半导体制冷空气取水技术在农业灌溉中的适用性研究
时间：2023-01-23 22:35:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张亮， 石为位， 任芸瑾
(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；
2.河南河长学院，河南 郑州 450046；
3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)
我国是一个农业大国，农业用水量占总用水量的70%左右，农业用水存在浪费和不足的矛盾，尤其对于缺水地区，如何开源节流成为学者们广泛关注的研究重点。已有研究表明，空气中含有丰富的淡水资源，开展空中水资源管理利用的科学实践，有望打开我国水资源短缺地区开源的新局面[1]。除了人工增雨技术，目前国内外已有不少学者研究直接从空气中制取淡水的技术，以缓解水资源不足的矛盾。空气取水主要有两种方法，第一种是空气冷凝法，第二种是吸湿法。
空气冷凝法的原理是使空气冷却达到露点以下，凝结出水。叶继涛等[2]进行了太阳能半导体制冷结露法空气取水器的研究，分析了其取水的工作原理，并得出取水率的表达式，同时通过计算机模拟分析得出：当环境温度为293 K、空气相对湿度为50%时，其取水率为0.14 g/kJ。澳大利亚设计师爱德华·李纳克尔设计出一套灌溉系统，利用地下与地上的温差，将空气输送到地下，空气温度降至露点以下凝结出水，将从空气中提取出的水应用于灌溉中[3]。
吸湿法的原理为利用吸湿性强的固体或液体干燥剂吸收空气中的水分，再加热解析，凝结水蒸气得到淡水。1966年，HALL R C[4]提出用乙二醇作为液体干燥剂从空气中吸收水分，然后利用太阳能蒸馏器加热吸湿后的乙二醇使水分蒸发，从而得到淡水。刘业凤等[5]研究了间歇式和连续循环式两类空气取水系统，采用氯化钙质量浓度为38.4%的氯化钙-粗孔硅胶复合干燥剂，分别给出了两种系统在典型工况下的取水量。虽然吸湿法的产水效率较高，但是干燥剂对水质有一定的影响。
综上所述，对空气取水技术的研究较多，但实际应用于农业生产中的还相对较少，若成功将此技术应用于农业灌溉，将会极大促进非常规水资源的开发利用和农业农村现代化的发展。因此，本文设计了一种半导体制冷空气取水装置，通过理论分析得到装置产水效率，并拟定3种不同作物的灌溉应用场景，进行成本效益分析，探讨半导体空气取水技术在农业灌溉中的适用性，以期为解决农业缺水问题找到一条新的途径。
1.1 装置设计
在诸多制冷方法中，半导体制冷技术具有很多优点，如：无制冷剂，绿色环保；
无机械运动部件，结构紧凑且运行平稳无噪声；
制冷器件适应能力强，可根据需求做成多种形状；
调节方式简单，通过改变电流、电压大小即可调节制冷量；
还可通过串、并联方式组合，满足需要的制冷需求，制冷功率范围大等[6-10]。因此，其在空气取水当中有着较高的适用性。本文设计了一种半导体制冷空气取水装置，如图1所示。装置主体为厚度8 mm的长方体有机玻璃箱，该玻璃箱长1.0 m、宽0.5 m、高0.5 m，容积为0.25 m3，表面积为2.5 m2，外层为2 cm真空绝热板。箱体侧面装配有6个通风扇，半导体制冷器由1个温湿度探测器、10片型号为TEC-12706的制冷片、10个散热风扇、10个散热片、10个冷凝块、电源和众多散件组成。半导体制冷器是整个取水装置的核心部件，每两套半导体制冷器并联为一组，共5组，均匀分布在箱体上方，有利于冷凝水自然下落。真空绝热板能减少能量损失，提高产水效率。温湿度探测器能够随时探测箱体内外温度与湿度，便于后期数据收集。
1—半导体制冷器；
2—通风扇；
3—水流管；
4—储水箱；
5—滴灌带；
6—农作物；
7—散热风扇；
8—散热片；
9—制冷片；
10—冷凝块。
本装置是利用半导体制冷器降低箱内空气温度，当空气温度降至露点时，空气中的水蒸气会在冷凝块的表面凝结成液态水珠，水珠在箱体内聚集，当水量达到一定程度时，打开箱体底部开关，水流顺着管道流入储水箱，储水箱用来蓄存凝结出的水，以保证作物生育期有足量的灌溉水，在生育期内灌溉时随蓄随用。
1.2 产水量计算公式
半导体制冷空气取水装置的凝结水质量可由下式计算：
m凝=m空(d2-d1)，
(1)
m空=Vρ。
(2)
式中：m凝为凝结水的质量，g；
m空为箱体内的空气质量，kg；
d2为冷凝后的饱和湿空气的含湿量，g/kg；
d1为初始状态下空气的含湿量，g/kg；
V为箱体容积，m3；
ρ为空气密度，kg/m3。
产水过程遵循能量守恒定律，其方程为：
(3)
式中：Qw为单位时间内的制冷量，W；
h2为冷凝后的空气焓量，kJ/kg；
h1为初始状态下的空气焓量，kJ/kg；
t为处理空气所需时间，min；
Q1为通过箱体壁面的冷量损失，W。
箱体壁面的冷量损失计算公式为：
Q1=KAT；
(4)
(5)
式中：K为表面传热系数，W/(m2·K)；
A为箱体表面积，m2；
T为箱体内外温差，℃；
λ1为真空绝热板的导热系数，0.005 W/(m·K)；
λ2为有机玻璃的导热系数，0.18 W/(m·K)；
δ1和δ2分别为真空隔热板和有机玻璃的厚度，m。
由上述公式可以得到处理空气所需的时间，计算公式为：
(6)
因此，1 h内的产水量计算公式为：
(7)
将M变形得到产水量通用计算公式：
(8)
1.3 产水效率分析
通过对产水量计算过程的分析，可以发现空气取水装置的产水量M与冷凝前后的空气焓量差Δh成反比，与冷凝前后的含湿量差Δd成正比。已知空气焓量和含湿量随着空气温、湿度的改变而改变，因此，在装置不变时，空气的温度与湿度是决定产水效率的关键因素。因此，若要准确找出适合作物生长环境中的最佳产水量，就要针对不同空气温、湿度的情况进行分析。
以郑州市为例，郑州市5—9月的平均气温为26.6 ℃，平均相对湿度为74%。因此，在温度25 ℃、湿度75%的条件下对设计装置的产水量进行计算。本装置由10个半导体制冷片组成，所以Qw是Q单的10倍，其中型号为TEC-12706的半导体制冷片的最大制冷量为51.4 W，所以Q单为51.4 W，Qw为514.0 W，K为0.247 W/(m2·K)，A为2.5 m2，T近似用冷凝前后温度差代替，利用温度控制器控制制冷后温度，饱和状态下湿度为100%，通过威利斯·开利绘制的焓湿图[11]可以查找出标准大气压下不同温度与湿度下的d、h和ρ值，当露点低于控制温度时装置不产水。
通过公式(8)进行产水量计算，可以得到不同空气湿度下，温度由25 ℃降至不同温度时的产水效率，结果如图2所示。图2所示的曲线代表空气湿度为25%～80%，控制变量为初始温度25 ℃，自变量为降低后的温度，因变量是在不同的空气湿度和降低后温度的情况下所对应的产水效率。
由图2可知，在初始温度为25 ℃、某一空气湿度下，露点温度为0～22 ℃，控制降低后的温度，就能得到装置的产水效率。在同一空气湿度(不超过55%)下，产水效率随着降低后温度的增加而减小，呈单调递减状态；
当空气湿度达到55%及以上时，产水效率先随着降低后温度的增加而增加，达到最大值后再减小，呈先增后减状态，有极大值。因此，当初始温度为25 ℃，在空气湿度为75%、温度降低至10 ℃时，产水效率最高，为391.47 g/h；
空气湿度为80%时，温度降至12 ℃时的产水效率最高，为415.40 g/h。
在涉及到半导体空气取水的概念时，只要产水装置功率与本文相符，均可以通过图2查到初始温度为25 ℃时，不同空气湿度下的理论产水效率。
将初始温度在20～30 ℃、空气湿度在20%～80%条件下的所有最大产水量综合统计，绘制出装置最大产水效率图，如图3所示。图3代表不同空气湿度和初始温度下装置产水效率的最大值。在同一初始温度下，最大产水效率随着空气湿度的减小而减小，呈单调递减状态。
图3 初始温度为20～30 ℃时的最大产水效率
在涉及到半导体制冷空气取水时，只要产水装置功率与本文相符，均可以通过图3查到初始温度在20～30 ℃、空气湿度在20%～80%条件下的最大产水量。
不同地区的不同灌溉应用场景下，作物灌溉需水量、产量和效益都不同。为了分析空气取水对灌溉的适用性，以河南省郑州市为应用地区，设置3种灌溉应用场景进行经济效益分析比较。场景一选择大棚辣椒为灌溉对象，场景二选择大棚烟草为灌溉对象，场景三选择大棚菘蓝为灌溉对象，大棚采用机械通风方式进排风，大棚内温、湿度可控。采用的半导体冷凝装置如前所述，装置成本详见表1。
表1 半导体冷凝装置成本
场景一：
大棚辣椒生长的最佳温度为20～30 ℃，最佳湿度为60%～80%。选取温度25 ℃、湿度80%为产水控制条件，此时的最优产水量每小时415.40 g，工作24 h，每日产水9.97×10-3m3，每年产水3.64 m3。
研究表明，对比不同灌溉方式，辣椒采用膜下滴灌，全生育期耗水量少,产量和水分生产效率高[12]。采用膜下滴灌的方式，将滴灌毛管埋设于地膜的下面，使得滴灌的优势得到最大程度的发挥。辣椒全生育期灌水6次，每亩辣椒的灌溉需水量为106.4 m3，每亩产量2 637 kg。
一台半导体制冷装置每日工作24 h，一年的理论产水量为3.64 m3。按一年两收统计，大棚辣椒每亩产量5 274 kg，市场价为7.5元/kg，每亩辣椒收益约39 555元，每亩辣椒的灌溉需水量为212.8 m3，需61台装置连续工作12个月。
场景二：
大棚烟草生长的最佳温度为25～28 ℃，最佳湿度为70%～80%。选取温度25 ℃、湿度80%为产水控制条件，此时的最优产水量每小时415.40 g，工作24 h，每日产水9.97×10-3m3，每年产水3.64 m3。
部分学者于河南西部干旱地区应用膜下滴灌技术灌溉烟叶，每亩地灌溉水量为15～30 m3时，土壤水分利用率较高[13]。每亩地所需灌溉水量30 m3，每亩烟草产量为141.9 kg，产值为16.8元/kg，每亩烟草收益为2 383.9元[14]。
一台半导体制冷装置每日工作24 h，一年的理论产水量为3.64 m3。按一年两收统计，每亩烟草产量283.8 kg，产值16.8元/kg，每亩烟草收益为4 767.8元，每亩烟草的灌溉需水量为60 m3，需17台装置连续工作12个月。
场景三：
大棚菘蓝生长的最佳温度为13～25 ℃，最佳湿度为60%～70%，选取温度为20 ℃、湿度为70%为产水控制条件，此时的最优产水量每小时319.87 g，工作24 h，每日产水7.68×10-3m3，每年产水2.80 m3。菘蓝膜下滴灌的最优调亏灌溉制度是在营养生长期和肉质根生长期进行轻度水分调亏处理，每亩菘蓝灌溉需水量为113.7 m3，其产量为每亩570.2 kg[15]。
一台半导体制冷装置每日工作24 h，一年的理论产水量为2.80 m3。按一年两收统计，每亩菘蓝灌溉需水量为227.4 m3时的产量为1 140.6 kg，按市场价35元/kg来算，每亩菘蓝可收益39 922元，需82台装置连续工作12个月。各场景成本效益见表2。
表2 各场景成本和效益统计
由表2可知，若装置使用农业用电，每年电费远高于作物收益。为适应国家“双碳”战略，考虑使用光伏发电。
在国家发改委下发的《关于2021年新能源上网电价政策有关事项的通知(征求意见稿)》中，提出户用光伏电站2021年有0.03元/(kW·h)的补贴，并且按照全发电量进行补贴。中国气象局数据显示，郑州市2003—2014年年均日照时数为1 766.6 h，100 W的太阳能板每小时发电量0.1 kW·h。场景一每年用电量274 661.05 kW·h，需要1 555块100 W太阳能板全年工作(按年均日照时长1 766.6 h计算)，多晶太阳能板价格为4.5元/W，所以，其成本为69.98万元，按照国家光伏补贴20年计算，国家补贴16.48万元。场景二每年用电40 523.76 kW·h，需要230块100 W太阳能板全年工作，其成本为19.53万元，国家补贴4.59万元。场景三每年用电369 216.48 kW·h，需要2 090块100 W太阳能板全年工作，其成本为94.05万元，国家补贴22.15万元。考虑半导体冷凝器和蓄电池等设备部件更换维护，每年维护费按照设备价格的5%计算，由于太阳能光伏发电设备有商家提供质保，所以维护费仅计算取水装置的部分，设备折旧费按照折旧年限20年计算，因该装置多用于干旱缺水地区，所以灌溉效益分摊系数取0.5。综上所述，各场景成本效益分析结果见表3。
表3 各场景成本效益分析结果
根据《全国抗旱规划》，农业灌溉保障作物播种期和生长关键期的基本用水标准，一般最低控制在20～40 m3。所以，按照一年两收并保障关键期最基本用水量40、60、80 m33种方案对各场景进行经济分析，结果见表4。
表4 基本用水方案分析
由表4可知：3种基本用水标准情况下，场景一的投资回收期分别为7年、11年、13年，在原效益费用比为0.38的基础上3种方案的效益费用比都有所增长，且都超过1，方案A的效益费用比最高，为2.08，经济效益良好，即3种方案均具有可行性；
场景二的投资回收期分别为54年、83年、105年，3种方案的效益费用比均小于1，说明场景二的3种方案均不可行；
场景三的投资回收期分别为9年、13年、17年，在原效益费用比为0.28的基础上3种方案的效益费用比都有所增长，且方案A与方案B的效益费用比均超过1，方案A的效益费用比最高，为1.53，经济效益良好，说明场景三方案A和方案B具备可行性。
经以上分析可知，因半导体制冷空气取水技术前期投入成本较高，作为灌溉水源大面积推广使用存在较大困难，但将其作为干旱缺水地区非常规水利用的抗旱应急技术措施，以保证高价值经济作物播种期和生长关键期基本用水具备一定可行性。
1)设计了一种半导体制冷空气取水装置，推导出装置产水量计算公式，由公式可知在取水装置本身参数不变时，空气的温度与湿度是决定产水效率的关键因素。在郑州市目前空气温、湿度条件下，通过数值计算绘制了装置的最大产水效率图，应用该产水效率图，在初始温度为20～30 ℃、空气湿度为10%～80%的情况下，已知初始温度和空气湿度，即可得出最大产水效率。
2)以郑州市为例，设置了3组不同的灌溉应用场景进行成本效益分析。亩均灌溉用水量从小到大依次为场景二、场景一和场景三，亩均灌溉效益从大到小依次为场景三、场景一和场景二，保障作物关键期基本用水情况下投资回收期由小到大依次为场景一、场景三和场景二。结果表明，对于灌溉需水量较少、灌溉效益较高的经济作物，半导体空气取水技术的适用性相对较高。
3)在利用光伏发电来减少电费成本的条件下，半导体制冷空气取水技术作为农业灌溉的抗旱应急措施，以保证作物播种期和生长关键期基本用水，尤其是针对需水量较少、经济效益高的作物具备一定可行性。目前最大的问题是前期投入成本过高，导致投资回收期较长，效益并不是十分明显。但是随着科技的发展，半导体制冷技术会日渐成熟，成本降低是必然的趋势。
4)空气取水技术在农业灌溉中应用，不仅有利于减轻干旱地区灌溉缺水的问题，还能推动农业现代化的发展，为农业非常规水资源的开发利用提供了一条新的途径。
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