涂 壤，劉孟丹，王思琪

(北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

我國是一個水資源短缺的國家，國務院高度重視城鎮(zhèn)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)節(jié)水及水資源高效利用問題.《國務院關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度的意見》[1]及《中國節(jié)水技術(shù)政策大綱》[2]明確指出，在完善節(jié)水措施基礎(chǔ)上，推進非常規(guī)水源開發(fā)利用，鼓勵在缺水以及氣候條件適宜的地區(qū)推廣空氣冷卻技術(shù)，鼓勵研究開發(fā)運行高效、經(jīng)濟合理的空氣冷卻技術(shù)和設備.

我國西北內(nèi)陸干燥地區(qū)的淡水資源極其短缺，嚴重影響居民日常生活和農(nóng)業(yè)灌溉需求.雖然內(nèi)陸干燥地區(qū)空氣較潮濕地區(qū)更為干燥，但是其中仍含有一定量的水蒸氣.通過廉價、高效的方法，將空氣中水蒸氣進行凝結(jié)獲取淡水，則可有效解決當?shù)氐Y源短缺問題.現(xiàn)有空氣取水技術(shù)主要分為低溫冷卻法和太陽能驅(qū)動吸附法等.

低溫冷卻法采用低于空氣露點溫度的冷源將空氣中水蒸氣凝結(jié)為液態(tài)水.現(xiàn)有冷源制取方法主要分為壓縮式制冷和半導體制冷.壓縮式制冷法取水量在0.13～4.2 kg/h[3-5]，能耗在0.22～1.43 (kW·h)/kg[4-6].受蒸發(fā)溫度限制，該種裝置適用于潮濕地區(qū).半導體制冷由于風量相對較小，取水量在0.02～0.11 kg/h[7-9]，能耗在0.39～5.21 (kW·h)/kg[10-11].在野外用于空氣取水時，通常采用太陽能光伏板供電[12].

吸附式空氣取水方法具有夜間吸附、白天脫附取水的周期性特征，單位質(zhì)量吸附材料日取水量為0.049～0.412 kg/d[13-15].此外該方法還可采用太陽能對脫附過程進行驅(qū)動[16-17].侴喬力等[18]提出了一種改進的太陽能吸附式空氣取水器，其系統(tǒng)取水效率大大提高.此外還有一些學者對吸附材料進行研究，提出了新型的復合吸附劑并對其吸附-解吸性能進行了測定[19-20].由于僅在有充足日照時才有可能發(fā)生脫附及水蒸氣凝結(jié)過程，脫附速率同太陽輻射強度密切相關(guān)，文獻中單位質(zhì)量的吸附劑的取水量范圍為0.049～0.412 kg/d.可見，吸附法日取水量低，且受脫附溫度和氣候影響，更適用于太陽強度大、氣候潮濕的季節(jié)和地區(qū).

綜上所述，已有取水方法均適用于潮濕地區(qū)，在干燥地區(qū)使用，存在取水量小、能耗高的問題[21]，需在已有方法基礎(chǔ)上研究適用于干燥地區(qū)使用的新流程.本文提出基于轉(zhuǎn)輪加濕及壓縮式制冷的空氣取水裝置，可采用熱泵系統(tǒng)或太陽能驅(qū)動，通過加濕流程及冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化分析，實現(xiàn)系統(tǒng)取水量大、單位取水量能耗低的目標.

1 轉(zhuǎn)輪輔助空氣取水機組工作原理

轉(zhuǎn)輪輔助加濕的空氣取水裝置基本工作原理為：先采用熱能驅(qū)動轉(zhuǎn)輪，將被除濕空氣(Adeh)中水蒸氣轉(zhuǎn)移到被加濕空氣(Ahum)中，再采用冷源對加濕后的Ahum冷卻除濕.由于冷卻取水前空氣含濕量增加，其露點溫度提高，取水潛力增加.

該機組可采用多級轉(zhuǎn)輪加濕結(jié)構(gòu)對空氣進行持續(xù)加濕，如圖1所示.機組采用N級轉(zhuǎn)輪，其中進口的被加濕空氣(Ahum,in)為環(huán)境狀態(tài)下的空氣(Aambi).被加濕空氣從室外狀態(tài)加濕為Ahum,2N(經(jīng)過第N級轉(zhuǎn)輪后的加濕空氣)后，經(jīng)冷卻器降溫除濕，出口的被加濕空氣為Ahum,out.每一級加濕流程包括1個轉(zhuǎn)輪(DW)、1個加熱器(H)、一股Adeh，1個Adeh側(cè)過濾器和Adeh側(cè)風機.每一級Adeh相互獨立，進口的被除濕空氣(Adeh,in)為Aambi，經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕后(Adeh,out)排出機組.Ahum經(jīng)每級轉(zhuǎn)輪加濕前需被加熱器加熱到再生溫度treg.

圖1 采用多級轉(zhuǎn)輪加濕的空氣冷凝取水系統(tǒng)Fig.1 Gas condensation atmospheric water harvesting system with multi-stage desiccant wheel configuration

蒸氣壓縮式冷熱源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.當采用熱泵系統(tǒng)為取水裝置提供熱量時，熱泵系統(tǒng)的冷凝器可以用做加熱器，對加濕空氣進行加熱，熱泵的蒸發(fā)器(Evap)從環(huán)境中取熱.此外，H熱源也可采用太陽能加熱器，在太陽能資源較為豐富的時期替代熱泵系統(tǒng)為Ahum的加濕過程提供熱量.冷卻取水過程采用圖2所示冷機系統(tǒng)驅(qū)動，冷卻器(C)為冷機系統(tǒng)蒸發(fā)器，冷凝器(Cond)向環(huán)境放熱.

圖2 蒸氣壓縮式冷熱源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System of heating and cooling sources powered by vapor compression cycles

本文基于圖1～2系統(tǒng)，研究其用于干燥地區(qū)空氣取水的性能.首先，在轉(zhuǎn)輪總體積、總風量一定的前提下，以小時取水量(WPR)為指標，研究高效加濕流程，包括treg、級數(shù)及空氣流量分配等因素.然后，基于具有較高WPR的轉(zhuǎn)輪加濕流程，分析理想冷熱源和實際冷熱源能耗以及各系統(tǒng)取水能效(WPE)，并與采用壓縮式制冷的低溫冷卻取水性能進行比較.

本研究采用轉(zhuǎn)輪熱濕傳遞模型計算空氣沿程溫濕度，轉(zhuǎn)輪模型具體描述及試驗驗證可參考文獻[22-23].本研究中選取硅膠吸附劑，基本參數(shù)為：密度為 1 129 kg/m3，比熱容為920 J/(kg·℃)，吸附熱為2.65×106J/kg，材料形狀因子為0.3，最大含水率為0.39 kg/kg[22-23].

2 機組加濕流程及性能分析

2.1 研究工況設計

基于DeST模擬軟件中烏魯木齊、吐魯番、和田以及喀什4個典型城市的全年日平均氣象參數(shù)，環(huán)境空氣含濕量(即空氣中水的質(zhì)量分數(shù)wambi)在3～15 g/kg的時間約占63%，環(huán)境空氣溫度(tambi)在15～35 ℃的時間約占47%.根據(jù)之前的研究結(jié)果[23]，建議該取水機組運行在空氣含濕量大于3 g/kg的條件下.因此，本文選擇討論5 g/kg和10 g/kg的環(huán)境空氣含濕量.此外，wambi較高時，tambi也會相應升高，故而在本文選取干燥(工況1：tambi=20 ℃，wambi=5 g/kg)和潮濕(工況2：tambi=30 ℃，wambi=10 g/kg)兩個工況.分析兩類加濕流程，即單級加濕流程(SS)和多級加濕流程(MS).SS有1個轉(zhuǎn)輪，而MS有多級轉(zhuǎn)輪，且每級轉(zhuǎn)輪采用獨立的Adeh.

表1 各工況下轉(zhuǎn)輪參數(shù)和空氣流量Tab.1 Parameters of desiccant wheels and air flowrates under each working condition

系統(tǒng)性能采用WPR和加濕效率ηhum評價，計算公式如下：

WPR=Ghumρ(whum,2N-whum,out)/1 000

(1)

(2)

(3)

2.2 加濕流程性能分析

本節(jié)對表1所列6個系統(tǒng)加濕性能進行分析.首先比較不同工況下的空氣處理流程，選取3個案例，即SS的Fr=1案例(同MS的N=1案例相同)、SS的Fr=3案例及MS的N=3案例.圖3所示為以上3個案例在treg=70 ℃時的空氣處理流程，圖中：t為溫度；φ為相對濕度；w為含濕量；Adeh,out,1、Adeh,out,2及Adeh,out,3為經(jīng)過每一級轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)后的被除濕空氣；Ahum,1、Ahum,2、Ahum,3、Ahum,4、Ahum,5及Ahum,6為依次經(jīng)過每級加熱器和轉(zhuǎn)輪加濕側(cè)后的被加濕空氣.

圖3 工況1下3個系統(tǒng)的空氣狀態(tài)變化Fig.3 Changes in air status of three systems under working condition 1

對比圖3(a)～3(b)，對于單級系統(tǒng)，增加Fr后，Adeh流量增加，Ahum流量降低，Ahum出口含濕量從Fr=1的9.0 g/kg增加到13.9 g/kg，但同時Ahum出口溫度從53.7 ℃降低到35.7 ℃，加濕過程中溫度的降低不利于轉(zhuǎn)輪后段空氣加濕.對比圖3(b)～3(c)，對于三級MS系統(tǒng)，Adeh總流量與SS的Fr=3案例相同，由于級間對Ahum加熱，Ahum溫度維持在較高范圍，有利于加濕，其whum,2N為15.7 g/kg，高于SS的Fr=3案例.但是由式(1)所示，WPR受whum,2N和Ghum同時影響.由于Ghum和whum,2N均隨Fr和N變化，因此需綜合考慮Ghum和whum,2N，對加濕流程進行優(yōu)化.

圖4為工況1、2下，SS、MS系統(tǒng)在不同treg時，WPR及ηhum隨Fr及N的變化趨勢.當treg一定時，WPR隨著Fr的增加先升高后降低，對于所有工況，當Fr=2時，WPR最高.這是因為Fr增加，whum,2N增加，但是Ghum降低，存在一個最優(yōu)Fr，使得WPR最高.從ηhum曲線可以看出，隨著Fr增加，Adeh流量增加，但ηhum降低，意味單位質(zhì)量流量Adeh中水蒸氣利用率降低.此時，需考慮改變系統(tǒng)運行參數(shù)或改進流程來提高ηhum.

通過對比不同treg下的WPR和ηhum可知，提高treg可提高WPR及ηhum，但會帶來相應能耗的增加.因此可通過改進加濕流程，即采用MS替代SS，來提高ηhum，如圖4中虛線所示，因為MS的Fr=N，級數(shù)增加后，ηhum降低，但是當N增加到一定值后，ηhum高于SS系統(tǒng)在相同F(xiàn)r時的值.對于相對干燥的工況1，當N=3時，MS的ηhum及WPR高于SS的Fr=3案例，對于相對潮濕的工況2，當N=2和3時，MS的ηhum及WPR均高于相應SS(Fr=N)的案例.

圖4 工況1、2下Fr和N對加濕系統(tǒng)WPR及ηhum 的影響規(guī)律Fig.4 Influence of Fr and N on WPR and ηhum of humidification systems under working conditions 1 and 2

對于圖4所有案例，MS的N=3案例具有最高的WPR.從提高WPR及保證較高ηhum的角度，推薦采用3級MS系統(tǒng).

3 機組冷熱源能效分析

本節(jié)基于N=3的MS系統(tǒng)，分析該空氣取水裝置的理想冷熱源系統(tǒng)能效和實際冷熱源系統(tǒng)能效，并同直接冷卻取水系統(tǒng)的理想能效和實際能效進行對比.空氣取水能效計算式為

WPE=WPR/E

(4)

式中：E為投入機組的能量.

3.1 加濕流程性能分析

理想冷熱源系統(tǒng)為無數(shù)級理想卡諾循環(huán)和理想逆卡諾循環(huán)，如圖5所示.圖中：qm為空氣的質(zhì)量流量；cp為空氣的比定壓熱容，本文取1.005 kJ/(kg·℃)；h為空氣的比焓；Q為熱量；T為熱力學溫度；Tambi為環(huán)境溫度.參考圖3(c)所示的空氣處理過程，Adeh,out,1、Adeh,out,2及Adeh,out,3的溫度高于室外溫度，具有做功能力，如圖5(a)所示，在空氣流動方向上構(gòu)建無數(shù)級卡諾熱機，圖中T1為除濕后空氣溫度.

卡諾熱機對外做功Wi,deh為

(5)

Ahum經(jīng)H加熱至treg，需外界對其做功，如圖5(b)，T2為H進口空氣溫度，T4為加熱器的出口空氣溫度.在空氣流動方向上構(gòu)建無數(shù)級逆卡諾循環(huán)熱泵，外界做功Wi,H為

圖5 無數(shù)級卡諾循環(huán)及逆卡諾循環(huán)Fig.5 Infinite stage Carnot cycle and reverse Carnot cycle

(6)

(7)

式中：T4為Ahum,out狀態(tài)的溫度.對于Ahum,2N到Ahum,out的降溫過程，如僅有溫度變化，則dQ=qm,humcpdt(qm,hum為被加濕空氣的質(zhì)量流量)，如果同時有濕度變化，dQ=qm,humdh，dh=cpdt+ivdw(iv為水蒸氣汽化潛熱，由于w單位為g/kg，因此本文中取iv=2.501 kJ/g).除濕過程濕空氣狀態(tài)沿飽和線變化，w和T之間的關(guān)系式為[22]

1 000/w=10-6exp(5 294/T)-1.61

(8)

空氣取水系統(tǒng)理想總能耗Wi為

Wi=Wi,H+Wi,c2-Wi,deh-Wi,c1

(9)

圖6 工況1、2下兩種系統(tǒng)Wi和WPEiFig.6 Wi and WPEi of two systems under working conditions 1 and 2

對于兩類系統(tǒng)，Wi隨WPR(與treg正相關(guān))的升高而增加，WPEi隨著WPR的升高而降低.潮濕條件下(工況2)的WPEi高于干燥工況(工況1).對比本系統(tǒng)和直接冷凝取水系統(tǒng)，雖然本系統(tǒng)在Ahum加濕過程中需對其加熱，但由于相同取水量下，Ahum,out對應的露點溫度高于直接冷凝系統(tǒng)的空氣出口露點溫度，使得本系統(tǒng)理想功耗遠遠小于直接冷凝系統(tǒng)，WPEi是直接冷凝系統(tǒng)的1.2～1.6倍.因此，本系統(tǒng)較直接冷凝取水系統(tǒng)具有更優(yōu)的性能，室外越干燥，優(yōu)勢越明顯.

3.2 采用實際冷熱源系統(tǒng)時的節(jié)能潛力分析

相對于理想冷熱源，實際冷熱源系統(tǒng)無熱機做功、熱泵和冷機為有限級，換熱器換熱效率小于1，且制冷循環(huán)的熱力學完善度小于1.

本文研究的主動式冷熱源系統(tǒng)如圖2所示，采用單級熱泵(1個冷凝溫度)和單級冷機(1個蒸發(fā)溫度)提供熱量和冷量.此外，設置如圖7所示的熱回收器1和2，依次回收Adeh,out和Ahum,2N的熱量，對Ahum,in進行梯級預熱，可減少熱泵系統(tǒng)提供的熱量和功耗.Ahum,2N經(jīng)熱回收器2被降溫，可以減少冷機系統(tǒng)的冷量和功耗.考慮換熱器面積和空氣流量有限，設定熱回收器效率為80%.設定熱泵冷凝溫度tcond,HP=treg+3 ℃，蒸發(fā)溫度tevap,HP=tambi-7 ℃.冷機蒸發(fā)溫度tevap,C=thum,out,dew-3 ℃，冷凝溫度tcond,C=tambi+7 ℃，熱泵和冷機的熱力學完善度為ε=0.5.

圖7 實際系統(tǒng)的熱回收循環(huán)Fig.7 Heat recovery cycle of actual system

熱泵能耗(WHP)和冷機能耗(WC)的計算公式分別為

(10)

(11)

式中：QH、QC分別為加熱器和冷卻器提供的熱量和冷量，可通過加熱器(H1～H3)和冷卻器(C)進出口空氣全熱變化計算，此處不詳細敘述；COPHP為熱泵的性能系數(shù)；Tcond,HP為熱泵的冷凝溫度；Tevap,HP為熱泵的蒸發(fā)溫度；COPC為冷機的性能系數(shù)；Tcond,C為冷機的冷凝溫度；Tevap,C為冷機的蒸發(fā)溫度.

對于直接冷凝式取水裝置，僅有冷機能耗，將室外空氣降溫除濕.不同WPR條件下，兩種系統(tǒng)運行在工況1、2的E和WPE如圖8所示.可見，隨著WPR的增加，WPE逐漸降低，因此在實際應用中，當采用熱泵系統(tǒng)加熱時，應同時考慮WPR和WPE對treg進行選擇.此外，在所討論工況下，本系統(tǒng)E低于直接冷凝取水系統(tǒng)，WPE高于直接冷凝取水系統(tǒng)，且室外越干燥(工況1)，本系統(tǒng)優(yōu)勢越明顯.工況1、2條件下，本系統(tǒng)WPE最高分別為1.5及 2.1 kg/(kW·h).

圖8 工況1、2下兩種系統(tǒng)的實際E和WPEFig.8 E and WPE of two systems under working conditions 1 and 2

相對于直接冷凝系統(tǒng)，由于本系統(tǒng)Ahum加濕過程采用熱源驅(qū)動，所討論的treg為60～80 ℃，在此范圍內(nèi)可有效利用太陽能加熱替代熱泵系統(tǒng)[24]，此時系統(tǒng)的E和WPE如圖9所示.采用太陽能替代熱泵后，WPE隨treg的增加而增加，工況1、2條件下，WPE最高分別為3.4及4.4 kg/(kW·h).

圖9 采用太陽能加熱替代熱泵后的實際E和WPEFig.9 E and WPE after replacing heat pump with solar heater

4 結(jié)論

本文提出一種用于干燥地區(qū)的轉(zhuǎn)輪輔助冷凝式空氣取水裝置，對包括級數(shù)、風量比在內(nèi)的加濕流程進行優(yōu)化，對理想和實際冷熱源系統(tǒng)能耗進行分析并與傳統(tǒng)冷凝式空氣取水裝置性能進行比較，主要結(jié)論如下：

(1)在轉(zhuǎn)輪總體積和總風量一定時，小時取水量隨著再生溫度treg的增加而增加，三級加濕流程較同F(xiàn)r的單級流程具有更高的加濕效率，且取水量WPR最大，當環(huán)境空氣含濕量為5 及10 g/kg時，WPR在treg=80 ℃的條件下分別可達到20.2 及30.9 kg/h；

(2)對三級轉(zhuǎn)輪加濕冷凝式空氣取水系統(tǒng)的理想冷熱源功耗進行分析可得，隨著treg的增加，其理想功耗Wi增加，理想取水能效WPEi降低，室外越干燥，WPEi越低，相同工況下，本系統(tǒng)Wi遠遠小于直接冷凝取水系統(tǒng)，WPEi是直接冷凝取水系統(tǒng)的1.2～1.6倍；

(3)對于采用一級熱泵和一級冷機的實際冷熱源系統(tǒng)，采用熱回收后，本系統(tǒng)實際WPE是直接冷凝取水系統(tǒng)的1.1～1.6倍，特別在干燥條件下，節(jié)能優(yōu)勢更為明顯.采用太陽能替代熱泵系統(tǒng)后，本系統(tǒng)的WPE從1.3～2.1 kg/(kW·h)提升至3.3～4.4 kg/(kW·h).