美国国家可再生能源实验室NREL：空气除湿应用中温度敏感型干燥剂的节能潜力

【工作介绍】

温度敏感型水凝胶（thermo-responsive hydrogel）具有随温度变化的吸湿等温线。在环境温度低于其低临界溶液温度（lower critical solution temperature， LCST）时，温度敏感型水凝胶处于亲水状态，从而可以从空气中吸湿；但在环境温度高于LCST时，凝胶转为疏水状态从而将水分子“挤”出到空气中。相比于硅胶和沸石等传统干燥剂，温度敏感型水凝胶作为干燥剂具有更高的吸湿量（> 1g_水/g_干燥剂）。此外，它的热响应特性还可以使其在低温进行再生，使得其在提升空气除湿效率方面具有巨大潜力。然而，温度敏感型水凝胶作为干燥剂在建筑除湿的应用方面，比如除湿转轮中的表现，仍然有待研究。

鉴于此，美国国家可再生能源实验室的研究人员：曾轶博士（第一作者），Jason Woods 博士和崔爽博士（通讯作者）通过构建一维瞬态传热传质模型模拟了温度敏感型凝胶作为干燥剂在除湿转轮中的吸湿表现。研究发现，与传统的干燥剂（硅胶）不同，温度敏感型干燥剂在其再生/吸湿过程的前期会跨越等相对湿度线，从而达到更高/更低的相对湿度并提高除湿效率。然而，其除湿效率将随着再生空气温度的升高而逐渐减小。在再生过程中，其温敏性能使得温度敏感型干燥剂比硅胶减少约30%的热能消耗。此外，温度敏感型除湿转轮的低温可再生特点使其可以与低温余热系统耦合，从而进一步减少能源消耗。这一研究揭示了温度敏感型凝胶的随温度变化的吸湿等温线和LCST对除湿应用的影响，为以后开展节能建筑中温敏型设备的研究与设计提供了重要的参考。目前该成果以“The energy saving potential of thermo-responsive desiccants for air dehumidification”为题发表在国际著名期刊Energy Conversion and Management上。

【核心图文】

图1：（A）三种待除湿的代表性空气状态（新风，回风和冷风）与除湿转轮的示意图；（B）除湿和再生过程中，待处理空气和再生空气在焓湿图中的状态；（C）逆流除湿转轮模型示意图。

图2：（A）温度敏感型干燥剂和硅胶的吸湿曲线（IPN_32C代表温度敏感型干燥剂的LCST约为32℃）；（B）温度敏感型干燥剂和硅胶在除湿和再生过程中的理想循环。

图3：在三种代表性入口空气状态：（A）新风，（B）回风和（C）冷风的情况下，硅胶，温度敏感型干燥剂（IPN_32C）和非温度敏感型干燥剂（IPN_NonTR）的除湿效率 （Moisture Removal Efficiency，MRE）。

图4：当除湿端出口空气露点为18.8℃时，IPN_32C，硅胶和IPN_NonTR（A）除湿转轮在新风条件下的除湿端出口处空气的处理循环，以及（B）除湿转轮轴向空气状态；当入口再生空气温度为115°C时，IPN_32C，硅胶和IPN_NonTR（C）在新风条件下的除湿转轮除湿端出口处空气的处理循环，以及（D）除湿转轮轴向空气状态。

图5：LCST对温度敏感型干燥剂（IPN）在三种代表性入口空气状态：（A）新风，（B）回风和（C）冷风的情况下的除湿效率 （MRE）影响。

图6：温度敏感型干燥剂除湿转轮在不同（A）转速和（B）转轮厚度的情况下的除湿效率

Zeng, Yi, Jason Woods, and Shuang Cui. The energy saving potential of thermo-responsive desiccants for air dehumidification. Energy Conversion and Management 244 (2021): 114520.

作者介绍：

曾轶2019年12月博士毕业于奥本大学机械工程系，现为美国国家可再生能源实验室（NREL）博士后（2020年1月至今），主要从事包括节能建筑中热湿控制、固液相变材料的微尺度传热、晶体材料中声子导热等方向的研究。目前以第一作者或通讯作者在包括Energy Convers. Manag., Int. J. Heat Mass Trans.和Physical Review B等国际期刊上发表论文十余篇。

Jason Woods 现为NREL高级工程师。主要从事建筑中节能研究，包括热能存储材料和系统、干燥剂除湿及HVAC中薄膜的应用等方向的研究。目前以第一作者或通讯作者在包括Nat. Energy., Energy Convers. Manag.和 Int. J. Heat Mass Trans.等国际期刊上发表论文数十篇。

崔爽现为美国德州大学达拉斯分校机械工程学院助理教授, NREL工程师。主要从事热能存储、微尺度传热和能源转换等研究。目前以第一作者或通讯作者在包括Appl. Energy, Energy Convers. Manag. 和Int. J. Thermal Sci.等国际期刊中发表论文十余篇。她被美国国家能源部评选为Women@Energy: STEM Rising. 其课题组现招聘博士后1名以及博士生2名，有意者请将英文简历发送至[e-mail].