Wykorzystanie ciepła z siedzenia w fotelu – TEG, PCM, mikrowentylacja, energy harvesting

Pytanie

jak wykorzystac cieplo powstajace przy dlugim siedzeniu w fotelu

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Ciepło z długiego siedzenia można wykorzystać na trzy praktyczne sposoby: (1) odzysk bardzo małych ilości energii elektrycznej (energy harvesting) z modułów termoelektrycznych, (2) poprawę komfortu termicznego przez izolację/PCM i kontrolę przepływu powietrza, (3) lokalne „przemieszczanie” ciepła (np. kierowanie ogrzanego powietrza na dłonie lub tułów).
• Do realnego ładowania telefonu się to nie nadaje; za to wystarczy do zasilania czujników o ultra‑niskim poborze mocy i do wyraźnej poprawy komfortu.

Szczegółowa analiza problemu

• Bilans: osoba siedząca wydziela średnio 80–120 W ciepła; do siedziska/oparcia trafia zwykle 10–30% (ok. 8–36 W), ale to ciepło ma niską jakość (mały gradient temperatur).
• Gradient: skóra ~32–34°C, pokój ~20–22°C → ΔT efektywnie 5–10 K po uwzględnieniu ubrań i oporów cieplnych. To kluczowe ograniczenie dla konwersji na prąd.

1. Konwersja ciepła na energię elektryczną (TEG)

• Zasada: efekt Seebecka w generatorach termoelektrycznych (TEG). Aby wytworzyć moc, trzeba utrzymać ΔT i możliwie niską rezystancję cieplną po obu stronach modułu.
• Realne moce: przy ΔT 5–10 K z jednego modułu 40×40 mm, dobrze sprzęgniętego termicznie z ciałem (strona „hot”) i z radiatorem (strona „cold”), uzyskasz rząd mikro‑ do pojedynczych miliwatów. Setki miliwatów w takim układzie są nierealistyczne. Kluczowe jest obalenie popularnego mitu, że z TEC1-12706 „odwróconego” przy ΔT 5–10 K uzyska się 50–500 mW — w praktyce zabraknie zarówno napięcia, jak i chłodzenia.
• Co da się zasilić:
  • Czujnik zajętości fotela, czujniki temperatury/wilgotności, licznik czasu siedzenia.
  • Nadajnik BLE/Thread wysyłający krótką ramkę co kilkanaście–kilkadziesiąt sekund.
• Architektura zasilania:
  • 4–8 × TEG (np. typy zoptymalizowane do generacji) w strefach kontaktu.
  • Strona „zimna”: płaski radiator + kanał powietrzny pod siedziskiem (najlepiej z cichym mikrowentylatorem 5 V 0,05–0,2 W; nawet minimalny przepływ znacząco poprawia ΔT).
  • Harvester startujący z bardzo niskiego napięcia: układy klasy LTC3108/AEM10941/bq25570 + superkondensator 1–10 F jako bufor; dalej przetwornica o ultraniskim prądzie spoczynkowym do 1,8–3,3 V.
  • MCU radiowy o niskim poborze (np. nRF52/EFR32) i agresywne duty‑cycling.
• Cold‑start: dobrym uzupełnieniem jest element piezo (poduszka piezo lub paski PVDF) w torze siedziska – impuls energii przy siadaniu/użyciu potrafi „rozkręcić” harvester (naładować bufor do napięcia startu), po czym TEG utrzymuje zasilanie.

2. Zarządzanie komfortem (zatrzymywanie i buforowanie ciepła)

• Izolacja o niskiej emisyjności: cienka warstwa „low‑e” (folia metalizowana/metalizowana tkanina) pod tapicerką odbija promieniowanie cieplne z powrotem do użytkownika i zmniejsza uczucie „wyciągania ciepła” przez zimne siedzisko.
• Materiały zmiennofazowe (PCM) 28–32°C: wkładki PCM w piance siedziska/oparcia magazynują nadmiar ciepła w trakcie siedzenia (topnienie) i oddają je powoli po wstaniu lub podczas przerw; stabilizują mikroklimat powierzchni kontaktu.
• Kontrolowana mikrowentylacja: cienkie kanały z przepływem 5–20 l/min rozprowadzają ciepło równiej, ograniczają miejscowe przegrzanie i potliwość; w trybie zimowym powietrze można kierować ku dłoniom/tułowiowi (subiektywnie „+komfort” przy rzeczywistym poborze mocy wentylatora rzędu setnych wata, który może być pokryty z sieci lub sporadycznie zmagazynowaną energią).

3. „Przemieszczanie” ciepła dla użyteczności lokalnej

• Kanał ciepłego powietrza: prosty przewód od tylnej części oparcia (gdzie akumuluje się ciepło) do wylotu przy podłokietniku – z niewielkim wspomaganiem wentylatorem uzyskasz 1–3 W strumienia cieplnego na dłonie (wystarcza, by realnie poprawić komfort przy pracy).
• Bufor cieplny przydatny „po sesji”: niewielka wkładka PCM (100–200 g) ogrzana podczas siedzenia może przez kilkadziesiąt minut dogrzewać plecy/szyję lub suszyć oparcie.

Teoretyczne podstawy i ograniczenia

• Sprawność TEG przy niskich ΔT jest z natury niska (ułamki procenta). W praktyce ważniejszy jest nie tyle strumień mocy, co całodobowy budżet energii i minimalizacja strat w elektronice zasilania.
• Dominują opory cieplne: ubranie, pianka, wilgoć. Każda dodatkowa warstwa między skórą a TEG obniża gęstość mocy i napięcie.

Aktualne informacje i trendy

• Trend 1: elastyczne i tekstylne TEG (na foliach polimerowych, nadrukowane termopary) – rośnie dopasowanie do ciała kosztem gęstości mocy; dobre do wearables i może w ograniczonym zakresie do tapicerki.
• Trend 2: hybrydowe harvestery (TEG + piezo + PV indoor) z inteligentnym power managementem i superkondensatorami – docelowo całkowicie bezobsługowe czujniki IoT w meblach.
• Trend 3: wkładki PCM w meblach i fotelach samochodowych – stabilizacja komfortu bez aktywnego grzania.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Szacunkowa kalkulacja dla IoT:
  • Załóżmy 6× moduł TEG 40×40 mm, ΔT efektywne 7 K, sprawny radiator i delikatny przepływ powietrza → łączna moc rzędu 1–5 mW. W 8 h siedzenia to 8–40 mWh zmagazynowane w superkondensatorze.
  • Nadajnik BLE: jeden pakiet reklamowy co 10 s może wymagać ~5–20 µW średnio; pomiar temperatury/ciśnienia co minutę – kolejne pojedyncze µW. Bilans dodatni jest osiągalny.
• Komfort:
  • Low‑e + cienka pianka poprawia odczuwalną temperaturę o kilka kelwinów bez jakiegokolwiek zasilania.
  • Wkładka PCM 200 g przy entalpii topnienia ~150–200 kJ/kg zmagazynuje ok. 30–40 kJ? Uwaga: to wartość dla „wysokich” PCM; w praktyce komercyjne wkładki 28–32°C mają entalpie rzędu 150–250 kJ/kg → 200 g dostarczy 8–14 kJ (2–4 Wh ekwiwalentu cieplnego), co starcza na zauważalny, ale delikatny efekt komfortu przez 0,5–1,5 h.

Aspekty etyczne i prawne

• Bezpieczeństwo termiczne: temperatura powierzchni kontaktu nie powinna przekraczać ~42–45°C; unikać punktowych przegrzań.
• Materiały i palność: dobierać zgodnie ze standardami meblowymi (np. EN 1021, TB117-2013). Elementy elektryczne – izolacje i prowadzenie przewodów zgodnie z dobrymi praktykami.
• Zasilanie i magazynowanie: preferowane superkondensatory zamiast Li‑ion w tapicerce (ograniczenie ryzyka termicznego). Jeśli Li‑ion – BMS, testy UN38.3.
• Prywatność: czujniki obecności/czasu siedzenia to dane wrażliwe behawioralnie; stosuj anonimizację i lokalne przetwarzanie.

Praktyczne wskazówki

• Dla energy harvesting:
  • Użyj modułów TEG zoptymalizowanych do generacji, nie standardowych TEC1 od chłodzenia.
  • Zaprojektuj „zimną” stronę najpierw: radiator żebrowany + kanał powietrzny; nawet 0,1–0,2 W wentylatora znacząco zwiększy ΔT i całkowitą energię.
  • Harvester startujący z 20–50 mV, superkondensator 1–10 F, przetwornica buck o Iq < 1 µA, mikrokontroler radiowy z uśpieniem <1 µA.
  • Dodaj piezo do impulsowego „rozruchu”.
• Dla komfortu:
  • Warstwa low‑e tuż pod tkaniną wierzchnią + cienki, przewiewny spacer mesh.
  • Wkładki PCM 28–32°C w strefie oparcia lędźwi i siedziska.
  • Cichy mikrowentylator z regulacją PWM (sterowanie wg czujników T/RH).
• Testy:
  • Pomiary ΔT i strumienia ciepła (przekładki z czujnikami NTC/termopary + anemometr w kanale). Walidacja zysków energii i komfortu przed integracją na stałe.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Ilość energii elektrycznej jest niewielka i silnie zależy od warunków (ubranie, ruch powietrza, wilgotność). Nie planuj zadań powyżej pojedynczych miliwatów średnio.
• Moduły TEG są sztywne; wymagają przemyślanej integracji, by nie pogarszać ergonomii ani nie ulec zmęczeniu materiału.

Sugestie dalszych badań

• Ocena różnych topologii radiatorów w ograniczonej przestrzeni siedziska (CFD dla kanałów o małych Reynoldsach).
• Porównanie materiałów PCM i ich rozmieszczenia pod kątem komfortu oraz trwałości cyklicznej.
• Prototyp hybrydowy (TEG + piezo + PV indoor) z AEM‑klasą PMIC i superkondensatorem – weryfikacja autonomii IoT bez baterii przez cały rok.

Krótkie podsumowanie

• Wykorzystanie ciepła z siedzenia w fotelu jest jak najbardziej możliwe, ale realistycznie: do zasilania ultraniskoenergetycznych czujników (mikro/miliwaty) i – co ważniejsze – do poprawy komfortu przez izolację low‑e, wkładki PCM i delikatną mikrowentylację. Chętnie przygotuję szkic konkretnego rozwiązania (BOM, schemat z harvesterem, układ kanałów powietrznych) pod Twój typ fotela i założenia. Czy celem jest energia dla czujników, czy głównie komfort?