趙惠忠， 吳天浩， 劉 濤

（上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306）

0 引言

沙漠地區(qū)氣候干燥，但空氣中仍然存在著大量水蒸氣。 利用沙漠地區(qū)良好的日光照射條件，將沙漠地區(qū)空氣中的水蒸氣轉(zhuǎn)變成液態(tài)水，能夠緩解沙漠地區(qū)的缺水問題。

從空氣中獲取淡水的方法主要包括雨水收集法、制冷結(jié)露法和吸附空氣制水法。 對(duì)于空氣濕度較低的地區(qū)， 利用制冷結(jié)露法制取淡水時(shí)，會(huì)受到空氣露點(diǎn)較低等因素的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)的能耗較大且產(chǎn)水率較低，因此，該方法不適用于干旱地區(qū)[1]。對(duì)于吸附空氣制水法，Srivastava 根據(jù)印度的大氣條件，利用1.5 kg 砂和濃度為37%的氯化鈣制成復(fù)合材料，并利用該復(fù)合材料進(jìn)行制水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該復(fù)合材料每天的最大產(chǎn)水量為115 mL[2]。 Kumar M 研制出了一種能夠從大氣中捕獲水分的新型復(fù)合吸附材料（CaCl2/saw wood），通過研究發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料的最大制水量為180 mL/（kg·d）[3]。 楊凡對(duì)適用于空氣取水的套管式吸附床的吸附特性進(jìn)行了研究，分析結(jié)果表明，吸附床吸附量隨著風(fēng)機(jī)功率的增加而增加，此外，增大傳質(zhì)通道的直徑能夠更好地提高吸附量[4]。 王如竹建立了ACF-LiCl 模塊化空氣取水系統(tǒng)，該系統(tǒng)中填充了70 kg 吸附劑，最大取水量為38.5 kg[5]。 Farhad F 設(shè)計(jì)了一種嵌套式空氣取水系統(tǒng)， 該系統(tǒng)中的吸附床是由質(zhì)量為1.2 kg的MOF-801 壓制而成的體積為2 945 cm3的多孔金屬薄片， 該系統(tǒng)一晝夜制取液態(tài)水的質(zhì)量的最大值為120 g[6]。 本課題組發(fā)明了一種太陽能吸附取水管，并通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，得到了該太陽能吸附取水管的取水效率發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)管內(nèi)的空氣最大流速約為2.45 m/s 時(shí)， 單只太陽能空氣取水管每天的取水量約為0.753 L[7]，[8]。 此外，本課題組通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了5A 分子篩的開式吸附性能， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5A 分子篩的平衡吸附量、 累積吸附速率均與環(huán)境的相對(duì)濕度呈正相關(guān)， 均與環(huán)境溫度呈負(fù)相關(guān)， 當(dāng)環(huán)境溫度由25 ℃降低至10 ℃時(shí)，5A分子篩的平衡吸附量增加了56%[9]。

本課題組以干旱地區(qū)豐富的太陽能作為驅(qū)動(dòng)脫附能源， 通過試驗(yàn)研究了太陽能空氣取水管的制水性能，發(fā)現(xiàn)沙漠地區(qū)空氣的相對(duì)濕度較低（約為30%），在該地區(qū)吸附劑對(duì)空氣中水蒸氣的吸附能力低于上海地區(qū)（空氣相對(duì)濕度約為60%），并且吸附劑在相對(duì)濕度為36.5%條件下的吸附性能約為相對(duì)濕度為69%條件下的80%，因此，沙漠地區(qū)吸附劑總的空氣取水量比上海地區(qū)約低了20%[9]。 本文根據(jù)以上研究結(jié)果，進(jìn)一步分析了將太陽能空氣取水技術(shù)應(yīng)用于沙漠地區(qū)的可行性，以期獲得在沙漠地區(qū)建立補(bǔ)水站以及進(jìn)行滴灌小型化種植的可行性。

1 太陽能空氣取水管以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 太陽能空氣取水管原理

太陽能空氣取水管 （Solar Watering Tube，SWT）利用吸附床內(nèi)13X 沸石吸附劑吸附空氣中水蒸氣；然后，利用太陽能脫附水蒸氣；最后，利用冷凝管使水蒸氣凝結(jié)，以獲得液態(tài)水。太陽能空氣取水管的制水過程不受周圍區(qū)域水資源的影響[7]。

太陽能空氣取水管的結(jié)構(gòu)及其吸附-脫附制水循環(huán)示意圖如圖1 所示。

圖1 太陽能空氣取水管的結(jié)構(gòu)及其吸附-脫附制水循環(huán)示意圖Fig.1 Structure and adsorption-desorption water production cycle of solar air watering tube

由圖1 可知， 太陽能空氣取水管主要由真空集熱管（包含內(nèi)管、外管和真空層）、吸附床（填充了13X 沸石吸附劑）、吸附床水蒸汽通道、吸附床頂端濾網(wǎng)、密封塞、冷凝管、集水瓶組成。太陽能空氣取水管的吸附-脫附循環(huán)過程主要包括夜間的吸附過程和白天的脫附制水過程。 具體的循環(huán)過程：夜間，將真空集熱管與密封塞分開，含有水蒸氣的空氣流經(jīng)吸附床，吸附床內(nèi)的13X 沸石吸附劑開始吸附空氣中的水蒸氣；白天，利用密封塞將真空集熱管端口密封， 吸附床吸收太陽能輻射能后，溫度逐漸升高，吸附床內(nèi)的水蒸氣逐漸脫附出來，脫附出的水蒸氣進(jìn)入冷凝管冷凝成液態(tài)水，而后靠重力流至集水瓶保存起來。

1.2 實(shí)驗(yàn)的建立

圖2 為太陽能空氣取水管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由圖2 可知， 太陽能空氣取水管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由小型氣象站、TBQ-2 總輻射表、QTS-4 全天候光輻射數(shù)據(jù)自記儀、吉時(shí)利2700 數(shù)據(jù)采集儀、太陽能空氣取水管、冷凝器、計(jì)算機(jī)組成。 利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，可以獲得太陽能輻射強(qiáng)度，輻射總量參數(shù)，環(huán)境溫度，環(huán)境濕度和太陽能空氣取水管溫度、取水量以及冷凝器溫度等參數(shù)。

圖2 太陽能空氣取水管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of solar air watering tube experiment system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2018 年5 月9 日-13 日，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為上海地區(qū)。 實(shí)驗(yàn)期間的天氣狀況包括晴天和多云天氣。 實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了單支太陽能空氣取水管的各項(xiàng)參數(shù)，以分析環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、太陽能輻射強(qiáng)度、吸附床溫度以及冷凝器溫度（取水管冷凝溫度）對(duì)太陽能空氣取水管產(chǎn)水率的影響。

2.1 環(huán)境參數(shù)的變化

太陽能空氣取水管的吸附過程以及水蒸氣的冷凝過程主要受環(huán)境參數(shù)的影響。 圖3 為5 月9日，環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的變化情況。

圖3 測(cè)試日，環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的變化情況Fig.3 The variation of ambient temperature and relative humidity on test day

由圖3 可以看出，5 月9 日，環(huán)境溫度為20～31 ℃，平均溫度為24.6 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度為50%～70%，平均相對(duì)濕度為61.0%。

2.2 太陽能輻射強(qiáng)度的變化

太陽能輻射強(qiáng)度和累計(jì)輻射總量會(huì)影響太陽能空氣取水管的脫附過程。測(cè)試日為晴天，有少許云，因此，測(cè)試日的太陽輻射強(qiáng)度較高。 圖4 為5月9 日太陽能輻射強(qiáng)度的變化情況。

圖4 測(cè)試日，太陽能輻射強(qiáng)度的變化情況Fig.4 Variation of solar radiation intensity on test day

由圖4 可知：7：00 太陽能輻射強(qiáng)度約為100 W/m2，而后逐漸升高；12：15 達(dá)到最大值（790 W/m2）；在此之后，太陽能輻射強(qiáng)度逐漸降低，17：00為150 W/m2左右。 全日累計(jì)輻射總量約為19.74 MJ/（m2·d）。

2.3 太陽能空氣取水管吸附床溫度的變化

圖5 為5 月9 日， 太陽能空氣取水管吸附床溫度的變化情況。

圖5 測(cè)試日，太陽能空氣取水管吸附床溫度的變化情況Fig.5 The adsorbent bed temperature variation of the SWT on test day

由圖5 可知：從6：00 開始，太陽能空氣取水管的吸附床吸收太陽輻射能， 其溫度逐漸升高；7：00，吸附床溫度達(dá)到51 ℃左右，此時(shí)吸附劑開始脫附水蒸氣；8：00 以后，吸附床溫度迅速升高，水蒸氣脫附量也逐漸增大；12：20 左右，吸附床溫度達(dá)到200 ℃；14：35，吸附床溫度到達(dá)最高的218℃，該溫度基本可以將13X 沸石吸附劑內(nèi)的水蒸氣 完 全 脫 附。 由 圖5 還 可 以 看 出：12：20-14：35，吸附床溫度趨于平緩，這是由于當(dāng)太陽能取水管溫度較高時(shí)， 其填充吸附床的真空管熱損失增大所導(dǎo)致；14：35 以后，隨著太陽輻射強(qiáng)度逐漸降低，吸附床溫度逐漸降低；17：00，吸附床溫度降至175 ℃，此時(shí)脫附過程全部結(jié)束；次日3：00，吸附床溫度達(dá)到50 ℃以下， 此時(shí)13X 沸石吸附劑開始吸附空氣中的水蒸氣， 當(dāng)沸石吸附劑低于50 ℃時(shí)，13X 沸石吸附劑對(duì)水蒸氣的吸附能力較高， 于是太陽能取水管進(jìn)入了下一個(gè)吸附-脫附制水循環(huán)過程。

2.4 太陽能空氣取水管冷凝溫度的變化

圖6 為5 月9 日， 太陽能空氣取水管冷凝溫度的變化情況。

圖6 測(cè)試日，太陽能空氣取水管冷凝溫度的變化情況Fig.6 The condensation temperature variation of the SWT on test day

由圖6 可知：6：00，幾乎沒有水蒸氣從13X沸石吸附劑中脫附出來， 取水管冷凝溫度與環(huán)境溫度相差不大，此后，隨著太陽輻射強(qiáng)度逐漸增大，吸附床脫附水蒸氣量逐漸增加，從而導(dǎo)致取水管冷凝溫度與環(huán)境溫度之間的差值逐漸增加；11：30 左右， 該溫度差達(dá)到了最大值， 約為8 ℃，此后，隨著吸附床脫附水蒸氣量逐漸減少，取水管冷凝溫度與環(huán)境溫度之間的溫度差逐漸減??；14：00以后，溫度差基本小于1 ℃。

2.5 太陽能空氣取水管制水量

圖7 為5 月9 日白天脫附過程中，太陽能空氣取水管累積制水量的變化情況。

圖7 白天脫附過程中，單支太陽能空氣取水管累積制水量的變化情況Fig.7 Variation of the fresh water yield of a single SWT during daytime desorption

由圖7 可知：7：00，太陽能空氣取水管開始制水，但制水量較少，此后，隨著太陽輻射強(qiáng)度逐漸升高，太陽能空氣取水管的制水量逐漸增加；9：00以后，太陽能空氣取水管制水量迅速增加；14：00左右，吸附床內(nèi)的水蒸氣基本脫附完成，而后，太陽能空氣取水管的制水量逐漸減少；15：00-18：00，太陽能空氣取水管的制水量約為8 mL；17：00以后，太陽能空氣取水管的制水量趨近于0。制水量的測(cè)試時(shí)間為7：00-18：00， 該測(cè)試時(shí)間內(nèi)，太陽能空氣取水管的累積制水量約為113 mL。

2.6 太陽能空氣取水管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文于2018 年5 月9 日，12 日，13 日進(jìn)行了太陽能空氣取水管的取水實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在晴或多云的天氣情況下，當(dāng)環(huán)境溫度為20～30 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度為31%～83%， 太陽輻射量為17.1～21.0 MJ/（m2·d）時(shí)，太陽能空氣取水管中心溫度的最大、最小值分別約為230，40 ℃，這樣可以分別滿足吸附劑的脫附溫度和吸附溫度。

太陽能空氣取水管的單位能量的制水量MPE為太陽能空氣取水管的制水量與太陽輻射量之比， 該參數(shù)反映了太陽能空氣取水管的能源利用能力。 通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同測(cè)試日，單支太陽能空氣取水管的制水量MPD 分別為107，86，102 mL，MPE 分別為120，105，113 mL/MJ。 影響MPE 的因素主要包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和太陽輻射量。當(dāng)太陽輻射量較高，吸附床脫附溫度達(dá)到要求時(shí)，影響MPE 的主要因素為前日夜間吸附床對(duì)空氣中水蒸氣的吸附量。

3 太陽能空氣取水管取水系統(tǒng)應(yīng)用分析

圖8 為太陽能空氣取水系統(tǒng)的示意圖。

圖8 太陽能空氣取水系統(tǒng)應(yīng)用示意圖Fig.8 Schemat diagram of solar air watering application system

由圖8 可知， 太陽能空氣取水系統(tǒng)主要由太陽能空氣取水管、冷凝器、水箱和滴管器組成。 本文中的太陽能空氣取水系統(tǒng)安裝在屋頂面積為20 m2的建筑上。 若將20 支太陽能空氣取水管組成1 個(gè)制水單元， 則每個(gè)制水單元每天可以制取液態(tài)水約2 L。 經(jīng)過計(jì)算可知，該建筑的屋頂上可以安裝8 組制水單元， 則每日可以制取液態(tài)水約為16 L。

4 結(jié)論

本文將13X 沸石吸附劑與太陽能集熱管相結(jié)合，制成了太陽能空氣取水管，通過對(duì)該取水管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出了如下結(jié)論。

①當(dāng)環(huán)境溫度為18～32 ℃， 環(huán)境相對(duì)濕度為50%～80%， 太陽輻射量為17.1～21.0 MJ/（m2·d）時(shí)，太陽能空氣取水管中心溫度的最大、最小值分別約為230，40 ℃，能夠分別滿足吸附劑脫附和吸附過程的溫度要求。

②通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單支太陽能空氣取水管每日能夠制取液態(tài)水91～113 mL， 太陽能空氣取水管的單位能量制取水量為90 ～102 mL/MJ。

③將20 支太陽能空氣取水管組成一個(gè)制水單元， 則在屋頂面積為20 m2的建筑上可放置8組制水單元，那么太陽能空氣制水系統(tǒng)的制水量約為16 L/d。