基于半導體制冷技術的淡水制造機研究

龍文 謝青 陳蓮芳

摘要：該文針對溫熱帶海島缺少淡水的實際，從分析空氣取水的可行性出發，研究了目前空氣取水的成果，提出用半導體制冷片從空氣中取得淡水的構想，經反復測試、不斷優化，設計了一套簡單、實用的淡水制造機的方案，實現了從空氣中取水的目標。

關鍵詞：半導體制冷；空氣取水；淡水制造；太陽能

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0247-02

據中國海洋局最新發布的首個海島統計調查公報顯示，截止到2015年底，我國共有海島11000多個，面積超過500m2的島嶼6536個，有人居住的450個。它們多分布在南方，其中東海4300多個、南海1700多個，東海屬溫帶-亞熱帶季風氣候，南海屬熱帶海洋性季風氣候，特點是空氣溫暖、濕潤。海南省作為我國海洋面積最大省份，發展海洋經濟、建設海洋強省、維護海洋權益已納入2017年重點工作之一。

在離岸較遠的海島，淡水成為人民生活、工作、旅游的瓶頸，既要節約用水外，更要采用新技術、新設備，尋找更多、更廣的方法提供淡水供給。

1 空氣取水技術的構想

傳統諸如從地下水、江河水、雨雪水等獲取淡水的方式不能完全滿足中小型海島的需要，而海水淡化技術目前主要是通過生物能源、太陽能、風能等對海水進行蒸餾、冷凍來生成淡水，投入大、設備多、技術難度深。

近年來科研人員展開研究，探索從空氣中獲取淡水的技術，通過對濕空氣進行冷卻結露、聚霧、吸附解析等方式生成淡水。空氣取水設備輕便、應用范圍廣，非常適合高山、海島、戈壁甚至沙漠等環境。

2 空氣取水的可行性分析

地球空氣中有大量水分子，海洋性氣候地區空氣中含水達120g/m3，水在引力、太陽、氣流等作用下，不斷進行固態、液態、氣態地轉換。宋金明[1]研究顯示，近海上空空氣含鹽量很低，7～8月最高，為0.72mg/m3，10月最低，為0.34 mg/m3，對冷凝淡水的影響可忽略。

冷卻結露式取水是對空氣進行冷凝，當溫度高的空氣遇到溫度低的冷凝器時，空氣中的水蒸氣在低于露點溫度后，冷凝成液態的水。目前有壓縮式、吸收式和半導體式三種制冷方式，壓縮式采用壓縮機，制冷效率高，但能源消耗大；吸收式使用的如溴化鋰等物質對金屬有腐蝕性，設備要求高，冷卻負荷大；半導體熱電制冷無制冷劑沒有機械部件，具有清潔、低噪音、制冷快、易調節及易小型化等優點，但制冷效率偏低。

目前市場上有很多成熟的半導體制冷片，利用半導體制冷片的帕爾貼效應，通直流電后，制冷片制冷，會使通過的暖水蒸氣遇冷凝結成水。其原理是一N型半導體元件和一只P型半導體元件經金屬導流條連接成熱電偶，通電后冷端產生吸熱制冷現象，熱端產生放熱現象。

3 空氣取水技術研究現狀

目前空氣取水研究圍繞空調的較多，主要是利用空調冷凝水噴灑冷凝器，降低冷凝溫度和壓縮機的排氣溫度，達到節能的目的。另有如周圓、陳香等研究者是基于冷凝蒸發器進行制冷來進行空氣取水。

通過查找文獻，發現利用半導體制冷技術獲取淡水的研究較少，主要是軍方，如：

空軍工程設計研究局的羅繼杰[2]在2004年設計了基于壓縮機制冷的取水系統、多層次凈化處理系統、復雜智能的電控系統三個子系統的取水方案。

解放軍175醫院的張濤[3]對野戰條件下便攜式空氣取水的可行性進行探索，從半導體制冷片、太陽能制冷匹配、冷凝器、水過濾等四個模塊入手，并提出在低溫情況下用熱端產生的熱量將進風口的冷空氣預熱的構想。

解放軍理工大學的郝秀淵[4][5]針對干燥地區，空氣濕度小，直接采用冷凍結露式取水難以實現，提出先采用吸附解析法將空氣中的水汽富集，再使用冷凍結露法取水的設計模型。

4 本項目的設計方案

4.1 電源的設計

由于南方日照充分，太陽能資源豐富，光伏發電過程簡單，且現在光伏組件體積小、性能高、價格低，適合本項目需要。但太陽能只有在陽光下才能工作，所以設計兩個電源的組合，一是將4個6V太陽能發電板兩兩串聯再并聯作為白天的電源使用，二是配備一個12V的蓄電池在晚上供電給系統，并另用2個6V太陽能發電板串聯在有陽光時給蓄電池充電。通過一個雙極開關保證只能從太陽能或蓄電池選擇一個來供電。

4.2 制冷及散熱模塊的設計

采用元件對數127、額定電壓DC12V、致冷功率58W的半導體制冷片1個，在熱端采用導熱性能較好的材料做成散熱器，并與散熱風扇組合，安裝時注意風扇的風向要往外排出熱風，而不能往冷凝片方向鼓風，再在風扇上安一回風管，將熱空氣送到冷凝室。

4.3 冷凝器模塊的設計

在冷凝的過程中，水蒸氣會呈現珠狀凝結和膜態凝結這兩種形態。如果冷凝壁的疏水性較強，水蒸氣遇冷會凝結成很多隨機分布、大小不一的液滴，稱為珠狀凝結。當冷凝壁表面能較高時，液體就容易吸附在冷凝器表面并鋪展成膜，叫做膜狀凝結。在膜態凝結的過程中，由于液體在冷凝壁面形成膜，熱交換要先通過凝結液層來導熱，造成熱量與壁面發生的是間接熱交換，所以珠狀凝結比膜狀凝結擁有更高的傳熱系數，可大幅提高能量利用率。所以本項目在制冷片下安裝表面粗糙的純鋁柵狀導冷片作為冷凝器，加大其與新的熱空氣接觸面積，并有利于液滴的形成。為提高水滴合并和脫落效率，在冷凝器下安裝較光滑、傾斜的翅片，并鉆孔方便水滴落下。

4.4 冷凝室的設計

冷凝室是新風進入并進行冷凝的場所，空間不易過大，將散熱模塊和冷凝模塊至于冷凝室的上方，便于水滴利用重力向下運動、滴落[6]。通過風扇將室外溫濕空氣吹入，為防止室內氣體發生紊流，在進風口對面開一些小的出風口，為提高新空氣的溫濕度，將回風口開在靠近進風口處[7]。進風口應略低于冷凝器，風向略微朝上，這樣既可以讓濕空氣流過制冷片冷端的速度不至過快，讓濕空氣與冷凝器能進行充分的熱濕交換，還能減少水滴的蒸發。

4.5 集水室的設計

將冷凝室的下端設計成便于淡水收集的漏斗形狀。冷凝水是從空氣中的水蒸氣冷凝而成，由于空氣含有一些雜質，所以必須凈化。本項目在集水室和冷凝室的結合部，采用由上而下分層放置洗凈的石英砂、活性炭、蓬松棉，中間分別放置紗布，做成一凈水裝置。

4.6 結構設計和電路設計

5 測試數據分析

測量時熱端溫度為散熱器溫度，冷端溫度為冷凝器溫度，未加回風管。半導體制冷片通電后，熱端溫度增加、冷端溫度越低，通電10分鐘后半導體制冷片的冷、熱端溫度達到穩定，能保證冷熱兩端溫度不發生較大波動。10分鐘后產生水珠，30分鐘開始脫落。本數據與10月初（環境溫度為33℃）集水量少了約20ml。加回風管后水量提升不是很明顯。

由于測試時陽光不是十分充足，太陽能的效率偏低。通過調整太陽能發電板的傾角，顯示40°～60°間輸出功率比其他角度大，在45°時達到最大值，所以在架設太陽能發電板時，傾角盡量接近45°。

6 結論

通過多次測量，本項目冷凝水的量與制冷片制冷效果、溫度、濕度、新風等因素呈正相關，蓄電池效果強于太陽能效果，溫度變化影響大于濕度。利用半導體制冷技術從空氣中取得淡水是可行的，造價低、體積小、攜帶方便、易安裝，能對缺水地區帶來較好的淡水補充，本項目的產品不僅可用于海島，同樣可應用到沙漠等干旱地區，具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

[1] 宋金明. 近海岸（青島）大氣鹽份研究[J]. 海洋環境科學，1994（5）.

[2] 羅繼杰. 野外作業用空氣取水設備研究與應用[J]. 暖通空調，2004，34（4）.

[3] 張濤. 野戰嚴重缺水條件下便攜式空氣取水器的研制[J]. 醫療衛生裝備，2010（8）.

[4] 郝秀淵. 吸濕解析和冷凍結露復合法空氣取水方案探討[J]. 人民長江，2016（11）.

[5] 李強，郝秀淵. 空氣取水技術研究綜述[J]. 山西建筑，2016（11）.

[6] 姬利明. 家用空調冷凝水節能利用探討[J]. 低溫與超導，2011（5）.

[7] 王贊社. 濕熱地區家用空調冷凝水回收硏究[J]. 暖通空調，2015（12）.