基于半导体制冷技术的淡水制造机研究

龙文 谢青 陈莲芳

摘要：该文针对温热带海岛缺少淡水的实际，从分析空气取水的可行性出发，研究了目前空气取水的成果，提出用半导体制冷片从空气中取得淡水的构想，经反复测试、不断优化，设计了一套简单、实用的淡水制造机的方案，实现了从空气中取水的目标。

关键词：半导体制冷；空气取水；淡水制造；太阳能

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）03-0247-02

据中国海洋局最新发布的首个海岛统计调查公报显示，截止到2015年底，我国共有海岛11000多个，面积超过500m2的岛屿6536个，有人居住的450个。它们多分布在南方，其中东海4300多个、南海1700多个，东海属温带-亚热带季风气候，南海属热带海洋性季风气候，特点是空气温暖、湿润。海南省作为我国海洋面积最大省份，发展海洋经济、建设海洋强省、维护海洋权益已纳入2017年重点工作之一。

在离岸较远的海岛，淡水成为人民生活、工作、旅游的瓶颈，既要节约用水外，更要采用新技术、新设备，寻找更多、更广的方法提供淡水供给。

1 空气取水技术的构想

传统诸如从地下水、江河水、雨雪水等获取淡水的方式不能完全满足中小型海岛的需要，而海水淡化技术目前主要是通过生物能源、太阳能、风能等对海水进行蒸馏、冷冻来生成淡水，投入大、设备多、技术难度深。

近年来科研人员展开研究，探索从空气中获取淡水的技术，通过对湿空气进行冷却结露、聚雾、吸附解析等方式生成淡水。空气取水设备轻便、应用范围广，非常适合高山、海岛、戈壁甚至沙漠等环境。

2 空气取水的可行性分析

地球空气中有大量水分子，海洋性气候地区空气中含水达120g/m3，水在引力、太阳、气流等作用下，不断进行固态、液态、气态地转换。宋金明[1]研究显示，近海上空空气含盐量很低，7～8月最高，为0.72mg/m3，10月最低，为0.34 mg/m3，对冷凝淡水的影响可忽略。

冷却结露式取水是对空气进行冷凝，当温度高的空气遇到温度低的冷凝器时，空气中的水蒸气在低于露点温度后，冷凝成液态的水。目前有压缩式、吸收式和半导体式三种制冷方式，压缩式采用压缩机，制冷效率高，但能源消耗大；吸收式使用的如溴化锂等物质对金属有腐蚀性，设备要求高，冷却负荷大；半导体热电制冷无制冷剂没有机械部件，具有清洁、低噪音、制冷快、易调节及易小型化等优点，但制冷效率偏低。

目前市场上有很多成熟的半导体制冷片，利用半导体制冷片的帕尔贴效应，通直流电后，制冷片制冷，会使通过的暖水蒸气遇冷凝结成水。其原理是一N型半导体元件和一只P型半导体元件经金属导流条连接成热电偶，通电后冷端产生吸热制冷现象，热端产生放热现象。

3 空气取水技术研究现状

目前空气取水研究围绕空调的较多，主要是利用空调冷凝水喷洒冷凝器，降低冷凝温度和压缩机的排气温度，达到节能的目的。另有如周圆、陈香等研究者是基于冷凝蒸发器进行制冷来进行空气取水。

通过查找文献，发现利用半导体制冷技术获取淡水的研究较少，主要是军方，如：

空军工程设计研究局的罗继杰[2]在2004年设计了基于压缩机制冷的取水系统、多层次净化处理系统、复杂智能的电控系统三个子系统的取水方案。

解放军175医院的张涛[3]对野战条件下便携式空气取水的可行性进行探索，从半导体制冷片、太阳能制冷匹配、冷凝器、水过滤等四个模块入手，并提出在低温情况下用热端产生的热量将进风口的冷空气预热的构想。

解放军理工大学的郝秀渊[4][5]针对干燥地区，空气湿度小，直接采用冷冻结露式取水难以实现，提出先采用吸附解析法将空气中的水汽富集，再使用冷冻结露法取水的设计模型。

4 本項目的设计方案

4.1 电源的设计

由于南方日照充分，太阳能资源丰富，光伏发电过程简单，且现在光伏组件体积小、性能高、价格低，适合本项目需要。但太阳能只有在阳光下才能工作，所以设计两个电源的组合，一是将4个6V太阳能发电板两两串联再并联作为白天的电源使用，二是配备一个12V的蓄电池在晚上供电给系统，并另用2个6V太阳能发电板串联在有阳光时给蓄电池充电。通过一个双极开关保证只能从太阳能或蓄电池选择一个来供电。

4.2 制冷及散热模块的设计

采用元件对数127、额定电压DC12V、致冷功率58W的半导体制冷片1个，在热端采用导热性能较好的材料做成散热器，并与散热风扇组合，安装时注意风扇的风向要往外排出热风，而不能往冷凝片方向鼓风，再在风扇上安一回风管，将热空气送到冷凝室。

4.3 冷凝器模块的设计

在冷凝的过程中，水蒸气会呈现珠状凝结和膜态凝结这两种形态。如果冷凝壁的疏水性较强，水蒸气遇冷会凝结成很多随机分布、大小不一的液滴，称为珠状凝结。当冷凝壁表面能较高时，液体就容易吸附在冷凝器表面并铺展成膜，叫做膜状凝结。在膜态凝结的过程中，由于液体在冷凝壁面形成膜，热交换要先通过凝结液层来导热，造成热量与壁面发生的是间接热交换，所以珠状凝结比膜状凝结拥有更高的传热系数，可大幅提高能量利用率。所以本项目在制冷片下安装表面粗糙的纯铝栅状导冷片作为冷凝器，加大其与新的热空气接触面积，并有利于液滴的形成。为提高水滴合并和脱落效率，在冷凝器下安装较光滑、倾斜的翅片，并钻孔方便水滴落下。

4.4 冷凝室的设计

冷凝室是新风进入并进行冷凝的场所，空间不易过大，将散热模块和冷凝模块至于冷凝室的上方，便于水滴利用重力向下运动、滴落[6]。通过风扇将室外温湿空气吹入，为防止室内气体发生紊流，在进风口对面开一些小的出风口，为提高新空气的温湿度，将回风口开在靠近进风口处[7]。进风口应略低于冷凝器，风向略微朝上，这样既可以让湿空气流过制冷片冷端的速度不至过快，让湿空气与冷凝器能进行充分的热湿交换，还能减少水滴的蒸发。

4.5 集水室的设计

将冷凝室的下端设计成便于淡水收集的漏斗形状。冷凝水是从空气中的水蒸气冷凝而成，由于空气含有一些杂质，所以必须净化。本项目在集水室和冷凝室的结合部，采用由上而下分层放置洗净的石英砂、活性炭、蓬松棉，中间分别放置纱布，做成一净水装置。

4.6 结构设计和电路设计

5 测试数据分析

测量时热端温度为散热器温度，冷端温度为冷凝器温度，未加回风管。半导体制冷片通电后，热端温度增加、冷端温度越低，通电10分钟后半导体制冷片的冷、热端温度达到稳定，能保证冷热两端温度不发生较大波動。10分钟后产生水珠，30分钟开始脱落。本数据与10月初（环境温度为33℃）集水量少了约20ml。加回风管后水量提升不是很明显。

由于测试时阳光不是十分充足，太阳能的效率偏低。通过调整太阳能发电板的倾角，显示40°～60°间输出功率比其他角度大，在45°时达到最大值，所以在架设太阳能发电板时，倾角尽量接近45°。

6 结论

通过多次测量，本项目冷凝水的量与制冷片制冷效果、温度、湿度、新风等因素呈正相关，蓄电池效果强于太阳能效果，温度变化影响大于湿度。利用半导体制冷技术从空气中取得淡水是可行的，造价低、体积小、携带方便、易安装，能对缺水地区带来较好的淡水补充，本项目的产品不仅可用于海岛，同样可应用到沙漠等干旱地区，具有广阔的市场前景。

参考文献：

[1] 宋金明. 近海岸（青岛）大气盐份研究[J]. 海洋环境科学，1994（5）.

[2] 罗继杰. 野外作业用空气取水设备研究与应用[J]. 暖通空调，2004，34（4）.

[3] 张涛. 野战严重缺水条件下便携式空气取水器的研制[J]. 医疗卫生装备，2010（8）.

[4] 郝秀渊. 吸湿解析和冷冻结露复合法空气取水方案探讨[J]. 人民长江，2016（11）.

[5] 李强，郝秀渊. 空气取水技术研究综述[J]. 山西建筑，2016（11）.

[6] 姬利明. 家用空调冷凝水节能利用探讨[J]. 低温与超导，2011（5）.

[7] 王赞社. 湿热地区家用空调冷凝水回收硏究[J]. 暖通空调，2015（12）.