帶能量回收的直流式太陽(yáng)能空氣制水機(jī)設(shè)計(jì)

印紅梅 白鴻濤 唐源海 鄧佳妮

主要介紹一種帶能量回收的直流式太陽(yáng)能空氣制水機(jī)，該制水機(jī)利用太陽(yáng)能為直流壓縮機(jī)供電，壓縮制冷方式使空氣達(dá)到露點(diǎn)制水。同時(shí)，為解決空氣制水效率低、能量轉(zhuǎn)化損失大的問題，制水機(jī)回收制水后的空氣冷量預(yù)冷進(jìn)入冷凝器的空氣，達(dá)到提高制水效率的目的。通過理論計(jì)算，使用熱管換熱器回收制水冷量后，制水機(jī)制水效率提高25.1%。

太陽(yáng)能; 空氣制水機(jī); 制水效率

TK519 A

［定稿日期］2022-05-09

［基金項(xiàng)目］西南科學(xué)大學(xué)城市學(xué)院信息與控制工程學(xué)院智慧能源技術(shù)應(yīng)用研究中心科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XK2021-1）;四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：S202114045021）

［作者簡(jiǎn)介］印紅梅（1989—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)榕照{(diào)建筑節(jié)能。

1 空氣制水

水是生命之源，尤其是在干旱地區(qū)，如何科學(xué)獲得淡水資源是全世界一直在追求的目標(biāo)。生活當(dāng)中，每天都能觀察到空氣制水現(xiàn)象，如露水凝結(jié)、夏季空調(diào)滴水。與此同時(shí)，人們?yōu)榱嗽谏衬?、草原、高原、海洋等戶外環(huán)境中滿足人體必需飲用水往往會(huì)攜帶大量淡水，這樣不僅會(huì)增加負(fù)重且不能持續(xù)提供水，給戶外活動(dòng)帶來(lái)不便。戶外環(huán)境中空氣觸手可及且空氣中含水量充足，如普通空調(diào)房間中干空氣含水量約12.7 g/kg，即使是沙漠地區(qū)干空氣含水量也超過10 g/kg［1］；同時(shí)戶外環(huán)境也有豐富的太陽(yáng)能可供利用，空氣制水是把空氣中的氣態(tài)水冷凝為液態(tài)水，空氣取水的方法能直接打破地域的局限性。這意味著，只要有空氣的地方，就有水源［2］。

空氣制水一般的方法有3種，第一種是利用多孔吸附介質(zhì)和無(wú)機(jī)鹽制備的復(fù)合吸水材料，當(dāng)濕空氣通過吸水材料時(shí)，水蒸氣被吸附，再通過加熱使吸水材料的水蒸氣脫附并由冷凝器冷凝為液態(tài)水完成制水過程。該方法不需要輸入能量，但因水與化學(xué)試劑直接接觸而存在水質(zhì)問題；第二種是利用壓縮式制冷或半導(dǎo)體制冷方式對(duì)空氣進(jìn)行制冷使其溫度降至露點(diǎn)溫度以下，空氣中的水蒸氣被冷卻凝結(jié)為液態(tài)水完成制水過程，該方法制水速度慢、效率低，但其水質(zhì)接近蒸餾水；第三種是通過送風(fēng)機(jī)將空氣吹入比較狹長(zhǎng)的管道，在進(jìn)入管道的前端部分將空氣升溫，末端部分將空氣冷卻，使通過末端的空氣溫度低于露點(diǎn)溫度，管壁上即出現(xiàn)凝結(jié)的水滴，完成制水過程。目前，這3種空氣制水技術(shù)的研究均處于發(fā)展階段，利用壓縮式制冷的制水技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，其應(yīng)用范圍也比較廣。第三種引導(dǎo)控制式空氣制水技術(shù)研究的最少［3］。

2 制水機(jī)設(shè)計(jì)

為解決戶外活動(dòng)時(shí)能持續(xù)獲得淡水，本文設(shè)計(jì)了一種能在戶外使用且便于攜帶的帶能量回收的直流式太陽(yáng)能空氣制水機(jī)。利用可折疊的太陽(yáng)能光伏板，增加制水機(jī)的太陽(yáng)能光伏板面積，同時(shí)使制水機(jī)便于攜帶；通過熱管換熱器回收風(fēng)冷蒸發(fā)器排風(fēng)冷量，利用排風(fēng)冷量為蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口的空氣預(yù)冷，實(shí)現(xiàn)能量回收利用，達(dá)到加速制水機(jī)內(nèi)空氣冷卻降溫的目的。

帶能量回收的直流式太陽(yáng)能空氣制水機(jī)利用太陽(yáng)能為直流壓縮機(jī)供電，壓縮制冷方式使空氣達(dá)到露點(diǎn)制水，并利用熱管回收制水后的空氣冷量預(yù)冷進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣，實(shí)現(xiàn)對(duì)制水后的冷量回收利用，達(dá)到提高制水效率的目的，其原理如圖1所示，工作狀態(tài)如圖2所示。

太陽(yáng)能光伏板由頂面太陽(yáng)能光伏板、折疊太陽(yáng)能光伏板、側(cè)面太陽(yáng)能光伏板組成，側(cè)面太陽(yáng)能光伏板嵌入制水機(jī)4個(gè)側(cè)面。當(dāng)帶能量回收的便攜式太陽(yáng)能空氣制水機(jī)工作時(shí)，將折疊太陽(yáng)能光伏板通過合頁(yè)傾斜放置，頂面太陽(yáng)能光伏板、折疊太陽(yáng)能光伏板、側(cè)面太陽(yáng)能光伏板都能接受太陽(yáng)光，太陽(yáng)能光伏板發(fā)電后通過太陽(yáng)能穩(wěn)壓控制模塊為蓄電池充電，蓄電池通過控制模塊向直流壓縮機(jī)和冷凝器風(fēng)機(jī)供電。不工作時(shí)，將折疊太陽(yáng)能光伏板通過合頁(yè)豎直放置并緊貼制水機(jī)各側(cè)面。

直流壓縮機(jī)通電后，制冷劑被壓縮為高溫高壓的制冷劑蒸氣并流向冷凝器，高溫高壓的制冷劑蒸氣被冷凝器冷卻降溫為低溫高壓的制冷劑液體并流向熱力膨脹閥，低溫高壓的制冷劑液體被熱力膨脹閥節(jié)流為低溫低壓的制冷劑液體并流向蒸發(fā)器，低溫低壓的制冷劑液體在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱成為高溫低壓的制冷劑氣體后通過氣液分離器后流向直流壓縮機(jī)。蒸發(fā)器外的空氣被制冷劑吸熱后降溫到露點(diǎn)溫度以下，空氣中的水蒸氣被吸熱后在蒸發(fā)器表面形成液態(tài)水，液態(tài)水通過集水槽流向蓄水池，用水時(shí)將溢水口處的開關(guān)打開，傾斜放置制水機(jī)即可將水倒出。

風(fēng)冷冷凝器與風(fēng)冷蒸發(fā)器之間設(shè)有保溫?fù)躏L(fēng)隔斷，避免風(fēng)冷冷凝器與風(fēng)冷蒸發(fā)器的熱量傳遞。為避免制水機(jī)傾斜放置時(shí)對(duì)熱回收的影響，帶能量回收的直流式太陽(yáng)能空氣制水機(jī)其熱管換熱器采用毛細(xì)芯熱管。濕度傳感器用于測(cè)試蒸發(fā)器排風(fēng)口相對(duì)濕度，當(dāng)蒸發(fā)器排風(fēng)口相對(duì)濕度超過95%時(shí)，控制模塊延時(shí)1 min后向蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)供電，蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量為進(jìn)風(fēng)單向閥與排風(fēng)單向閥所包圍空氣體積的1～1.5倍，蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)達(dá)到該通風(fēng)量后，蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)停止工作。在蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)通風(fēng)時(shí)，蒸發(fā)器排風(fēng)口的空氣溫度低于蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口空氣的露點(diǎn)溫度，熱管換熱器通過熱傳導(dǎo)將蒸發(fā)器排風(fēng)口的冷量回收，利用排風(fēng)冷量為蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口的空氣預(yù)冷，實(shí)現(xiàn)能量回收利用。

3 制水效率計(jì)算

以四川省綿陽(yáng)市夏季空調(diào)計(jì)算溫度為例進(jìn)行制水效率計(jì)算，通過GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》查得綿陽(yáng)市夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度TW=32.6 ℃［4］，通過查閱焓濕圖該狀態(tài)點(diǎn)的干空氣含濕量為dW=19.23 g/kg、干空氣焓值hW=82.06 kJ/kg，相對(duì)濕度61.4%。

設(shè)蒸發(fā)器出風(fēng)干球溫度TZ=10 ℃，機(jī)器露點(diǎn)相對(duì)濕度90%，對(duì)應(yīng)干空氣含濕量dZ=6.86 g/kg，干空氣焓值hZ=27.34 kJ/kg，熱管換熱器不考慮潛熱回收量，僅按顯熱回收量計(jì)算，通過《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施（節(jié)能專篇）》查得顯熱回收效率可取60%［5］，冷凝器風(fēng)量為mL=300 kg/h，不進(jìn)行能量回收時(shí)制水量ms=1 kg/h，制水機(jī)壓縮制冷能效COP采用逆卡諾循環(huán)效率，冷凝器和蒸發(fā)器無(wú)傳熱溫差。

帶能量回收的直流式太陽(yáng)能空氣制水機(jī)空氣狀態(tài)焓濕圖，其中1-2為熱管換熱器預(yù)冷過程，2-3-4為蒸發(fā)器制水過程（圖3）。

由ms=（dW-dZ）Mz得式（1）：

Mz=2.25×10-2 kg/s（1）

式中：Mz為蒸發(fā)器空氣量，（kg/s）。

蒸發(fā)器制冷量式（2）：

QC=Mz（hW-hZ）=1.23 kW（2）

式中：QC為蒸發(fā)器制冷量，（kW）。

制水機(jī)壓縮制冷能效COP式（3）：

COP=TZTL-TZ=273+10（273+TL）-（273+10）（3）

式中：TL為冷凝器出風(fēng)溫度;（℃）。

通過制水機(jī)能量守恒得式（4）：

QC+QCCOP=cmL（TL-TW）（4）

聯(lián)合式（3）、式（4）得：TL=49.2 ℃、COP=7.22。

蒸發(fā)器制冷顯熱量式（5）：

QCX=cMz（TW-TZ）=0.51 kW（5）

式中：QCX為蒸發(fā)器制冷顯熱量，（kW）；c為空氣定壓比熱，［kJ/（kg·K）］。

蒸發(fā)器回收顯熱量式（6）：

QCXh=η×QCX=0.308 kW（6）

式中：QCXh為蒸發(fā)器回收顯熱量，（kW）。

使用熱管換熱器能量回收后蒸發(fā)空氣得到總冷量式（7）：

Qq=QC+QCXh=1.538 kW（7）

蒸發(fā)空氣得到總冷量式（8）：

Qq=Mzh（hW-hZ）（8）

式中：Qq為蒸發(fā)空氣得到總冷量，（kW）。

能量回收后蒸發(fā)器能處理的空氣量式（9）：

Mzh=2.81×10-2kg/s（9）

式中：Mzh為能量回收后蒸發(fā)器能處理的空氣量，（kg/s）。

能量回收后的制水量式（10）：

msh=（dW-dZ）Mzh（10）

式中：msh為能量回收后的制水量，（kg/h）。

能量回收后的制水量式（11）：

msh=1.251 kg/h（11）

式中：msh為能量回收后的制水量，（kg/h）。

制水效率提高量式（12）：

Δη=1.251-11×100%=25.1%（12）

該計(jì)算結(jié)果以綿陽(yáng)市夏季空調(diào)計(jì)算溫度為例進(jìn)行的理論計(jì)算，采用熱管進(jìn)行顯熱能量回收后制水效率可提高25.1%。通過計(jì)算分析可以得出，當(dāng)室外空氣溫度相同時(shí)，在相對(duì)濕度越小的地區(qū)使用帶能量回收的直流式太陽(yáng)能空氣制水機(jī)，回收顯熱能量越多，制水效率提高量也越大。

4 制水機(jī)應(yīng)用

目前，空氣制水技術(shù)已經(jīng)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家推廣使用，并且該技術(shù)也相對(duì)成熟。日本、以色列、加拿大和美國(guó)等國(guó)家都在更加深入地研究空氣制水裝置［6］。國(guó)內(nèi)對(duì)于空氣制水技術(shù)研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還處于發(fā)展階段，主要體現(xiàn)在制水裝置能耗較高、出水量較小、對(duì)進(jìn)入空氣的相對(duì)濕度含量要求較高等方面?？諝庵扑且环N非常有潛力的技術(shù)，適用于偏遠(yuǎn)、缺水嚴(yán)重的地區(qū)戶外探險(xiǎn)和科學(xué)考察，也可用于單兵、小型部隊(duì)或無(wú)外界支援的部隊(duì)等使用［7］。帶能量回收的直流式太陽(yáng)能空氣制水機(jī)利用太陽(yáng)能與直流壓縮式冷凝制水相結(jié)合，可在戶外不受制水能耗限制，。采用熱管換熱器回收制水后的空氣冷量來(lái)預(yù)冷進(jìn)入蒸發(fā)器的制水空氣，實(shí)現(xiàn)能量回收來(lái)提高制水效率，空氣制水機(jī)從空氣中取水其水質(zhì)接近蒸餾水［8］。

5 結(jié)束語(yǔ)

空氣制水具有加工環(huán)境友好、開發(fā)潛力巨大、取水方便、避免地下水資源過度開采等諸多優(yōu)點(diǎn)。但目前還處于發(fā)展時(shí)期，制水裝置還有許多需要改進(jìn)之處。本文通過熱管換熱器回收制水后的冷量并用于預(yù)冷進(jìn)入蒸發(fā)器的制水空氣，以干球溫度32.6 ℃，相對(duì)濕度61.4%為例，通過理論計(jì)算可提高制水效率25.1%。

參考文獻(xiàn)

［1］ 滑迎輝，郝劉倉(cāng)，蘇浩，等. 太陽(yáng)能空氣制水技術(shù)研究［J］. 化學(xué)工師，2017，31（7）：81-83.

［2］ 王夕. 以色列的新技術(shù)：空氣“榨”水［N］. 北京科技報(bào)，2013-07-08（32）.

［3］ 劉玉德，王碩，吳剛，等. 空氣制水技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展應(yīng)用［J］. 自動(dòng)化應(yīng)用，2017（2）：30-32.

［4］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50736-2012［S］. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2012.

［5］ 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施—節(jié)能專篇［M］.2007.

［6］ 劉建勛，臧潤(rùn)清，趙東，等. 空氣制水裝置的性能研究［J］. 低溫與超導(dǎo)，2015，43（5）：71-75.

［7］ 楊敏. 美軍凈水裝備及技術(shù)發(fā)展綜述［J］. 給水排水，2010，46（12）：125-130.

［8］ 曹振華. 分體式空調(diào)冷凝水作為飲用水的回收利用技術(shù)研究［J］. 制冷與空調(diào)（四川），2019，33（6）：617-620.