空氣冷凝取水技術的研究現狀

李維瑄 張延龍 鄭力燕 黃彭鑫悅 王孟楠 胡維儀

摘 要：本文介紹了現目前冷凝取水的現狀與發展。目前，空氣冷凝取水有兩種，種是露點取水，一種是吸附劑取水。近幾年，隨著全球缺水化問題的日益嚴重，空氣冷凝取水成為了熱點話題，國內外的許多科學家、發明家等都紛紛以此為研究對象，創造出新的科技產品等來解決缺水問題。空氣冷凝取水技術正在一步一步地進行完善與優化，大家都在為解決缺水問題而做出努力。

關鍵詞：空氣冷凝取水；進展；趨勢

中圖分類號：TV213 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0226-02

0 引言

全球有多數國家、地區存在著水資源匱乏的問題，干旱地區的人們無法得到干凈，水質有保障的飲用水和生活用水，長年的缺水狀態，是他們生活的大難題。我國是一個嚴重缺水的國家，且水資源分布不均勻，南北水質差異大，所以我國進行了南水北調，引灤入津等等調水工程。可是調水工程前期國家投入巨大，工程周期長，需要耗費大量人力去修建，還可能會影響周邊居民的正常生活，且無法立刻運用于實際生活。就此，全球的科學家、發明家等等積極投身于發明，創造各種產品，科技用于解決水資源缺乏問題。其中空氣取水成為研究熱點，大家紛紛從不同角度進行研究。

1 冷凝取水原理

目前空氣取水的方法一般有兩種，一種是利用露點原理進行取水，另一種是利用吸附劑原理進行取水。我們的智能產水器的其中一個主要產水方法就是利用空氣冷凝取水技術。大氣空氣是由干空氣和一定量的水蒸氣混合而成的，因此也叫做濕空氣[1]。我們的智能產水器的冷凝水制冷片表面的空氣溫度下降到露點以下，在制冷機表面上凝結而成的水。空氣中無論冷熱都含有水蒸氣。當空氣中水分的含量超過飽和濃度，水就會冷凝出來。溫度越高空氣中可以含有的水分就越多；反之，溫度越低空氣中可以含有的水分就越少。具體產生多少，產生速度，要根據空氣的飽和蒸汽壓來計算。理論上，空氣冷凝水是純凈水，但由于空氣中的微小懸浮顆粒，微生物等是冷凝水中可能存在著肉眼看不到的微小雜質，所以普遍由空氣冷凝取水技術取出來的水還需要進行凈化才能完全放心飲用，但是用此技術取得的水的品質極高，在大多數地區所取得的水是完全符合我國生活用水標準的有的甚至可以直接飲用。

2 國內研究進展

現目前國內有多個公司，學校對空氣冷凝取水進行研究，并得到相應研究成果，空氣取水技術得到飛躍提升。本文中主要提取4個重要案例進行主要講解。

2.1 安徽建筑大學熱管低溫蒸發端結露集水器

該裝置不需要消耗任何能源。該裝置與美國加州大學伯克利分校的WaterSeer裝置原理相似，該裝置白天利用熱管的導熱性能進行空氣換熱，將冷凝端埋入地下，上部蒸發端與金屬集水盤連接將空氣中的熱量傳給熱管，再經熱管傳入地下與恒溫土壤換熱，使金屬集水盤表面溫度降到空氣露點溫度以下，凝結出水。夜晚利用溫差，使集水器金屬表面和空氣的對流換熱，使集水器表面空氣溫度迅速降到露點溫度以下，析出水分加以利用。該裝置可以很方便地儲水，并且節約能源的利用，綠色環保，然而該裝置所需的占地面積較大，且不方便移動，一般是固定在某個特定的地方。

2.2 深圳福能達空氣與水科技發展公司的空氣制水機

該設備一天能取水20-50升，且已經開始進入人們的日常生活中，但是目前該設備一般適合家用或者小范圍區域使用。福能達空氣制水機是先將空氣中的水收集起來，然后再利用冷凝原理，再將產生的冷凝水進行進化從而達到飲用水標準的設備。整個過程具有取水效率高、能耗低、水質優良、自動控制等特點。目前福能達空氣制水機只需要達到空氣濕度25%左右就可以取水，比國內類似裝置的濕度要求低了15%左右，實現低成本高效率地解決全球缺水污染問題。

2.3 上海交通大學空氣中取水的設備

其中制冷劑氣體冷凝熱的一部分由冷凝器散熱，另一部分用于加熱熱飲水儲水器中的凈化水，制冷劑液體的蒸發冷量一部分用于制水，另一部分用于冷卻儲水器中的凈化水，我們就可以直接通過冷、熱水龍頭分別進行飲用水的飲用。這套飲水裝置包括機、制水器、殺菌紫外燈和活性炭凈化器、取水器等。該設備產水量大，且可以直接取用冷，熱水，但是產水器體積大，適用范圍不夠普及。

2.4 中國空軍某設計研究局的“戰場生存保障空氣取水設備”

中國空軍某設計研究局的高級工程師羅繼杰研制成功的“戰場生存保障空氣取水設備”，在5-43℃的范圍內、相對濕度大于40%的條件下，每天可以從空氣中提取30多公斤的純凈水，只要有電源就可以直接運行。提取的水經過層層過濾、消毒和添加一些人體所需的微量元素，水質完全達標并且可以直接飲用。但是該設備運用范圍不廣，只在軍隊推廣，且必須要依靠電源，不能達到在條件十分惡劣時利用。

3 國外研究進展

國外也有很多優秀的空氣取水案例，本文也主要選取4個典型案例進行分析。

3.1 以色列案例

以色列Water-Gen公司在近幾年推出的空氣取水系統有大型，中型和家用幾種不同系列的設備。小型設備可用于家庭和辦公室，每天大約能產生30升左右的水，中型設備每天平均生產600升左右清潔用水，大型設備每天能產生5000升左右飲用水，每天可大約為2500人提供飲用水。對于沒有電的地區，Water-Gen公司還推出了一款靠電池運行的解決方案。不過Water-Gen公司的執行主席坦言，Water-Gen制造的水的成本比淡化水要高，在淡化水裝置出現問題，無法供水時，Water-Gen就成為了代替方案。目前，Water-Gen公司還在進一步研發其核心技術，將空氣取水設備安裝到交通工具上，以便隨時隨地提供飲用水。Water-Gen公司的空氣取水設備已經在印度，美國，拉丁美洲，一些非洲國家等展開應用。[2]

3.2 伯克利案例

美國加州大學伯克利分校的團隊設計出一款名為WaterSeer的空氣取水器。WaterSeer最大的亮點就是它能24小時不間斷工作，且操作較為簡單，也不需過多維護從當前的測試來看，WaterSeer每天最高能產水41升。而這款設備是作用原理是利用溫差使水蒸氣凝結來取水。WaterSeer整個裝置高約1.7米左右，裝置較為龐大，而且我們需要將WaterSeer插入地下深約六英尺的地方，設備開始運轉后，我們不能直接獲得飲用水，而是需要通過按壓手動將水抽取出來。

3.3 德國弗勞恩霍夫學會下屬的界面工程處理和生物技術研究所案例

2009年6月2日德國弗勞恩霍夫學會下屬的界面工程處理和生物技術研究所宣布，他們和一家德國公司合作開發了一種可以將濕空氣轉化為飲用水的設備。這種設備的核心原理是利用鹽水的吸濕作用將空氣中的水分收集起來，而它的電能可完全依靠太陽能提供。該容器產水量大，使用太陽能節約能源，適用范圍廣。但該設備體積巨大，安裝調試困難，且產水水質無法保障。

3.4 Fontus Airo案例

來自澳洲的工業工程師克里斯托夫研發出了一款可隨時隨地取水的空氣集水瓶——Fontus Airo。該集水瓶的設計靈感源于一種在納米布沙漠上生活的甲蟲。它看上去就是一個普通的水瓶，但是這個空氣集水瓶可以冷凝空氣中的水分并將其轉化成安全飲用水儲存在水杯內。瓶子里安裝了簡單的空氣壓縮及過濾系統，可以過濾體積較大的污染物以及蟲子等。集水瓶通過降低空氣的溫度來收集水分，通過抽氣扇來加速冷凝速度達到產水效果。理想狀態下，Airo每小時可以生成大約0.6升的水[3]。瓶身有一塊太陽能電池板，給集水瓶供電，開始集水時，用戶只需擰開蓋子插上USB，將瓶子放置在太陽下即可。這款空氣集水瓶雖然實現了取水個人化，操作簡單快捷，縮小了空氣取水的裝置，但是這款杯子只能過濾掉較大的污染物和灰塵等，無法解決細菌問題，在空氣污染較為嚴重的地方收集的水無法直接飲用。

4 空氣冷凝取水技術發展趨勢

近年來，隨著地球能源的消耗，全球開始倡導可持續發展能源，推廣綠色無污染，相比其它消耗大的產水技術，空氣冷凝取水技術既節約了能源，又做到了環保高效，是十分可取的一項取水技術。并且空氣取水的成本較低，操作簡單，僅需一臺機器，就可以提供健康安全的飲用水，它在一定程度上能夠解決全球缺水問題。適用于各類場所，還可用于農業，畜牧業等生活場景。隨著發明家，科學家對空氣冷凝取水的深入研究，該項技術將更加普遍的運用與我們的生活中，為人類的生活提供便利，特別是讓干旱地區居民的生活條件得到改善，讓水資源的來源變得豐富起來。未來空氣冷凝取水技術的前景將會十分可觀，它的出現引起了社會各界的重視，而它對于人類又是一個造福世界的可持久利用的新新技術。

參考文獻

[1] Cao Y Z，Wang S Y，Zhang G，et al.2009.Chemical characteristics of wet precipitation at an urban site of Guangzhou，South China[J].Atmospheric Research，94：462-469.

[2] 劉玉德，王碩，吳剛，張浩.空氣制水技術研究現狀及其發展應用[J].自動化應用，2017（02）：30-32.

[3] 澳洲推出黑科技水杯可從空氣中搜集水分[J].家電科技，2018（01）：11.