引言我国西北地区昼夜温差大，雨水少、空气干燥、淡水资源缺乏，但年均空气水汽含量能达到15 mm[1]，即使在沙漠地区空气含水量仍在10 g/m3以上[2]。因此空气取水成为干旱地区理想的获取水源方式。空气取水的传统方法虽然效率较好，但是成本高、能耗大。基于一种热量缓释系统的热压驱动低能耗空气取水方案，设计空气取水装置，使用相变材料，充分利用环境温差，冷凝水蒸气，无须耗能。1空气取水装置设计1.1设计思路在缺水的沙漠地区，沙漠甲虫（Stenocara）利用背部表面的特殊结构从空气中获取水。其背部表面有突起且光滑，具有亲水性；突起之间的侧斜面和凹处覆盖微纳米结构的疏水性蜡状物质，经甲虫亲水部分的突起捕捉水，由非亲水部分的基底运输水分至甲虫口中[3]。受沙漠甲虫取水方式和传统水雾取水的启发，结合热压驱动原理，得到一种使空气不耗能而持续流过的取水装置。1.2空气取水装置结构及原理空气取水装置由集水装置、温控装置、热量缓释系统、防风沙挡板及外壳组成。空气取水装置结构如图1所示。通气管道、亲疏水集水帆用于空气流过第一次取水，不锈钢集水面用于二次集水，提高制水效率。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.013.F001图1取水装置结构示意图本装置气流定向流动的动力来源是烟囱效应产生的空气热压差。热量缓释系统在隔热层中利用环境温差工作，储存热量并在低温高湿的环境下释放，促进空气流动，以低能耗的方式提高节水效果。通气管道中央放置集水帆，水汽在集水帆集水网格上凝结成水后，可沿集水帆疏水网格落下，在小口径集水箱收集。1.3集水装置结构及原理通气管道在装置中均匀分布，具有空气流通功能。下端为进气口，上方为出气口，空气可基于烟囱效应从下往上快速流通。亲疏水集水帆位于通气管道内部，由亲水材料和疏水材料共同编织而成，在半封闭的条件下，获取空气中的淡水[4]。集水帆上凸起由亲水材料制成，其余部分为疏水材料。亲水材料吸附流过空气中的水蒸气，汇聚成水珠，再经由其他部位的疏水材料运输，流入集水箱中。在半封闭的条件下，减少了水分散失，收集的水较为洁净。集水管道加热后，存在一部分较热的空气，裹挟着水汽逸出装置。二级集水装置在整个装置的顶端，位于集水管出口的正上方。表面为弧面，由不锈钢制成，下方与集水管出气口距离较近，保证空气离开装置时能充分接触到弧面。在接触面以外是面积较大的不锈钢网，保证与外界有较高效率的热交换，保证二级集水装置的低温。较热的逸出空气在接触到较冷的二级集水装置后，冷凝成液态水，滴落到下方的集水管道，最后汇集到集水箱中。通气管道的下方为集水箱，集水箱开口较小以减少收集到的水分的蒸发散失。2热量缓释系统2.1热量缓释系统设计原理夜晚温度下降，装置上下无法形成较大的温差促进空气流动，但凌晨是一天中空气相对湿度最高的时刻，基于较大的环境昼夜温差，在保证较低能量消耗的同时，充分利用凌晨空气中充足的水汽含量制水，提高制水效率。热量缓释系统中，利用三水硝酸锂-膨胀石墨定型材料作为储热材料置于隔热层中[5]。隔热层白天温度高时导热，与外界发生热交换，从环境中吸收热量，相变材料储存热能。夜晚环境温度低时相变储热材料释放热量，加热空气，通气管道内的气体快速流通，富含水汽的空气流经内部有集水帆的通气管道，逐步积累，最终形成水滴落下。一天中空气相对湿度的变化如图2所示[6]。由图2可知，4点左右的空气相对湿度最大，此时取水的效率最高。控制相变材料热量释放，在前半夜进行少量释放，在一天中湿度最高的清晨释放较多热量，提高取水效率。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.013.F002图2一天中空气相对湿度的变化通过对保温杯热量缓释进行研究[7]，利用其中隔热层导热系数变化改变隔热效果的原理，设计能够随温度、湿度变化而改变导热系数的隔热层，充分发挥相变材料在取水装置中的作用。以空气作为导热介质，隔热/导热的切换由通气夹层中空气稀薄/浓稠的切换来实现，最终实现隔热层温度高时导热；温度低、湿度低时隔热；温度低、湿度高时导热的状态切换。2.2热量缓释系统结构设计热量缓释系统包括温度、湿度传感器、外置气箱、加热系统、通气管路、通气夹层、通气夹层外包裹的相变材料等，如图3所示。通气夹层和相变材料均在装置整体的隔热层中，加热系统附在外置气箱上。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.06.013.F003图3热量缓释系统结构设计（1）白天温度传感器收到外界温度高的信号，控制通气夹层与外界以及外置气箱连接处的单向阀关闭，保证通气夹层密封，气体处于浓稠导热状态。（2）从白天到夜晚的过渡时段，温度传感器在温度较高时，打开夹层气体与外界之间单向阀（仅能使气体外排）。由于气压差，通气夹层中气体会被排出，最终与外界达到平衡，以时间为信号，关闭夹层气体与外界之间单向阀，此时通气夹层中储存的为高温稀薄气体。随着温度下降，通气夹层中空气分子量不变，体积不变，压强减小。此时温度、湿度传感器反馈信息，温度低，湿度低，通气夹层中空气稀薄处于稀薄隔热状态。（3）凌晨温度低、湿度高，温度、湿度传感器反馈信息，控制加热系统对外置气箱进行短时加热。打开夹层和气箱之间的单向阀（仅能使气体从气箱到夹层），气箱内的气体受到加热的影响，温度升高，压强变大，向夹层方向挤压，大量气体分子涌入夹层，导致夹层空气回到浓稠隔热状态。此时相变材料与外界之间的通气夹层导热，相变材料感受外界温度变化，进行放热。同时相变材料和集水装置中通气管道间的通气夹层也导热，相变材料加热管内空气，促进高湿度空气流动，提高集水效率。外置气箱短时加热结束后，气箱中气体分子量减少，气箱内气压变小。此时，控制打开气箱与外界环境的单向阀，压强差的作用下，外界的空气分子补充到气箱内。同样以时间为信号，控制关闭气箱与外界环境的单向阀（仅能使气体从外界进入气箱）。3结语文中设计的空气取水方案能够基于热压驱动和干旱地区环境的较大温差，仅需少量能量即可实现全天空气制水。对比市场上使用传统压缩冷却泵方法的大功率空气制水机，该设计降低了能耗，拓宽了应用范围，为干旱缺水地区解决淡水缺乏的难题提供了一种可行的解决方案。