日光溫室露點蒸發苦咸水淡化系統性能研究

房小磊，張麗麗，張林華

（山東建筑大學熱能工程學院，山東 濟南 250101）

0 引言

全球水資源廣泛分布，但淡水緊缺，其中海水、苦咸水占比大，開發利用程度較低［1］。相關數據顯示，地球表面的總水量中約有2.5%是淡水，且可供人類直接使用的淡水資源不足0.62%［2-3］。我國農業生產的平均用水量約占淡水用量的70%，在一些缺水地區，這一比例甚至達到了90%［4］。因此，合理開發利用各類咸水資源，有效脫鹽并實現農業灌溉，成為緩解用水矛盾的途徑之一［5-6］。

溫室中空氣加濕、除濕的技術是通過利用濕空氣與高溫海水間的熱質交換，實現海水淡化的目的。PATON等［7］基于太陽能蒸餾裝置的原理，首次提出“海水溫室”的概念。ABDULRAHIM等［8］對這種海水溫室做了較為全面地闡述。ZAMEN等［9］基于有限差分法建模求解海水溫室中的加濕器和除濕器，并提出直接接觸式除濕器代替間接冷凝器的方法。MAHMOUDI等［10］為新提出的被動式冷凝器建立了數學模型，提高了加濕、除濕海水溫室淡化系統的性能。近幾年，海水淡化日光溫室在國內也受到了廣泛關注［11］。伍綱［12］提出了一種利用菲涅爾透鏡聚光器直接加熱多級加濕器的海水淡化系統，減少了換熱環節，提高了海水淡化效率。徐輝［13］提出了增強型弱壓縮増、除濕海水淡化系統，可以顯著提高系統的產水率。

露點蒸發淡化技術是一種新型淡化技術，利用加濕-除濕原理，將冷凝過程與蒸發過程相耦合，可以顯著提高熱利用效率［14］。HAMIEH 等［15］建立了露點蒸發過程的純理論模型，通過理論計算直接求得傳熱、傳質系數，進而模擬整個增濕和除濕過程，這種純理論模型的物理意義非常明確，并且模擬過程不受具體設備型式的限制。丁濤［16］利用有限微分方法建立的模型對露點蒸發過程具有普適性，其中的傳熱、傳質系數可通過分析大量的實驗數據得到。CHEN［17］根據露點蒸發淡化原理模擬了日光溫室內部溫濕度的縱向梯度，得到了空氣溫濕度作為溫室內距離的函數，該模型可以預測空氣的中間和出口條件。AL-LSMAILI［18］采用控制變量法，通過日光溫室內的一系列實驗，分析了空氣流量、噴淋水流量等因素對露點蒸發海水淡化過程的影響。

文章將露點蒸發淡化技術應用于日光溫室，建立日光溫室露點蒸發苦咸水淡化系統，通過模擬計算，得到日光溫室內溫濕度的變化情況及回風比例對產水量的影響，以期為淡水資源短缺、苦咸水資源豐富地區的溫室種植提供一定的理論支撐。

1 日光溫室露點蒸發苦咸水淡化系統概述

日光溫室露點蒸發苦咸水淡化系統示意圖如圖1所示，流程圖如圖2所示。冷凝器除濕裝置的冷源為苦咸水，通過水泵抽取咸水箱中的苦咸水，進入冷凝器與來自種植區的熱濕空氣換熱?？嘞趟湛諝怙@熱和冷凝潛熱，當溫度升高時，由管道通過噴淋裝置噴淋，在換熱盤管表面形成水膜。冷凝器外部凝結的淡水落到下端的淋水盤，經管道流到淡水箱。

圖1 日光溫室露點蒸發苦咸水淡化系統示意圖

圖2 日光溫室露點蒸發苦咸水淡化系統流程圖

空氣從溫室西側進入一級加濕裝置，苦咸水在換熱盤管表面受熱蒸發（換熱盤管內熱水由太陽能集熱器提供），空氣與苦咸水換熱后經過一級氣液分離器除去加濕過程中未蒸發的鹽水進入溫室。濃縮后的苦咸水落到下端淋水盤，經管道流到咸水箱，空氣在引風機驅動下與外界空氣混合后進入一級加濕裝置。溫室種植區升溫的未飽和空氣，進入二級濕簾加濕裝置。來自冷凝器的苦咸水進入二級濕簾加濕裝置，自上而下流過多孔紙板，并與空氣進行二次熱濕交換，空氣又一次得到降溫加濕；苦咸水滴落到二級淋水盤，隨管道流回苦咸水箱。

經過二級濕簾加濕裝置、二級氣液分離器的熱濕空氣進入冷凝除濕裝置，熱濕空氣在冷凝器表面產生冷凝水，空氣含濕量減少，溫度降低變為干冷空氣。干冷空氣在引風機的作用下一部分排出溫室，一部分回收利用。北墻設有通風窗口，在溫室內外壓差作用下，將一部分空氣排出。太陽能光伏發電系統在白天利用溫室的太陽能光伏組件通過輸電線為水泵、風機供電。

2 數學模型的建立與求解

2.1 控制方程的推導

2.1.1 一級加濕裝置

一級加濕裝置中，空氣在換熱管之間流動，噴淋水從頂部噴灑，在換熱管的外表面流動形成液膜，管內熱水通過管壁與液膜進行換熱使液膜吸熱蒸發，未蒸發的液體沿著管壁流到下一層換熱管束繼續蒸發。

空氣混合過程中，其含有的水蒸汽總質量不變，由式（1）表示為

式中M1a為溫室進口空氣中干空氣質量，kg；M5b為回風中干空氣質量，kg；d1a為溫室進口空氣含濕量，g／kg；d5b為回風含濕量，g／kg；M1為混合空氣中干空氣質量，kg；d1為混合空氣含濕量，g／kg。

噴淋水蒸發過程中，熱水、噴淋水和水蒸汽的總質量不變，由式（2）表示為

式中d2為出口空氣含濕量，g／kg；M8為換熱管內熱水的質量流量，kg；Mk2、M′k2分別為噴淋苦咸水進口流量、出口流量，kg。

空氣混合過程中，其具有的總能量不變，由式（3）表示為

式中h1a為溫室進口空氣焓值，kJ／kg；h5b為回風焓值，kJ／kg；h1為混合空氣焓值，kJ／kg。

噴淋水蒸發過程中，熱水、噴淋水和空氣具有的總能量不變，由式（4）表示為

式中h8、h′8分別為換熱管內熱水的進口焓值、出口焓值，kJ／kg；hk2、h′k2分別為噴淋苦咸水的進、出口焓值，kJ／kg；h2為空氣出口焓值，kJ／kg。

假設出口空氣為飽和空氣，飽和溫度t2和含濕量d2對應關系［9］由式（5）～（7）表示為

式中Pv2為出口空氣對應濕球溫度的水蒸汽分壓力，Pa；T2為出口空氣溫度，℃；P為標準大氣壓，101 325 Pa；α1＝- 0.6095× 104、α2＝0.2116 × 102、α3＝- 0.2722 × 10-1、α4＝0.1684 ×10-4、α5＝2.4505。

2.1.2 日光溫室種植區

所研究的溫濕度變化主要沿溫室軸向長度方向，假設條件如下：土壤的蓄熱、蒸發忽略不計；日光溫室內外之間通過側壁的熱交換忽略不計；日光溫室長度方向為一維傳熱傳質。

溫室內的熱量來源于太陽輻射，一部分滿足植物的蒸騰作用，另一部分被吸收、反射，但最終以對流的方式傳遞給內部空氣。作物呼吸作用散熱很小，忽略不計。因此，在不考慮表面儲熱的情況下，可認為溫室內太陽的輻射熱量，一部分用于植物的蒸騰作用，另一部分轉化為空氣顯熱。

濕空氣中，水蒸汽含量相等，可由式（8）和（9）表示為

式中Et為由蒸發蒸騰作用而產生的水蒸汽的質量［19］，kg；αe為植物對太陽輻射的吸收系數，取值為0.4；Qs為太陽輻射量，W／m2；L為日光溫室長度，取30 m；Δx為微元長度，m；λ為作物的蒸發潛熱，是溫度T的函數［19］，即λ＝2501 - 2.361T，kJ／kg。

取微元計算時，相鄰微元段空氣中含濕量的關系由式（10）表示為

式中τc為覆蓋薄膜的輻射透過率，0.7；Lc為薄膜頂部長度，其值取9 m。

代入相關參數，整理得到關系由式（11）表示為

式中d3為出口空氣含濕量，g／kg。

塑料薄膜的傳熱系數是溫室外風速的函數［19］，由式（12）表示為

式中hc為塑料薄膜的傳熱系數，J／（s·K·m2）；v1a為溫室外部風速，m／s。

蒸騰作用中，系統的總能量不變，由能量守恒即式（13）表示為

式中tj＋1為迭代的氣溫，℃；t1a為室外氣溫，℃。

代入相關參數，整理可得式（14）表示為

式中t3為日光溫室出口氣溫，℃；A＝(t2-t1a) -

2.1.3 二級加濕裝置

選用濕簾的性能曲線［10］可確定濕簾降溫效率η，由式（15）表示為

式中η為降溫效率，%；ts3為進口空氣濕球溫度，℃；v為經過濕簾風速，m／s；ζ為濕簾比表面積，取450 m2／m3；δ為濕簾厚度，m。

假設濕簾對空氣處理過程為等焓加濕過程，可根據濕簾降溫效率計算濕簾出口空氣溫度［10］，由式（16）表示為

式中t4為濕簾出口空氣溫度，℃。

2.1.4 冷凝除濕裝置

冷凝淡水溫度td等于凝除濕裝置出口空氣溫度t5，而t5為苦咸水進口水溫t6與出口水溫t7的平均值。

將含濕量轉化為相對濕度［10］，得到相對濕度的關系式，由式（17）～（20）表示為

式中φo為空氣出口的相對濕度，%；ψo為空氣出口的蒸汽壓力，Pa；ψ′o為空氣出口的飽和蒸汽壓力，Pa；do為空氣出口的含濕量，g／kg；to為空氣出口溫度，℃。

2.2 模型的求解

系統的整個過程可以用式（1）～（20）描述，利用MATLAB進行編程計算，其中對日光溫室種植區采用迭代法計算，具體步驟［20］為：

（1）溫室沿長度方向劃分微元段，每段長為1 m；

（2）輸入已知條件，包括與系統相關的參數，如日光溫室進口溫度、含濕量、外界太陽輻射值、日光溫室長度、日光溫室頂部薄膜長度、薄膜透過率等常數；

（3）沿溫室長度方向，使用迭代法得到溫室長度方向的溫度分布、含濕量分布；

（4）判斷迭代次數是否在程序運行所允許的范圍內，如果超出則中止程序，否則開始下一步循環；

（5）輸出模擬結果。

3 結果與分析

3.1 模型驗證

根據文獻［18］的實驗數據驗證所獲數學模型，文章所建立的日光溫室模型與該文獻中的模型類似，因此可以取與文獻中相同的初始參數進行計算，并對比模擬和實驗結果，從而驗證文章中數學模型的正確性。以文獻中第4 次實驗為例，噴淋水和空氣的流量分別為6.7×10-4、7.76 m3／s，各參數的模擬值與實驗值對比如圖3所示。各參數的模擬值和實驗值之間有一定的誤差，可能是因為模擬值是在比較理想的條件下計算出來的，而實驗值受到很多不可控因素的影響?？傮w來說，模擬值與實驗值的平均誤差均在2.9%～3.6%，因此可以認為模擬結果與實驗結果具有較好的一致性，也說明了所建立的數學模型的可信性。

圖3 第4次實驗各參數模擬值與實驗值對比擬合圖

3.2 系統對溫室內環境因子的影響

所研究的日光溫室為典型的北方溫室，東、西、北三面為混泥土磚墻，其中北墻留有通風窗口，南面主要材料為單層高透明的聚乙烯薄膜，拱架采用鍍鋅鋼管，其東西長為30 m、南北寬為9 m。

對于溫室內的環境因子，主要討論溫度和濕度的變化情況［21-22］。適宜作物生長的溫度范圍為15～30 ℃；濕度過高容易使作物發生病害，適宜作物生長的濕度范圍為60%～90%。

以濟南市冬季1 月3 日的室外氣象參數為例，在空氣溫度為6.5 ℃和流量為12 kg／s、噴淋水溫度為5 ℃和流量為2 kg／s的工況下，有回風和無回風時日光溫室內的溫濕度變化如圖4、5所示。

圖4 日光溫室內長度方向上的溫度變化圖

溫室外太陽輻射強度隨著時間先增大后減小，中午時達到最大，由圖4可知，溫室內溫度也出現了先升高后降低的變化現象，太陽輻射強度是影響日光溫室內溫度的主要因素。由圖5 可以看出，相對濕度的變化規律與溫度的變化規律恰好相反，原因在于相對濕度是當前濕度和飽和濕度的比值，在絕對濕度不變的情況下，溫度增加使空氣攜帶水分的能力升高，從而使空氣的飽和濕度增加，因此相對濕度會隨之下降。

圖5 日光溫室內長度方向上的相對濕度變化圖

有回風的條件下，日光溫室內各點溫度分布較為均勻，其溫度最高為27.18 ℃、相對濕度最高為89%，均在作物正常生長的條件范圍內。無回風的條件下，日光溫室內中午最高溫度為31.1 ℃，且溫度波動較大，相對濕度最高為97%，均不利于作物正常生長。綜上可知，在有回風的條件下，溫度和相對濕度均可滿足作物正常生長所需的條件。

3.3 回風比例對產水量的影響

由不同回風比例下產水量隨時間的變化如圖6所示。產水量隨回風比例的變化曲線呈現相似的變化規律，隨著回風比例的增加，產水量呈上升趨勢。當回風比例達到100%時，產水量出現跳躍式增長，最高產水量可達2 kg，相比于回風比例為90%時，產水量提高了100%，這主要是因為回風的溫濕度比環境溫濕度高，隨著回風比例的增加，進入該系統的回風量增加，導致入口空氣的溫濕度增高，然而產水量又取決于空氣的溫濕度，當回風比例達到100%時，進入到系統的空氣全部為回風，空氣的溫濕度達到最大，因此產水量出現了跳躍式增長。

圖6 不同回風比例下產水量的變化圖

另外，作物蒸騰耗水量取決于太陽輻射和作物冠層與空氣間的水蒸氣分壓力差，因此蒸騰耗水量主要取決于太陽輻射。經2.1.2節計算可得作物的蒸騰水量最高為0.55 kg，該模型中最高產水量可以滿足農作物的正常灌溉需求。

在不同的工況條件下，產水量隨時間的變化規律比較符合高斯（Gauss）分布曲線的變化規律，擬合式由式（21）表示為

式中y為產水量，kg；t為時間，h；C1、C2、C3、C4為擬合常數。

選取回風比例為0、20%、40%、60%、80%、100%時的工況進行分析，擬合結果如圖7 所示?？梢钥闯?，Gauss擬合曲線與模擬結果擬合度高，可認為產水量隨時間變化規律符合Gauss分布，只要確定C1、C2、C3、C4等4個參數，便可確定系統的產水量。

圖7 不同回風比例下產水量模擬結果的擬合曲線圖

各工況的擬合參數見表1。C3和C4變化較小，與回風比例的變化無關。當回風比例一定時，C3和C4也隨之被確定。C1和C2／C3隨著回風比例的變化而變化，通過擬合得到曲線如圖8所示。

表1 不同回風比例下各參數的擬合值

由此可得產水量隨回風比例的關系，由式（22）表示為

式中z為回風比例，%。

4 結論

基于露點蒸發淡化原理，建立了日光溫室露點蒸發苦咸水淡化系統，結合溫室種植技術與苦咸水淡化技術，以濟南市冬季的室外氣象參數為例，分析了回風比例與產水量的關系，得到結論如下：

（1）在有回風的條件下，日光溫室內溫度和相對濕度最高分別達到了27.18 ℃和89%，滿足作物正常生長所需的條件。

（2）隨著回風比例的增加，產水量呈上升趨勢，當回風比例達到100%時，產水量實現跳躍式增長，最高產水量可達2 kg；相比于回風比例為90%時，產水量提高了100%，且最高產水量能夠滿足作物的灌溉需求，因此可以通過改變回風比例提高系統的產水量。