基于半导体制冷的冷凝取水式节水灌溉装置设计

张程庆，万训酉，何婧瑶

（重庆交通大学 河海学院，重庆400074）

十八大以来，习近平总书记明确提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针。在将农业微灌技术引进到中央绿化带灌溉的过程中，由于滴灌系统的早期建设成本高、高速公路一般无电网覆盖、滴头易堵塞且难以发现故障和及时排除，以及常采用机井、水库或河流的水作为灌溉水源导致的投入增加及需征得当地许可等原因，传统的农业微灌体系并未在中央绿化带灌溉作业中得到推广普及[1]。基于以上，本文针对高速公路绿化带灌溉存在的人工成本高、远离水源等一系列问题，设计了一种基于半导体制冷的冷凝取水式节水灌溉装置，实现了从空气中取水灌溉，解决了灌溉水源问题的同时节约了人力资源。

1 设计原理

如图1所示，装置主体由上部的太阳能发电板和下部的冷凝箱体组成，太阳能发电板通过桁架支撑在箱体上部。箱体上端设置两个方向相反的进气口，进气口下方设置一排进气涡轮，作为空气输入动力设备。冷凝箱体内部主体为由制冷半导体和绝热隔板构成的冷凝空腔结构，隔热板外围均匀覆盖制冷片，冷端朝外，热端朝内，制冷片外围覆盖制冷板面介质，利于水滴流入蓄水池。冷凝空腔下端设置下V形气体通道，使气体流经冷凝空腔热端带走热端散热。冷凝空腔结构两端设置排气风扇，连接排气口。冷凝结构下方为蓄水池，蓄水池底部连接两个电磁阀开关。

图1 装置侧视图

2 空气动力可行性

如图2所示，通过fluent三维数值模拟分析结果看出，气流从进气口通过风扇进入，当气体流经制冷板面上部的流速在0.2m/s～1.3m/s时，空气流态呈层流状，说明产水最优流速0.5m/s较为合理。在三棱柱空腔外部三个圆角的位置流动顺畅，损失较少。通过三棱柱空腔下部的边界引入空腔内部，边界设计与三棱柱空腔结构吻合，并减小了通道宽度，提高了流速，以便于进入到空腔内部后产生对称的气流涡旋，提高散热效率。气流在两侧排气风扇的作用下流出三棱柱空腔。整个结构设计符合气体冷热交换和气流流场，能够提高产水率。

图2 fluent三维数值模拟

3 工作原理

本装置利用半导体制冷空气，实现从空气中取水灌溉。其具体的实施方式为：太阳能发电板作为装置中的电源进行发电蓄能，电源能够对蓄电池充电，蓄电池对吸气涡轮、制冷半导体、排气风扇供电。吸气涡轮将外界空气吸入冷凝结构，冷凝结构包含制冷半导体和制冷板面。制冷半导体围成一个空腔，空腔的底部有一个进气孔，空腔的顶部有一个中心管道，中心管道为空气吸入地下结构的进气通道。通电后，空腔内侧为制冷半导体的热端、空腔外侧为制冷半导体的冷端，制冷板面在制冷半导体的外侧表面，通电后的制冷半导体表面以及制冷板面都是低温状态，空气通过时，空气中的部分水蒸气则冷凝为液态水暂时储存在装置的液化空腔中。当液态水达到一定高度时，则可通过透水孔幕滴入装置底部的蓄水池中。当根系湿度达到一定阈值时，电磁阀开启，利用水自压进行作物灌溉。其取水装置剖面图如图3所示。

图3 取水装置剖面图

4 结构优化分析

考虑到制冷板面介质对产水量的影响，通过查阅多种金属的导热性和亲水性，选用铜和铝两种金属进行比较。在制冷片冷端绝缘陶瓷片表面均匀涂上一层硅脂。然后将两块面积为8cm×8cm、厚度为0.5mm的铝片和铜片依次贴在硅脂上面。开机后通过调整制冷片功率改变其金属表面温度t'达到露点以下，待测温计温度恒定后开始计时。

由图4可知，相同条件下采用铝作为制冷板面介质的产水量要高于铜。虽然铜有着更好的导热性能，可以降低制冷片功率比进而降低能耗。但是铝的亲水性比较优秀，在制冷板面的面积扩大后，具有更加优秀的冷凝条件，故模型采用铝作为制冷板面的介质。

图4 制冷板面介质对产水量的影响

5 水汽条件

我国年平均相对湿度多在40%-80%之间，沙区相对湿度一般＜30%。我们利用公式（由t查饱和蒸汽表可确定ps）得到，当温度为30℃，相对湿度为80%时，1m3空气中含28.3g水，即使在相对湿度相对较低的地区（以相对湿度30%计算），1m3空气中也含有10.4g水（见图5（1））。因此，无论是常规的生活条件下，还是在较为干旱的地区，空气都具有可提取水的水汽条件。同时，通过对一天之内温湿度的变化分析，我们发现一天中夜间相对湿度最高，甚至可以达到90%（见图5（2））。因此，充分利于夜间蓄水，实现节水利用的最大化。

图5

6 液化条件

为了提取空气中的水分，设法使湿空气冷却到温度低于露点温度，水滴便以水滴形式析出。我们采用了半导体制冷技术。利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的，制冷半导体原理见图6（1）。我们为了使半导体冷端温度控制为最适温度，计算了不同温度、不同含湿量空气的露点温度，其分布见图6（2）所示，在温度区间为[10℃，35℃]，相对湿度区间为[30%，80%]，露点温度在0℃上的情况占比88%，小温差制冷即可满足工况条件。

图6

7 结束语

本装置运用于高速公路中央绿化带，具有清洁环保、占地面积小、可独立安装、自产水电、智能灌溉等特点。能够节约淡水资源，减少因灌溉造成的交通事故，及时为植物提供灌溉用水，为实现高速公路中央绿化带可持续发展提供重要支撑。相比于普遍的洒水车式灌溉，平均成本可降低20%（系统使用寿命以10年计算），大幅度降低人工服务费用，带来极大的经济效益和社会效益。