基于热泵的水采集系统及其使用方法

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。

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。

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)。

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。

发明内容

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。

本发明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。

本发明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)。

本发明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。

本发明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。

本发明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，本发明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。

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)。

附图说明

可参考结合包括在说明书中的随附图式进行的以下描述最好地理解本申请。

图1描绘基于热泵的水采集系统的特定实施例的示意图。

图2A描绘包括配置成将完全或部分饱和MOF模块连续地移动到解吸附/冷凝单元的解吸附室中用于解吸附的旋转圆盘传送带的基于热泵的水采集系统的特定实施例。

图2B描绘包括配置成在吸附单元与解吸附室之间切换MOF模块的多轴机械臂的基于热泵的水采集系统的另一特定实施例。

图3描绘解吸附室中“冷凝器”热侧热交换器与MOF模块之间的热耦合的特定实施例的示意图。

图4描绘配置用于水蒸气冷凝和液态水收集的基于热泵的水采集系统的特定实施例的示意图。

图5描绘基于热泵的水采集系统的特定实施例的部分，其中测量循环空气的温度、湿度或速度和其组合。

图6描绘配置为对空气进行除湿-加湿并且可以操作以对室外空气进行除湿以解决模式(i)的水采集系统的特定实施例。

图7描绘配置为对空气进行除湿-加湿并且可以操作以对室外空气进行加湿以解决模式(ii)的水采集系统的特定实施例。

图8描绘配置为对空气进行除湿-加湿并且可以操作以对再循环的室内空气进行除湿以处理模式(iii)的水采集系统的特定实施例。

图9A描绘水采集系统的特定实施例，所述水采集系统被配置为对空气进行除湿-加湿并且可以操作以对再循环的室内空气进行加湿以解决模式(iv)，包括从空气中吸附水。

图9B描绘水采集系统的特定实施例，所述水采集系统被配置为对空气进行除湿-加湿并且可以操作以对再循环的室内进行加湿以解决模式(iv)，包括将通过吸附从空气中收集的水引入再循环室内空气中。

具体实施方式

以下描述阐述基于热泵的水采集系统(1)、制造基于热泵的水采集系统的方法和使用基于热泵的水采集系统的方法的说明性实例。然而，应认识到，由所述描述提供的基于热泵的水采集系统(1)的实例并不意图限制所述描述的广度或范围，而是实际上提供对于本领域的普通技术人员足以进行和使用本发明的完整广度和范围的实例。

现在，主要参考图1到图5，一种制造及使用本文描述的基于吸附剂的水采集系统(1)的基于吸附剂的水采集系统(1)方法。在一些实施例中，系统(1)包括吸附单元(3)，例如吸附架，其容纳含有至少一种吸附剂材料(5)的一个或多个吸附剂模块(4)。空气(6)可流过一个或多个吸附剂模块(4)，导致通过其中的吸附剂材料(5)从周围空气(6)吸附水(7)。系统(1)可以包括传送机构(8)，其在特定实施例中可为圆盘传送带(8a)(如图2A的实例中所展示)或可为机械臂(8b)(如图2B的实例中所展示)。一旦吸附剂模块(4)中的一个或多个达到目标水平和/或目标吸附速率，传送机构(8)便可将含有所吸附水的一个或多个吸附剂模块(4)从吸附单元(3)移动到解吸附/冷凝单元(2)，所述解吸附/冷凝单元(2)包括解吸附室(9)，吸附剂模块(4)可以放置在解吸附室中以解吸附水(7)。在一些实施例中，解吸附室(9)包括再循环风扇(10)，其将空气或空气/水混合物(11)吹过热泵(2a)的热侧热交换器(12)通过一个或多个吸附剂模块(4)，以有效回收冷凝能量且将其用于解吸附来自吸附剂模块(4)的水(7)。一旦在解吸附室(9)中实现目标水浓度，在特定实施例中，系统(1)便可打开解吸附-冷凝器再循环风扇(13)以将热水蒸气(14)从解吸附室(9)传送到热泵(2)的包围在冷凝室(16)中或定位成较接近于所述冷凝室的冷侧热交换器(15)。在一些变化形式中，系统(1)的平均解吸附温度和/或平均冷凝温度可配置成实现用吸附剂材料(5)产生的每升水(7)的最低能量，且可保持足够高的解吸附温度以维持目标解吸附速率。在吸附剂模块(4)的水耗尽或达到水耗尽水平之后，传送机构(8)可从解吸附室(9)去除一个或多个吸附剂模块(4)且将一个或多个吸附剂模块(4)放置回到吸附单元(3)中。基于吸附剂的水采集系统(1)的特定实施例可实现增加的水吸附，以及高温下的连续解吸附和冷凝。

在特定实施例中，如图2A中所描绘，示例系统(1)利用旋转一个或多个吸附剂模块(4)的圆盘传送带(8a)。虽然在解吸附室(9)中解吸附一个或多个吸附剂模块(4)，但剩余吸附剂模块(4)可暴露于潮湿环境空气(6)。在特定实施例中，如图2B中所描绘，可利用机械臂(8b)将一个或多个吸附剂模块(4)从吸附架(17)传送到解吸附室(9)。再次，参考图1，在特定实施例中，热泵(2a)包括具有热侧热交换器(12)和冷侧热交换器(15)的热交换器(18)。在一些变化形式中，热泵(2a)可包括压缩器(19)、膨胀阀(20)、主要“冷凝器”或热侧热交换器(21)、次级热侧热交换器(22)、“蒸发器”或冷侧热交换器(23)和设计成在高温下操作的其它控制组件。举例来说，在特定实施例中，“冷凝器”或热侧热交换器(21)可设置为在约90℃到约160℃范围内的温度下操作，且“蒸发器”或冷侧热交换器(23)可设置为在约40℃到约95℃范围内的温度下操作。

再次，参考图1，解吸附室(9)中的“冷凝器”或热侧热交换器(21)及冷凝室(16)中的“蒸发器”或冷侧热交换器(23)可分别耦合到散热器(24a、24b)以在吸附剂模块(4)移入和移出解吸附室(9)时提供基本上恒定或恒定的温度操作。散热器(24a、24b)在解吸附室(9)和冷凝室(16)中可为金属块或任何其它高热质量材料。其在冷凝室(16)中还可为液态水(7)。

热泵系统的性能一般可通过以下等式建模：

和

其中W为通过压缩器(19)输入的功，Qc为从冷侧热交换器(23)提取的能量，COP为性能系数，Th为热侧热交换器(21)的温度，Tc为冷侧热交换器(23)的温度，且f为基于系统(1)的实际设计的经验系数。在一些变化形式中，f在约0.4到约0.6之间。低Th-Tc和高Tc值典型地产生热泵(2)的更高效节能的设计。

在某些实施例中，可设计系统(1)和使用系统(1)的方法以确保热侧热交换器(21)与解吸附吸附剂模块(4)之间的有效热耦合。可将在解吸附期间产生的热水蒸气(14)引导到冷凝室(16)，所述冷凝室含有“蒸发器”或冷侧热交换器(23)，其中可将水蒸气(14)冷凝成水(6)。接着可将液态水(7)收集在水罐(25)中。残余饱和和相对冷的水蒸气(14)可再循环回到解吸附室(9)中以避免环境中的过度水损失。

在一些变化形式中，系统(1)可进一步包括计算机(26)，其联接到位于解吸附室(9)和冷凝室(16)外部的适于或配置成测量系统(1)周围的环境的周围空气温度和/或周围空气湿度的一个或多个周围空气温度传感器(27)和/或周围空气湿度传感器(28)。计算机(26)可分别联接到一个或多个温度传感器(29a、29b)和/或一个或多个湿度传感器(30a、30b)和/或一个或多个气流传感器(31a、31b)，其可分别位于解吸附室(9)和/或冷凝室(16)内部以测量相应解吸附室温度和/或湿度和/或冷凝室温度和/或湿度。基于来自解吸附室和冷凝室传感器(29a、29b、30a、30b)的读数的温度和/或湿度测量值及基于来自周围温度和湿度传感器(27、28)的读数的环境温度和/或湿度测量值可在实施水采集算法(32)的计算机(26)的控制下使用，以调节系统(1)的操作参数，例如以修改系统(1)在能量使用、水生产和热泵(2a)操作方面的性能。

任何合适的吸附剂材料(5)可用于本文中所描述的系统(1)和方法的实施例中。在特定实施例中，吸附剂材料(5)可包括一个或多个金属-有机框架(“MOF”)。一般来说，MOF提供需要从空气(6)采集水(7)的独特特性。参见例如H.Furukawa等人，《多孔金属-有机框架和有关材料中的水吸附(Water Adsorption in Porous Metal-Organic Frameworks andRelated Materials)》，美国化学学会志(J.Am.Chem.Soc.)，2014,136,11,4369-4381。MOF的特征可在于高吸水量和吸水量与相对湿度(“RH”)的阶梯状特性。在一些变化形式中，包括MOF的合适吸附剂材料(5)具有此等温线阶梯，其可针对各种气候定制。参见例如WO2020112899。由于MOF孔内部与水分子之间的氢结合，等温线阶梯典型地为温度的弱函数。阶梯等温线使得能够在极窄的相对湿度范围(约3到约5％RH)中通过MOF捕获和释放水。

在一些变化形式中，MOF为：MOF-303:Al(OH)(HPDC)，其中HPDC为1H-吡唑-3,5-二羧酸盐；CAU-10:Al(OH)(IPA)，其中IPA为间苯二甲酸酯；MOF-801:Zr

在其它变化形式中，具有高吸水能力以及上文所描述的等温线阶梯的其它吸附剂(5)可用于本文中所描述的系统和方法中。其它合适的吸附剂(5)可包括例如某些分子筛(作为一个实例，SAPO-34微孔沸石，CAS第1318-02-1号)和具有上文所描述的性质的某些沸石。

吸附剂材料(5)(包括上文所描述的MOF)中的水解吸附速率和空气中的饱和蒸气压值随着温度按指数规律增加。另一方面，特定解吸附能量随着温度而减小。这三个因素都有利于在高温下解吸附过程的设计。然而，较高解吸附温度引发来自吸附剂材料(5)、吸附剂材料(5)内部的水(7)、支撑结构、再循环空气(7)和水蒸气的较高显热损失。冷凝温度需要低于解吸附的热水蒸气(14)的露点。可通过冷凝温度较低的冷侧热交换器(23)单遍次冷凝更多水(7)，但热泵COP值随着Th-Tc的增加和Tc的减小而降低。因此，可调节水采集系统(1)的解吸附和冷凝温度以实现用给定吸附剂材料(5)产生的每升水的最低能量。

再次，主要参考图2A，描绘系统(1)的另一实例，其中旋转圆盘传送带(8a)将含有吸附剂模块(4)的完全饱和MOF连续地移动到解吸附室(9)中用于解吸附。一旦MOF吸附剂模块(4)移动到解吸附室(9)中，对其进行加热以释放水(7)作为热水蒸气(14)。同时，其它MOF吸附剂模块(4)可暴露于吹过其的空气(6)以起始吸附。在特定实施例中，在完成解吸附之后，具有定位控制的马达(32)可以旋转圆盘传送带(8a)以将解吸附的吸附剂模块或MOF吸附剂模块(4)移出解吸附室(9)，且允许饱和MOF吸附剂模块(4)进入解吸附室(9)。

参考图2B，描绘系统(1)的另一实例，其中多轴机械臂(8b)(或其它自动化机构)处理MOF吸附剂模块(4)在吸附架(17)与解吸附室(9)之间的切换。一旦MOF吸附剂模块(4)在解吸附室(9)中充分解吸附，其便可通过机械臂(8b)去除且放置回到吸附架(17)中。新完全吸附的MOF吸附剂模块(4)可被拾取且通过机械臂(8b)放置到解吸附室(9)中。计算机和水采集算法(32)可用于跟踪每一模块的解吸附和吸附状态。

现在，主要参考图3，示意图说明解吸附室(9)中“冷凝器”热侧热交换器(21)与MOF吸附剂模块(4)之间的热耦合。解吸附室(9)与具有隔热壁(33)的环境热隔离。再循环风扇(10)将空气(6)吹过热侧热交换器(21)以在足够吸附的MOF吸附剂模块(4)放置到解吸附室(9)中时升高温度。通过吹过热侧热交换器(21)加热的此空气(6)或空气/水混合物(11)可接着吹过MOF吸附剂模块(4)以升高MOF吸附剂模块(4)的温度以释放所吸附水(7)。热水蒸气(14)的从MOF吸附剂模块(4)释放的一部分可接着通过再循环风扇(10)循环回到热侧主要热交换器(21)以继续将至少一种MOF吸附剂材料(5)温度升高到期望的操作解吸附温度。可将热水蒸气(14)的来自MOF吸附剂模块(4)的一部分引导到冷凝室(16)用于冷凝。取决于MOF吸附剂模块(4)出口处的水蒸气条件(RH和温度值)，可使用预定算法(31)利用变速再循环风扇(10)的可变操作来调节再循环和解吸附速率以调节空气/水混合物(11)的流量。目标是实现热交换器的恒定能量负载且保持热水蒸气(14)的高水分含量以实现更有效的冷凝产率。热侧热交换器(21)与MOF吸附剂模块(4)之间的热耦合还可通过热交换器与MOF吸附剂模块(4)的物理接触来改进。

应理解，虽然图2A、图2B和图3说明系统(1)中MOF吸附剂模块(4)的特定实施例，但其它合适的吸附剂模块(4)可用于本文中所描述的系统(1)的其它变化形式中。

现在，主要参考图4，其描绘水蒸气(14)冷凝和液态水(7)采集的说明性示意图。在此实施例中，冷凝室(16)可围封在隔热壁(33)(或冷凝室隔热的其它方式)中。热水蒸气(14)可从解吸附室(9)中流动且通过“蒸发器”冷侧热交换器(23)，允许在到达露点之后冷却热水蒸气(14)且冷凝水(7)。排气将较冷的空气/水混合物(11)携带回到解吸附室(9)中。散热器(24b)可热耦合到冷侧热交换器(23)以保持用于水冷凝的期望操作温度。液态水(7)可从冷侧热交换器(23)的翅片滴下，且可收集在冷凝室(16)下方的水收集罐(25)中。解吸附-冷凝器再循环风扇(13)可用于控制和再循环热水蒸气(14)且排放解吸附室(9)与冷凝室(16)之间的较冷的空气/水混合物(11)。

现在，主要参考图5，其描绘系统(1)的特定实施例的说明性实例的组件，其中可测量循环空气的温度、湿度和速度值，如上文所描述。还可测量热侧热交换器(21)和冷侧热交换器(23)的温度。基于这些测量值，通过执行水采集算法(32)的计算机(26)可评估每一热交换器(21、22、23)的能量负载。在一些变化形式中，可编程系统(1)中的计算机(26)以通过改变再循环风扇(10、13)的风扇速度来调节空气流速，以保持系统(1)中包括的每一热交换器(21、22或23)的几乎恒定的能量负载且实现解吸附和冷凝过程的期望温度。可在压缩器的功输入

参见R.Sonntag和C.V.Wylen，《热力学经典与统计导论(Introduction toThermodynamics Classical and Statistical)》，第2版，约翰伟利父子(John Wylie andSons)，1982。

基于压缩器设计和操作条件，压缩器功输入是恒定的。在一些变化形式中，为了再循环大部分所回收冷凝热用于解吸附，系统配置成设定如下：

和

因此，热侧热交换器(21)的能量负载等于冷侧热交换器(23)的能量负载。一些功输入可由次级热侧热交换器(22)耗散到环境。

热侧热交换器(21)配置可通过考虑由于进入和流出气流而产生的能量“增益”来建模，所述能量“增益”应等于热侧热交换器所耗散的能量。

其中

次级热侧热交换器(22)的能量平衡可表达如下：

其中h

冷侧热交换器处的能量负载的显热和潜热部分都需要考虑用于冷凝过程。

其中

在一些变化形式中，系统(1)调节解吸附-冷凝器再循环风扇(13)速度以在进入和流出空气/水蒸气混合物的温度和湿度值变化时保持冷侧热交换器(23)的恒定能量负载。

再次，总体参考图1到9A和9B，基于吸附剂的水采集系统(1)的特定实施例可配置成用于对空气(6)进行除湿-加湿，其采用热泵(2a)以有效地回收冷凝能量并将其用于从吸附剂材料(5)中解吸附热水蒸气(14)。特定实施例提供了一种使用本文所述的任何基于吸附剂的水采集系统(1)来控制来自周围空气(6)的湿度水平的方法。

现在，主要参考图1、2A和2B，系统(1)的特定实施例可以包括吸附单元(3)，所述吸附单元(3)可以容纳一个或多个含有至少一种吸附剂材料(5)的吸附剂模块(4)。作为第一示例性实例，吸附单元(3)可以包含如图2A所示的旋转圆盘传送带(8a)，并且作为第二示例性实例，吸附单元(3)可以包含吸附架(17)，在所述吸附架中，可以堆叠多个吸附剂模块(4)，如图2B的实例所示。在系统(1)的特定实施例中，传送机构(8)可用于将多个吸附剂模块(4)中的一者或各者从吸附单元(3)移动到解吸附室(9)。如图2A的实例所示，圆盘传送带(8a)可以包括多个吸附剂模块(4)，所述吸附剂模块(4)径向向外放置并且围绕中心旋转轴线周向间隔开。圆盘传送带(8a)可旋转以将多个吸附剂模块(4)中的各者移动到解吸附室(9)中。如图2B的实例所示，机械臂(8b)可以操作以将多个吸附剂模块(4)中的各者从吸附架(17)移动到解吸附室(9)中。空气(6)可以被推过一个或多个吸附剂模块(4)，导致一个或多个吸附剂模块(4)中所含的吸附剂材料(5)从周围空气(6)中吸附水(7)。一旦吸附剂模块(4)达到目标吸附水平和/或速率，传送机构(8)可以将具有所吸附水(7)的吸附剂模块(4)从吸附单元(3)移动到系统(1)的解吸附室(9)。在一些实施例中，解吸附室(9)可包括再循环风扇(10)，其将空气/水混合物(11)吹过热泵(2)的热侧(12)通过吸附剂模块(4)以促进水(7)的解吸附。一旦在解吸附室(9)中达到目标水浓度，系统(1)可以操作解吸附室(9)中存在的解吸附-冷凝器再循环风扇(13)，以将热水分从解吸附室(9)传送到包围或定位成极为接近于冷凝室(16)的热泵(2a)的冷侧(15)。

现在，主要参考图1、6-9A和9B，被配置用于对空气(6)进行除湿-加湿的系统(1)的特定实施例可以进一步包含以下各项中的一个或多个：水收集罐(25)，其连接到冷凝室(16)，被配置为收集冷凝室(16)中冷凝的水(7)；水泵(34)，其连接到水收集罐(25)，被配置为接收来自水收集罐(25)的水(7)；排水管(35)，其连接到水收集罐(25)；喷雾器(36)，其连接到水泵(34)，且定位成接近于室内出口(37)；旁路单元(38)，其定位成接近于吸附单元(3)，被配置为将空气(6)从室外入口(39)或室内入口(40)或其组合传送；吸附风扇(41)，其定位成接近于吸附单元(3)和旁路单元(38)，以将空气(6)从室外入口(39)或室内入口(40)或其组合传送到吸附单元(3)和旁路单元(38)；室内/室外入口风门(42)，其被配置为控制空气(6)从室外入口(39)或室内入口(40)或其组合传送到吸附单元(3)和旁路单元(38)中；吸附风门(43)，其被配置为将空气(6)流的一部分引导到吸附单元(3)中，并将空气(6)流的一部分引导到旁路单元(38)中；以及室内/室外出口风门(44)，其被配置为控制空气(6)从吸附单元(3)和旁路单元(38)流出进入室外出口(45)或室内出口(37)或其组合的流动。

系统(1)的特定实施例可以被配置为以多种模式(i)-(iv)操作且在其中切换，所述模式包括对来自室外(46)到室内(47)的空气(6)进行除湿的第一模式(i)、对来自室外(46)到室内(47)的空气(6)进行加湿的第二模式(ii)、对室内(47)的再循环空气(6)进行除湿的第三模式(iii)以及对室内(47)的再循环空气(6)进行加湿的第四模式(iv)。

在系统(1)的特定实施例中，平均解吸附温度或平均冷凝温度，无论是彼此独立还是彼此相关，都可以配置为实现用吸附剂材料(5)产生的每升水的最低能量，并且在某些实施例中，保持解吸附温度足够高以维持目标解吸附速率。一旦吸附剂模块(4)耗尽水(7)或耗尽到水(7)的目标耗尽水平，传送机构(8)便可将吸附剂模块(4)从解吸附室(9)中移出并将吸附剂模块(4)返回到吸附单元(3)。

现在，主要参考图6到9A和9B，配置用于加湿-除湿的系统(1)的说明性实例可以包括吸附单元(3)(例如吸附架(17)或圆盘传送带(8a)，包括一个或多个吸附剂模块(4))(例如，一个或多个MOF模块)、传送机构(8)(例如，圆盘传送带(8a)或机械臂(8b))、包括热泵(2a)的离散解吸附/冷凝单元(2)。在一些实施例中，热泵(2)包括热交换器(18)，其具有热侧(12)(“冷凝器”)和冷侧(15)(“蒸发器”)。在一些变化形式中，热泵(2a)可以包括压缩器(19)、膨胀阀(20)、主“冷凝器”或热侧热交换器(21)、次级热侧热交换器(22)、“蒸发器”或冷侧热交换器(23)以及可以设计成在高温下操作的其它控制组件。在特定实施例中，系统(1)可包括喷雾单元(48)，所述喷雾单元包括水收集罐(25)、排水管(35)、水泵(34)、连接到水泵(34)的水喷雾器(36)。此外，气流系统(49)可以包含以下中的一个或多个：室内/室外入口风门(42)、室内/室外出口风门(44)和吸附风门(43)。系统(1)可以包括吸附风扇(41)和旁路单元(38)。吸附单元(3)和一组风门(42)(43)(44)可以定位成从室外(46)吸附水以按模式(i)或(ii)工作或从室内(47)吸附水以按模式(iii)和(iv)工作。这组风门(42)(43)(44)控制空气(6)的流动方向。传送机构(8)可以将吸附剂模块(4)传送进和传送出单独的解吸附/冷凝单元(2)。水蒸气(14)在解吸附/冷凝单元(2)中经历解吸附和冷凝过程，然后收集在水收集罐(25)中。当系统(1)进入加湿模式时，收集的水(7)可以通过水喷雾单元(48)传递。当系统(1)进入除湿模式时，收集的水(7)可以被传输到排水管(35)中。

现在，主要参考图6，描绘的是系统(1)的说明性实例，所述系统被配置用于对来自室外(46)到室内(47)的空气进行除湿。室内/室外入口风门(42)打开室外入口(39)并关闭室内入口(40)。来自室外(46)的空气(6)可以通过室外入口(39)，然后部分通过吸附单元(3)，且部分通过旁路单元(38)。通过吸附单元(3)被除湿的来自室外(46)的空气(6)的量和通过旁路单元(38)的来自室外(46)的空气(6)的量可通过吸附风门(43)的操作来控制，所述吸附风门(43)可以定位成介于吸附单元(3)的打开或关闭状态之间的范围内和介于旁路单元(38)的打开或关闭状态之间的范围内。室内/室外入口风门(44)关闭室外出口(45)并打开室内出口(37)。所除湿空气(6)可以通过室内出口(37)被引导到室内(47)。水喷雾单元(48)可以在模式(i)中保持关闭状态。被水(7)饱和的吸附剂模块(4)可以放入解吸附/冷凝单元(2)中，解吸附的水(7)可以在解吸附室(9)中冷凝，且水(7)可以收集在水收集罐(25)。收集的水可以保存在水收集罐(25)中或通过排水管(35)移出。

现在，主要参考图7，描绘的是系统(1)的说明性实例，所述系统被配置为将来自室外(46)到室内(47)的空气(6)进行加湿。室内/室外入口风门(42)打开室外入口(39)并关闭室内入口(40)。吸附风门(43)关闭旁路单元(38)。来自室外(46)的空气(6)通过室外入口(39)并且仅通过吸附单元(3)。室内/室外出口风门(44)可定位成部分打开室外出口(45)且部分打开室内出口(37)。通过室外出口(44)引导到室外(46)的除湿空气(6)的量和通过室内出口(37)引导到室内(47)的除湿空气(6)的量可以通过室内/室外出口风门(44)的位置来控制。水喷雾单元(48)可置于打开状态。被水(7)饱和的吸附剂模块(4)可以放入解吸附/冷凝单元(2)中，解吸附的水(7)可以在解吸附室(9)中冷凝，且水(7)可以收集在水收集罐(25)。收集的水(7)可以使用水泵(34)泵送到水喷雾器(36)。

现在，主要参考图8，描绘的是系统(1)的说明性实例，所述系统被配置为对再循环的室内(47)空气(6)进行除湿。室内/室外入口风门(42)打开室内入口(40)并关闭室外入口(46)。来自室内(47)的空气(6)可以通过室内入口(40)，然后部分通过吸附单元(3)且部分通过旁路单元(38)。通过吸附单元(3)的来自室内(47)的空气(6)的量和通过旁路单元(38)的空气(6)的量可以通过吸附风门(43)的位置来控制，所述吸附风门可以从旁路单元(38)的关闭状态定位到吸附单元(3)的关闭状态或者定位到旁路单元(38)和吸附单元(3)两者的部分打开状态。室内/室外出口风门(44)关闭室外出口(45)并打开室内出口(37)。然后可将所除湿空气(6)通过室内出口(37)引导到室内(47)。喷雾系统可以保持关闭状态。将被水(7)饱和的吸附剂模块(4)放入解吸附/冷凝单元(2)中，所解吸附水(7)可在解吸附室(9)中冷凝并收集在水收集罐(25)中。收集的水(7)可以保存在水收集罐(25)中或通过排水管(35)从水收集罐(25)中排出。

现在，主要参考图9A和9B，描绘的是系统(1)的说明性实例，所述系统被配置为对再循环的室内(47)空气(6)进行加湿。最初，在系统(1)的第一配置中(如图9A的实例所示)，室内/室外入口风门(42)打开室外入口(39)并关闭室内入口(40)。吸附风门(43)关闭旁路单元(38)。室外(46)空气(6)可以通过室外入口(39)，然后仅通过吸附单元(3)。室内/室外出口风门(44)关闭室内出口(37)并打开室外出口(44)。所除湿空气(6)通过室外出口(45)传到室外(46)。水喷雾单元(48)可以保持关闭状态。被水(7)饱和的吸附剂模块(4)可以被传送到解吸附/冷凝单元(2)，所解吸附水(7)可以在解吸附室(9)中冷凝并收集在水收集罐(25)中。收集的水(7)可以保存在水收集罐(25)中。

随后，在系统(1)的第二配置中(如图9B的实例所示)，室内/室外入口风门(42)关闭室外入口(39)并打开室内入口(40)。吸附风门(43)关闭吸附单元(3)。来自室内(47)的空气(6)可以通过室内入口(40)，然后仅通过旁路单元(38)。室内/室外出口风门(44)关闭室外出口(44)并打开室内出口(37)。来自旁路单元(38)的空气(6)可以通过室内出口(37)被引导到室内(47)。水收集罐(25)内收集的水(7)可通过操作水泵(34)引导到喷雾器(36)，从喷雾器(36)喷雾到通过室内出口(37)的空气中以对通过室内(47)的空气(6)进行加湿。

实例

将通过参考以下实例更好地理解当前公开的主题，所述实例作为本发明的示例而非限制性地提供。

实例1

优化解吸附和冷凝温度

实例描述用于水采集系统的解吸附和冷凝温度的优化。模型使用迭代程序。首先，模型设定系统的初始解吸附和冷凝温度。基于吸附剂的等温线阶梯，在给定解吸附温度下已知解吸附室中的绝对湿度。如果解吸附室中的水蒸气的相对湿度和温度已知，那么可针对给定冷凝温度计算冷凝产率。可利用等式(2)计算热泵效率，假设f＝0.6，且反过来使用等式(1)计算功输入。除解吸附和冷凝能量以外，模型进一步考虑加热吸附剂、吸附剂内部的水、空气和蒸气所需的显热值。模型还考虑再循环蒸气的温度和系统的指定总水采集产率。因此，在给定MOF类型下，每升采集水的系统能耗近似为解吸附和冷凝温度的函数。最佳条件通过改变两个变量(解吸附和冷凝温度)来获得。参见以下表1。

表1.

表1展示三种类型的MOF的最佳解吸附和冷凝温度。含有干旱型MOF的水采集器最佳地在136℃的解吸附温度和90℃的冷凝温度下操作，所述干旱型MOF具有在25℃下20％相对湿度(RH)的等温线阶梯。具有RH 40％等温线阶梯的“中等”MOF需要分别117℃的解吸附温度和91℃的冷凝温度；而具有RH 60％的等温线阶梯的“潮湿”MOF需要分别107℃的解吸附温度和92℃的冷凝温度。

表1指示在高温热泵针对热侧热交换器在90℃到160℃下操作且针对冷侧热交换器在40℃到95℃下操作的条件下，需要利用高温热泵来实现每升采集器水的最低能耗。

从前述可易于理解，本发明的基本概念可以各种方式体现。本发明涉及水采集系统和用于制造和使用包括最佳模式的水采集系统的多种实施例的方法的众多和多种实施例。

因而，通过说明书公开的或在伴随此申请的图式和表格中所展示的本发明的特定实施例或要素并不希望是限制性的，而是本发明一般涵盖的众多和多种实施例或关于其任何特定要素所涵盖的等效物的说明。另外，本发明的单个实施例或要素的具体描述可能未明确地描述所有可能的实施例或要素；说明书和图式隐含地公开了许多替代方案。

应理解，设备的每一要素或方法的每一步骤都可由设备术语或方法术语描述。此类术语可在需要时被取代，使得本发明授权的隐含广泛涵盖范围得以明确。仅作为一个实例，应理解，方法的所有步骤可被公开为动作、采取所述动作的手段，或引起所述动作的要素。类似地，设备的每一要素可被公开为物理要素或所述物理要素所促进的动作。仅作为一个实例，“采集器”的公开内容应理解为涵盖“采集”动作的公开内容-无论是否明确讨论-并且相反地，如果有效地公开了“采集”的动作，此公开内容应理解为涵盖“采集器”和甚至“用于采集的构件”的公开内容。用于每一要素或步骤的这些替代术语应被理解为明确地包括在说明书中。

另外，关于所使用的每一术语，应理解，除非术语在本申请中的使用与这种解译不一致，否则常用字典定义应理解为包括在如梅里厄姆-韦伯斯特大学辞典(Merriam-Webster's Collegiate Dictionary)中所含的每一术语的描述中，每一定义在此以引用方式并入。

假设本文中的所有数值均由术语“约”修饰，无论是否明确指示。出于本发明的目的，范围可表达为从“约”一个特定值到“约”另一特定值。当表达这样的范围时，另一实施例包括从一个特定值到另一特定值。由端点表述的数值范围包括所述范围内包含的所有数值。数值范围一到五包括例如数值1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等。应进一步理解，每一范围的端点相对于另一端点和独立于另一端点都是重要的。当使用前置词“约”将值表达为近似值时，应理解，所述特定值形成另一实施例。术语“约”一般是指本领域的普通技术人员认为等同于所表述数值或具有相同功能或结果的一系列数值。类似地，前置词“大体上”意思指在很大程度上但不完全地相同的形式、方式或程度，且特定要素将具有本领域的普通技术人员认为具有相同功能或结果的一系列配置。当使用前置词“基本上”将特定要素表达为近似要素时，应理解，所述特定要素形成另一实施例。

此外，出于本发明的目的，除非另外限制，否则术语“一(a/an)”实体是指一个或多个所述实体。因而，术语“一(a/an)”、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可互换使用。

因此，申请人应理解至少主张：i)本文中公开和描述的水采集器中的各者，ii)公开和描述的相关方法，iii)这些装置和方法中的各者的类似、等效和甚至隐含变化形式，iv)实现所展示、公开或描述的功能中的各者的那些替代实施例，v)实现如所展示功能中的各者的那些替代设计和方法隐含于实现所公开和描述的功能，vi)展示为单独和独立发明的每一特征、组件和步骤，vii)由所公开的各种系统或组件增强的应用，viii)由这类系统或组件产生的所得产品，ix)基本上如上文且参考随附实例中的任一个所描述的方法和设备，x)先前所公开要素中的各者的各种组合和排列。

本专利申请的背景部分提供本发明所涉及的领域的陈述。本部分还可并入或含有对要求保护的发明的某些美国专利、专利申请、出版物或主题的转述，其用于叙述本发明所涉及的技术状态的信息、问题或顾虑。本文中引用或并入的任何美国专利、专利申请、出版物、声明或其它信息并不意图解译为、解释为或视为本发明的现有技术。

本说明书中阐述的权利要求(如果有的话)特此以引用方式并入作为本发明的说明书的一部分，且申请人明确地保留使用这类权利要求的此并入内容的全部或部分作为附加说明的权利，从而支持任何或所有权利要求或其任何元件或组件；且根据界定本申请或其任何后续申请或接续、分割或部分接续申请所要求保护的主题或获得依据任何国家或条约的专利法规、规则或条例减少费用的任何利益或遵守任何国家或条约的专利法规、规则或条例的需要，申请人进一步明确保留将这类权利要求或其任何要素或组件的任何部分或全部并入内容从说明书移动到权利要求中的权利，或反之亦然；且以引用方式并入的此内容应在本申请的整个未决期间继续存续，所述申请包括其任何后续的接续、分割或部分接续申请或对其做出的任何重新颁发或延期。

另外，本说明书中阐述的权利要求(如果有的话)还意图描述本发明的有限数目的优选实施例的范围和界限，且不应解释为本发明的最广泛实施例或可要求保护的本发明的实施例的完整列表。申请人基于上述描述而不放弃进一步提出权利要求作为任何接续、分割或部分接续或类似申请的一部分的权利。