陳中唯 武衛(wèi)東 朱群東 馬毅煜

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

隨著我國人民生活水平的提高，人們對于安全、健康的生活飲用水方式日益關注[1]。但市政供水網(wǎng)絡中的長距離運輸和建筑物室內管道中的水停滯會導致細菌生長并擴散至自來水中，無法直接飲用，因此家用凈水機的需求和市場規(guī)模逐年擴大[2]。

目前，我國市場上最常見的是利用反滲透膜的過濾凈水機。該類凈水機產水品質較高，但濾芯需要定期進行清洗以及更換[3]，否則不僅沒有凈水作用，還會造成二次污染[4]。其他常見的凈水技術有物化消毒法和電解水技術等[5-6]。物化消毒法可以通過紫外線對水進行滅菌，操作簡單，速度快[7]。但滅菌效果不均勻，而且處理后的水不能直接飲用。電解水技術通過電解裝置在其陰極生成弱堿性飲用水[6]。但電解水穩(wěn)定性差，不易于長期保存。

空氣增濕去濕原理(humidification-dehumidification，HDH)是指空氣流經(jīng)潮濕表面時，會吸收表面的水蒸氣，而濕空氣流過低于空氣露點溫度以下的表面時，空氣中的水蒸氣會冷凝形成液態(tài)水[3]。該技術利用水在空氣中的兩次相變過程(液轉化為氣及氣再轉化為液)可以有效解決家用凈水機更換濾芯的問題，同時也被認為是一種簡單的產生淡水的方法[8]。當HDH系統(tǒng)中有熱源對空氣加熱時，空氣可以吸收更多的水蒸氣，在冷卻除濕時，冷凝水會增加。A.Giwa等[9]研究顯示，通過利用水的相變過程實現(xiàn)凈化方法制取的純凈水幾乎除去了所有雜質(鹽類和有機物)。A.E.Kabeel等[10]對空氣增濕去濕技術進行了總結，結論顯示1 kg干空氣最多可吸收0.5 kg水蒸氣。這些研究驗證了利用空氣增濕去濕原理來制備純凈水的可行性。

HDH系統(tǒng)對熱源的溫度要求較低，所以早期的HDH系統(tǒng)多利用太陽能等低品位熱能提供能量。邵理堂等[11]設計了一種采用逆流增濕器的小型太陽能海水淡化裝置。實驗表明，在最佳的噴水量及空氣流量下，出口空氣濕度可達98%以上。S.Yanniotis等[12]研究了不同增濕器對于太陽能海水淡化的影響，結果表明填料式增濕器比噴嘴式增濕器工作性能更好，且可以避免噴淋水被循環(huán)風帶入純凈水凝結處受到污染。但太陽能會受到天氣和地理位置的影響，系統(tǒng)工作不穩(wěn)定[13]。因此人們開始將熱泵應用于海水淡化領域。S.A.Nada等[14]設計了增濕去濕的熱泵式海水淡化系統(tǒng)，研究顯示隨著空氣循環(huán)風量的增加，制水率、熱泵系統(tǒng)制冷量和壓縮機功耗均有所增加。

綜上可知，目前空氣增濕去濕原理已經(jīng)成功應用于海水淡化領域。在家用凈水領域，汪力等[15]設計并搭建了一套基于壓縮式熱泵系統(tǒng)的新型家用凈水機，實驗研究表明，系統(tǒng)制冷量、功耗及單位時間制水量隨著循環(huán)風量的增加而增加，且最大單位時間產水量可達668 g/h。但壓縮式熱泵系統(tǒng)有運動部件和管路較為復雜等缺點。相比于壓縮式熱泵系統(tǒng)，半導體制冷具有設備更緊湊，維護要求更小，噪聲和振動水平更低等優(yōu)點。Liu Shanshan等[16]設計了一個兩片半導體的便攜式制水機。研究顯示當循環(huán)風量升高時，冷端散熱器的溫度會降低，產水量會增大，在70.6 m3/h時最大產水量為25.1 g/h。但該裝置為開式空氣系統(tǒng)，空氣沒有加熱過程直接被加濕，空氣中所含濕量較少，故裝置產水量較少，不能滿足家用需求。H.S.Dizaji等[17]實驗研究了新型空氣-水的半導體制冷系統(tǒng)，結果顯示當半導體熱端通過恒定水溫調節(jié)溫度時，會提高半導體冷端的性能。M.Bortolini等[18]搭建了一臺20片半導體的淡水發(fā)生器，研究表明當循環(huán)風量增加時，系統(tǒng)的單位時間產水量先增大后減小。但該裝置為開式空氣循環(huán)系統(tǒng)，空氣會影響冷凝水的水質。

綜上所述，家用凈水裝置具有工作不受外界環(huán)境影響、水資源利用率高、結構簡單緊湊的特點[3]。本文基于半導體制冷和HDH原理提出一種新型閉式空氣循環(huán)開式水循環(huán)的家用半導體凈水系統(tǒng)，以實現(xiàn)對自來水的凈化處理。同時，利用半導體熱端產生的熱量來加熱空氣，使空氣可以吸收更多的水蒸氣，有利于產水效率的提高。由于循環(huán)風量是影響半導體冷熱端換熱的關鍵因素，本文實驗研究了循環(huán)風量對系統(tǒng)運行工況、制冷量、功耗、COP(coefficient of performance)、單位能耗產水量和單位時間產水量等參數(shù)的影響，為新型家用凈水機的研究開發(fā)和實際應用提供參考。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

新型家用純凈水機的系統(tǒng)組成及工作原理如圖1所示。其中包含半導體片、循環(huán)風道、風機、噴淋裝置和填料等部件。對于半導體制冷系統(tǒng)而言，半導體熱端制熱量大于冷端制冷量。為了保證系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行，在半導體熱端增設冷卻水路，通過水和半導體熱端的換熱，及時排出多余的熱量，同時可以提供溫度較高的生活用水。圖2所示為新型家用純凈水機實物圖。

圖1 新型家用純凈水機的工作原理及測點布置Fig.1 Working principle and measuring point layout of the proposed system

圖2 新型家用純凈水機實物圖Fig.2 Actual picture of the proposed system

系統(tǒng)工作原理主要分為三個部分：空氣回路、冷卻水路和噴淋水路?？諝饣芈罚嚎諝饣芈酚娠L機提供動力，循環(huán)風通過半導體熱端一側加熱后，變成高溫低濕的熱空氣，接著與噴淋裝置加濕后的多孔填料充分接觸，熱質交換后變成中溫飽和濕空氣，然后經(jīng)過半導體冷端一側，完成降溫減濕的過程，之后再次進入半導體熱端一側，完成一次空氣循環(huán)。冷卻水路：冷卻水從半導體熱端一側進入，從另一側流出，目的是為了帶走系統(tǒng)中多余的熱量。噴淋水路：由水泵送入的自來水從噴淋裝置中向下噴入多孔填料中，在多孔填料中與空氣充分接觸，一部分被蒸發(fā)變成水蒸氣被空氣帶走，另一部分作為廢水被排出系統(tǒng)?？諝庵械乃魵庠诎雽w冷端被冷凝，依靠重力流入純凈水收集裝置。

2 實驗系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)測點布置及儀器精度

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點的布置如圖1所示。主要分為三部分：風回路側數(shù)據(jù)采集、半導體側數(shù)據(jù)采集、噴淋水和冷卻水側數(shù)據(jù)采集。其中風回路需要采集的數(shù)據(jù)有半導體冷端換熱器進出口風溫、冷端換熱器出口風速和空氣濕度、半導體熱端換熱器出口風溫以及風機的功率。半導體側需要采集的數(shù)據(jù)有半導體冷熱端溫度以及半導體的電流和電壓。噴淋水路需要采集的是噴淋水的進口水溫和流量。冷卻水路需要采集的是冷卻水的進出口水溫和流量。循環(huán)風量由測得的風速和測點的斷面面積計算得出。測點位置位于近冷端出風口處，在經(jīng)過冷端換熱器整流后，流動更加穩(wěn)定；在同一平面對風速進行多次測量，取平均值作為循環(huán)風量的計算依據(jù)。對于系統(tǒng)制取的純凈水，通過溶解性固體(TDS)測試對水質進行檢測。

系統(tǒng)中所有的傳感器信號均由安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集并導入計算機儲存，所用測量儀器相關參數(shù)如表1所示。

表1 測量儀器精度Tab.1 Measuring instrument accuracy

2.2 系統(tǒng)性能評價指標

本文涉及的主要性能指標有：單位時間產水量、系統(tǒng)制冷量、COP、系統(tǒng)總功耗和單位能耗產水量。

單位時間產水量：

(1)

式中：Mw為單位時間產水量，g/h；m為凈水裝置穩(wěn)定運行一段時間內測得的純凈水質量，g；t為運行時間，h。

系統(tǒng)制冷量：

Q0=1 000vAρfΔh

(2)

式中：Q0為制冷量，W；v為循環(huán)風速，m/s；A為風道迎風面積，m2；ρf為空氣密度，kg/m3；Δh為冷端換熱器進出口空氣焓差，kJ/kg。

制冷性能系數(shù)(COP)：

(3)

式中：Ptec為半導體功耗，W；Q0為制冷量，W。COP越高，表明半導體的性能發(fā)揮的越好。

系統(tǒng)總功耗：

P=Ptec+Pf=Ptec+IfUf

(4)

式中：P為系統(tǒng)的總功耗，W；Ptec為半導體功耗，W；Pf為風機功耗，W；If為風機直流電流，A；Uf為風機電壓，V。

單位能耗產水量：

(5)

式中：Me為單位能耗產水量，g/(kW·h)；Mw為單位時間產水量，g/h。

2.3 不確定度分析

系統(tǒng)中溫度、濕度、風速、功率等參數(shù)的測量對實驗裝置純凈水產量和功耗的計算影響較大。根據(jù)R. J. Moffat[19]的不確定度分析準則，系統(tǒng)性能評價指標的相對不確定度可由下列公式計算得出：

(6)

(7)

式中：R為被測量量與各直接測得量的函數(shù)關系；δR/R為合成相對不確定度；a，b，…，n為直接測量量在函數(shù)關系中的冪次方系數(shù)。

根據(jù)式(6)和式(7)，可以計算出單位時間產水量、系統(tǒng)制冷量、半導體制冷性能系數(shù)、總功耗和單位能耗產水量的相對不確定度分別為0.10%、0.16%、0.35%、0.33%和0.34%。

2.4 實驗方法

本文提出的新型家用半導體凈水系統(tǒng)中，半導體的制冷能力會直接影響產水性能，而循環(huán)風量則是影響半導體冷熱兩側換熱的關鍵因素。當循環(huán)風量過低，冷端換熱能力不足，會導致產水性能不足；當循環(huán)風量過大，此時風速過大使空氣與肋片接觸時間過短，使?jié)窨諝庵兴魵怆y以充分凝結。鑒于此，本文實驗研究了循環(huán)風量的變化對系統(tǒng)運行工況、功耗、單位能耗產水量和單位時間產水量等參數(shù)的影響。

根據(jù)前期已有經(jīng)驗[4,15]，確定實驗工況，如表2所示。實驗過程中保持噴淋水流量、噴淋水進水溫度、冷卻水流量和冷卻水進水溫度不變，只改變循環(huán)風量的大小。

表2 實驗工況Tab.2 Experimental conditions

3 實驗結果分析

3.1 循環(huán)風量對系統(tǒng)運行工況的影響

圖3所示為不同循環(huán)風量對半導體冷熱端溫度及半導體冷熱端溫差的影響。由圖3可知，當風量從70 m3/h增至110 m3/h時，半導體冷端溫度、熱端溫度均隨循環(huán)風量的增大而減小，冷熱端溫差略有下降(維持在約50 ℃)。這是因為隨著循環(huán)風量的增大，熱端換熱器與空氣的換熱增強。空氣的雷諾數(shù)增大，提高了熱端換熱器的傳熱系數(shù)，使空氣能夠帶走半導體熱端更多的熱量，導致熱端溫度下降。同時，因熱端溫度的下降，半導體的傅里葉效應弱化，即半導體冷熱兩端的導熱量減少，所以冷端溫度降低。由于冷熱端的換熱均被增強，冷端溫度的降幅略小于熱端溫度的降幅，從而冷熱端溫差表現(xiàn)出略有下降。

圖3 不同循環(huán)風量下半導體冷熱端溫度和冷熱端溫差的變化Fig.3 Variaitions of temperature and temperature difference between cold and hot sides of semiconductor under different circulating air flow rate

圖4所示為冷端換熱器進出口風溫、熱端換熱器出口風溫隨循環(huán)風量的變化。由圖4可知，風量從70 m3/h增至110 m3/h時，冷端換熱器進出口風溫、熱端換熱器出口風溫均隨著循環(huán)風量的增大而降低。分析可知，隨著循環(huán)風量的增加，冷端換熱器空氣的擾動增加，換熱效果加強，由圖3可知此時半導體冷端溫度下降，使冷端的出風溫度(熱端的進風溫度)降低。由于半導體熱端溫度下降和熱端換熱器進風溫度降低，所以熱端換熱器的出風溫度也降低。

圖4 不同循環(huán)風量下半導體冷熱端進出口風溫的變化Fig.4 Variaition of inlet and outlet air temperature of semiconductor cold and hot side under different circulating air flow rate

圖5所示為不同循環(huán)空氣在系統(tǒng)中增濕去濕的過程。圖中虛線和實線循環(huán)分別表示循環(huán)風量在70 m3/h和100 m3/h下空氣在系統(tǒng)中狀態(tài)的變化情況。由圖5可知，A-C為循環(huán)空氣降溫加濕過程，因為空氣溫度高于噴淋水溫度，所以在加濕的過程中，空氣的溫度會下降。C-B為冷卻除濕過程，空氣先被冷卻降溫，此時含濕量不變，為等濕冷卻過程。在達到露點溫度后，其中的水蒸氣才冷凝形成純凈水。B-A為等濕加熱過程，空氣在熱端換熱器被加熱后，溫度升高，含濕量不變，變成高溫低濕的狀態(tài)?？梢钥闯霎旓L量增加時，加濕過程空氣含濕量之差減少，由3.43 g/(kg干空氣)降至2.76 g/(kg干空氣)，這是由于風量增加使空氣和噴淋水的接觸時間變短，導致空氣加濕效果下降。當工況運行穩(wěn)定時，加濕效果的下降使除濕過程中空氣析出的水分減少。這將會對單位時間產水量產生直接影響，因單位時間產水量可由循環(huán)風量和除濕過程空氣的含濕量之差決定。在開始增加風量時，空氣加濕效果略有下降，但循環(huán)風量的增幅大于除濕過程空氣含濕量之差的降幅，單位時間產水量會增加；當風量過大時，空氣加濕效果顯著下降，循環(huán)風量的增幅小于除濕過程空氣含濕量之差的降幅，單位時間產水量則將會下降。

圖5 循環(huán)空氣增濕去濕的過程Fig.5 Humidification and dehumidification process of circulating air

3.2 循環(huán)風量對系統(tǒng)性能的影響

圖6所示為半導體功耗、制冷量及COP在不同循環(huán)風量下的變化。由圖6可知，功耗、制冷量及COP均隨循環(huán)風量的增大呈上升趨勢。這是因為此時熱端換熱不斷強化，冷熱端溫度降低，使半導體的電阻減小，此時電壓不變，導致功耗增大。由圖2的分析可知，當循環(huán)風量增加時，半導體冷熱端的溫度降低，同時半導體熱端溫度的下降會導致塞貝克系數(shù)增大，電阻減少，電流增大，導熱系數(shù)減小。由半導體制冷性能計算公式可知[8]，制冷量將不斷增加。雖然制冷量與半導體功耗均在增大，但前者增幅大于后者，所以COP增大。

圖6 不同循環(huán)風量下制冷量、半導體功耗和COP的變化Fig.6 Variaitions of refrigeration capacity, semiconductor power consumption and COP under different circulating air flow rate

圖7所示為不同循環(huán)風量下，單位時間產水量和單位能耗產水量的變化。由圖7可知，單位時間產水量、單位能耗產水量均隨循環(huán)風量的增大呈先增大后減小的趨勢，且均在風量等于100 m3/h時達到峰值分別為345 g/h、459 g/(kW·h)。當風量小于100 m3/h時，由圖3可知，因風量增大而熱端換熱加強，冷端溫度降低，此時進入冷端的濕空氣與肋片充分換熱，提高了冷端的傳熱系數(shù)，制冷量增大。由圖5可知，當循環(huán)風量增加時，空氣的加濕效果會下降，除濕過程空氣含濕量之差減少，但此時循環(huán)風量的增幅大于除濕過程空氣含濕量之差的降幅，使單位時間產水量增大。結合圖6與圖7分析可知，雖然產水量與總功耗均在增加，但產水量的增幅大于功耗的增幅，從而單位能耗產水量增大。當風量大于100 m3/h時，隨著風量持續(xù)增大，由于風速過大使空氣與肋片接觸時間過短，濕空氣中部分的水蒸氣難以凝結，循環(huán)風量的增幅小于除濕過程空氣含濕量之差的降幅，從而單位時間產水量降低，而風機功耗和半導體的功耗都在繼續(xù)增大，因此單位能耗產水量降低。

圖7 不同循環(huán)風量下單位時間產水量和單位能耗產水量的變化Fig.7 Variaitions of water production per unit time and energy consumption under different circulating air flow rate

實驗過程中，利用TDS測試計對系統(tǒng)所制取的純凈水進行水質檢測，結果顯示純凈水和系統(tǒng)進水的TDS值分別為3 mg/L和173 mg/L，計算可得該純凈水機的脫鹽率達97%。由圖7可知，在本文的實驗工況下，單位時間產水量最低為300 g/h，按24 h計算，系統(tǒng)純凈水日產水量不低于7.2 L/d，基本可滿足普通家庭的飲水需求。同時，冷卻水的出水溫度不低于45 ℃，水量可達到150 L/d，可作為生活熱水使用。

4 結論

本文提出一種基于半導體珀爾貼效應和空氣增濕去濕原理的新型家用純凈水機，并實驗研究了循環(huán)風量對系統(tǒng)性能的影響，得到如下結論：

1)在實驗工況下，循環(huán)風量對系統(tǒng)運行工況和系統(tǒng)性能有較大影響。當循環(huán)風量增大時，半導體冷熱端的溫度、冷熱端進出口風溫不斷降低，半導體冷熱端溫差略有減小，系統(tǒng)制冷量、系統(tǒng)總功耗和COP不斷增大，單位時間產水量和單位能耗產水量呈先增大后減小的趨勢。

2)存在最佳循環(huán)風量為100 m3/h，單位時間產水量和單位能耗產水量達到峰值，分別為345 g/h、459 g/(kW·h)。

3)純凈水日產量(>7.2 L/d)基本可滿足普通家庭的飲水需求。所測TDS均不高于3 mg/L，滿足飲用水標準，脫鹽率高達97%，滿足國家標準GB/T 30306—2013[20]脫鹽率的要求，同時可獲得溫度不低于45 ℃、水量不低于150 L/d的生活用水。