固體除濕技術(shù)研究進(jìn)展

凌子鵬，楊晚生

(廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006)

1 引言

2018年我國建筑運(yùn)行階段的能耗約為10億tce，占據(jù)建筑全壽命周期能耗的46.6%，占全國能源消費(fèi)總量的21.7%[1]，而建筑運(yùn)行階段的能耗主要來源于暖通空調(diào)系統(tǒng)，可見，暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)將較大程度影響建筑運(yùn)行階段能耗在全國能源消費(fèi)總量中的占比。在建筑能耗中，空調(diào)系統(tǒng)能耗占40%～60%[2]，其能耗主要來源于空調(diào)機(jī)組對空氣的冷卻除濕過程，在大部分南方地區(qū)的空調(diào)季節(jié)下，用于空氣除濕部分的能耗就占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的30%～50%[3]；而在非空調(diào)季節(jié)下，占空調(diào)系統(tǒng)總能耗的70%左右[4]。這說明，控制我國南方地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的除濕能耗已成為降低該地區(qū)建筑能耗的重要任務(wù)之一。

但傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)較難實(shí)現(xiàn)對溫、濕度兩個參數(shù)的獨(dú)立控制，一般為了滿足溫度需求而舍棄了對濕度的控制要求，而不適合的濕度又將不利于生產(chǎn)和生活，因此，改變原有溫度和濕度耦合的空調(diào)處理方式是非常有必要的。而溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)是一種能夠?qū)κ覂?nèi)熱、濕負(fù)荷獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)，其不會產(chǎn)生再熱再濕的能源浪費(fèi)，也不會有冷凝水的析出，由于熱、濕負(fù)荷是分開控制的，所以不需要為冷卻和除濕過程提供同樣低溫的冷源，這在一定程度上減少了空調(diào)系統(tǒng)的總能耗。

2 空氣除濕方式

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)一般由溫度控制系統(tǒng)和濕度控制系統(tǒng)兩部分組成，根據(jù)工程需求，溫度控制系統(tǒng)和濕度控制系統(tǒng)可分別由用不同形式的子系統(tǒng)組成。其中，設(shè)置濕度控制系統(tǒng)的目的是調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，對于南方地區(qū)而言，該系統(tǒng)以除濕處理過程為主。目前，常見的空氣除濕方法主要有冷凝除濕、溶液除濕、固體除濕、膜法除濕和電化學(xué)除濕等[5,6]。

冷凝除濕是最常見的降溫除濕方式，也是傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)采用最多的一種方式，其基本原理為：當(dāng)濕空氣掠過低溫?fù)Q熱器表面時，其溫度將降低至露點(diǎn)溫度以下，空氣當(dāng)中多余的水分會被冷凝析出，空氣的含濕量會降低[7]。該過程會將空氣冷卻至比所需溫度低較多的溫度，因此，在冷凝除濕后需對空氣進(jìn)行再熱或再濕，存在著能源浪費(fèi)的問題，此外，析出的冷凝水會對送風(fēng)空氣品質(zhì)和空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部衛(wèi)生環(huán)境造成影響，但該方式制冷除濕效果較好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，如何改善能源浪費(fèi)和環(huán)境衛(wèi)生等問題，是其更進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵。

溶液除濕是一種利用吸濕鹽溶液與濕空氣間水蒸氣分壓力差進(jìn)行吸濕的除濕方式，本質(zhì)上是鹽溶液的稀釋與濃縮過程[8]。溶液除濕具有可連續(xù)處理濕空氣、大大降低空氣濕度和露點(diǎn)溫度、對被處理空氣進(jìn)行凈化和出口空氣參數(shù)較為穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但其存在著設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜、運(yùn)行投資費(fèi)用高、操作不方便、溶液滲漏、腐蝕性和定期更補(bǔ)等問題。

2.1 固體除濕

固體除濕，又被稱為固體吸附除濕，其原理為：利用多孔固體除濕材料內(nèi)外表面的吸附作用，吸收空氣中的水分，從而對空氣進(jìn)行除濕。應(yīng)用固體除濕技術(shù)的空調(diào)系統(tǒng)稱為固體除濕空調(diào)系統(tǒng)，一個完整的固體除濕空調(diào)系統(tǒng)除濕工作循環(huán)包括吸附除濕、脫附再生和冷卻。圖1為一種固體除濕系統(tǒng)的原理圖[9]。

圖1 一種高溫?zé)岜棉D(zhuǎn)輪除濕復(fù)合輻射供冷系統(tǒng)的原理

2.2 固體除濕系統(tǒng)特點(diǎn)

除冷凝除濕外，溶液除濕和固體除濕是當(dāng)前兩類相對具有應(yīng)用前景的除濕技術(shù)，也是當(dāng)前發(fā)展高效節(jié)能綠色空調(diào)的一種重要方式。雖然固體除濕空調(diào)系統(tǒng)存在出口空氣參數(shù)不穩(wěn)定、系統(tǒng)占地面積大和再生能耗高等問題，但其因具有除濕量大、除濕效率高、結(jié)構(gòu)簡單和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而受到研究者的關(guān)注，但相比于溶液除濕，固體除濕具有以下優(yōu)點(diǎn)：固體除濕材料再生后對冷卻的要求較低，運(yùn)動部件較少，控制操作過程要求簡單，運(yùn)行費(fèi)用低，材料無腐蝕性，對設(shè)備材質(zhì)及密封性無嚴(yán)格要求，系統(tǒng)造價(jià)低[10]?？梢?，在當(dāng)前發(fā)展高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)的需求下，固體除濕不失為一種較具工程應(yīng)用價(jià)值的空調(diào)系統(tǒng)。

3 固體除濕裝置

常采用的除濕器按照結(jié)構(gòu)主要可分為兩種：一種是轉(zhuǎn)輪除濕器，另一種是固定床除濕器。

轉(zhuǎn)輪除濕器主體為一個不斷轉(zhuǎn)動的蜂窩狀轉(zhuǎn)輪，其上均勻分布著固體除濕材料，并用隔板劃分為除濕區(qū)和再生區(qū)。在實(shí)際運(yùn)行中，向除濕區(qū)通入空氣進(jìn)行除濕，除濕后得到干空氣，并送入室內(nèi)；除濕區(qū)的材料經(jīng)轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)帶動至再生區(qū)進(jìn)行脫附再生，該過程將引入再生空氣對除濕材料進(jìn)行處理，再生后的除濕材料又被轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)帶至除濕區(qū)進(jìn)行除濕，以此循環(huán)。

固定床除濕器的基本工作原理為：利用床體裝置內(nèi)填充的除濕材料對空氣進(jìn)行除濕，吸收空氣中水分[11]。在除濕工況下，風(fēng)機(jī)抽送空氣至床體裝置進(jìn)行除濕，得到干燥的空氣后送入室內(nèi)；在再生工況下，可采用不同再生方式對固體除濕材料進(jìn)行脫附再生，并由再生空氣帶走除去的濕量(圖2、圖3)[11]。

圖2 轉(zhuǎn)輪除濕示意

圖3 一種實(shí)驗(yàn)用固定床除濕器

循環(huán)流化床也是一種固體除濕裝置，陳捷超等[12]整理了一種循環(huán)流化床除濕系統(tǒng)。循環(huán)流化床除濕系統(tǒng)包括兩個柱狀流化床體和煙囪通道，兩個柱狀床體分別用于再生材料和空氣除濕，煙囪通道將兩床體相互連接，用于收集和傳輸再生床體和除濕床體間的除濕材料，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)工作；按床體結(jié)構(gòu)形式，流化床可分為直立式和傾斜式。

與轉(zhuǎn)輪除濕器相比，固定床除濕器不包括轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的運(yùn)行操作相對簡單，投資成本也較低，因而更具工程應(yīng)用的可能性。但在實(shí)際空調(diào)工程中，固定床除濕器的應(yīng)用范圍較窄，應(yīng)用形式也比較單一，多停留在實(shí)驗(yàn)研究階段，說明當(dāng)前針對固定床除濕器的應(yīng)用性分析和適用性研究仍然不夠，而這是其推廣應(yīng)用的必然要求，未來，隨著人們對空調(diào)除濕節(jié)能的重視，針對經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、形式多樣、性能優(yōu)良的固體除濕裝置的研發(fā)將成為固體除濕在空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用研究的主流。

4 常用固體除濕材料

固體除濕裝置需要填充除濕材料以達(dá)到除濕的目的，固體除濕材料又被稱為固體吸附劑，高性能的吸附劑可以降低再生脫附的溫度，減少系統(tǒng)能耗。常用的固體除濕材料主要包括硅膠、活性氧化鋁、分子篩和活性炭等，如圖4所示[14]。牛永紅等[13]綜述了固體除濕材料的研究進(jìn)展，并指出硅膠具有再生溫度相對低、吸附量大、性能穩(wěn)定、孔隙結(jié)構(gòu)豐富的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著硅膠微孔熔融、毛孔阻塞、坍陷等問題。

圖4 幾種固體除濕材料

單一的除濕材料往往僅具有某一方面的優(yōu)勢，已有研究者嘗試對上述4種基本干燥材料進(jìn)行了改性和復(fù)合，在原有的基礎(chǔ)上加入了其他材料，得到了各種復(fù)合干燥劑，對此，鄭旭等[14]利用再生溫度和吸附量匯總了當(dāng)前各種干燥劑的性能情況，如圖5所示，硅膠材料處于高吸附高再生溫度區(qū)，這說明，硅膠是具有較強(qiáng)的吸附能力的，但是其再生能耗也較大，對此，要想提高硅膠材料的除濕再生性能，就應(yīng)設(shè)法進(jìn)一步降低其再生溫度。

圖5 干燥劑吸附量和再生性能

對傳統(tǒng)固體除濕材料進(jìn)行改性和對新型復(fù)合多孔除濕材料的研制在提高除濕效率、改善再生性能、提高材料使用壽命等方面具有明顯優(yōu)勢[13,14]，但劉林等[15]指出，這些復(fù)合干燥劑的吸濕液解現(xiàn)象會造成金屬設(shè)備腐蝕，影響干燥劑的除濕能力，因此，提升復(fù)合除濕材料的穩(wěn)定性和降低其對系統(tǒng)環(huán)境的影響將成為今后的研究熱點(diǎn)，尤其是以硅膠為基礎(chǔ)的材料。

5 除濕材料再生方式

在材料吸濕飽和后，其除濕性能將會下降，需要進(jìn)行脫附再生以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，而再生過程的能耗是整個工作循環(huán)的核心能耗，它不僅影響除濕材料在吸附過程中的性能，而且還影響除濕系統(tǒng)的能效比COP[16]，除濕材料的再生能耗占據(jù)了整個系統(tǒng)能耗的90%[17]，選擇高效節(jié)能的再生方式對于降低固體除濕空調(diào)系統(tǒng)的總能耗具有重要的作用和意義。

常用除濕材料的再生方法有加熱再生、電滲再生、超聲波再生和微波再生等，其中，微波再生具有溫升速度快、能量利用率高、能選擇性加熱等優(yōu)點(diǎn)。微波再生的基本原理是：將固體除濕材料置于高頻交變電磁場中，使除濕材料中的偶極子不斷重新排列，并產(chǎn)生大量的熱，引發(fā)除濕材料內(nèi)外溫度的同時升高。目前，在微波再生技術(shù)應(yīng)用方面的研究，尚存在設(shè)備成本高和材料適用性研究較少等問題[18]，此外，高強(qiáng)度的微波可能損壞材料除濕性能，減少其使用壽命甚至直接失活，對此，應(yīng)當(dāng)設(shè)法在確保微波不損壞材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和除濕性能的同時，降低其初投資，開發(fā)出適用于不同除濕裝置形式的微波發(fā)生器。

6 固體除濕研究進(jìn)展

目前，已有研究者開展了固體除濕的相關(guān)研究，在材料方面，王震[19]研究了細(xì)孔硅膠、活性氧化鋁和13X分子的再生特性，并建立了相應(yīng)干燥動力學(xué)模型，研究結(jié)果表明：細(xì)孔硅膠的再生總量最大，120 ℃下可再生完全；申展等[20]對細(xì)孔球形硅膠的脫附性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：細(xì)孔球形硅膠的最佳脫附活化溫度區(qū)間為120～130 ℃；馬益平等[21]利用混合配體法合成了氨基MIL-101(Cr)材料，并對其二氧化碳吸附性能和水蒸氣除濕性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：二氧化碳在常溫密閉容器中，可將相對濕度從71%降低至38%；張桂英等[22]研究了沸石和大孔硅膠的吸附機(jī)理和電滲再生效果，結(jié)果表明沸石無法形成電滲效應(yīng)，大孔硅膠會發(fā)生毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象，吸附飽和時存在液態(tài)水，其在105%含水率，40～60 V電壓時存在電滲效應(yīng)；鄭旭等[23]配制了硅藻-氯化鋰復(fù)合除濕劑，并對其水蒸氣吸附性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：復(fù)合除濕劑的吸濕性能較純硅藻基質(zhì)及硅膠除濕劑有著顯著提高。上述關(guān)于固體除濕材料的研究表明，以硅膠及硅膠為基質(zhì)的除濕材料將會是固體除濕系統(tǒng)應(yīng)用的首選，但如何提高其經(jīng)濟(jì)性，降低對系統(tǒng)和環(huán)境的影響將是未來研究的重點(diǎn)。

在系統(tǒng)裝置方面，楊晚生等[24]對一種太陽能直接再生的固定床除濕器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：床體有效除濕時間為120 min，最大除濕量可達(dá)4.3 g/kg；龍碧瑩[25]對一種內(nèi)冷型的固定床除濕器進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在除濕工況下，內(nèi)冷型最大除濕量是非內(nèi)冷的1.3～1.4倍，硅膠平均溫度最多降低6.2 ℃；任奎[26]研究了一種空氣源熱泵轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的性能，該系統(tǒng)利用壓縮機(jī)的高溫排氣和冷凝熱再生硅膠，并開展了實(shí)例能耗分析，結(jié)果表明：其比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能13.6%；冬季供熱工況時系統(tǒng)COP為3.68，比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能20%。當(dāng)前，固體除濕裝置的應(yīng)用仍以轉(zhuǎn)輪除濕器為主，而固定床除濕器主要停留在實(shí)驗(yàn)研究上，且尤以其除濕性能研究為主，關(guān)于其可行性、經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)性能等方面的研究還甚少，為更進(jìn)一步推廣應(yīng)用這類除濕器，未來，針對其應(yīng)用性的研究將成為必不可少的一環(huán)。

雖然現(xiàn)階段固體除濕技術(shù)的發(fā)展仍存在著一些問題，但總體而言，其具有較大的應(yīng)用潛力，值得人們的廣泛關(guān)注和深入研究。

7 結(jié)語

從空氣除濕方式、固體除濕裝置、除濕材料、再生方式等4個方面簡要闡述固體除濕技術(shù)當(dāng)前存在的問題，匯總當(dāng)前固體除濕技術(shù)的部分研究進(jìn)展，并對其未來的可能發(fā)展方向提出以下展望：

(1)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，固定床除濕器具有一定的節(jié)能潛力，然而實(shí)際工程中多采用轉(zhuǎn)輪除濕器，相比之下，固定床除濕器的適用性較差，這說明當(dāng)前針對固定床除濕器的應(yīng)用研究仍然不夠，而對于固體除濕裝置的研究是固體除濕技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用的前提條件，因此，未來應(yīng)當(dāng)著重搭建適用于實(shí)際工程問題的固定床除濕器，并對其除濕性能、經(jīng)濟(jì)成本、應(yīng)用性和氣候適用性等方面進(jìn)行研究改進(jìn)，從床體內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)、材料分布、系統(tǒng)形式和工作模式等方面進(jìn)行分析，提出具有普遍適用性和較高工程價(jià)值的固定床除濕器。

(2)在除濕材料方面，以硅膠為基質(zhì)的復(fù)合材料除濕性能優(yōu)秀，再生能耗可觀，但是，其對系統(tǒng)和環(huán)境會產(chǎn)生一定影響，如何減少負(fù)面影響和提升材料的環(huán)保性，將會是未來研究該類材料的重點(diǎn)；此外，由于固體除濕過程本質(zhì)上是固體除濕材料循環(huán)利用的過程，這就對除濕材料的可利用性提出了要求，如何提高材料的利用次數(shù)和利用率將會成為影響材料經(jīng)濟(jì)性的重要因素，而當(dāng)前，針對于除濕材料使用次數(shù)和衰減周期方面的研究鮮見，但其對系統(tǒng)的工程推廣應(yīng)用又具有重要意義。

(3)在材料再生方面，傳統(tǒng)的加熱再生已經(jīng)無法滿足對于系統(tǒng)的節(jié)能需求，而相比之下，微波再生的方式具有溫升快、能量利用率高、可選擇性加熱等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用潛力，但微波存在著不均勻性、易損壞除濕材料和成本較高的問題，因此，未來關(guān)于固體除濕材料再生方面的研究將可能會以微波手段為主，著重降低微波對材料和系統(tǒng)的影響及微波再生裝置的投資和運(yùn)行成本。