一种基于辐射冷却增强技术的液态干燥剂型大气水收集装置

《Energy》：A radiative cooling enhanced liquid desiccant-based atmospheric water harvesting device

液态吸附剂大气水收集系统通过被动辐射冷却模块有效降低溶液温度，提升吸湿驱动力，无需额外能量输入，在干旱和半干旱地区实现年产量增长79.3%-166.0%，并建立涵盖冷却-吸湿-脱湿-冷凝全过程的传热传质模型，揭示不同气候区协同效应的关键机制。

　　

肖飞|程子欣|王晓楠|王文芳|周俊明|张凯

南京工业大学城市建设学院，中国南京211816

摘要：

本研究提出了一种基于被动辐射冷却的液体干燥剂大气水收集（LD-AWH_PRC）装置，旨在提升传统液体干燥剂大气水收集（LD-AWH）技术的性能和气候适应性。通过引入被动辐射冷却模块，可以有效降低干燥剂溶液的温度，从而在不需主动冷却或额外能量输入的情况下增加水分吸收的驱动力。系统地阐述了LD-AWH_PRC装置的工作原理及其相关的传热和传质过程，并通过物理原型实验验证了该装置的数值模型。结果表明，与传统LD-AWH相比，LD-AWH_PRC在不同气候区的集水性能显著提升，年集水量增加了79.3%至166.0%。研究表明，将被动辐射冷却与LD-AWH结合使用可以在多种气候条件下稳定提升系统性能，为大气水收集技术的发展提供了一种高效且低能耗的途径。

引言

近年来，由于气候变化、经济发展和人口增长，对淡水资源的需求持续增加，使得传统的供水方法难以满足这一需求[1]。为了解决这一问题，直接从空气中提取水分的大气水收集（AWH）技术受到了广泛关注，并被证明适用于干旱、沿海、城市等地区[2]。现有的AWH方法主要包括雨水收集[3]、[4]、制冷冷凝[5]、[6]、雾水收集[7]、[8]和吸附冷凝[9]、[10]。其中，吸附冷凝因其能在较宽的湿度范围内运行且能耗较低而具有较大潜力，常用的吸附剂包括物理吸附剂（如硅胶[11]和沸石[12]）、化学吸附剂（如CaCl₂和LiCl[13]）、聚合物吸附剂（如水凝胶[14]）以及复合吸附剂（如金属有机框架[15]、[16]）。

基于液体干燥剂的AWH（LD-AWH）作为一种化学吸附剂技术，利用高吸湿性的盐溶液通过蒸汽压差从空气中捕获和储存水分。随后，通过外部热源驱动的解吸过程释放淡水，为偏远和干旱地区的淡水生产提供了一种分散式解决方案[17]。Hamed等人[18]研究了分布在沙层上的氯化钙溶液的自然蒸汽吸收行为，并系统评估了不同干燥剂与沙子混合比例下的传质特性。他们的发现表明，传质系数强烈依赖于溶液浓度，而吸收驱动力随着干燥剂与沙子比例的减小而迅速降低。Wang等人[19]开发了一种模块化的正弦波纹蜂窝吸附单元，采用活性炭纤维和氯化锂（ACF-LiCl）作为复合吸附剂，在广泛的相对湿度条件下表现出良好的性能且不受温度影响。他们的研究表明，在潮湿条件下，该模块化吸附单元每天可产生约38.5公斤的淡水，能耗约为7.2 MJ/kg。为了在温室中高效回收和再利用水蒸气，Zou等人[20]提出了一种创新的侧窗回收系统（SWR），该系统集成了高吸湿性和可控释放的多孔复合水凝胶（LHPE）。实验结果表明，使用SWR系统后，温室的水分回收率为5015.6 g/m²，节水效率为78.78%，同时作物产量增加了约120%。尽管LD-AWH在相对湿度范围内的适用性更广，并且可以与太阳能和工业废热等低级热源有效结合，但该方法仍面临一些关键限制：(a) 吸收和解吸速率高度依赖于环境温度和溶液性质；(b) 夜间温差有限，常常限制了吸收效率；(c) 解吸过程需要持续的能量输入。此外，干燥剂溶液的腐蚀性和结晶风险影响了系统的耐久性和材料兼容性。这些限制凸显了开发创新被动冷却策略的迫切需求，以降低溶液温度、增加水分吸收量并提升LD-AWH系统的整体性能。

为了解决上述问题，将被动辐射冷却与AWH系统结合使用受到了越来越多的关注。被动辐射冷却（PRC）是一种近年来迅速发展的技术，它能够通过大气透明窗口（8-13 μm）将热量散发到外太空，使表面在夜间甚至白天都能实现低于环境温度的冷却[21]、[22]。这意味着表面可以直接向寒冷的外太空散热而无需消耗外部能量，从而被动降低温度。当在干燥剂溶液上方涂覆PRC涂层时，可以有效降低溶液温度并增大空气与溶液之间的蒸汽压差，从而显著提高吸收效率。这种新型耦合系统在干旱和半干旱气候条件下具有显著的实际价值，为缓解全球淡水短缺提供了可行的途径。现有研究也证实了辐射冷却与吸附材料的结合能够在无需外部能量输入的情况下提升水分收集性能。Zhang等人[23]介绍了一种基于纤维素的层次结构织物，通过辐射冷却和混合吸附-冷凝机制实现无能耗的AWH。该织物具有8.3%的太阳吸收率和约0.9的红外发射率，能够在不消耗外部能量的情况下保持7.5°C的低温。实验表明，在夜间相对湿度为80%的情况下，PRC增强型LD-AWH系统的吸水能力达到1.29 kg/kg。Huang等人[24]通过结合夜间辐射冷却和白天太阳加热开发了一种低相变焓的复合水凝胶，提升了LD-AWH系统的性能。他们的设计不仅将夜间捕获率从0.242 kg/(m²·h)提高到0.310 kg/(m²·h)，还由于高太阳吸收率（约0.93）加速了加热过程，使得白天的释放率提高到1.154 kg/(m²·h)。结果还表明，该系统每个循环可产生最多2.04 kg/m²的水分，证明了其在各种气候条件下的适用性。尽管LD-AWH在相对湿度范围内的适用性更广，并且可以与太阳能和工业废热等低级热源有效结合，但这种方法仍存在一些限制。

本研究提出了一种基于被动辐射冷却的液体干燥剂大气水收集（LD-AWH_PRC）装置，系统分析了辐射冷却对溶液温度调节和水分传输的耦合效应，并建立了多过程传热和传质模型，并通过实验进行了验证。进一步评估了LD-AWH_PRC在不同气候区的性能提升及其适用性，揭示了辐射冷却增益的气候异质性和季节性依赖性。

所提出的LD-AWH_PRC装置的主要创新点如下：(1) 将被动辐射冷却系统性地引入基于液体干燥剂的大气水收集系统，并建立了涵盖“辐射冷却-吸收-解吸-冷凝”整个过程的传热和传质模型，实现了对辐射冷却增强型集水性能的定量表征，而不仅仅是局限于个别过程或定性描述；(2) 通过时间和空间的比较分析，系统揭示了不同气候条件下辐射冷却增强的性能差异和季节性依赖性，阐明了大气水分可用性与辐射冷却窗口之间的协同作用对系统性能的决定性影响，为辐射冷却增强型大气水收集系统的区域部署提供了理论基础。

LD-AWH_PRC装置原理

为了充分利用LD-AWH和PRC在提升集水性能方面的优势，本研究提出了一种LD-AWH_PRC装置，其工作原理如图1所示。如图1所示，该装置由预冷却模块（涂有辐射冷却涂层）、中空纤维膜模块、太阳能驱动的解吸模块和冷凝表面组成，在一个日常循环中依次进行吸收和解吸过程。

LD-AWH_PRC装置的性能提升

为了确定集成PRC的LD-AWH的性能提升，比较了基于该模型的LD-AWH_PRC和传统LD-AWH的温度和浓度变化。如图7(a)所示，在夜间（18:00-08:00），辐射冷却对溶液温度有显著的冷却效果。在此期间，LD-AWH_PRC的溶液温度（T_l with RC）比环境温度（T_a）低6-8 K

水蒸气可用性与辐射冷却窗口的耦合效应

本研究从代表性气候区的角度分析了LD-AWH_PRC在不同温度和湿度条件下的性能差异。结果表明，高大气水分可用性和相对稳定的辐射冷却条件的湿润炎热地区更有利于实现更高的绝对集水量和更显著的性能提升。

结论与展望

本研究提出了一种基于被动辐射冷却的液体干燥剂大气水收集装置（LD-AWH_PRC），并分析了辐射冷却、水分吸收、解吸和冷凝的耦合过程。随后开发了包含传热和传质的数值模型并进行了实验验证。最后，系统评估了LD-AWH_PRC装置的集水性能和气候适应性。

CRediT作者贡献声明

肖飞：撰写——原始草稿、验证、调查、正式分析。王文芳：撰写——审阅与编辑。周俊明：撰写——审阅与编辑。程子欣：撰写——审阅与编辑。王晓楠：撰写——审阅与编辑。张凯：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、调查、资金获取、概念化

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：51878342）的资助。