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近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)解析了空氣取水的熱力學(xué)最小能耗，并與在售產(chǎn)品的實(shí)際性能與市場(chǎng)表現(xiàn)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，進(jìn)一步提出了“熱泵技術(shù)耦合冷凝、吸附的空氣取水”以及“面向潛在客戶定位”的技術(shù)與市場(chǎng)發(fā)展策略，為空氣取水技術(shù)從概念驗(yàn)證階段邁向市場(chǎng)化應(yīng)用提供了參考。研究成果“Approaching thermodynamic boundaries and targeting market players for commercial atmospheric water harvesting”發(fā)表在國(guó)際期刊Joule上。博士生山訸、陳芷薈為論文共同第一作者，王如竹教授為通訊作者。
空氣取水技術(shù)能夠在從沙漠到海島的各類濕度條件下直接從空氣中制取淡水。近年來，該領(lǐng)域受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，大量新型系統(tǒng)與材料相繼涌現(xiàn)，技術(shù)逐步成熟并加速走向商業(yè)化。站在這一關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，亟須梳理空氣取水的產(chǎn)業(yè)化路徑，一方面跟蹤市場(chǎng)參與者動(dòng)態(tài)，洞察目標(biāo)客戶與應(yīng)用需求；另一方面，將研發(fā)重心從單一的“材料/系統(tǒng)性能優(yōu)化”轉(zhuǎn)向“氣候適應(yīng)性—服務(wù)對(duì)象—能源供給”的整體匹配與協(xié)同，以更好支撐規(guī)模化與市場(chǎng)化落地。
該論文首先從空氣取水系統(tǒng)的典型特征及熱力學(xué)過程出發(fā)，建立了冷凝式和吸附式空氣取水系統(tǒng)熱力學(xué)理論能耗計(jì)算模型，并分析兩種技術(shù)路線的實(shí)際能耗在不同環(huán)境溫濕度條件以及熱源溫度條件下的變化。該分析提出冷凝式系統(tǒng)的能耗水平顯著受到空氣含濕量的影響，在高濕度條件下，可以通過簡(jiǎn)單的設(shè)備實(shí)現(xiàn)連續(xù)、大批量取水，而在低濕度條件下，將空氣降低至露點(diǎn)溫度所需的能耗較高，顯熱占比顯著提升，例如在30%濕度下顯熱占比達(dá)到49%，導(dǎo)致系統(tǒng)效率顯著不及吸附式系統(tǒng)。甚至在更干的環(huán)境下露點(diǎn)溫度低于0°C，導(dǎo)致結(jié)霜現(xiàn)象，進(jìn)而抑制換熱與產(chǎn)水。而對(duì)于吸附式系統(tǒng)，其能量水平相比于冷凝系統(tǒng)更優(yōu)，特別是在低濕度條件下，其顯熱占比通常小于30%。
空氣取水市場(chǎng)參與者及產(chǎn)品或市場(chǎng)情況
基于上述能量分析，論文給出了不同工況條件下冷凝和吸附式空氣取水的最小能耗水平，并基于該水平分析了目前市場(chǎng)實(shí)際空氣取水系統(tǒng)的能耗與產(chǎn)量表現(xiàn)。市場(chǎng)分析提供了百余家市場(chǎng)參與者及其產(chǎn)品的能耗、產(chǎn)量等技術(shù)數(shù)據(jù)以及融資等市場(chǎng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一分析目前產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展情況及資本市場(chǎng)參與度。基于分析截止日期，空氣取水的商業(yè)化版圖由冷凝式主導(dǎo)，主要依托制冷/熱泵等成熟產(chǎn)業(yè)鏈與除濕機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備經(jīng)驗(yàn)積累，其中多家標(biāo)稱日產(chǎn)水量高于1000?L，但其能耗水平相比于最低能耗差距較大，其原因在于多源不可逆損失和“空調(diào)化設(shè)計(jì)”帶來的能濕回收不足、系統(tǒng)匹配不佳等。吸附式空氣取水仍處于早期規(guī)模化階段，市場(chǎng)參與者較少，且多數(shù)參與者與高校深度綁定，特別是與高校合作的材料創(chuàng)新（金屬有機(jī)框架、石墨烯、吸濕鹽基復(fù)合材料）正成為吸附取水技術(shù)分化的關(guān)鍵。采用吸附式空氣取水的多數(shù)設(shè)備日產(chǎn)水量小于10?L，且能耗口徑不統(tǒng)一，但商業(yè)化進(jìn)展迅速，其投資規(guī)模和技術(shù)演化速度顯著高于冷凝系統(tǒng)。
基于熱泵平臺(tái)的冷凝-吸附耦合系統(tǒng)
論文進(jìn)一步提出走向空氣取水商業(yè)化的可能技術(shù)及市場(chǎng)路徑。在技術(shù)層面，研究提出用熱泵作為統(tǒng)一能量平臺(tái)，使用熱泵冷端提供冷能用于冷凝式空氣取水或吸附空氣取水吸附勢(shì)增強(qiáng)，而熱泵的熱端則可以驅(qū)動(dòng)解吸吸附材料的解吸。系統(tǒng)狀態(tài)可通過四通閥在吸附-解吸之間周期切換，實(shí)現(xiàn)“連續(xù)近似”的高通量運(yùn)行。論文還提出了多種提升系統(tǒng)效率、減少不可逆損失的具體措施，包括多級(jí)熱泵應(yīng)用、吸附劑器件耦合、冷凝熱回收以及環(huán)境能量輸入等。通過以熱泵為核心的耦合平臺(tái)，結(jié)合針對(duì)性的場(chǎng)景化部署，科研與產(chǎn)業(yè)之間的銜接有望顯著提速，從而推動(dòng)空氣取水邁向可持續(xù)的商業(yè)化階段。
在應(yīng)用前景方面，論文采用平準(zhǔn)化產(chǎn)水成本與投資回收期評(píng)估不同技術(shù)路線與應(yīng)用場(chǎng)景的經(jīng)濟(jì)性。通過對(duì)商業(yè)化的設(shè)備進(jìn)行分析計(jì)算，定義出與運(yùn)輸距離相關(guān)的空氣取水客戶可替代性方案。隨著運(yùn)水距離的增加，分布式空氣取水技術(shù)的相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力愈加凸顯。其優(yōu)先應(yīng)用場(chǎng)景包括應(yīng)急與軍用救援、移動(dòng)與車載供水、城市瓶裝水/飲料替代、高層或裝配式建筑的分布式供水，以及在部分地區(qū)作為海水淡化的補(bǔ)充方案等。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)，通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料—器件—系統(tǒng)的一體化解決方案，持續(xù)推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。近年來，團(tuán)隊(duì)在Science、Nature Reviews Materials、Nature Water等高水平期刊發(fā)表了系列跨學(xué)科研究成果。
論文鏈接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00313-7
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