基于热泵的水采集系统技术方案

一种基于热泵的水采集系统，其包含：解吸附室；传送机构；冷凝室；旁路单元；室内/室外入口风门；吸附风门；以及室内/室外出口风门。所述系统适于在第一模式、第二模式、第三模式和第四模式之间切换操作。第四模式之间切换操作。第四模式之间切换操作。

【技术实现步骤摘要】
基于热泵的水采集系统
[0001]本美国非临时专利申请要求2021年8月23日提交的美国临时专利申请第63/236,173号的权益，所述申请以引用的方式并入本文中。


[0002]本公开总体上涉及水采集，并且更具体地涉及用于从周围空气采集水的系统、设备和方法，其在水采集循环中提供降低的能量成本和改进的效率。还公开了被配置为对空气进行除湿或加湿的水采集系统、设备和水采集方法。

技术介绍

[0003]通常，利用吸附剂从空气采集水的过程包含水采集循环，其包括三个能量密集型阶段：将水蒸气从空气吸附到吸附剂、从吸附剂解吸附水蒸气以及将解吸附的水蒸气冷凝成液态水。举例来说，在吸附阶段期间，潮湿环境空气可被吹过解吸附(活化)的吸附剂床。水分子可通过吸附剂床的多孔内部扩散且由吸附剂吸附。当吸附剂床被水完全饱和时可以完成吸附阶段。在吸附阶段之后，可通过直接或间接加热吸附剂床以释放水蒸气来起始解吸附阶段。当吸附剂床的水变得不饱和时完成解吸附阶段。在冷凝阶段期间，可将在解吸附阶段期间产生的水蒸气引导到冷凝室，其中水蒸气冷却且冷凝成液态水。通过吸附、解吸附和冷凝的重复循环，基于吸附剂的水采集可提供从空气产生水的方法。
[0004]一般来说，存在两种加热方法以从饱和的吸附剂床释放水蒸气：第一，直接加热，其涉及从热源直接向吸附剂床支撑结构、吸附剂床或吸附剂的表面的热传送；及第二，间接加热，其涉及加热吸附剂床支撑结构、吸附剂床或吸附剂周围的空气。可利用电阻加热实现直接加热和间接加热。解吸附通常需要大量能量，包括与解吸附能量有关的潜热部分以将与吸附剂相关联的水变成水蒸气，及与加热吸附剂床支撑结构、吸附剂床或吸附剂中的一个或多个有关的显能部分。潜在地，解吸附所耗费的能量可在冷凝阶段期间回收，且接着再引入到系统中用于解吸附。一般来说，电阻加热并不对解吸附所耗费的能量提供回收。
[0005]此外，空气调节过程典型地需要对空气进行除湿(例如降低空气中的水蒸气浓度)或对空气进行加湿或再加湿(例如提高空气中的水蒸气浓度)。此过程可应用于来自室内空间(也称为“室内”)的再循环空气或来自室外环境(也称为“室外”)的空气。因此，通常考虑四种单独的空气湿度控制模式(i)
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(iv)：(i)对来自室外环境的空气进行除湿；(ii)对来自室外环境的空气进行加湿；(iii)对来自室内空间的再循环空气进行除湿；以及(iv)对来自室内空间的再循环空气进行加湿。来自室外环境的空气的除湿实例，即模式(i)很常见，例如在夏季在炎热潮湿的空气进入办公楼之前从其中去除水分。当来自室外环境的空气中的水蒸气浓度低于室内舒适水平时，可能需要对来自室外环境的空气进行加湿，即模式(ii)，这通常发生在寒冷干燥的冬季。对来自室内空间的再循环空气进行除湿，即模式(iii)，可在室内空间实施，例如：家庭地下室以防止霉菌生长，也可用于垂直耕作。最后，对来自室内空间的再循环空气进行加湿，即模式(iv)，可以通过加热、通风或空调系统来实施以保持湿度或温度目标。虽然可能有常规系统单独解决模式(i)
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(iv)中的各者，但是这些常规系统
并没有通过一个系统、设备或方法解决所有四种空气湿度控制模式(i)
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(iv)。
[0006]使用制冷过程从空气中直接冷却和冷凝水通常用于除湿。这样的系统既可以在室内(例如小型便携式除湿机)也可以在室外(例如典型地是中央空调单元)实施。此外，用小型除湿机去除的水可以潜在地用于对来自室内空间的再循环空气进行加湿。然而，当将新鲜空气从室外环境带入室内空间时，特别是当来自室外环境的空气所含的水分含量低于室内空间目标湿度时，使用此类系统对室内空间的空气进行加湿可能存在很大困难。
[0007]另一种潜在的除湿
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加湿系统可以是基于干燥剂的单元(例如干燥剂轮)。干燥剂轮通常使用固体吸附剂(例如硅胶、多孔碳、沸石)设计，尽管液体干燥剂是已知的(例如氯化锂溶液、甘油)。吸附剂可以暴露在空气中以吸附水，然后使用制冷系统的热侧加热以将水从干燥剂中解吸附出来。通常，所产生的解吸附水蒸气不会冷凝成液态水。这些系统可用于对取自室外环境的空气进行除湿和加湿。但是，它们典型地不会调节室内空气，因为它们不会改变在室内空间再循环的空气中存在的水分含量。
[0008]还存在许多其它湿度控制系统，例如：用于冷凝的热电直接结露、用于解吸附的电阻加热、用于解吸附的废热。然而，这些现有系统再一次没有有效地通过一个系统、设备或方法解决所有四种空气湿度控制模式(i)
‑
(iv)。
[0009]因此，配置为既降低能量成本又改进水采集循环效率的水采集系统将具有明显优势。可以有效地解决所有四种空气湿度控制模式(i)
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(iv)的单一加湿
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加湿系统、设备或方法将具有进一步的明显优势。

技术实现思路

[0010]本文中提供基于热泵的水采集系统(也称为“系统”)，其可减小水采集循环中的总能量成本和/或改进水采集循环期间的水生产效率。
[0011]本技术的特定实施例的广泛目标可为提供一种大气水采集系统，其包含以下中的一个或多个：热泵；吸附单元；解吸附室；传送机构；和冷凝室。在特定实施例中，热泵可包含以下中的一个或多个：压缩器、膨胀阀和热交换器，其中热交换器具有热侧热交换器(典型地为“冷凝器”)和冷侧热交换器(典型地为“蒸发器”)。在特定实施例中，吸附单元包含一个或多个吸附剂模块，其中吸附剂模块含有一种或多种吸附剂，且吸附单元可以但不一定与热泵系统物理上分离。在特定实施例中，解吸附室可连接到或定位成极为接近于热泵的热侧热交换器，且可配置成在平均解吸附温度下操作。在特定实施例中，传送机构可配置成(i)将被水至少部分饱和的吸附剂模块从吸附单元传送到解吸附室中，及(ii)将在解吸附室中至少部分地解吸附的吸附剂模块传送回到吸附单元。在特定实施例中，冷凝室可包围或定位成极为接近于热泵的冷侧热交换器，且可配置成在平均冷凝温度下操作。在前述的特定变化形式中，水采集系统可配置成在所述系统的平均解吸附温度和平均冷凝温度下操作以(i)实现用一种或多种吸附剂产生的每升水的最低能量，及(ii)保持足够高的解吸附温度以维持目标解吸附速率，及其组合。
[0012]本技术的特定实施例的另一广泛目标可以是配置系统的特定实施例以对空气进行除湿
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加湿。因此，所述系统的实施例还可以包含以下中的一个或多个：收集罐，其连接到冷凝室，被配置为收集从冷凝室冷凝的水；水泵，其连接到所述收集罐，被配置为接收来自所述收集罐的水；排水管，其连接到所述收集罐；喷雾器，其连接到所述水泵并且定位
成接近于室内出口；旁路单元，其定位成接近于吸附单元，被配置为从室外入口和室内入口中的一个或两个传送空气；吸附风扇，其定位成接近于吸附单元和旁路单元，用于将空气从室外入口和室内入口中的一个或两个传送到吸附单元和旁路单元中；室内/室外入口风门，其被配置为控制从室外入口和室内入口中的一个或两个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热泵的水采集系统，其包含：热泵，其具有热侧热交换器和冷侧热交换器；吸附单元，其包含吸附剂模块，所述吸附剂模块含有一种或多种吸附剂，所述吸附单元与所述热泵物理上分离放置；解吸附室，其连接到或定位成极为靠近所述热泵的所述热侧热交换器，所述解吸附室配置成在平均解吸附温度下操作；传送机构，其配置成：(i)将被水至少部分饱和的所述吸附剂模块从所述吸附单元传送到所述解吸附室中，及(ii)将从所述解吸附室中至少部分地解吸附所述水的所述吸附剂模块传送回到所述吸附单元；以及冷凝室，其包围或定位成极为靠近所述热泵的所述冷侧热交换器，其中所述冷凝室配置成在冷凝温度下操作；其特征是，旁路单元，其定位成靠近所述吸附单元，被配置为从室外入口或室内入口传送空气；室内/室外入口风门，其被配置为控制气流从所述室外入口或所述室内入口进入所述吸附单元和所述旁路单元的流动；吸附风门，其被配置为将一部分气流引导到所述吸附单元中并且将一部分气流引导到所述旁路单元中；室内/室外出口风门，其被配置为控制气流从所述吸附单元和所述旁路单元流出进入室外出口或室内出口的流动，所述系统适于在以下各者之间切换操作：对从所述室外入口到所述室内出口的所述气流进行除湿的第一模式、对从室外入口到室内出口的气流进行加湿的第二模式、对从所述室内入口再循环到所述室内出口的气流进行除湿的第三模式、以及对从所述室内入口再循环到所述室内出口的气流进行加湿的第四模式。2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，该系统进一步包含：水收集罐，其连接到所述冷凝室，所述水收集罐被配置为收集从所述冷凝室冷凝的水；水泵，其连接到所述水收集罐，被配置为接收来自所述收集罐的所述水；排水管，其连接到所述收集罐；喷雾器，其连接到所述水泵并且定位成靠近室内出口。3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，在所述第一模式中：所述室内/室外入口风门关闭所述室内入口并打开所述室外入口，以将所述气流从所述室外入口传送到所述吸附单元和所述旁路单元中；所述吸附风门控制进入所述吸附单元的所述部分气流和进入所述旁路单元的所述部分气流；所述室内/室外出口风门关闭所述室外出口并打开所述室内出口以将来自所述吸附单元的除湿气流传送通过所述室内出口；所述传送机构将至少部分被水饱和的所述吸附剂模块从所述吸附单元传送到所述解吸附室中，其中水从所述吸附剂模块中所含的所述一种或多种吸附剂中解吸附，其中从所述一种或多种吸附剂中解吸附的所述水在所述冷凝室中冷凝；在所述冷凝室中冷凝的所述水在所述水收集罐中收集，其中在所述水收集罐中收集的
所述水的至少一部分被传送到排水管；且所述水泵保持关闭状态。4.根据权利要求2所述的系统，其特征是，在所述第二模式中：所述室内/室外入口风门关闭室内入口并打开所述室外入口以将空气从所述室外入口传送到所述吸附单元和所述旁路单元中；所述吸附风门关闭所述旁路单元并打开所述吸附单元；所述室内/室外出口风门部分地打开所述室外出口和所述室内出口，以将来自所述吸附的除湿空气通过所述室内出口和通过所述室外出口传送；所述传送机构将至少部分被水饱和的所述吸附剂模块从所述吸附单元传送到所述解吸附室中，其中水从所述吸附剂模块中所含的所述一种或多种吸附剂中解吸附，其中从所述一种或多种吸附剂中解吸附的所述水在所述冷凝室中冷凝；以及在所述冷凝室中冷凝的所述水在所述水收集罐中收集，其中在所述水收集罐中收集的所述水的至少一部分被传送到所述排水管；所述水收集罐中的所述水的至少一部分通过所述水泵传送到所述喷雾器以加湿通过所述室内出口传送的气流，所述排水管保持关闭状态。5.根据权利要求2所述的系统，其特征是，在所述第三模式中：所述室内/室外入口风门关闭所述室外入口并打开所述室内入口以将所述气流从所述室内入口传送到所述吸附单元和所述旁路单元中；所述吸附风门控制进入所述吸附单元的所述部分气流和进入所述旁路单元的所述部分气流；所述室内/室外出口风门关闭所述室外出口并打开所述室内出口，以将来自所述吸附单元的除湿空气通过所述室内出口传送；所述传送机构将至少部分被水饱和的所述吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤金，
申请(专利权)人：水收集公司，
类型：新型
国别省市：