带能量回收的直流式太阳能空气制水机设计

印红梅 白鸿涛 唐源海 邓佳妮

主要介绍一种带能量回收的直流式太阳能空气制水机，该制水机利用太阳能为直流压缩机供电，压缩制冷方式使空气达到露点制水。同时，为解决空气制水效率低、能量转化损失大的问题，制水机回收制水后的空气冷量预冷进入冷凝器的空气，达到提高制水效率的目的。通过理论计算，使用热管换热器回收制水冷量后，制水机制水效率提高25.1%。

太阳能; 空气制水机; 制水效率

TK519 A

［定稿日期］2022-05-09

［基金项目］西南科学大学城市学院信息与控制工程学院智慧能源技术应用研究中心科研项目（项目编号：XK2021-1）;四川省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202114045021）

［作者简介］印红梅（1989—），女，硕士，讲师，研究方向为暖通空调建筑节能。

1 空气制水

水是生命之源，尤其是在干旱地区，如何科学获得淡水资源是全世界一直在追求的目标。生活当中，每天都能观察到空气制水现象，如露水凝结、夏季空调滴水。与此同时，人们为了在沙漠、草原、高原、海洋等户外环境中满足人体必需饮用水往往会携带大量淡水，这样不仅会增加负重且不能持续提供水，给户外活动带来不便。户外环境中空气触手可及且空气中含水量充足，如普通空调房间中干空气含水量约12.7 g/kg，即使是沙漠地区干空气含水量也超过10 g/kg［1］；同时户外环境也有丰富的太阳能可供利用，空气制水是把空气中的气态水冷凝为液态水，空气取水的方法能直接打破地域的局限性。这意味着，只要有空气的地方，就有水源［2］。

空气制水一般的方法有3种，第一种是利用多孔吸附介质和无机盐制备的复合吸水材料，当湿空气通过吸水材料时，水蒸气被吸附，再通过加热使吸水材料的水蒸气脱附并由冷凝器冷凝为液态水完成制水过程。该方法不需要输入能量，但因水与化学试剂直接接触而存在水质问题；第二种是利用压缩式制冷或半导体制冷方式对空气进行制冷使其温度降至露点温度以下，空气中的水蒸气被冷却凝结为液态水完成制水过程，该方法制水速度慢、效率低，但其水质接近蒸馏水；第三种是通过送风机将空气吹入比较狭长的管道，在进入管道的前端部分将空气升温，末端部分将空气冷却，使通过末端的空气温度低于露点温度，管壁上即出现凝结的水滴，完成制水过程。目前，这3种空气制水技术的研究均处于发展阶段，利用压缩式制冷的制水技术发展相对成熟，其应用范围也比较广。第三种引导控制式空气制水技术研究的最少［3］。

2 制水机设计

为解决户外活动时能持续获得淡水，本文设计了一种能在户外使用且便于携带的带能量回收的直流式太阳能空气制水机。利用可折叠的太阳能光伏板，增加制水机的太阳能光伏板面积，同时使制水机便于携带；通过热管换热器回收风冷蒸发器排风冷量，利用排风冷量为蒸发器进风口的空气预冷，实现能量回收利用，达到加速制水机内空气冷却降温的目的。

带能量回收的直流式太阳能空气制水机利用太阳能为直流压缩机供电，压缩制冷方式使空气达到露点制水，并利用热管回收制水后的空气冷量预冷进入蒸发器的空气，实现对制水后的冷量回收利用，达到提高制水效率的目的，其原理如图1所示，工作状态如图2所示。

太阳能光伏板由顶面太阳能光伏板、折叠太阳能光伏板、侧面太阳能光伏板组成，侧面太阳能光伏板嵌入制水机4个侧面。当带能量回收的便携式太阳能空气制水机工作时，将折叠太阳能光伏板通过合页倾斜放置，顶面太阳能光伏板、折叠太阳能光伏板、侧面太阳能光伏板都能接受太阳光，太阳能光伏板发电后通过太阳能稳压控制模块为蓄电池充电，蓄电池通过控制模块向直流压缩机和冷凝器风机供电。不工作时，将折叠太阳能光伏板通过合页竖直放置并紧贴制水机各侧面。

直流压缩机通电后，制冷剂被压缩为高温高压的制冷剂蒸气并流向冷凝器，高温高压的制冷剂蒸气被冷凝器冷却降温为低温高压的制冷剂液体并流向热力膨胀阀，低温高压的制冷剂液体被热力膨胀阀节流为低温低压的制冷剂液体并流向蒸发器，低温低压的制冷剂液体在蒸发器内吸热成为高温低压的制冷剂气体后通过气液分离器后流向直流压缩机。蒸发器外的空气被制冷剂吸热后降温到露点温度以下，空气中的水蒸气被吸热后在蒸发器表面形成液态水，液态水通过集水槽流向蓄水池，用水时将溢水口处的开关打开，倾斜放置制水机即可将水倒出。

风冷冷凝器与风冷蒸发器之间设有保温挡风隔断，避免风冷冷凝器与风冷蒸发器的热量传递。为避免制水机倾斜放置时对热回收的影响，带能量回收的直流式太阳能空气制水机其热管换热器采用毛细芯热管。湿度传感器用于测试蒸发器排风口相对湿度，当蒸发器排风口相对湿度超过95%时，控制模块延时1 min后向蒸发器风机供电，蒸发器风机的通风量为进风单向阀与排风单向阀所包围空气体积的1～1.5倍，蒸发器风机达到该通风量后，蒸发器风机停止工作。在蒸发器风机通风时，蒸发器排风口的空气温度低于蒸发器进风口空气的露点温度，热管换热器通过热传导将蒸发器排风口的冷量回收，利用排风冷量为蒸发器进风口的空气预冷，实现能量回收利用。

3 制水效率计算

以四川省绵阳市夏季空调计算温度为例进行制水效率计算，通过GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》查得绵阳市夏季空气调节室外计算干球温度TW=32.6 ℃［4］，通过查阅焓湿图该状态点的干空气含湿量为dW=19.23 g/kg、干空气焓值hW=82.06 kJ/kg，相对湿度61.4%。

设蒸发器出风干球温度TZ=10 ℃，机器露点相对湿度90%，对应干空气含湿量dZ=6.86 g/kg，干空气焓值hZ=27.34 kJ/kg，热管换热器不考慮潜热回收量，仅按显热回收量计算，通过《全国民用建筑工程设计技术措施（节能专篇）》查得显热回收效率可取60%［5］，冷凝器风量为mL=300 kg/h，不进行能量回收时制水量ms=1 kg/h，制水机压缩制冷能效COP采用逆卡诺循环效率，冷凝器和蒸发器无传热温差。

带能量回收的直流式太阳能空气制水机空气状态焓湿图，其中1-2为热管换热器预冷过程，2-3-4为蒸发器制水过程（图3）。

由ms=（dW-dZ）Mz得式（1）：

Mz=2.25×10-2 kg/s（1）

式中：Mz为蒸发器空气量，（kg/s）。

蒸发器制冷量式（2）：

QC=Mz（hW-hZ）=1.23 kW（2）

式中：QC为蒸发器制冷量，（kW）。

制水机压缩制冷能效COP式（3）：

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

式中：TL为冷凝器出风温度;（℃）。

通过制水机能量守恒得式（4）：

QC+QCCOP=cmL（TL-TW）（4）

联合式（3）、式（4）得：TL=49.2 ℃、COP=7.22。

蒸发器制冷显热量式（5）：

QCX=cMz（TW-TZ）=0.51 kW（5）

式中：QCX为蒸发器制冷显热量，（kW）；c为空气定压比热，［kJ/（kg·K）］。

蒸发器回收显热量式（6）：

QCXh=η×QCX=0.308 kW（6）

式中：QCXh为蒸发器回收显热量，（kW）。

使用热管换热器能量回收后蒸发空气得到总冷量式（7）：

Qq=QC+QCXh=1.538 kW（7）

蒸发空气得到总冷量式（8）：

Qq=Mzh（hW-hZ）（8）

式中：Qq为蒸发空气得到总冷量，（kW）。

能量回收后蒸发器能处理的空气量式（9）：

Mzh=2.81×10-2kg/s（9）

式中：Mzh为能量回收后蒸发器能处理的空气量，（kg/s）。

能量回收后的制水量式（10）：

msh=（dW-dZ）Mzh（10）

式中：msh为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为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）

该计算结果以绵阳市夏季空调计算温度为例进行的理论计算，采用热管进行显热能量回收后制水效率可提高25.1%。通过计算分析可以得出，当室外空气温度相同时，在相对湿度越小的地区使用带能量回收的直流式太阳能空气制水机，回收显热能量越多，制水效率提高量也越大。

4 制水机应用

目前，空气制水技术已经在西方发达国家推广使用，并且该技术也相对成熟。日本、以色列、加拿大和美国等国家都在更加深入地研究空气制水装置［6］。国内对于空气制水技术研究起步较晚，与发达国家相比，还处于发展阶段，主要體现在制水装置能耗较高、出水量较小、对进入空气的相对湿度含量要求较高等方面。空气制水是一种非常有潜力的技术，适用于偏远、缺水严重的地区户外探险和科学考察，也可用于单兵、小型部队或无外界支援的部队等使用［7］。带能量回收的直流式太阳能空气制水机利用太阳能与直流压缩式冷凝制水相结合，可在户外不受制水能耗限制，。采用热管换热器回收制水后的空气冷量来预冷进入蒸发器的制水空气，实现能量回收来提高制水效率，空气制水机从空气中取水其水质接近蒸馏水［8］。

5 结束语

空气制水具有加工环境友好、开发潜力巨大、取水方便、避免地下水资源过度开采等诸多优点。但目前还处于发展时期，制水装置还有许多需要改进之处。本文通过热管换热器回收制水后的冷量并用于预冷进入蒸发器的制水空气，以干球温度32.6 ℃，相对湿度61.4%为例，通过理论计算可提高制水效率25.1%。

参考文献

［1］ 滑迎辉，郝刘仓，苏浩，等. 太阳能空气制水技术研究［J］. 化学工师，2017，31（7）：81-83.

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

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

［4］ 中华人民共和国住房和城乡建设部. 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范： GB 50736-2012［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2012.

［5］ 中国建筑设计研究院，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施—节能专篇［M］.2007.

［6］ 刘建勋，臧润清，赵东，等. 空气制水装置的性能研究［J］. 低温与超导，2015，43（5）：71-75.

［7］ 杨敏. 美军净水装备及技术发展综述［J］. 给水排水，2010，46（12）：125-130.

［8］ 曹振华. 分体式空调冷凝水作为饮用水的回收利用技术研究［J］. 制冷与空调（四川），2019，33（6）：617-620.