基于MOFs的温湿度独立控制节能技术探索

基于MOFs的温湿度独立控制节能技术探索

江宇

广东美的暖通设备有限公司

摘要 双碳背景下，传统暖通空调系统面临新的技术挑战。本文提出一种结合金属有机框架材料MOFs的温湿度独立控制空调系统。MOFs可以通过设计吸附特性，使得转轮的再生温度低于硅胶、分子筛等传统吸附材料，使其可以利用空调冷凝侧的废热进行再生。通过MOFs转轮对新风中的潜热负荷进行处理，提升室内舒适性的同时，空调蒸发侧因为不需要除湿可以提高蒸发温度，从而提升空调子系统的能效。

关键词 多联机 节能 新风 MOF

0 引言

据统计，全球建筑行业总碳排放占与能源相关的二氧化碳排放总量的38%。而在中国，建筑行业全生命周期碳排放占全国碳排放总量的51%。而在这其中，暖通空调的占比接近一半。因此，建筑行业的双碳实现，其根本在于降低建筑负荷，提高暖通系统能效。近年来我国大力推动建筑设计标准，从建筑负荷入手推进建筑行业的双碳实现。随着近年来建筑围护结构性能日渐提升，新风负荷在建筑负荷中的占比显著提升，对新风负荷的处理成为关键问题。据统计，人类一生90%的时间与建筑楼宇密不可分。在实现建筑行业双碳目标的同时，还需要兼顾楼宇空间环境的舒适性指标。双碳背景对建筑行业和暖通空调行业提出了新的技术挑战。

1背景技术分析

目前市场上使用最多的暖通空调系统还是基于最基本的压缩式制冷循环原理。这种传统循环采用冷凝除湿对热湿负荷统一处理，容易造成系统运行效率低下，夏季湿冷冬季干燥等舒适性不佳等问题。近年来，基于固体干燥剂/溶液除湿剂对水蒸气的吸附/吸收作用发展起来的除湿空调技术为解决这一问题提供了可能。国内外学者提出了将压缩式空调系统与湿度调节系统组合构建复合式除湿热泵系统的想法，即通过在传统热泵空调系统中增加一个湿度调节子系统实现潜热和显热负荷的分开处理。湿度调节子系统处理空气中的潜热负荷对空气进行加湿/除湿，然后被送入热泵空调系统中进行显热负荷处理。这种新型空调系统也被称之为温湿度独立控制空调系统。但现有比较常见的几种技术都存在诸多限制其在整个建筑行业推广的课题：

（1）新风显热/全热回收技术

这种热回收能量随着室内外空气条件的变化存在较大波动，且难以控制，热回收有限的同时也无法保证室内舒适性。

（2）固体吸附除湿技术

目前市场上的吸附剂材料在吸附水分后需要100℃以上的空气进行再生使用，对再生热源品位要求高，通常需要电加热等辅助热源。

（3）溶液吸附除湿技术

目前市场上常用的盐溶液具有较强腐蚀性，对设备使用的材料耐腐蚀性要求较高，而且存在空气带液风险。

2温湿度独立控制技术回顾

    N.A.Pennington于 1955 年第一次提出将涂覆除湿材料的转轮用于处理空气中的潜热负荷。进入 20 世纪 80 年代，Burns等针对潜热负荷较大的超市环境，提出了三种不同形式的系统构建形式，并对比了不同系统与传统空调的能耗特性。我国上海交通大学的研究团队也对此类复合式系统进行了研究。实验结果显示当硅胶氯化锂复合转轮再生温度达到 100oC 时，压缩式空调循环蒸发温度提高至 13oC，对应系统 COP 可达5.05，整体系统可节约 37.5%的电量消耗。基于溶液除湿系统的温湿度独立控制系统起源于上世纪 80年代，清华大学江亿团队在 2003 年提出一种液体除湿全热换热器，并与一台小型制冷机相结合构成一套新风处理空调。通过在北京某医院的实地测试，这种新风处理机的 EER 在夏季和冬季分别能够达到 7.3 和 5.0。学术界从系统循环角度做了很多尝试，但对于限制温湿度独立控制系统推广的再生温度问题一直未能有效解决，因此需要从材料角度进行研究。

3 金属框架有机物的应用前景

金属框架有机物MOFs自上世纪诞生以来，因为其强大的可塑性被学术界所推崇，中山大学陈小明院士团队，主要以配位超分子化学为基础，开展MOFs结构设计、合成组装及其功能应用方面的研究。华南理工大学李映伟教授团队，利用MOFs基材料大比表面积、高孔隙率和结构易调变的特点，针对工业加氢、氧化等反应面临的活性较低、稳定性较差的科学问题，系统的介绍了其团队通过金属纳米材料的孔道封装提升催化性能并保证稳定性，以及构造有序大孔提升材料传质性能方面的研究进展，获得了一系列具备优良性能的MOFs基材料并深入阐述了材料合成和催化机理。然而对于MOFs在水蒸气吸附方面的研究并不多。

图1 有潜力的MOFs材料

4 基于MOFs的温湿度独立控制系统

结合以上内容，作者提出一种基于MOFs转轮的温湿度独立控制空调系统。MOFs可以通过设计吸附特性，使得转轮的再生温度低于硅胶、分子筛等传统吸附材料，使其可以利用空调冷凝侧的废热进行再生，避免了附加热源的使用。通过MOFs转轮对新风中的潜热负荷进行处理，提升室内舒适性的同时，空调蒸发侧因为不需要除湿可以提高蒸发温度，从而提升空调子系统的能效，对于冷凝废热的利用将进一步提升整个系统的能效。根据不同应用场景对于风量和湿度的不同需求，开发相应的MOFs吸附材料和系统配置，可推动这种新型湿度控制技术在家用/商用/工业多场景的推广应用，并借此为国家建筑行业实现双碳目标打造创新性产品和解决方案。

图2 作者提出的基于MOFs的温湿度独立控制系统

图3 作者提出的新型温湿度独立控制系统原理图

5 结语

本文提出一种结合金属有机框架材料MOFs转轮的温湿度独立控制空调系统，利用空调冷凝侧的废热进行再生，通过MOFs转轮对新风中的潜热负荷进行处理，提升室内舒适性的同时，空调蒸发侧因为不需要除湿可以提高蒸发温度，从而提升空调子系统的能效。然而，该技术的实现还需要行业同仁一同解决稳定性，涂覆技术等诸多课题。

参考文献

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