太阳能驱动多效蒸馏温室废水脱盐过程的HYSYS数值模拟与可持续农业水回用研究

本研究针对农业温室废水处理难题，创新性地采用太阳能驱动的多效蒸馏(MED)技术，通过HYSYS软件建立数值模型，实现了500-2000 m2温室废水的高效脱盐。系统在650-850 W/m2辐照条件下，可日产40-160 kg淡水，并减少9.2吨CO2/年排放，为干旱地区农业水回用提供了零碳解决方案。

　　

全球农业消耗了70%的淡水资源，而温室种植作为高效农业模式，其废水排放问题日益严峻。伊朗德黑兰地区的温室每年产生26.8亿立方米废水，其中87%来自农业活动，这些富含农药和营养盐的废水直接威胁地下水资源。更棘手的是，传统脱盐技术如反渗透(RO)和热法蒸馏存在高能耗、膜污染和浓盐水排放等问题，而太阳能驱动的小型化处理系统尚未在农业场景中实现规模化应用。

针对这一挑战，来自国内研究团队在《Results in Engineering》发表了一项创新研究。他们巧妙地将抛物线槽太阳能集热器(PTC)与多效蒸馏(MED)系统耦合，开发出专为500-2000 m²温室设计的废水处理方案。研究团队采用HYSYS流程模拟软件构建热力学模型，结合TRNSYS进行太阳能系统优化，通过质量能量平衡方程精确计算各环节参数。关键技术包括：建立两效MED系统架构，利用Tehran地区4.5 kWh/m²的太阳辐照驱动过程；采用水作为传热流体，在2.9 bar压力下实现135°C的工作温度；创新性地将脱盐系统与温室供暖整合，实现能源梯级利用。

系统设计与热力学建模
研究构建了包含太阳能集热、两效蒸馏和余热回收的三段式系统。第一效在132.37°C下运行，第二效降压至0.8 bar，形成温度梯度。通过Souders-Brown方程优化分离器设计，使系统在5-6小时内处理日排放量，淡水回收率达85%。

太阳能集成性能
抛物线槽集热器面积占温室7.4-9.65%，冬季仍能维持35-135°C的工作温度。模拟显示2000 m²温室需193 m²集热器，年节约天然气233,892 m³，CO_{2减排183吨。}

环境经济性分析
相比传统MED，该系统减少浓盐水排放60%，浓度控制在31,837 mg/L。投资回收期5.5-7.15年，每立方米水处理成本降至0.02美元，兼具生态与经济效益。

这项研究的突破性在于首次实现了太阳能MED系统在农业废水处理中的精准设计与效能验证。通过热力学优化，系统将传统MED的40-55%回收率提升至85%，同时解决浓盐水排放难题。更值得关注的是，该系统创造性地将13.6倍的温差用于温室供暖，使冬季室温提升8.94°C，展现了能源-水-食物纽带关系的协同优化。该成果为中东、北非等太阳能丰富地区的农业水管理提供了可复制的技术范式，其模块化设计尤其适合分布式温室集群，对实现SDG6(清洁饮水和卫生设施)目标具有重要实践意义。未来研究可探索光伏-光热混合供能及AI优化控制，进一步提升系统在多变气候下的适应性。