[发明专利]基于热泵的水采集系统及其使用方法

说明书

水采集系统，以及制造和使用这类水采集系统的方法，用于使用在所述水采集系统中减小总能量成本且改进水采集循环效率的配置从周围空气捕获水。在特定实施例中，所述水采集系统可被配置用于空气的除湿‑加湿，以及所述水采集系统中用于除湿‑加湿的方法以控制由所述水采集系统调节的空气中的水分含量。所述系统和方法使用吸附剂材料，例如金属‑有机框架，以从所述空气中吸附水。所述系统和方法以水蒸气形式解吸附此水，且可将所述水蒸气冷凝成液态水并收集，从而对由所述水采集系统调节的空气进行除湿。所收集的液态水可以喷雾以加湿由所述水采集系统调节的空气。

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。

技术领域

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

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。

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。

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)。

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。