空气冷凝取水技术的研究现状

李维瑄 张延龙 郑力燕 黄彭鑫悦 王孟楠 胡维仪

摘 要：本文介绍了现目前冷凝取水的现状与发展。目前，空气冷凝取水有两种，种是露点取水，一种是吸附剂取水。近几年，随着全球缺水化问题的日益严重，空气冷凝取水成为了热点话题，国内外的许多科学家、发明家等都纷纷以此为研究对象，创造出新的科技产品等来解决缺水问题。空气冷凝取水技术正在一步一步地进行完善与优化，大家都在为解决缺水问题而做出努力。

关键词：空气冷凝取水；进展；趋势

中图分类号：TV213 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）11-0226-02

0 引言

全球有多数国家、地区存在着水资源匮乏的问题，干旱地区的人们无法得到干净，水质有保障的饮用水和生活用水，长年的缺水状态，是他们生活的大难题。我国是一个严重缺水的国家，且水资源分布不均匀，南北水质差异大，所以我国进行了南水北调，引滦入津等等调水工程。可是调水工程前期国家投入巨大，工程周期长，需要耗费大量人力去修建，还可能会影响周边居民的正常生活，且无法立刻运用于实际生活。就此，全球的科学家、发明家等等积极投身于发明，创造各种产品，科技用于解决水资源缺乏问题。其中空气取水成为研究热点，大家纷纷从不同角度进行研究。

1 冷凝取水原理

目前空气取水的方法一般有两种，一种是利用露点原理进行取水，另一种是利用吸附剂原理进行取水。我们的智能产水器的其中一个主要产水方法就是利用空气冷凝取水技术。大气空气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的，因此也叫做湿空气[1]。我们的智能产水器的冷凝水制冷片表面的空气温度下降到露点以下，在制冷机表面上凝结而成的水。空气中无论冷热都含有水蒸气。当空气中水分的含量超过饱和浓度，水就会冷凝出来。温度越高空气中可以含有的水分就越多；反之，温度越低空气中可以含有的水分就越少。具体产生多少，产生速度，要根据空气的饱和蒸汽压来计算。理论上，空气冷凝水是纯净水，但由于空气中的微小悬浮颗粒，微生物等是冷凝水中可能存在着肉眼看不到的微小杂质，所以普遍由空气冷凝取水技术取出来的水还需要进行净化才能完全放心饮用，但是用此技术取得的水的品质极高，在大多数地区所取得的水是完全符合我国生活用水标准的有的甚至可以直接饮用。

2 国内研究进展

现目前国内有多个公司，学校对空气冷凝取水进行研究，并得到相应研究成果，空气取水技术得到飞跃提升。本文中主要提取4个重要案例进行主要讲解。

2.1 安徽建筑大学热管低温蒸发端结露集水器

该装置不需要消耗任何能源。该装置与美国加州大学伯克利分校的WaterSeer装置原理相似，该装置白天利用热管的导热性能进行空气换热，将冷凝端埋入地下，上部蒸发端与金属集水盘连接将空气中的热量传给热管，再经热管传入地下与恒温土壤换热，使金属集水盘表面温度降到空气露点温度以下，凝结出水。夜晚利用温差，使集水器金属表面和空气的对流换热，使集水器表面空气温度迅速降到露点温度以下，析出水分加以利用。该装置可以很方便地储水，并且节约能源的利用，绿色环保，然而该装置所需的占地面积较大，且不方便移动，一般是固定在某个特定的地方。

2.2 深圳福能达空气与水科技发展公司的空气制水机

该设备一天能取水20-50升，且已经开始进入人们的日常生活中，但是目前该设备一般适合家用或者小范围区域使用。福能达空气制水机是先将空气中的水收集起来，然后再利用冷凝原理，再将产生的冷凝水进行进化从而达到饮用水标准的设备。整个过程具有取水效率高、能耗低、水质优良、自动控制等特点。目前福能达空气制水机只需要达到空气湿度25%左右就可以取水，比国内类似装置的湿度要求低了15%左右，实现低成本高效率地解决全球缺水污染问题。

2.3 上海交通大学空气中取水的设备

其中制冷剂气体冷凝热的一部分由冷凝器散热，另一部分用于加热热饮水储水器中的净化水，制冷剂液体的蒸发冷量一部分用于制水，另一部分用于冷却储水器中的净化水，我们就可以直接通过冷、热水龙头分别进行饮用水的饮用。这套饮水装置包括机、制水器、杀菌紫外灯和活性炭净化器、取水器等。该设备产水量大，且可以直接取用冷，热水，但是产水器体积大，适用范围不够普及。

2.4 中国空军某设计研究局的“战场生存保障空气取水设备”

中国空军某设计研究局的高级工程师罗继杰研制成功的“战场生存保障空气取水设备”，在5-43℃的范围内、相对湿度大于40%的条件下，每天可以从空气中提取30多公斤的纯净水，只要有电源就可以直接运行。提取的水经过层层过滤、消毒和添加一些人体所需的微量元素，水质完全达标并且可以直接饮用。但是该设备运用范围不广，只在军队推广，且必须要依靠电源，不能达到在条件十分恶劣时利用。

3 国外研究进展

国外也有很多优秀的空气取水案例，本文也主要选取4个典型案例进行分析。

3.1 以色列案例

以色列Water-Gen公司在近几年推出的空气取水系统有大型，中型和家用几种不同系列的設备。小型设备可用于家庭和办公室，每天大约能产生30升左右的水，中型设备每天平均生产600升左右清洁用水，大型设备每天能产生5000升左右饮用水，每天可大约为2500人提供饮用水。对于没有电的地区，Water-Gen公司还推出了一款靠电池运行的解决方案。不过Water-Gen公司的执行主席坦言，Water-Gen制造的水的成本比淡化水要高，在淡化水装置出现问题，无法供水时，Water-Gen就成为了代替方案。目前，Water-Gen公司还在进一步研发其核心技术，将空气取水设备安装到交通工具上，以便随时随地提供饮用水。Water-Gen公司的空气取水设备已经在印度，美国，拉丁美洲，一些非洲国家等展开应用。[2]

3.2 伯克利案例

美国加州大学伯克利分校的团队设计出一款名为WaterSeer的空气取水器。WaterSeer最大的亮点就是它能24小时不间断工作，且操作较为简单，也不需过多维护从当前的测试来看，WaterSeer每天最高能产水41升。而这款设备是作用原理是利用温差使水蒸气凝结来取水。WaterSeer整个装置高约1.7米左右，装置较为庞大，而且我们需要将WaterSeer插入地下深约六英尺的地方，设备开始运转后，我们不能直接获得饮用水，而是需要通过按压手动将水抽取出来。

3.3 德国弗劳恩霍夫学会下属的界面工程处理和生物技术研究所案例

2009年6月2日德国弗劳恩霍夫学会下属的界面工程处理和生物技术研究所宣布，他们和一家德国公司合作开发了一种可以将湿空气转化为饮用水的设备。这种设备的核心原理是利用盐水的吸湿作用将空气中的水分收集起来，而它的电能可完全依靠太阳能提供。该容器产水量大，使用太阳能节约能源，适用范围广。但该设备体积巨大，安装调试困难，且产水水质无法保障。

3.4 Fontus Airo案例

来自澳洲的工业工程师克里斯托夫研发出了一款可随时随地取水的空气集水瓶——Fontus Airo。该集水瓶的设计灵感源于一种在纳米布沙漠上生活的甲虫。它看上去就是一个普通的水瓶，但是这个空气集水瓶可以冷凝空气中的水分并将其转化成安全饮用水储存在水杯内。瓶子里安装了简单的空气压缩及过滤系统，可以过滤体积较大的污染物以及虫子等。集水瓶通过降低空气的温度来收集水分，通过抽气扇来加速冷凝速度达到产水效果。理想状态下，Airo每小时可以生成大约0.6升的水[3]。瓶身有一块太阳能電池板，给集水瓶供电，开始集水时，用户只需拧开盖子插上USB，将瓶子放置在太阳下即可。这款空气集水瓶虽然实现了取水个人化，操作简单快捷，缩小了空气取水的装置，但是这款杯子只能过滤掉较大的污染物和灰尘等，无法解决细菌问题，在空气污染较为严重的地方收集的水无法直接饮用。

4 空气冷凝取水技术发展趋势

近年来，随着地球能源的消耗，全球开始倡导可持续发展能源，推广绿色无污染，相比其它消耗大的产水技术，空气冷凝取水技术既节约了能源，又做到了环保高效，是十分可取的一项取水技术。并且空气取水的成本较低，操作简单，仅需一台机器，就可以提供健康安全的饮用水，它在一定程度上能够解决全球缺水问题。适用于各类场所，还可用于农业，畜牧业等生活场景。随着发明家，科学家对空气冷凝取水的深入研究，该项技术将更加普遍的运用与我们的生活中，为人类的生活提供便利，特别是让干旱地区居民的生活条件得到改善，让水资源的来源变得丰富起来。未来空气冷凝取水技术的前景将会十分可观，它的出现引起了社会各界的重视，而它对于人类又是一个造福世界的可持久利用的新新技术。

参考文献

[1] Cao Y Z，Wang S Y，Zhang G，et al.2009.Chemical characteristics of wet precipitation at an urban site of Guangzhou，South China[J].Atmospheric Research，94：462-469.

[2] 刘玉德，王硕，吴刚，张浩.空气制水技术研究现状及其发展应用[J].自动化应用，2017（02）：30-32.

[3] 澳洲推出黑科技水杯可从空气中搜集水分[J].家电科技，2018（01）：11.