上海交大王如竹Joule：“固态湿泵”--微环境除湿新途径！

王如竹课题组

2019-05-02

第一作者：李帮俊

通讯作者：王如竹

通讯单位：上海交通大学

研究亮点：

结合固体制冷和吸附除湿技术的优势，提出了一种适用于小空间湿度控制的全固态“湿泵”。

微环境除湿：意义、现状与挑战

微环境（0~10⁰立方米）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，有以下三种技术路线，其仍存在如能效低、需维护等缺点：

因此，为了降低微环境湿度控制的成本，有必要开发一种简单，高效，低噪声，免维护，具有广泛适用性并可规模化应用的小型除湿技术。如果能够开发一种能把水分从低湿环境抽往高湿环境的湿度泵，则不仅可以实现小型环境除湿，更是建立了与热泵相对应的“湿泵”的新概念物理机制。

解决思路

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，回滞环较小的S型等温线干燥剂是一种理想的除湿剂，其只需要较小的温差就能满足常规范围内的微环境除湿需求。但是其吸附过程放热量大，导致吸附剂本身温度显著上升，不仅限制了其除湿能力，还会引起微环境内的温度变化。

因此，如果把二者结合，利用固体制冷来吸收干燥剂除湿过程中的放热，并利用小温差固体制冷的放热来再生干燥剂，这样不仅提高了单位干燥剂的除湿能力从而减少干燥剂的使用量，同时利用干燥剂再生温差小的特点，最大程度地发挥固体制冷方式的优点从而提高装置的效率，减小尺寸，并显著降低维护需求。这种两种技术相互增益，优势互补的思想不仅具有提升除湿效率的潜力，而且促成了适用于微环境湿度控制的新策略——“固态湿泵”。

成果简介

有鉴于此，上海交通大学王如竹教授团队结合固体制冷和吸附除湿技术的优势，提出了一种适用于小空间湿度控制的全固态“湿泵”。类比于热泵可以将热量从低温环境搬运至高温环境的功能，该“湿泵”可以将空气中的水分从低湿度空间搬运至高湿度空间从而实现对湿度的主动控制。

图1. 该文提出的湿泵系统与典型蒸汽压缩热泵系统的类比。

该文基于热容热阻网络法构建了系统级的动态计算模型，同时使用商用热电模块和硅胶除湿剂搭建了概念验证样机。通过特殊的固体除湿剂涂层工艺和紧凑的结构设计，有效降低固态系统的接触热阻与传质阻力。典型工况下的测试结果表明该装置在可以实现28.38 g/h湿度传递速率和0.61 g/(w·h)的湿度传递效率，优于其他已报道的小型除湿系统。同时，该除湿装置可以有效避免传统技术中制冷剂，冷凝水，溶液等产生的副作用，为小空间除湿需求提供了更有潜力的策略。文章最后讨论了所提出的“湿泵”性能优化方向和潜力，并且展望了新型高效制冷（如电卡制冷等）技术和吸附材料（如MOFs）在该系统中的应用前景。

要点1. 何为“固态湿泵”？

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（Q₀），同时向高温环境放热（Q_c）。图1左侧所示为典型蒸汽压缩式热泵的结构，其中制冷剂作为热量的载体和传递介质，通过蒸发器从低温热源吸热（Q₀）形成的制冷剂蒸汽经过压缩机压缩(W)成高温高压的蒸气，通过冷凝器对外放热（Q_c）制冷剂冷凝成过冷液体，然后经过节流阀节流降压形成低温低压的制冷剂气液混合物，由于低于低温热源温度就可以通过蒸发器吸收低温热源的热能。通过压缩机做功W，实现了将低温热源吸收的热能Q₀搬运到高温热源释放Q_c  (Q_c=Q₀+W)。

相对应的，图1右侧所示为文章提出的固态湿泵系统的典型结构，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，该系统可以实现连续地从低湿环境吸湿，向高湿环境放湿的功能，并且仅采用固态部件和介质。因此称之为“固态湿泵”。

要点2. 制冷与吸附恰当结合是实现等温除湿的有效策略

典型的冷凝除湿空气处理过程（图2a蓝线）中空气被冷却至饱和状态后需再热才能达到目标状态，吸附除湿空气处理过程（图2a黄线）中空气会因吸附热的产生温度升高，需经再冷却过程到达目标状态。湿度控制过程中空气显热的较大变化必然引起能量浪费，并且不利于空气状态的精确控制。干燥剂除湿技术没有冷凝除湿过程中露点温度这一驱动门槛，也没有积水和结霜等副作用，因而具有更好的环境适应性。但是干燥剂吸附过程中产生的吸附热使材料本身的吸附势迅速衰减，并使材料解吸再生所需温度进一步提高。通过分析这两种技术的特点发现，如果制冷器不是直接作为冷却空气的冷源，而是用于处理干燥剂的吸附热，同时利用制冷器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（图2a绿线）。

图2. 湿泵的运行原理。(a)理想空气除湿处理过程与传统除湿系统的对比。(b) 系统中吸湿材料的冷却/吸附和加热/解吸循环过程。

从干燥吸附特性曲线来看，当热泵作为内冷和内热源能够维持吸附材料沿着两条不同温度下的等温吸附曲线（图2b蓝线和黄线）进行吸附解吸循环时，即可实现以上理想除湿过程。其中，①-②表示吸附材料从目标空间中的空气吸附水分过程，③-④表示吸附材料将水分释放至外部空间过程，②点与④点对应的吸附剂含湿量差决定了单次循环可以实现的最大湿度传输量。

要点3. 全固态部件是实现小型化的关键

微环境湿度控制对装置系统的体积和重量等有严格的限制，而传统冷凝和溶液除湿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，非冷凝的除湿方式也避免了蓄水、排水结构的引入。

要点4. 散热器涂覆除湿剂：最小化固-固接触热阻和传质阻力

基于所提出的“固态湿泵“原理，文章进一步报道了所搭建的概念验证样机。样机关键部件包括：热电模块，涂覆有吸附材料（硅胶）的散热器，步进电机以及风扇（图3a）。其中在散热器表面直接涂覆干燥剂的策略不仅可以尽可能减小材料与散热器之间的接触热阻，并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。该团队经多年积累已经掌握了成熟的涂覆工艺，涂层厚度、均匀性可控且寿命长不易脱落（图3b）。电机用于驱动功能部件实现快速翻转，使上下两侧（加湿/除湿侧）的吸附剂涂层交替实现解吸、吸附功能。为了充分体现文章所提出的除湿系统优势不依赖于最新的制冷器件和吸附材料性能，同时具有充分的实用价值，装置中采用的热电模块和干燥剂（硅胶）均为商用可获得的材料。

图3. 装置设计与样机搭建。(a)基于硅胶和热电制冷器的湿泵装置结构示意图。(b)湿泵样机和部件细节照片。

要点5. 热容热阻网络模型：系统级动态仿真计算的高效工具

精确高效的计算模型不仅能够帮助分析系统中的关键物理过程，并且能够为进一步的系统优化和应用拓展提供有力的工具。需要强调的是，文章提出的“湿泵“系统涉及传热传质、电热转换等多种相互耦合的物理过程（图4a），并且装置运行过程为非稳态。文章在充分考虑了固态湿泵系统结构紧凑热流单一等特性后，通过引入扩散热阻和翅片效率等分析简化方法，构建了基于热容热阻网络的系统级动态仿真计算模型（图4b）。模型中考虑了帕尔贴效应、焦耳效应，传质过程热效应等关键过程。在与动态实验结果对照中该模型可以实现6%以内的计算偏差，并且能够在平均1/100秒内完成1秒实验过程的计算（使用普通桌面计算机）。

图4. 基于热容热阻网络的模型。（a）系统热流图及关键物理过程。（b）系统等效热容热阻网络。

要点6. 湿度控制性能评价与对比

图5. 湿泵样机的性能验证。（a） 装置进出口空气含湿量差动态变化过程，模型计算结果与实验结果吻合。 (b)装置除湿性能随循环切换频率的变化。（c）热电模块输入电压对装置除湿性能的影响。 (d) 本文提出的装置除湿性能与文献报道的其他小型除湿装置的对比。

文章对所搭建的概念验证样机进行了规范的性能测试。装置的湿度传输（除湿）性能测试结果中，除湿与加湿侧的空气进出口含湿量差（图5a）直接反应了装置除湿过程运行特点与性能。由于吸附材料本身的吸附解吸不平衡特性以及加湿侧热源功率大于除湿侧制冷功率，吸附与解吸过程表现出不同的速率，因此循环周期（切换频率）需要优化以实现最佳的装置性能。为了直接反映除湿系统的性能，并且便于对比基于不同除湿原理的系统性能，该文采用湿度传输速率和湿度传输效率作为装置性能评价指标。湿度传输速率，即装置单位时间内从空气中移除的水的质量定义为：

其中m_a为空气质量流量，Y为空气含湿量。

湿度传输效率，即单位时间和功耗下装置从空气中移除的水的质量定义为：

其中W_TE和W_F分别为热电模块和风扇的功耗。

实验结果进一步表明切换频率（图5b）与热电模块工作电压（图5c）作为可调运行参数对性能有不同程度的影响。其中装置能效随热电模块工作电压增加显著降低，主要因为电压的增加增大了热电模块的冷热端温差同时增加了系统内部的冷热交变损失。文章通过控制变量实验测得装置在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。通过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，文章所提出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。

要点7.实用化：极限环境，实际场景

为了进一步演示文章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。如图6所示，固定在尺寸为80cm×50cm×80cm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，并且没有对柜子进行任何特殊的密封处理，即柜内始终存在较高的泄露负荷。此外，文章以相同的方式测试了不同空气温度和湿度条件下装置对柜内的湿度控制效果，以进一步体现系统的良好的工况适应性。

图 6. 小空间湿度控制效果演示。(a) 集成了湿泵的非密封柜子内部空气相对湿度随时间的变化，其中柜子外部空气始终维持高湿度以模拟高负荷场景。(b) 湿泵在不同外部环境条件下对柜子内部的湿度控制效果。

要点8. 提升热泵制冷效率与干燥剂材料吸附性能从根本上提高“湿泵“性能

文章基于“固态湿泵”原理搭建了概念验证样机并获得了较高的除湿性能，然而该样机仍有巨大优化潜力。文章指出系统中热泵作为冷热源，其本身效率直接决定了对应湿泵的效率，除了热电制冷技术的发展^【1】能够同步促进湿泵性能提升，诸多新型制冷技术如电卡制冷^【2】等同样由于在低温差下表现出更高的能效，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以及复合吸附材料）同样能够显著提升湿泵性能，表2给出了当样机采用MIL-101以及硅胶氯化锂作为干燥剂后能够获得的除湿效率增益（所有计算基于系统动态仿真模型）。进一步地，文章还指出并计算了提高对流换热系数、减小冷热交变损失对系统的优化效果。

小结

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。这项工作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，可以进一步提高效率以推进规模化商业应用。

本篇参考文献：

Bangjun Li, Ruzhu Wang,et al. A Full-Solid-State Humidity Pump for Localized Humidity Control. Joule, 2019.

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

相关参考文献：

1. Zebarjadi, M., Esfarjani, K.,Dresselhaus, M. S., Ren, Z. F., & Chen, G. (2012). Perspectives onthermoelectrics: from fundamentals to device applications. Energy &Environmental Science, 5(1), 5147-5162.

2. Ma, R., Zhang, Z., Tong, K., Huber,D., Kornbluh, R., Ju, Y. S., & Pei, Q. (2017). Highly efficientelectrocaloric cooling with electrostatic actuation. Science, 357(6356),1130-1134.

3. Ko, N., Choi, P. G., Hong, J., Yeo,M., Sung, S., Cordova, K. E., et al. (2015). Tailoring the water adsorptionproperties of MIL-101 metal–organic frameworks by partial functionalization.Journal of Materials Chemistry A, 3(5), 2057-2064.

4. Zheng, X., Ge, T. S., Wang, R. Z.,& Hu, L. M. (2014). Performance study of composite silica gels withdifferent pore sizes and different impregnating hygroscopic salts. Chemical EngineeringScience, 120, 1-9.

作者简介：

通讯作者-王如竹教授

上海交通大学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，迄今发表SCI论文561篇（其中ESI高被引论文15篇），SCI他引超过10000次，H指数62，是2017和2018年度全球高被引学者。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-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。团队曾在能源顶刊Progress in Energyand Combustion Science上发表过5篇论文。