新型家用純凈水制備系統的產水特性及經濟性分析

胡錕，武衛東，汪力，華若秋

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

近年來我國家用凈水器市場需求隨經濟水平的提升而逐步增長[1]。目前主流家用凈水器使用反滲透膜等膜過濾技術處理自來水以得到飲用純凈水，但需要定期清洗和更換膜，提高了用戶的使用成本[2]。因此研制一種不需要清洗和更換濾芯的凈水器對于家用凈水技術的發展具有重大意義。

干空氣流經潮濕表面時，只吸收水分而不吸收雜質，然后流經低溫表面可使空氣中的水蒸氣重新冷凝成液態水， 這稱之為增濕去濕原理（Humidification Dehumidification，HDH）[3]。這種方式無需過濾或蒸餾即可實現水凈化，常應用于中、小型容量海水淡化領域，并利用太陽能和工業廢熱等低品位熱能加熱空氣或海水以提升加濕效果，此外在除濕制冷系統中也有部分應用和學術研究[4-5]。Kabeel 等[6]的研究顯示，HDH 原理制取的純凈水幾乎可去除水中所有的鹽類和有機物。還有一些學者對系統壓力、環境溫度、進水流量等系統參數進行了研究[7-10]。馮東東等[11]基于HDH 原理，利用內燃機余熱加熱海水后在真空環境下產生水蒸氣以加濕空氣，高濕空氣流經低溫板式換熱器后產生潔凈的冷凝水用于漁船飲用水。但是這些HDH系統利用的低品位熱能不適用于家用環境，且需要大型換熱器來保證換熱量，發展受到一定限制。

蒸汽壓縮制冷系統作為一種僅消耗一定電能即可同時提供冷量和熱量的高效裝置[12-13]，也逐漸開始與太陽能聯用以解決傳統太陽能HDH 系統的性能容易受到日照輻射強度影響的弊病[14]。SRITHAR 等[15]基于HDH 原理研制了太陽能-熱泵海水淡化系統，但是該系統部件過多，且回路中蒸發器和冷凝器的散熱量不一致，需采用開式空氣回路，這會影響水質，無法滿足家用飲用純凈水要求。

綜上所述，利用HDH 原理對水進行深度凈化具有可行性，且已成功應用于海水淡化領域，但是已有系統的部件過多或體積過大，且無法保證純凈水不受外界空氣污染，故不適用于家用凈水領域。鑒于此，本文在前人的基礎上提出一種基于HDH原理的新型家用純凈水制備系統，通過穩態工況的熱力性能實驗，研究了系統在不同進水溫度下的產水特性，同時對系統進行了相關經濟性分析，為其后續的應用推廣提供參考。

1 系統工作原理與測試方法

1.1 工作原理和工作流程

本文提出的系統主要包括壓縮制冷裝置、噴淋裝置、水循環管路、多孔填料和風機等，圖1為純凈水制備系統組成及原理圖。

系統工作原理和流程為：在風機作用下，循環風流經主冷凝器被加熱，后進入多孔填料處與由噴淋孔流進的自來水進行熱濕交換，吸收水分形成高濕空氣（Humidification 過程），隨后流經低溫的蒸發器表面，不斷地將空氣中的水蒸氣冷凝成液態水析出（Dehumidification 過程，即由此產出純凈水），被除濕后的循環風再進入主冷凝器被加熱后進入下一個循環。未被循環空氣吸收的自來水滴入填料下方的集水槽中，在重力的作用下流入較低的輔助冷凝器中，與輔助冷凝器換熱后被加熱成高溫熱水。

需要說明的是，本系統采用閉式空氣循環以保證純凈水不受外界環境的污染。在忽略系統漏熱的情況下，為保證循環風回路的能量平衡，主冷凝器和風機的散熱量必須與蒸發器散熱量相等，然而制冷系統中總冷凝熱大于蒸發熱，因此設置輔助冷凝器通過與未被空氣吸收進入循環風回路的殘余自來水換熱而釋放制冷系統多余的冷凝熱。

圖1 純凈水機系統原理圖及測點圖

1.2 測試方法

家用凈水機在使用過程中會受到季節（不同自來水進水溫度）的影響，因此需要在不同進水溫度下測試系統工作性能。本文測試中，利用恒溫水槽提供不同溫度、相同流量的水，每改變一次系統進水溫度，以循環風溫度上下波動在0.5 ℃以內作為系統穩定的標志，并利用稱重法測量系統持續工作30 min 產生的純凈水與高溫熱水，記錄有關系統運行參數，結束實驗。表1為本文所確定的實驗工況。

實驗系統測點布置如圖1所示，測量參數包括循環風回路的溫度和相對濕度、風機電流和循環風速、制冷劑回路的溫度和壓力、水回路的溫度，以及系統進水和所制取純凈水的TDS 值、壓縮機功耗和系統穩定運行30 min 內所收集的純凈水量和熱水量；表2為測試儀表型號參數。

表1 實驗工況

表2 測試儀表的量程與精度

2 系統產水特性分析

通過穩態工況的熱力性能實驗，得到系統產水特性（純凈水產水量、高溫熱水產水量和單位能耗純凈水產水量等）隨不同進水溫度的變化情況，部分運行參數如表3所示。

圖2 進水溫度對純凈水產水量和高溫熱水產水量的影響

圖2為純凈水產水量和高溫熱水產水量隨不同進水溫度的變化曲線。從圖中可以看出，隨著進水溫度的上升，系統純凈水產水量隨之上升，高溫熱水產水量隨之下降。原因在于：進水溫度上升導致填料處水與空氣的熱濕交換加強，且此時冷凝器出風溫度也隨之上升，加濕效果增強，同時蒸發器進風溫度（即填料出風溫度）也隨之上升，這將加強循環風與蒸發器的換熱效果，除濕效果提升，因此系統純凈水產水量隨之上升；而在進水流量一定的情況下，流經填料被空氣吸收的水量（等于純凈水產水量）上升會導致流經填料而未被空氣吸收的水量下降，即高溫熱水產水量會隨著進水溫度的上升而下降。在本文工況下，純凈水產水量的最大值為692 g/h，最小值為580 g/h。

圖3 進水溫度對總功耗和單位能耗純凈水產水量的影響

圖3為系統總功耗和單位能耗純凈水產水量隨進水溫度變化的情況。這里單位能耗產水量是指系統消耗一度電可以獲得的純凈水量，由純凈水產水量除以系統總功耗后計算得到，單位為g/(kW·h)。由圖可知，系統功耗隨著進水溫度的上升而上升，且當進水溫度大于15 ℃時，其上升幅度變大，單位能耗純凈水產水量先上升后下降。這是因為：風機在風量一定的條件下其功耗基本不變，但是由表3吸排氣壓力可知，進水溫度從5 ℃上升到15 ℃時，壓縮機吸排氣壓比上升幅度較小，因此壓縮機功耗上升幅度較小；當進水溫度大于15 ℃時，排氣溫度已接近該品牌壓縮機推薦工作溫區（70 ℃～ 90 ℃）的上限，壓縮機壓比上升幅度變大，因此壓縮機功耗的上升幅度變大，進而導致系統總功耗在此時上升幅度變大。單位能耗純凈水產水量先升后降的原因是：當進水溫度從5 ℃上升至15 ℃時，純凈水產水量上升幅度大于系統總功耗上升幅度，因此單位能耗純凈水產水量呈上升趨勢；當進水溫度大于15 ℃時，系統總功耗上升幅度變大，故單位能耗純凈水產水量呈下降趨勢。在本文工況下，單位能耗純凈水產水量最大為1,996 g/(kW·h)，最小為1,898 g/(kW·h)。

由圖2和圖3進一步分析可知，當系統工作在一般工況（進水溫度為15 ℃左右）時，系統工作效率（即單位能耗制水量）較高；當系統工作在惡劣的夏季高溫工況（20 ℃～25 ℃）時，系統工作效率會有所降低，但是相應的純凈水產水量會提高，可滿足夏季高溫天氣用戶較大的飲用水需求；當系統工作在冬季低溫工況（5 ℃～10 ℃）時，系統總功耗較低，這說明系統可滿足用戶不同季節的不同需求。

實驗過程中，TDS 測試計的測試結果顯示，系統所制取的純凈水TDS 均不高于4 mg/L，系統進水TDS 為180 mg/L，其脫鹽率可達97%，可替代市面上常見的膜過濾式家用凈水器，且滿足《家用和類似用途飲用水處理內芯》[16]中規定的脫鹽率要求。

表3 系統運行工況數據

3 系統經濟性分析

在進行經濟性分析時，常采用附加投資償還年限法和費用年值法[17]。但是本文所研究的家用凈水器投資費用和年成本費較小，故采用尚存存等[18]提出的方法探究其與典型家用凈水器（反滲透膜型家用凈水器）經濟性情況。

按照每人每日飲用純凈水用量為1.5～2 L/天，則一戶三口之家的年純凈水用量可按2,000 L/年計算。典型反滲透膜型家用凈水器每產出1,000 L 純凈水需更換一次反滲透膜，更換反滲透膜的成本按照600 元/套計算，廢水率為50%；由前文提供的數據計算可得，本文提出的純凈水制備系統純凈水與熱水產水量之比在1/5.7 至1/4.7，按1/5 計算，單位能耗純凈水制水量按其平均值1,947 g/(kW·h)計算，則在年需純凈水量同為2,000 L 時，兩種凈水器的運行經濟性比較列于表4。

由表4可得，本文提出的系統相比于反滲透膜式凈水器，其初投資相對較多，但是運行費用低，10年總投資大大減少，具有廣闊的應用前景，且在用水的同時可產生5 倍于純凈水產量的高溫熱水（不少于3.1 L/h），其溫度不低于70 ℃，可作為生活熱水使用，因此本文提出的新型家用純凈水機的優勢更加明顯。

表4 兩種凈水器的運行經濟性

4 結論

1）本文基于HDH 原理和蒸氣壓縮制冷原理提出了一種新型家用純凈水制備系統，在不同季節工況（不同進水溫度）下，純凈水產量不少于580 g/h，純凈水TDS 小于4 mg/L，脫鹽率高達97%，滿足GB/T 30306-2013 中規定的脫鹽率要求，可替代膜過濾式凈水器。

2）進水溫度為15 ℃時，系統工作效率（即單位能耗純凈水產水量）最高，為1,996 g/(kW·h)；較低的進水溫度（5 ℃～10 ℃）有利于降低總功耗；較高的進水溫度（20 ℃～25 ℃）有利于提高純凈水產水量。

3）相比于典型反滲透膜型家用凈水器，本文所提出的新型家用純凈水機的初投資較大，但是運行費用低，10年總投資大大減少，且可同時產生不少于3.1 L/h、70 ℃以上的高溫熱水供用戶使用，無廢水產生，具有廣闊的應用前景。