第一作者 | Primož Poredoš

通讯作者 | 王如竹教授

单位 | 上海交通大学 制冷与低温工程研究所

【背景介绍】

当夏季酷暑来袭时，我们都渴望空调带来的清凉。然而，为了调节室内温度，需要消耗大量能源进行制冷，产生大量二氧化碳排放，这加剧了气候变暖等全球问题。据统计，全球制冷和空调系统已成为最大的电力消耗者之一，占全球电力需求的10%。此外，全球三分之二的人口已经面临不同程度的水资源短缺，这个数字仍在不断扩大，威胁着人类可持续的发展。同时，较高的水蒸气冷凝热（2300 kJ/kg）使冷凝取水成为能量密集过程，在低湿干旱气候下变得尤其困难。更重要的是，对冷却的需求和对淡水供应的需求在炎热、干旱的地区互相叠加、相互耦合，对能源和水资源的调控提出新的需求。如何在避免使用能量密集过程，实现以淡水生产作为副产品实现可持续冷却？这需要拓展现有制冷和冷却技术的边界，将其与吸附式空气取水、热泵、辐射制冷等先进技术有机结合，对水分-能量热力过程进行调控，从而减少能源消耗和碳排放，实现全球绿色低碳转型和可持续发展。

【文章亮点】

本文作者从能源-空气-水之间耦合联系的角度，分析了现有炎热干燥地区实现空气温度-湿度调控的挑战，通过吸附式空气取水、热泵、辐射制冷技术的耦合设计，提出了一种用于炎热干旱地区的协同可持续冷却以及淡水收集的双功能系统设计思路。

炎热干旱地区的具有晴朗的天空和充足的阳光。一方面，可以利用太阳能光热-储热系统作为可持续热能输入；另一方面，也可以利用大气窗口（8～13 μm) 向宇宙发射红外辐射以实现自身降温的天空辐射制冷过程获得可持续冷能输入。利用太阳热能以及辐射冷能可以分别协调增强吸附剂（干燥剂）解吸和吸附过程，进而为利用吸附-解吸过程中同时存在水分和能量的储存和传输效应、协调处理空气温湿度提供可能。这些过程可以通过系统设计相互耦合（如图所示），具体为：

（1）吸附剂在吸附过程中，会自发捕捉空气中的水分，并释放吸附热。水分被捕捉后形成了低湿度的空气。该过程产生的吸附热可以通过辐射制冷组件冷却，也可以通过耦合热泵系统的蒸发器端实现冷却，以增强吸附剂吸附能力。如若耦合热泵系统，该系统的干燥剂涂层蒸发器本身也具有调控室内空气温湿度的能力（https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.06.020），经吸附剂除湿后的空气可以进一步被除湿降温，最终产生低温低湿的舒适空气。

（2）吸附剂的解吸过程中，所需要的解吸热可以由太阳能光热-储热系统提供，实现干燥剂的再生。吸附剂的解吸可以与吸附剂的吸附同时发生，实现连续的除湿以及空气取水(https://doi.org/10.1039/D2EE01234K)。此外，吸附剂的解吸热也可以由热泵系统的冷凝器提供，实现系统废热利用，进一步提高系统的能量效率（COP）。

（3）淡水主要可通过两种方式产生：首先，吸附剂通过在空气除湿过程中的对水蒸气的捕捉以及后续的再生过程实现了吸附式空气取水。其次，辐射制冷模块可以直接降低物体表面（例如，建筑墙体、屋顶）温度，实现夜间湿空气结露取水。另外，若系统耦合了热泵系统，热泵蒸发器段在调节室内空气温湿度时也可产生冷凝水。

全年的天气环境变化需要上述设备具有灵活的调节策略。例如，金属有机框架（MOFs）可以通过吸附剂的温度调节实现精准的等温吸附线调控，显示出在相对湿度10%以下恶劣的干燥条件下的运行前景。这种温度调节可以与热泵中蒸发温度的调节相互耦合，最终拓展吸附剂的对环境的适应范围。此外，吸附剂孔隙体积的精确控制有望带来可调节的吸水行为和解吸温度。另一方面，辐射涂层可以实现随温度变化的热发射率，从而可以自适应地扩展该系统的使用场景，提供全年的热舒适调控。

除了直接的淡水和冷源耦合供应，从热力学角度来看，这种系统还可以提高耦合在内的热泵系统的COP。因为热泵的蒸发端强化了对吸附剂的吸附热管理，实现等温吸附除湿，进而实现了露点以上蒸发制冷，显著提升了蒸发温度并提升了吸附空气中水蒸气的能力；热泵的蒸发器与冷凝器均采用吸附剂除湿涂层，与热泵两位四通电磁阀切换结合可以实现两者运行功能的切换；热泵的冷凝端可以提供吸附剂的解吸热，冷凝器表面的吸附剂发汗冷却可以降低冷凝温度，发汗产生的高浓度水分使得空气的露点显著提升从而可以方便的实现大气集水。蒸发温度显著提升和冷凝温度显著降低可以实现更高效的空调制冷，COP提升近100%。

当然，系统实际使用可能会遇到各种挑战。其中之一是较低的相对湿度导致吸附剂捕获水的能力降低。在系统层面，提高吸附剂吸附能力和动力学的有效解决方案包括利用热泵和辐射制冷方法对吸附剂吸附温度和当地周边湿度的调控。从材料层面，使用吸湿盐掺杂复合材料，例如 LiCl@MOF，也可以显著提高吸附剂性能。通过结合这些材料级和系统级策略，可以显著提高吸附剂吸附水的潜力。相比之下，大气中较低的水分含量可以提高辐射天空冷却材料的性能。

作者特别指出，耦合吸附式空气取水、热泵以及辐射制冷技术的冷却-淡水生产双功能系统，需要寻找具有商业吸引力的最佳解决方案，实现全球可持续、低碳的发展途径。