近日，上海交通大學(xué)王如竹教授領(lǐng)銜的“能源-水-空氣” 交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊ITEWA (Innovative Team for Energy, Water & Air)在Joule期刊（IF=46.048）發(fā)表名為 Dehumidification with Solid Hygroscopic Sorbents for Low-Carbon Air Conditioning的Preview論文。該文從實現(xiàn)室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的空調(diào)的減碳目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合吸附式空氣取水領(lǐng)域的吸附材料設(shè)計的最新進(jìn)展，從跨學(xué)科的角度分析了固體吸附除濕材料用于下一代高效低碳除濕空調(diào)在材料設(shè)計和工程應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)和機遇。這種從材料到工程、從技術(shù)到市場的全面跨學(xué)科、跨行業(yè)發(fā)展，可以使得基于吸附劑除濕的下一代空調(diào)成為替代傳統(tǒng)空調(diào)的新型方式，實現(xiàn)空氣中濕度負(fù)荷的智能處理，減輕空調(diào)對溫室氣體碳排放的影響。論文作者為上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所博士后Primo? Poredoš，博士生山訸及王如竹教授。
空調(diào)的大量使用對全球溫室氣體排放平衡構(gòu)成了巨大負(fù)擔(dān)。當(dāng)前和未來全球濕度對與空調(diào)相關(guān)的溫室氣體排放具有重大影響，將潛熱負(fù)荷（濕度）與顯熱負(fù)荷（溫度）分開的解耦處理，通過吸附材料控制濕度和潛熱負(fù)荷，具有巨大的碳減排潛力，尤其是在炎熱和潮濕的氣候地區(qū)。目前，對于空調(diào)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展及其碳減排具有迫切需求。將空氣中的水分（濕度）分離出來，將有效減少空調(diào)運行負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能減排效果。具體來說，可以利用水蒸氣吸附/吸收材料來捕獲空氣中的水蒸氣，不需要消耗額外能量的分離濕負(fù)荷。而在高溫驅(qū)動下，吸附材料釋放水分，實現(xiàn)解吸和再生。該再生過程可以采用低品位能源（余熱），甚至太陽能驅(qū)動，進(jìn)而降低能耗及碳排放。
最近，吸附式空氣取水(AWH)領(lǐng)域取得重大科學(xué)進(jìn)步，特別是在新型吸附劑/除濕劑開發(fā)方面的蓬勃發(fā)展，使得空調(diào)除濕冷卻與該領(lǐng)域的跨學(xué)科交叉成為可能。對于空氣取水材料和除濕空調(diào)吸附劑來說，其設(shè)計思路基本相似，即都需要高吸附能力、快速傳熱傳質(zhì)性能、低再生能耗以及長期循環(huán)穩(wěn)定性和低成本。新型吸附劑在實現(xiàn)低碳空調(diào)方面也顯示出巨大的水汽分離潛力，但在匹配空調(diào)能量和能級方面，需要進(jìn)一步合理設(shè)計。
目前最具有工程應(yīng)用前景的材料為吸濕鹽復(fù)合吸附劑，與MOFs和水凝膠相比，這些吸附劑通常在較寬的相對濕度(RH)范圍內(nèi)表現(xiàn)出更高的吸附能力。更重要的是，吸濕鹽復(fù)合吸附劑具有較高的穩(wěn)定性、較低的生產(chǎn)成本，且浸泡-干燥制備工藝簡單，具有較大的規(guī)模化生產(chǎn)潛力，因此具有很強的工程潛力。它們的形態(tài)取決于基質(zhì)的狀態(tài)，基質(zhì)可以是粉末狀、纖維或者塊狀物質(zhì)，可以方便地與空調(diào)中熱交換器(HX)組件，如管道和翅片結(jié)合。
干燥劑涂層換熱器技術(shù)(DCHE)，可以應(yīng)用于空調(diào)、熱泵等系統(tǒng)，可保證潛熱和顯熱的冷卻。與空氣取水過程不同的是，在空調(diào)熱泵系統(tǒng)中，空氣必須達(dá)到規(guī)定的溫度和濕度才可以負(fù)荷輸出條件。對空氣狀態(tài)的精確調(diào)節(jié)帶來了復(fù)雜性，入口溫度和濕度波動以及系統(tǒng)的熱慣性都將影響最終的性能。因此，依賴于吸附劑材料的下一代空調(diào)設(shè)備在使用上將面臨許多挑戰(zhàn)。
通常，具有除濕換熱器的空調(diào)具有以下關(guān)鍵過程：濕空氣流動和工作流體（制冷劑或換熱介質(zhì)）的壓降和傳熱傳質(zhì)；吸附劑和濕空氣之間、吸附材料內(nèi)部以及吸附劑和工作流體之間的傳熱；水分在濕空氣和吸附劑之間以及吸附劑內(nèi)部的傳質(zhì)過程。雖然其本身的過程比較直接和簡單，但相互耦合的過程使得設(shè)計變得復(fù)雜。除了上述關(guān)鍵的傳熱傳質(zhì)設(shè)計過程，其他工程問題也需要考慮。例如，腐蝕的防止，吸附劑傳熱能力的提高，新型超吸收材料的開發(fā)，連續(xù)式系統(tǒng)的開發(fā)以及高效再生過程的利用等。作者在這些方面給出了可能的解決方案和發(fā)展方向。
作者認(rèn)為，由于空調(diào)進(jìn)行室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)是最普遍的技術(shù)之一，政策制定者、投資者、熱力設(shè)計師、建筑師和暖通空調(diào)行業(yè)對于當(dāng)前技術(shù)的缺陷的反饋非常重要。他們的觀點將為未來的市場導(dǎo)向和技術(shù)方向奠定基礎(chǔ)。高度跨學(xué)科的團(tuán)隊可以發(fā)布關(guān)于基于先進(jìn)吸附劑材料的下一代空調(diào)的全面指南，最終實現(xiàn)從材料到工程、從技術(shù)到市場的全面發(fā)展，使得基于吸附劑除濕的下一代空調(diào)成為替代傳統(tǒng)空調(diào)的新型方式，最終實現(xiàn)空氣中濕度負(fù)荷的智能處理，減輕空調(diào)對溫室氣體排放的影響。
研究工作得到了國家自然科學(xué)基金國際青年科學(xué)家研究基金、國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目和國家自然科學(xué)基金的資助。王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團(tuán)隊近年來在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Angewandte Chemie-International Edition等國際期刊上發(fā)表了系列高質(zhì)量論文，團(tuán)隊致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
原文鏈接：
DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.06.020,
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00294-X
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