“固态湿泵”——微环境湿度调节新策略
材料
作者：X-MOL
2019-07-21
注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
固体制冷（如热电制冷）作为一种简单、环保的新型制冷技术长期受到关注，但是当前基于该类技术的装置系统仍然面临温差小或者效率低的问题，因此在传统制冷和基于冷凝的除湿方面的应用缺乏足够的经济性和适应性。同时，固体干燥剂是生活中小空间常用的被动除湿材料，但是其吸附过程放热导致材料温度显著上升，不仅限制了其自身除湿能力，还会引起微环境内的温度变化。那么，有无可能将两种技术结合，通过优势互补突破各自原有的局限呢？近日，上海交通大学的王如竹教授团队通过结合固体制冷和吸附除湿技术的优势，提出了适用于微环境湿度控制的新策略——“固态湿泵”。
微环境中的湿度控制在生产生活各领域（如精密仪器保存、文物保护、药物存储等）扮演非常重要的角色。然而，传统基于压缩制冷的冷凝除湿和基于固/液吸水材料的吸附/吸收除湿等技术，不可避免地在除湿过程中过度冷却或加热被处理空气，造成能源浪费。此外，此类传统除湿系统或体积庞大，装置复杂，或成本高，效率低。而目前针对微环境除湿需求，主要有热电制冷除湿、电加热干燥剂、电化学除湿膜三种技术路线，其仍存在如能效低、需维护等缺点。
众所周知，热泵作为温度调节（制冷/制热）的典型形式，可以连续不断地从低温环境吸热，同时向高温环境放热。相对应的，理想的湿度控制系统，也应该能实现连续地从低湿环境吸湿，向高湿环境放湿的功能。该团队开发的固态湿泵系统则成功地实现这一目标，其中干燥剂作为湿分的载体和传递介质，热电制冷器通过控制干燥剂的温度改变其向空气吸湿和放湿作用，热沉（散热器）促进干燥剂与热电模块之间换热以及干燥剂与空气之间的传质过程。此外，通过部件翻转和电流反转可以实现干燥剂吸湿和放湿作用的交替循环。基于以上运行机理和类比，同时由于装置仅采用固态部件和介质，该系统被称为“固态湿泵”。
文章指出热泵冷端处理干燥剂的吸附热的同时热端放热使干燥剂再生，这种组合可以让两者形成互补进而实现理想的等温除湿过程。然而微环境湿度控制对装置系统的体积重量等有严格的限制，传统热泵系统中的流路结构决定了其难以小型化的特性，因此文章提出以无运动部件、结构简单且便于精确控制的热电制冷器作为热泵，固体干燥剂作为吸附解吸材料，从而使“湿泵”装置的尽可能小型化。此外，团队在开发“湿泵”概念验证样机过程中，采用了在散热器表面直接涂覆干燥剂的结合方式，不仅可以尽可能减小材料与散热器之间的接触热阻，而且可以保持材料与空气之间充足的接触面积以减小传质阻力，同时以小型电机驱动功能部件快速翻转，使加湿和除湿侧的吸附剂涂层交替实现解吸、吸附功能。文章实验测得装置在28.38 g/h湿度传递速率下对应0.61 g/(w•h)的湿度传递效率。与文献报道的其他小型除湿装置（基于热电制冷、电化学除湿膜）对比，所开发的概念验证样机表现出最佳的除湿性能，在接近的除湿速率下，除湿效率可以实现近一倍的提升。为了进一步演示所提出的装置湿度控制性能，该文同时进行了实际微环境除湿场景模拟实验。固定在尺寸为80 cm × 50 cm × 80 cm的木柜顶部的样机能够在60分钟左右将柜子内湿度由95%以上降至60%左右。在此期间，柜子外部始终保持极高（>95%）的相对湿度，且无需对柜子进行任何特殊的密封处理，即柜内始终存在泄露负荷。
这项工作巧妙的结合了固体制冷技术和固体除湿剂的优点，构建了适应性强、能效高的湿泵系统。该系统不仅以紧凑、灵活的结构实现了理想的空气除湿处理过程，而且有效避免了传统除湿过程引入的制冷剂、溶液、冷凝水等有诸多副作用的流体。为解决局部湿度控制需求提供了新的思路与策略，并且为固体制冷技术开拓了新的应用途径。最后，需要指出的是，本文所搭建的概念验证样机仍有诸多优化空间，以进一步提高效率和商业应用价值。
这一成果近期发表在Joule 上，文章的第一作者是上海交通大学博士研究生李帮俊。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
A Full-Solid-State Humidity Pump for Localized Humidity Control
Bangjun Li, Lingji Hua, Yaodong Tu, Ruzhu Wang
Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.03.018
王如竹教授简介
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-李帮俊博士生
2011年9月进入上海交通大学本科学习，2015年本科毕业后硕博连读，师从王如竹教授。现从事电子器件传热反问题，功率器件功耗温度优化控制，空气热湿处理等相关研究工作。本科期间曾获全国大学生节能减排大赛特等奖，研究生硕士期间进行热电制冷/吸附除湿研究工作，获中国制冷学会举办的全国制冷空调创新大赛第二名。
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。团队于2018年已经在Joule发表一篇聚焦空气取水的综述文章，本文是团队在Joule上发表的第二篇学术论文，2019年5月还在iScience上发表研究论文1篇。此外团队曾在能源顶刊Progress in Energy and Combustion Science上发表过5篇论文。
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：由于上海常年空气湿度较高，尤其是夏季人们经常面临衣物、食药品受潮变质的困扰。起初我们希望开发一种小空间湿度控制装置解决这一问题，但是发现已有的技术和装置存在较多不足。此外，本课题组在温湿度热泵、吸附除湿领域有多年积累。我们在课题组已有的“除湿热泵”研究基础上，产生了结合固体制冷和吸附除湿技术的想法，提出了 “固态湿泵”。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：本项研究中最大的挑战是如何实现概念验证样机开发，包括结构设计，除湿剂涂层工艺，切换驱动机构实现，控制电路开发。此外，如何保证小型系统动态过程实验的测试精度也是重要挑战，我们从实验环境搭建、测试标准、传感器标定等各个方面做了努力。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：文章指出新型制冷技术如电卡制冷等同样具有应用于该湿泵系统的潜力，此外，使用小温差下具有更大吸附变化量的干燥剂材料（如MOFs以及复合材料）能够显著提升湿泵性能。因此，该研究为新型制冷技术和吸附材料提供了新的应用场景。另一方面，该研究为解决局部湿度控制需求提供了新的思路与策略。