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制冷所ITEWA團隊在Nano Energy上發表“空氣取水技術的能耗分析及適用邊界比較”研究論文
發布時間:2021-03-24

近日,制冷與低溫工程研究所王如竹教授領銜的能源-空氣-水ITEWA創新團隊(Innovative Team for Energy, Water & Air)在能源材料領域期刊Nano Energy上發表了題目為“Exergy-efficient boundary and design guidelines for atmospheric water harvesters with nano-porous sorbents”的研究性論文。論文作者是博士生華凌佶、許嘉興,通訊作者是王如竹教授。

 

 

能源與水是21世紀的重要議題,發展高效節能的取水技術至關重要。在眾多取水方法中,空氣取水技術因其不依賴于水源、適應性廣和輕便潔凈等特性而引起了國內外學者的普遍關注。利用蒸汽壓縮式系統進行冷凝取水的技術,已經達到商業化水準,但在一些缺水的內陸地區,冷凝取水所需的露點溫度很低,使得構造相應冷源的能耗居高不下。同時受到水冰點的限制,冷凝取水在空氣露點低于零度的地區難以適用。另一方面,吸附劑具有豐富的納米級孔道結構,可在高溫下富集水蒸氣,有效提高空氣露點,解決冷凝取水技術的困境,適應干燥地區取水的需求。近年來,已有研究針對吸附取水技術進行了大量的材料創新和可行性驗證,然而,兩種取水技術的能耗水平及其各自的適用邊界并沒有被明確劃分,從而導致不同研究的測試工況和能耗評價方法難以統一。

 

冷凝式和吸附式空氣取水所采用的冷熱源溫度不同,為了評估和比較兩個系統的能耗,論文引入“熱力學火用”的概念,綜合考慮熱源或冷源的品位及換熱量,計算構造上述冷熱源所需的最小能耗(即“火用”),分別計算了不同氣候條件、工質和運行參數下冷凝式和吸附式空氣取水技術的能耗,對比得到吸附式技術的節能優勢與適用范圍,同時也指出不同運行條件下,吸附式空氣取水技術的材料優選、系統與參數優化準則,為該技術的進一步發展提出切實有效的方案。吸附式空氣取水不僅可適用于干旱地區,在除熱帶和亞熱帶沿海地區外的地區,使用吸附式空氣取水技術的能耗普遍更低。具體來說,對比冷凝式空氣取水,采用Co2Cl2(BTDD)這種在低濕條件下階躍的新型吸附材料的吸附式空氣取水系統,可在低濕,中溫中濕和高溫低濕工況下取得更高的能量利用效率。在非高溫工況下,采用傳統材料(如硅膠和MCM-41這種在高相對濕度下階躍的材料)的吸附式系統適用范圍更廣,但其在沙漠區域并無優勢。另外,對于吸附式空氣取水來說,在大多數情況下,采用略低于室溫的冷源驅動吸附,可大大降低解吸所需熱源的品位,從而減少整個系統的能耗。在冷凝側引入冷源也有一定的節能效果,但相較于吸附冷源不顯著。所以,在冷源有限的情況下,可優先考慮在吸附側引入冷源。

 

上海交大ITEWA交叉學科創新團隊致力于解決能源、水、空氣領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術,旨在通過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案,推動相關領域取得突破性進展。近年來在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science、Energy Storage Materials、ACS Materials Letter、Nano Energy 等國際期刊上發表系列跨學科交叉論文。 

 

【原文鏈接】https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521002354

供稿:制冷與低溫工程研究所    
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