室外環境參數對溫室苦咸水淡化系統的影響

江 稔, 李 強, 郭 峰

(山東建筑大學 熱能工程學院, 山東 濟南 250101)

1 概述

隨著人口增長、工業和農業發展,水資源短缺問題普遍得到世界各國矚目[1-2]。其中,農業用水量占比較大,尤其在干旱地區,農業用水量約占總用水量的80%[3]。因此,如何解決農用灌溉用水與淡水短缺之間的矛盾日益被人們重視。溫室大棚作為一種低成本的節能節水裝置,不僅能通過減少作物蒸騰量來節省灌溉用水,而且還能實現作物種植的增量增產,成為近年來可持續農業領域的研究熱點[4]。

為了進一步減少干旱地區溫室種植業的水資源消耗,相關學者基于加濕-除濕技術,提出了“海水溫室”概念[5],能夠在淡水短缺或苦咸水居多的地方提供灌溉用水,并于1994年成功進行了項目試點[6]。之后,諸多學者開始對溫室苦咸水淡化系統的性能進行實驗與模擬研究。通過相關學者進行的大量實驗研究,得到溫室苦咸水淡化系統的產水量受到太陽輻照度、環境溫濕度、送風量、溫室結構、加濕除濕裝置運行參數的影響,且這些影響之間相互耦合[7-8]。因此,通過實驗很難得到運行參數對溫室苦咸水淡化系統性能的影響。隨著計算機技術不斷發展,數值模擬技術逐漸成為研究溫室苦咸水淡化系統的有效方法。

Davies等最早建立溫室苦咸水淡化系統的數學模型[9],但由于模型未考慮溫室內作物蒸騰等影響,且假定二級濕簾加濕后的相對濕度為95%,導致模擬結果誤差較大。為了更快速地預測溫室苦咸水淡化系統的性能,相關學者基于數值模擬建立產水量的經驗關聯式[10-11],但受限于溫室苦咸水淡化系統的結構不同,相關的關聯式均不具有普適性。為了進一步優化溫室苦咸水淡化系統的性能,Ehteram等[12]與Zarei等[4]通過建立人工神經網絡模型,得到當溫室寬125 m、長200 m、蒸發器高4 m時溫室苦咸水淡化系統性能最佳。此外,通過模擬濕空氣在不同結構冷凝器中的冷凝傳熱過程,Zamen等[5]證明了使用直接接觸式冷凝器比間接式冷凝器更能夠提高產水量。

綜上所述,目前對于溫室苦咸水淡化系統的研究忽略了室內作物的蒸騰作用,且未分析室外環境參數對產水量的影響。因此,本文建立了溫室淡化系統的熱力學模型,分析產水量與室外環境參數的關系,以期對溫室淡化系統的合理設計提供一定的技術支持。

2 溫室苦咸水淡化系統描述

“海水溫室”就是利用濕空氣加濕、除濕來產生淡水,其主要設備由2個濕簾、1個冷凝器、離心泵和引風機等組成[13]。溫室為半圓拱型,均采用高透光的PO薄膜。溫室苦咸水淡化系統流程見圖1。

圖1 溫室苦咸水淡化系統流程

通過離心泵抽取苦咸水箱中溫度為20 ℃的苦咸水,由電磁流量計監測調控離心泵轉速,保證冷凝器苦咸水入口位置6始終保持苦咸水質量流量為3 kg/s,苦咸水進入冷凝器管內,吸收濕空氣在冷凝器管外放出的顯熱和潛熱后,溫度升高3～8 ℃,從冷凝器出口7處離開。冷凝器管外產生的冷凝水從位置12處進入淡水箱,淡水箱裝有液位計,通過讀取液位高度計算一段時間內的生產淡水量。之后,冷凝器出口的苦咸水在電磁閥的調控下,分兩路從位置8和位置9處分別進入二級濕簾、一級濕簾對空氣進行加濕,苦咸水蒸發升溫0～2 ℃后從位置11和位置10處由管道返回苦咸水箱。通過補水控制苦咸水箱中的苦咸水溫度,實現持續循環。

為了方便后續實驗的計算分析,水管路連接設備的接口處應設有溫度計,圖中位置1～5處均設置溫濕度傳感器,一級濕簾入口設有風速測量儀。

在引風機作用下,溫度為28～38 ℃、相對濕度為30%～60%的室外空氣從位置1處進入一級濕簾,通過入口處的風速測量儀調節引風機轉速,從而根據一級濕簾迎風斷面積計算出空氣的質量流量。20 ℃的苦咸水使空氣加濕降溫為溫度為26～32 ℃、相對濕度為65%～85%的濕空氣,從位置2處進入溫室種植區,帶走溫室種植區的熱量,并進一步吸收植物蒸騰作用釋放的水蒸氣,變成溫度為29～34 ℃、相對濕度為60%～80%的濕空氣,此時位置3處的濕空氣能夠容納更多的水蒸氣。濕空氣在二級濕簾的作用下進一步加濕,成為溫度為25～30 ℃、相對濕度為90%～100%的近飽和濕空氣,從位置4處進入冷凝器。最后,近飽和的濕空氣與冷凝器管內的苦咸水換熱,變成溫度為23～28 ℃、相對濕度為90%～100%的空氣,從位置5處由引風機排至室外,而在冷凝器管外凝結出淡水。典型工況條件系統狀態參數見表1。

表1 典型工況條件系統狀態參數變化

3 溫室苦咸水淡化系統模型

① 模擬假設

為了評估系統的性能,基于能量和質量守恒定律列出子系統的平衡方程,并作如下假設[5,14-16]。

a.濕簾中熱質傳遞僅發生在空氣與水之間,且空氣不會加濕到過飽和狀態;

b.空氣-水界面的溫度等于進出口水的平均溫度;

c.假定土壤層絕熱,忽略土壤表面的水分蒸發;

d.冷凝器中,空氣與水流動的交叉方式近似視為全逆流方式;

e.假定冷凝器出口空氣相對濕度為95%,出口空氣溫度等于凝結淡水溫度。

② 控制方程[15]

將溫室苦咸水淡化系統分成加濕、溫室和除濕等子系統,根據熱質平衡方程分別得出子系統的數學模型,溫室苦咸水淡化系統計算流程見圖2。

圖2 溫室苦咸水淡化系統計算流程

a.一級濕簾

一級濕簾的熱質平衡方程為:

qm,ah1+qm,9h9=qm,ah2+qm,10h10

(1)

qm,ad1+qm,9=qm,ad2+qm,10

(2)

式中qm,a——室外空氣中干空氣的質量流量(簡稱室外干空氣質量流量),kg/s

h1——一級濕簾入口空氣的比焓,kJ/kg

qm,9——一級濕簾入口苦咸水的質量流量,kg/s

h9——一級濕簾入口苦咸水的比焓,kJ/kg

h2——一級濕簾出口空氣的比焓,kJ/kg

qm,10——一級濕簾出口苦咸水的質量流量,kg/s

h10——一級濕簾出口苦咸水的比焓,kJ/kg

d1——一級濕簾入口空氣的含濕量,kg/kg

d2——一級濕簾出口空氣的含濕量,kg/kg

一級濕簾的傳熱傳質關系見文獻[15]。

b.溫室種植區

溫室種植區的熱質平衡方程為:

qm,ah2+(1-φp)EτA=

qm,ah3+KAc(tave,shi-t1)+Φ+

(3)

Tsky,k=0.055 2(t1+273.15)1.5

(4)

(5)

式中φp——作物冠層的短波反射率,取0.25

E——太陽輻照度,kW/m2

τ——薄膜透過率,取0.82

A——作物種植面積,m2

h3——二級濕簾入口空氣的比焓,kJ/kg

K——薄膜傳熱系數,W/(m2·K),取7 W/(m2·K)

Ac——薄膜傳熱面積,m2

tave,shi——溫室種植區內平均溫度,℃,取溫室種植區入口溫度t2和溫室種植區出口溫度t3的平均值

t1——室外空氣溫度,即一級濕簾入口空氣溫度,℃

Φ——作物蒸騰散熱量,kW,采用彭曼公式[17]計算

fv——長波輻射系數,取0.81

σ——斯忒藩-玻耳茲曼常量,W/(m2·K4),取5.67×10-8W/(m2·K4)

εs——作物葉表面發射率,取0.98

Tave,shi,k——溫室種植區內平均熱力學溫度,K

Tsky,k——天空有效溫度,K

r——汽化潛熱,kJ/kg,取2 500 kJ/kg

d3——二級濕簾入口空氣的含濕量,kg/kg

c.二級濕簾

二級濕簾的熱質平衡方程為:

qm,ah3+qm,8h8=qm,ah4+qm,11h11

(6)

qm,ad3+qm,8=qm,ad4+qm,11

(7)

式中qm,8——二級濕簾入口苦咸水的質量流量,kg/s

h8——二級濕簾入口苦咸水的比焓,kJ/kg

h4——二級濕簾出口空氣的比焓,kJ/kg

qm,11——二級濕簾出口苦咸水的質量流量,kg/s

h11——二級濕簾出口苦咸水的比焓,kJ/kg

d4——二級濕簾出口空氣的含濕量,kg/kg

二級濕簾的傳熱傳質關系見文獻[15]。

d.冷凝器

冷凝器的熱質平衡方程為:

qm,ah4+qm,6h6=qm,ah5+qm,7h7+qm,12h12

(8)

qm,ad4=qm,ad5+qm,12

(9)

qm,6=qm,7

(10)

式中qm,6——冷凝器入口苦咸水的質量流量,kg/s

h6——冷凝器入口苦咸水的比焓,kJ/kg

h5——冷凝器出口空氣的比焓,kJ/kg

qm,7——冷凝器出口苦咸水的質量流量,kg/s

h7——冷凝器出口苦咸水的比焓,kJ/kg

qm,12——冷凝水的質量流量(簡稱產水量),kg/s

h12——冷凝淡水的比焓,kJ/kg

d5——冷凝器出口空氣的含濕量,kg/kg

關于冷凝器的傳熱關系式見文獻[15]。

4 結果與討論

4.1 模型驗證

采用文獻[15]中的實驗數據分別對濕簾、溫室種植區和冷凝器等子系統模型中出口空氣的溫度和含濕量進行驗證。結果表明濕簾模型的溫度模擬值的相對偏差為3.96%～5.88%,含濕量模擬值相對偏差為0.43%～4.39%;溫室種植區模型溫度模擬值的相對偏差為-3.04%～1.47%,含濕量相對偏差范圍為-7.12%～0.52%;冷凝器模型的溫度模擬值相對偏差為-1.05%～2.22%,含濕量相對偏差為-2.46%～1.26%。綜上,模擬值與實驗值的相對偏差低于15%,本文所建立的數學模型可以有效預測溫室苦咸水淡化系統的熱濕傳遞性能。

4.2 產水量與室外參數的關系

本研究使用前文所建立并驗證的模型,利用Matlab軟件編寫程序進行仿真模擬,模型模擬參數及邊界條件設置見表2。在溫室種植區環境滿足作物生長所需的允許溫濕度范圍時(溫度不超過33 ℃,相對濕度不超過90%),本研究主要關注室外環境參數對系統產水量的影響。其中,冷凝器作為溫室淡化系統產水的核心部件,在冷凝器結構參數、冷卻水流量和溫度已定的情況下,產水量主要取決于冷凝器入口前空氣的狀態參數。下文將重點分析室外環境參數引起的產水量變化。

表2 模型模擬參數及邊界條件設置

4.2.1太陽輻照度對產水量的影響

當室外空氣溫度為34 ℃,相對濕度為45%,室外干空氣質量流量分別為10、15、20 kg/s時產水量與太陽輻照度關系見圖3。

由圖3可以看出,室外干空氣質量流量一定的條件下,產水量隨著太陽輻照度增加而增加。其原因在于,室外太陽輻射熱最終轉化為溫室內空氣的顯熱和作物蒸騰水分的潛熱,空氣需要帶走室內的余熱余濕,其溫度升高,含濕量增加。當空氣在進入二級濕簾時,空氣的容水能力增加,最終使冷凝器入口前空氣的溫濕度相對較高,產水量增加。

圖3 產水量與太陽輻照度的關系

隨著室外干空氣質量流量增加,產水量逐漸減小,且隨著太陽輻照度增加,由室外干空氣質量流量增加引起產水量負面效應逐漸顯著。這是因為在低太陽輻照度情況下,溫室種植區產生的余熱余濕較少,此時,室外干空氣質量流量對空氣的加濕除濕效果影響不大;而高太陽輻照度會顯著增加溫室種植區內的余熱余濕,所以室外干空氣質量流量使冷凝器入口前空氣溫濕度出現較大的差異。

當室外干空氣質量流量為10～20 kg/s,太陽輻照度從400 W/m2增加到1 000 W/m2,可以使產水量增加13%～29%。

4.2.2室外空氣相對濕度對產水量的影響

當室外空氣溫度為34 ℃,太陽輻照度為800 W/m2,室外干空氣質量流量分別為10、15、20 kg/s時,產水量與室外空氣相對濕度關系見圖4。

圖4 產水量與室外空氣相對濕度關系

由圖4可以看出,在室外空氣質量流量一定條件下,產水量隨著室外空氣相對濕度增加而增加。其原因在于,由于室外空氣相對濕度較高,使空氣經過濕簾加濕后能夠達到飽和狀態。最終導致空氣在冷凝器入口溫濕度高,產水量大。當室外空氣相對濕度低于55%時,產水量隨著室外干空氣質量流量增加而減小;當室外空氣相對濕度高于55%時,產水量隨著室外干空氣質量流量增加而增大。

在室外空氣溫度為34 ℃、太陽輻照度為800 W/m2條件下,當室外空氣相對濕度從30%增加到80%時,系統產水量增加了2.5～7.0倍。

當室外空氣相對濕度較高時,即使室外干空氣質量流量增加,空氣流速變大,空氣經過兩個濕簾加濕后,依然能夠以較高的相對濕度進入冷凝器除濕。換言之,增加相對濕度較高的干空氣質量流量提高了冷凝器的除濕效率,所以當室外空氣相對濕度高于55%時,隨室外干空氣質量流量增加,產水量增加。

4.2.3室外空氣溫度對產水量的影響

當室外空氣相對濕度為45%,太陽輻照度為800 W/m2,室外干空氣質量流量分別為10、15、20 kg/s時產水量與室外空氣溫度關系見圖5。

由圖5可以看出,室外干空氣質量流量一定時,室外干空氣溫度越高,產水量越大。這是由于當室外空氣相對濕度相同時,溫度越高,空氣的容水能力越強。高溫空氣在經過兩個濕簾加濕后能夠帶走更多的水蒸氣,使空氣以高溫高濕的狀態進入冷凝器除濕,所以產水量增大。

從圖5中還可以看出,當室外空氣溫度低于36 ℃時,隨著室外干空氣質量流量增加,產水量減小;而當室外空氣溫度超過36 ℃以后,改變室外干空氣質量流量對產水量影響不大。這是因為在相同的室外空氣相對濕度條件下,雖然高溫空氣有容納更多水蒸氣的潛力,但改變室外干空氣質量流量會影響空氣與濕簾水的熱質傳遞效果,在室外空氣溫度較低時,較小的室外干空氣質量流量能夠使空氣加濕到近飽和狀態。

圖5 產水量與室外空氣溫度的關系

在室外相對濕度為45%、太陽輻照度為800 W/m2的條件下,當室外空氣溫度從30 ℃增加到38 ℃時,產水量增加了1.5～2.3倍。

經以上分析可以發現,室外環境參數改變引起的水蒸氣分壓力差是影響產水量的根本原因,室外環境參數對產水量的影響由大到小為室外空氣相對濕度、室外空氣溫度、太陽輻照度。

5 結論

① 在室外干空氣質量流量一定的條件下,產水量隨著太陽輻照度增加而增加。當室外干空氣質量流量為10～20 kg/s,太陽輻照度從400 W/m2增加到1 000 W/m2時,產水量增加13%～29%。

② 在相同室外干空氣質量流量下,產水量隨著室外空氣相對濕度增加而增加。當室外空氣相對濕度低于55%時,產水量隨著室外干空氣質量流量增加而減小;當室外空氣相對濕度高于55%時,產水量隨著室外干空氣質量流量增加而增大。在室外空氣溫度為34 ℃、太陽輻照度為800 W/m2條件下,當室外空氣相對濕度從30%增加到80%時,系統產水量增加了2.5～7.0倍。

③ 室外干空氣質量流量一定時,室外空氣溫度越高,產水量越大。當室外空氣溫度低于36 ℃時,隨著室外干空氣質量流量增加,產水量減小;當室外空氣溫度超過36 ℃以后,改變室外干空氣質量流量對產水量影響不大。在室外相對濕度為45%、太陽輻照度為800 W/m2的條件下,當室外空氣溫度從30 ℃增加到38 ℃時,產水量增加了1.5～2.3倍。

④ 室外環境參數改變引起的水蒸氣分壓力差是影響產水量的根本原因,室外環境參數對產水量的影響由大到小為室外空氣相對濕度、室外空氣溫度、太陽輻照度。