帶能量回收的直流式太陽能空氣制水機設計

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能空氣制水機，該制水機利用太陽能為直流壓縮機供電，壓縮制冷方式使空氣達到露點制水。同時，為解決空氣制水效率低、能量轉化損失大的問題，制水機回收制水后的空氣冷量預冷進入冷凝器的空氣，達到提高制水效率的目的。通過理論計算，使用熱管換熱器回收制水冷量后，制水機制水效率提高25.1%。

太陽能; 空氣制水機; 制水效率

TK519 A

［定稿日期］2022-05-09

［基金項目］西南科學大學城市學院信息與控制工程學院智慧能源技術應用研究中心科研項目（項目編號：XK2021-1）;四川省大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：S202114045021）

［作者簡介］印紅梅（1989—），女，碩士，講師，研究方向為暖通空調建筑節能。

1 空氣制水

水是生命之源，尤其是在干旱地區，如何科學獲得淡水資源是全世界一直在追求的目標。生活當中，每天都能觀察到空氣制水現象，如露水凝結、夏季空調滴水。與此同時，人們為了在沙漠、草原、高原、海洋等戶外環境中滿足人體必需飲用水往往會攜帶大量淡水，這樣不僅會增加負重且不能持續提供水，給戶外活動帶來不便。戶外環境中空氣觸手可及且空氣中含水量充足，如普通空調房間中干空氣含水量約12.7 g/kg，即使是沙漠地區干空氣含水量也超過10 g/kg［1］；同時戶外環境也有豐富的太陽能可供利用，空氣制水是把空氣中的氣態水冷凝為液態水，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和無機鹽制備的復合吸水材料，當濕空氣通過吸水材料時，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水完成制水過程。該方法不需要輸入能量，但因水與化學試劑直接接觸而存在水質問題；第二種是利用壓縮式制冷或半導體制冷方式對空氣進行制冷使其溫度降至露點溫度以下，空氣中的水蒸氣被冷卻凝結為液態水完成制水過程，該方法制水速度慢、效率低，但其水質接近蒸餾水；第三種是通過送風機將空氣吹入比較狹長的管道，在進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溫度，管壁上即出現凝結的水滴，完成制水過程。目前，這3種空氣制水技術的研究均處于發展階段，利用壓縮式制冷的制水技術發展相對成熟，其應用范圍也比較廣。第三種引導控制式空氣制水技術研究的最少［3］。

2 制水機設計

為解決戶外活動時能持續獲得淡水，本文設計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能空氣制水機。利用可折疊的太陽能光伏板，增加制水機的太陽能光伏板面積，同時使制水機便于攜帶；通過熱管換熱器回收風冷蒸發器排風冷量，利用排風冷量為蒸發器進風口的空氣預冷，實現能量回收利用，達到加速制水機內空氣冷卻降溫的目的。

帶能量回收的直流式太陽能空氣制水機利用太陽能為直流壓縮機供電，壓縮制冷方式使空氣達到露點制水，并利用熱管回收制水后的空氣冷量預冷進入蒸發器的空氣，實現對制水后的冷量回收利用，達到提高制水效率的目的，其原理如圖1所示，工作狀態如圖2所示。

太陽能光伏板由頂面太陽能光伏板、折疊太陽能光伏板、側面太陽能光伏板組成，側面太陽能光伏板嵌入制水機4個側面。當帶能量回收的便攜式太陽能空氣制水機工作時，將折疊太陽能光伏板通過合頁傾斜放置，頂面太陽能光伏板、折疊太陽能光伏板、側面太陽能光伏板都能接受太陽光，太陽能光伏板發電后通過太陽能穩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和冷凝器風機供電。不工作時，將折疊太陽能光伏板通過合頁豎直放置并緊貼制水機各側面。

直流壓縮機通電后，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流為低溫低壓的制冷劑液體并流向蒸發器，低溫低壓的制冷劑液體在蒸發器內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。蒸發器外的空氣被制冷劑吸熱后降溫到露點溫度以下，空氣中的水蒸氣被吸熱后在蒸發器表面形成液態水，液態水通過集水槽流向蓄水池，用水時將溢水口處的開關打開，傾斜放置制水機即可將水倒出。

風冷冷凝器與風冷蒸發器之間設有保溫擋風隔斷，避免風冷冷凝器與風冷蒸發器的熱量傳遞。為避免制水機傾斜放置時對熱回收的影響，帶能量回收的直流式太陽能空氣制水機其熱管換熱器采用毛細芯熱管。濕度傳感器用于測試蒸發器排風口相對濕度，當蒸發器排風口相對濕度超過95%時，控制模塊延時1 min后向蒸發器風機供電，蒸發器風機的通風量為進風單向閥與排風單向閥所包圍空氣體積的1～1.5倍，蒸發器風機達到該通風量后，蒸發器風機停止工作。在蒸發器風機通風時，蒸發器排風口的空氣溫度低于蒸發器進風口空氣的露點溫度，熱管換熱器通過熱傳導將蒸發器排風口的冷量回收，利用排風冷量為蒸發器進風口的空氣預冷，實現能量回收利用。

3 制水效率計算

以四川省綿陽市夏季空調計算溫度為例進行制水效率計算，通過GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》查得綿陽市夏季空氣調節室外計算干球溫度TW=32.6 ℃［4］，通過查閱焓濕圖該狀態點的干空氣含濕量為dW=19.23 g/kg、干空氣焓值hW=82.06 kJ/kg，相對濕度61.4%。

設蒸發器出風干球溫度TZ=10 ℃，機器露點相對濕度90%，對應干空氣含濕量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，僅按顯熱回收量計算，通過《全國民用建筑工程設計技術措施（節能專篇）》查得顯熱回收效率可取60%［5］，冷凝器風量為mL=300 kg/h，不進行能量回收時制水量ms=1 kg/h，制水機壓縮制冷能效COP采用逆卡諾循環效率，冷凝器和蒸發器無傳熱溫差。

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

由ms=（dW-dZ）Mz得式（1）：

Mz=2.25×10-2 kg/s（1）

式中：Mz為蒸發器空氣量，（kg/s）。

蒸發器制冷量式（2）：

QC=Mz（hW-hZ）=1.23 kW（2）

式中：QC為蒸發器制冷量，（kW）。

制水機壓縮制冷能效COP式（3）：

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

式中：TL為冷凝器出風溫度;（℃）。

通過制水機能量守恒得式（4）：

QC+QCCOP=cmL（TL-TW）（4）

聯合式（3）、式（4）得：TL=49.2 ℃、COP=7.22。

蒸發器制冷顯熱量式（5）：

QCX=cMz（TW-TZ）=0.51 kW（5）

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

蒸發器回收顯熱量式（6）：

QCXh=η×QCX=0.308 kW（6）

式中：QCXh為蒸發器回收顯熱量，（kW）。

使用熱管換熱器能量回收后蒸發空氣得到總冷量式（7）：

Qq=QC+QCXh=1.538 kW（7）

蒸發空氣得到總冷量式（8）：

Qq=Mzh（hW-hZ）（8）

式中：Qq為蒸發空氣得到總冷量，（kW）。

能量回收后蒸發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）

該計算結果以綿陽市夏季空調計算溫度為例進行的理論計算，采用熱管進行顯熱能量回收后制水效率可提高25.1%。通過計算分析可以得出，當室外空氣溫度相同時，在相對濕度越小的地區使用帶能量回收的直流式太陽能空氣制水機，回收顯熱能量越多，制水效率提高量也越大。

4 制水機應用

目前，空氣制水技術已經在西方發達國家推廣使用，并且該技術也相對成熟。日本、以色列、加拿大和美國等國家都在更加深入地研究空氣制水裝置［6］。國內對于空氣制水技術研究起步較晚，與發達國家相比，還處于發展階段，主要體現在制水裝置能耗較高、出水量較小、對進入空氣的相對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，適用于偏遠、缺水嚴重的地區戶外探險和科學考察，也可用于單兵、小型部隊或無外界支援的部隊等使用［7］。帶能量回收的直流式太陽能空氣制水機利用太陽能與直流壓縮式冷凝制水相結合，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預冷進入蒸發器的制水空氣，實現能量回收來提高制水效率，空氣制水機從空氣中取水其水質接近蒸餾水［8］。

5 結束語

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

參考文獻

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

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

［3］ 劉玉德，王碩，吳剛，等. 空氣制水技術研究現狀及其發展應用［J］. 自動化應用，2017（2）：30-32.

［4］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范： GB 50736-2012［S］. 北京：中國建筑工業出版社， 2012.

［5］ 中國建筑設計研究院，中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施—節能專篇［M］.2007.

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

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

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