張亮， 石為位， 任蕓瑾

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2.河南河長(zhǎng)學(xué)院，河南 鄭州 450046；3.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的70%左右，農(nóng)業(yè)用水存在浪費(fèi)和不足的矛盾，尤其對(duì)于缺水地區(qū)，如何開源節(jié)流成為學(xué)者們廣泛關(guān)注的研究重點(diǎn)。已有研究表明，空氣中含有豐富的淡水資源，開展空中水資源管理利用的科學(xué)實(shí)踐，有望打開我國(guó)水資源短缺地區(qū)開源的新局面[1]。除了人工增雨技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者研究直接從空氣中制取淡水的技術(shù)，以緩解水資源不足的矛盾?？諝馊∷饕袃煞N方法，第一種是空氣冷凝法，第二種是吸濕法。

空氣冷凝法的原理是使空氣冷卻達(dá)到露點(diǎn)以下，凝結(jié)出水。葉繼濤等[2]進(jìn)行了太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷結(jié)露法空氣取水器的研究，分析了其取水的工作原理，并得出取水率的表達(dá)式，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析得出：當(dāng)環(huán)境溫度為293 K、空氣相對(duì)濕度為50%時(shí)，其取水率為0.14 g/kJ。澳大利亞設(shè)計(jì)師愛德華·李納克爾設(shè)計(jì)出一套灌溉系統(tǒng)，利用地下與地上的溫差，將空氣輸送到地下，空氣溫度降至露點(diǎn)以下凝結(jié)出水，將從空氣中提取出的水應(yīng)用于灌溉中[3]。

吸濕法的原理為利用吸濕性強(qiáng)的固體或液體干燥劑吸收空氣中的水分，再加熱解析，凝結(jié)水蒸氣得到淡水。1966年，HALL R C[4]提出用乙二醇作為液體干燥劑從空氣中吸收水分，然后利用太陽(yáng)能蒸餾器加熱吸濕后的乙二醇使水分蒸發(fā)，從而得到淡水。劉業(yè)鳳等[5]研究了間歇式和連續(xù)循環(huán)式兩類空氣取水系統(tǒng)，采用氯化鈣質(zhì)量濃度為38.4%的氯化鈣-粗孔硅膠復(fù)合干燥劑，分別給出了兩種系統(tǒng)在典型工況下的取水量。雖然吸濕法的產(chǎn)水效率較高，但是干燥劑對(duì)水質(zhì)有一定的影響。

綜上所述，對(duì)空氣取水技術(shù)的研究較多，但實(shí)際應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的還相對(duì)較少，若成功將此技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，將會(huì)極大促進(jìn)非常規(guī)水資源的開發(fā)利用和農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的發(fā)展。因此，本文設(shè)計(jì)了一種半導(dǎo)體制冷空氣取水裝置，通過(guò)理論分析得到裝置產(chǎn)水效率，并擬定3種不同作物的灌溉應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)行成本效益分析，探討半導(dǎo)體空氣取水技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的適用性，以期為解決農(nóng)業(yè)缺水問(wèn)題找到一條新的途徑。

1 材料與方法

1.1 裝置設(shè)計(jì)

在諸多制冷方法中，半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如：無(wú)制冷劑，綠色環(huán)保；無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊且運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)噪聲；制冷器件適應(yīng)能力強(qiáng)，可根據(jù)需求做成多種形狀；調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)單，通過(guò)改變電流、電壓大小即可調(diào)節(jié)制冷量；還可通過(guò)串、并聯(lián)方式組合，滿足需要的制冷需求，制冷功率范圍大等[6-10]。因此，其在空氣取水當(dāng)中有著較高的適用性。本文設(shè)計(jì)了一種半導(dǎo)體制冷空氣取水裝置，如圖1所示。裝置主體為厚度8 mm的長(zhǎng)方體有機(jī)玻璃箱，該玻璃箱長(zhǎng)1.0 m、寬0.5 m、高0.5 m，容積為0.25 m3，表面積為2.5 m2，外層為2 cm真空絕熱板。箱體側(cè)面裝配有6個(gè)通風(fēng)扇，半導(dǎo)體制冷器由1個(gè)溫濕度探測(cè)器、10片型號(hào)為TEC-12706的制冷片、10個(gè)散熱風(fēng)扇、10個(gè)散熱片、10個(gè)冷凝塊、電源和眾多散件組成。半導(dǎo)體制冷器是整個(gè)取水裝置的核心部件，每?jī)商装雽?dǎo)體制冷器并聯(lián)為一組，共5組，均勻分布在箱體上方，有利于冷凝水自然下落。真空絕熱板能減少能量損失，提高產(chǎn)水效率。溫濕度探測(cè)器能夠隨時(shí)探測(cè)箱體內(nèi)外溫度與濕度，便于后期數(shù)據(jù)收集。

1—半導(dǎo)體制冷器；2—通風(fēng)扇；3—水流管；4—儲(chǔ)水箱；5—滴灌帶；6—農(nóng)作物；7—散熱風(fēng)扇；8—散熱片；9—制冷片；10—冷凝塊。

本裝置是利用半導(dǎo)體制冷器降低箱內(nèi)空氣溫度，當(dāng)空氣溫度降至露點(diǎn)時(shí)，空氣中的水蒸氣會(huì)在冷凝塊的表面凝結(jié)成液態(tài)水珠，水珠在箱體內(nèi)聚集，當(dāng)水量達(dá)到一定程度時(shí)，打開箱體底部開關(guān)，水流順著管道流入儲(chǔ)水箱，儲(chǔ)水箱用來(lái)蓄存凝結(jié)出的水，以保證作物生育期有足量的灌溉水，在生育期內(nèi)灌溉時(shí)隨蓄隨用。

1.2 產(chǎn)水量計(jì)算公式

半導(dǎo)體制冷空氣取水裝置的凝結(jié)水質(zhì)量可由下式計(jì)算：

m凝=m空(d2-d1)，

(1)

m空=Vρ。

(2)

式中：m凝為凝結(jié)水的質(zhì)量，g；m空為箱體內(nèi)的空氣質(zhì)量，kg；d2為冷凝后的飽和濕空氣的含濕量，g/kg；d1為初始狀態(tài)下空氣的含濕量，g/kg；V為箱體容積，m3；ρ為空氣密度，kg/m3。

產(chǎn)水過(guò)程遵循能量守恒定律，其方程為：

(3)

式中：Qw為單位時(shí)間內(nèi)的制冷量，W；h2為冷凝后的空氣焓量，kJ/kg；h1為初始狀態(tài)下的空氣焓量，kJ/kg；t為處理空氣所需時(shí)間，min；Q1為通過(guò)箱體壁面的冷量損失，W。

箱體壁面的冷量損失計(jì)算公式為：

Q1=KAT；

(4)

(5)

式中：K為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；A為箱體表面積，m2；T為箱體內(nèi)外溫差，℃；λ1為真空絕熱板的導(dǎo)熱系數(shù)，0.005 W/(m·K)；λ2為有機(jī)玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，0.18 W/(m·K)；δ1和δ2分別為真空隔熱板和有機(jī)玻璃的厚度，m。

由上述公式可以得到處理空氣所需的時(shí)間，計(jì)算公式為：

(6)

因此，1 h內(nèi)的產(chǎn)水量計(jì)算公式為：

(7)

將M變形得到產(chǎn)水量通用計(jì)算公式：

(8)

1.3 產(chǎn)水效率分析

通過(guò)對(duì)產(chǎn)水量計(jì)算過(guò)程的分析，可以發(fā)現(xiàn)空氣取水裝置的產(chǎn)水量M與冷凝前后的空氣焓量差Δh成反比，與冷凝前后的含濕量差Δd成正比。已知空氣焓量和含濕量隨著空氣溫、濕度的改變而改變，因此，在裝置不變時(shí)，空氣的溫度與濕度是決定產(chǎn)水效率的關(guān)鍵因素。因此，若要準(zhǔn)確找出適合作物生長(zhǎng)環(huán)境中的最佳產(chǎn)水量，就要針對(duì)不同空氣溫、濕度的情況進(jìn)行分析。

以鄭州市為例，鄭州市5—9月的平均氣溫為26.6 ℃，平均相對(duì)濕度為74%。因此，在溫度25 ℃、濕度75%的條件下對(duì)設(shè)計(jì)裝置的產(chǎn)水量進(jìn)行計(jì)算。本裝置由10個(gè)半導(dǎo)體制冷片組成，所以Qw是Q單的10倍，其中型號(hào)為TEC-12706的半導(dǎo)體制冷片的最大制冷量為51.4 W，所以Q單為51.4 W，Qw為514.0 W，K為0.247 W/(m2·K)，A為2.5 m2，T近似用冷凝前后溫度差代替，利用溫度控制器控制制冷后溫度，飽和狀態(tài)下濕度為100%，通過(guò)威利斯·開利繪制的焓濕圖[11]可以查找出標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下不同溫度與濕度下的d、h和ρ值，當(dāng)露點(diǎn)低于控制溫度時(shí)裝置不產(chǎn)水。

通過(guò)公式(8)進(jìn)行產(chǎn)水量計(jì)算，可以得到不同空氣濕度下，溫度由25 ℃降至不同溫度時(shí)的產(chǎn)水效率，結(jié)果如圖2所示。圖2所示的曲線代表空氣濕度為25%～80%，控制變量為初始溫度25 ℃，自變量為降低后的溫度，因變量是在不同的空氣濕度和降低后溫度的情況下所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)水效率。

由圖2可知，在初始溫度為25 ℃、某一空氣濕度下，露點(diǎn)溫度為0～22 ℃，控制降低后的溫度，就能得到裝置的產(chǎn)水效率。在同一空氣濕度(不超過(guò)55%)下，產(chǎn)水效率隨著降低后溫度的增加而減小，呈單調(diào)遞減狀態(tài)；當(dāng)空氣濕度達(dá)到55%及以上時(shí)，產(chǎn)水效率先隨著降低后溫度的增加而增加，達(dá)到最大值后再減小，呈先增后減狀態(tài)，有極大值。因此，當(dāng)初始溫度為25 ℃，在空氣濕度為75%、溫度降低至10 ℃時(shí)，產(chǎn)水效率最高，為391.47 g/h；空氣濕度為80%時(shí)，溫度降至12 ℃時(shí)的產(chǎn)水效率最高，為415.40 g/h。

在涉及到半導(dǎo)體空氣取水的概念時(shí)，只要產(chǎn)水裝置功率與本文相符，均可以通過(guò)圖2查到初始溫度為25 ℃時(shí)，不同空氣濕度下的理論產(chǎn)水效率。

將初始溫度在20～30 ℃、空氣濕度在20%～80%條件下的所有最大產(chǎn)水量綜合統(tǒng)計(jì)，繪制出裝置最大產(chǎn)水效率圖，如圖3所示。圖3代表不同空氣濕度和初始溫度下裝置產(chǎn)水效率的最大值。在同一初始溫度下，最大產(chǎn)水效率隨著空氣濕度的減小而減小，呈單調(diào)遞減狀態(tài)。

圖3 初始溫度為20～30 ℃時(shí)的最大產(chǎn)水效率

在涉及到半導(dǎo)體制冷空氣取水時(shí)，只要產(chǎn)水裝置功率與本文相符，均可以通過(guò)圖3查到初始溫度在20～30 ℃、空氣濕度在20%～80%條件下的最大產(chǎn)水量。

2 應(yīng)用場(chǎng)景成本效益分析

不同地區(qū)的不同灌溉應(yīng)用場(chǎng)景下，作物灌溉需水量、產(chǎn)量和效益都不同。為了分析空氣取水對(duì)灌溉的適用性，以河南省鄭州市為應(yīng)用地區(qū)，設(shè)置3種灌溉應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析比較。場(chǎng)景一選擇大棚辣椒為灌溉對(duì)象，場(chǎng)景二選擇大棚煙草為灌溉對(duì)象，場(chǎng)景三選擇大棚菘藍(lán)為灌溉對(duì)象，大棚采用機(jī)械通風(fēng)方式進(jìn)排風(fēng)，大棚內(nèi)溫、濕度可控。采用的半導(dǎo)體冷凝裝置如前所述，裝置成本詳見表1。

表1 半導(dǎo)體冷凝裝置成本

場(chǎng)景一：

大棚辣椒生長(zhǎng)的最佳溫度為20～30 ℃，最佳濕度為60%～80%。選取溫度25 ℃、濕度80%為產(chǎn)水控制條件，此時(shí)的最優(yōu)產(chǎn)水量每小時(shí)415.40 g，工作24 h，每日產(chǎn)水9.97×10-3m3，每年產(chǎn)水3.64 m3。

研究表明，對(duì)比不同灌溉方式，辣椒采用膜下滴灌，全生育期耗水量少,產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率高[12]。采用膜下滴灌的方式，將滴灌毛管埋設(shè)于地膜的下面，使得滴灌的優(yōu)勢(shì)得到最大程度的發(fā)揮。辣椒全生育期灌水6次，每畝辣椒的灌溉需水量為106.4 m3，每畝產(chǎn)量2 637 kg。

一臺(tái)半導(dǎo)體制冷裝置每日工作24 h，一年的理論產(chǎn)水量為3.64 m3。按一年兩收統(tǒng)計(jì)，大棚辣椒每畝產(chǎn)量5 274 kg，市場(chǎng)價(jià)為7.5元/kg，每畝辣椒收益約39 555元，每畝辣椒的灌溉需水量為212.8 m3，需61臺(tái)裝置連續(xù)工作12個(gè)月。

場(chǎng)景二：

大棚煙草生長(zhǎng)的最佳溫度為25～28 ℃，最佳濕度為70%～80%。選取溫度25 ℃、濕度80%為產(chǎn)水控制條件，此時(shí)的最優(yōu)產(chǎn)水量每小時(shí)415.40 g，工作24 h，每日產(chǎn)水9.97×10-3m3，每年產(chǎn)水3.64 m3。

部分學(xué)者于河南西部干旱地區(qū)應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)灌溉煙葉，每畝地灌溉水量為15～30 m3時(shí)，土壤水分利用率較高[13]。每畝地所需灌溉水量30 m3，每畝煙草產(chǎn)量為141.9 kg，產(chǎn)值為16.8元/kg，每畝煙草收益為2 383.9元[14]。

一臺(tái)半導(dǎo)體制冷裝置每日工作24 h，一年的理論產(chǎn)水量為3.64 m3。按一年兩收統(tǒng)計(jì)，每畝煙草產(chǎn)量283.8 kg，產(chǎn)值16.8元/kg，每畝煙草收益為4 767.8元，每畝煙草的灌溉需水量為60 m3，需17臺(tái)裝置連續(xù)工作12個(gè)月。

場(chǎng)景三：

大棚菘藍(lán)生長(zhǎng)的最佳溫度為13～25 ℃，最佳濕度為60%～70%，選取溫度為20 ℃、濕度為70%為產(chǎn)水控制條件，此時(shí)的最優(yōu)產(chǎn)水量每小時(shí)319.87 g，工作24 h，每日產(chǎn)水7.68×10-3m3，每年產(chǎn)水2.80 m3。菘藍(lán)膜下滴灌的最優(yōu)調(diào)虧灌溉制度是在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和肉質(zhì)根生長(zhǎng)期進(jìn)行輕度水分調(diào)虧處理，每畝菘藍(lán)灌溉需水量為113.7 m3，其產(chǎn)量為每畝570.2 kg[15]。

一臺(tái)半導(dǎo)體制冷裝置每日工作24 h，一年的理論產(chǎn)水量為2.80 m3。按一年兩收統(tǒng)計(jì)，每畝菘藍(lán)灌溉需水量為227.4 m3時(shí)的產(chǎn)量為1 140.6 kg，按市場(chǎng)價(jià)35元/kg來(lái)算，每畝菘藍(lán)可收益39 922元，需82臺(tái)裝置連續(xù)工作12個(gè)月。各場(chǎng)景成本效益見表2。

表2 各場(chǎng)景成本和效益統(tǒng)計(jì)

由表2可知，若裝置使用農(nóng)業(yè)用電，每年電費(fèi)遠(yuǎn)高于作物收益。為適應(yīng)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略，考慮使用光伏發(fā)電。

在國(guó)家發(fā)改委下發(fā)的《關(guān)于2021年新能源上網(wǎng)電價(jià)政策有關(guān)事項(xiàng)的通知(征求意見稿)》中，提出戶用光伏電站2021年有0.03元/(kW·h)的補(bǔ)貼，并且按照全發(fā)電量進(jìn)行補(bǔ)貼。中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，鄭州市2003—2014年年均日照時(shí)數(shù)為1 766.6 h，100 W的太陽(yáng)能板每小時(shí)發(fā)電量0.1 kW·h。場(chǎng)景一每年用電量274 661.05 kW·h，需要1 555塊100 W太陽(yáng)能板全年工作(按年均日照時(shí)長(zhǎng)1 766.6 h計(jì)算)，多晶太陽(yáng)能板價(jià)格為4.5元/W，所以，其成本為69.98萬(wàn)元，按照國(guó)家光伏補(bǔ)貼20年計(jì)算，國(guó)家補(bǔ)貼16.48萬(wàn)元。場(chǎng)景二每年用電40 523.76 kW·h，需要230塊100 W太陽(yáng)能板全年工作，其成本為19.53萬(wàn)元，國(guó)家補(bǔ)貼4.59萬(wàn)元。場(chǎng)景三每年用電369 216.48 kW·h，需要2 090塊100 W太陽(yáng)能板全年工作，其成本為94.05萬(wàn)元，國(guó)家補(bǔ)貼22.15萬(wàn)元?？紤]半導(dǎo)體冷凝器和蓄電池等設(shè)備部件更換維護(hù)，每年維護(hù)費(fèi)按照設(shè)備價(jià)格的5%計(jì)算，由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備有商家提供質(zhì)保，所以維護(hù)費(fèi)僅計(jì)算取水裝置的部分，設(shè)備折舊費(fèi)按照折舊年限20年計(jì)算，因該裝置多用于干旱缺水地區(qū)，所以灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)取0.5。綜上所述，各場(chǎng)景成本效益分析結(jié)果見表3。

表3 各場(chǎng)景成本效益分析結(jié)果

根據(jù)《全國(guó)抗旱規(guī)劃》，農(nóng)業(yè)灌溉保障作物播種期和生長(zhǎng)關(guān)鍵期的基本用水標(biāo)準(zhǔn)，一般最低控制在20～40 m3。所以，按照一年兩收并保障關(guān)鍵期最基本用水量40、60、80 m33種方案對(duì)各場(chǎng)景進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果見表4。

表4 基本用水方案分析

由表4可知：3種基本用水標(biāo)準(zhǔn)情況下，場(chǎng)景一的投資回收期分別為7年、11年、13年，在原效益費(fèi)用比為0.38的基礎(chǔ)上3種方案的效益費(fèi)用比都有所增長(zhǎng)，且都超過(guò)1，方案A的效益費(fèi)用比最高，為2.08，經(jīng)濟(jì)效益良好，即3種方案均具有可行性；場(chǎng)景二的投資回收期分別為54年、83年、105年，3種方案的效益費(fèi)用比均小于1，說(shuō)明場(chǎng)景二的3種方案均不可行；場(chǎng)景三的投資回收期分別為9年、13年、17年，在原效益費(fèi)用比為0.28的基礎(chǔ)上3種方案的效益費(fèi)用比都有所增長(zhǎng)，且方案A與方案B的效益費(fèi)用比均超過(guò)1，方案A的效益費(fèi)用比最高，為1.53，經(jīng)濟(jì)效益良好，說(shuō)明場(chǎng)景三方案A和方案B具備可行性。

經(jīng)以上分析可知，因半導(dǎo)體制冷空氣取水技術(shù)前期投入成本較高，作為灌溉水源大面積推廣使用存在較大困難，但將其作為干旱缺水地區(qū)非常規(guī)水利用的抗旱應(yīng)急技術(shù)措施，以保證高價(jià)值經(jīng)濟(jì)作物播種期和生長(zhǎng)關(guān)鍵期基本用水具備一定可行性。

3 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種半導(dǎo)體制冷空氣取水裝置，推導(dǎo)出裝置產(chǎn)水量計(jì)算公式，由公式可知在取水裝置本身參數(shù)不變時(shí)，空氣的溫度與濕度是決定產(chǎn)水效率的關(guān)鍵因素。在鄭州市目前空氣溫、濕度條件下，通過(guò)數(shù)值計(jì)算繪制了裝置的最大產(chǎn)水效率圖，應(yīng)用該產(chǎn)水效率圖，在初始溫度為20～30 ℃、空氣濕度為10%～80%的情況下，已知初始溫度和空氣濕度，即可得出最大產(chǎn)水效率。

2)以鄭州市為例，設(shè)置了3組不同的灌溉應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行成本效益分析。畝均灌溉用水量從小到大依次為場(chǎng)景二、場(chǎng)景一和場(chǎng)景三，畝均灌溉效益從大到小依次為場(chǎng)景三、場(chǎng)景一和場(chǎng)景二，保障作物關(guān)鍵期基本用水情況下投資回收期由小到大依次為場(chǎng)景一、場(chǎng)景三和場(chǎng)景二。結(jié)果表明，對(duì)于灌溉需水量較少、灌溉效益較高的經(jīng)濟(jì)作物，半導(dǎo)體空氣取水技術(shù)的適用性相對(duì)較高。

3)在利用光伏發(fā)電來(lái)減少電費(fèi)成本的條件下，半導(dǎo)體制冷空氣取水技術(shù)作為農(nóng)業(yè)灌溉的抗旱應(yīng)急措施，以保證作物播種期和生長(zhǎng)關(guān)鍵期基本用水，尤其是針對(duì)需水量較少、經(jīng)濟(jì)效益高的作物具備一定可行性。目前最大的問(wèn)題是前期投入成本過(guò)高，導(dǎo)致投資回收期較長(zhǎng)，效益并不是十分明顯。但是隨著科技的發(fā)展，半導(dǎo)體制冷技術(shù)會(huì)日漸成熟，成本降低是必然的趨勢(shì)。

4)空氣取水技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中應(yīng)用，不僅有利于減輕干旱地區(qū)灌溉缺水的問(wèn)題，還能推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，為農(nóng)業(yè)非常規(guī)水資源的開發(fā)利用提供了一條新的途徑。