基于金属有机框架的温控除湿换热器在暖通空调系统中的能效优化研究

本研究针对暖通空调(HVAC)系统高能耗问题，提出一种新型除湿涂层温控换热器(DTE)模型，通过集成硅胶、沸石和金属有机框架(MOF) MIL-100 Fe三种吸附材料，实现了空气流除湿过程中温度的有效控制。结果表明，MOF材料在50°C低温再生条件下展现出最优性能，可将入口湿度比从16.0 g/kg降至10.0 g/kg，为HVAC系统节能降碳提供了创新解决方案。

　　

随着全球能源消耗持续增长，暖通空调(HVAC)系统已占建筑能耗的20-30%，其中空气除湿过程需要将空气冷却至露点以下，导致制冷效率低下。传统除湿技术存在吸附放热导致空气温度升高、再生能耗高等瓶颈问题。为应对这一挑战，意大利佛罗伦萨大学工业工程系热力学与传热研究组开发了一种创新型除湿涂层温控换热器(DTE)，通过数值模拟比较了硅胶、沸石和金属有机框架(MOF) MIL-100 Fe三种材料的性能，研究成果发表于《Sustainable Energy Technologies and Assessments》。

研究采用一维瞬态模型，通过控制体积法求解质量与能量守恒方程，重点分析了吸附/解吸过程中的热质传递机制。模型假设气流参数仅沿流动方向变化，采用气体侧传递模型(Gas-Side Transfer Model)简化计算，并通过比奥数(Biot number)和傅里叶数(Fourier number)验证假设合理性。

材料与方法

研究团队建立了包含主次双通道的DTE装置模型，主通道涂覆吸附材料用于除湿，次通道通入冷却气流移除吸附热。通过定义脱附比质量(DSM)、有效除湿时间(UDT)和平均出口温度等指标，系统评估了不同厚度(0.5×10^-4 m)吸附层的性能。

结果与讨论

吸附过程：MOF展现出S型吸附等温线特征，水吸附量达0.55 kg/kg，显著优于硅胶(0.45 kg/kg)和沸石(0.21 kg/kg)。在次通道26°C冷却条件下，主通道温度上升被有效抑制，湿度比稳定维持在10 g/kg达1400秒。

解吸过程：MOF在50°C低温再生时仍保持稳定性能，剩余含水量0.09 kg/kg；而硅胶和沸石分别需要更高再生温度，且残留水量达0.04 kg/kg和0.1 kg/kg。

结论

该研究证实MOF基DTE能有效分离显热与潜热负荷，将传统HVAC系统的蒸发温度提高约5°C，预计可提升系统能效比(COP)20%以上。特别是MIL-100 Fe材料兼具高孔隙率(6000 m²/g)和低温再生优势，为建筑领域碳中和目标提供了突破性技术路径。研究建立的数值模型为优化除湿设备设计提供了可靠工具，推动新一代节能HVAC系统的发展。