《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Cyclic sweep gas membrane humidity pump for high-efficiency dehumidification with imperfect membranes
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真空膜除湿系统能耗高的问题通过新型周期扫气循环设计得到优化，采用一维传质模型和系统能量模拟验证，显示节能23.7%-47.3%，COP达1.52-2.96（传统系统3.5倍），关键在于降低真空泵压缩比和优化蒸汽排斥策略。
作者：Seong-Yong Cheon、Hye-Jin Cho、Md Ashiqur Rahman、Andrew Fix、David M. Warsinger
美国普渡大学机械工程学院及Birck纳米技术中心，西拉斐特，印第安纳州47907
摘要
在全球范围内，建筑物的冷却和通风消耗了大约20%的电力，而除湿是这一能源消耗的主要因素。与传统的除湿技术相比，选择性真空膜除湿技术可以提供非常高的理论效率；然而，许多实际的真空膜除湿系统设计由于真空泵的高压缩比而导致了较高的能耗。一些系统，如双模块湿度泵，可以通过降低压缩比来提高除湿效率；然而，先前的研究表明，由于膜的选择性不完美，空气在通过真空通道时压缩比会增加，传质过程受到扩散限制，从而整体性能受到影响。在这项研究中，我们通过引入一种新的循环设计——循环扫气膜湿度泵——来应对高能耗问题。我们开发了一维传质模型，并将其与系统级能量模拟相结合，以评估所提出的系统与两种采用真空膜除湿技术的参考系统之间的性能差异。与参考系统相比，所提出的系统实现了23.7%至47.3%的节能效果，这主要归功于改进的蒸汽排斥策略和降低的真空压缩比。此外，该膜湿度泵的性能系数在1.52到2.96之间，大约是传统真空膜除湿系统的3.5倍。这项工作代表了向开发实用、高效膜除湿系统迈出的重要一步，这些系统可以在不需要昂贵、最先进膜的情况下实现节能。
引言
鉴于建筑物占全球能源消耗的35%，国际能源署（IEA）提出了一项路线图，重点关注提高建筑围护结构的保温性和气密性，以减少显热传递[1]。尽管这些措施有效地降低了显热冷却负荷，但它们不足以管理由居住者产生的湿气，这通常导致节能建筑中的潜热冷却负荷比例高于传统建筑[2]。这种情况可能会提高室内湿度水平，从而影响居住者的舒适度[3]。在这种建筑中，传统的空调系统常常会降低冷却设定温度来控制湿度，从而导致过度能耗和过冷[4]。基于干燥剂的系统（使用活性干燥轮[5]或液体干燥剂[6]）已成为处理潜热冷却负荷的可行替代方案。然而，这些系统通常需要大量的热能进行再生，特别是在没有免费热源的情况下[7]。此外，干燥剂可能会残留，引发对空气质量和设备长期耐用性的担忧[8]。在高性能建筑中，这一限制尤为重要，因为除湿效率在维持室内空气质量和热舒适度方面起着关键作用。
基于膜的除湿技术因其能够在等温条件下选择性地去除水蒸气而成为传统冷凝除湿技术的节能替代方案，因此受到了广泛关注。研究表明，根据系统设计和运行条件，膜除湿技术可以提高能源效率。Cheon等人[9]报告称，使用基于膜的专用室外空气系统时，能源效率提高了8%；Cho等人[10]观察到在建筑应用中，基于真空的膜除湿器具有性能优势。Fix等人[11]预测理想的膜湿度泵系统可以实现高达66%的节能效果，而后来的研究[12]使用蒸汽选择性膜交换器进一步证明了效率的提升。这种效率的提高归因于膜的选择性渗透性，它能够在不产生大量冷却负荷的情况下去除湿气。其中，基于真空的膜除湿（VMD）已在供暖、通风和空调（HVAC）应用中得到了广泛研究。Woods[13]首次将膜工艺引入HVAC除湿中，Qu等人[14]对等温膜空气除湿进行了全面回顾。VMD系统通过亲水膜分离气体中的水蒸气，实现与传统方法相当或更好的等温除湿效果。该系统包括一个膜模块和一个真空泵。膜选择性地去除水蒸气，而真空泵则产生驱动水蒸气从进料侧传输到渗透侧的压差。Bui等人[15]根据水蒸气去除量、性能系数（COP）、进料空气速度、湿度、膜渗透性和真空压力等参数评估了膜除湿器的性能。研究指出，膜选择性和真空压力是影响除湿效率的最关键因素，揭示了在最大化水蒸气去除量和实现高COP之间的权衡。Bui等人[16]分析了在不同空气条件和膜特性下等温除湿器的能源性能。他们的结果表明，在等熵压缩条件下，理论COP可以达到2到3。然而，使用平片膜（水蒸气透过率为11,900 g/m2，选择性为1780）的实验结果[17]显示，COP仅达到0.25–0.55，主要是由于真空泵的效率低下。同样，Cheon等人[18]为HVAC应用实施了24个带有密集活性聚砜层（选择性为100）的中空纤维膜模块，报告的COP范围为0.16至0.86。先前的研究证明了真空膜除湿在HVAC中的可行性，但报告的COP值均低于1，主要是由于真空泵效率低下和膜选择性低。尽管VMD系统具有等温除湿潜力，但其实际应用受到高压缩比（例如，将水蒸气从约1 kPa压缩到101.3 kPa）和真空泵效率低的限制。要解决这些限制，需要进一步改进真空泵技术和膜材料，以提高除湿性能和系统效率。
为了解决VMD系统的能源限制，提出了两种替代技术：真空扫气除湿器（VSD）和膜湿度泵（mHP）。VSD通过将部分干燥进料空气导向渗透侧来降低水蒸气的分压，从而增强传质驱动力。Scovazzo和Scovazzo[19]首次提出了VSD概念，Scovazzo和MacNeill[20]构建了一个原型模块。Scovazzo[21]的进一步实验表明，向渗透侧提供干燥扫气可以改善除湿效率，尤其是在高膜选择性条件下。然而，VSD需要大量的补充空气来替代扫气，限制了其在HVAC中的实用性。相比之下，mHP减少了与高真空压缩比相关的能耗。mHP系统包括一个除湿模块、一个排斥模块和一个真空压缩机，其压缩比低于10，因为压缩机仅用于在模块之间传输渗透的水蒸气[13]。Fix等人[11]评估了一个集成在专用室外空气系统（DOAS）中的mHP，并预测在潮湿条件下可节省高达66%的电力，其COP约为传统系统的4.7倍。他们随后建造了一个小型双模块mHP原型[22]，该原型能够去除大约40%的渗透水蒸气。然而，其性能仍远低于热力学模型预测的6–10的理论COP，这是由于实际问题（如排斥模块中的空气积聚，需要额外的真空泵）所致。
尽管取得了这些进展，但在基于膜的除湿系统中实现高除湿性能和稳定连续运行仍面临挑战。为了解决这些问题，本研究介绍了一种新型膜热泵配置，将连续空气循环与扫气操作相结合，称为循环扫气膜湿度泵（CS-mHP）。该策略利用从mHP排斥模块排出的干燥空气将其重新引入系统，从而创建一个连续的除湿循环。这种配置有两个主要优势：（1）降低真空压缩比，从而在保持除湿性能的同时降低能耗；（2）利用排斥模块中的低水蒸气分压来提高传质效率和整体除湿效率。在这种配置中，排斥模块中的干燥空气作为扫气在除湿模块中使用，解决了传统基于真空的除湿方法的关键限制。此外，与传统的mHP系统不同，循环气流减少了膜模块内空气积聚的问题，从而增强了传质和系统稳定性。通过整合这些机制，所提出的系统实现了更高的能源效率和除湿性能。
在这里，我们展示了一项概念验证研究的发现，探讨了所提出的CS-mHP系统在HVAC应用中的潜在影响。首先，开发了一个CS-mHP的数值模拟模型，以检查其热力学行为（压力-焓图）和传质特性（压力-摩尔流量图）。其次，在各种条件下评估了系统的除湿和能源效率，特别关注膜材料特性、操作参数和空气条件。最后，进行了初步的建筑能源模拟，以展示所提出系统对建筑能源性能的影响。
系统概述
第2节提供了基于膜的除湿系统的概述，并介绍了所提出的循环膜湿度泵概念。描述了关键组件及其功能，为后续分析奠定了基础。
模拟模型
本节描述了用于评估所提出的CS-mHP的膜模块、真空压缩回路、热交换器和整体模拟逻辑的数值模型。
模拟结果与讨论
第4节评估了在第4.1节描述的运行和模块设计条件下的所提出CS-mHP系统的基线热力学行为。此外，还进行了参数分析，以根据膜特性、真空压缩机的运行条件和进气条件评估除湿和能源性能。还使用了一个简化的建筑级案例研究来说明所提出循环的潜在能源影响。
结论
本研究提出了一种具有循环运行的膜湿度泵（CS-mHP，循环扫气膜湿度泵），并使用耦合的热量和质量传递模型以及系统级能量平衡对其热力学性能进行了评估。参数研究分析了系统的除湿能力和能源性能，并确定了影响效率的关键操作和膜特性因素。
CRediT作者贡献声明
Seong-Yong Cheon：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。Hye-Jin Cho：撰写——审阅与编辑、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Md Ashiqur Rahman：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析。Andrew Fix：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析。David M. Warsinger：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本材料基于美国能源部能源效率和可再生能源办公室（EERE）在先进制造办公室创新制造计划下的支持（奖项编号DE-EE0010199），以及由韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（编号RS-2024-00357067）的支持。
