太阳能空气取水管实验研究及应用分析

赵惠忠， 吴天浩， 刘 涛

（上海海事大学 商船学院， 上海 201306）

0 引言

沙漠地区气候干燥，但空气中仍然存在着大量水蒸气。 利用沙漠地区良好的日光照射条件，将沙漠地区空气中的水蒸气转变成液态水，能够缓解沙漠地区的缺水问题。

从空气中获取淡水的方法主要包括雨水收集法、制冷结露法和吸附空气制水法。 对于空气湿度较低的地区， 利用制冷结露法制取淡水时，会受到空气露点较低等因素的影响，导致系统的能耗较大且产水率较低，因此，该方法不适用于干旱地区[1]。对于吸附空气制水法，Srivastava 根据印度的大气条件，利用1.5 kg 砂和浓度为37%的氯化钙制成复合材料，并利用该复合材料进行制水实验，实验结果表明，该复合材料每天的最大产水量为115 mL[2]。 Kumar M 研制出了一种能够从大气中捕获水分的新型复合吸附材料（CaCl2/saw wood），通过研究发现，该复合材料的最大制水量为180 mL/（kg·d）[3]。 杨凡对适用于空气取水的套管式吸附床的吸附特性进行了研究，分析结果表明，吸附床吸附量随着风机功率的增加而增加，此外，增大传质通道的直径能够更好地提高吸附量[4]。 王如竹建立了ACF-LiCl 模块化空气取水系统，该系统中填充了70 kg 吸附剂，最大取水量为38.5 kg[5]。 Farhad F 设计了一种嵌套式空气取水系统， 该系统中的吸附床是由质量为1.2 kg的MOF-801 压制而成的体积为2 945 cm3的多孔金属薄片， 该系统一昼夜制取液态水的质量的最大值为120 g[6]。 本课题组发明了一种太阳能吸附取水管，并通过实验和数值模拟，得到了该太阳能吸附取水管的取水效率发现， 当管内的空气最大流速约为2.45 m/s 时， 单只太阳能空气取水管每天的取水量约为0.753 L[7]，[8]。 此外，本课题组通过实验测试了5A 分子筛的开式吸附性能， 实验结果表明，5A 分子筛的平衡吸附量、 累积吸附速率均与环境的相对湿度呈正相关， 均与环境温度呈负相关， 当环境温度由25 ℃降低至10 ℃时，5A分子筛的平衡吸附量增加了56%[9]。

本课题组以干旱地区丰富的太阳能作为驱动脱附能源， 通过试验研究了太阳能空气取水管的制水性能，发现沙漠地区空气的相对湿度较低（约为30%），在该地区吸附剂对空气中水蒸气的吸附能力低于上海地区（空气相对湿度约为60%），并且吸附剂在相对湿度为36.5%条件下的吸附性能约为相对湿度为69%条件下的80%，因此，沙漠地区吸附剂总的空气取水量比上海地区约低了20%[9]。 本文根据以上研究结果，进一步分析了将太阳能空气取水技术应用于沙漠地区的可行性，以期获得在沙漠地区建立补水站以及进行滴灌小型化种植的可行性。

1 太阳能空气取水管以及实验系统

1.1 太阳能空气取水管原理

太阳能空气取水管 （Solar Watering Tube，SWT）利用吸附床内13X 沸石吸附剂吸附空气中水蒸气；然后，利用太阳能脱附水蒸气；最后，利用冷凝管使水蒸气凝结，以获得液态水。太阳能空气取水管的制水过程不受周围区域水资源的影响[7]。

太阳能空气取水管的结构及其吸附-脱附制水循环示意图如图1 所示。

图1 太阳能空气取水管的结构及其吸附-脱附制水循环示意图Fig.1 Structure and adsorption-desorption water production cycle of solar air watering tube

由图1 可知， 太阳能空气取水管主要由真空集热管（包含内管、外管和真空层）、吸附床（填充了13X 沸石吸附剂）、吸附床水蒸汽通道、吸附床顶端滤网、密封塞、冷凝管、集水瓶组成。太阳能空气取水管的吸附-脱附循环过程主要包括夜间的吸附过程和白天的脱附制水过程。 具体的循环过程：夜间，将真空集热管与密封塞分开，含有水蒸气的空气流经吸附床，吸附床内的13X 沸石吸附剂开始吸附空气中的水蒸气；白天，利用密封塞将真空集热管端口密封， 吸附床吸收太阳能辐射能后，温度逐渐升高，吸附床内的水蒸气逐渐脱附出来，脱附出的水蒸气进入冷凝管冷凝成液态水，而后靠重力流至集水瓶保存起来。

1.2 实验的建立

图2 为太阳能空气取水管实验系统结构图。由图2 可知， 太阳能空气取水管实验系统主要由小型气象站、TBQ-2 总辐射表、QTS-4 全天候光辐射数据自记仪、吉时利2700 数据采集仪、太阳能空气取水管、冷凝器、计算机组成。 利用该实验系统进行测试，可以获得太阳能辐射强度，辐射总量参数，环境温度，环境湿度和太阳能空气取水管温度、取水量以及冷凝器温度等参数。

图2 太阳能空气取水管实验系统结构图Fig.2 Structure diagram of solar air watering tube experiment system

2 实验结果及数据分析

实验时间为2018 年5 月9 日-13 日，实验地点为上海地区。 实验期间的天气状况包括晴天和多云天气。 实验分别测试了单支太阳能空气取水管的各项参数，以分析环境温度、环境湿度、太阳能辐射强度、吸附床温度以及冷凝器温度（取水管冷凝温度）对太阳能空气取水管产水率的影响。

2.1 环境参数的变化

太阳能空气取水管的吸附过程以及水蒸气的冷凝过程主要受环境参数的影响。 图3 为5 月9日，环境温度和相对湿度的变化情况。

图3 测试日，环境温度和相对湿度的变化情况Fig.3 The variation of ambient temperature and relative humidity on test day

由图3 可以看出，5 月9 日，环境温度为20～31 ℃，平均温度为24.6 ℃，环境相对湿度为50%～70%，平均相对湿度为61.0%。

2.2 太阳能辐射强度的变化

太阳能辐射强度和累计辐射总量会影响太阳能空气取水管的脱附过程。测试日为晴天，有少许云，因此，测试日的太阳辐射强度较高。 图4 为5月9 日太阳能辐射强度的变化情况。

图4 测试日，太阳能辐射强度的变化情况Fig.4 Variation of solar radiation intensity on test day

由图4 可知：7：00 太阳能辐射强度约为100 W/m2，而后逐渐升高；12：15 达到最大值（790 W/m2）；在此之后，太阳能辐射强度逐渐降低，17：00为150 W/m2左右。 全日累计辐射总量约为19.74 MJ/（m2·d）。

2.3 太阳能空气取水管吸附床温度的变化

图5 为5 月9 日， 太阳能空气取水管吸附床温度的变化情况。

图5 测试日，太阳能空气取水管吸附床温度的变化情况Fig.5 The adsorbent bed temperature variation of the SWT on test day

由图5 可知：从6：00 开始，太阳能空气取水管的吸附床吸收太阳辐射能， 其温度逐渐升高；7：00，吸附床温度达到51 ℃左右，此时吸附剂开始脱附水蒸气；8：00 以后，吸附床温度迅速升高，水蒸气脱附量也逐渐增大；12：20 左右，吸附床温度达到200 ℃；14：35，吸附床温度到达最高的218℃，该温度基本可以将13X 沸石吸附剂内的水蒸气 完 全 脱 附。 由 图5 还 可 以 看 出：12：20-14：35，吸附床温度趋于平缓，这是由于当太阳能取水管温度较高时， 其填充吸附床的真空管热损失增大所导致；14：35 以后，随着太阳辐射强度逐渐降低，吸附床温度逐渐降低；17：00，吸附床温度降至175 ℃，此时脱附过程全部结束；次日3：00，吸附床温度达到50 ℃以下， 此时13X 沸石吸附剂开始吸附空气中的水蒸气， 当沸石吸附剂低于50 ℃时，13X 沸石吸附剂对水蒸气的吸附能力较高， 于是太阳能取水管进入了下一个吸附-脱附制水循环过程。

2.4 太阳能空气取水管冷凝温度的变化

图6 为5 月9 日， 太阳能空气取水管冷凝温度的变化情况。

图6 测试日，太阳能空气取水管冷凝温度的变化情况Fig.6 The condensation temperature variation of the SWT on test day

由图6 可知：6：00，几乎没有水蒸气从13X沸石吸附剂中脱附出来， 取水管冷凝温度与环境温度相差不大，此后，随着太阳辐射强度逐渐增大，吸附床脱附水蒸气量逐渐增加，从而导致取水管冷凝温度与环境温度之间的差值逐渐增加；11：30 左右， 该温度差达到了最大值， 约为8 ℃，此后，随着吸附床脱附水蒸气量逐渐减少，取水管冷凝温度与环境温度之间的温度差逐渐减小；14：00以后，温度差基本小于1 ℃。

2.5 太阳能空气取水管制水量

图7 为5 月9 日白天脱附过程中，太阳能空气取水管累积制水量的变化情况。

图7 白天脱附过程中，单支太阳能空气取水管累积制水量的变化情况Fig.7 Variation of the fresh water yield of a single SWT during daytime desorption

由图7 可知：7：00，太阳能空气取水管开始制水，但制水量较少，此后，随着太阳辐射强度逐渐升高，太阳能空气取水管的制水量逐渐增加；9：00以后，太阳能空气取水管制水量迅速增加；14：00左右，吸附床内的水蒸气基本脱附完成，而后，太阳能空气取水管的制水量逐渐减少；15：00-18：00，太阳能空气取水管的制水量约为8 mL；17：00以后，太阳能空气取水管的制水量趋近于0。制水量的测试时间为7：00-18：00， 该测试时间内，太阳能空气取水管的累积制水量约为113 mL。

2.6 太阳能空气取水管实验数据分析

本文于2018 年5 月9 日，12 日，13 日进行了太阳能空气取水管的取水实验。实验结果表明，在晴或多云的天气情况下，当环境温度为20～30 ℃，环境相对湿度为31%～83%， 太阳辐射量为17.1～21.0 MJ/（m2·d）时，太阳能空气取水管中心温度的最大、最小值分别约为230，40 ℃，这样可以分别满足吸附剂的脱附温度和吸附温度。

太阳能空气取水管的单位能量的制水量MPE为太阳能空气取水管的制水量与太阳辐射量之比， 该参数反映了太阳能空气取水管的能源利用能力。 通过实验结果发现：不同测试日，单支太阳能空气取水管的制水量MPD 分别为107，86，102 mL，MPE 分别为120，105，113 mL/MJ。 影响MPE 的因素主要包括环境温度、环境湿度和太阳辐射量。当太阳辐射量较高，吸附床脱附温度达到要求时，影响MPE 的主要因素为前日夜间吸附床对空气中水蒸气的吸附量。

3 太阳能空气取水管取水系统应用分析

图8 为太阳能空气取水系统的示意图。

图8 太阳能空气取水系统应用示意图Fig.8 Schemat diagram of solar air watering application system

由图8 可知， 太阳能空气取水系统主要由太阳能空气取水管、冷凝器、水箱和滴管器组成。 本文中的太阳能空气取水系统安装在屋顶面积为20 m2的建筑上。 若将20 支太阳能空气取水管组成1 个制水单元， 则每个制水单元每天可以制取液态水约2 L。 经过计算可知，该建筑的屋顶上可以安装8 组制水单元， 则每日可以制取液态水约为16 L。

4 结论

本文将13X 沸石吸附剂与太阳能集热管相结合，制成了太阳能空气取水管，通过对该取水管进行实验研究，得出了如下结论。

①当环境温度为18～32 ℃， 环境相对湿度为50%～80%， 太阳辐射量为17.1～21.0 MJ/（m2·d）时，太阳能空气取水管中心温度的最大、最小值分别约为230，40 ℃，能够分别满足吸附剂脱附和吸附过程的温度要求。

②通过实验发现，单支太阳能空气取水管每日能够制取液态水91～113 mL， 太阳能空气取水管的单位能量制取水量为90 ～102 mL/MJ。

③将20 支太阳能空气取水管组成一个制水单元， 则在屋顶面积为20 m2的建筑上可放置8组制水单元，那么太阳能空气制水系统的制水量约为16 L/d。