上海交大：净零能耗/太阳能驱动连续式空气取水展望
近日，上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-水-空气” 交叉学科创新团队ITEWA(Innovative Team for Energy, Water & Air)在Energy & Environmental Science期刊发表名为 Sustainable water generation: Grand challenges in continuously atmospheric water harvesting的观点论文。该论文归纳了现有吸附式空气取水系统（SAWH）和辐射冷却空气取水系统（RAWH）在材料和系统两方面的发展及存在的技术瓶颈，强调了连续式空气取水的前景和可能性，展望了净零能耗/太阳能驱动的连续式空气取水系统的发展方向，以期推动空气取水实现产水效率和产量的跨越。
【研究背景】
水资源短缺影响着全球40亿人的发展与安全。空气中蕴含着大量的水，这部分水分以水蒸气等形式存在，其储量约为12,900 立方千米，是全球河流总水量的六倍。捕捉空气中的水蒸气并形成液态可饮用水——空气取水，已成为缓解水资源挑战的重要途径，尤其是对于干旱地区以及周边没有水资源的地区。通过制冷实现冷表面温度低于空气露点温度的冷凝大气集水往往能耗高，制水效率低。这种情况下利用多孔吸湿材料即使在低湿度下也可以有效吸附空气中的水蒸气，通过太阳能加热可以实现吸附材料的解吸，形成的高分压水蒸汽大大提升了露点温度，可以在常温下实现水蒸汽的冷凝集水。此外利用天空辐射冷却材料可以实现表面温度明显下降，也可以在高湿度下冷凝水蒸气。如何将以上两种技术有机结合，利用大气晚上温度相对较低而相对湿度较高，白天太阳能充足以及超材料存在的太空辐射制冷，去构建全部依赖自然能源禀赋的连续式空气取水系统是未来可持续发展中的一个重要挑战。
【主要内容】
连续式空气取水的潜力及挑战
图1 (a) 个人每日需水量与目前净零能量空气取水系统的产水量比较；（b）典型昼夜环境条件（以中国上海秋季为例），单日温湿度和太阳能的变化是未来开发(准)连续AWH系统必须考虑的因素。
目前大多数空气取水器件和系统仍然处于实验室开发阶段，在现场测试中水产量很低（最多~300 mL/day），与美国国家科学、工程和医学院推荐的人均日需水量（约4L/day）有较大差距（图1a）。原因之一是目前空气取水系统采用非连续式工作模式，对时间和能量产生浪费，难以实现单日高水产量。与非连续式器件相比，连续式空气取水模式可以提高装置的紧凑性、效率和产水量，但要实现连续式空气取水仍然亟待解决两方面的问题。一是外部环境因素（图1b）：湿度和太阳能在夜间和日间的不匹配。夜间湿度较高，但无太阳能驱动解吸；日间太阳能充足，可驱动解吸，但湿度低。二是系统自身因素：系统层面的设计仍然初步，没有与吸附剂/辐射冷却材料自身性质相匹配，没有先进的系统热设计。
辐射冷却式/吸附式空气取水原理及运行模式
图2 SAWH和RAWH技术的运行原理和工作模式示意图。(a) 运行原理示意图。其中，合理的冷却、冷凝和收集过程在SAWH和RAWH之间是共享的。（b）系统基本模式示意图。(c)工作模式示意图。SAWH可以采用不连续、准连续(批量)或连续操作方式。RAWH基本上是一个连续的过程，但当外界辐射较大时，可能会中断冷凝和集水过程。
吸附式/辐射冷却式空气取水两种技术在取水机制方面具有相似性（图2a、b），都包括冷却（显热释放）、冷凝（潜热释放）以及收集的过程。具体而言，吸附式空气取水的过程为：1. 低温高湿环境中利用吸附剂吸附水蒸气；2. 高温解吸水分产生浓缩的水蒸气，以提高湿空气露点温度便于冷凝；3. 湿空气温度下降，释放显热。4. 湿空气释放潜热，水蒸气冷凝。5. 液态水的收集。相比于吸附式空气取水，辐射冷却式空气系统更简单，只需要利用辐射冷却材料的固有特性将湿空气降温并冷凝，再进行收集。
吸附式空气取水具有三种工作模式（图2c）：1. 不连续，即吸附材料一天仅进行一次吸附/解吸循环；2. 准连续（批处理）模式，即材料每天完成多次吸附/解吸循环；3. 连续式，即吸附和解吸同时发生。对于连续式过程，需要合理设计吸附过程和解吸过程，使得一部分材料获得足够能量驱动解吸，而另一部分材料保持在环境温度下。同时，这两个过程需要进行快速切换。因此，用于连续式系统的吸附材料需要进行合理设计。
连续式空气取水的材料设计
图3 复合吸附剂吸附和解吸动力学特性及辐射天空冷却材料的辐射特性。吸附材料以LiCl@rGO-SA为例，辐射冷却材料以纤维素基材料为例。(a) 吸附和解吸速率；(b)左：水平的黑体和真实表面发射率与角度的依赖关系。右: 真实表面的角度依赖关系，显示可能增强的发射率主要在天顶方向。黑体表面发射率与表面倾角无关。
以往的所有吸附材料都存在吸附速率和解吸速率间存在不匹配现象，目前报道的吸附剂中，吸附速率最高仅为解吸速率的1/4，很难满足连续式系统所需的快速吸附解吸特性（图3a）。因而，提高吸附动力学成为实现连续系统的关键难题之一。吸附动力学与厚度、密度、孔隙率相关，除此之外，还与晶体内和晶体间扩散系数以及形成吸附剂基质的三维高导热网络。鼓励采用先进材料表征及设计手段辅助改善吸附/解吸动力学，例如单晶XRD，多尺度计算方法，分子动力学模拟和密度泛函理论计算等。研究与吸附剂相关的新机制也非常重要，即研究水分子、吸附剂和不同能量来源（超声波、电、磁和电磁场）之间的相互作用。
辐射冷却材料的性能在很大程度上取决于其光学性质。目前辐射冷却材料的太阳光谱反射率为~0.96，仍然将有大量太阳能被吸收，很难实现真正的亚环境温度，因而需要开发反射率>0.99的辐射冷却材料。其次，可以将辐射冷却材料集成在斜面上，使其随方向定向分布，将表面发射指向天顶方向，以增强总体辐射功率。
连续式空气取水的系统设计
图4 未来SAWH、RAWH、多级SAWH和混合S(R)AWH系统设计的可能路径。(a) SAWH系统的演变及未来设计可能性；(b) 基于现有概念设计（R1）展望的连续式RAWH发展路径，最终可实现低湿度环境下连续的水收集。
SAWH系统设计应着眼于增加系统的紧凑性，并在系统水平上进一步平衡吸附与解吸速率的不匹配。对于分批轮换实现的多吸附解吸循环系统（S1），可以通过更快的吸附剂切换实现更高的平均解吸动力学，使得系统接近于连续式的构想，但由于每次轮换都会由于吸附剂的加热和冷却过程造成能量效率降低。着眼于真正的连续式系统（S4），这种设计可以提高单位吸附剂重量的产水量(g/(g·day)) ，但由于吸附解吸速率的不匹配，装置的紧凑性难以保证。S5系统通过吸附解吸面积的区别来匹配吸附和解吸动力学，有望实现更高的取水量和取水效率。在这方面，具有各向异性热导率以及定向孔隙结构的材料可以带来额外的质量和能量效率。
RAWH系统应该专注于如何将辐射冷却材料提供的冷却能量集中（图4b），即在较小的面积实现集中的高冷却功率（R2），以实现更低湿度下的冷凝。此外，还应该特别注意辐射冷却整体的热管理。例如，引入额外的辐射屏蔽层和隔热层（R3），以减少环境热量输入，提高系统的冷却性能。由于目前的 RC 材料很难达到接近高太阳光谱反射率，因此可以部署额外的遮阳板以确保该辐射冷却器在白天不被太阳直射，而只暴露在漫射阳光下，此时遮阳板角度的设计则尤为重要。
连续式空气取水系统展望
图5 连续运行的SAWH、RAWH和混合S(R)AWH的前景展望。
首先，吸附材料和辐射冷却材料的性质还远非理想，仍然需要设计具有均衡吸附/解吸动力学的吸附材料以及更高太阳辐射反射率的辐射冷却材料。这两者也可以实现材料水平上的整合，即吸附材料同时具有辐射冷却效果。此外，面向规模化、长期化利用，也需要强调材料的稳定性、环境友好性以及成本效益。
其次，需要从工程热物理学科的角度出发关注系统的效率和性能。鉴于目前系统的水收集效率仍然很低，先进的热设计显得尤为重要，具体来说可以采用局部集中加热与冷却、多级潜热回收等方式实现系统效率以及紧凑性的提高。
此外，长期以来空气取水系统中夜间的取水被忽略，这是主要是由于夜间不具备太阳能来驱动光热解吸。因此，可以采用太阳能光伏及电池系统、光伏/光热系统以及吸附储热系统等方式实现能量的高效储存以及夜间利用，从而驱动吸附式空气取水走向全天运行。
阅读原文：Primož Poredoš, He Shan, Chenxi Wang, Fangfang Deng and Ruzhu Wang. Sustainable water generation: Grand challenges in continuously atmospheric water harvesting. Energy Environ. Sci., 2022.
https://doi.org/10.1039/D2EE01234K
【作者简介】
第一作者-Primož Poredoš博士
上海交通大学制冷与低温研究所博士后，师从王如竹教授，博士毕业于斯洛文尼亚卢布尔雅那大学。主要从事吸附式空气取水、辐射冷却技术及用于下一代除湿空调的固体吸附剂材料等方面的研究。
共同作者-山訸
上海交通大学制冷与低温工程研究所博士生，师从王如竹教授。研究兴趣为用于空气取水、除湿及储热的吸附材料与系统的开发。
共同作者-王晨曦
上海交通大学制冷与低温工程研究所博士生，师从王如竹教授。主要从事吸附式空气取水，温室设施热湿环境调节等方面的研究。研究成果发表在Joule等期刊上。
共同作者-邓芳芳
上海交通大学制冷与低温工程研究所博士生，师从王如竹教授。主要从事吸附式空气取水，太阳能热利用等方面的研究。
通讯作者-王如竹教授
上海交通大学讲席教授，制冷与低温工程研究所所长，教育部太阳能发电及制冷工程研究中心主任。
主研制冷空调与能源利用，吸附式空气取水系统，绿色建筑能源系统，节能与储能。获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖等奖励。荣获国际制冷学会Gustav Lorentzen Medal、英国制冷学会J&E Hall International Gold Medal、日本传热学会Nukiyama Memorial Award、国际能源署Peter Ritter von Rittinger International Heat Pump Award等学术奖励。任Energy deputy editor-in-chief, International Journal of Refrigeration地区主编。
来源：太阳能光热联盟理事单位——上海交通大学
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