第一作者：李幫俊
通訊作者：王如竹
通訊單位：上海交通大學
研究亮點：
結合固體制冷和吸附除濕技術的優勢，提出了一種適用于小空間濕度控制的全固態“濕泵”。
微環境除濕：意義、現狀與挑戰
微環境（0~100立方米）中的濕度控制在生產生活各領域（如精密儀器保存，文物保護，藥物存儲等）扮演非常重要的角色。然而，傳統基于壓縮制冷的冷凝除濕和基于固/液吸水材料的吸附/吸收除濕等技術，不可避免地在除濕過程中過度冷卻或加熱被處理空氣，造成能源浪費。此外，此類傳統除濕系統或體積龐大，裝置復雜，或成本高，效率低。
而目前針對微環境除濕需求，有以下三種技術路線，其仍存在如能效低、需維護等缺點：
因此，為了降低微環境濕度控制的成本，有必要開發一種簡單，高效，低噪聲，免維護，具有廣泛適用性并可規模化應用的小型除濕技術。如果能夠開發一種能把水分從低濕環境抽往高濕環境的濕度泵，則不僅可以實現小型環境除濕，更是建立了與熱泵相對應的“濕泵”的新概念物理機制。
解決思路
固體制冷（如熱電制冷）作為一種簡單、環保的新型制冷技術長期受到關注，但是當前基于該類技術的裝置系統仍然面臨溫差小或者效率低的問題，因此在傳統制冷和基于冷凝的除濕方面的應用缺乏足夠的經濟性和適應性。同時，回滯環較小的S型等溫線干燥劑是一種理想的除濕劑，其只需要較小的溫差就能滿足常規范圍內的微環境除濕需求。但是其吸附過程放熱量大，導致吸附劑本身溫度顯著上升，不僅限制了其除濕能力，還會引起微環境內的溫度變化。
因此，如果把二者結合，利用固體制冷來吸收干燥劑除濕過程中的放熱，并利用小溫差固體制冷的放熱來再生干燥劑，這樣不僅提高了單位干燥劑的除濕能力從而減少干燥劑的使用量，同時利用干燥劑再生溫差小的特點，最大程度地發揮固體制冷方式的優點從而提高裝置的效率，減小尺寸，并顯著降低維護需求。這種兩種技術相互增益，優勢互補的思想不僅具有提升除濕效率的潛力，而且促成了適用于微環境濕度控制的新策略——“固態濕泵”。
成果簡介
有鑒于此，上海交通大學王如竹教授團隊結合固體制冷和吸附除濕技術的優勢，提出了一種適用于小空間濕度控制的全固態“濕泵”。類比于熱泵可以將熱量從低溫環境搬運至高溫環境的功能，該“濕泵”可以將空氣中的水分從低濕度空間搬運至高濕度空間從而實現對濕度的主動控制。
圖1. 該文提出的濕泵系統與典型蒸汽壓縮熱泵系統的類比。
該文基于熱容熱阻網絡法構建了系統級的動態計算模型，同時使用商用熱電模塊和硅膠除濕劑搭建了概念驗證樣機。通過特殊的固體除濕劑涂層工藝和緊湊的結構設計，有效降低固態系統的接觸熱阻與傳質阻力。典型工況下的測試結果表明該裝置在可以實現28.38 g/h濕度傳遞速率和0.61 g/(w·h)的濕度傳遞效率，優于其他已報道的小型除濕系統。同時，該除濕裝置可以有效避免傳統技術中制冷劑，冷凝水，溶液等產生的副作用，為小空間除濕需求提供了更有潛力的策略。文章最后討論了所提出的“濕泵”性能優化方向和潛力，并且展望了新型高效制冷（如電卡制冷等）技術和吸附材料（如MOFs）在該系統中的應用前景。
要點1. 何為“固態濕泵”？
眾所周知，熱泵作為溫度調節（制冷/制熱）的典型形式，可以連續不斷地從低溫環境吸熱（Q0），同時向高溫環境放熱（Qc）。圖1左側所示為典型蒸汽壓縮式熱泵的結構，其中制冷劑作為熱量的載體和傳遞介質，通過蒸發器從低溫熱源吸熱（Q0）形成的制冷劑蒸汽經過壓縮機壓縮(W)成高溫高壓的蒸氣，通過冷凝器對外放熱（Qc）制冷劑冷凝成過冷液體，然后經過節流閥節流降壓形成低溫低壓的制冷劑氣液混合物，由于低于低溫熱源溫度就可以通過蒸發器吸收低溫熱源的熱能。通過壓縮機做功W，實現了將低溫熱源吸收的熱能Q0搬運到高溫熱源釋放Qc (Qc=Q0+W)。
相對應的，圖1右側所示為文章提出的固態濕泵系統的典型結構，其中干燥劑作為濕分的載體和傳遞介質，熱電制冷器通過控制干燥劑的溫度改變其向空氣吸濕和放濕作用，熱沉（散熱器）促進干燥劑與熱電模塊之間換熱以及干燥劑與空氣之間的傳質過程。此外，通過部件翻轉和電流反轉可以實現干燥劑吸濕和放濕作用的交替循環。基于以上運行機理，該系統可以實現連續地從低濕環境吸濕，向高濕環境放濕的功能，并且僅采用固態部件和介質。因此稱之為“固態濕泵”。
要點2. 制冷與吸附恰當結合是實現等溫除濕的有效策略
典型的冷凝除濕空氣處理過程（圖2a藍線）中空氣被冷卻至飽和狀態后需再熱才能達到目標狀態，吸附除濕空氣處理過程（圖2a黃線）中空氣會因吸附熱的產生溫度升高，需經再冷卻過程到達目標狀態。濕度控制過程中空氣顯熱的較大變化必然引起能量浪費，并且不利于空氣狀態的精確控制。干燥劑除濕技術沒有冷凝除濕過程中露點溫度這一驅動門檻，也沒有積水和結霜等副作用，因而具有更好的環境適應性。但是干燥劑吸附過程中產生的吸附熱使材料本身的吸附勢迅速衰減，并使材料解吸再生所需溫度進一步提高。通過分析這兩種技術的特點發現，如果制冷器不是直接作為冷卻空氣的冷源，而是用于處理干燥劑的吸附熱，同時利用制冷器熱端放熱使干燥劑再生，這種組合可以讓兩者形成互補進而實現理想的等溫除濕過程（圖2a綠線）。
圖2. 濕泵的運行原理。(a)理想空氣除濕處理過程與傳統除濕系統的對比。(b) 系統中吸濕材料的冷卻/吸附和加熱/解吸循環過程。
從干燥吸附特性曲線來看，當熱泵作為內冷和內熱源能夠維持吸附材料沿著兩條不同溫度下的等溫吸附曲線（圖2b藍線和黃線）進行吸附解吸循環時，即可實現以上理想除濕過程。其中，①-②表示吸附材料從目標空間中的空氣吸附水分過程，③-④表示吸附材料將水分釋放至外部空間過程，②點與④點對應的吸附劑含濕量差決定了單次循環可以實現的最大濕度傳輸量。
要點3. 全固態部件是實現小型化的關鍵
微環境濕度控制對裝置系統的體積和重量等有嚴格的限制，而傳統冷凝和溶液除濕系統中的流路結構決定了其難以小型化的特性，因此文章提出以無運動部件、結構簡單且便于精確控制的熱電制冷器作為熱泵，固體干燥劑作為吸附解吸材料，從而使“濕泵”裝置的盡可能小型化。此外，非冷凝的除濕方式也避免了蓄水、排水結構的引入。
要點4. 散熱器涂覆除濕劑：最小化固-固接觸熱阻和傳質阻力
基于所提出的“固態濕泵“原理，文章進一步報道了所搭建的概念驗證樣機。樣機關鍵部件包括：熱電模塊，涂覆有吸附材料（硅膠）的散熱器，步進電機以及風扇（圖3a）。其中在散熱器表面直接涂覆干燥劑的策略不僅可以盡可能減小材料與散熱器之間的接觸熱阻，并且可以保持材料與空氣之間充足的接觸面積以減小傳質阻力。該團隊經多年積累已經掌握了成熟的涂覆工藝，涂層厚度、均勻性可控且壽命長不易脫落（圖3b）。電機用于驅動功能部件實現快速翻轉，使上下兩側（加濕/除濕側）的吸附劑涂層交替實現解吸、吸附功能。為了充分體現文章所提出的除濕系統優勢不依賴于最新的制冷器件和吸附材料性能，同時具有充分的實用價值，裝置中采用的熱電模塊和干燥劑（硅膠）均為商用可獲得的材料。
圖3. 裝置設計與樣機搭建。(a)基于硅膠和熱電制冷器的濕泵裝置結構示意圖。(b)濕泵樣機和部件細節照片。
要點5. 熱容熱阻網絡模型：系統級動態仿真計算的高效工具
精確高效的計算模型不僅能夠幫助分析系統中的關鍵物理過程，并且能夠為進一步的系統優化和應用拓展提供有力的工具。需要強調的是，文章提出的“濕泵“系統涉及傳熱傳質、電熱轉換等多種相互耦合的物理過程（圖4a），并且裝置運行過程為非穩態。文章在充分考慮了固態濕泵系統結構緊湊熱流單一等特性后，通過引入擴散熱阻和翅片效率等分析簡化方法，構建了基于熱容熱阻網絡的系統級動態仿真計算模型（圖4b）。模型中考慮了帕爾貼效應、焦耳效應，傳質過程熱效應等關鍵過程。在與動態實驗結果對照中該模型可以實現6%以內的計算偏差，并且能夠在平均1/100秒內完成1秒實驗過程的計算（使用普通桌面計算機）。
圖4. 基于熱容熱阻網絡的模型。（a）系統熱流圖及關鍵物理過程。（b）系統等效熱容熱阻網絡。
要點6. 濕度控制性能評價與對比
圖5. 濕泵樣機的性能驗證。（a） 裝置進出口空氣含濕量差動態變化過程，模型計算結果與實驗結果吻合。 (b)裝置除濕性能隨循環切換頻率的變化。（c）熱電模塊輸入電壓對裝置除濕性能的影響。 (d) 本文提出的裝置除濕性能與文獻報道的其他小型除濕裝置的對比。
文章對所搭建的概念驗證樣機進行了規范的性能測試。裝置的濕度傳輸（除濕）性能測試結果中，除濕與加濕側的空氣進出口含濕量差（圖5a）直接反應了裝置除濕過程運行特點與性能。由于吸附材料本身的吸附解吸不平衡特性以及加濕側熱源功率大于除濕側制冷功率，吸附與解吸過程表現出不同的速率，因此循環周期（切換頻率）需要優化以實現最佳的裝置性能。為了直接反映除濕系統的性能，并且便于對比基于不同除濕原理的系統性能，該文采用濕度傳輸速率和濕度傳輸效率作為裝置性能評價指標。濕度傳輸速率，即裝置單位時間內從空氣中移除的水的質量定義為：
其中ma為空氣質量流量，Y為空氣含濕量。
濕度傳輸效率，即單位時間和功耗下裝置從空氣中移除的水的質量定義為：
其中WTE和WF分別為熱電模塊和風扇的功耗。
實驗結果進一步表明切換頻率（圖5b）與熱電模塊工作電壓（圖5c）作為可調運行參數對性能有不同程度的影響。其中裝置能效隨熱電模塊工作電壓增加顯著降低，主要因為電壓的增加增大了熱電模塊的冷熱端溫差同時增加了系統內部的冷熱交變損失。文章通過控制變量實驗測得裝置在28.38 g/h濕度傳遞速率下對應0.61 g/(w·h)的濕度傳遞效率。通過與文獻報道的其他小型除濕裝置（基于熱電制冷，電化學除濕膜）對比，文章所提出的概念驗證樣機表現出最佳的除濕性能，在接近的除濕速率下，除濕效率可以實現近一倍的提升。
要點7.實用化：極限環境，實際場景
為了進一步演示文章所提出的裝置濕度控制性能，該文同時進行了實際微環境除濕場景模擬實驗。如圖6所示，固定在尺寸為80cm×50cm×80cm的木柜頂部的樣機能夠在60分鐘左右將柜子內濕度由95%以上降至60%左右。在此期間，柜子外部始終保持極高（>95%）的相對濕度，并且沒有對柜子進行任何特殊的密封處理，即柜內始終存在較高的泄露負荷。此外，文章以相同的方式測試了不同空氣溫度和濕度條件下裝置對柜內的濕度控制效果，以進一步體現系統的良好的工況適應性。
圖 6. 小空間濕度控制效果演示。(a) 集成了濕泵的非密封柜子內部空氣相對濕度隨時間的變化，其中柜子外部空氣始終維持高濕度以模擬高負荷場景。(b) 濕泵在不同外部環境條件下對柜子內部的濕度控制效果。
要點8. 提升熱泵制冷效率與干燥劑材料吸附性能從根本上提高“濕泵“性能
文章基于“固態濕泵”原理搭建了概念驗證樣機并獲得了較高的除濕性能，然而該樣機仍有巨大優化潛力。文章指出系統中熱泵作為冷熱源，其本身效率直接決定了對應濕泵的效率，除了熱電制冷技術的發展【1】能夠同步促進濕泵性能提升，諸多新型制冷技術如電卡制冷【2】等同樣由于在低溫差下表現出更高的能效，同樣具有應用于該濕泵系統的潛力。此外，使用小溫差下具有更大吸附變化量的干燥劑材料（如MOFs以及復合吸附材料）同樣能夠顯著提升濕泵性能，表2給出了當樣機采用MIL-101以及硅膠氯化鋰作為干燥劑后能夠獲得的除濕效率增益（所有計算基于系統動態仿真模型）。進一步地，文章還指出并計算了提高對流換熱系數、減小冷熱交變損失對系統的優化效果。
小結
這項工作巧妙的結合了固體制冷技術和固體除濕劑的優點，構建了適應性強、能效高的濕泵系統。該系統不僅以緊湊、靈活的結構實現了理想的空氣除濕處理過程，而且有效避免了傳統除濕過程引入的制冷劑、溶液、冷凝水等有諸多副作用的流體。這項工作為解決局部濕度控制需求提供了新的思路與策略，并且為固體制冷技術開拓了新的應用途徑。最后，需要指出的是，本文所搭建的概念驗證樣機仍有諸多優化空間，可以進一步提高效率以推進規模化商業應用。
本篇參考文獻：
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
相關參考文獻：
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.
作者簡介：
通訊作者-王如竹教授
上海交通大學制冷與低溫工程研究所所長、教育部太陽能工程研究中心主任，迄今發表SCI論文561篇（其中ESI高被引論文15篇），SCI他引超過10000次，H指數62，是2017和2018年度全球高被引學者。曾獲2014年度國家自然科學二等獎、2010年度國家技術發明二等獎。 由于對國際制冷學科的卓越貢獻，獲英國制冷學會頒發的2013年度國際制冷J&E Hall Gold Medal、中日韓三國制冷學會聯合頒發的2017年度亞洲制冷學術獎Asian Academic Award、日本傳熱學會頒發的2018年國際熱科學紀念獎Nukiyama Memorial Award，以及國際制冷學會2019年頒發的國際制冷最高獎Gustav Lorentzen Medal。
第一作者-李幫俊博士生
2011年9月進入上海交通大學本科學習，2015年本科畢業后碩博連讀，師從王如竹教授。現從事電子器件傳熱反問題，功率器件功耗溫度優化控制，空氣熱濕處理等相關研究工作。本科期間曾獲全國大學生節能減排大賽特等獎，研究生碩士期間進行熱電制冷/吸附除濕研究工作，獲中國制冷學會舉辦的全國制冷空調創新大賽第二名。
課題組簡介：
ITEWA （Innovative Team for Energy, Water & Air）是由王如竹教授創建并領導的前沿科學問題研究團隊，聚焦于能源轉換與效率、水及空氣處理等領域的前沿基礎科學技術問題。通過學科交叉分別從材料、器件和系統層面提出整體解決方案，從而推動相關技術領域快速地取得突破性進展。目前的研究方向包括：高效無霜空氣源熱泵技術、規模化太陽能空氣取水技術、太陽能濕泵（空調）墻、超高儲熱密度蓄能技術、MOF能源材料及水合鹽復合吸附劑的合成及表征技術、仿生熱濕調控技術等。團隊于2018年已經在Joule發表一篇聚焦空氣取水的綜述文章,本文是團隊在Joule上發表的第二篇學術論文。團隊曾在能源頂刊Progress in Energyand Combustion Science上發表過5篇論文。
