陈中唯 武卫东 朱群东 马毅煜
(上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093)
随着我国人民生活水平的提高，人们对于安全、健康的生活饮用水方式日益关注[1]。但市政供水网络中的长距离运输和建筑物室内管道中的水停滞会导致细菌生长并扩散至自来水中，无法直接饮用，因此家用净水机的需求和市场规模逐年扩大[2]。
目前，我国市场上最常见的是利用反渗透膜的过滤净水机。该类净水机产水品质较高，但滤芯需要定期进行清洗以及更换[3]，否则不仅没有净水作用，还会造成二次污染[4]。其他常见的净水技术有物化消毒法和电解水技术等[5-6]。物化消毒法可以通过紫外线对水进行灭菌，操作简单，速度快[7]。但灭菌效果不均匀，而且处理后的水不能直接饮用。电解水技术通过电解装置在其阴极生成弱碱性饮用水[6]。但电解水稳定性差，不易于长期保存。
空气增湿去湿原理(humidification-dehumidification，HDH)是指空气流经潮湿表面时，会吸收表面的水蒸气，而湿空气流过低于空气露点温度以下的表面时，空气中的水蒸气会冷凝形成液态水[3]。该技术利用水在空气中的两次相变过程(液转化为气及气再转化为液)可以有效解决家用净水机更换滤芯的问题，同时也被认为是一种简单的产生淡水的方法[8]。当HDH系统中有热源对空气加热时，空气可以吸收更多的水蒸气，在冷却除湿时，冷凝水会增加。A.Giwa等[9]研究显示，通过利用水的相变过程实现净化方法制取的纯净水几乎除去了所有杂质(盐类和有机物)。A.E.Kabeel等[10]对空气增湿去湿技术进行了总结，结论显示1 kg干空气最多可吸收0.5 kg水蒸气。这些研究验证了利用空气增湿去湿原理来制备纯净水的可行性。
HDH系统对热源的温度要求较低，所以早期的HDH系统多利用太阳能等低品位热能提供能量。邵理堂等[11]设计了一种采用逆流增湿器的小型太阳能海水淡化装置。实验表明，在最佳的喷水量及空气流量下，出口空气湿度可达98%以上。S.Yanniotis等[12]研究了不同增湿器对于太阳能海水淡化的影响，结果表明填料式增湿器比喷嘴式增湿器工作性能更好，且可以避免喷淋水被循环风带入纯净水凝结处受到污染。但太阳能会受到天气和地理位置的影响，系统工作不稳定[13]。因此人们开始将热泵应用于海水淡化领域。S.A.Nada等[14]设计了增湿去湿的热泵式海水淡化系统，研究显示随着空气循环风量的增加，制水率、热泵系统制冷量和压缩机功耗均有所增加。
综上可知，目前空气增湿去湿原理已经成功应用于海水淡化领域。在家用净水领域，汪力等[15]设计并搭建了一套基于压缩式热泵系统的新型家用净水机，实验研究表明，系统制冷量、功耗及单位时间制水量随着循环风量的增加而增加，且最大单位时间产水量可达668 g/h。但压缩式热泵系统有运动部件和管路较为复杂等缺点。相比于压缩式热泵系统，半导体制冷具有设备更紧凑，维护要求更小，噪声和振动水平更低等优点。Liu Shanshan等[16]设计了一个两片半导体的便携式制水机。研究显示当循环风量升高时，冷端散热器的温度会降低，产水量会增大，在70.6 m3/h时最大产水量为25.1 g/h。但该装置为开式空气系统，空气没有加热过程直接被加湿，空气中所含湿量较少，故装置产水量较少，不能满足家用需求。H.S.Dizaji等[17]实验研究了新型空气-水的半导体制冷系统，结果显示当半导体热端通过恒定水温调节温度时，会提高半导体冷端的性能。M.Bortolini等[18]搭建了一台20片半导体的淡水发生器，研究表明当循环风量增加时，系统的单位时间产水量先增大后减小。但该装置为开式空气循环系统，空气会影响冷凝水的水质。
综上所述，家用净水装置具有工作不受外界环境影响、水资源利用率高、结构简单紧凑的特点[3]。本文基于半导体制冷和HDH原理提出一种新型闭式空气循环开式水循环的家用半导体净水系统，以实现对自来水的净化处理。同时，利用半导体热端产生的热量来加热空气，使空气可以吸收更多的水蒸气，有利于产水效率的提高。由于循环风量是影响半导体冷热端换热的关键因素，本文实验研究了循环风量对系统运行工况、制冷量、功耗、COP(coefficient of performance)、单位能耗产水量和单位时间产水量等参数的影响，为新型家用净水机的研究开发和实际应用提供参考。
新型家用纯净水机的系统组成及工作原理如图1所示。其中包含半导体片、循环风道、风机、喷淋装置和填料等部件。对于半导体制冷系统而言，半导体热端制热量大于冷端制冷量。为了保证系统长时间稳定运行，在半导体热端增设冷却水路，通过水和半导体热端的换热，及时排出多余的热量，同时可以提供温度较高的生活用水。图2所示为新型家用纯净水机实物图。
图1 新型家用纯净水机的工作原理及测点布置Fig.1 Working principle and measuring point layout of the proposed system
图2 新型家用纯净水机实物图Fig.2 Actual picture of the proposed system
系统工作原理主要分为三个部分：空气回路、冷却水路和喷淋水路。空气回路：空气回路由风机提供动力，循环风通过半导体热端一侧加热后，变成高温低湿的热空气，接着与喷淋装置加湿后的多孔填料充分接触，热质交换后变成中温饱和湿空气，然后经过半导体冷端一侧，完成降温减湿的过程，之后再次进入半导体热端一侧，完成一次空气循环。冷却水路：冷却水从半导体热端一侧进入，从另一侧流出，目的是为了带走系统中多余的热量。喷淋水路：由水泵送入的自来水从喷淋装置中向下喷入多孔填料中，在多孔填料中与空气充分接触，一部分被蒸发变成水蒸气被空气带走，另一部分作为废水被排出系统。空气中的水蒸气在半导体冷端被冷凝，依靠重力流入纯净水收集装置。
2.1 系统测点布置及仪器精度
系统数据采集点的布置如图1所示。主要分为三部分：风回路侧数据采集、半导体侧数据采集、喷淋水和冷却水侧数据采集。其中风回路需要采集的数据有半导体冷端换热器进出口风温、冷端换热器出口风速和空气湿度、半导体热端换热器出口风温以及风机的功率。半导体侧需要采集的数据有半导体冷热端温度以及半导体的电流和电压。喷淋水路需要采集的是喷淋水的进口水温和流量。冷却水路需要采集的是冷却水的进出口水温和流量。循环风量由测得的风速和测点的断面面积计算得出。测点位置位于近冷端出风口处，在经过冷端换热器整流后，流动更加稳定；
在同一平面对风速进行多次测量，取平均值作为循环风量的计算依据。对于系统制取的纯净水，通过溶解性固体(TDS)测试对水质进行检测。
系统中所有的传感器信号均由安捷伦数据采集仪采集并导入计算机储存，所用测量仪器相关参数如表1所示。
表1 测量仪器精度Tab.1 Measuring instrument accuracy
2.2 系统性能评价指标
本文涉及的主要性能指标有：单位时间产水量、系统制冷量、COP、系统总功耗和单位能耗产水量。
单位时间产水量：
(1)
式中：Mw为单位时间产水量，g/h；
m为净水装置稳定运行一段时间内测得的纯净水质量，g；
t为运行时间，h。
系统制冷量：
Q0=1 000vAρfΔh
(2)
式中：Q0为制冷量，W；
v为循环风速，m/s；
A为风道迎风面积，m2；
ρf为空气密度，kg/m3；
Δh为冷端换热器进出口空气焓差，kJ/kg。
制冷性能系数(COP)：
(3)
式中：Ptec为半导体功耗，W；
Q0为制冷量，W。COP越高，表明半导体的性能发挥的越好。
系统总功耗：
P=Ptec+Pf=Ptec+IfUf
(4)
式中：P为系统的总功耗，W；
Ptec为半导体功耗，W；
Pf为风机功耗，W；
If为风机直流电流，A；
Uf为风机电压，V。
单位能耗产水量：
(5)
式中：Me为单位能耗产水量，g/(kW·h)；
Mw为单位时间产水量，g/h。
2.3 不确定度分析
系统中温度、湿度、风速、功率等参数的测量对实验装置纯净水产量和功耗的计算影响较大。根据R. J. Moffat[19]的不确定度分析准则，系统性能评价指标的相对不确定度可由下列公式计算得出：
(6)
(7)
式中：R为被测量量与各直接测得量的函数关系；
δR/R为合成相对不确定度；
a，b，…，n为直接测量量在函数关系中的幂次方系数。
根据式(6)和式(7)，可以计算出单位时间产水量、系统制冷量、半导体制冷性能系数、总功耗和单位能耗产水量的相对不确定度分别为0.10%、0.16%、0.35%、0.33%和0.34%。
2.4 实验方法
本文提出的新型家用半导体净水系统中，半导体的制冷能力会直接影响产水性能，而循环风量则是影响半导体冷热两侧换热的关键因素。当循环风量过低，冷端换热能力不足，会导致产水性能不足；
当循环风量过大，此时风速过大使空气与肋片接触时间过短，使湿空气中水蒸气难以充分凝结。鉴于此，本文实验研究了循环风量的变化对系统运行工况、功耗、单位能耗产水量和单位时间产水量等参数的影响。
根据前期已有经验[4,15]，确定实验工况，如表2所示。实验过程中保持喷淋水流量、喷淋水进水温度、冷却水流量和冷却水进水温度不变，只改变循环风量的大小。
表2 实验工况Tab.2 Experimental conditions
3.1 循环风量对系统运行工况的影响
图3所示为不同循环风量对半导体冷热端温度及半导体冷热端温差的影响。由图3可知，当风量从70 m3/h增至110 m3/h时，半导体冷端温度、热端温度均随循环风量的增大而减小，冷热端温差略有下降(维持在约50 ℃)。这是因为随着循环风量的增大，热端换热器与空气的换热增强。空气的雷诺数增大，提高了热端换热器的传热系数，使空气能够带走半导体热端更多的热量，导致热端温度下降。同时，因热端温度的下降，半导体的傅里叶效应弱化，即半导体冷热两端的导热量减少，所以冷端温度降低。由于冷热端的换热均被增强，冷端温度的降幅略小于热端温度的降幅，从而冷热端温差表现出略有下降。
图3 不同循环风量下半导体冷热端温度和冷热端温差的变化Fig.3 Variaitions of temperature and temperature difference between cold and hot sides of semiconductor under different circulating air flow rate
图4所示为冷端换热器进出口风温、热端换热器出口风温随循环风量的变化。由图4可知，风量从70 m3/h增至110 m3/h时，冷端换热器进出口风温、热端换热器出口风温均随着循环风量的增大而降低。分析可知，随着循环风量的增加，冷端换热器空气的扰动增加，换热效果加强，由图3可知此时半导体冷端温度下降，使冷端的出风温度(热端的进风温度)降低。由于半导体热端温度下降和热端换热器进风温度降低，所以热端换热器的出风温度也降低。
图4 不同循环风量下半导体冷热端进出口风温的变化Fig.4 Variaition of inlet and outlet air temperature of semiconductor cold and hot side under different circulating air flow rate
图5所示为不同循环空气在系统中增湿去湿的过程。图中虚线和实线循环分别表示循环风量在70 m3/h和100 m3/h下空气在系统中状态的变化情况。由图5可知，A-C为循环空气降温加湿过程，因为空气温度高于喷淋水温度，所以在加湿的过程中，空气的温度会下降。C-B为冷却除湿过程，空气先被冷却降温，此时含湿量不变，为等湿冷却过程。在达到露点温度后，其中的水蒸气才冷凝形成纯净水。B-A为等湿加热过程，空气在热端换热器被加热后，温度升高，含湿量不变，变成高温低湿的状态。可以看出当风量增加时，加湿过程空气含湿量之差减少，由3.43 g/(kg干空气)降至2.76 g/(kg干空气)，这是由于风量增加使空气和喷淋水的接触时间变短，导致空气加湿效果下降。当工况运行稳定时，加湿效果的下降使除湿过程中空气析出的水分减少。这将会对单位时间产水量产生直接影响，因单位时间产水量可由循环风量和除湿过程空气的含湿量之差决定。在开始增加风量时，空气加湿效果略有下降，但循环风量的增幅大于除湿过程空气含湿量之差的降幅，单位时间产水量会增加；
当风量过大时，空气加湿效果显著下降，循环风量的增幅小于除湿过程空气含湿量之差的降幅，单位时间产水量则将会下降。
图5 循环空气增湿去湿的过程Fig.5 Humidification and dehumidification process of circulating air
3.2 循环风量对系统性能的影响
图6所示为半导体功耗、制冷量及COP在不同循环风量下的变化。由图6可知，功耗、制冷量及COP均随循环风量的增大呈上升趋势。这是因为此时热端换热不断强化，冷热端温度降低，使半导体的电阻减小，此时电压不变，导致功耗增大。由图2的分析可知，当循环风量增加时，半导体冷热端的温度降低，同时半导体热端温度的下降会导致塞贝克系数增大，电阻减少，电流增大，导热系数减小。由半导体制冷性能计算公式可知[8]，制冷量将不断增加。虽然制冷量与半导体功耗均在增大，但前者增幅大于后者，所以COP增大。
图6 不同循环风量下制冷量、半导体功耗和COP的变化Fig.6 Variaitions of refrigeration capacity, semiconductor power consumption and COP under different circulating air flow rate
图7所示为不同循环风量下，单位时间产水量和单位能耗产水量的变化。由图7可知，单位时间产水量、单位能耗产水量均随循环风量的增大呈先增大后减小的趋势，且均在风量等于100 m3/h时达到峰值分别为345 g/h、459 g/(kW·h)。当风量小于100 m3/h时，由图3可知，因风量增大而热端换热加强，冷端温度降低，此时进入冷端的湿空气与肋片充分换热，提高了冷端的传热系数，制冷量增大。由图5可知，当循环风量增加时，空气的加湿效果会下降，除湿过程空气含湿量之差减少，但此时循环风量的增幅大于除湿过程空气含湿量之差的降幅，使单位时间产水量增大。结合图6与图7分析可知，虽然产水量与总功耗均在增加，但产水量的增幅大于功耗的增幅，从而单位能耗产水量增大。当风量大于100 m3/h时，随着风量持续增大，由于风速过大使空气与肋片接触时间过短，湿空气中部分的水蒸气难以凝结，循环风量的增幅小于除湿过程空气含湿量之差的降幅，从而单位时间产水量降低，而风机功耗和半导体的功耗都在继续增大，因此单位能耗产水量降低。
图7 不同循环风量下单位时间产水量和单位能耗产水量的变化Fig.7 Variaitions of water production per unit time and energy consumption under different circulating air flow rate
实验过程中，利用TDS测试计对系统所制取的纯净水进行水质检测，结果显示纯净水和系统进水的TDS值分别为3 mg/L和173 mg/L，计算可得该纯净水机的脱盐率达97%。由图7可知，在本文的实验工况下，单位时间产水量最低为300 g/h，按24 h计算，系统纯净水日产水量不低于7.2 L/d，基本可满足普通家庭的饮水需求。同时，冷却水的出水温度不低于45 ℃，水量可达到150 L/d，可作为生活热水使用。
本文提出一种基于半导体珀尔贴效应和空气增湿去湿原理的新型家用纯净水机，并实验研究了循环风量对系统性能的影响，得到如下结论：
1)在实验工况下，循环风量对系统运行工况和系统性能有较大影响。当循环风量增大时，半导体冷热端的温度、冷热端进出口风温不断降低，半导体冷热端温差略有减小，系统制冷量、系统总功耗和COP不断增大，单位时间产水量和单位能耗产水量呈先增大后减小的趋势。
2)存在最佳循环风量为100 m3/h，单位时间产水量和单位能耗产水量达到峰值，分别为345 g/h、459 g/(kW·h)。
3)纯净水日产量(>7.2 L/d)基本可满足普通家庭的饮水需求。所测TDS均不高于3 mg/L，满足饮用水标准，脱盐率高达97%，满足国家标准GB/T 30306—2013[20]脱盐率的要求，同时可获得温度不低于45 ℃、水量不低于150 L/d的生活用水。
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