江 稔, 李 强, 郭 峰
(山东建筑大学 热能工程学院, 山东 济南 250101)
随着人口增长、工业和农业发展,水资源短缺问题普遍得到世界各国瞩目[1-2]。其中,农业用水量占比较大,尤其在干旱地区,农业用水量约占总用水量的80%[3]。因此,如何解决农用灌溉用水与淡水短缺之间的矛盾日益被人们重视。温室大棚作为一种低成本的节能节水装置,不仅能通过减少作物蒸腾量来节省灌溉用水,而且还能实现作物种植的增量增产,成为近年来可持续农业领域的研究热点[4]。
为了进一步减少干旱地区温室种植业的水资源消耗,相关学者基于加湿-除湿技术,提出了“海水温室”概念[5],能够在淡水短缺或苦咸水居多的地方提供灌溉用水,并于1994年成功进行了项目试点[6]。之后,诸多学者开始对温室苦咸水淡化系统的性能进行实验与模拟研究。通过相关学者进行的大量实验研究,得到温室苦咸水淡化系统的产水量受到太阳辐照度、环境温湿度、送风量、温室结构、加湿除湿装置运行参数的影响,且这些影响之间相互耦合[7-8]。因此,通过实验很难得到运行参数对温室苦咸水淡化系统性能的影响。随着计算机技术不断发展,数值模拟技术逐渐成为研究温室苦咸水淡化系统的有效方法。
Davies等最早建立温室苦咸水淡化系统的数学模型[9],但由于模型未考虑温室内作物蒸腾等影响,且假定二级湿帘加湿后的相对湿度为95%,导致模拟结果误差较大。为了更快速地预测温室苦咸水淡化系统的性能,相关学者基于数值模拟建立产水量的经验关联式[10-11],但受限于温室苦咸水淡化系统的结构不同,相关的关联式均不具有普适性。为了进一步优化温室苦咸水淡化系统的性能,Ehteram等[12]与Zarei等[4]通过建立人工神经网络模型,得到当温室宽125 m、长200 m、蒸发器高4 m时温室苦咸水淡化系统性能最佳。此外,通过模拟湿空气在不同结构冷凝器中的冷凝传热过程,Zamen等[5]证明了使用直接接触式冷凝器比间接式冷凝器更能够提高产水量。
综上所述,目前对于温室苦咸水淡化系统的研究忽略了室内作物的蒸腾作用,且未分析室外环境参数对产水量的影响。因此,本文建立了温室淡化系统的热力学模型,分析产水量与室外环境参数的关系,以期对温室淡化系统的合理设计提供一定的技术支持。
“海水温室”就是利用湿空气加湿、除湿来产生淡水,其主要设备由2个湿帘、1个冷凝器、离心泵和引风机等组成[13]。温室为半圆拱型,均采用高透光的PO薄膜。温室苦咸水淡化系统流程见图1。
图1 温室苦咸水淡化系统流程
通过离心泵抽取苦咸水箱中温度为20 ℃的苦咸水,由电磁流量计监测调控离心泵转速,保证冷凝器苦咸水入口位置6始终保持苦咸水质量流量为3 kg/s,苦咸水进入冷凝器管内,吸收湿空气在冷凝器管外放出的显热和潜热后,温度升高3～8 ℃,从冷凝器出口7处离开。冷凝器管外产生的冷凝水从位置12处进入淡水箱,淡水箱装有液位计,通过读取液位高度计算一段时间内的生产淡水量。之后,冷凝器出口的苦咸水在电磁阀的调控下,分两路从位置8和位置9处分别进入二级湿帘、一级湿帘对空气进行加湿,苦咸水蒸发升温0～2 ℃后从位置11和位置10处由管道返回苦咸水箱。通过补水控制苦咸水箱中的苦咸水温度,实现持续循环。
为了方便后续实验的计算分析,水管路连接设备的接口处应设有温度计,图中位置1～5处均设置温湿度传感器,一级湿帘入口设有风速测量仪。
在引风机作用下,温度为28～38 ℃、相对湿度为30%～60%的室外空气从位置1处进入一级湿帘,通过入口处的风速测量仪调节引风机转速,从而根据一级湿帘迎风断面积计算出空气的质量流量。20 ℃的苦咸水使空气加湿降温为温度为26～32 ℃、相对湿度为65%～85%的湿空气,从位置2处进入温室种植区,带走温室种植区的热量,并进一步吸收植物蒸腾作用释放的水蒸气,变成温度为29～34 ℃、相对湿度为60%～80%的湿空气,此时位置3处的湿空气能够容纳更多的水蒸气。湿空气在二级湿帘的作用下进一步加湿,成为温度为25～30 ℃、相对湿度为90%～100%的近饱和湿空气,从位置4处进入冷凝器。最后,近饱和的湿空气与冷凝器管内的苦咸水换热,变成温度为23～28 ℃、相对湿度为90%～100%的空气,从位置5处由引风机排至室外,而在冷凝器管外凝结出淡水。典型工况条件系统状态参数见表1。
表1 典型工况条件系统状态参数变化
① 模拟假设
为了评估系统的性能,基于能量和质量守恒定律列出子系统的平衡方程,并作如下假设[5,14-16]。
a.湿帘中热质传递仅发生在空气与水之间,且空气不会加湿到过饱和状态;
b.空气-水界面的温度等于进出口水的平均温度;
c.假定土壤层绝热,忽略土壤表面的水分蒸发;
d.冷凝器中,空气与水流动的交叉方式近似视为全逆流方式;
e.假定冷凝器出口空气相对湿度为95%,出口空气温度等于凝结淡水温度。
② 控制方程[15]
将温室苦咸水淡化系统分成加湿、温室和除湿等子系统,根据热质平衡方程分别得出子系统的数学模型,温室苦咸水淡化系统计算流程见图2。
图2 温室苦咸水淡化系统计算流程
a.一级湿帘
一级湿帘的热质平衡方程为:
qm,ah1+qm,9h9=qm,ah2+qm,10h10
(1)
qm,ad1+qm,9=qm,ad2+qm,10
(2)
式中qm,a——室外空气中干空气的质量流量(简称室外干空气质量流量),kg/s
h1——一级湿帘入口空气的比焓,kJ/kg
qm,9——一级湿帘入口苦咸水的质量流量,kg/s
h9——一级湿帘入口苦咸水的比焓,kJ/kg
h2——一级湿帘出口空气的比焓,kJ/kg
qm,10——一级湿帘出口苦咸水的质量流量,kg/s
h10——一级湿帘出口苦咸水的比焓,kJ/kg
d1——一级湿帘入口空气的含湿量,kg/kg
d2——一级湿帘出口空气的含湿量,kg/kg
一级湿帘的传热传质关系见文献[15]。
b.温室种植区
温室种植区的热质平衡方程为:
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——作物冠层的短波反射率,取0.25
E——太阳辐照度,kW/m2
τ——薄膜透过率,取0.82
A——作物种植面积,m2
h3——二级湿帘入口空气的比焓,kJ/kg
K——薄膜传热系数,W/(m2·K),取7 W/(m2·K)
Ac——薄膜传热面积,m2
tave,shi——温室种植区内平均温度,℃,取温室种植区入口温度t2和温室种植区出口温度t3的平均值
t1——室外空气温度,即一级湿帘入口空气温度,℃
Φ——作物蒸腾散热量,kW,采用彭曼公式[17]计算
fv——长波辐射系数,取0.81
σ——斯忒藩-玻耳兹曼常量,W/(m2·K4),取5.67×10-8W/(m2·K4)
εs——作物叶表面发射率,取0.98
Tave,shi,k——温室种植区内平均热力学温度,K
Tsky,k——天空有效温度,K
r——汽化潜热,kJ/kg,取2 500 kJ/kg
d3——二级湿帘入口空气的含湿量,kg/kg
c.二级湿帘
二级湿帘的热质平衡方程为:
qm,ah3+qm,8h8=qm,ah4+qm,11h11
(6)
qm,ad3+qm,8=qm,ad4+qm,11
(7)
式中qm,8——二级湿帘入口苦咸水的质量流量,kg/s
h8——二级湿帘入口苦咸水的比焓,kJ/kg
h4——二级湿帘出口空气的比焓,kJ/kg
qm,11——二级湿帘出口苦咸水的质量流量,kg/s
h11——二级湿帘出口苦咸水的比焓,kJ/kg
d4——二级湿帘出口空气的含湿量,kg/kg
二级湿帘的传热传质关系见文献[15]。
d.冷凝器
冷凝器的热质平衡方程为:
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质量流量,kg/s
h6——冷凝器入口苦咸水的比焓,kJ/kg
h5——冷凝器出口空气的比焓,kJ/kg
qm,7——冷凝器出口苦咸水的质量流量,kg/s
h7——冷凝器出口苦咸水的比焓,kJ/kg
qm,12——冷凝水的质量流量(简称产水量),kg/s
h12——冷凝淡水的比焓,kJ/kg
d5——冷凝器出口空气的含湿量,kg/kg
关于冷凝器的传热关系式见文献[15]。
4.1 模型验证
采用文献[15]中的实验数据分别对湿帘、温室种植区和冷凝器等子系统模型中出口空气的温度和含湿量进行验证。结果表明湿帘模型的温度模拟值的相对偏差为3.96%～5.88%,含湿量模拟值相对偏差为0.43%～4.39%;温室种植区模型温度模拟值的相对偏差为-3.04%～1.47%,含湿量相对偏差范围为-7.12%～0.52%;冷凝器模型的温度模拟值相对偏差为-1.05%～2.22%,含湿量相对偏差为-2.46%～1.26%。综上,模拟值与实验值的相对偏差低于15%,本文所建立的数学模型可以有效预测温室苦咸水淡化系统的热湿传递性能。
4.2 产水量与室外参数的关系
本研究使用前文所建立并验证的模型,利用Matlab软件编写程序进行仿真模拟,模型模拟参数及边界条件设置见表2。在温室种植区环境满足作物生长所需的允许温湿度范围时(温度不超过33 ℃,相对湿度不超过90%),本研究主要关注室外环境参数对系统产水量的影响。其中,冷凝器作为温室淡化系统产水的核心部件,在冷凝器结构参数、冷却水流量和温度已定的情况下,产水量主要取决于冷凝器入口前空气的状态参数。下文将重点分析室外环境参数引起的产水量变化。
表2 模型模拟参数及边界条件设置
4.2.1太阳辐照度对产水量的影响
当室外空气温度为34 ℃,相对湿度为45%,室外干空气质量流量分别为10、15、20 kg/s时产水量与太阳辐照度关系见图3。
由图3可以看出,室外干空气质量流量一定的条件下,产水量随着太阳辐照度增加而增加。其原因在于,室外太阳辐射热最终转化为温室内空气的显热和作物蒸腾水分的潜热,空气需要带走室内的余热余湿,其温度升高,含湿量增加。当空气在进入二级湿帘时,空气的容水能力增加,最终使冷凝器入口前空气的温湿度相对较高,产水量增加。
图3 产水量与太阳辐照度的关系
随着室外干空气质量流量增加,产水量逐渐减小,且随着太阳辐照度增加,由室外干空气质量流量增加引起产水量负面效应逐渐显著。这是因为在低太阳辐照度情况下,温室种植区产生的余热余湿较少,此时,室外干空气质量流量对空气的加湿除湿效果影响不大;而高太阳辐照度会显著增加温室种植区内的余热余湿,所以室外干空气质量流量使冷凝器入口前空气温湿度出现较大的差异。
当室外干空气质量流量为10～20 kg/s,太阳辐照度从400 W/m2增加到1 000 W/m2,可以使产水量增加13%～29%。
4.2.2室外空气相对湿度对产水量的影响
当室外空气温度为34 ℃,太阳辐照度为800 W/m2,室外干空气质量流量分别为10、15、20 kg/s时,产水量与室外空气相对湿度关系见图4。
图4 产水量与室外空气相对湿度关系
由图4可以看出,在室外空气质量流量一定条件下,产水量随着室外空气相对湿度增加而增加。其原因在于,由于室外空气相对湿度较高,使空气经过湿帘加湿后能够达到饱和状态。最终导致空气在冷凝器入口温湿度高,产水量大。当室外空气相对湿度低于55%时,产水量随着室外干空气质量流量增加而减小;当室外空气相对湿度高于55%时,产水量随着室外干空气质量流量增加而增大。
在室外空气温度为34 ℃、太阳辐照度为800 W/m2条件下,当室外空气相对湿度从30%增加到80%时,系统产水量增加了2.5～7.0倍。
当室外空气相对湿度较高时,即使室外干空气质量流量增加,空气流速变大,空气经过两个湿帘加湿后,依然能够以较高的相对湿度进入冷凝器除湿。换言之,增加相对湿度较高的干空气质量流量提高了冷凝器的除湿效率,所以当室外空气相对湿度高于55%时,随室外干空气质量流量增加,产水量增加。
4.2.3室外空气温度对产水量的影响
当室外空气相对湿度为45%,太阳辐照度为800 W/m2,室外干空气质量流量分别为10、15、20 kg/s时产水量与室外空气温度关系见图5。
由图5可以看出,室外干空气质量流量一定时,室外干空气温度越高,产水量越大。这是由于当室外空气相对湿度相同时,温度越高,空气的容水能力越强。高温空气在经过两个湿帘加湿后能够带走更多的水蒸气,使空气以高温高湿的状态进入冷凝器除湿,所以产水量增大。
从图5中还可以看出,当室外空气温度低于36 ℃时,随着室外干空气质量流量增加,产水量减小;而当室外空气温度超过36 ℃以后,改变室外干空气质量流量对产水量影响不大。这是因为在相同的室外空气相对湿度条件下,虽然高温空气有容纳更多水蒸气的潜力,但改变室外干空气质量流量会影响空气与湿帘水的热质传递效果,在室外空气温度较低时,较小的室外干空气质量流量能够使空气加湿到近饱和状态。
图5 产水量与室外空气温度的关系
在室外相对湿度为45%、太阳辐照度为800 W/m2的条件下,当室外空气温度从30 ℃增加到38 ℃时,产水量增加了1.5～2.3倍。
经以上分析可以发现,室外环境参数改变引起的水蒸气分压力差是影响产水量的根本原因,室外环境参数对产水量的影响由大到小为室外空气相对湿度、室外空气温度、太阳辐照度。
① 在室外干空气质量流量一定的条件下,产水量随着太阳辐照度增加而增加。当室外干空气质量流量为10～20 kg/s,太阳辐照度从400 W/m2增加到1 000 W/m2时,产水量增加13%～29%。
② 在相同室外干空气质量流量下,产水量随着室外空气相对湿度增加而增加。当室外空气相对湿度低于55%时,产水量随着室外干空气质量流量增加而减小;当室外空气相对湿度高于55%时,产水量随着室外干空气质量流量增加而增大。在室外空气温度为34 ℃、太阳辐照度为800 W/m2条件下,当室外空气相对湿度从30%增加到80%时,系统产水量增加了2.5～7.0倍。
③ 室外干空气质量流量一定时,室外空气温度越高,产水量越大。当室外空气温度低于36 ℃时,随着室外干空气质量流量增加,产水量减小;当室外空气温度超过36 ℃以后,改变室外干空气质量流量对产水量影响不大。在室外相对湿度为45%、太阳辐照度为800 W/m2的条件下,当室外空气温度从30 ℃增加到38 ℃时,产水量增加了1.5～2.3倍。
④ 室外环境参数改变引起的水蒸气分压力差是影响产水量的根本原因,室外环境参数对产水量的影响由大到小为室外空气相对湿度、室外空气温度、太阳辐照度。
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