摘要：空气取水技术（AWH）能够在从沙漠到海岛的各类湿度条件下直接从空气中制取淡水。近年来，该领域受到学术界广泛关注，大量新型系统与材料相继涌现，技术逐步成熟并加速走向商业化。站在这一关键节点，急需梳理空气取水的产业化路径：一方面跟踪市场参与者动态，洞察目标客户与应

空气取水技术（AWH）能够在从沙漠到海岛的各类湿度条件下直接从空气中制取淡水。近年来，该领域受到学术界广泛关注，大量新型系统与材料相继涌现，技术逐步成熟并加速走向商业化。站在这一关键节点，急需梳理空气取水的产业化路径：一方面跟踪市场参与者动态，洞察目标客户与应用需求；另一方面，将研发重心从单一的“材料/系统性能优化”转向“气候适应性—服务对象—能源供给”的整体匹配与协同，以更好支撑规模化与市场化落地。

近日，上海交通大学机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所王如竹教授领衔的 ITEWA 创新团队在国际期刊Joule发表评述论文《Approaching thermodynamic boundaries and targeting market players for commercial atmospheric water harvesting》。上海交通大学博士生山訸、陈芷荟为论文共同第一作者，王如竹教授为论文通讯作者。

该论文首先从空气取水系统的典型特征及热力学过程出发，给出从湿空气中分离出液态水所需的理论最小功，并评估在实际热力学循环中冷凝式和吸附式空气取水系统热力学理论能耗，进而建立衡量实际系统与理想极限差距的标尺。基于该能量分析，文中梳理了百余家空气取水相关企业的产品与市场表现，比较了产品的能耗、产量等技术数据以及融资等市场关联数据，提供了当前市场与技术水平的横截面。随后，论文进一步提出走向空气取水商业化的可能技术及市场路径。从技术层面，建立耦合冷凝与吸附的热泵平台以实现不同气候下的最佳配置与优化运行；以热泵为核心的耦合平台与场景化部署，有望成为空气取水技术从科研走向产业的关键抓手，例如在湿热地区追求高通量与低电耗；在干旱、离网场景强调被动或废热驱动的韧性供水等。从市场层面，通过对商业化的设备进行分析计算，定义出与运输距离相关的空气取水客户可替代性方案，可明确应用场景和客户定位以推动商业化成熟。

【空气取水系统能耗分析】

图1 空气取水所需能耗

空气取水应被理解为一个“利用含水分的空气通过能量转化获得可饮用水”的热力学过程，其可行性受限于环境温湿度、循环不可逆损失以及系统集成影响。研究团队建立了分析空气取水系统能耗的热力学模型，计算了冷凝和吸附两种方式的理论最低能耗。冷凝式空气取水系统（CAWH）通过将空气冷却至露点以下以冷凝出水。在优化冷凝温度后，典型环境（30°C、60–80%RH）的理论能量需求为1,093–1,369Wh·L-1；在30%RH时则上升到 2,753Wh·L-1。如果采用热泵等供能形式，需要按其性能系数（COP）折算。假设一个极其理想的COP=5，则等效电能分别为 219 Whe·L-1（80%RH）、274 Whe·L-1（60%RH）和 551 Whe·L-1（30%RH）。冷凝系统的能耗对湿度高度敏感，其本质在于将空气冷凝至露点的显热消耗。以30°C、30%RH 为例，约49%的能量用于把进气从环境温度冷却到露点而并非直接产水；在更干的环境下露点温度低于0°C，还会出现结霜现象，进而抑制换热与产水率。

吸附式取水系统（SAWH）依靠低蒸汽压材料（如金属有机框架、石墨烯、吸湿盐基复合材料）在低湿度下吸水，再通过升温（或减压）解吸并冷凝集水。不同于直接将空气冷凝至露点所需要的能耗，吸附空气取水系统的能耗主要在吸附剂的解吸过程。考虑到解吸过程中对空间加热的能耗占比较小，可以仅使用吸附剂自身的解吸焓估算整个解吸过程的能耗。以氯化锂复合吸附剂的解吸焓为例，在解吸温度 70°C、吸附湿度30%的条件下，解吸能耗约为 954Wh·L-1；在 90%RH 下可降至 675Wh·L-1；相比于CAWH，SAWH在低湿度下的能耗水平更优。同时，当解吸温度 >60°C 且吸附 RH >30% 时，显热占比通常

【市场参与者分析】

图2 空气取水市场参与者及产品或市场情况

论文给出了不同工况条件下冷凝和吸附式空气取水的最小能耗水平，并基于该水平分析了目前市场实际空气取水系统的能耗与产量表现。市场分析提供了百余家市场参与者及其产品的能耗、产量等技术数据以及融资等市场关联数据，统一分析目前产业的技术发展情况及资本市场参与度。基于PitchBook商业数据库在2025年5月的数据分析，空气取水的商业化版图由冷凝式主导（79 家），主要依托制冷/热泵等成熟产业链与除湿机的标准化设备经验积累，其中多家产品的标称日产水量高于1000L，但其能耗水平相比于最低能耗差距较大，在标准工况（30°C、80%RH）下，冷凝取水系统的产品的平均电耗约 345Whe·L-1，最高可至 608Whe·L-1，表明实际冷凝取水系统的能耗要高于理论估算能耗（219Whe·L-1，以COP=5的热泵供冷折算电功），其原因在于多源不可逆损失和“空调化设计”带来的能湿回收不足、系统匹配不佳等。吸附式空气取水仍处于早期规模化阶段，市场参与者较少，且多数参与者与高校深度绑定，特别是与高校深度合作的材料创新正成为吸附取水技术分化的关键。采用吸附式空气取水的多数设备日产水量小于10L，且能耗口径不统一，但商业化进展迅速，其投资规模和技术演化速度显著高于冷凝系统。

【走向产业化的路径：技术突破】

图3 基于热泵平台的冷凝-吸附耦合系统

论文进一步提出走向空气取水商业化的可能技术及市场路径。在技术层面，论文提出用热泵作为统一能量平台，使用热泵冷端提供冷能用于冷凝式空气取水或吸附空气取水吸附势增强，而热泵的热端则可以驱动解吸吸附式空气取水解吸。系统状态通过四通阀在吸附-解吸之间周期切换，实现“连续近似”的高通量运行。为降低不可逆损失，建议采用多级热泵以减少单级温升以提升系统能效COP；在器件侧则使用分层吸附剂或将吸附剂直接集成到换热器翅片以缩短传热路径；将吸附床切换周期压缩到例如10min量级，以保持高吸附势并抑制传质受限；在系统层面，则可以回收吸附热用于解吸床的再生，并回收冷凝热以提高热泵系统能效；进一步可叠加辐射冷却与光热材料来“借力环境能”等。通过以热泵为核心的耦合平台与场景化部署，科研与产业的衔接有望大幅提速，推动空气取水迈向可持续的商业化阶段。

【走向产业化的路径：市场定位】

图4 技术经济性分析及客户场景定位

在应用前景方面，论文采用平准化产水成本（LCOW）与投资回收期（PBP）评估不同技术路线与应用场景的经济性。通过对商业化的设备进行分析计算，定义出与运输距离相关的空气取水客户可替代性方案。随着运水距离的增加，分布式空气取水技术的相对竞争力愈加凸显。其优先应用场景主要包括：应急救援/军事保障（运距极长+物流受限）、移动/车载与野外作业（运距可变+离网）、城市瓶装水/饮料替代（高单价+可近源化）、高层/装配式建筑的分布式供水（稳定负荷+易集成）以及最终的区域级补充（海湾国家等依赖海水淡化地区）。

本研究通过对空气取水的最小能耗进行分析，并结合市场在售产品的实际性能表现与市场参与度进行对比，进一步提出了热泵技术耦合冷凝、吸附空气取水平台以及客户技术定位的思路，为空气取水技术从概念验证阶段迈向市场化应用提供了参考。

【作者简介】

山訸 共同第一作者 上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生，导师王如竹教授，主要从事凝胶吸附剂设计与优化、吸附式空气取水及能源利用等方面的研究，以第一作者论文发表在Nature Reviews Materials, Nature Communications、Joule、Advanced Materials等。

陈芷荟 共同第一作者 上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生，导师王如竹教授，主要从事吸附式空气取水、热质传递强化等方面的研究，以第一作者在Matter、Advanced Functional Materials等国际知名期刊发表多篇SCI论文。

王如竹 上海交通大学讲席教授、制冷与低温工程研究所所长，制冷、热泵与热湿调控专家。出版中英文著作6 部，发表论文600余篇，H指数92，多项发明专利实现转化与应用，经济与社会效益显著。作为第一完成人荣获2010国家技术发明二等奖、2014国家自然科学二等奖和2023国家科技进步二等奖、并获得何梁何利基金科学与技术创新奖。此外作为首位中国籍学者获得多项国际学术成就奖：如国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen Medal、国际能源署Rittinger International Heat Pump Award、国际吸收/吸附热泵Georg Alefeld Memorial Award、日本传热学会Nukiyama Memorial Award和英国制冷学会J&E Hall International Gold Medal等，并荣获2023年“全球能源奖”。现任Elsevier期刊《Energy》主编、《International Journal of Refrigeration》副编辑、中国制冷学会《制冷学报》主编，中国制冷学会副理事长等职务。

王如竹教授领衔的 ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）交叉学科创新团队长期致力于能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题与关键技术，通过学科交叉实现材料—器件—系统的一体化解决方案，持续推动相关领域取得突破性进展。近五年来，团队在 Science、Nature Reviews Materials、Nature Water、Joule、Energy and Environmental Science、Advanced Materials、Nature Communications等高水平期刊发表系列跨学科研究成果。

来源：科学大讲坛