《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Sustainable thermodynamic innovations and energy-efficient hybrid designs in Humidification–Dehumidification (HDH) desalination: A comprehensive review
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奥萨马·H·哈桑（Osama H. Hassan）| 奥萨马·阿卜杜勒雷希姆（Osama Abdelrehim）| 穆罕默德·S·萨勒姆（Mohamed S. Salem）| 瓦利德·沙????（Waleed Shaaban）| 艾哈迈德·A·赫加齐（Ahmed A. Hegaz
奥萨马·H·哈桑（Osama H. Hassan）| 奥萨马·阿卜杜勒雷希姆（Osama Abdelrehim）| 穆罕默德·S·萨勒姆（Mohamed S. Salem）| 瓦利德·沙????（Waleed Shaaban）| 艾哈迈德·A·赫加齐（Ahmed A. Hegazi）
曼苏拉大学工程学院机械动力工程系，埃及曼苏拉，35516
摘要
水资源短缺仍然是一个全球性挑战，气候变化、人口增长以及传统海水淡化方法在环境和能源方面的缺陷加剧了这一问题。湿化-除湿（HDH）淡化技术作为一种可持续的替代方案，适用于分散式和低等级淡水生产。本文综述了HDH技术的进展，重点关注能源供应的创新以及热力学、结构和应用领域的集成。发展内容包括太阳能驱动的系统、膜辅助模块、混合系统以及多效或级联设计。评估了关键性能指标，如比能耗（SEC）、增益输出比（GOR）、水生产率（WPR）和均衡水成本（LWC）。太阳能驱动系统的GOR值在0.87至5.2之间，其中真空管集热器（ETC）配置的GOR值最高；而结合热泵和喷射泵循环的热力学增强系统的GOR值可达到7.4。太阳能辅助系统的LWC最低，仅为0.12美元/立方米，这凸显了其显著的技术经济优势。文章还探讨了与可再生能源和工业废热结合以提高热效率的可能性。此外，还介绍了基于相变材料（PCM）的热回收、人工智能（AI）优化和耐腐蚀材料等新兴策略。在农业、水产养殖和紧急供水等实际应用中，HDH技术展示了其在离网和资源有限环境中的适应能力。主要研究重点包括基于AI的预测控制、使用先进涂层和流动策略的规模缓解措施，以及混合系统的长期验证。最终，HDH淡化技术被定位为一种可扩展且环保的技术，符合可持续发展目标（SDG）6和SDG 7的要求，为更清洁的生产和韧性的能源-水系统提供了途径。
引言
水资源短缺是21世纪最紧迫的全球挑战之一，其原因包括人口快速增长、城市化、气候变化以及不可持续的水资源管理方式[1]。根据联合国儿童基金会（UNICEF）和联合国水机制（UN-Water）的数据，每年有超过40亿人至少有一个月面临严重的水资源短缺问题，而超过20亿人全年无法获得安全的饮用水[2]。预计到2025年，全球一半的人口将生活在水资源紧张的地区[2]。此外，到2030年，由于水资源短缺，可能有多达7亿人被迫迁移；到2040年，全球四分之一的儿童将面临极端的水资源压力[3]。这些令人担忧的趋势凸显了迫切需要创新、可持续和适应性强的淡水解决方案[4]。
海水淡化已成为解决全球水资源短缺问题的关键策略。反渗透（RO）、多级闪蒸（MSF）和多效蒸馏（MED）由于技术成熟度和性能可靠，在大规模海水淡化应用中占据主导地位[5]。从数量上看，RO约占全球海水淡化能力的69%，其比能耗（SEC）为3.5–5千瓦时/立方米；然而，它依赖高压膜系统，容易发生污染，并需要复杂的盐水管理[6]。相比之下，广泛应用于海湾地区的MSF通常消耗13–25千瓦时的热能，且需要高质量的进水；而MED的SEC为6–9千瓦时/立方米，但资本成本较高，适用于分散式或小规模应用的能力有限[5]。这些定量比较突显了传统海水淡化技术在性能和可扩展性方面的根本差距，从而激发了对低能耗、模块化替代技术（如HDH淡化）的兴趣。
在这些替代技术中，湿化-除湿（HDH）淡化技术因其高效性和多功能性而受到关注。通过模拟自然蒸发和冷凝过程，HDH技术能在低温下高效运行，并可由太阳能和废热等可再生能源驱动[7]。其简单的结构、模块化设计和低运营复杂性使其特别适合农村社区、救灾场景以及中小型工业应用[8]。
近年来，HDH技术取得了显著进展，包括开发了太阳能驱动和混合HDH-RO配置、膜辅助模块以及多效和级联设计[9]。这些创新提高了比能耗、水回收率、增益输出比（GOR）和均衡水成本等关键性能指标[10]。此外，相变材料（PCM）用于热能存储和基于人工智能（AI）的优化技术进一步提升了系统的灵活性和运营效率[11]。
尽管如此，中东和海湾合作委员会（GCC）国家仍拥有全球大部分的海水淡化设施（见图1[12]）。尽管取得了这些进展，HDH淡化技术仍未实现广泛普及。当前仍需重点研究的领域包括能源效率、成本降低和系统可扩展性。此外，将HDH系统与其他淡化技术（如RO）结合的应用前景十分广阔，这将促成利用多种技术优势的混合系统[13]。
虽然已有部分综述涉及HDH淡化的具体方面——例如Lawal和Qasem针对可再生能源驱动系统的研究[14]、Alnaimat等人关于太阳能HDH发展的研究[9]，以及Faegh等人关于与制冷和动力循环结合的研究[15]——但这些研究通常范围有限，未能提供热力学优化、混合系统设计和新兴控制策略方面的综合视角。特别是现有综述往往侧重于单一技术领域，缺乏跨不同配置的系统性能的定量比较[15]。
相比之下，本文对HDH淡化技术进行了全面而综合的分析，主要贡献包括：（1）涵盖了热力学优化、膜集成、可再生能源耦合和混合系统配置等方面的最新进展；（2）系统地比较了太阳能驱动、膜辅助、多效和混合HDH-RO系统的关键性能指标（SEC、GOR、WPR和LWC）；（3）整合了2020–2025年的最新文献，包括基于AI/ML的优化和基于PCM的热能存储技术；（4）识别了研究空白，并根据技术成熟度（TRL）提出了结构化的开发路线图，将基础研究与可扩展应用路径联系起来。
通过明确未来研究的方向，本文将HDH淡化技术定位为可持续、气候适应性强的水资源生产的核心推动者，尤其是在离网和能源受限的地区。本文的主要目标在图2中进行了可视化总结。
本文的其余部分结构如下：第2节介绍了HDH淡化技术的基本原理、系统变体及其热力学性能指标；第3节回顾了近期技术进展，包括太阳能驱动系统（3.1节）、膜基配置（3.2节）、多效和级联设计（3.3节）、混合HDH-RO系统（3.4节）以及优化策略（3.5节）；第4节探讨了其在偏远社区、救灾、工业过程以及农业和水产养殖中的实际应用；第5节讨论了持续存在的挑战和未来研究方向；第6节总结了研究结论。
章节片段
工作原理和组件
HDH淡化技术是一种从盐水或微咸水中生产淡水的有前景的方法。其工作原理基于模仿自然水循环——蒸发和冷凝过程——从而将淡水与盐分分离[14]。HDH过程包括两个关键阶段：首先是湿化阶段，加热后的盐水在空气流经加湿器时蒸发，使空气充满水蒸气；其次是除湿阶段，湿润的空气在冷却过程中释放水分
HDH淡化技术的最新进展
近年来，HDH淡化技术取得了显著进步。科学家和工程师们开发了多种创新方法来提高HDH系统的效率、可扩展性和可持续性。本节重点分析了HDH淡化技术的重大进展，特别是太阳能驱动系统、膜基技术和混合系统。
HDH淡化技术的应用
HDH淡化系统具有高度适应性，在不同行业中应对水资源短缺问题方面越来越重要。当与太阳能等可再生能源结合使用时，HDH系统为偏远社区和岛屿提供了可行的清洁饮用水解决方案。移动式HDH装置在救灾和人道主义援助中发挥着关键作用，能够在紧急情况下快速部署并提供可靠的淡水供应。
挑战与未来方向
尽管HDH淡化技术具有诸多优势，并被认作传统淡化方法的可行替代方案，但仍需克服多个障碍才能充分发挥其潜力。本节分析了HDH淡化过程中遇到的主要挑战，并探讨了未来研究和开发的潜在方向。
结论
本文从四个方面（热力学基础、系统配置、优化策略和现场部署）全面评估了HDH淡化技术的发展现状，旨在提供关于该技术现状及其发展差距的定量分析。
作者贡献
概念构思：艾哈迈德·A·赫加齐（Ahmed A. Hegazi）；文献搜索：奥萨马·H·哈桑（Osama H. Hassan）和奥萨马·阿卜杜勒雷希姆（Osama Abdelrehim）；数据分析：穆罕默德·S·萨勒姆（Mohamed S. Salem）和瓦利德·沙??ан（Waleed Shaaban）；初稿撰写：奥萨马·H·哈桑（Osama H. Hassan）；审阅与编辑：奥萨马·阿卜杜勒雷希姆（Osama Abdelrehim）、穆罕默德·S·萨勒姆（Mohamed S. Salem）和瓦利德·沙??ан（Waleed Shaaban）；指导：艾哈迈德·A·赫加齐（Ahmed A. Hegazi）。
资金支持
本研究由Majmaah大学的研究生研究与科学部资助，项目编号为（R-2026-198）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
