固體除濕技術研究進展

凌子鵬，楊晚生

(廣東工業大學，廣東 廣州 510006)

1 引言

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

但傳統的空調系統較難實現對溫、濕度兩個參數的獨立控制，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和生活，因此，改變原有溫度和濕度耦合的空調處理方式是非常有必要的。而溫濕度獨立控制空調系統是一種能夠對室內熱、濕負荷獨立控制的空調系統，其不會產生再熱再濕的能源浪費，也不會有冷凝水的析出，由于熱、濕負荷是分開控制的，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系統的總能耗。

2 空氣除濕方式

溫濕度獨立控制空調系統一般由溫度控制系統和濕度控制系統兩部分組成，根據工程需求，溫度控制系統和濕度控制系統可分別由用不同形式的子系統組成。其中，設置濕度控制系統的目的是調節室內濕度，對于南方地區而言，該系統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、膜法除濕和電化學除濕等[5,6]。

冷凝除濕是最常見的降溫除濕方式，也是傳統空調系統采用最多的一種方式，其基本原理為：當濕空氣掠過低溫換熱器表面時，其溫度將降低至露點溫度以下，空氣當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行再熱或再濕，存在著能源浪費的問題，此外，析出的冷凝水會對送風空氣品質和空調系統內部衛生環境造成影響，但該方式制冷除濕效果較好，系統運行穩定，如何改善能源浪費和環境衛生等問題，是其更進一步應用的關鍵。

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行吸濕的除濕方式，本質上是鹽溶液的稀釋與濃縮過程[8]。溶液除濕具有可連續處理濕空氣、大大降低空氣濕度和露點溫度、對被處理空氣進行凈化和出口空氣參數較為穩定的優點，但其存在著設備構造復雜、運行投資費用高、操作不方便、溶液滲漏、腐蝕性和定期更補等問題。

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外表面的吸附作用，吸收空氣中的水分，從而對空氣進行除濕。應用固體除濕技術的空調系統稱為固體除濕空調系統，一個完整的固體除濕空調系統除濕工作循環包括吸附除濕、脫附再生和冷卻。圖1為一種固體除濕系統的原理圖[9]。

圖1 一種高溫熱泵轉輪除濕復合輻射供冷系統的原理

2.2 固體除濕系統特點

除冷凝除濕外，溶液除濕和固體除濕是當前兩類相對具有應用前景的除濕技術，也是當前發展高效節能綠色空調的一種重要方式。雖然固體除濕空調系統存在出口空氣參數不穩定、系統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、結構簡單和成本低廉等優點而受到研究者的關注，但相比于溶液除濕，固體除濕具有以下優點：固體除濕材料再生后對冷卻的要求較低，運動部件較少，控制操作過程要求簡單，運行費用低，材料無腐蝕性，對設備材質及密封性無嚴格要求，系統造價低[10]。可見，在當前發展高效節能空調系統的需求下，固體除濕不失為一種較具工程應用價值的空調系統。

3 固體除濕裝置

常采用的除濕器按照結構主要可分為兩種：一種是轉輪除濕器，另一種是固定床除濕器。

轉輪除濕器主體為一個不斷轉動的蜂窩狀轉輪，其上均勻分布著固體除濕材料，并用隔板劃分為除濕區和再生區。在實際運行中，向除濕區通入空氣進行除濕，除濕后得到干空氣，并送入室內；除濕區的材料經轉動機構帶動至再生區進行脫附再生，該過程將引入再生空氣對除濕材料進行處理，再生后的除濕材料又被轉動機構帶至除濕區進行除濕，以此循環。

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

圖2 轉輪除濕示意

圖3 一種實驗用固定床除濕器

循環流化床也是一種固體除濕裝置，陳捷超等[12]整理了一種循環流化床除濕系統。循環流化床除濕系統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，以實現循環工作；按床體結構形式，流化床可分為直立式和傾斜式。

與轉輪除濕器相比，固定床除濕器不包括轉動機構，系統的運行操作相對簡單，投資成本也較低，因而更具工程應用的可能性。但在實際空調工程中，固定床除濕器的應用范圍較窄，應用形式也比較單一，多停留在實驗研究階段，說明當前針對固定床除濕器的應用性分析和適用性研究仍然不夠，而這是其推廣應用的必然要求，未來，隨著人們對空調除濕節能的重視，針對經濟性強、形式多樣、性能優良的固體除濕裝置的研發將成為固體除濕在空調領域應用研究的主流。

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展，并指出硅膠具有再生溫度相對低、吸附量大、性能穩定、孔隙結構豐富的優點，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勢，已有研究者嘗試對上述4種基本干燥材料進行了改性和復合，在原有的基礎上加入了其他材料，得到了各種復合干燥劑，對此，鄭旭等[14]利用再生溫度和吸附量匯總了當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，這說明，硅膠是具有較強的吸附能力的，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，就應設法進一步降低其再生溫度。

圖5 干燥劑吸附量和再生性能

對傳統固體除濕材料進行改性和對新型復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勢[13,14]，但劉林等[15]指出，這些復合干燥劑的吸濕液解現象會造成金屬設備腐蝕，影響干燥劑的除濕能力，因此，提升復合除濕材料的穩定性和降低其對系統環境的影響將成為今后的研究熱點，尤其是以硅膠為基礎的材料。

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，需要進行脫附再生以實現循環利用，而再生過程的能耗是整個工作循環的核心能耗，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的能效比COP[16]，除濕材料的再生能耗占據了整個系統能耗的90%[17]，選擇高效節能的再生方式對于降低固體除濕空調系統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、能選擇性加熱等優點。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，并產生大量的熱，引發除濕材料內外溫度的同時升高。目前，在微波再生技術應用方面的研究，尚存在設備成本高和材料適用性研究較少等問題[18]，此外，高強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，應當設法在確保微波不損壞材料內部結構和除濕性能的同時，降低其初投資，開發出適用于不同除濕裝置形式的微波發生器。

6 固體除濕研究進展

目前，已有研究者開展了固體除濕的相關研究，在材料方面，王震[19]研究了細孔硅膠、活性氧化鋁和13X分子的再生特性，并建立了相應干燥動力學模型，研究結果表明：細孔硅膠的再生總量最大，120 ℃下可再生完全；申展等[20]對細孔球形硅膠的脫附性能進行了實驗研究，結果表明：細孔球形硅膠的最佳脫附活化溫度區間為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行了實驗研究，結果表明：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理和電滲再生效果，結果表明沸石無法形成電滲效應，大孔硅膠會發生毛細凝結現象，吸附飽和時存在液態水，其在105%含水率，40～60 V電壓時存在電滲效應；鄭旭等[23]配制了硅藻-氯化鋰復合除濕劑，并對其水蒸氣吸附性能進行了測試，結果表明：復合除濕劑的吸濕性能較純硅藻基質及硅膠除濕劑有著顯著提高。上述關于固體除濕材料的研究表明，以硅膠及硅膠為基質的除濕材料將會是固體除濕系統應用的首選，但如何提高其經濟性，降低對系統和環境的影響將是未來研究的重點。

在系統裝置方面，楊晚生等[24]對一種太陽能直接再生的固定床除濕器進行了實驗，結果表明：床體有效除濕時間為120 min，最大除濕量可達4.3 g/kg；龍碧瑩[25]對一種內冷型的固定床除濕器進行了研究，結果表明：在除濕工況下，內冷型最大除濕量是非內冷的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輪除濕空調系統的性能，該系統利用壓縮機的高溫排氣和冷凝熱再生硅膠，并開展了實例能耗分析，結果表明：其比傳統空調系統節能13.6%；冬季供熱工況時系統COP為3.68，比傳統空調系統節能20%。當前，固體除濕裝置的應用仍以轉輪除濕器為主，而固定床除濕器主要停留在實驗研究上，且尤以其除濕性能研究為主，關于其可行性、經濟性和系統性能等方面的研究還甚少，為更進一步推廣應用這類除濕器，未來，針對其應用性的研究將成為必不可少的一環。

雖然現階段固體除濕技術的發展仍存在著一些問題，但總體而言，其具有較大的應用潛力，值得人們的廣泛關注和深入研究。

7 結語

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當前存在的問題，匯總當前固體除濕技術的部分研究進展，并對其未來的可能發展方向提出以下展望：

(1)在系統結構方面，固定床除濕器具有一定的節能潛力，然而實際工程中多采用轉輪除濕器，相比之下，固定床除濕器的適用性較差，這說明當前針對固定床除濕器的應用研究仍然不夠，而對于固體除濕裝置的研究是固體除濕技術在空調系統領域應用的前提條件，因此，未來應當著重搭建適用于實際工程問題的固定床除濕器，并對其除濕性能、經濟成本、應用性和氣候適用性等方面進行研究改進，從床體內部流道結構、材料分布、系統形式和工作模式等方面進行分析，提出具有普遍適用性和較高工程價值的固定床除濕器。

(2)在除濕材料方面，以硅膠為基質的復合材料除濕性能優秀，再生能耗可觀，但是，其對系統和環境會產生一定影響，如何減少負面影響和提升材料的環保性，將會是未來研究該類材料的重點；此外，由于固體除濕過程本質上是固體除濕材料循環利用的過程，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和利用率將會成為影響材料經濟性的重要因素，而當前，針對于除濕材料使用次數和衰減周期方面的研究鮮見，但其對系統的工程推廣應用又具有重要意義。

(3)在材料再生方面，傳統的加熱再生已經無法滿足對于系統的節能需求，而相比之下，微波再生的方式具有溫升快、能量利用率高、可選擇性加熱等優點，具有較好的應用潛力，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的影響及微波再生裝置的投資和運行成本。