EA035940B1 - Система для климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах - Google Patents

Система для климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах Download PDF

Info

Publication number
EA035940B1
EA035940B1 EA201990447A EA201990447A EA035940B1 EA 035940 B1 EA035940 B1 EA 035940B1 EA 201990447 A EA201990447 A EA 201990447A EA 201990447 A EA201990447 A EA 201990447A EA 035940 B1 EA035940 B1 EA 035940B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
air
water
closed
adsorbent
functional blocks
Prior art date
Application number
EA201990447A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201990447A1 (ru
Inventor
Том Юхансен
Тор КРИСТЕНСЕН
Ярле Шевеланн
Original Assignee
Гринкэп Солюшенз Ас
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Гринкэп Солюшенз Ас filed Critical Гринкэп Солюшенз Ас
Publication of EA201990447A1 publication Critical patent/EA201990447A1/ru
Publication of EA035940B1 publication Critical patent/EA035940B1/ru

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G9/00—Cultivation in receptacles, forcing-frames or greenhouses; Edging for beds, lawn or the like
    • A01G9/18—Greenhouses for treating plants with carbon dioxide or the like
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G9/00—Cultivation in receptacles, forcing-frames or greenhouses; Edging for beds, lawn or the like
    • A01G9/24—Devices or systems for heating, ventilating, regulating temperature, illuminating, or watering, in greenhouses, forcing-frames, or the like
    • A01G9/246—Air-conditioning systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D46/00—Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/0027—Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours with additional separating or treating functions
    • B01D46/0036—Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours with additional separating or treating functions by adsorption or absorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F3/00—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems
    • F24F3/12—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling
    • F24F3/14—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F3/00—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems
    • F24F3/12—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling
    • F24F3/14—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification
    • F24F3/1411—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification by absorbing or adsorbing water, e.g. using an hygroscopic desiccant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F3/00—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems
    • F24F3/12—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling
    • F24F3/14—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification
    • F24F3/1411—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification by absorbing or adsorbing water, e.g. using an hygroscopic desiccant
    • F24F3/1429—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification by absorbing or adsorbing water, e.g. using an hygroscopic desiccant alternatively operating a heat exchanger in an absorbing/adsorbing mode and a heat exchanger in a regeneration mode
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F8/00—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying
    • F24F8/10—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying by separation, e.g. by filtering
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G7/00—Botany in general
    • A01G7/02—Treatment of plants with carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106—Silica or silicates
    • B01D2253/108—Zeolites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/20—Organic adsorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/45—Gas separation or purification devices adapted for specific applications
    • B01D2259/4508—Gas separation or purification devices adapted for specific applications for cleaning air in buildings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2279/00—Filters adapted for separating dispersed particles from gases or vapours specially modified for specific uses
    • B01D2279/50—Filters adapted for separating dispersed particles from gases or vapours specially modified for specific uses for air conditioning
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
    • Y02A40/10—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture
    • Y02A40/25—Greenhouse technology, e.g. cooling systems therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/52—Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
    • Y02P60/14—Measures for saving energy, e.g. in green houses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
    • Y02P60/20—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions in agriculture, e.g. CO2

Abstract

В изобретении предложены система и способ, предназначенные для оптимизации концентрации COв замкнутых или полузамкнутых пространствах. В состав системы входит комплекс (3), улавливающий COиз наружного воздуха и содержащий два блока (134, 172), способных адсорбировать и десорбировать COна адсорбенте и функционирующих попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу повышения концентрации СО2 в замкнутых пространствах (таких как теплицы и оранжереи), скомбинированному с кондиционированием воздуха и способному повысить уровень усвоения СО2 растениями, а также ускорить процесс их роста и, в то же время, позволяющему избежать проблем, связанных со слишком высокой или слишком низкой относительной влажностью воздуха. Более конкретно, изобретение относится к интеграции способа очистки и процесса улавливания СО2 из воздуха в сочетании с контролем температуры как по влажному, так и по сухому термометру, причем данный контроль обладает высоким КПД по энергии, а предлагаемая комбинация указанных способа, процесса и контроля не применяет каких-либо химикатов, разлагающихся под действием кислорода, и характеризуется высокоэффективным улавливанием СО2, экономией суммарной полезной энергии и, с системной точки зрения, отрицательным показателем высвобождения углерода.
Предшествующий уровень техники
Растения, выращиваемые в замкнутых или ограниченных зонах, таких как теплицы, будут поглощать СО2, уменьшая его содержание в окружающем воздухе. В результате концентрация СО2 понижается, а скорость процесса роста растений тормозится. Это уменьшение может произойти очень быстро, в течение нескольких часов, даже если какое-то количество воздуха поступает в замкнутое или полузамкнутое пространство из окружающей среды. В то время как в атмосфере содержание СО2 составляет примерно 400 миллионных долей (м.д.) общего объема, этот же параметр в хорошо вентилируемом полузамкнутом пространстве в типичной ситуации может находиться в интервале 300-330 м.д. При этом предполагается, что эффективность вентиляции достаточно велика, чтобы полностью заменять в полузамкнутом пространстве весь воздух один или два раза в 1 ч. Если вентиляция недостаточна, значения концентрации СО2 заметно понижаются, смещаясь ниже 300-330 м.д. и приближаясь к 200 м.д., в результате чего процесс роста растений может быть фактически заблокирован. Когда температура в полузамкнутом пространстве отличается от температуры окружающего воздуха, требуемый свежий (вентиляционный) воздух необходимо подогревать, а это может оказаться весьма энергоемкой операцией.
Независимо от уровней эффективности вентиляции, в полузамкнутом пространстве повысить концентрацию СО2 до уровня концентрации СО2 в вентиляционном воздухе невозможно, не прибегая к обогащению воздуха СО2. При этом хорошо известно, что обогащение воздуха этим газом до уровня, на котором концентрация СО2 в полузамкнутой системе не только достигает 400 м.д., но и превышает 1000 м.д., может существенно ускорить процесс роста растений и, в частности, на 20-80% или более повысить производство биомассы.
Испарение воды из растений в замкнутом или полузамкнутом пространстве повышает уровень влажности местного воздуха. Из общего количества влаги, потребляемой растением, примерно 90% расходуется на испарение, т.е. для процесса роста используется только 10%. Испарение охлаждает растение ниже температуры наружной среды на 2% или более. Скорость испарения представляет собой функцию, зависящую от нескольких факторов, в число которых входят радиационное поступление тепла и относительная влажность воздуха. В частности, испарение понижается в случае высокого уровня относительной влажности, близкого к насыщению местного воздуха парами воды. Если затем температура понижается, вода может осаждаться на листьях или в других местах растений, в результате чего возникает опасность возникновения грибковых заболеваний. Низкая относительная влажность (например, влажность ниже 50%) в комбинации с высокой температурой может привести к избыточным уровням испарения. В возможном варианте после этого в растении начнут перекрываться устьица отверстий, через которые происходит испарение, и оно соответственно понизится. Однако поскольку, кроме того, через эти устьица в растения поступает СО2, данный эффект может ограничить процесс их роста. Поэтому важно поддерживать относительную влажность местного воздуха если не на оптимальном, то хотя бы на приемлемом уровне.
Скорость процесса роста растений зависит от температуры местного воздуха, причем оптимальная температура зависит от вида растения и времени дня. Для большинства растений пригодна дневная температура 20-25°С, а оптимальный уровень ночной температуры может находиться в интервале 10-18°С. Во многих географических зонах, в которых широко применяются замкнутые или полузамкнутые системы производства биомассы, требуется круглогодичный подогрев.
Три важных регулируемых рабочих параметра, а именно концентрация СО2, относительная влажность и температура, часто регулируются более или менее независимо друг от друга, хотя они в высокой степени взаимозависимы. На фиг. 3 приведен пример воздействия СО2 на скорость процесса роста, причем в данном случае допускается, что другие питательные вещества и свет отрегулированы с выведением на надлежащие уровни. В этом примере нормальная (принимаемая за стопроцентную) скорость роста достигается при уровне содержания СО2 по объему 320 м.д. Если использовать другую терминологию, потребление СО2 соответствует уровню 100 м.д. СО2 в 1 ч или, в пересчете на объем 5000 м3, примерно 900 г СО2 в 1 ч. По меньшей мере, для некоторых растений оптимальная скорость роста достигается, когда концентрация СО2 составляет примерно 1000 м.д. Если используется вентиляция, воздух, выведенный из замкнутой системы, также будет содержать 1000 м.д. СО2, являясь, таким образом, источником эмиссии СО2.
- 1 035940
СО2 можно подавать посредством вентиляции, однако таким образом нельзя повысить его концентрацию выше концентрации СО2 в атмосфере, составляющей примерно 400 м.д. Для поддерживания концентраций СО2 на уровнях, значительно превышающих 320 м.д., требуются высокие интенсивности вентиляции. В зонах с холодным климатом может быть существенной энергия, требуемая для подогрева вентиляционного воздуха. В зонах с очень теплым климатом может потребоваться охлаждать этот воздух. В таком случае может возникнуть ситуация, в которой, чтобы свести к минимуму образование водяного конденсата, из воздуха должна быть удалена влага. Следствием вентиляции является потеря водяного пара, образованного испарением, т.е. утрата 90% оросительной воды.
В обычной ситуации, чтобы повысить концентрацию СО2, этот газ должен подаваться не из воздуха, а из других источников. К примерам такой подачи относится СО2, поступающий в виде продукта сжигания ископаемых типов топлива (при этом, кроме того, вырабатывается тепло), из баллонов со сжатым СО2, из сухого льда, в результате разложения органического вещества или в виде продукта ферментации. Если теплица вентилируется, а концентрация СО2 поддерживается на уровне выше 400 м.д., все это вместе взятое приводит к нежелательному выбросу СО2 в атмосферу.
В WO 2013/075981 описан способ экстрагирования СО2 из воздуха посредством адсорбции и десорбции на твердом адсорбенте, функционализированном с использованием аминосоединений. Таким образом повышается способность к адсорбции и уменьшается чувствительность адсорбента к влаге. Однако во время регенерации адсорбента аминосоединения подвергаются воздействию горячего воздуха с высокими концентрациями СО2, вызывающему потенциальное разложение с образованием токсичных, а возможно и канцерогенных продуктов. Поэтому СО2, полученный из таких источников, нельзя применять в замкнутом пространстве теплицы.
В теплицах относительную влажность можно регулировать посредством воздушной вентиляции. Однако это может негативно повлиять на концентрацию СО2 в теплице, в особенности если используются повышенные концентрации СО2. Кроме того, может оказаться существенной энергия, требуемая для подогрева вентиляционного воздуха. В зонах с теплым и влажным климатом понижение влажности посредством вентиляции может оказаться недостаточно эффективным. Как и в случае использования вентиляции для подачи СО2, любое вентилирование с целью уменьшения количества паров воды в воздухе вызывает потерю водяного пара, образованного испарением, т.е. утрату примерно 90% оросительной воды.
Альтернативный вариант уменьшения содержания паров воды в воздухе внутри теплицы заключается в опрыскивании воздуха охлажденной водой. Соответствующее охлаждение может быть выполнено посредством циркуляции воды между распыляющим устройством, находящимся в помещении, и наружной зоной контакта с воздухом. Если наружный воздух не насыщен парами воды и не близок к такому насыщению, в контакте с ним некоторое количество воды будет испаряться. В результате вода охлаждается, после чего ее можно повторно использовать в распыленном виде для охлаждения внутреннего пространства теплицы. Однако, как и в варианте с удалением влаги посредством вентиляции, это приводит к потере потенциально полезной воды. К сожалению, распыление охлажденной водой не понижает относительную влажность воздуха. Несмотря на охлаждение и удаление паров воды из воздуха, он останется насыщенным данными парами, которые для растений могут оказаться вредными.
Для теплицы наилучший вариант контроля относительной влажности или содержания паров воды относительно содержания паров воды в условиях насыщения представляет собой комбинацию вентиляции и нагрева. Нагрев повышает содержание паров воды в воздухе в условиях насыщения, причем, поскольку это происходит без добавления этих паров в воздух, относительная влажность понижается. Однако в зонах с очень теплым климатом, в которых нагрев воздуха нежелателен, данный вариант может оказаться неприемлемым.
Нагревание воздуха теплицы может быть выполнено посредством электрического нагрева или за счет тепла, полученного путем сжигания ископаемых топлив. Во втором случае будет оказываться воздействие на содержание в воздухе теплицы СО2, а также (хотя и в меньшей степени) на содержание в воздухе теплицы паров воды.
В глобальном масштабе проблемы, связанные с продовольственными ресурсами, возрастают. Ожидается, что к 2050 г. население Земли вырастет от примерно семи миллиардов (на 2012 г.) до уровня, превышающего девять миллиардов. Соответственно должны увеличиться и продовольственные ресурсы, причем без нанесения дальнейшего вреда окружающей среде. Это требование приходится выполнять в ситуации, в которой в результате глобального потепления понижается урожайность, причем в особенности в зонах с теплым климатом, где происходит наибольшее увеличение численности населения, сопровождаемое во многих из них значительным дефицитом воды из-за увеличения ее использования. В число решений этих проблем входит переход на режим питания, основанный на увеличении потребления растительной пищи, понижение уровней эмиссии СО2, а также уменьшение потребления воды и всех разновидностей ископаемого топлива.
Задача, решаемая изобретением, состоит в разработке способа и в создании установки, которые обеспечивают возможность контролировать в теплице независимо друг от друга уровень содержания СО2, температуру и относительную влажность, обеспечивая при этом минимальные или нулевые эмис
- 2 035940 сии СО2, сохранение воды и эффективное расходование энергии для нагрева. Другой задачей изобретения является локальное получение СО2 из воздуха или локальное повышение уровней его содержания за счет этого же источника, исключающее какую-либо возможность образования вредных продуктов разложения аминов, а также создание условий, в которых гарантируется усвоение растениями фактически всего количества этого СО2, практически без его обратной эмиссии в воздух посредством вентиляции.
В WO 2009/105566 А2 рассмотрен альтернативный вариант улавливания СО2 в случае повышенных уровней его содержания. Для улавливания СО2 в этом варианте вместо ионообменной смолы применены активированный уголь, цеолиты, слабоосновный амин или другие сорбенты, в частности активированный глинозем.
Однако в случае неповышенных уровней содержания СО2 возникает существенная проблема, в WO 2009/105566 А2 не упомянутая и связанная с тем, что физические адсорбенты отравляются водой, в результате чего их способность улавливать СО2 снижается.
В WO 2011/004596 А1 и ЕР 1908809 А1 рассматриваются системы климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах, содержащие устройство воздушного кондиционирования для фильтрации воздуха, охлаждения, а также для понижения влажности и нагревания, причем это устройство содержит тепловой насос. Однако ни один из этих документов не предлагает решения задачи улавливания СО2 из окружающего воздуха
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, охарактеризованное в прилагаемой формуле, состоит в решении проблем, перечисленных выше.
Изобретение предлагает систему и способ, предназначенные для оптимизации концентрации СО2 в замкнутых или полузамкнутых пространствах. Предлагаемая система содержит комплекс, улавливающий СО2 из наружного воздуха и содержащий два функциональных блока, способных адсорбировать и десорбировать СО2 на адсорбенте, а также функционировать попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции.
Перечень фигур чертежей
На фиг. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая подачу СО2 в теплицу, а также контроль температуры и относительной влажности, осуществляемые согласно варианту изобретения.
На фиг. 2 представлены детали блоков, адсорбирующих СО2.
На фиг. 3 приведен пример скорости роста, представленной в виде функции от уровня СО2.
На фиг. 4 проведено сопоставление эффективностей улавливания СО2.
На фиг. 5 приведен пример равновесных изотерм адсорбции СО2.
На фиг. 6 приведен пример равновесных изотерм адсорбции Н2О.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
В данном описании и формуле изобретения термины влажность и абсолютная влажность используются для обозначения количественной оценки фактического содержания паров воды в воздухе (в г/м3). Термин относительная влажность смеси воздух-пары воды используется для обозначения количественной оценки отношения реального парциального давления паров воды в воздухе и парциального давления паров воды в воздухе в том случае, когда при конкретной температуре он насыщен. Термин концентрация СО2 используется для обозначения оценки количества молей СО2 в воздухе относительно суммарного количества содержащихся в нем молекул газа. Этот параметр измеряется в миллионных долях (м.д.).
В контексте изобретения давление, единицей измерения которого является бар, представляет собой бар абсолютного давления. Соответственно 1,013 бар - это нормальное абсолютное давление на уровне моря. В системе СИ один бар соответствует 100 кПа.
Содержание выражения температура окружающей среды в данном контексте может различаться в зависимости от климатических условий, в которых функционирует замкнутая или полузамкнутая система, обслуживаемая в соответствии со способом по изобретению. В стандартной ситуации температура окружающей среды лежит в интервале 0-40°С; однако этот интервал может также находиться в пределах от минусовых уровней температуры до значений, несколько превышающих 40°С, таких как 50°С.
Термины солнечное излучение и инсоляция в данном контексте относятся к энергии на уровне моря, поступающей от солнца. Плотность данной энергии измеряется в Вт/м2. В зонах проживания большей части мирового населения уровни инсоляции составляют 150-300 Вт/м2
На фиг. 1 представлена принципиальная общая схема системы, выполненной согласно предпочтительному варианту изобретения. В данной системе фильтрацию, охлаждение, осушение и нагрев воздуха обеспечивает часть (комплекс) 1, содержащая (содержащий) две колонки. Одна из них предназначена для обработки циркулирующего воздуха и вентиляции в замкнутой или полузамкнутой системе, такой как теплица. Другая колонка выполняет фильтрацию, охлаждение и осушение воздуха, поступающего из окружающей среды. Часть 2 представляет собой тепловой насос, а часть (комплекс) 3 - систему, адсорбирующую СО2 из наружного воздуха и из вентиляционного воздуха теплицы, применяя для этого, вместо каких-либо химикатов, только твердые цеолиты.
Часть 1, обеспечивающая фильтрацию, охлаждение, осушение и нагрев воздуха, включает в себя
- 3 035940 замкнутую или полузамкнутую систему 100, предназначенную для выращивания растений, и систему, осуществляющую очистку воздуха и обогащение его углекислым газом СО2. Эта система содержит фильтр 149, трубопровод 130 для подачи воздуха, обогащенного СО2, охлаждающую и осушающую колонку 106, вентилятор 123 и нагреватель 104. Из системы 100 воздух по трубопроводу 102 поступает к фильтру 149, а из него в трубопровод 109 и, далее, смешивается с воздухом, обогащенным СО2 и поступающим из части 3 системы по трубопроводу 130. В обогащенном воздухе количество СО2 составляет 500-5000 м.д., например 1900 м.д. Смесь циркулирующего воздуха и воздуха, обогащенного СО2, по трубопроводу 110 направляется в колонку 106, в которой воздух движется вверх, находясь в противотоке с охлажденной водой, через набивку 107, обеспечивающую хороший контакт между воздухом и водой (охлажденная вода подается в колонку по трубопроводу 128). После контакта с водой в набивке 107 охлажденный воздух проходит через влагоудалитель 122, удаляющий захваченные воздухом капли воды. Из колонки 106 охлажденный воздух поступает в трубопровод 146, за которым он разделяется на две составляющие, конкретно, на два разных потока. Более слабый из них направляется в часть 3 системы по трубопроводу 103, причем удаляемый воздух замещается воздухом из трубопровода 130 (см. далее), а более сильный поток направляется по трубопроводу 145 к вентилятору 123. Воздух, напор которого был повышен вентилятором 123, нагревается в нагревателе 104 и по трубопроводу 101 возвращается в замкнутую или полузамкнутую систему для выращивания растений.
Охлажденная вода и вода, полученная из воздуха посредством конденсации в колонке 106, скапливаются на дне этой колонки и выводятся из системы по трубопроводу 105. После смешивания с водой, поступившей из колонки 115 по трубопроводу 114, объединенный водяной поток направляется по трубопроводу 127 к насосу 147, из которого попадает в трубопровод 148, а избыток воды сбрасывается из системы в трубопровод 152. Оставшаяся вода по трубопроводу 155 направляется к охладителю 154, а затем, пройдя по трубопроводу 156, разделяется на две части, попадающие соответственно в трубопровод 131 и трубопровод 128. Специалистам в этой области будет понятно, что воздух, поступающий из колонки 106, насыщен или близок к насыщению парами воды, а абсолютная влажность задается, таким образом, его температурой. Специалистам будет понятно также, что относительная влажность воздуха будет задаваться абсолютной влажностью и температурой за нагревателем 104 (т.е. относительно него далее по течению потока). Кроме того, скорость потока воздуха и концентрация СО2 в трубопроводе 130 будут задавать концентрацию СО2 в потоках воздуха, поступающих из колонки 106 в трубопровод 146. Возможен такой контроль, при котором в системе 100 желаемые уровни относительной влажности, температуры и концентрации СО2 обеспечиваются на основе измерений в потоке воздуха, вытекающего из системы 100 по трубопроводу 102.
Часть 1, обеспечивающая впуск воздуха и его предварительную обработку, содержит впускной канал 116, за которым воздух по трубопроводу 112 подается к фильтру 129. После фильтрации воздух охлаждается и осушается в набивке 125 колонки 115 посредством потока охлажденной воды, направленного в обратную сторону, причем до выведения воздуха по трубопроводу 124 в часть 3 системы, описанной далее, из него влагоудалителем 113 удаляются капли воды. Циркулирующая вода и конденсат выводятся из колонки 115 в трубопровод 114 и, далее, в трубопровод 105, где смешиваются с водой. Как и вода, поступающая из колонки 106, эта вода направляется затем в водоохладительный контур, содержащий трубопроводы 127, 148 и установленный между ними насос 147. Избыток воды сбрасывается из системы через выпускной канал 152, а оставшийся поток воды охлаждается в охладителе 154, а затем направляется обратно в колонку 115 по трубопроводам 156 и 131.
Часть 2 представляет собой тепловой насос, который использует тепло, образованное в части 1 системы в результате охлаждения воздуха и конденсации паров воды, а также, как вариант, полученное из окружающей среды. Это тепло насос выводит на более высокий температурный уровень и применяет для дополнительного нагревания воздуха, чтобы затем вернуть его в замкнутую или полузамкнутую систему 100, предназначенную для выращивания растений. В части 2 предусмотрено наличие двух основных проточных контуров. Один из них, уже обсуждавшийся выше, представляет собой водяной проточный контур, снабжаемый водой из колонок 106 и 115. Эта вода протекает через трубопровод 127, насос 147 и трубопроводы 148, 155 к охладителю 154 воды, под воздействием которого ее температура понижается до 0-5°С, например до 1°С, и направляется по трубопроводу 156 и далее по трубопроводам 128 и 131 в колонки 106 и 115 соответственно. Скорости потока воды в трубопроводах 128 и 131 регулируются так, чтобы перед набивками 107 и 125 значения температуры воздуха выходили на требуемые уровни.
Во втором проточном контуре части 2 используется холодильный агент (хладагент), функционирующий на основе фреонового или аммониевого цикла охлаждения. Такой агент, имеющий высокое давление, зависящее от свойств агента и составляющее 1500-3000 кПа (например, 2000 кПа), по трубопроводу 150 поступает из компрессора 151 в трубопровод 178. По трубопроводу 178 хладагент уже в качестве высокотемпературной нагревательной среды направляется к части 3, в которой главным образом используется его физическая теплота. Израсходовав некоторое приемлемое количество (например, 15%) доступного тепла, хладагент, все еще находящийся в газообразном состоянии, возвращается из части 3 в трубопровод 187. Далее этот поток разделяется на две составляющие, одна из которых по трубопроводу 144 проходит к нагревателю 104, где хладагент охлаждается, конденсируется и возвращается в трубопро
- 4 035940 вод 143. Остальная часть хладагента по трубопроводу 175 направляется к охладителю 177, где тоже охлаждается и конденсируется, а затем смешивается с хладагентом в трубопроводе 143, попав в него по трубопроводу 176. Весь этот сконденсированный хладагент направляется по трубопроводу 181 к клапану 185, в котором давление хладагента понижается до 200-500 кПа (например, до 280 кПа). В результате температура хладагента, в зависимости от его свойств, уменьшается до уровня между -5 и -20°С (например, до -10°С). Холодная текучая среда по трубопроводу 186 направляется к отводящему трубопроводу 184, через который некоторое количество текучей среды направляется к нагревателю 183, который в обычной ситуации, если тепла из теплообменника 154 недостаточно, использует тепло, поступающее из наружного воздуха. Остальная часть текучей среды по трубопроводу 157 направляется к теплообменнику 154, где она переходит в пар в результате теплообмена с водой, и поступает в трубопровод 155. Прежде чем попасть по трубопроводу 153 в компрессор 151, хладагент, таким образом нагретый и превращенный в пар, поступая из нагревателя 183 по трубопроводу 182 и из теплообменника 154 по трубопроводу 191, смешивается и по трубопроводу 180 направляется в жидкостный сепаратор 179, завершающий контур, по которому течет хладагент.
Часть 3 обеспечивает улавливание СО2 из воздуха, содержащего примерно 400 м.д. СО2, и доставку уловленного СО2, приведенного в более концентрированную форму (с концентрацией 750-4500 м.д., например, 1400 м.д.), в систему 100, предназначенную для выращивания растений. Часть 3 содержит два основных идентичных функциональных блока 134 и 172, каждый из которых способен адсорбировать и десорбировать СО2 на адсорбенте, причем оба блока функционируют попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции. Твердый адсорбент представляет собой цеолит (микропористый кристаллический алюмосиликат), не содержащий дополнительных химикатов и, таким образом, инертный и абсолютно безопасный. Он стабилен при температурах выше 700°С и обычно применяется в качестве поглотителя влаги и адсорбента СО2, причем, действуя как адсорбент СО2, он предпочтительно адсорбирует воду и поэтому должен поддерживаться сухим.
Воздух подается по впускному каналу 116 и направляется через фильтр 129, колонку 115 и трубопровод 124, который разветвляется на трубопровод 188, ведущий к блоку 134, функционирующему в режиме адсорбции СО2, и на трубопровод 120, ведущий к блоку 172, функционирующему в режиме десорбции СО2.
В трубопроводе 120 воздух протекает через вентилятор 139, попадая затем в трубопровод 159, ведущий к блоку 172, осуществляющему десорбцию СО2. Блок 172 снабжен клапанами 162' и 170'. На чертеже они показаны в положениях, в которых в данный блок может попасть только воздух, поступающий из трубопровода 159, а воздуху, обогащенному СО2, предоставлена возможность выхода только через трубопровод 173. Через впускной трубопровод 174 для воздуха или вентилятор 158 воздушный поток попасть в данный блок не может. Воздух, поступающий из трубопровода 159, будет обезвожен в цеолитной секции 164 до уровней с очень низким содержанием остаточной воды. Высушенный воздух нагревается в теплообменнике 117 посредством теплообмена с воздухом, выходящим из данного блока, а затем в подогревателе (теплообменнике) 166. В качестве подогревающей среды данный подогреватель использует хладагент, поступающий из части 2 через трубопровод 178, открытый клапан 160' и трубопровод 163. Из теплообменника 166 сконденсированный и/или охлажденный хладагент возвращается по трубопроводам 161 и 187 к трубопроводу 175, расположенному в части 2, а воздух, теперь уже нагретый от температуры ниже 10°С до температуры, например, в интервале 50-70°С, поступает к цеолитной секции 171, где происходит десорбция СО2 посредством совместного воздействия повышенной температуры, понижающей способность адсорбента удерживать СО2, и низкой концентрации СО2 в притекающем воздухе, создающей для СО2 тенденцию выделяться из адсорбента в воздух. После обогащения воздуха в цеолитной секции 171 газообразным СО2 сухой воздух, обогащенный СО2, проходит к цеолитной секции 167, в которой адсорбированная вода десорбируется. Горячий и сухой воздух способствует выделению воды из цеолита в воздух, повышая температуру цеолита и тем самым уменьшая его способность удерживать воду. Воздух, обогащенный СО2, покидает блок 172, переходя в трубопровод 173, и через теплообменник 117 и трубопроводы 126, 130 поступает в часть 1.
Воздух, находящийся в трубопроводе 188, смешивается с воздухом, поступившим из трубопровода 103, и по трубопроводам 119 и 142 направляется в блок 134, функционирующий в режиме адсорбции СО2. Сопрягающие элементы, относящиеся к десорбции, а именно впускное и выпускное отверстия для воздуха, расположенные соответственно со стороны трубопроводов 118 и 169, теплообменник 189 и трубопровод 111 перекрыты дверцами (заслонками) 140 и 141. Кроме того, перекрыт также путь сжатому хладагенту для его подогрева от трубопровода 132 через клапан 133 до нагревателя 136 и обратно по трубопроводу 165. Из трубопровода 142 воздух течет через вентилятор 168 и открытую дверцу 141 к адсорбирующей секции 138, где происходит адсорбция воды. Из секции 138 сухой холодный воздух поступает в следующую секцию 137, в которой адсорбируется СО2. Далее воздух, обедненный СО2, проходит через нагреватель 136 и теплообменник 189 к секции 135, в которой вода десорбируется как следствие высокого содержания влаги в данной секции и низкого содержания влаги в воздухе. Чтобы способствовать данному процессу десорбции, уменьшая способность адсорбента в секции 135 удерживать воду, можно применить нагрев, используя для этого нагреватель 136. После адсорбции СО2 воздух из блока
- 5 035940
134 направляется в окружающую среду.
На фиг. 2 представлены предпочтительные варианты адсорбирующих блоков 134 и 172, первый из которых показан в режиме адсорбции, а второй - в режиме десорбции. В данном случае используются те же цифровые обозначения, что и для аналогичных компонентов на фиг. 1. Дверцы 140 и 141 открыты. Вместо непосредственного перекрывания трубопроводов 118 и 169 в данном случае для этого используются два отдельных клапана 140' и 141' соответственно, которые на фиг. 2 показаны в закрытом состоянии. Дверцы 162 и 170 закрыты. Вместо непосредственного открывания каналов 159 и 173 в данном случае для этого используются два отдельных клапана 162' и 170' соответственно, которые на фиг. 2 показаны в открытом состоянии.
Чтобы улучшить взаимодействие цеолита с потоком воздуха, в секциях 135, 137 и 138 блока 134 цеолит разделен на горизонтальные подсекции. Аналогичным образом разделен на горизонтальные подсекции цеолит в секциях 164, 171 и 167 блока 172. Дополнительно улучшают распределение воздуха и его поступление в блоки 134 и 172 манифольды 200, 201 и 202, 203 соответственно.
Пример.
Теплица с площадью пола 1000 м2 и объемом 5000 м3 воспринимает солнечное излучение с поверхностной плотностью 150 Вт/м2. Концентрация СО2 должна поддерживаться на уровне 850 м.д., температура - равной 25°С, а относительная влажность - на уровне 75%. Наружная температура равна 15°С, а относительная влажность наружного воздуха составляет 80%. Внутри теплицы растения потребляют СО2 в количестве примерно 1,6 кг/ч (это значение рассчитано на основе справочного потребления 100 м.д. СО2) или примерно 0,9 кг/ч, если концентрация СО2 равна 320 м.д. На фиг. 3 этот уровень представлен в виде треугольника, обозначенного, как Нормальный воздух. При наличии в воздухе теплицы СО2 с концентрацией 850 м.д. скорость роста в данном примере примерно в 1,8 раз больше, что соответствует потреблению СО2, равному примерно 1,6 кг/ч.
Итоговые потери полезного тепла в теплице составляют примерно 46 кВт. Они обусловлены такими факторами, как рассеивание солнечного излучения при отражении (альбедо), инфракрасное излучение, энергия, потребляемая в процессах фотосинтеза и испарения воды растениями, а также выброс энергии в окружающую среду посредством теплопереноса в направлении более холодного наружного воздуха. Испарение влаги растениями составляет примерно 74 кг/ч.
Используется процесс, проиллюстрированный фиг. 1. Расход воздуха, поступающего из теплицы в трубопровод 102, составляет 7600 м3/ч (примерно 10000 кг/ч). При таком расходе воздуха время нахождения воздуха в теплице, определяемое соотношением между объемом теплицы и проходящим через нее волюметрическим потоком воздуха, составляет примерно 40 мин. В установившемся рабочем режиме температура этого воздуха равна 25°С, а его относительная влажность составляет 75%. Концентрация СО2 равна примерно 850 м.д. Данный воздух смешивается с воздухом, поступающим, с расходом 1080 м3/ч, из трубопровода 130 и содержащим примерно 1900 м.д. СО2. Полученная смесь охлаждается до примерно 72°С посредством контакта с встречным потоком воды, происходящего в набивке 107. В результате этого охлаждения из воздуха удаляется вода в количестве примерно 75 кг/ч, и абсолютная влажность воздуха в трубопроводе 146 (содержание влаги за влагоудалителем 122) оказывается равной примерно 8 г/м3. Воздух, поступающий из трубопровода 146 с расходом примерно 1080 кг/ч (или, в пересчете на моли, в количестве 102%), направляется по трубопроводу 103 для извлечения СО2. Остальной воздух нагревается до примерно 44°С в нагревателе 104 и по трубопроводу 101 возвращается обратно в теплицу для вторичного использования.
Охлаждающая вода поступает в колонку 106 по трубопроводу 128 с расходом примерно 5500 кг/ч при 1°С. В набивке 107 она нагревается до примерно 18°С и вместе с водой, поступающей из колонки 115 по трубопроводу 114 при 6°С с расходом примерно 4500 кг/ч, проходит через трубопровод 127, насос 147 и трубопровод 148 к отводному каналу 152. Температура в этой точке составляет примерно 13°С. Избыточная вода или конденсат в количестве 90 кг/ч, из которых 71 кг/ч поступает из колонки 106, а 19 кг/ч - из колонки 115, сбрасывается по трубопроводу 152. Остальная вода, расход которой составляет примерно 10000 кг/ч, охлаждается в теплообменнике 154 от примерно 13 до примерно 1°С и возвращается в рабочий цикл по трубопроводу 156. Полезная мощность теплообменника 154 составляет 135 кВт.
Пройдя, с расходом 10000 кг/ч, по трубопроводу 156, вода разделяется на две части, одна из которых (5500 кг/ч) поступает в трубопровод 128, а другая (4500 кг/ч) попадает в трубопровод 131, по которому она проходит к колонке 115 и направляется к верхней части набивки 125, стекая вниз и находясь при этом в противотоке с воздухом, поступающим с расходом 3650 кг/ч из впускного канала 116 и прошедшим через трубопровод 112, фильтр 129 для воздуха и трубопровод 121 к набивке 125 колонки 115 снизу. Прежде чем покинуть колонку 115 через влагоудалитель 113, воздух охлаждается в данной набивке до 1-2°С, например до примерно 1,2°С. Охлажденный и обезвоженный таким образом воздух проходит по трубопроводу 124 в систему, улавливающую СО2. Вода в количестве примерно 19 кг/ч конденсируется в ходе этого процесса охлаждения и вместе с основным выходящим массивом воды поступает из колонки 115 в трубопровод 114.
В цикле охлаждения, осуществляемом компрессором 151, используется аммониевый хладагент, который при расходе примерно 396 кг/ч подвергается в компрессоре 151 сжатию под давлением 280-2000
- 6 035940 кПа. Полезная мощность компрессора составляет 44 кВт. С всасывающей стороны компрессора температура аммония равна примерно 3°С. При политропическом КПД компрессора, равном 85%, после сжатия температура повышается до примерно 193°С. Теплый хладагент направляется в адсорбирующий блок, функционирующий в режиме десорбции и для понижения температуры хладагента до примерно 170°С использующий примерно 6 кВт. После этого хладагент возвращается в трубопровод 187. Одна его часть с расходом примерно 242 кг/ч поступает к нагревателю 104, где она конденсируется и охлаждается до примерно 16°С. Полезная мощность нагревателя составляет 105 кВт. Остальная часть хладагента направляется, с расходом 156 кг/ч, по трубопроводу 175 к охладителю 177 и конденсируется в нем. Полезная мощность охладителя составляет 65 кВт. Объединенный поток сконденсированного хладагента с расходом 396 кг/ч дросселируется в клапане 185 с понижением давления от примерно 2000 кПа до уровня, лежащего немного ниже 300 кПа. В результате температура уменьшается от примерно 16°С до примерно -10°С. За клапаном текучая среда представляет собой в основном жидкость с небольшими включениями (примерно 10%) газа. Вся она направляется по трубопроводу 157 к теплообменнику 154, в котором хладагент целиком испаряется и нагревается до примерно 3°С. Из-за трения внутри теплообменника давление понижается с 300 кПа до примерно 280 кПа. Испаренный хладагент возвращается в рабочий цикл компрессора 151 через трубопровод 191, трубопровод 180, жидкостный сепаратор 179 и трубопровод 153. На этом цикл охлаждения завершается.
Пройдя трубопровод 124, поток воздуха разделяется на две части, одна из которых (при расходе примерно 1080 кг/ч) через трубопровод 120, вентилятор 139 и трубопровод 159 направляется к блоку 172, функционирующему в режиме десорбции СО2.
Блок 172 характеризуется следующими параметрами.
Адсорбция Н2О, секция 164.
Воздух, подаваемый по трубопроводу 159 с расходом 1080 кг/ч, имеет влажность примерно 6 г/м3, что соответствует суммарному потоку воды, составляющему примерно 4,7 кг/ч. Парциальное давление Н2О равно примерно 700 Н/м2 Как показано на фиг. 6, состояние адсорбента воды смещается из зоны, обозначенной, как не нагруженный Н2О, в зону, обозначенную, как нагруженный Н2О. Предельная нагрузка (емкость) адсорбента составляет примерно 250 г/кг. Отсюда следует, что, если продолжительность процесса десорбции СО2 равна 1 ч, потребуется по меньшей мере 18,8 кг адсорбента.
Десорбция СО2, секция 171.
Воздух, подаваемый из секции 171 с расходом 1080 кг/ч, содержит 400 м.д. СО2, что соответствует количеству примерно 0,65 кг/ч. Парциальное давление СО2 равно примерно 40 Н/м2. Этот воздух нагревают до примерно 90°С в нагревателях 117 и 166. После десорбции содержание СО2 за секцией 171 составляет примерно 1900 м.д., а парциальное давление СО2 и расход СО2 равны соответственно примерно 190 Н/м2 и примерно 3,1 кг/ч. Как показано на фиг. 5, состояние адсорбента СО2 смещается из точки, обозначенной, как Нагруженный (см. верхний, т.е. левый кружок), в точку, обозначенную, как Ненагруженный (см. нижний, т.е. правый кружок). Предельная нагрузка адсорбента составляет примерно 15 г/кг, а полезное количество десорбированного СО2 равно примерно 2,5 кг. Отсюда следует, что, если продолжительность процесса десорбции СО2 равна 1 ч, потребуется по меньшей мере 163 кг адсорбента.
Десорбция Н2О, секция 167.
Для десорбции Н2О используется теплый сухой воздух, поступающий из секции 171. Для завершения процесса десорбции Н2О в конце цикла температура может быть повышена, например до уровня 150°С.
Остальной воздух, оставшийся в трубопроводе 124, проходит (с расходом 2550 кг/ч) по трубопроводу 188 к зоне смешивания и смешивается там с воздухом, поступившим (с расходом примерно 1080 кг/ч) из трубопровода 103. Воздух в трубопроводе 124 находится при температуре примерно 1,2°С и содержит 400 м.д. СО2, а влажность его составляет примерно 5 г/м3. Воздух в трубопроводе 103 находится при температуре примерно 7°С и содержит 920 м.д. СО2, а влажность его составляет примерно 8 г/м3. После смешивания воздух в трубопроводах 119 и 142 имеет температуру примерно 2,8°С, а концентрация СО2 в нем составляет примерно 550 м.д., что соответствует массовому расходу примерно 3,0 кг/ч. Парциальное давление СО2 и влажность равны примерно 55 Н/м2 и примерно 6 г/м3 соответственно, что соответствует потоку воды, составляющему примерно 17,7 кг/ч. Парциальное давление паров воды равно 770 Н/м2.
Блок 134 характеризуется следующими параметрами.
Адсорбция Н2О, секция 138 адсорбента.
Воздух, подаваемый из трубопровода 142 с расходом 3630 кг/ч, имеет влажность примерно 6 г/м3, а поток воды составляет 17,7 кг/ч. Парциальное давление Н2О равно примерно 700 Н/м2. Как показано на фиг. 6, состояние адсорбента воды смещается из зоны, обозначенной, как не нагруженный Н2О, в зону, обозначенную, как нагруженный Н2О. Емкость адсорбента составляет примерно 250 г/кг. Отсюда следует, что, если продолжительность процесса десорбции СО2 равна 1 ч, потребуется по меньшей мере 70,8 кг адсорбента.
Адсорбция СО2, секция 137.
Дегидратированный воздух, подаваемый из секции 138 с расходом 3612 кг/ч, содержит 550 м.д.
- 7 035940
СО2, что соответствует примерно 3,0 кг/ч. Парциальное давление СО2 равно примерно 55 Н/м2. После адсорбции содержание СО2 за секцией 137 составляет примерно 90 м.д., а парциальное давление СО2 равно примерно 9 Н/м2. Как показано на фиг. 5, состояние адсорбента СО2 смещается из точки, обозначенной, как Ненагруженный (см. нижний, т.е. правый кружок) в точку, обозначенную, как Нагруженный (см. верхний, т.е. левый кружок). Емкость адсорбента составляет примерно 15 г/кг, а полезное количество адсорбированного СО2 равно примерно 2,5 кг, т. е совпадает с количеством, десорбированным в блоке 172 секции 171. Как и для блока 172, если продолжительность процесса десорбции СО2 равна 1 ч, потребуется по меньшей мере 163 кг адсорбента. Десорбция Н2О, секция 135. Для десорбции Н2О используется дегидратированный воздух, поступающий из секции 137. Для завершения процесса десорбции Н2О в конце цикла температура может быть повышена, например до уровня 150°С.
Специалисты в этой области отметят, что конкретная энергия, требуемая для улавливания СО2 из воздуха, сильно зависит от концентрации СО2 в продукте со значительным содержанием СО2. На фиг. 4 показано, что минимальная удельная энергия ниже уровня, требуемого для улавливания СО2 из отработанного газа, который по сравнению с воздухом имеет существенно большее содержание СО2 (в соответствующем продукте концентрация СО2, уловленного из отработанного газа, может приближаться к 100%). Более того, анализ схемы по фиг. 1 открывает широкие возможности для оптимизации использования тепловой энергии, такие, например, как утилизация холода из воздуха, покидающего блок 134 и при этом охлажденного и имеющего низкое содержание СО2.
Специалисты в этой области отметят также, что при адсорбции Н2О высвобождаются большие количества тепла, по порядку величины такие же, как латентное тепло процесса конденсации паров воды. Это является преимуществом в режиме десорбции СО2, использующем адсорбент 164, и недостатком в режиме адсорбции СО2, использующем адсорбер 138. Как показано на фиг. 1, предусмотрена возможность установить охлаждающие змеевики между секциями 137 и 138 адсорбера, расположенного в блоке 134, а также между секциями 171 и 167 адсорбера, расположенного в блоке 172.
В добавление к этому, специалистам будет понятно, что вместо цеолитных слоев, адсорбирующих СО2 и Н2О, могут быть применены адсорбирующие системы, более эффективные и менее чувствительные к Н2О, такие как глинозем, функционализированный амином. Эти системы упрощают конструкцию блоков 134 и 172, однако привносят такие недостатки, как возможное разложение амина и производство токсичных веществ. Предусмотрена также возможность применения других источников СО2, таких как баллонный СО2, сухой лед, а также СО2, поступающий из биореакторов или по соответствующей магистрали.

Claims (8)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Система для климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах, содержащая комплекс (1) для кондиционирования воздуха с целью его фильтрации, охлаждения/осушения и нагрева, тепловой насос (2) и комплекс (3), который осуществляет улавливание СО2 из наружного воздуха и содержит два функциональных блока (134, 172), отличающаяся тем, что указанные функциональные блоки (134, 172) способны адсорбировать и десорбировать СО2 на адсорбенте и функционировать попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции.
  2. 2. Система по п.1, в которой каждый из указанных функциональных блоков (134, 172) содержит воздухозаборник, вентилятор (168), дверцу (141, 170), манифольд (201, 203), адсорбирующую секцию (138, 167), в которой адсорбируется вода, секцию (137, 171), в которой адсорбируется СО2, нагреватель (136, 166), теплообменник (189, 117), секцию (135, 164), в которой вода десорбируется, другой манифольд (200, 202), другую дверцу (140, 162) и выпускной канал для воздуха.
  3. 3. Система по п.2, в которой секции (138, 137, 135, 167, 171, 164) функциональных блоков (134, 172) содержат адсорбирующий материал.
  4. 4. Система по п.3, в которой указанный адсорбирующий материал разделен на горизонтальные секции, чтобы оптимизировать течение воздуха.
  5. 5. Система по п.4, в которой указанный адсорбирующий материал представляет собой цеолит.
  6. 6. Система по п.4, в которой указанный адсорбирующий материал представляет собой аминогруппы.
  7. 7. Система по п.1, в которой комплекс (1) для кондиционирования воздуха содержит первую колонку, предназначенную для обработки циркулирующего воздуха и вентиляционного воздуха, и вторую колонку, предназначенную для фильтрации и охлаждения/осушения воздуха, поступающего из окружающей среды.
  8. 8. Способ климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах, при осуществлении которого используют комплекс (1) для кондиционирования воздуха с целью его фильтрации, охлаждения/осушения и нагрева, тепловой насос (2) и комплекс (3), который осуществляет улавливание СО2 из наружного воздуха и содержит два функциональных блока (134, 172), отличающийся тем, что указанные функциональные блоки (134, 172) способны адсорбировать и десорбировать СО2 на адсорбенте и функционируют попеременно в режиме адсорбции и в режиме десорбции.
EA201990447A 2016-08-16 2017-08-16 Система для климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах EA035940B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20161306A NO20161306A1 (en) 2016-08-16 2016-08-16 System and method for climate control i closed spaces
PCT/NO2017/050204 WO2018034570A1 (en) 2016-08-16 2017-08-16 A system for climate control in closed or semi closed spaces

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201990447A1 EA201990447A1 (ru) 2019-08-30
EA035940B1 true EA035940B1 (ru) 2020-09-03

Family

ID=60037670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201990447A EA035940B1 (ru) 2016-08-16 2017-08-16 Система для климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах

Country Status (11)

Country Link
US (1) US11388861B2 (ru)
EP (1) EP3500089B1 (ru)
CN (1) CN110087454B (ru)
CA (1) CA3032495A1 (ru)
DK (1) DK3500089T3 (ru)
EA (1) EA035940B1 (ru)
ES (1) ES2782202T3 (ru)
NO (1) NO20161306A1 (ru)
PL (1) PL3500089T3 (ru)
PT (1) PT3500089T (ru)
WO (1) WO2018034570A1 (ru)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210135257A (ko) * 2019-03-19 2021-11-12 바스프 코포레이션 물 및 가스를 흡착하기 위한 필터 유닛, 및 그의 시스템과 사용 방법
CN111871147A (zh) * 2019-08-27 2020-11-03 天津大学 一种应用于兼农建筑的移动式碳捕集系统
CN111248005B (zh) * 2020-01-09 2022-01-28 南京师范大学 一种温室大棚二氧化碳循环利用和温度调控的系统及使用方法
NO346496B1 (en) * 2020-04-07 2022-09-05 Greencap Solutions As A method and arrangement for capturing CO2
CN112683727A (zh) * 2020-12-09 2021-04-20 西安科技大学 一种模拟煤矿工作面煤体解吸的实验装置
NL2033081B1 (en) 2022-09-20 2024-03-26 Maurice Kassenbouw B V A greenhouse for cultivating plants in an interior space thereof and a method for climate control in a greenhouse

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050199124A1 (en) * 2004-03-12 2005-09-15 Little William A. Device and method for removing water and carbon dioxide from a gas mixture using pressure swing adsorption
EP1908809A1 (en) * 2006-10-02 2008-04-09 Harry Schmitz Assembly of a horticultural facility and a livestock-breeding facility
WO2009105566A2 (en) * 2008-02-19 2009-08-27 Global Research Technologies, Llc Extraction and sequestration of carbon dioxide
WO2011004596A1 (ja) * 2009-07-10 2011-01-13 ダイナエアー株式会社 ハウス用換気装置およびハウス用空気調和システム
JP2011094821A (ja) * 2009-10-27 2011-05-12 Seibu Giken Co Ltd 空気調和装置
US20110203174A1 (en) * 2008-08-11 2011-08-25 Lackner Klaus S Method and apparatus for extracting carbon dioxide from air
WO2013075981A2 (en) * 2011-11-25 2013-05-30 Climeworks Ag Distributed building-integrated carbon dioxide extraction system reducing fresh air requirements
US20150282440A1 (en) * 2014-04-04 2015-10-08 Greenhouse Hvac Llc Climate control system and method for a greenhouse
US20160157438A1 (en) * 2012-07-17 2016-06-09 Antecy B.V. Method for accelerating growth of plants in a controlled environment

Family Cites Families (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5914455A (en) * 1997-09-30 1999-06-22 The Boc Group, Inc. Air purification process
ATE383752T1 (de) * 1999-06-10 2008-02-15 Cooeperatief Advies En Onderzo Geschlossenes gewächshaus
EP1123896B1 (en) * 2000-02-10 2003-05-02 Praxair Technology, Inc. Method for producing high concentration carbon dioxide product
FI20031207A (fi) * 2003-05-13 2005-02-08 Hydrocell Ltd Oy Suodatusmenetelmä ja suodatinlaite
JP2008510600A (ja) * 2004-08-20 2008-04-10 グローバル リサーチ テクノロジーズ，エルエルシー 空気中からの二酸化炭素の除去
AU2006275799B8 (en) * 2005-07-28 2011-07-14 Carbon Sink, Inc. Removal of carbon dioxide from air
CN100364643C (zh) * 2006-05-11 2008-01-30 同济大学 一种从排气中吸附回收净化有机物的方法和装置
CN101495228A (zh) * 2006-06-01 2009-07-29 开利公司 用于从流体流去除污染物的系统和方法
CN101998876B (zh) * 2006-10-02 2015-03-25 环球研究技术有限公司 从空气中提取co2的方法和装置
CA2708530A1 (en) * 2007-12-12 2009-06-18 Co2Crc Technologies Pty Ltd A plant and process for recovering carbon dioxide
CN102470314B (zh) * 2009-07-27 2014-09-17 川崎重工业株式会社 二氧化碳分离方法及装置
TWI541478B (zh) * 2009-10-27 2016-07-11 Seibu Giken Kk Air conditioning unit
WO2011072122A1 (en) * 2009-12-09 2011-06-16 Algenol Biofuels, Inc. Water/carbonate stripping for co2 capture adsorber regeneration and co2 delivery to photoautotrophs
DK2563495T3 (da) * 2010-04-30 2020-01-06 Peter Eisenberger Fremgangsmåde til carbondioxidopfangning
US20110277490A1 (en) * 2010-05-17 2011-11-17 Udi Meirav Method and System for Improved-Efficiency Air-Conditioning
JP5578469B2 (ja) * 2010-07-09 2014-08-27 独立行政法人産業技術総合研究所 燃焼排ガス中の二酸化炭素を利用した圧力スイング法による園芸用施設への二酸化炭素供給装置
KR20130120878A (ko) * 2012-04-26 2013-11-05 박정식 하우스용 난방과 냉방과 제습 및 환기가 가능한 다기능 공조장치
JP6028799B2 (ja) * 2012-07-10 2016-11-16 株式会社デンソー 二酸化炭素供給装置
JP6083665B2 (ja) * 2012-10-09 2017-02-22 公益財団法人若狭湾エネルギー研究センター Ｃｏ２ガス濃縮装置、及びｃｏ２ガス濃縮方法
KR101357747B1 (ko) * 2012-10-11 2014-02-05 이영오 시설 하우스의 환경제어장치 및 그 제어방법
CN104797323B (zh) * 2012-11-15 2017-11-14 恩沃德系统公司 适用于减少室内空气中的有害气体的方法和系统
JP6266989B2 (ja) * 2014-01-31 2018-01-24 フタバ産業株式会社 二酸化炭素施用装置
JP6228066B2 (ja) * 2014-04-18 2017-11-08 サンデンホールディングス株式会社 冷凍装置
JP6359881B2 (ja) * 2014-06-10 2018-07-18 フタバ産業株式会社 二酸化炭素施用装置
WO2016005226A1 (en) * 2014-07-10 2016-01-14 Climeworks Ag Steam assisted vacuum desorption process for carbon dioxide capture
TWI552957B (zh) * 2014-12-15 2016-10-11 財團法人工業技術研究院 二氧化碳吸附與回收系統及方法
JP6733859B2 (ja) * 2015-01-19 2020-08-05 本田技研工業株式会社 二酸化炭素回収装置
JP6458318B2 (ja) * 2015-01-19 2019-01-30 本田技研工業株式会社 二酸化炭素回収装置
US20180147526A1 (en) * 2015-05-11 2018-05-31 Enverid Systems, Inc. Method and system for reduction of unwanted gases in indoor air
CN204933232U (zh) * 2015-08-26 2016-01-06 中石化节能环保工程科技有限公司 二氧化碳捕集系统

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050199124A1 (en) * 2004-03-12 2005-09-15 Little William A. Device and method for removing water and carbon dioxide from a gas mixture using pressure swing adsorption
EP1908809A1 (en) * 2006-10-02 2008-04-09 Harry Schmitz Assembly of a horticultural facility and a livestock-breeding facility
WO2009105566A2 (en) * 2008-02-19 2009-08-27 Global Research Technologies, Llc Extraction and sequestration of carbon dioxide
US20110203174A1 (en) * 2008-08-11 2011-08-25 Lackner Klaus S Method and apparatus for extracting carbon dioxide from air
WO2011004596A1 (ja) * 2009-07-10 2011-01-13 ダイナエアー株式会社 ハウス用換気装置およびハウス用空気調和システム
JP2011094821A (ja) * 2009-10-27 2011-05-12 Seibu Giken Co Ltd 空気調和装置
WO2013075981A2 (en) * 2011-11-25 2013-05-30 Climeworks Ag Distributed building-integrated carbon dioxide extraction system reducing fresh air requirements
US20160157438A1 (en) * 2012-07-17 2016-06-09 Antecy B.V. Method for accelerating growth of plants in a controlled environment
US20150282440A1 (en) * 2014-04-04 2015-10-08 Greenhouse Hvac Llc Climate control system and method for a greenhouse

Also Published As

Publication number Publication date
EA201990447A1 (ru) 2019-08-30
US11388861B2 (en) 2022-07-19
CN110087454B (zh) 2022-05-27
CA3032495A1 (en) 2018-02-22
US20190208714A1 (en) 2019-07-11
DK3500089T3 (da) 2020-03-23
CN110087454A (zh) 2019-08-02
PL3500089T3 (pl) 2020-08-10
WO2018034570A1 (en) 2018-02-22
PT3500089T (pt) 2020-04-08
EP3500089B1 (en) 2020-03-04
EP3500089A1 (en) 2019-06-26
ES2782202T3 (es) 2020-09-11
NO20161306A1 (en) 2018-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA035940B1 (ru) Система для климат-контроля в замкнутых или полузамкнутых пространствах
US9161498B1 (en) Climate control system and method for a greenhouse
Shukla et al. A technical review on regeneration of liquid desiccant using solar energy
KR102546428B1 (ko) 환기 공조 장치
CN107138023B (zh) 吸收式去除/浓缩装置
US20230137348A1 (en) A method and arrangement for capturing CO2
KR101681601B1 (ko) 이산화탄소 공급 장치
Kong et al. Research needs targeting direct air capture of carbon dioxide: Material & process performance characteristics under realistic environmental conditions
WO2019187582A1 (ja) ガス回収濃縮装置
CN108031238B (zh) 捕获大气中二氧化碳用于设施农业的装置及使用方法
CN102052713A (zh) 空气调节装置
AU2013292078A1 (en) Device for temperature swing process
US20110073669A1 (en) Apparatus and method for energy recovery
CN110871014A (zh) 具有移动床结构的co2洗涤器
US20240110712A1 (en) Systems and methods for air dehumidification in an enclosed space
JP2005233435A (ja) 吸収式除湿空調システム
CN107816752A (zh) 除湿净化复合新回风空气处理装置
CN106123128A (zh) 一种基于低温冷源的室内有害气体去除装置
CN205939413U (zh) 一种基于低温冷源的室内有害气体去除装置
JPH10128059A (ja) 燃焼排ガスから二酸化炭素を回収するための２段式吸着分離設備および２段式二酸化炭素吸着分離方法
RU2097115C1 (ru) Система очистки воздуха от диоксида углерода
CN109603379A (zh) 低温空气净化装置
CN209501181U (zh) 低温空气净化装置
CN110678698A (zh) 空调方法和装置
Akanksha Tiwari et al. New way of cooling by desiccant cooling system.