胡錕，武衛(wèi)東，汪力，華若秋

（上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

近年來我國家用凈水器市場需求隨經(jīng)濟水平的提升而逐步增長[1]。目前主流家用凈水器使用反滲透膜等膜過濾技術(shù)處理自來水以得到飲用純凈水，但需要定期清洗和更換膜，提高了用戶的使用成本[2]。因此研制一種不需要清洗和更換濾芯的凈水器對于家用凈水技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。

干空氣流經(jīng)潮濕表面時，只吸收水分而不吸收雜質(zhì)，然后流經(jīng)低溫表面可使空氣中的水蒸氣重新冷凝成液態(tài)水， 這稱之為增濕去濕原理（Humidification Dehumidification，HDH）[3]。這種方式無需過濾或蒸餾即可實現(xiàn)水凈化，常應(yīng)用于中、小型容量海水淡化領(lǐng)域，并利用太陽能和工業(yè)廢熱等低品位熱能加熱空氣或海水以提升加濕效果，此外在除濕制冷系統(tǒng)中也有部分應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究[4-5]。Kabeel 等[6]的研究顯示，HDH 原理制取的純凈水幾乎可去除水中所有的鹽類和有機物。還有一些學(xué)者對系統(tǒng)壓力、環(huán)境溫度、進水流量等系統(tǒng)參數(shù)進行了研究[7-10]。馮東東等[11]基于HDH 原理，利用內(nèi)燃機余熱加熱海水后在真空環(huán)境下產(chǎn)生水蒸氣以加濕空氣，高濕空氣流經(jīng)低溫板式換熱器后產(chǎn)生潔凈的冷凝水用于漁船飲用水。但是這些HDH系統(tǒng)利用的低品位熱能不適用于家用環(huán)境，且需要大型換熱器來保證換熱量，發(fā)展受到一定限制。

蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)作為一種僅消耗一定電能即可同時提供冷量和熱量的高效裝置[12-13]，也逐漸開始與太陽能聯(lián)用以解決傳統(tǒng)太陽能HDH 系統(tǒng)的性能容易受到日照輻射強度影響的弊病[14]。SRITHAR 等[15]基于HDH 原理研制了太陽能-熱泵海水淡化系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)部件過多，且回路中蒸發(fā)器和冷凝器的散熱量不一致，需采用開式空氣回路，這會影響水質(zhì)，無法滿足家用飲用純凈水要求。

綜上所述，利用HDH 原理對水進行深度凈化具有可行性，且已成功應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域，但是已有系統(tǒng)的部件過多或體積過大，且無法保證純凈水不受外界空氣污染，故不適用于家用凈水領(lǐng)域。鑒于此，本文在前人的基礎(chǔ)上提出一種基于HDH原理的新型家用純凈水制備系統(tǒng)，通過穩(wěn)態(tài)工況的熱力性能實驗，研究了系統(tǒng)在不同進水溫度下的產(chǎn)水特性，同時對系統(tǒng)進行了相關(guān)經(jīng)濟性分析，為其后續(xù)的應(yīng)用推廣提供參考。

1 系統(tǒng)工作原理與測試方法

1.1 工作原理和工作流程

本文提出的系統(tǒng)主要包括壓縮制冷裝置、噴淋裝置、水循環(huán)管路、多孔填料和風(fēng)機等，圖1為純凈水制備系統(tǒng)組成及原理圖。

系統(tǒng)工作原理和流程為：在風(fēng)機作用下，循環(huán)風(fēng)流經(jīng)主冷凝器被加熱，后進入多孔填料處與由噴淋孔流進的自來水進行熱濕交換，吸收水分形成高濕空氣（Humidification 過程），隨后流經(jīng)低溫的蒸發(fā)器表面，不斷地將空氣中的水蒸氣冷凝成液態(tài)水析出（Dehumidification 過程，即由此產(chǎn)出純凈水），被除濕后的循環(huán)風(fēng)再進入主冷凝器被加熱后進入下一個循環(huán)。未被循環(huán)空氣吸收的自來水滴入填料下方的集水槽中，在重力的作用下流入較低的輔助冷凝器中，與輔助冷凝器換熱后被加熱成高溫?zé)崴?/p>

需要說明的是，本系統(tǒng)采用閉式空氣循環(huán)以保證純凈水不受外界環(huán)境的污染。在忽略系統(tǒng)漏熱的情況下，為保證循環(huán)風(fēng)回路的能量平衡，主冷凝器和風(fēng)機的散熱量必須與蒸發(fā)器散熱量相等，然而制冷系統(tǒng)中總冷凝熱大于蒸發(fā)熱，因此設(shè)置輔助冷凝器通過與未被空氣吸收進入循環(huán)風(fēng)回路的殘余自來水換熱而釋放制冷系統(tǒng)多余的冷凝熱。

圖1 純凈水機系統(tǒng)原理圖及測點圖

1.2 測試方法

家用凈水機在使用過程中會受到季節(jié)（不同自來水進水溫度）的影響，因此需要在不同進水溫度下測試系統(tǒng)工作性能。本文測試中，利用恒溫水槽提供不同溫度、相同流量的水，每改變一次系統(tǒng)進水溫度，以循環(huán)風(fēng)溫度上下波動在0.5 ℃以內(nèi)作為系統(tǒng)穩(wěn)定的標(biāo)志，并利用稱重法測量系統(tǒng)持續(xù)工作30 min 產(chǎn)生的純凈水與高溫?zé)崴?，記錄有關(guān)系統(tǒng)運行參數(shù)，結(jié)束實驗。表1為本文所確定的實驗工況。

實驗系統(tǒng)測點布置如圖1所示，測量參數(shù)包括循環(huán)風(fēng)回路的溫度和相對濕度、風(fēng)機電流和循環(huán)風(fēng)速、制冷劑回路的溫度和壓力、水回路的溫度，以及系統(tǒng)進水和所制取純凈水的TDS 值、壓縮機功耗和系統(tǒng)穩(wěn)定運行30 min 內(nèi)所收集的純凈水量和熱水量；表2為測試儀表型號參數(shù)。

表1 實驗工況

表2 測試儀表的量程與精度

2 系統(tǒng)產(chǎn)水特性分析

通過穩(wěn)態(tài)工況的熱力性能實驗，得到系統(tǒng)產(chǎn)水特性（純凈水產(chǎn)水量、高溫?zé)崴a(chǎn)水量和單位能耗純凈水產(chǎn)水量等）隨不同進水溫度的變化情況，部分運行參數(shù)如表3所示。

圖2 進水溫度對純凈水產(chǎn)水量和高溫?zé)崴a(chǎn)水量的影響

圖2為純凈水產(chǎn)水量和高溫?zé)崴a(chǎn)水量隨不同進水溫度的變化曲線。從圖中可以看出，隨著進水溫度的上升，系統(tǒng)純凈水產(chǎn)水量隨之上升，高溫?zé)崴a(chǎn)水量隨之下降。原因在于：進水溫度上升導(dǎo)致填料處水與空氣的熱濕交換加強，且此時冷凝器出風(fēng)溫度也隨之上升，加濕效果增強，同時蒸發(fā)器進風(fēng)溫度（即填料出風(fēng)溫度）也隨之上升，這將加強循環(huán)風(fēng)與蒸發(fā)器的換熱效果，除濕效果提升，因此系統(tǒng)純凈水產(chǎn)水量隨之上升；而在進水流量一定的情況下，流經(jīng)填料被空氣吸收的水量（等于純凈水產(chǎn)水量）上升會導(dǎo)致流經(jīng)填料而未被空氣吸收的水量下降，即高溫?zé)崴a(chǎn)水量會隨著進水溫度的上升而下降。在本文工況下，純凈水產(chǎn)水量的最大值為692 g/h，最小值為580 g/h。

圖3 進水溫度對總功耗和單位能耗純凈水產(chǎn)水量的影響

圖3為系統(tǒng)總功耗和單位能耗純凈水產(chǎn)水量隨進水溫度變化的情況。這里單位能耗產(chǎn)水量是指系統(tǒng)消耗一度電可以獲得的純凈水量，由純凈水產(chǎn)水量除以系統(tǒng)總功耗后計算得到，單位為g/(kW·h)。由圖可知，系統(tǒng)功耗隨著進水溫度的上升而上升，且當(dāng)進水溫度大于15 ℃時，其上升幅度變大，單位能耗純凈水產(chǎn)水量先上升后下降。這是因為：風(fēng)機在風(fēng)量一定的條件下其功耗基本不變，但是由表3吸排氣壓力可知，進水溫度從5 ℃上升到15 ℃時，壓縮機吸排氣壓比上升幅度較小，因此壓縮機功耗上升幅度較??；當(dāng)進水溫度大于15 ℃時，排氣溫度已接近該品牌壓縮機推薦工作溫區(qū)（70 ℃～ 90 ℃）的上限，壓縮機壓比上升幅度變大，因此壓縮機功耗的上升幅度變大，進而導(dǎo)致系統(tǒng)總功耗在此時上升幅度變大。單位能耗純凈水產(chǎn)水量先升后降的原因是：當(dāng)進水溫度從5 ℃上升至15 ℃時，純凈水產(chǎn)水量上升幅度大于系統(tǒng)總功耗上升幅度，因此單位能耗純凈水產(chǎn)水量呈上升趨勢；當(dāng)進水溫度大于15 ℃時，系統(tǒng)總功耗上升幅度變大，故單位能耗純凈水產(chǎn)水量呈下降趨勢。在本文工況下，單位能耗純凈水產(chǎn)水量最大為1,996 g/(kW·h)，最小為1,898 g/(kW·h)。

由圖2和圖3進一步分析可知，當(dāng)系統(tǒng)工作在一般工況（進水溫度為15 ℃左右）時，系統(tǒng)工作效率（即單位能耗制水量）較高；當(dāng)系統(tǒng)工作在惡劣的夏季高溫工況（20 ℃～25 ℃）時，系統(tǒng)工作效率會有所降低，但是相應(yīng)的純凈水產(chǎn)水量會提高，可滿足夏季高溫天氣用戶較大的飲用水需求；當(dāng)系統(tǒng)工作在冬季低溫工況（5 ℃～10 ℃）時，系統(tǒng)總功耗較低，這說明系統(tǒng)可滿足用戶不同季節(jié)的不同需求。

實驗過程中，TDS 測試計的測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)所制取的純凈水TDS 均不高于4 mg/L，系統(tǒng)進水TDS 為180 mg/L，其脫鹽率可達97%，可替代市面上常見的膜過濾式家用凈水器，且滿足《家用和類似用途飲用水處理內(nèi)芯》[16]中規(guī)定的脫鹽率要求。

表3 系統(tǒng)運行工況數(shù)據(jù)

3 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

在進行經(jīng)濟性分析時，常采用附加投資償還年限法和費用年值法[17]。但是本文所研究的家用凈水器投資費用和年成本費較小，故采用尚存存等[18]提出的方法探究其與典型家用凈水器（反滲透膜型家用凈水器）經(jīng)濟性情況。

按照每人每日飲用純凈水用量為1.5～2 L/天，則一戶三口之家的年純凈水用量可按2,000 L/年計算。典型反滲透膜型家用凈水器每產(chǎn)出1,000 L 純凈水需更換一次反滲透膜，更換反滲透膜的成本按照600 元/套計算，廢水率為50%；由前文提供的數(shù)據(jù)計算可得，本文提出的純凈水制備系統(tǒng)純凈水與熱水產(chǎn)水量之比在1/5.7 至1/4.7，按1/5 計算，單位能耗純凈水制水量按其平均值1,947 g/(kW·h)計算，則在年需純凈水量同為2,000 L 時，兩種凈水器的運行經(jīng)濟性比較列于表4。

由表4可得，本文提出的系統(tǒng)相比于反滲透膜式凈水器，其初投資相對較多，但是運行費用低，10年總投資大大減少，具有廣闊的應(yīng)用前景，且在用水的同時可產(chǎn)生5 倍于純凈水產(chǎn)量的高溫?zé)崴ú簧儆?.1 L/h），其溫度不低于70 ℃，可作為生活熱水使用，因此本文提出的新型家用純凈水機的優(yōu)勢更加明顯。

表4 兩種凈水器的運行經(jīng)濟性

4 結(jié)論

1）本文基于HDH 原理和蒸氣壓縮制冷原理提出了一種新型家用純凈水制備系統(tǒng)，在不同季節(jié)工況（不同進水溫度）下，純凈水產(chǎn)量不少于580 g/h，純凈水TDS 小于4 mg/L，脫鹽率高達97%，滿足GB/T 30306-2013 中規(guī)定的脫鹽率要求，可替代膜過濾式凈水器。

2）進水溫度為15 ℃時，系統(tǒng)工作效率（即單位能耗純凈水產(chǎn)水量）最高，為1,996 g/(kW·h)；較低的進水溫度（5 ℃～10 ℃）有利于降低總功耗；較高的進水溫度（20 ℃～25 ℃）有利于提高純凈水產(chǎn)水量。

3）相比于典型反滲透膜型家用凈水器，本文所提出的新型家用純凈水機的初投資較大，但是運行費用低，10年總投資大大減少，且可同時產(chǎn)生不少于3.1 L/h、70 ℃以上的高溫?zé)崴┯脩羰褂?，無廢水產(chǎn)生，具有廣闊的應(yīng)用前景。