基于热泵的水采集系统的制作方法

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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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)-(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)-(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)-(iv)。

4、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。

5、另一种潜在的除湿-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。

6、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)。

7、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)-(iv)的单一加湿-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

1、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。

2、本实用新型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。

3、本实用新型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-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进入吸附单元和旁路单元的气流；吸附风门，其被配置为将空气引导到吸附单元和旁路单元中的一个或两个中；以及室内/室外出口风门，其被配置为控制从吸附单元和旁路单元流出进入室外出口和室内出口中的一个或两个的气流。在特定实施例中，所述系统可以被配置为按以下模式操作且在其中切换：对来自室外到室内的空气进行除湿的第一模式(i)、对从室外到室内的空气进行加湿的第二模式(ii)、对再循环的室内空气进行除湿的第三模式(iii)以及对再循环的室内空气进行加湿的第四模式(iv)。

4、本实用新型的特定实施例的另一广泛目标可为一种从周围空气采集水的方法，包括使用本文中所描述的大气水采集系统中的任一个或其组合。在特定实施例中，所述方法可以包含以下中的一个或多个：a)将周围空气抽吸到定位在吸附单元中的一个或多个吸附剂模块中，其中一个或多个吸附剂模块从周围空气中吸附水；b)一旦吸附剂模块饱和或饱和到目标水量和/或吸附速率，便使用传送机构将吸附剂模块从吸附单元传送到解吸附室；c)将空气或空气/水混合物吹过热泵的热侧热交换器通过定位在解吸附室中的吸附剂模块以促进水解吸附；d)一旦解吸附室实现目标水蒸气浓度，就将热水蒸气从解吸附室传送到热泵的冷侧热交换器；e)任选地重复c)和d)，直到解吸附室中的吸附剂模块耗尽所吸附水或达到所吸附水的目标耗尽；及f)在水解吸附之后将解吸附室中的吸附剂模块传送到吸附单元，其可使用传送机构实现。在前述的特定实施例中，所述方法可在水采集系统的平均解吸附温度或平均冷凝温度或其组合下执行以(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。

5、本实用新型的特定实施例的另一广泛目标可以是控制空气中水蒸气浓度(也称为“湿度”)的方法，包括使用本文中所描述的大气水采集系统中的任一个或其组合。在特定实施例中，所述方法可以包含以下中的一个或多个：a)将周围空气抽吸到所述系统中；b)取决于模式(i)-(iv)，调整风门的位置以引导来自室外入口或室内入口中的一个或两个的气流通过吸附单元和旁路单元中的一个或两个，以当系统以除湿模式操作时对空气进行除湿，且将除湿空气传送到室内出口或将除湿空气传送到室外出口；c)使用水泵将收集到的水从水收集罐泵送到喷雾器中，这可能在系统以加湿模式操作时发生；d)使用喷雾器对空气进行加湿，这可能在系统以加湿模式操作时发生；e)使用排水管从水收集罐中去除全部或部分收集的水，这可能在系统以除湿模式操作时发生；f)将一个或多个吸附剂模块定位在吸附单元中，其中一个或多个吸附剂模块可以从周围空气中吸附水；g)一旦吸附剂模块饱和或达到目标吸附水量和/或吸附速率，便将饱和吸附剂模块从吸附单元传送到解吸附室，这可以使用传送机构进行协调；h)将空气或空气/水混合物吹过热泵的热侧热交换器通过定位在解吸附室中的吸附剂模块以促进水解吸附；i)一旦解吸附室实现目标水蒸气浓度，就将热水蒸气从解吸附室传送到热泵的冷侧热交换器；j)任选地重复步骤h)和i)，直到解吸附室中的吸附剂模块耗尽所吸附水或达到所吸附水的目标耗尽水平；k)在水解吸附之后将解吸附室中的吸附剂模块传送到吸附单元，这可使用传送机构进行协调。

6、本实用新型的特定实施例的另一广泛目标可以是提供一种基于吸附剂的系统，所述系统被设计为采用制冷系统的热侧热交换器来从干燥剂中解吸附水，或采用制冷系统的冷侧热交换器来冷凝水，或其组合，然后可用于加湿和除湿，以通过本文所述的一种湿度控制系统、设备或方法解决所有四种湿度控制模式(i)-(iv)。在特定实施例中，本实用新型提供了一种水采集系统，所述系统可以使用金属-有机框架吸附剂和高温热泵，其允许高效节能的水去除(除湿)和收集/喷雾(加湿)并且可以在很宽的湿度水平范围内使用。

7、具体地说，在特定实施例中，所述系统可以被配置为对室外空气进行除湿(例如，通过对空气进行除湿并产生水作为副产物)。在特定实施例中，所述系统可以被配置为对室外空气进行加湿(例如，通过捕获水并将捕获的水重新引入空气中)。在特定实施例中，所述系统可以被配置为对循环的室内空气进行除湿(例如，通过对再循环的室内空气进行除湿并产生水作为副产物)。在特定实施例中，所述系统可以被配置为对循环的室内空气进行加湿(例如，通过捕获水并将捕获的水重新引入再循环的室内空气中)。