露出在一个位于屋顶内部的通风道上部，依靠半导体组件热端加热通风道上部温度产生上升热气流，带动通风道内空气向上流动形成向上的风流为半导体组件热端降温。
51.这样，本发明方案和背景技术所述专利相比。半导体组件位于屋顶内部，冷端为内侧直接和室内相接，直接对室内散发冷量，这样半导体组件可以避免被太阳直晒而导致制冷效率低下。同时更重要的是，本方案依靠半导体组件热端的热量对通风道上部空气加热，通过上升热气流效应，带动空气流动并在通风道内形成向上的风流，实现对半导体组件热端的降温。这样就充分利用了半导体组件热端产生的热能来形成风流冷却，提高了能量的利用效率，同时无需额外设置风机。故极大地提高了节能省排效果。
52.实施时，屋顶外侧设置太阳能板，转换太阳能为电能并为半导体组件制冷供电。
53.这样，因为半导体组件制冷自身需要为直流电带动。而太阳能板发电也是直流电，故直接用太阳能板发电带动半导体组件制冷，不仅仅充分利用了太阳能，而且无需中间通过交流电转换，极大地提高了太阳能利用效率。
54.更加具体地说，本实施方式中，上述方法通过一种光伏制冷房屋温控系统实现，如图1-3所示，所述光伏制冷房屋温控系统，包括沿从下到上方向设置且至少部分位于屋顶上的通风道和整体呈板状的半导体组件1；半导体组件1设置于通风道内侧且冷端相接设置于室内，通风道上部的半导体组件热端直接露出设置于通风道内，通风道下部的半导体组件热端外铺设有一个吸热水板5，吸热水板5具有一个吸热储水腔；通风道上端设置有外接出风口13-4，下端设置有外接进风口13-2。
55.这样，夏季制冷工况时，半导体组件工作制冷，冷量直接从冷端向室内传递以降低室内温度。上部的半导体组件热端为通风道内上部的空气加热，使其受热后向上蒸腾；而下部的半导体组件热端为吸热水板加热获得生活热水，同时避免通风道内下部空气温度过高。这样通风道内形成较大的上下温度差，能够带动通风道内空气整体向上流动形成风流，为半导体组件热端降温，提高半导体组件的制冷效率。这样，半导体组件冷端的冷量和热端的热量都得到了充分利用，能够获得生活热水。而且制冷效率更高，节能效果更好。
56.其中，通风道上部的半导体组件热端还设置有若干突出于通风道内的肋片2。
57.这样有利于通风道上部的半导体组件热端的散热，更好地提高通风内上部温度，提高上下温度差。
58.其中，通风道包括位于屋顶的上部通风道和位于竖墙上的下部通风道，吸热水板位于竖墙上的下部通风道内。
59.这样，上部通风道受太阳辐射加热效果更好，有利于通风道内温度差的形成。
60.其中，屋顶和竖墙外还设置有光伏板4，光伏板4和蓄电池15相连，蓄电池15和半导体组件1相连供电。实施时蓄电池15还连接有一个光伏逆变器14。这样光伏板发电的电力还可以转变为交流电供交流电器使用或者回供给电网使用。
61.这样，实现了利用太阳能发电进行光伏制冷，且无需经过交流转换，太阳能利用效
率高。
62.其中，光伏板4有多个且间隔地安装在热质变色玻璃板3上，热质变色玻璃板3形成通风道外侧侧壁。
63.这样利用了热质变色玻璃板的高温白色功能。热致变色玻璃为一种已有的玻璃，其中间具有一个温致变色胶层，温致变色胶层是一种在低温时为透明的水凝胶，主要成分为vo2含有被均匀地溶解于其中的温敏性物质，当环境温度高于温敏性物质的最低临界溶解温度时，温敏性物质发生析出，产生白浊状态，从而阻挡和反射大部分太阳光线，起到夏季调光遮阳的功能，防止太阳辐射导致半导体制冷片热端温度过高，效率下降。反之，当环境温度低于温敏性物质的最低临界溶解温度时，温敏性物质发生溶解，回复到透明状态，从而透过大部分太阳光线，在冬季提高气流通道内空气温度，起到保温作用；也可以在温度不高时起到亮瓦照明的功能（配合设置在通风道内侧的亮瓦）。具体实施时，热质变色玻璃板的变色温度可以设置在人体舒适温度区域26-29℃，以更好地起到上述效果。
64.其中，吸热水板5包括位于上部的上联箱5-1和位于下部的下联箱5-2，上联箱和下联箱之间固定连接有波浪板5-3，波浪板内具有连通上联箱和下联箱的吸热储水腔，下联箱和进水管相连，上联箱和出水管相连，出水管外端连接到一个热水储水容器，热水储水容器外接生活用热水管，进水管上安装有进水控制阀并外接市政水管管网，吸热储水腔内设置有热水温度传感器和进水控制阀相连。
65.这样，热水温度传感器检测到热水储水容器内水温超过预设温度并控制进水管进水，并将已升温的热水流出至热水储水容器备用。并以此保证通风道下部温度不会过高，使得通风道内能够保持较大的上下温度差，以带动通风道内空气整体向上流动形成风流。另外实施时，热水储水容器可外接一个回水管和下联箱相连，当热水储水容器内水温降低后，可以回水进行加热。
66.其中，屋顶顶部向上设置有太阳能抽吸烟囱和通风道上端相接，外接出风口设置在太阳能抽吸烟囱上端；所述太阳能抽吸烟囱包括位于里部的烟囱9；烟囱9底部设置有截面呈下凹弧形的反射板11，反射板11能够将太阳光反射至烟囱外侧同一水平高度位置。
67.这样，太阳能抽吸烟囱设置在屋顶，受太阳直晒温度最高，能够更好地形成通风道的上下温度差以提高通风道内空气流动速度。尤其是设置的反射板，能够将太阳光集中反射后对太阳能抽吸烟囱中部的某段位置进行集中加热，极大地提高了烟囱内部某特定水平高度位置的局部温度，以更好地形成温度差带动通风道内空气向上流动，极大地提高了冷却风流的速率和冷却效果。
68.其中，烟囱外侧设置有黑色涂层。更好地提高吸热效果。
69.其中，烟囱外还设置有真空夹层8，真空夹层外设置有玻璃层7。
70.这样，阳光可以透过玻璃层照射烟囱进行加热，同时真空夹层避免烟囱内部热量被外部风流带走，更好地保持烟囱内部形成高温。
71.其中，烟囱9内侧还设置有若干蓄热凸台10，各蓄热凸台10内设置有相变蓄热材料。
72.这样，白天烟囱吸收的部分多余热量可以积蓄在蓄热凸台内，到傍晚到入夜时段内释放热量，继续保持通风道内具有足够的上下温度差。
73.其中，各蓄热凸台在高度方向上间隔排布且内部的相变蓄热材料不相连通。
74.这样，避免相连通的相变蓄热材料分散热量，使得白天受太阳直晒时，反射板反射位置能够受光照快速升温，缩短升温响应时间，使得通风道内尽早形成风流。局部的蓄热凸台蓄满热量后再向上下两侧扩散蓄热，使得蓄热材料的设置不影响升温速度的同时又满足蓄热效果。
75.其中，烟囱内侧还设置有排风扇12，排风扇12和蓄电池15相连。
76.这样，在夜晚蓄热凸台热量耗尽，风流动力不足时，可以开启排风扇产生风流。
77.其中，烟囱上端外侧还设置有凸透镜片6。
78.这样凸透镜片能够聚焦透射的太阳光，同样产生提高烟囱内局部温度的效果。
79.其中，烟囱竖向截面上端两侧呈向外的喇叭形。
80.这样可以使得烟囱上端凸透镜片的聚焦位置和烟囱下端的反射板反射位置为同一水平高度。这样就可以更加高效和快速地提高烟囱内部特定水平高度位置的局部温度，使其能够达到局部区域一百多甚至数百摄氏度，可以更好地形成温度差带动通风道内空气向上流动，快速带走通风道内的热量，提高冷却风流的速率和冷却效果。
81.其中，通风道下端还设置有和室内相通的内接进风口13-1，通风道上端还设置有和室内相通的内接出风口13-3，所述内接进风口13-1、外接进风口13-2、外接出风口13-4和内接出风口13-3各自均安装有风阀。
82.这样，有需要的时候，可以从室内进风，或者从室内出风，以根据不同工况需求，可以更好地形成多种风流循环控制方式。具体地说，几种工况分别为。
83.夏季白天工况下，光伏板组件工作，将太阳能转换为电能并储存到蓄电池中，为半导体组件提供电能，半导体组件运行制冷。打开外接进风口和外接出风口。太阳直射上部太阳能抽吸烟囱，烟囱内温度升高，热压带动空气流入通风道流经半导体组件热端表面，带走热量，肋片强化传热。热质变色玻璃在高温下温敏物质析出，产生白浊状态，阻挡和反射大部分太阳辐射，降低气流通道内温度，防止太阳辐射导致半导体制冷片热端温度过高，效率下降。夏季夜间工况下，没有太阳直射辐射，蓄热材料内部相变材料反应，蓄热凸台放出热量，单侧传递给太阳能抽吸烟囱内的空气，利用热压带动空气流动带走热量。
84.考虑到仅利用自然热压驱动空气流动带走热端热量效率较低，在太阳能抽吸烟囱底部设置了排风扇。排风扇和光伏板单元可以都和功率控制器16相连，功率控制器16可以和位于室内的温度传感器17相连，通过比较室内温度与设定值的偏差来控制提供给半导体组件的电流大小以及风机转速。同时在半导体组件运行时，吸热水板工作，制备生活热水。
85.冬季白天工况下，半导体制冷片不运行，光伏板组件工作，通过逆变器将电能储存到蓄电池中，供家庭生活用电。打开内接进风口和内接出风口，关闭外接进风口和外接出风口。冬季低温下热质变色玻璃中间胶层为透明水凝胶，阻挡和反射太阳辐射能力较弱，大量太阳辐射进入气流通道内，上部太阳能抽吸烟囱附近空气温度最高，和室内空气形成热压差。气流从建筑墙体下端内接进风口进入通风道，吸收热量，温度升高，从建筑屋顶内接出风口进入室内，整体气流组织上送下回，形成冬季热风供暖。
86.冬季夜间工况下，半导体制冷片不运行，关闭内接进风口、外接进风口、外接出风口和内接出风口。没有太阳直射辐射，蓄热材料内部蓄热材料反应，蓄热凸台放出热量，单侧传递给太阳能抽吸烟囱的上部空气，同时由于空气的导热系数较低，整个气流通道可视作一整个保温层，阻止房间散热，进行保温。