CN103119376A - 用于改善空气调节效率的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

公开了用于循环封闭环境中空气的系统和方法。可提供入口和空气处理单元，入口用以从封闭环境的外侧接收外界空气，空气处理单元联接到入口上来经由入口接收外界空气且构造成用以从封闭环境接收循环空气。空气处理单元可构造成用以影响接收到的外界空气和接收到的循环空气中的至少一者的温度。基于接收到的外界空气和接收到的循环空气，空气处理单元可进一步构造成用以生成用于供送给封闭环境的空气。本主题的系统还可包括：空气循环系统和洗涤系统，空气循环系统构造成用以使生成的空气从空气处理单元循环至封闭环境且再循环回空气处理单元，洗涤系统联接到空气处理单元和空气循环系统中的至少一者上且构造成用以减少供送给封闭环境中的空气中的至少一种物质的含量。

Description

用于改善空气调节效率的方法及系统
相关申请的交叉引用
本申请请求享有2010年8月2日提交的、且题目为"Method and System for Improved-Efficiency Air-Conditioning"的、授予Meirav的美国专利申请第12/848,788号的优先权且为其的部分继续申请，该申请请求享有2010年5月17提交的美国临时专利申请第61/345,194号和2010年6月7日提交的美国临时申请第61/351,968号的优先权。以上申请的公开内容通过引用将其整体结合到本文中。
技术领域
本申请大体上涉及空气循环系统，并且具体涉及从空气循环系统除去各种物质和/或清洁空气循环系统。
背景技术
加热、通风和空气调节("HVAC")实际上是每个现代建筑物的标准。实际上，HVAC通常为大多数建筑物的全部能量预算的其中一个最大的部分。这特别是在极端气候(热和冷两者)下的情形。HVAC系统的其中一个目标在于为建筑物的居住者提供温度、湿度、空气成分和空气清洁度方面的舒适且健康的环境。
建筑物中的中央HVAC系统通常包括一个或多个中央空气处理单元和空气分配系统，其中将供送的空气经由管网引送至建筑物的各个部分，且经由其它管或增压室使空气流从这些空间返回至空气处理单元。在空气处理单元中，在需要时，将冷却和/或加热空气，以及过滤空气且通常使空气除湿和/或润湿。因此，HVAC系统不断地使空气循环穿过建筑物，同时不断地调整其温度和湿度以保持舒适的环境。
然而，为了保持较好的空气质量，并非所有空气都进行再循环。一些空气经由门、窗等泄漏出，且有意地将一些部分的循环空气排出到建筑物外侧。这被称为排出空气。排出空气由吸入的外界空气(也称为补充空气)替换以补充排放的排出空气。这也被称为"新鲜空气"或通风。由于建筑物的居住者和设备消耗氧且排放二氧化碳(CO2)以及逐渐地危害空气的质量和安全的多种其它污染物，故将完成这种空气替换。此类空气替换保持了新鲜空气的质量。
氧代表大气空气的大约21%，且室内空气的所期望的水平一般也是如此。另一方面，CO2仅代表了外界空气中的很低的水平，通常在大约百万分之400("ppm")的水平下。一旦造成CO2的水平升高或氧的水平降低，就需要相当大量的外界空气来使它们的相应的浓度接近于所期望的水平。实际上，为了完全恢复氧和CO2的浓度，实际上可能需要替换所有的空气。
外界空气代表空气处理单元上的附加的且取决于外界气候条件通常很明显的热负载。在热且潮湿的气候的情况下，例如，注入HVAC系统中的外界空气可能需要附加能量来使外界空气冷却和除湿，且可能代表HVAC系统的全部热负载和能量使用的较大部分。
可调整排出空气和外界空气的量以满足空气质量标准。通常设置某一最低量的水平的氧、CO2和其它污染物、共同被称为挥发性有机化合物或VOC的多种有机气体来保持空气质量。在美国，美国加热、冷冻、空气调节工程师协会("ASHRAE")发布了针对给定空间和居住者的数目建议的外界空气通风量的指标，包括ASHRAE标准62。然而，空气替换的速率越大，由HVAC系统消耗的能量就越多。
发明内容
在一些实施例中，通过使用洗涤器或可将这些气体与循环空气分离的其它装置除去不需要的物质如包括二氧化碳(CO2)的气体、污染物、颗粒等，可减少由HVAC系统使用的供送空气量且因此减少用于加热和冷却的能量，同时保持所期望的空气质量和空气成分。可选地是，可利用注入浓缩的氧来进一步改善空气的质量。在一些实施例中，一部分循环空气可经由洗涤器转移来完成所期望的结果。尽管在正常的HVAC系统中执行了建筑物空气的频繁大规模替换，但洗涤CO2和其它不需要的气体和蒸气也可完成相同的目的，而其中HVAC系统上的热负载少得多，从而提供了建筑物的显著的能量节省且减少了整个电网的需求。
在一些实施例中，HVAC系统可包括注氧系统，注氧系统可将富氧空气注入循环空气中。
在一些实施例中，一种用于结合HVAC系统使用的控制系统可包括从循环空气除去不需要的物质气体的气体洗涤系统。控制系统可包括传感器，传感器用于确定循环空气中的不需要的物质、颗粒、气体等的量。可保持外界空气替换的最低水平，且控制器可改变循环空气的排出速率和外界空气的吸入速率，以便根据循环空气中的不需要的物质、颗粒、气体等的测量量来调整总体空气替换。控制系统还包括用于确定循环空气中的氧量的氧传感器。控制器可进一步改变注氧的速率。
在一些实施例中，该系统可为模块化系统，模块化系统可连接到HVAC系统上，HVAC系统可在封闭环境中循环空气。模块化系统可包括用于洗涤的模块，该模块构造成用以降低循环空气中的不需要的物质的水平。
在一些实施例中，本主题涉及一种用于循环封闭环境中空气的系统。该系统可包括构造成用以从封闭环境的外侧接收外界空气的入口，以及联接到入口上来经由入口接收外界空气且构造成用以从封闭环境接收循环空气的空气处理单元。空气处理单元可构造成用以影响接收到的外界空气和接收到的循环空气中的至少一者的温度。基于接收到的外界空气和接收到的循环空气，空气处理单元可进一步构造成用以生成用于供送给封闭环境的空气。本主题的系统还可包括：空气循环系统，其构造成用以使生成的空气从空气处理单元循环至封闭环境且再循环回空气处理单元，以及洗涤系统，其联接到空气处理单元和空气循环系统中的至少一者上且构造成用以减少供送给封闭环境中的空气中的至少一种物质的含量。
在一些实施例中，本主题涉及一种用于循环封闭环境中空气的工艺。将接收来自于封闭环境的外侧的外界空气和来自于封闭环境的循环空气。调节接收到的外界空气和接收到的循环空气中的至少一者以便将处于所期望的温度下的接收到的外界空气和接收到的循环空气中的至少一者供送给封闭环境。调节的空气将循环到封闭环境中且从封闭环境中循环。将洗涤至少一些从封闭环境接收到的循环空气以减少循环空气中的至少一种物质的含量。将再循环洗涤的空气。将从封闭环境排出至少一部分循环空气。
在一些实施例中，本主题涉及一种用于结合具有用于从循环空气除去不需要的气体的气体洗涤系统的HVAC系统使用的控制系统。控制系统可包括传感器，其用于确定循环空气中的不需要的气体的量，以及控制器，其构造成用以改变循环空气的排出速率或外界空气的吸入速率，以便根据循环空气中的不需要的气体的测量量来调整总体空气替换。
附图和以下描述中阐明了本文所述的主题的一个或多个变型的细节。本文所述的主题的其它特征和优点将从描述和附图，且从权利要求中变得显而易见。
附图说明
参照附图描述了本主题。在附图中，相似的参考标号指出了相同或功能上相似的元件。此外，在适用的情况下，参考标号的最左边的数字标记参考标号首次出现的附图。在附图中：
图1为示出HVAC系统的框图；
图2A为示出根据本主题的一些实施例的结合物质洗涤和注氧构件的示例性HVAC系统的框图；
图2B为示出根据本主题的一些实施例的另一个示例性HVAC系统的框图；
图2C为示出根据本主题的一些实施例的又一个示例性HVAC系统的框图；
图3为示出根据本主题的一些实施例的示例性HVAC系统的框图，HVAC系统可包括允许洗涤器从吸附模式切换至清洗模式的阀和管线的构造；
图4为示出根据本主题的一些实施例的示例性HVAC系统的框图，示例性HVAC系统可包括注氧系统；
图5示出了根据本主题的一些实施例的用于HVAC系统的控制器的示例性控制流；以及
图6为示出根据本主题的一些实施例的示例性方法的流程图。
具体实施方式
图1为示出循环中央HVAC系统100的框图。系统100可构造成用以将空气环流提供给使得系统与其连接的居住空间102中。系统100还包括空气处理单元("AHU")106，空气处理单元106具有加热元件和冷却元件两者，加热元件和冷却元件在循环空气流动且与这些元件相接触时改变循环空气的温度。系统100还可包括经由循环管线104连接到AHU106上的吸气管108，吸气管108允许将外界空气("OA")吸入系统100中，且尤其是吸入AHU106中。系统100还可包括排气管112，排气管112经由管线110接收返回空气("RA")，且将其作为排出空气("EA")排入外界大气(或任何其它环境)中。
在操作中，可设置在AHU106中的风扇或鼓风机推动调节的供送空气("SA")流过管，管将调节的空气分配到居住空间102(其可为封闭环境)的各个部分的各处。为了便于图示，以下描述提到了建筑物来作为封闭环境102的实例。建筑物102可具有不同的区，不同的区的空气流的速率可为不同的。返回空气可经由管线114流回到空气处理单元106，且可被过滤来除去颗粒、细菌、物质、各种烟和/或它们的组合。一些返回空气被排出到建筑物102外侧来作为排出空气。空气可经由阀排出，阀控制释放的排出空气的量。同时，可吸入新鲜外界空气来替换排出空气，且保持建筑物102中的空气的正确总体体积和压力。通常，10%至15%的空气流可作为排气释放和替换，但该数字可较宽地变化。在一些环境中，如浴室和厨房，HVAC系统可构造成用以排出和替换100%的空气流。排出空气与外界空气的不断替换可旨在保持良好的空气质量，且尤其是再填充由建筑物的居住者消耗的氧，且除去由位于封闭环境102内的居住者、设备和/或材料所生成的物质、颗粒、气体(例如，二氧化碳)、烟、其它合成物和/或它们的组合。
在一些实施例中，封闭环境102可为办公楼、商业建筑物、银行、住宅、房子、学校、工厂、医院、商店、商场、室内娱乐场所、贮藏室、实验室、车辆、飞行器、船、公共汽车、剧院、部分封闭和/或全封闭的场地、教育场所、图书馆和/或有时可由设备、材料、活的居住者(例如，人、动物、合成有机体，等)等占据的其它部分封闭和/或全封闭的结构和/或场所，和/或它们的任何组合。
图2A、图2B和图2C为框图，示意性地示出用于将空气洗涤器结合到图1中所示的HVAC系统100中来允许减少排出空气和外界空气的各种方式。图2A示出了HVAC系统202，HVAC系统202可构造成用以将洗涤器("CS")204结合到管线114中，管线114连接吸入管线104且因而连接AHU106和返回空气管线110。沿管线110行进的返回空气可被分成转移至CS204的一部分和转移至排气管112来排入大气中的另一部分。
图2B示出了将洗涤器结合到HVAC系统中的另一种示例性方式。如图2B中所示，HVAC系统206可包括连接到管线114(与如图2A中所示的位于管线114中的相反)上的洗涤器208。沿管线110行进的返回空气可被分成两部分：一部分进入排气管112中而另一部分进入管线114中。沿管线114行进的返回空气的部分还可被分成绕过CS208的一部分和行进到CS208中来用于洗涤的另一部分。一旦CS208洗涤或"清洁"该部分，其再进入管线114来如由图2B中的箭头所示那样供送至AHU106。
图2C示出了将洗涤器结合到HVAC系统中的又一个示例性方式。在此情况下，系统210可包括在位于AHU106与居住空间106之间的管线104中的洗涤器212。因此，可刚好在空气进入居住空间102中之前通过CS212洗涤或"清洁"行进穿过AHU106的任何空气。将洗涤器结合到HVAC系统中的其它方式也是可能的。
在一些实施例中，仅一部分循环空气流可转移至洗涤器，洗涤器可截断转移的空气流。随后，洗涤器可允许洗涤的空气继续回流到与部分地和/或完全地从洗涤的空气获取、过滤和/或除去的物质、化合物、颗粒、烟、气体(例如，CO2)等的总循环中。如图2A至图2C中所示，可以以许多不同的方式实现洗涤器。
在一些实施例中，为了吸附物质、化合物、颗粒、烟、气体等，洗涤器204,208,212可使用吸附剂材料、分子筛、多孔材料、海绵状材料、电性和/或电磁的填充的衬套或物体、任何其它化学制品、生物引诱剂和/或它们的任何组合。此类材料可位于容器中、堆叠成柱、设置为图1至图5中所示的系统的一个或多个管线内的板或衬套。例如，若干多孔材料已经示为CO2的有效吸附剂，特别是一定数目的合成沸石，但也可为多孔铝和有机金属构架。这些可容易地从多种商业来源获得，如W.R. Grace SYLOBEAD?C-Grade 13X、Intera Global Corporation ' s mSorb?，以及普通制造商，如中国的Pingxiang XINTAO Chemical Packing Co., Ltd.、印度的GHCL Ltd.，以及许多其它制造商。已经开发出沸石床来从气流获得CO2用于各种工业应用(例如，授予Ventriglio等人的美国专利第3,619,130号；授予Reyhing等人的美国专利第3,808,773号；授予Collins的美国专利第3,751,848号；授予Shermen等人的美国专利第3,885,928号；授予Sirkar等人的美国专利第4,249,915号；授予Grenier等人的美国专利第5,137,548号)。 对于吸附CO2的目的，可采用此类技术来由本主题的HVAC系统使用，且在流出物中允许的剩余CO2方面可更宽容。在一些实施例中，添加其它吸附剂，包括很多沸石、多孔氧化铝(例如，授予Slaugh等人的美国专利第4,433,981号；授予Kumar等人的美国专利第4,711,645号)或活性炭(例如，授予Allen的美国专利第1,522,480号；授予Bechthold的美国专利第1,836,301号)可通过除去其它气体、挥发性有机化合物和湿气或通过允许较低温度释放吸附剂来改善空气质量或能量效率。
固体吸附或CO2的领域中的更新近的发展包括有机金属构架(授予Yaghi等人的美国专利第6,930,193号；授予Yaghi等人的美国专利第7,662,746号)和浸渍胺的粘土(授予Siriwardane的美国专利第6,908,497号)。这些吸附剂可适合在本文所描述的本主题的系统中使用。本主题的系统可利用任何过去、当前可用的和未来的设计成洗涤或"清洁"空气的吸附剂来实现。在一些实施例中，相同的单元中的或作为单独的单元的若干不同吸附剂的组合可提供良好的性能。
图3示出了根据本主题的一些实施例的示例性洗涤器系统300，该系统300可结合到图1和图2A至图2C中所示的系统中。系统300包括洗涤器310、循环供送空气阀302("阀1")、返回循环阀304("阀2")、清洗入口阀308("阀3")和清洗排气阀306("阀4")。洗涤器310可构造成用以以两个循环操作：如下文所述的吸附循环和再生循环。在吸附循环期间，阀1和阀2开启，且可允许物质、颗粒、烟、气体等进入、吸入循环空气中，且然后从其离开循环空气。在该循环期间，阀3和阀4关闭。然而，在再生循环期间，阀1和阀2关闭，而阀3和阀4开启。阀1和阀2可将洗涤器310联接到循环管线上，而如图3中所示，阀3和阀4可将洗涤器310联接到清洗管线上。
在从循环空气获得的此类物质、颗粒、烟、气体、危险蒸气(例如，放射性蒸气)等(下文为"物质")累积在洗涤器310中时，可以以预定速率从洗涤器310除去物质。物质的除去可称为"再生"或"再生循环"。此类物质可被释放到大气中或以另外的方式收集、处置、隔离和/或它们的任何组合。可通过加热、清洗、气压变化、电能的组合和/或它们的任何组合来完成再生。在一些实施例中，可通过利用空气或其它清洗气体加热和清洗的组合来完成物质的释放。因此，有时可将吸附-解吸循环称为变温吸附。
如上文所述，在再生循环期间，洗涤器310可通过图3中所示的阀1和阀2来与HVAC系统循环隔离，且作为替代，可使用阀3和阀4连接到输入清洗管线和输出清洗管线上。尽管在再生循环期间阀1和阀2关闭而阀3和阀4开启，但清洗气体、空气和/或任何其它清洗物质在其与空气循环系统隔离时可构造成流过洗涤器310。洗涤器310可周期性地、以预定时间和/或按需要运行吸附循环和再生循环(例如，当检测到吸附特定物质或吸附特定量的物质时)。洗涤器310还可构造成用以在预定时间周期运行各个循环。作为备选，可执行各个循环的时间长度取决于吸附/清洗的物质，其用于吸附/清洗物质或特定量的物质花费的时间、内部情况、外部情况、居住空间102的类型、能量使用、环境法规、商业因素和/或任何其它因素和/或因素的组合。如果洗涤器再生将延续的洗涤过程中断不可接受的较长时间周期，则可使用很多洗涤器(图3中未示出)来避免此类中断，以便在一个洗涤器经历再生时，另一个洗涤器可投入其中一个循环中。只要在几小时的延长周期内除去的物质、CO2、VOC等的聚集量足够，则洗涤器的操作中的较短中断将很可能不会提出空气循环的问题。可实现类似的多系统备用系统来用于该系统的其它构件，如氧浓缩器。
在一些实施例中，洗涤器吸附床设计可包括吸附剂材料的适当选择，其量、其空间分布、空气流型和其总体容量可与各种空气流设计要求相符。在设计中，还可考虑洗涤器、系统尺寸和成本对比产出、再生频率和用于再生的能量需求。在各个变温吸附循环中收集和释放的物质、CO2、VOC等的量可取决于活性的且可得到的吸附剂材料的量，且对于某些吸附剂，可取决于吸附循环和清洗循环之间的温度间隙。因此，为了完成一定速率的气体获取，人们可使用较少的材料且以更频繁的清洗循环操作。循环以及其频率还可取决于特定材料的自然运动吸附速率和解吸速率、约束给定量的材料的循环时间的流速和温度。为了最大限度地减小所需的能量，即，用于加热清洗气体可能所需的能量，可使用较低的清洗气体温度，这可减少每个循环解吸的材料的量。在主要由能量节省推动的应用中，人们可以以使用HVAC系统的余热可生成的清洗气体的温度和体积来开始，且使用可用的清洗温度来设计变温循环的热范围，这继而又将确定吸附剂的动能，设计床的尺寸。
在一些实施例中，具有利用固体吸附剂的变温吸附的HVAC系统可向不同尺寸提供简单性、耐用性、伸缩性，以及提供相对较低的操作成本。存在一些其它方式来除去物质、CO2、VOC，以及其它不需要的气体、烟和/或蒸气。在一些实施例中，物质、CO2、VOC等的洗涤可通过与碱性氢氧化物基质的反应来完成。在一些实施例中，物质、CO2、VOC等的洗涤可使用含水胺气体溶液(如，公知的单乙醇胺或其它胺)来完成。在一些实施例中，可通过化学制品循环来完成洗涤，在化学制品循环中，碳酸钠与二氧化碳和水组合来形成碳酸氢钠(例如，授予Fuchs的美国专利第3,511,595号)。用于除去物质、CO2、VOC等的其它技术可包括选择性膜，例如，来自于Air Products, Inc的PRISM膜，或来自于Cameron International Corp的CYNARA膜。由于洗涤器可为该系统中的单独的模块，故其它洗涤技术(过去的、当前可用的或将来的)可在此类系统中使用，而不必改变其的其它构件。
在一些实施例中，为了使洗涤器再生，至少一些上述技术可使用热来用于再生。通过获取由附近的其它系统(包括压缩机和HVAC系统的空气处理单元，以及太阳能)产生的废热来获得一些这种热。这可进一步改善系统的总体经济性。在一些实施例中，清洗吸附剂床使用来自于冷却单元的温暖空气来在再生期间清洗床。在一些实施例中，太阳能可收集在屋顶单元上和/或单独放置的单元上，且用于加热清洗气体。太阳能加热和获取的压缩机热和其它废热可与彼此组合使用来最大限度地减少作为整体的系统的能量使用。可执行独立加热或附加加热来实现特定的清洗气体温度，在此情况下，加热盘管、熔炉或煤气炉可在清洗气体的进入点之前结合到系统中。
回头参看图2A，洗涤器(CS)204可构造成用以截断所有的返回空气流，这可能不是所需的或实用的。这在图2B中示出了，其中仅一些返回空气可转移至洗涤器208，而其余的空气可绕过洗涤器208，且可直接地流至空气处理单元106。在一些实施例中，不重要的是所有空气都穿过洗涤器，只要将来从循环空气流获取和除去足够部分的不需要的物质、气体等。在图2C中所示的实施例中，洗涤器212可定位在空气处理单元106的下游，这具有较冷的空气进入洗涤器且将其冷却的优点。一些洗涤技术和吸附剂可利用较低的温度良好地执行。出于空气质量的观点，洗涤器的任何地点都可工作，只要循环空气与洗涤器之间将来在沿空气处理单元之前或之后的空气流动通路的某处有充分的接触量。在一些实施例中，洗涤器可分配在居住空间102中。
在一些实施例中，洗涤器可收集CO2和可以以各种方式处置的可能的其它物质。收集的物质可释放到大气中，收集在容器中用于在另一个地点处理和处置，经由管线流至另一个地点或场所以储存、处理和/或使用，或以任何其它方式另外地处置。例如，CO2有益于温室，且可通过管路或通过容器引送至温室。作为备选，可无止境地简单地隔离这些副产物气体以避免将它们释放到大气中。针对这些气体的此类处置可能存在成本较高，且在一些情形中，这样做可能在经济上不需要且不一定合理。
图4为示出根据本主题的一些实施例的HVAC系统400的框图。系统400包括构造成用以经由管线104将空气环流供送至居住空间102的空气处理单元402，其中经由管线110输送返回空气。系统400还包括洗涤器404，洗涤器404设置在连接供送空气管线104和返回空气110的管线114中。洗涤器404可以以任何其它方式(如图2A至图2C中所示)设置，且可构造成用以执行上述空气洗涤。系统400还可包括氧浓缩器406。氧浓缩器406可采取如由箭头所示的其自身的外界空气供送("OA2")，且可造成浓缩的氧("O")流入供送空气管线104中。浓缩的氧可经由附加的进气阀引送到加热/冷却元件上游的空气处理单元402中。氧浓缩器406可如由图4中的箭头指出那样处置氮("N")，且可能的其它副产物回到大气(或任何其它地点、容器等)。 添加至循环空气的氧的量可取决于流速和氧浓度。在一些实施例中，后者可大致大于90%(例如，如在此情况下是在大多数市售浓缩器中)。然而，较低的浓度也可用于以略微较高的流速完成所期望的结果。
氧浓缩器406可以以许多方式实现。在一些实施例中，用于氧浓缩的技术可包括已知的变压吸附("PSA")技术、变真空吸附("VSA")技术，和/或任何其它技术和/或它们的任何组合。使用这些技术的系统可具有不同的尺寸和输出能力，如用于从空气直接地提供浓缩氧的独立系统，以及以任何其它形式提供浓缩氧的独立系统。示例性VSA氧生成系统包括以下的至少一者：来自Air Products Inc的PRISM VSA氧生成系统；来自Innovative Gas Systems, Inc的OXYSWING生产线；来自Linde的ADSOSS氧发生器管线；来自于Praxair Inc的VPSA氧生成系统。这些PSA/VSA系统可使用高孔隙度的吸附固体，通常是在一个或多个容器中的通常定形为圆筒柱的合成沸石床，且可使用泵和压缩机来改变这些容器中的气体的压力。该技术可依靠氧和氮在吸附剂上的差别吸附。因此，其可采用正常空气(或其它气体混合物)的入流，且生成两种单独的输出：氧浓缩的空气和氧排放的空气。PSA/VSA系统的一个优点在于这些系统可在延长的周期内不断地生成氧而没有过多维护。
分离或浓缩氧的其它方式也是可用的。深冷分离可为用于大体积和高纯度的有效方式，其中不同气体的不同冷凝温度/沸点温度用于从空气分离氧。选择性膜和选择性扩散介质也可从空气分离氧。浓缩的氧也可通过水的电解生成，其中穿过水的电流在一个电极上生成氧气，而在另一个电极上生成氢气。尽管这些是能量密集型工艺，但纯氢或纯氮作为副产物产生，且可收集和使用用于其它应用。
在一些实施例中，洗涤器402和氧浓缩器406两者的存在不会消除排出空气和外界空气。在一些实施例中，可将排出空气和外界空气保持在受控的水平下，该水平可低于常规HVAC系统中的，但处于为了确保空气质量可不存在逐渐变差而准许或期望的水平下，而与氧浓缩器和洗涤器的益处无关。
在未使用氧浓缩器406的实施例中，洗涤器404可构造成用以提供与质量空气的循环相关的大多数益处。这可在二氧化碳的洗涤中有用。尽管氧消耗和CO2排放可联合进行，且以几乎相等的分子质量发生，这可意味着只要HVAC系统中的补充空气未完全消除，即使没有洗涤器和氧源，氧浓度的下降也可与CO2水平的上升相当，氧和CO2的水平可在某一渐近浓度下稳定，该浓度共同总计为大约21%，与外界空气的浓度相同。氧的渐近水平X由以下给出：
X = X0 - B0/M                               (1)
其中X0为外界空气中的氧的浓度，B0为由居住者消耗的氧(单位为CFM、升/秒或任何其它单位)的净量，而M为注入的外界空气的量(分别以相同的单位，CFM、升/秒)。同样，CO2水平Y可通过以下计算：
Y = Y0 + Bc / M                              (2)
其中Y0为外界空气中的CO2的浓度，而Bc为由居住空间的居住者产生的CO2的净量。因此，只要Bc ≈ B0(至少大约），则X+Y ≈ X0+Y0。然而，添加以一定速率获取CO2的洗涤器，Sc(分别以相同的单位，CFM、升/秒)可导致：
Y = Y0 + (Bc - Sc) /M                             (3)
类似地，以G0的净速率(分别以相同的单位，CFM、升/秒等)注入的氧发生器的冲击可将X的渐近值改变至：
X = X0 - ( B0 - G0) / M                             (4) 
实例
仅出于图示的目的，为了理解氧补充为何不太重要，提供了以下实例：如果外界空气出于正常的21%的氧，且居住空间的居住者以2CFM(立方英尺每分钟)的速率消耗氧，且以相似的速率呼出CO2，且如果补充空气处于相对较低的100CFM，没有洗涤或注氧，则氧可逐渐地接近19%，而CO2可接近2%。还可存在与CO2一起的其它VOC的水平升高。而19%的氧浓度可能是可接受的，但2%的CO2浓度不是可接受的。此外，VOC水平很可能也将是不可接受那样高。因此，单独添加具有Sc= 2CFM容量的洗涤器可将CO2水平降低至正常。氧仍可大约排放至19%，除非注入补充氧，但即使没有氧源，甚至如此空气质量在该水平下也是可接受的，且可需要较少的硬件和较少的操作成本。
图5示出了示例性HVAC系统500，该系统500包括空气处理单元504、中央控制系统("CC")502、洗涤器506和可安装在居住空间102中的多个传感器("Y")531,533,535。AHU504和CS506的连接以及供送空气管线和返回空气管线类似于结合以上图1至图4所示出和所论述的。中央控制系统502可经由各种连接(例如，电性的、无线的、有线的、缆线等)联接到系统500中的构件上，且可构造成用以通过发出各种命令来控制它们。中央控制系统502可包括处理器、存储器、监视器和/或任何其它构件。其可自动地、人工地或半自动地控制/操作构件。中央控制系统502可经由连接件514来联接到传感器531,533,534上，经由连接件516联接到洗涤器506上，且经由连接件512联接到管108,112上。系统502还可构造成用以控制AHU、氧浓缩器(未示出)和/或任何其它构件。
传感器531,533,535可安装在居住空间102中的各种地点中，且可构造成用以将反馈提供至系统502。传感器(Y)可经由居住空间分配，且检测一种或多种物质、气体(如，CO2和/或氧和其它气体)、烟、蒸气、VOC等和/或它们的任何组合的水平。用于CO2的传感器是市售的，传感器的实例包括来自于Honeywell Corp.的C7232传感器、来自于General Electric的TELAIRE传感器，等。在检测到此类物质、气体等和/或检测到特定浓度的此类物质、气体等时，传感器(Y)可构造成用以生成数据信号，该数据信号可传输至中央控制系统502来用于处理。在处理数据信号之后，系统502可生成适当的命令至系统500内的构件(例如，开启洗涤器506的再生循环；在预定时间或在物质的浓度达到某一水平时执行吸附循环。)。
如上文所述，中央控制系统(CC)502可人工操作、自动操作和/或计算机化操作，且可检测来自于传感器(Y)的信号。基于系统500的这些和各种参数和设置，CC502可控制和/或改变以下的至少一者来完成目标状况：OC功率(开启/关闭)、OC设置、OC阀(OC在图5中未示出)、CS设置、CS再生触发器、外界空气流速、排出空气流速和任何其它功能。系统502可具有可靠的措施来防止不需要的氧升高，以及关闭氧浓缩器和洗涤器中的一者或两者(如果需要的话)的能力，且通过将外界空气和排出空气的水平增加到常规HVAC的水平来补充。
控制系统502可允许氧的洗涤或注入的量可调整，要么直接地或间接地，要么电子地或人工地。可通过改变施加至与洗涤器和氧浓缩器相关联的各种压缩机、泵、马达、加热器、促动器或阀的功率或设置来完成调整。可响应于一个或多个地点的空气质量或空气成分的测量结果来自动地完成洗涤或注氧的量的调整。还可基于建筑物居住率、一天内的时间、一周内的天数、日期、季节或外界气候来自动地完成洗涤或注氧的量的调整。
在一些实施例中，洗涤器506可设置成以恒定的操作模式运行。可基于居住空间和居住空间中的活动量来选择在该模式中的洗涤器506的能力和效率，以便保持所期望水平的CO2(和/或其它物质)。在一些实施例中，控制系统502可控制排出空气和外界空气的速率。基准可为预设的最低值。如果洗涤器的能力和效率不足以处理CO2负载，则可将排出空气和外界空气的速率自动地调整至较高的水平。可单独地控制氧流来保持居住空间中的氧的目标水平。排出空气阀的控制和氧的入流两者都可经历反馈环，反馈环具有带上设置点和下设置点的比例-积分-微分("PID")算法。可使用具有或没有控制阀和/或流量计的管配件的任何管道来完成氧浓缩器与空气流歧管的联接。
在一些实施例中，可以以模块化方式来设计系统，以便其可在现有的或预先设计的HVAC系统上改造。由于该系统的集成可具有相对较低的成本，故这可能在已经具有HVAC系统的建筑物中有益。具有控制系统的氧浓缩器和洗涤器可安装和连接到常规HVAC系统上，而不必替换管道工程或中央空气处理单元。
在一些实施例中，本主题涉及一种用于在封闭环境中循环空气的系统。该系统可包括构造成用以从封闭环境的外侧接收外界空气的入口，以及联接到入口上来经由入口接收外界空气且构造成用以从封闭环境接收循环空气的空气处理单元。空气处理单元可构造成用以影响接收到的外界空气和接收到的循环空气中的至少一者的温度。基于接收到的外界空气和接收到的循环空气，空气处理单元可进一步构造成用以生成用于供送给封闭环境的空气。本主题的系统还可包括：空气循环系统，其构造成用以使生成的空气从空气处理单元循环至封闭环境且再循环回空气处理单元，以及洗涤系统，其联接到空气处理单元和空气循环系统中的至少一者上且构造成用以减少供送给封闭环境中的空气中的至少一种物质的含量。
在一些实施例中，本主题还可包括一个或多个以下的可选特征。洗涤系统可构造成用以在循环空气到达空气处理单元之前截断接收的循环空气的至少一部分。洗涤系统可在循环空气由空气处理单元处理之后截断循环空气的至少一部分。在一些实施例中，在大约1%至大约50%之间的循环空气可转移至洗涤系统，而循环空气的剩余部分可绕过洗涤系统。在一些实施例中，在大约3%至大约25%之间的循环空气可转移至洗涤系统，而循环空气的剩余部分可绕过洗涤系统。在一些实施例中，在大约5%至大约15%之间的循环空气可转移至洗涤系统，而循环空气的剩余部分可绕过洗涤系统。在一些实施例中，空气中的至少一种物质为二氧化碳。在一些实施例中，空气中的至少一种物质可包括以下的至少一种：挥发性有机化合物、一氧化碳、一氧化二氮和硫氧化物。
本主题的系统可包括联接到至少一个传感器上的控制系统，其中至少一个传感器设置在以下的至少一者中：封闭环境和空气循环系统。至少一个传感器可确定循环空气的成分，且将确定的循环空气的成分提供给控制系统。基于确定的循环空气的成分，控制系统可控制以下的至少一者：洗涤系统和空气入口系统，且还可构造成用以保持循环空气的所期望的成分。穿过入口的空气流使得可利用将比没有洗涤系统而可能的更低的外界空气量来保持所期望的空气质量。
洗涤系统可包括至少一种吸附剂，其中通过将至少一种物质吸附到吸附剂上来降低至少一种物质的浓度。至少一种吸附剂可包括以下的至少一者：分子筛、合成沸石、活性炭、多孔氧化铝、硅胶、基于粘土的材料和有机金属构架。洗涤系统可包括至少一种附加的吸附剂。至少一种附加的吸附剂可与洗涤系统中的至少一种吸附剂相混合。洗涤系统可包括多个床，其中多个床中的各个床均构造成用以截断循环的空气流，且多个床中的至少两个床具有不同的吸附剂。洗涤系统还可包括用于控制包括二氧化碳的可逆化学反应的系统。可逆的化学反应可为碳酸钠和碳酸氢钠循环。另外，可逆的化学反应可在胺化合物与二氧化碳之间。洗涤系统可使用一种或多种基质。基质可为碱性氢氧化物。洗涤系统可为变温吸附系统。洗涤系统还可包括清洗循环，在清洗循环期间，清洗物质应用于洗涤系统来从洗涤系统释放至少一种物质。清洗物质可为气体。可通过施加结合空气循环系统的加热、通风和空气调节系统的构件生成的热来加热清洗物质。
本主题的系统可包括构造成用以加热清洗物质的加热系统。加热系统可使用太阳能。洗涤系统可包括吸附剂和构造成用以冷却吸附剂的冷却系统，其中冷却系统使用由空气处理单元提供的变冷的流体。洗涤系统可联接到空气循环系统上，使得循环空气的至少一部分构造成流过洗涤系统，而循环空气的至少另一部分构造成绕过洗涤系统。
本主题的系统还可包括注氧系统，注氧系统将氧或氧浓缩的空气注入循环空气中。本主题的系统还可包括联接到设置在封闭环境中的至少一个传感器的控制系统。至少一个传感器可确定循环空气中的氧的水平，且将循环空气中确定的氧的水平提供给控制系统。基于循环空气中确定的氧水平，控制系统可控制注氧系统，以便保持循环空气中的所期望的氧水平。注氧系统可包括以下的至少一者：变压吸附系统和变真空吸附系统。
图6示出了根据本主题的一些实施例的用于在封闭环境中循环空气的示例性过程600。在602处，将接收来自于封闭环境的外侧的外界空气和来自于封闭环境的循环空气。在604处，调节接收到的外界空气和接收到的循环空气中的至少一者以便将处于所期望的温度下的接收到的外界空气和接收到的循环空气中的至少一者供送给封闭环境。在606处，调节的空气将循环到封闭环境中且从封闭环境中循环。在608处，将洗涤至少一些从封闭环境接收到的循环空气以减少循环空气中的至少一种物质的含量。在610处，洗涤空气将再循环。在612处，至少一部分循环空气从封闭环境排出。
在一些实施例中，本主题涉及一种用于结合具有用于从循环空气除去不需要的气体的气体洗涤系统的HVAC系统使用的控制系统。控制系统可包括传感器，其用于确定循环空气中的不需要的气体的量，以及控制器，其构造成用以改变循环空气的排出速率或外界空气的吸入速率，以便根据循环空气中的不需要的气体的测量量来调整总体空气替换。
下文参照附图详细地公开了本发明的其它特征和优点，以及本主题的各种实施例的结构和操作。
本文已经描述了本主题的方法和构件的示例性实施例。如其它地方提及的那样，已仅出于示范性目的来描述这些示例性实施例，且这些示例性实施例并非为限制性的。其它实施例是可能的，且由本主题覆盖。此类实施例将对于基于本文包含的教导内容的相关技术领域的技术人员而言是显而易见的。因此，本主题的宽度和范围不应当由任何上述示例性实施例限制，而是应当仅根据以下权利要求和其等同物限定。

Claims (20)

1. 一种用于循环封闭环境中空气的系统，包括：
入口，其构造成用以从所述封闭环境的外侧接收空气；
空气处理单元，其联接到所述入口上来经由所述入口接收所述外界空气，且构造成用以从所述封闭环境接收循环空气；
所述空气处理单元构造成用以影响所述接收到的外界空气和所述接收到的循环空气中的至少一者的温度；
基于所述接收到的外界空气和所述接收到的循环空气，所述空气处理单元还构造成用以生成空气以用于供送至所述封闭环境；
空气循环系统，其构造成用以将所述生成的空气从所述空气处理单元循环至所述封闭环境且循环回所述空气处理单元；
洗涤系统，其联接到所述空气处理单元和所述空气循环系统中的至少一者上，且构造成用以减少供送给所述封闭环境的所述空气中的至少一种物质的含量。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述洗涤系统构造成用以在所述循环空气到达所述空气处理单元之前和/或所述循环空气由所述空气处理单元处理之后截断所述接收到的循环空气的至少一部分。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，大约1%至大约50%之间的所述循环空气转移至所述洗涤系统，以及所述循环空气的剩余部分构造成绕过所述洗涤系统。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一种物质为二氧化碳。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一种物质包括以下的至少一者：挥发性有机化合物、一氧化碳、一氧化二氮和硫氧化物。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
联接到至少一个传感器上的控制系统，其中所述至少一个传感器设置在以下的至少一者中：所述封闭环境和所述空气循环系统；
所述至少一个传感器构造成用以确定所述循环空气的成分，且将确定的所述循环空气的成分提供给所述控制系统；
基于确定的所述循环空气的成分，所述控制系统构造成用以控制以下的至少一者：所述洗涤系统和所述空气入口系统，以及还构造成用以保持所述循环空气的所期望的成分。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述洗涤系统包括至少一种吸附剂，其中通过将所述至少一种物质吸附到所述吸附剂上而降低了所述至少一种物质的浓度。
8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述至少一种吸附剂包括以下的至少一者：分子筛、合成沸石、活性炭、多孔氧化铝、硅胶、基于粘土的材料和有机金属构架。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述洗涤系统包括多个床，其中所述多个床中的各个床均构造成用以截断循环空气流，以及所述多个床中的至少两个床具有不同的吸附剂。
10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述洗涤系统包括用于控制包括二氧化碳的可逆化学反应的系统；
其中所述可逆化学反应包括以下的至少一者：碳酸钠和碳酸氢钠循环，以及胺化合物和二氧化碳之间的反应。
11. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述洗涤系统使用一种或多种基质，其中所述一种或多种基质包括碱性氢氧化物。
12. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述洗涤系统为变温吸附系统。
13. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述洗涤系统包括清洗循环，在所述清洗循环期间，清洗物质被施加至所述洗涤系统以从所述洗涤系统释放所述至少一种物质；
其中所述清洗物质包括气体。
14. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述清洗物质由以下的至少一者加热：
施加由结合所述空气循环系统的加热、通风和空气调节系统的构件生成的热，以及
构造成用以加热所述清洗物质的加热系统。
15. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述洗涤系统联接到所述空气循环系统上，使得所述循环空气的体积的至少一部分构造成流过所述洗涤系统，以及所述循环空气的体积的至少另一部分构造成绕过所述洗涤系统。
16. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括
注氧系统，其将氧或氧浓缩的空气注入所述循环空气中；
控制系统，其联接到设置在所述封闭环境中的至少一个传感器上；
所述至少一个传感器构造成用以确定所述循环空气中的氧的水平，且将确定的所述循环空气中的氧水平提供给所述控制系统；
基于确定的所述循环空气中的氧水平，所述控制系统构造成用以控制所述注氧系统，以便保持所述循环空气中的所期望的氧水平；
其中所述注氧系统包括以下的至少一者：变压吸附系统和变真空吸附系统。
17. 一种用于循环封闭环境中空气的工艺，包括：
从所述封闭环境的外侧接收外界空气和从所述封闭环境接收循环空气；
调节所述接收到的外界空气和所述接收到的循环空气中的至少一者以便将处于所期望的温度下的所述接收到的外界空气和所述接收到的循环空气中的至少一者供送给所述封闭环境；
将所述调节的空气循环到所述封闭环境中且从所述封闭环境循环所述调节的空气；
洗涤来自于所述封闭环境的至少一些所述接收到的循环空气来减少所述循环空气中的至少一种物质的含量；
使所述洗涤的空气再循环；以及
从所述封闭环境排出至少一部分所述循环空气。
18. 根据权利要求17所述的工艺，其特征在于，截断大约1%至大约50%之间的所述循环空气来用于洗涤，以及所述循环空气的剩余部分构造成绕过洗涤。
19. 根据权利要求17所述的工艺，其特征在于，所述洗涤降低了二氧化碳的浓度。
20. 一种用于结合具有用于从循环空气除去不需要的气体的气体洗涤系统的HVAC系统使用的控制系统，所述控制系统包括：
传感器，其用于确定所述循环空气中的所述不需要的气体的量；
控制器，其构造成用以改变循环空气的排出速率或外界空气的吸入速率，以便根据所述循环空气中的不需要的气体的测量量来调整总体空气替换。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20130522