基于加湿-除湿技术与太阳能蒸馏海水淡化相结合的小型太阳能海水生产系统的概念设计及多目标优化

《Desalination and Water Treatment》：Conceptual design and multi-optimization of small-scale solar water production based on integration of Humidification-Dehumidification and solar still desalination

本研究旨在优化太阳能HDH-SS和SACHDH-SS系统，通过遗传算法和TOPSIS方法确定最佳配置。实验表明，SACHDH-SS系统在成本效益上更优，年均淡水产量9807公斤，成本915美元，成本效益比0.093美元/公斤。系统日均产水26.86公斤，成本敏感度分析显示利率每增1%，成本上升0.24%。

　　### 研究背景与意义

随着全球人口的增长和淡水资源的日益短缺，到2050年，淡水资源短缺将可能演变为严重的灾难。据世界卫生组织的估计，到2022年，全球约有15亿人面临饮用水不足的问题。淡水的获取是保障人类健康和可持续发展的关键环节。传统上，海水淡化技术依赖于化石燃料提供能量，这不仅加剧了能源危机，还带来了环境污染问题，例如二氧化碳排放量预计将在2040年达到2.18亿吨/年。因此，寻找替代能源，尤其是可再生能源，成为解决淡水短缺问题的重要方向。

太阳能因其高能量密度、高可靠性以及低噪音等优点，被广泛视为替代能源的首选。太阳能在淡水生产领域的应用已经取得了显著进展，尤其是通过太阳能蒸发-冷凝（HDH）系统和太阳能蒸馏（SS）系统。HDH系统模拟自然降雨循环，利用太阳能将海水加热并使其蒸发，随后在冷凝器中冷凝为淡水。这种技术适合于偏远地区的小规模淡水生产需求。然而，HDH系统的效率较低，限制了其在大规模应用中的潜力。相比之下，SS系统虽然结构简单、运行成本低，但其效率同样不高，因此需要与其他系统结合以提高整体性能。

本研究的目的是探索将太阳能蒸发-冷凝（HDH）与太阳能蒸馏（SS）技术相结合的系统设计，以实现最大淡水产量和最低成本的优化目标。通过两种不同的组合方式——太阳能水收集器HDH与SS系统（SWCHDH-SS）以及太阳能空气收集器HDH与SS系统（SACHDH-SS），分别建立了热力学与经济模型，并采用遗传算法进行多目标优化，最终通过TOPSIS方法选择最优设计方案。研究结果显示，在最优条件下，太阳能水收集器HDH与SS系统的年淡水产量为12936千克，成本为1659美元；而太阳能空气收集器HDH与SS系统的年淡水产量为9807千克，成本为915美元。考虑到每千克淡水的生产成本，太阳能空气收集器HDH与SS系统被选为最终设计，其平均日产量为26.86千克，成本为0.093美元/千克。

### 研究目标与方法

本研究旨在开发一种太阳能驱动的淡水生产系统，结合HDH和SS技术，以实现高产量和低成本的综合目标。研究采用了两种不同的系统配置：一种是基于太阳能水收集器的HDH与SS系统（SWCHDH-SS），另一种是基于太阳能空气收集器的HDH与SS系统（SACHDH-SS）。两种系统的热力学和经济模型均被建立，并通过多目标优化方法进行分析。优化目标是最大化年淡水产量并最小化年成本，采用遗传算法进行求解，并通过TOPSIS方法从Pareto最优解集中选出最终设计方案。

### 系统原理与配置

在SWCHDH-SS系统中，淡水首先通过太阳能水收集器加热，然后进入蒸发器，与空气直接接触以增加空气湿度。随后，湿润空气进入冷凝器，在此过程中，水蒸气冷凝为淡水。这部分的淡水随后被输送到太阳能蒸馏系统中，进一步利用太阳能进行蒸发和冷凝。而在SACHDH-SS系统中，空气首先通过太阳能空气收集器加热，然后与淡水接触，进行蒸发和冷凝过程。两种系统的配置均考虑了环境条件，如相对湿度、环境温度、太阳辐射强度和平均风速，以确保模型的准确性和实用性。

### 热力学分析

热力学分析是研究系统性能的核心部分，旨在计算淡水产量。首先，根据太阳能收集器的类型（水或空气），计算其出口水温或空气温度。然后，通过HDH系统中的蒸发器和冷凝器，计算淡水产量、出口水温和空气流量。最后，基于这些参数，计算太阳能蒸馏系统中的淡水产量。对于太阳能水收集器，出口水温和空气温度的计算基于热平衡方程，考虑了太阳辐射的吸收、玻璃盖的热损失以及水与空气之间的热传递。而对于太阳能空气收集器，效率因子的计算则采用了不同的公式，以反映空气流动和热交换特性。

### 经济模型

经济模型是评估系统可行性的重要工具，主要涉及设备购买成本、维护成本和运营成本。本研究采用总收益要求（TRR）方法进行经济建模，计算设备的购买成本、投资回收成本、运营维护成本以及年成本。为了实现TRR目标，设备的购买成本需要根据热力学参数进行计算。研究中引入了资本回收因子和有效利率（15%）来计算年成本，并通过总收益要求公式将设备的初始投资成本和运营成本进行合理分配。此外，还考虑了通货膨胀率对运营成本的影响，以确保模型的长期适用性。

### 模型验证

为了验证模型的准确性，本研究对太阳能蒸馏系统进行了数值模拟，并将其结果与实验数据进行了对比。实验数据来自相关文献，研究结果显示，模拟与实验数据之间的均方根误差（RMSE）为14%，表明模型具有较高的准确性。这种误差可能源于实验条件与模型假设之间的差异，但总体而言，模型的性能得到了验证。

### 多目标优化与决策方法

多目标优化旨在同时最大化淡水产量和最小化年成本。研究中采用了非支配排序遗传算法（NSGA-II）进行优化，该算法能够处理多个目标函数，并生成Pareto最优前沿。通过Pareto前沿，可以得到一系列可能的解决方案，这些方案在不同目标之间存在权衡。为了从这些方案中选择最优解，研究采用了TOPSIS方法，该方法基于相似度评估，能够在多个目标之间找到最接近理想解的方案。TOPSIS方法的优势在于其计算简便，无需专家咨询即可比较不同方案的优劣。

### 结果与讨论

研究结果显示，SWCHDH-SS系统的年淡水产量为12936千克，成本为1659美元；而SACHDH-SS系统的年淡水产量为9807千克，成本为915美元。从单位成本来看，SACHDH-SS系统更优，因此被选为最终设计方案。进一步分析显示，SACHDH-SS系统的平均日产量为26.86千克，成本为0.093美元/千克，显著优于SWCHDH-SS系统的0.128美元/千克。

此外，研究还对两种系统进行了月度和年度的生产分析。SWCHDH-SS系统的最高月产量出现在12月，为2236.95千克；而SACHDH-SS系统的最高月产量同样出现在12月，为1323.4千克。从全年平均来看，SWCHDH-SS系统的淡水产量为31.2%，而SACHDH-SS系统的淡水产量为26.86千克/天。尽管SWCHDH-SS系统的产量较高，但其成本也显著增加，因此SACHDH-SS系统在综合经济性方面更优。

研究还分析了有效利率对系统成本的影响。结果显示，当有效利率从2%增加到20%时，每千克淡水的生产成本从0.0903美元增加到0.0942美元，即增加了4.32%。分析表明，有效利率的每1%增加会导致每千克淡水成本增加约0.24%。这表明，在经济评估中，利率是一个重要的影响因素，需在设计时充分考虑。

### 结论

本研究探讨了两种太阳能淡水生产系统——SWCHDH-SS和SACHDH-SS的热力学和经济模型，并通过多目标优化方法选择了最优设计方案。研究结果表明，尽管SWCHDH-SS系统的淡水产量较高，但其单位成本也更高，因此SACHDH-SS系统在经济性方面更具优势。此外，研究还验证了模型的准确性，并分析了利率对系统成本的影响，为实际应用提供了重要的参考价值。

本研究的成果为太阳能驱动的淡水生产系统提供了新的设计思路和优化方法，特别是在多目标优化和决策方法的应用上。未来的研究可以进一步探索这些系统的长期运行稳定性，以及在不同地理环境下的适应性。此外，还可以考虑结合其他可再生能源，如风能或生物质能，以进一步提高系统的可持续性。通过不断优化和改进，太阳能淡水生产系统有望成为解决全球淡水资源短缺问题的重要工具。