Zian Hao|Dehua Cai|Aihua Wu|Yangyang Lin|Qiqi Tian
能源与动力工程学院，华中科技大学，武汉430074，中国
**摘要**
本文提出了一种基于太阳能驱动的主动空气冷却的古老大气水收集（AWH）系统，并结合了吸收式能量储存技术。本文提出了一种有效的控制策略，通过控制阀门组和泵来调节每个电路的能量，从而提高了AWH的水收集率和能源利用效率。根据实际的太阳辐射强度以及大气的温度和湿度数据，评估了该系统的离网动态运行特性以及节能和清洁水生成的潜力。考虑到不同地区和季节的气候特点，评估结果表明，单位面积的水收集率可达到6.01 kg/(m²·day)，在干旱地区仍可超过2.18 kg/(m²·day)。冷却性能系数可达到0.77至1.06，水生产热效率为0.28至0.72。本研究结果为新型可持续且高效的清洁水收集技术提供了解决方案，旨在促进高效和分布式的淡水供应，尤其是在缺乏稳定淡水和电力资源的热带地区（如岛屿）。
**引言**
由于全球变暖、城市化和水污染，淡水资源的短缺已成为一个主要的全球性问题，至少影响了22亿人[1]。这个问题不仅影响干旱和偏远地区，也影响人口众多但缺乏稳定淡水资源的热带岛屿和沿海地区[2]。饮用水、生活用水、农业灌溉和发电都需要大量的淡水。然而，淡水生产（如雨水收集、海水淡化和废水处理）需要大量的电力输入和大规模应用[3]。分布式可持续水生产技术对于实现净零排放和水-能源-食物系统的协调发展至关重要[4]。
大气中的水是一种广泛可用的资源，其含量是全球河流中淡水的六倍[5]。由于海洋变暖，全球大气中的水分含量将进一步增加[6]。因此，大气水收集（AWH）技术受到了广泛关注。大气中雾滴和露水的收集操作简单，但受到非常特定条件和地点的限制，难以实现持续稳定的水生产和大规模应用[7]。大气中的水主要是水蒸气。目前可行的水蒸气收集方法主要包括吸附技术和冷却技术。
**基于吸附的AWH技术**
基于吸附的AWH技术通常采用相同的工作原理：通过吸附剂捕获空气中的水分，然后通过改变温度或压力释放水蒸气，并通过外部冷却或自然冷却源使水蒸气凝结成液态水。其中，解吸过程通常需要外部热源的输入，而凝结过程需要外部冷源的输入。为实现可持续目标，基于太阳能驱动的大气水收集（SDAWH）已成为一种有前景的分布式淡水供应技术，尤其是在干旱和偏远地区[8]。常用的吸附材料包括复合吸附材料[9]、金属有机框架[10]和液态吸附剂[11]。传统的顺序吸附-解吸SDAWH是一个循环过程，夜间进行吸附，白天进行解吸[12]。在解吸过程中，由于吸附剂中的水分逐渐减少，解吸驱动力不足，导致水解吸速率迅速下降，最终导致能源利用效率低和水收集率（WHR）有限[13]。Yang等人[13]开发了一种基于太阳能驱动的AWH装置，通过关键结构——传递桥同时捕获和释放水分子。用于捕获大气中水分子的液态吸附剂是LiCl溶液，并通过玻璃纤维膜输送到密封的高温区域进行解吸。浓缩后的溶液通过扩散和对流不断被捕获回室温区域。该系统在夏季可以在沙特阿拉伯每天产生2.0-3.0 L/m²的淡水。
尽管吸附AWH技术可以利用太阳能进行解吸，但解吸后的水蒸气冷凝仍需要外部冷源。外部冷却方法包括蒸汽压缩冷却、热电冷却、被动辐射冷却和自然空气冷却。主动冷却方法仍然需要能耗。被动冷却的实际应用可能导致系统效率低和体积大，因为水收集率较低[14]。此外，由于吸附的水与吸附剂材料直接接触，吸附剂材料的稳定性和安全性对于AWH应用至关重要，特别是在生产饮用水时。一些吸附材料（如吸湿盐和离子液体）存在泄漏、毒性和腐蚀性的风险[15]，硅胶和水凝胶可能存在热不稳定性和机械不稳定性[16]，金属有机框架可能存在水分不稳定性和金属渗漏[17]。AWH的成本、能源效率、可靠性和可扩展性需要进一步改进[18]。
**另一种AWH解决方案——冷却冷凝技术**
通过主动或被动冷却技术将换热表面冷却至空气的露点温度以下以产生水。由于AWH冷却技术的工作流体通常位于封闭系统中，并通过换热表面与大气隔离，因此可以避免工作介质对大气的污染，实现清洁和安全的大气水收集。此外，空气的湿度越高，冷却AWH的WHR和能源利用效率越高[3]。与在高相对湿度条件下吸附AWH的WHR饱和的特性不同[17]，冷却AWH更适合人口众多但缺乏稳定淡水资源的热带岛屿和沿海地区[19]。基于冷却的AWH技术分为被动冷却和主动冷却。被动冷却主要是辐射冷却，利用辐射冷却材料通过大气窗口选择性发射热辐射，将热量释放到冷宇宙中。基于辐射冷却的AWH具有便携性和零能耗的优点，但成本较高，水收集率较低。目前研究中的这类系统的理论最大露水产量为每天0.8 L/m²，需要进一步改进以便大规模实际应用[18]。主动冷却主要包括蒸汽压缩冷却和热电冷却，这两种方法已被广泛研究[20]。由于主动冷却技术中的两相传热和强制对流显著提高了功率密度，其水收集率远高于被动冷却和吸附水生产[7]。然而，由于需要消耗高品质电力，传统的主动冷却方法难以实现可持续发展目标[21]。
**吸收式制冷（AR）技术**
吸收式制冷（AR）技术可以高效利用低品位热源产生冷却能力[22]，从而弥补了蒸汽压缩冷却和热电冷却所需大量高品质电能的缺点，同时保留了主动冷却技术的高热流密度和高能源利用效率的特点。基于太阳能驱动的吸收式制冷（SAR）系统可以利用可再生的太阳能作为发电机的动力热源，是一种有前景的替代冷却解决方案。然而，太阳能不稳定且不连续，受阳光时间和天气的影响。间歇性的能量输入严重影响AR的效率和可用性[23]。尽管先进的吸收循环可以扩大AR的工作温度范围并提高对热源温度的适应性，但制冷的效率和连续性仍需改进[24]。利用热能储存技术可以储存间歇性热源的热能，提高能量的稳定性和连续性。特别是吸收式热化学能储存（ATES）可以轻松集成到AR系统中，因为它们使用相同的工作流体[25]，并且具有低热损失[26]和高能量储存密度[27]。Ibrahim等人[28]提出了一种基于太阳能驱动的吸收式制冷机组，该机组集成了ATES系统。在蒸发器和吸收器入口之前分别安装了制冷剂罐和溶液罐，可以在放电阶段提供11小时的备用时间。冷却、充电和放电循环的总能源效率为0.69。Liu等人[29]提出了一个结合吸收式制冷和ATES的动态模型，并详细讨论了混合循环充电/放电的非线性特性。结果表明，与显热储存相比，ATES可将水箱体积减少85%，并将冷却时间延长至14小时。
目前，关于将ATES和基于太阳能驱动的AR集成到AWH中的系统和性能的研究较少。基于上述综述，基于太阳能驱动的AR结合了基于吸附的水生产和基于冷却的水生产的优势，实现了可持续和可再生的太阳能驱动的高效清洁水生产。这种技术的缺点是太阳能输入的间歇性和不稳定性，受天气和日照时间的影响。因此，可以在基于太阳能驱动的AR基础上集成吸收式能量储存系统，通过合理的系统配置和控制策略使工作条件稳定在高效范围内。并且可以根据气候条件扩展水生产时间，合理利用夜间低温和高湿度的有利条件，提高AWH的WHR和能源利用效率。
本文提出了一种新的AWH系统（SAR-ATES），该系统集成了基于太阳能驱动的AR和ATES。建立了用于连续产生清洁水的热力学模型，并提出了一种有效的控制策略，通过控制阀门组和泵来实现各电路的流量分布和高效稳定的运行。并根据几个典型城市的大气温度和湿度数据以及太阳辐射强度，评估了该系统的离网动态运行特性以及节能和清洁水生成的潜力。
**创新点和主要内容**
本工作的创新点和主要内容包括以下三个方面：
1) 基于太阳能驱动的吸收式制冷结合ATES通过合理的系统配置和控制策略，在高效范围内实现了稳定的运行条件。
2) 根据ATES的能量分配，合理利用夜间低温和高湿度的有利条件，提高了大气水收集的水生产率和能源利用效率。
3) 由于单位面积接收的太阳能有限，系统小型化也是本工作的一个关键考虑因素。通过能量调节，将峰值负载和传热需求转移，减小了传热面积和空气体积，促进了系统的微型化。
**系统配置**
SAR-ATES的示意图如图1所示，说明了其原理和配置。主要组件包括：太阳能收集器（SC）、吸收式制冷系统（AR）、吸收式热化学能储存系统（ATES）和冷却空气制水系统（CAWH）。作为AR的发电机，SC利用收集的太阳能驱动AR循环。除了发电机外，AR还包括蒸发器、膨胀阀、冷凝器、溶液热交换器等。
**数学模型**
对于SAR-ATES模型，考虑了以下假设[30]、[31]：(1) 溶液和制冷剂罐中的浓度、压力和温度均匀；(2) 生成和吸收过程的最终状态达到平衡；(3) 除收集器外，忽略各种组件的热损失和压力降；(4) 冷凝器出口处的制冷剂为饱和液体；(5) 蒸发器出口处的制冷剂为饱和蒸汽。
**结果与讨论**
本节分析了SAR-ATES系统的动态特性和可变运行性能，探讨了能量转换和储存的机制。基于三沙岛（南部岛屿，夏季高温高湿、昼夜温差小）和青岛市（北部城市，冬季低温低湿、昼夜温差大）的典型天气数据，对SAR-ATES系统的产水能力和能源效率进行了全面评估。本研究提出了一种新型的AWH（先进水处理）混合系统SAR-ATES，该系统结合了太阳能驱动的AR（反渗透）和ATES（吸附-脱盐）技术。通过对几个典型城市的实际太阳辐射强度以及大气温度和湿度数据进行分析，评估了该系统的动态运行特性及其在节能和产水方面的潜力。ATES技术的整合使得能够调节产水所需能量，从而避免了间歇性和不稳定的太阳能输入对系统的影响。
**作者贡献声明：**
- 蒂琪（Qiqi Tian）：数据可视化。
- 吴爱华（Aihua Wu）：数据可视化、验证、数据管理。
- 林阳阳（Yangyang Lin）：调查研究。
- 霍茜安（Zian Hao）：原始稿撰写、验证、软件开发、方法论设计、数据分析、数据管理。
- 蔡德华（Dehua Cai）：稿件审阅与编辑、项目监督、资金申请。
**数据获取：**
数据可应要求提供。
**利益冲突声明：**
作者声明没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。
**致谢：**
本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2025A1515012889）以及国家高级压缩机与系统技术重点实验室开放基金（项目编号SKL-YSJ202409）的支持。
