使用金属有机框架涂层热交换器演示压力驱动的加热和制冷

把压力变成冷热

在不加剧全球变暖的前提下让建筑保持舒适，正成为一项日益严峻的挑战。许多常见的热泵仍依赖高压力和可能危害气候的制冷剂。本研究探讨了一条不同的路径：使用无害的二氧化碳（CO₂）和一种海绵状材料，通过改变压力而非通过流体的汽化和冷凝来产生加热和制冷。实验室结果表明，这一想法并非空想——它能在短时间内使流动的水温升高或降低数摄氏度，所需压力相对温和。

一种新的热量传输方式

传统的CO₂热泵通常在极高压力和超临界条件下运行，这会使设备更厚重、复杂。研究人员测试了一种称为压缩–吸附混合系统的概念。其核心是一种特殊的热交换器：一根带有散热片的金属管，其表面涂覆了一层多孔材料——金属有机框架（MOF）。这种名为MIL-101(Cr)的MOF像纳米级海绵一样，可在内部表面吸附大量CO₂。当在较高压力下CO₂吸附到MOF时会释放热量；当压力降低、CO₂脱附时则吸收热量。如果水在管内流动，水便可在与气体不接触的情况下被加热或冷却。

测试系统如何工作

团队建立了一个批量式装置：MOF涂层热交换器置于密闭的压力容器内，连接至压缩机和单独的气罐。通过将CO₂压力迅速从0.8兆帕升至3.0兆帕，他们迫使CO₂进入MOF，使其升温并加热管内流动的水。将压力降回则使CO₂从MOF脱附，MOF降温并冷却水。在典型测试条件下——室温进水且流量适中——系统使出水温度约变化±9开（约±9 °C），几乎所有的CO₂吸附或脱附都在两分钟内完成。每个循环转移约20千焦的热量，其中约81%成功传递到水中。

性能的控制因素

为了解如何优化该方法，研究人员改变了若干运行条件。压力摆动幅度被证明是决定总加热和制冷量的主要因素：较大的压力摆动和较低的绝对压力使更多的CO₂进出MOF，从而产生更强的热效应。改变压力上升或下降的速度主要影响温度峰值的陡峭程度，而不是每个循环传递的总能量。同样，进水温度对结果的影响较小，证实主要热源是CO₂在MOF上吸附与脱附，而不是气体本身的简单加热或冷却。相比之下，水流量对功率有显著影响：更快的流量并不显著提高水温峰值，但缩短了完成一个循环所需的时间，提高了平均加热和制冷功率。

探究热交换器内部

由于MOF层和水的温度随时间变化，传统的稳态热交换器公式无法准确预测行为。作者因此建立了一个详细的计算模型，模拟MOF床、金属管和水中的质量、动量和能量传输。他们使用MIL-101(Cr)中CO₂的已知性质对模型进行了校准，并将模拟结果与测量值进行了比较。匹配良好：模拟重现了MOF和水沿管道的温度演变及不同水流率如何改变加热功率。这增强了模型在无需对每一种变体都亲自制造和测试的情况下，用于设计和优化未来装置的可信度。

这对未来热泵的重要性

实验与模拟共同表明，压力驱动的CO₂吸附可以在低于CO₂临界点的压力下可靠地提供有用的加热和制冷，从而避免当今高压CO₂系统的一些安全和设计挑战。该原型以批量模式工作而非连续运行，但它验证了基本物理原理并指出了实际限制，尤其是需要改善设备侧的换热性能。通过更好的换热器设计、串联工作的多个吸附床以及与热储能的集成，这一概念有望催生新型热泵，利用对气候友好的CO₂和先进多孔材料更安全、更高效地为住宅和建筑供热制冷。

引用: Hu, MH., Boccamazzo, F., Shamim, J.A. et al. Demonstrating pressure-driven heating and cooling using a MOF-coated heat exchanger. npj Therm. Sci. Eng. 1, 7 (2026). https://doi.org/10.1038/s44435-026-00006-5

关键词: 二氧化碳热泵, 吸附制冷, 金属有机框架, 低压制冷, 可持续暖通空调