热泵（heat pump）是将热量从较低温下的物质或空间传递到更高温度下的另一种物质或空间的装置，也就是使热能沿自发热传递的相反方向移动。尽管CFC替代制冷剂热泵具有较高的性能系数（COP），但制冷剂的温室效应仍然较大，因此需要转换为绿色制冷剂热泵。天然制冷剂 CO2 热泵对环境友好，但COP 不一定高，因为它们在高达超临界条件（8-10 MPa）的压力下运行。
由东京大学机械工程系的 Hirofumi Omiyaji 教授和斯坦福大学机械工程系的 Arun Majumdar 教授领导的一个研究小组提出了一个新的热泵循环概念：压缩-吸收混合热泵循环。这种混合热泵循环结合了蒸汽压缩热泵循环和吸附热泵循环，前者通过压缩和膨胀制冷剂（一般为 CFC 气体）来提取热量，后者则利用多孔材料吸附气体（一般为水或酒精）的现象。因此，突破了独立热泵循环的限制。
通过开发适合该热泵循环的制冷剂和多孔材料的组合，压缩-吸附混合热泵循环即使在大约一半的压力下运行，性能系数（ COP ）也大致相同，即使在更低的压力下也有望提高性能系数，这将有助于从氟氯化碳替代制冷剂向天然制冷剂的转换。这项研究成果于 2022 年 11 月 3 日 发表在美国科学杂志《Cell Reports Physical Science》网络版上。
压缩-吸附混合热泵循环研究成果发表在《 Cell Reports Physical Science 》
这项研究中的压缩-吸附混合热泵循环的基本工作原理与蒸汽压缩热泵相同，但制冷剂（CO2）和吸附剂（金属有机结构（MOF））在制冷剂回路中一起循环，CO2 气体在压缩机中被压缩后会变热，在高压侧（吸附器），热的 CO2 被 MOF 吸附，然后向周围释放吸附热，产生高热效应。尽管没有吸附剂的蒸汽压缩热泵，也可以达到一定的加热效果。这是因为由于温差的存在，热量会从热的 CO2 气体中释放到周围。然而，在相同的压力和温度范围内，CO2 在向周围释放热量后仍处于气态，因此不能达到更高的加热温度。
压缩-吸附混合热泵循环的优势在于 CO2 气体通过在多孔材料上的吸附或液化而释放热量，以提高加热效果，而普通的 CO2 热泵中，CO2 被加压到超临界条件（8-10MPa），才能达到高加热效果。MOF 颗粒和 CO2 通过膨胀阀从高压侧流向低压解吸侧。在解吸室中，CO2 吸热从 MOF 解吸，从而产生冷却效果。
压缩-吸附混合热泵循环概念图
通常，吸附剂 MOF 是粉末状的，不容易在制冷剂回路中循环使用。然而，这种循环的概念对于预测理想的热泵循环的性能非常重要。在实际的设备中，可以准备两个含有 MOF 粉末的压力容器，并以批处理的模式运行，吸附和解吸交替进行，而不是循环使用 MOF 粉末。假设吸附器的压力为 4MPa，温度为 343K，解吸器的压力为 0.6MPa，温度为 298K，利用 CO2 作为制冷剂和 MOF-5（典型的 MOF 吸附剂之一）的热物理特性，进行热力学平衡模型循环计算，该循环的加热 COP 估计为 3.67。研究还发现，压力波动小、吸附量变化大的 MOFs 和吸附热大的 MOFs 适合本研究中提出的热泵循环系统。预计通过材料开发，压缩-吸附混合热泵的 COP 将进一步提高。
这项研究得到了 JST-CREST 研究领域“纳米级热管理基础技术的创造”和“纳米空间材料中水的吸附和转移的热控制（项目编号：JPMJCR17I3）”的支持，还在东京大学工学研究科大金工业株式会社举办了社会合作课程“下一代空调技术的创造”。
