本发明属于特种环境的空气调节和控制技术领域，特别涉及一种便携式空气制水装置及调控方法。
背景技术：
在一些特殊的环境场合，如干旱地区，沙漠地区等，淡水资源极其匮乏。如何高效节能地制取淡水或饮用水是公认的技术难题。
目前研究已知，空气中的水含量估计约为14000km3，是一个巨大的水资源库。但空气中的水蒸气含量较低，单位体积空气中所含的水蒸气极其有限，需要以大流量循环的方式进行制取，因此，从空气中制取饮用水的速度和制水量普遍较低。
目前，空气制水的普基本原理是冷凝制水。但由于空气中的水蒸气含量较低，需要进行集中增湿后再冷凝制水，由此产生了吸附与冷凝集成的制水方式和共识技术。目前大部分的空气制水方式都是基于这种技术集成模式，所不同的是吸附剂材料、具体的流程和控制方式等不同。如专利《吸附式空气制水装置》(201820507488.0)；专利《一种太阳能吸附制水装置》(201020254466.1)；专利《一种制水、制冷、空气净化集成系统》(201620919668.0)；专利《一种空气制水机》(201721603892.x)；专利《一种在低湿环境下的空气制水方法》(201811470662.x)；专利《空气取水装置及空气取水车》(201520809623.3)；专利《海岛空气取水装置及其取水方法》(201710124295.7)；专利《一种空气取水设备的取水柜》(201920103760.3)；专利《一种从空气中取水的装置》(201210149074.2)；专利《基于吸附的外热式小型空气取水装置及方法》(201910024129.9)。
上述专利都涉及到了空气增湿再到冷凝制水的公认技术模式，但具体流程、结构和部件各有不同。然而，如前所述，单位体积空气中的水蒸气含量很低，所在地区气候会发生季节性的年变化和昼夜的日变化，空气中的温度和湿度参数不断发生变化，由此带来了制水装置的气候适应性和节能的新问题。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺点，本发明从温度和热量的角度，从湿度的角度，从能量交换的角度，从设备运行和控制方式的角度等出发，在有限空间内进行气流组织设计，目的是实现小空间内的大流量空气高效增湿和冷凝制水，实现系统的节能和小型便携化。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种便携式空气制水装置，包括上下两层空间：
所述上层空间包括转轮系统、空气换热系统ⅱ、蒸发冷凝系统ⅳ和测量控制系统ⅵ；所述下层空间包括制冷系统ⅲ和集水系统ⅴ；
还包括位于上下层空间上的空气增湿系统ⅰ；
所述转轮系统分别连通制冷系统ⅲ和空气换热系统ⅱ，空气换热系统ⅱ连通蒸发冷凝系统ⅳ；所述蒸发冷凝系统ⅳ连通集水系统ⅴ；所述空气增湿系统ⅰ分别连通增湿空气进风口和增湿空气出风口；
所述测量控制系统ⅵ根据转轮系统的温湿度信息启动制冷系统ⅲ运转，进行空气调控。
进一步，所述制冷系统ⅲ通过隔音隔热棉分隔为热空间，包括相互连通的制冷压缩机和冷凝器，制冷系统ⅲ分别连通再生空气进风口和转轮系统。
进一步，连通转轮系统通风口上设有吸风风机和辅助加热器。
进一步，所述蒸发冷凝系统ⅳ通过保温棉分隔为冷空间，蒸发冷凝系统ⅳ内设有蒸发器和温湿度传感器，蒸发器分别连通空气换热系统ⅱ和集水系统ⅴ。
进一步，所述空气换热系统ⅱ位于转轮系统上方，空气换热系统ⅱ包括换热空气进风口、换热空气出风口和全热交换器。
进一步，所述集水系统ⅴ包括通过集水管与蒸发器出口水连通的水过滤净化器和集水箱。
进一步，所述转轮系统包括由转轮电机带动水平旋转的吸附转轮；吸附转轮分为三个区域，分别是吸附区域、再生区域和冷却区域；吸附转轮上下分别设有温湿度传感器。
进而，本发明还提供了一种便携式空气制水调控方法，系统采用持续式增湿吸附和间歇式再生制水的运行模式，包括：
依次启动吸附转轮、出风口风机运转，外界空气从进风口-吸附转轮-增湿空气出风口流出；此时转轮系统开始水蒸气的吸附过程。
当吸附转轮进口与吸附转轮出口之间的空气含湿量之差小于5％，则开制冷系统ⅲ的制冷系统运转，再生空气从再生空气进风口流入，经制冷系统ⅲ、转轮系统、蒸发冷凝系统ⅳ、转轮系统至下层空间，与上层空间被吸附后的空气汇合，从增湿空气出风口流出；与此同时，再生空气经过蒸发冷凝系统ⅳ后水蒸气在蒸发器上被冷凝成液态水，从集水管流入净化器和集水箱。此时开始饮用水的制取过程，同时吸附过程仍然进行。
当吸附转轮进口与吸附转轮出口之间的空气含湿量之差大于15％～20％时，关闭制冷系统和吸风风机，重新开始转轮系统的水蒸气吸附过程，以此往复循环。
进一步，所述蒸发器的空气侧表面进行疏水性处理；蒸发器与水平面逆时针方向呈3-10°倾斜。
进一步，所述辅助加热器采用电加热器，当转轮进口与转轮出口之间的空气含湿量之差小于10％时，开启辅助加热器。
与现有技术相比，本发明从温度和热量传递的角度出发，采用将制冷系统与蒸发系统严格分离的设计思路；从湿度的角度出发，采用高湿度空气与低湿度空气严格分离的设计思路；从能量交换的角度出发，采用全热交换器充分利用室外空气进行热量交换的设计思路；从设备运行和控制的角度出发，利用吸附转轮的持续式增湿吸附和间歇式再生制水的运行控制方式，保证空气集中增湿至一定程度后再启动再生和冷凝制水模式；从蒸发器的结构角度出发，对蒸发器表面进行疏水性处理，防止由于蒸发器温度过低而引起的结冰或结霜。除此之外，在有限的空间内进行气流组织设计，实现设备的小型化和便携式。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明的结构流程和原理图；
图2为本发明中吸附转轮的区分区域示意图。
图中：0、吸附转轮；1、制冷压缩机；2、冷凝器；3、膨胀阀；4、蒸发器；5、水过滤净化器；6、集水箱；7、辅助加热器；8、隔音隔热棉；9、保温棉；10、冷空间温湿度传感器；11、转轮进口温湿度传感器；12、转轮出口温湿度传感器；13、全热交换器；14、集水管；15、仪表控制盘；16、电源；17、转轮电机；18、吸风风机；19、换热系统风机；20、出风口风机。
a、增湿空气进风口；a’、增湿空气出风口；b、换热空气进风口；b’、换热空气出风口；c、再生空气进风口；ⅰ、空气增湿系统；ⅱ、空气换热系统；ⅲ、制冷系统；ⅳ、蒸发冷凝系统；ⅴ、集水系统；ⅵ、测量控制系统。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参照图1所示，给出了便携式空气制水装置和调控方法的结构示意图。本发明的便携式空气制水装置，空间分为上下两层，上层空间包括转轮系统、空气换热系统ⅱ、蒸发冷凝系统ⅳ和测量控制系统ⅵ；下层装置包括制冷系统ⅲ和集水系统ⅴ；还包括位于上下层空间上的空气增湿系统ⅰ。
制冷系统ⅲ以隔音隔热棉8为界面构成热空间，由制冷压缩机1、冷凝器2、吸风风机18、辅助加热器7、再生空气进风口c组成。
上层空间中，底层沿中心布置有转轮系统，转轮系统包括吸附转轮0、转轮电机17、转轮进口温湿度传感器11和转轮出口温湿度传感器12。吸附转轮0的一侧是转轮电机17，由转轮电机17带动吸附转轮0水平旋转。吸附转轮0分为三个区域，分别是吸附区域，再生区域和冷却区域，其中吸附区域180°～240°，剩余区域为均分的再生区域和冷却区域，如图2所示；吸附转轮0的上下分别设有温湿度传感器。
上层空间中，空气换热系统ⅱ包括换热空气进风口b、换热空气出风口b’、换热系统风机19以及全热交换器13。全热交换器13沿着再生区域的出口布置，用于对再生空气进行冷却，用于冷却的空气来自于外界空气，出口处布置有换热系统风机19。
在上层和下层空间之间，空气增湿系统ⅰ包括增湿空气进风口a、增湿空气出风口a’以及出风口风机20。在下层空间中，集水系统ⅴ包括蒸发器出口的集水管14、水过滤净化器5以及集水箱6。测量控制系统ⅵ布置在设备箱体的周边，包括仪表控制盘15和电源16。沿着设备箱体的周边还分别设置有仪表控制盘，电源，背带，底座滚轮等附属部件。
转轮系统分别连通制冷系统ⅲ和空气换热系统ⅱ，空气换热系统ⅱ连通蒸发冷凝系统ⅳ；蒸发冷凝系统ⅳ连通集水系统ⅴ；空气增湿系统ⅰ分别连通增湿空气进风口a和增湿空气出风口a’；测量控制系统ⅵ根据转轮系统的温湿度信息启动制冷系统ⅲ运转，进行空气调控。
制冷系统ⅲ通过隔音隔热棉8分隔为热空间，包括相互连通的制冷压缩机1和冷凝器2，制冷系统分别连通再生空气进风口c和转轮系统。连通转轮系统通风口上设有吸风风机18和辅助加热器7。蒸发冷凝系统ⅳ通过保温棉9分隔为冷空间，蒸发器4分别连通空气换热系统ⅱ和集水系统ⅴ。空气换热系统ⅱ位于转轮系统上方，空气换热系统ⅱ分别连通换热空气进风口b、换热空气出风口b’、制冷系统ⅲ和蒸发冷凝系统ⅳ。集水系统ⅴ中通过集水管14与蒸发器4出口水连通的水过滤净化器5和集水箱6。
装置的系统布局中，下层的压缩机和冷凝器占据四分之三左右的空间，其中压缩机放置于中心部分，压缩机底部设有减震弹簧；制冷系统的右侧设有再生空气进风口，制冷系统ⅲ的上侧连接至吸附转轮的再生区域，并设有吸风风机，吸风风机将制冷系统的热空气送至吸附转轮的再生区域；同时，为了确保再生效率，在吸附转轮再生入口处设置有辅助加热器。下层其余四分之一左右的空间里放置有水过滤净化器和集水箱，并在侧面设置有吸附转轮的吸附区域出风口。
在全热交换器中被冷却后的再生空气进入前述的蒸发系统ⅳ，蒸发冷凝系统ⅳ以保温棉9为界面构成冷空间，包括膨胀阀3、蒸发器4、冷空间温湿度传感器10。再生空气在蒸发器中被冷却，其中的水蒸气冷凝后形成液态水，液态水从集水管流入净化过滤器后最后汇集在集水箱中。冷却后的空气进入吸附转轮的冷却区域，用于对吸附转轮进行冷却，以利于吸附转轮在吸附区域对水蒸气的吸附作用。通过吸附转轮冷却区域后的空气流入至下层空间，与吸附转轮吸附区域后的空气汇合，从排风口排出。
系统调控方面：在蒸发系统的再生空气入口设置有温湿度传感器，用于控制膨胀阀的开度，控制蒸发器的蒸发温度始终小于再生空气的露点温度1-2℃；在吸附转轮吸附区域的空气进出口两侧分别设置有温湿度传感器，用于检测吸附转轮的含湿量之差，当二者的含湿量之差小于5％，才开启制冷系统和再生区域的再生过程，形成间歇式的再生制水运行模式，这种运行控制模式一是符合空气中水蒸气含量低，需要长时间持续增湿运行的现实，二是符合系统节能模式。
为了体现气候适应性和便于状态的运行调控，系统中的风机和转轮电机17均可变频运行。
本发明装置的运行方式为：首先启动吸附转轮0开始转动，再启动出风口风机20，外界空气从增湿空气进风口a流过吸附转轮0后，从增湿空气出风口a’流出；此时转轮开始水蒸气的吸附过程。当转轮进口温湿度传感器11与转轮出口温湿度传感器12检测到吸附转轮进口与吸附转轮出口之间的空气的含湿量之差小于5％，开启制冷系统ⅲ、吸风风机18和换热系统风机19；再生空气从再生空气进风口c流过冷凝器2，进入吸附转轮0的再生区域，通过全热交换器13后进入蒸发器4中，然后再流入吸附转轮0的冷却区域，再流入下层空间，与吸附后的空气汇合，最后从增湿空气出风口a’流出。与此同时，再生空气经过蒸发冷凝系统ⅳ后水蒸气在蒸发器4上被冷凝成液态水，从集水管14流入净化器5和集水箱6；此时开始饮用水的制取过程，同时吸附过程仍然进行。当转轮进口温湿度传感器11与转轮出口温湿度传感器12检测到吸附转轮进口与吸附转轮出口之间的空气的含湿量之差大于15％～20％时，关闭制冷系统ⅲ和吸风风机18，重新进行转轮系统的吸附工作，往复循环。
冷空间温湿度传感器10用来控制膨胀阀3的开度，以调节蒸发器4的蒸发温度，确保蒸发温度小于空气的露点温度1～2℃。风机i、风机ii、风机iii和转轮电机17均可变频运行。蒸发器4的空气侧表面进行疏水性处理；蒸发器4与水平面逆时针方向呈3-10°倾斜。
辅助加热器7采用电加热器，当转轮进口温湿度传感器11与转轮出口温湿度传感器12的含湿量之差小于10％时，开启辅助加热器7。
通过本发明系统，在空间上进行功能和结构分类，将“制冷系统”、“蒸发冷凝系统”分开，制冷系统的冷量和热量完全被利用。利用全热交换器对再生空气进行冷却，利用蒸发器的冷空气对吸附转轮进行冷却。同时，采用气候适应性设计和持续式增湿吸附间歇式再生制水的运行控制模式，这些技术措施能大大提高系统的效率和节能特性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
1.一种便携式空气制水装置，其特征在于，包括上下两层空间：
所述上层空间包括转轮系统、空气换热系统ⅱ、蒸发冷凝系统ⅳ和测量控制系统ⅵ；所述下层空间包括制冷系统ⅲ和集水系统ⅴ；
还包括位于上下层空间上的空气增湿系统ⅰ；
所述转轮系统分别连通制冷系统ⅲ和空气换热系统ⅱ，空气换热系统ⅱ连通蒸发冷凝系统ⅳ；所述蒸发冷凝系统ⅳ连通集水系统ⅴ；所述空气增湿系统ⅰ分别连通增湿空气进风口(a)和增湿空气出风口(a’)；
所述测量控制系统ⅵ根据转轮系统的温湿度信息启动制冷系统ⅲ运转，进行空气调控。
2.根据权利要求1所述的一种便携式空气制水装置，其特征在于，所述制冷系统ⅲ通过隔音隔热棉(8)分隔为热空间，包括相互连通的制冷压缩机(1)和冷凝器(2)，制冷系统ⅲ分别连通再生空气进风口(c)和转轮系统。
3.根据权利要求2所述的一种便携式空气制水装置，其特征在于，连通转轮系统通风口上设有吸风风机(18)和辅助加热器(7)。
4.根据权利要求1所述的一种便携式空气制水装置，其特征在于，所述蒸发冷凝系统ⅳ通过保温棉(9)分隔为冷空间，蒸发冷凝系统ⅳ内设有蒸发器(4)和温湿度传感器，蒸发器(4)分别连通空气换热系统ⅱ和集水系统ⅴ。
5.根据权利要求1所述的一种便携式空气制水装置，其特征在于，所述空气换热系统ⅱ位于转轮系统上方，空气换热系统ⅱ包括换热空气进风口(b)、换热空气出风口(b’)和全热交换器(13)。
6.根据权利要求1所述的一种便携式空气制水装置，其特征在于，所述集水系统ⅴ包括通过集水管(14)与蒸发器(4)出口水连通的水过滤净化器(5)和集水箱(6)。
7.根据权利要求1所述的一种便携式空气制水装置，其特征在于，所述转轮系统包括由转轮电机(17)带动水平旋转的吸附转轮(0)；吸附转轮(0)分为三个区域，分别是吸附区域、再生区域和冷却区域；吸附转轮(0)上下分别设有温湿度传感器。
8.一种权利要求1-7任一项所述装置的便携式空气制水调控方法，其特征在于，系统采用持续式增湿吸附和间歇式再生制水的运行模式，包括：
依次启动吸附转轮(0)、出风口风机(20)运转，外界空气从进风口(a)-吸附转轮(0)-增湿空气出风口(a’)流出；此时转轮系统开始水蒸气的吸附过程；
当吸附转轮(0)进口与吸附转轮(0)出口之间的空气含湿量之差小于5％，则开启制冷系统ⅲ运转，再生空气从再生空气进风口(c)流入，经制冷系统ⅲ、转轮系统、蒸发冷凝系统ⅳ、转轮系统至下层空间，与上层空间被吸附后的空气汇合，从增湿空气出风口(a’)流出；与此同时，再生空气经过蒸发冷凝系统ⅳ后水蒸气在蒸发器(4)上被冷凝成液态水，从集水管(14)流入净化器(5)和集水箱(6)；
当吸附转轮(0)进口与吸附转轮(0)出口之间的空气含湿量之差大于15％～20％时，关闭制冷系统ⅲ和吸风风机(18)，重新开始转轮系统的水蒸气吸附过程，以此往复循环。
9.根据权利要求8所述的一种便携式空气制水调控方法，其特征在于，所述蒸发器(4)的空气侧表面进行疏水性处理；蒸发器(4)与水平面逆时针方向呈3-10°倾斜。
10.根据权利要求8所述的一种便携式空气制水调控方法，其特征在于，所述辅助加热器(7)采用电加热器，当转轮进口与转轮出口之间的空气含湿量之差小于10％时，开启辅助加热器(7)。
技术总结