固体除湿技术研究进展

凌子鹏，杨晚生

(广东工业大学，广东 广州 510006)

1 引言

2018年我国建筑运行阶段的能耗约为10亿tce，占据建筑全寿命周期能耗的46.6%，占全国能源消费总量的21.7%[1]，而建筑运行阶段的能耗主要来源于暖通空调系统，可见，暖通空调系统节能技术将较大程度影响建筑运行阶段能耗在全国能源消费总量中的占比。在建筑能耗中，空调系统能耗占40%～60%[2]，其能耗主要来源于空调机组对空气的冷却除湿过程，在大部分南方地区的空调季节下，用于空气除湿部分的能耗就占空调系统总能耗的30%～50%[3]；而在非空调季节下，占空调系统总能耗的70%左右[4]。这说明，控制我国南方地区空调系统的除湿能耗已成为降低该地区建筑能耗的重要任务之一。

但传统的空调系统较难实现对温、湿度两个参数的独立控制，一般为了满足温度需求而舍弃了对湿度的控制要求，而不适合的湿度又将不利于生产和生活，因此，改变原有温度和湿度耦合的空调处理方式是非常有必要的。而温湿度独立控制空调系统是一种能够对室内热、湿负荷独立控制的空调系统，其不会产生再热再湿的能源浪费，也不会有冷凝水的析出，由于热、湿负荷是分开控制的，所以不需要为冷却和除湿过程提供同样低温的冷源，这在一定程度上减少了空调系统的总能耗。

2 空气除湿方式

温湿度独立控制空调系统一般由温度控制系统和湿度控制系统两部分组成，根据工程需求，温度控制系统和湿度控制系统可分别由用不同形式的子系统组成。其中，设置湿度控制系统的目的是调节室内湿度，对于南方地区而言，该系统以除湿处理过程为主。目前，常见的空气除湿方法主要有冷凝除湿、溶液除湿、固体除湿、膜法除湿和电化学除湿等[5,6]。

冷凝除湿是最常见的降温除湿方式，也是传统空调系统采用最多的一种方式，其基本原理为：当湿空气掠过低温换热器表面时，其温度将降低至露点温度以下，空气当中多余的水分会被冷凝析出，空气的含湿量会降低[7]。该过程会将空气冷却至比所需温度低较多的温度，因此，在冷凝除湿后需对空气进行再热或再湿，存在着能源浪费的问题，此外，析出的冷凝水会对送风空气品质和空调系统内部卫生环境造成影响，但该方式制冷除湿效果较好，系统运行稳定，如何改善能源浪费和环境卫生等问题，是其更进一步应用的关键。

溶液除湿是一种利用吸湿盐溶液与湿空气间水蒸气分压力差进行吸湿的除湿方式，本质上是盐溶液的稀释与浓缩过程[8]。溶液除湿具有可连续处理湿空气、大大降低空气湿度和露点温度、对被处理空气进行净化和出口空气参数较为稳定的优点，但其存在着设备构造复杂、运行投资费用高、操作不方便、溶液渗漏、腐蚀性和定期更补等问题。

2.1 固体除湿

固体除湿，又被称为固体吸附除湿，其原理为：利用多孔固体除湿材料内外表面的吸附作用，吸收空气中的水分，从而对空气进行除湿。应用固体除湿技术的空调系统称为固体除湿空调系统，一个完整的固体除湿空调系统除湿工作循环包括吸附除湿、脱附再生和冷却。图1为一种固体除湿系统的原理图[9]。

图1 一种高温热泵转轮除湿复合辐射供冷系统的原理

2.2 固体除湿系统特点

除冷凝除湿外，溶液除湿和固体除湿是当前两类相对具有应用前景的除湿技术，也是当前发展高效节能绿色空调的一种重要方式。虽然固体除湿空调系统存在出口空气参数不稳定、系统占地面积大和再生能耗高等问题，但其因具有除湿量大、除湿效率高、结构简单和成本低廉等优点而受到研究者的关注，但相比于溶液除湿，固体除湿具有以下优点：固体除湿材料再生后对冷却的要求较低，运动部件较少，控制操作过程要求简单，运行费用低，材料无腐蚀性，对设备材质及密封性无严格要求，系统造价低[10]。可见，在当前发展高效节能空调系统的需求下，固体除湿不失为一种较具工程应用价值的空调系统。

3 固体除湿装置

常采用的除湿器按照结构主要可分为两种：一种是转轮除湿器，另一种是固定床除湿器。

转轮除湿器主体为一个不断转动的蜂窝状转轮，其上均匀分布着固体除湿材料，并用隔板划分为除湿区和再生区。在实际运行中，向除湿区通入空气进行除湿，除湿后得到干空气，并送入室内；除湿区的材料经转动机构带动至再生区进行脱附再生，该过程将引入再生空气对除湿材料进行处理，再生后的除湿材料又被转动机构带至除湿区进行除湿，以此循环。

固定床除湿器的基本工作原理为：利用床体装置内填充的除湿材料对空气进行除湿，吸收空气中水分[11]。在除湿工况下，风机抽送空气至床体装置进行除湿，得到干燥的空气后送入室内；在再生工况下，可采用不同再生方式对固体除湿材料进行脱附再生，并由再生空气带走除去的湿量(图2、图3)[11]。

图2 转轮除湿示意

图3 一种实验用固定床除湿器

循环流化床也是一种固体除湿装置，陈捷超等[12]整理了一种循环流化床除湿系统。循环流化床除湿系统包括两个柱状流化床体和烟囱通道，两个柱状床体分别用于再生材料和空气除湿，烟囱通道将两床体相互连接，用于收集和传输再生床体和除湿床体间的除湿材料，以实现循环工作；按床体结构形式，流化床可分为直立式和倾斜式。

与转轮除湿器相比，固定床除湿器不包括转动机构，系统的运行操作相对简单，投资成本也较低，因而更具工程应用的可能性。但在实际空调工程中，固定床除湿器的应用范围较窄，应用形式也比较单一，多停留在实验研究阶段，说明当前针对固定床除湿器的应用性分析和适用性研究仍然不够，而这是其推广应用的必然要求，未来，随着人们对空调除湿节能的重视，针对经济性强、形式多样、性能优良的固体除湿装置的研发将成为固体除湿在空调领域应用研究的主流。

4 常用固体除湿材料

固体除湿装置需要填充除湿材料以达到除湿的目的，固体除湿材料又被称为固体吸附剂，高性能的吸附剂可以降低再生脱附的温度，减少系统能耗。常用的固体除湿材料主要包括硅胶、活性氧化铝、分子筛和活性炭等，如图4所示[14]。牛永红等[13]综述了固体除湿材料的研究进展，并指出硅胶具有再生温度相对低、吸附量大、性能稳定、孔隙结构丰富的优点，但也存在着硅胶微孔熔融、毛孔阻塞、坍陷等问题。

图4 几种固体除湿材料

单一的除湿材料往往仅具有某一方面的优势，已有研究者尝试对上述4种基本干燥材料进行了改性和复合，在原有的基础上加入了其他材料，得到了各种复合干燥剂，对此，郑旭等[14]利用再生温度和吸附量汇总了当前各种干燥剂的性能情况，如图5所示，硅胶材料处于高吸附高再生温度区，这说明，硅胶是具有较强的吸附能力的，但是其再生能耗也较大，对此，要想提高硅胶材料的除湿再生性能，就应设法进一步降低其再生温度。

图5 干燥剂吸附量和再生性能

对传统固体除湿材料进行改性和对新型复合多孔除湿材料的研制在提高除湿效率、改善再生性能、提高材料使用寿命等方面具有明显优势[13,14]，但刘林等[15]指出，这些复合干燥剂的吸湿液解现象会造成金属设备腐蚀，影响干燥剂的除湿能力，因此，提升复合除湿材料的稳定性和降低其对系统环境的影响将成为今后的研究热点，尤其是以硅胶为基础的材料。

5 除湿材料再生方式

在材料吸湿饱和后，其除湿性能将会下降，需要进行脱附再生以实现循环利用，而再生过程的能耗是整个工作循环的核心能耗，它不仅影响除湿材料在吸附过程中的性能，而且还影响除湿系统的能效比COP[16]，除湿材料的再生能耗占据了整个系统能耗的90%[17]，选择高效节能的再生方式对于降低固体除湿空调系统的总能耗具有重要的作用和意义。

常用除湿材料的再生方法有加热再生、电渗再生、超声波再生和微波再生等，其中，微波再生具有温升速度快、能量利用率高、能选择性加热等优点。微波再生的基本原理是：将固体除湿材料置于高频交变电磁场中，使除湿材料中的偶极子不断重新排列，并产生大量的热，引发除湿材料内外温度的同时升高。目前，在微波再生技术应用方面的研究，尚存在设备成本高和材料适用性研究较少等问题[18]，此外，高强度的微波可能损坏材料除湿性能，减少其使用寿命甚至直接失活，对此，应当设法在确保微波不损坏材料内部结构和除湿性能的同时，降低其初投资，开发出适用于不同除湿装置形式的微波发生器。

6 固体除湿研究进展

目前，已有研究者开展了固体除湿的相关研究，在材料方面，王震[19]研究了细孔硅胶、活性氧化铝和13X分子的再生特性，并建立了相应干燥动力学模型，研究结果表明：细孔硅胶的再生总量最大，120 ℃下可再生完全；申展等[20]对细孔球形硅胶的脱附性能进行了实验研究，结果表明：细孔球形硅胶的最佳脱附活化温度区间为120～130 ℃；马益平等[21]利用混合配体法合成了氨基MIL-101(Cr)材料，并对其二氧化碳吸附性能和水蒸气除湿性能进行了实验研究，结果表明：二氧化碳在常温密闭容器中，可将相对湿度从71%降低至38%；张桂英等[22]研究了沸石和大孔硅胶的吸附机理和电渗再生效果，结果表明沸石无法形成电渗效应，大孔硅胶会发生毛细凝结现象，吸附饱和时存在液态水，其在105%含水率，40～60 V电压时存在电渗效应；郑旭等[23]配制了硅藻-氯化锂复合除湿剂，并对其水蒸气吸附性能进行了测试，结果表明：复合除湿剂的吸湿性能较纯硅藻基质及硅胶除湿剂有着显著提高。上述关于固体除湿材料的研究表明，以硅胶及硅胶为基质的除湿材料将会是固体除湿系统应用的首选，但如何提高其经济性，降低对系统和环境的影响将是未来研究的重点。

在系统装置方面，杨晚生等[24]对一种太阳能直接再生的固定床除湿器进行了实验，结果表明：床体有效除湿时间为120 min，最大除湿量可达4.3 g/kg；龙碧莹[25]对一种内冷型的固定床除湿器进行了研究，结果表明：在除湿工况下，内冷型最大除湿量是非内冷的1.3～1.4倍，硅胶平均温度最多降低6.2 ℃；任奎[26]研究了一种空气源热泵转轮除湿空调系统的性能，该系统利用压缩机的高温排气和冷凝热再生硅胶，并开展了实例能耗分析，结果表明：其比传统空调系统节能13.6%；冬季供热工况时系统COP为3.68，比传统空调系统节能20%。当前，固体除湿装置的应用仍以转轮除湿器为主，而固定床除湿器主要停留在实验研究上，且尤以其除湿性能研究为主，关于其可行性、经济性和系统性能等方面的研究还甚少，为更进一步推广应用这类除湿器，未来，针对其应用性的研究将成为必不可少的一环。

虽然现阶段固体除湿技术的发展仍存在着一些问题，但总体而言，其具有较大的应用潜力，值得人们的广泛关注和深入研究。

7 结语

从空气除湿方式、固体除湿装置、除湿材料、再生方式等4个方面简要阐述固体除湿技术当前存在的问题，汇总当前固体除湿技术的部分研究进展，并对其未来的可能发展方向提出以下展望：

(1)在系统结构方面，固定床除湿器具有一定的节能潜力，然而实际工程中多采用转轮除湿器，相比之下，固定床除湿器的适用性较差，这说明当前针对固定床除湿器的应用研究仍然不够，而对于固体除湿装置的研究是固体除湿技术在空调系统领域应用的前提条件，因此，未来应当着重搭建适用于实际工程问题的固定床除湿器，并对其除湿性能、经济成本、应用性和气候适用性等方面进行研究改进，从床体内部流道结构、材料分布、系统形式和工作模式等方面进行分析，提出具有普遍适用性和较高工程价值的固定床除湿器。

(2)在除湿材料方面，以硅胶为基质的复合材料除湿性能优秀，再生能耗可观，但是，其对系统和环境会产生一定影响，如何减少负面影响和提升材料的环保性，将会是未来研究该类材料的重点；此外，由于固体除湿过程本质上是固体除湿材料循环利用的过程，这就对除湿材料的可利用性提出了要求，如何提高材料的利用次数和利用率将会成为影响材料经济性的重要因素，而当前，针对于除湿材料使用次数和衰减周期方面的研究鲜见，但其对系统的工程推广应用又具有重要意义。

(3)在材料再生方面，传统的加热再生已经无法满足对于系统的节能需求，而相比之下，微波再生的方式具有温升快、能量利用率高、可选择性加热等优点，具有较好的应用潜力，但微波存在着不均匀性、易损坏除湿材料和成本较高的问题，因此，未来关于固体除湿材料再生方面的研究将可能会以微波手段为主，着重降低微波对材料和系统的影响及微波再生装置的投资和运行成本。