普通太阳光照射驱动的透过式固态湿泵实现空调除湿

【前言】

随着社会经济的发展以及人民生活水平的提高，人们对于室内环境舒适度的要求越来越高。室内空气的相对湿度对于人体的舒适度有着重要的影响，因而湿度调节也成为了室内环境调节的重要一环。常见的除湿技术主要有传统压缩式空调除湿，转轮除湿，溶液除湿，薄膜除湿等。这些除湿技术普遍存在着高能耗、系统复杂、设备成本高昂、维护麻烦等缺点。因此，发展低能耗、低成本、系统结构简单的除湿技术迫在眉睫。

【研究背景】

建筑室内空气的湿度调节目前在诸多领域都起着至关重要的作用，如民用住宅、商用写字楼、工厂车间以及仓库等。目前，建筑能耗占全世界总能耗的40%左右，而其中约一半的能耗是用于空调系统之中^{1, 2}。通常来说，空调系统的负荷主要分为显热负荷（制冷/制热）和潜热负荷（除湿）,而潜热负荷一般占空调系统总能耗的40%甚至更多。因此，发展高效、舒适、节能的除湿技术有着重要的意义。传统的除湿技术均是利用露点除湿的原理：即将空气冷却到露点温度以下，将空气中的水蒸气冷凝并排走，从而达到除湿的目的；然后将空气再加热到合适的温度进行送风，但该二次加热过程会大大增加系统能耗。近些年来，一些基于可再生能源或余热回收利用的除湿技术逐渐发展起来，如固体干燥剂除湿（如转轮）、溶液除湿、薄膜除湿等。但目前该类系统仍然具有系统结构复杂、体积大和设备投资成本高等缺点，而且往往需要附加热源驱动。因此，发展结构相对简单，成本相对低廉的固体除湿技术意义重大。

【内容介绍】

上海交通大学机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所的王如竹教授团队近日在Cell子刊iScience上发表了题目为”A Moisture Penetrating Humidity Pump Directly Powered by One Sun Illumination”的研究论文(作者：Biye Cao, Yaodong Tu, Ruzhu Wang^*)。该论文提出了一种基于透过式除湿板的新湿泵概念，可在一个太阳光强照射的驱动下将室内空气中的水蒸气吸附并传输到室外，达到除湿的目的。该湿泵系统结构十分简单，制造和运行的成本相对低廉，且可以直接利用太阳光辐射作为驱动源。文章首先介绍了透湿板的概念和结构，并给出了制备所需的材料和步骤；其次，表征了板材表面形貌、水蒸气透过率以及表面温度等重要参数；其三，展示了基于透湿板设计的湿泵样机，并在模型房间内进行了除湿测试。最后，文章对该技术现阶段的不足进行了讨论，并对未来应用进行了展望。

【透湿板的多层结构及低成本的用料】                       

图1，透湿板的概念、结构、工作原理以及实物照片。

图1中的a图即为透湿板的结构和工作原理。该板材主要由三部分组成：多孔基底、干燥剂层以及外表面光热层。多孔基底的作用是为干燥剂提供附着的骨架，使其易于形成稳定层状结构；同时，孔隙的大小也足以允许湿空气透过，使之可以与干燥剂层接触并发生作用。本研究里选用湿法发泡的酚醛塑料作为基底材料，该材料具有很好的隔热性能、极低的成本以及易于加工等优点。干燥剂层是透湿板的核心结构，用于吸附室内侧水蒸气并将其向室外侧输运；研究团队选用了两种不同的干燥剂材料作为比较：纯硅胶以及硅胶-金属有机框架(MOF)MIL-101(Cr)的复合材料（如图b,c所示）。硅胶是固体除湿技术中常用的干燥剂，已经被广泛关注并研究多年³；MIL-101(Cr)结构相对稳定，呈现出典型的V型等温吸附线，是最近几年里逐渐受到关注的一种很好的除湿干燥剂⁴；此外，该研究还比较了不同致密程度的干燥剂层对除湿的影响。表面光热层用于吸收太阳光并产生足够高的温度令干燥剂脱附，研究中采用纳米炭黑粉作为光热层的材料。

【疏松的板材孔隙结构更利于水分的传输】

图2中的a,b,c图分别为多孔基底，致密干燥剂层以及疏松干燥剂层的扫描电镜（SEM）图片。图d为硅胶-MIL-101(Cr)复合干燥剂的SEM图片，图e,f为MIL-101(Cr)颗粒的透射电镜(TEM)图片。图g为不同结构透湿板的水蒸气透过率测试。该测试主要用于表征当板材两侧处于固定水蒸气分压差的情况下，水蒸气透过板材速率的快慢。可以看到疏松板材（红色、绿色）的水蒸气透过率明显好于致密板材（蓝色），该结果也符合扫描电镜图片所示的信息(b和c)，即致密板材的孔道大多被堵塞而疏松板材的孔道大多保持畅通。

图2，透湿板的表面形貌，金属有机框架MIL-101(Cr)的晶粒，以及不同结构透湿板的水蒸气透过率。

【表面光热层大大增加表面产热，促进干燥剂再生】

图3，一个太阳光强光照下的板材表面温度

该研究提出的湿泵完全依靠由光热效应提供的热量进行干燥剂再生，因此板材在光照下的表面温度决定了再生是否能发生以及再生的速率。图3为不同透湿板在光照下的表面温度的红外成像照片，光照强度为1000Wm^-2，即一个标准太阳的光照强度。样品的详细信息如下表显示。从红外成像照片的温度数据可以看出，在涂覆了表面光热层后，表面温度明显更高（a与b）。此外，复合干燥剂的表面温度明显低于纯硅胶的表面温度（b与c），表明其在相同的光照条件下具有更快的脱附速率。

表1，各样品的具体信息

样品	a	b	c	d
干燥剂层	硅胶	硅胶	硅胶-MIL101(Cr)	硅胶
表面光热层	无	有	有	有
干燥/潮湿	潮湿	潮湿	潮湿	干燥

【应用复合干燥剂透湿板的湿泵样机具有更好的除湿速率和除湿工作区间】

图4，应用透湿板的湿泵样机以及不同透湿板的除湿测试。

图4a即为应用透湿板的湿泵样机，由两个样品窗及内外可移动挡板组成。样机工作时，一块透湿板的内侧挡板打开，板材与室内空气接触，进行吸附除湿；与此同时，另一块板材的内侧挡板关闭，外侧挡板打开，其表面光热层接收一个太阳光强的光照（即1000Wm^-2）升温，使板材中的干燥剂脱附再生（图b）。经过固定周期后，两块透湿板的工作模式进行切换：已经完成吸附的透湿板内侧挡板关闭，外侧挡板打开，开始进行光照升温脱附；而另一块已经完成脱附的透湿板外侧挡板关闭，内侧挡板打开，使其开始吸附除湿（图c）。如此循环往复，达到连续除湿的效果。

图d展示了两种应用不同透湿板的湿泵的除湿效果。应用纯硅胶透湿板的湿泵可顺利将室内空气的相对湿度从65%降低到61%左右（蓝色空心），除湿过程中室内的温度基本稳定（红色空心），其平均除湿速率为24.2gm^-2h^-1。但该湿泵无法进一步降低相对湿度以满足人体的舒适度需求。而应用硅胶-MIL-101(Cr)复合干燥剂透湿板的湿泵可以更快速地将室内相对湿度降低到中等相对湿度的区域（~50%）（图e，蓝色实心）。当室内相对湿度接近60%或者更低时，该湿泵的除湿速率有明显的下降，这是由于透湿板中硅胶的除湿速率已经很小，此时湿泵主要靠MIL-101(Cr)在进行除湿。当室内相对湿度高于60%时，复合透湿板湿泵的平均除湿速率约为33.8 gm^-2h^-1；而当相对湿度低于60%时，其平均除湿速率降为15.1 gm^-2h^-1。总体来说，复合干燥剂透湿板湿泵除湿速率更快，同时能将室内相对湿度维持在更低的水平，以满足人体舒适性要求。

【复合干燥剂透湿板在更低的湿度区间具有更好的输运水能力】

图5，不同透湿板的循环输运水量

为了更好地理解不同干燥剂（不同透湿板）之间的区别，该研究测量了不同板材的循环输运水量。图5a,b展示了测试的装置和步骤：在吸附时，板材的内侧与室内空气接触进行吸附；经过固定周期的时间后，将内侧封住，外侧打开并进行光照（1000Wm^-2），使得板材向室外脱附；在以上的过程中，板材的质量变化被精确记录。在重复上述过程若干次后，板材的质量变化呈现出明显的周期性，而一个周期内的峰谷值之差即为透湿板在一个循环内的输运水量。可以看到，当室内工况为25^oC,70%RH时（图5c,d），无论是纯硅胶透湿板还是硅胶-MIL-101(Cr)复合透湿板均具有较好的循环输运水量；然而，当室内工况降为25^oC,50%RH时（图5e,f），纯硅胶透湿板的循环输运水量大大降低但复合干燥剂透湿板仍然有不错的输运水量。这印证了纯硅胶板材在中相对湿度的环境下除湿效率极慢的结果。

【未来应用场景广泛，但仍需进一步完善结构设计及材料选择】

该研究旨在提出并验证一种基于透湿板的新型湿泵概念，因此实验中的光照条件均使用的是1000Wm^-2。但在实际的应用中，太阳在不同季节以及一天中不同时刻的倾角和方位角都是不一样的，其对应的光照强度也是时刻在变化的。因此，后续的工作应该着重于探究更符合实际光照条件下该湿泵的除湿表现，并且从材料以及结构优化两方面同时进行改进以求获得更高的除湿速率。

未来，该湿泵技术有着广泛的应用前景和空间。该透湿板以及湿泵结构易于与建筑材料或结构整合（如墙体或屋顶等），因此可以应用于几乎各类建筑中，用来独立处理部分甚至全部的潜热负荷，达到温湿度独立控制，从而大大提升整个空调系统的效率⁵。此外，经过小型化、精细化后的该湿泵可以应用于精密电子仪器内部的湿度控制。电子仪器设备对于湿度控制有很严格的要求，过高的湿度容易引起诸多系统故障；但大多仪器设备的箱体相对封闭，且拆装过程复杂、易于导致零件损坏，因此此类仪器大多放置于温湿度精密控制的房间内，这无形中大大增加了环境控制的能耗和成本。若将本研究中的湿泵应用于这类仪器的箱体壁面上，便可在不需要拆卸的基础上相对容易地控制箱体内部的湿度，达到降低能耗的效果。

参考文献

1.Costa, A.;  Keane, M. M.; Torrens, J. I.; Corry, E., Building operation and energy performance: Monitoring, analysis and optimisation toolkit. Applied Energy 2013, 101, 310-316.

2.Farese, P., How to build a low energy future. Nature 2012.

3.Zheng, X.; Ge, T. S.; Wang, R. Z., Recent progress on desiccant materials for solid desiccant cooling systems. Energy 2014, 74, 280-294.

4.Ferey, G., A chromium terephthalate-based solid with unusually large pore volumes and surface area (vol 309, pg 2040,2005). Science 2005, 310 (5751),1119-1119.

5.Tu, Y. D.; Wang, R. Z.;  Ge, T. S.; Zheng, X., Comfortable, high-efficiency heat pump with desiccant-coated, water-sorbing heat exchangers. Scientific Reports 2017, 7.

作者简介

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、教育部太阳能工程研究中心主任。2017和2018年度全球高被引学者。主持成果曾获2014年度国家自然科学二等奖、2010年度国家技术发明二等奖。 由于对国际制冷学科的卓越贡献，获英国制冷学会颁发的2013年度国际制冷J&E Hall Gold Medal、中日韩三国制冷学会联合颁发的2017年度亚洲制冷学术奖Asian Academic Award、日本传热学会颁发的2018年国际热科学纪念奖Nukiyama Memorial Award，以及国际制冷学会2019年颁发的国际制冷最高奖Gustav Lorentzen Medal。

第一作者-曹毕野博士生

本科就读于南京大学物理学院，硕士就读于德国慕尼黑工业大学物理学院-应用与工程物理专业，2015年进入上海交通大学制冷与低温工程研究所攻读博士学位，师从王如竹教授。现研究方向主要集中于固体干燥剂除湿、太阳能的直接利用与表面集热等。作为主要科研人员参与国家自然科学基金创新群体项目（No.51521004）,国家自然科学基金青年项目（No.51606124）,国家重点研发计划课题(No.2016YFB0601202)等研究。

课题组简介

ITEWA （Innovative Team for Energy, Water & Air）是由王如竹教授创建并领导的前沿科学问题研究团队，聚焦于能源转换与效率、水及空气处理等领域的前沿基础科学技术问题。通过学科交叉分别从材料、器件和系统层面提出整体解决方案，从而推动相关技术领域快速地取得突破性进展。目前的研究方向包括：高效无霜空气源热泵技术、规模化太阳能空气取水技术、太阳能湿泵（空调）墙、超高储热密度蓄能技术、MOF能源材料及水合盐复合吸附剂的合成及表征技术、仿生热湿调控技术等。团队曾于2018年8月及2019年4月在Cell 姐妹刊Joule上发表两篇学术论文。

1.Yaodong Tu, Ruzhu Wang*, Yannan Zhang, Jiayun Wang. Progress and Expectation of Atmospheric Water Harvesting, Joule, Vol.2, issue 8, 1452-1475, Aug.15, 2018.   

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30326-X

2.Bangjun Li, Linjie Hua, Yaodong Tu, Ruzhu Wang*. A Full-Solid-State Humidity Pump for Localized Humidity Control, Joule, Published online: April 30, 2019. 

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30158-8

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