新型家用纯净水制备系统的产水特性及经济性分析

胡锟，武卫东，汪力，华若秋

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

0 引言

近年来我国家用净水器市场需求随经济水平的提升而逐步增长[1]。目前主流家用净水器使用反渗透膜等膜过滤技术处理自来水以得到饮用纯净水，但需要定期清洗和更换膜，提高了用户的使用成本[2]。因此研制一种不需要清洗和更换滤芯的净水器对于家用净水技术的发展具有重大意义。

干空气流经潮湿表面时，只吸收水分而不吸收杂质，然后流经低温表面可使空气中的水蒸气重新冷凝成液态水， 这称之为增湿去湿原理（Humidification Dehumidification，HDH）[3]。这种方式无需过滤或蒸馏即可实现水净化，常应用于中、小型容量海水淡化领域，并利用太阳能和工业废热等低品位热能加热空气或海水以提升加湿效果，此外在除湿制冷系统中也有部分应用和学术研究[4-5]。Kabeel 等[6]的研究显示，HDH 原理制取的纯净水几乎可去除水中所有的盐类和有机物。还有一些学者对系统压力、环境温度、进水流量等系统参数进行了研究[7-10]。冯东东等[11]基于HDH 原理，利用内燃机余热加热海水后在真空环境下产生水蒸气以加湿空气，高湿空气流经低温板式换热器后产生洁净的冷凝水用于渔船饮用水。但是这些HDH系统利用的低品位热能不适用于家用环境，且需要大型换热器来保证换热量，发展受到一定限制。

蒸汽压缩制冷系统作为一种仅消耗一定电能即可同时提供冷量和热量的高效装置[12-13]，也逐渐开始与太阳能联用以解决传统太阳能HDH 系统的性能容易受到日照辐射强度影响的弊病[14]。SRITHAR 等[15]基于HDH 原理研制了太阳能-热泵海水淡化系统，但是该系统部件过多，且回路中蒸发器和冷凝器的散热量不一致，需采用开式空气回路，这会影响水质，无法满足家用饮用纯净水要求。

综上所述，利用HDH 原理对水进行深度净化具有可行性，且已成功应用于海水淡化领域，但是已有系统的部件过多或体积过大，且无法保证纯净水不受外界空气污染，故不适用于家用净水领域。鉴于此，本文在前人的基础上提出一种基于HDH原理的新型家用纯净水制备系统，通过稳态工况的热力性能实验，研究了系统在不同进水温度下的产水特性，同时对系统进行了相关经济性分析，为其后续的应用推广提供参考。

1 系统工作原理与测试方法

1.1 工作原理和工作流程

本文提出的系统主要包括压缩制冷装置、喷淋装置、水循环管路、多孔填料和风机等，图1为纯净水制备系统组成及原理图。

系统工作原理和流程为：在风机作用下，循环风流经主冷凝器被加热，后进入多孔填料处与由喷淋孔流进的自来水进行热湿交换，吸收水分形成高湿空气（Humidification 过程），随后流经低温的蒸发器表面，不断地将空气中的水蒸气冷凝成液态水析出（Dehumidification 过程，即由此产出纯净水），被除湿后的循环风再进入主冷凝器被加热后进入下一个循环。未被循环空气吸收的自来水滴入填料下方的集水槽中，在重力的作用下流入较低的辅助冷凝器中，与辅助冷凝器换热后被加热成高温热水。

需要说明的是，本系统采用闭式空气循环以保证纯净水不受外界环境的污染。在忽略系统漏热的情况下，为保证循环风回路的能量平衡，主冷凝器和风机的散热量必须与蒸发器散热量相等，然而制冷系统中总冷凝热大于蒸发热，因此设置辅助冷凝器通过与未被空气吸收进入循环风回路的残余自来水换热而释放制冷系统多余的冷凝热。

图1 纯净水机系统原理图及测点图

1.2 测试方法

家用净水机在使用过程中会受到季节（不同自来水进水温度）的影响，因此需要在不同进水温度下测试系统工作性能。本文测试中，利用恒温水槽提供不同温度、相同流量的水，每改变一次系统进水温度，以循环风温度上下波动在0.5 ℃以内作为系统稳定的标志，并利用称重法测量系统持续工作30 min 产生的纯净水与高温热水，记录有关系统运行参数，结束实验。表1为本文所确定的实验工况。

实验系统测点布置如图1所示，测量参数包括循环风回路的温度和相对湿度、风机电流和循环风速、制冷剂回路的温度和压力、水回路的温度，以及系统进水和所制取纯净水的TDS 值、压缩机功耗和系统稳定运行30 min 内所收集的纯净水量和热水量；表2为测试仪表型号参数。

表1 实验工况

表2 测试仪表的量程与精度

2 系统产水特性分析

通过稳态工况的热力性能实验，得到系统产水特性（纯净水产水量、高温热水产水量和单位能耗纯净水产水量等）随不同进水温度的变化情况，部分运行参数如表3所示。

图2 进水温度对纯净水产水量和高温热水产水量的影响

图2为纯净水产水量和高温热水产水量随不同进水温度的变化曲线。从图中可以看出，随着进水温度的上升，系统纯净水产水量随之上升，高温热水产水量随之下降。原因在于：进水温度上升导致填料处水与空气的热湿交换加强，且此时冷凝器出风温度也随之上升，加湿效果增强，同时蒸发器进风温度（即填料出风温度）也随之上升，这将加强循环风与蒸发器的换热效果，除湿效果提升，因此系统纯净水产水量随之上升；而在进水流量一定的情况下，流经填料被空气吸收的水量（等于纯净水产水量）上升会导致流经填料而未被空气吸收的水量下降，即高温热水产水量会随着进水温度的上升而下降。在本文工况下，纯净水产水量的最大值为692 g/h，最小值为580 g/h。

图3 进水温度对总功耗和单位能耗纯净水产水量的影响

图3为系统总功耗和单位能耗纯净水产水量随进水温度变化的情况。这里单位能耗产水量是指系统消耗一度电可以获得的纯净水量，由纯净水产水量除以系统总功耗后计算得到，单位为g/(kW·h)。由图可知，系统功耗随着进水温度的上升而上升，且当进水温度大于15 ℃时，其上升幅度变大，单位能耗纯净水产水量先上升后下降。这是因为：风机在风量一定的条件下其功耗基本不变，但是由表3吸排气压力可知，进水温度从5 ℃上升到15 ℃时，压缩机吸排气压比上升幅度较小，因此压缩机功耗上升幅度较小；当进水温度大于15 ℃时，排气温度已接近该品牌压缩机推荐工作温区（70 ℃～ 90 ℃）的上限，压缩机压比上升幅度变大，因此压缩机功耗的上升幅度变大，进而导致系统总功耗在此时上升幅度变大。单位能耗纯净水产水量先升后降的原因是：当进水温度从5 ℃上升至15 ℃时，纯净水产水量上升幅度大于系统总功耗上升幅度，因此单位能耗纯净水产水量呈上升趋势；当进水温度大于15 ℃时，系统总功耗上升幅度变大，故单位能耗纯净水产水量呈下降趋势。在本文工况下，单位能耗纯净水产水量最大为1,996 g/(kW·h)，最小为1,898 g/(kW·h)。

由图2和图3进一步分析可知，当系统工作在一般工况（进水温度为15 ℃左右）时，系统工作效率（即单位能耗制水量）较高；当系统工作在恶劣的夏季高温工况（20 ℃～25 ℃）时，系统工作效率会有所降低，但是相应的纯净水产水量会提高，可满足夏季高温天气用户较大的饮用水需求；当系统工作在冬季低温工况（5 ℃～10 ℃）时，系统总功耗较低，这说明系统可满足用户不同季节的不同需求。

实验过程中，TDS 测试计的测试结果显示，系统所制取的纯净水TDS 均不高于4 mg/L，系统进水TDS 为180 mg/L，其脱盐率可达97%，可替代市面上常见的膜过滤式家用净水器，且满足《家用和类似用途饮用水处理内芯》[16]中规定的脱盐率要求。

表3 系统运行工况数据

3 系统经济性分析

在进行经济性分析时，常采用附加投资偿还年限法和费用年值法[17]。但是本文所研究的家用净水器投资费用和年成本费较小，故采用尚存存等[18]提出的方法探究其与典型家用净水器（反渗透膜型家用净水器）经济性情况。

按照每人每日饮用纯净水用量为1.5～2 L/天，则一户三口之家的年纯净水用量可按2,000 L/年计算。典型反渗透膜型家用净水器每产出1,000 L 纯净水需更换一次反渗透膜，更换反渗透膜的成本按照600 元/套计算，废水率为50%；由前文提供的数据计算可得，本文提出的纯净水制备系统纯净水与热水产水量之比在1/5.7 至1/4.7，按1/5 计算，单位能耗纯净水制水量按其平均值1,947 g/(kW·h)计算，则在年需纯净水量同为2,000 L 时，两种净水器的运行经济性比较列于表4。

由表4可得，本文提出的系统相比于反渗透膜式净水器，其初投资相对较多，但是运行费用低，10年总投资大大减少，具有广阔的应用前景，且在用水的同时可产生5 倍于纯净水产量的高温热水（不少于3.1 L/h），其温度不低于70 ℃，可作为生活热水使用，因此本文提出的新型家用纯净水机的优势更加明显。

表4 两种净水器的运行经济性

4 结论

1）本文基于HDH 原理和蒸气压缩制冷原理提出了一种新型家用纯净水制备系统，在不同季节工况（不同进水温度）下，纯净水产量不少于580 g/h，纯净水TDS 小于4 mg/L，脱盐率高达97%，满足GB/T 30306-2013 中规定的脱盐率要求，可替代膜过滤式净水器。

2）进水温度为15 ℃时，系统工作效率（即单位能耗纯净水产水量）最高，为1,996 g/(kW·h)；较低的进水温度（5 ℃～10 ℃）有利于降低总功耗；较高的进水温度（20 ℃～25 ℃）有利于提高纯净水产水量。

3）相比于典型反渗透膜型家用净水器，本文所提出的新型家用纯净水机的初投资较大，但是运行费用低，10年总投资大大减少，且可同时产生不少于3.1 L/h、70 ℃以上的高温热水供用户使用，无废水产生，具有广阔的应用前景。