商業(yè)建物通風(fēng)用主動型除濕系統(tǒng)之評估
在過去15年中，需要比一般建物還要低濕度的商業(yè)建物會將主動型除濕系統(tǒng)當(dāng)作其冷凍空調(diào)系統(tǒng)的一般組件。當(dāng)建物中的水氣負(fù)載藉由主動型(加熱再生式)移除之后，溜冰館、大型超市、以及冷凍倉庫之冷凍系統(tǒng)便可以更有效地冷卻空氣。因此冰宮可省錢，增加舒適度及延長營業(yè)季節(jié)等效益，而超市有低溫儲存產(chǎn)品，冷凍倉庫則有安全性提升之效益。這些效益足以使得除濕組件成為商業(yè)建物的一部份。
但是近來亦有將主動型除濕系統(tǒng)用在并不明顯需要低濕之建物的通風(fēng)系統(tǒng)中。學(xué)校、賣場、旅館、飯店、影劇院以及老人看護(hù)中心的擁有者通常只需要適中的濕度而不需要低濕控制，也就是說，當(dāng)相對濕度超過了60%時，室內(nèi)人員也許會稍感不適而室內(nèi)易生霉菌，但是資產(chǎn)并未因而折損，且運(yùn)轉(zhuǎn)費用的增加也難以判斷出有多少是因濕度之故，因此在這些建物的通風(fēng)中，加裝主動型除濕系統(tǒng)很能看出其優(yōu)點，尤其是另外有其它各種方式可移除換氣中的多余水氣。不過，由最近一些成功地在這些建物應(yīng)用除濕的例子看來，建物的所有者比一般認(rèn)為的還要關(guān)心濕度控制的問題。
近來ASHRAE將設(shè)計重點放在其所出版之1997年手冊－基本原理(1997ASHRAEHANDBOOK-Fundamental)之第26章中之天氣數(shù)據(jù)內(nèi)，因而使得冷凍空調(diào)工程師可以很快的藉由這些數(shù)據(jù)去量化從室外空氣產(chǎn)生的最大濕度負(fù)載。取得這些數(shù)據(jù)非常費時，再加上ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)62-1989－可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)之通風(fēng)，會因為提高通風(fēng)率的建議值而影響建筑法規(guī)。而增加通風(fēng)率則會讓傳統(tǒng)套裝式屋頂型空調(diào)系統(tǒng)的除濕效能降低而造成濕度控制上的問題。如此加速了室外空氣預(yù)先空調(diào)技術(shù)之應(yīng)用。本文作者已發(fā)展出一套軟件來評估各種通風(fēng)預(yù)處理方式(包括主動型和被動型的除濕系統(tǒng))的運(yùn)轉(zhuǎn)費用和舒適效益。
主動和被動的除濕系統(tǒng)
除濕輪系藉由吸附的方式來移除空氣中的水份。由于除濕物質(zhì)表面較潮濕空氣有較低的水蒸氣壓，因此水氣會滲入除濕劑中。因此空氣在排出時會較其進(jìn)入該系統(tǒng)前干燥。應(yīng)用在工業(yè)建物和制程中有液體和固體兩類型，但是在商業(yè)建物中則大多使用固體除濕劑。
將固體除濕劑應(yīng)用在空氣流道的方式乃將其注入在輪狀物之蜂巢型方格內(nèi)。供氣會通過輪子的一區(qū)而得以干燥，以后輪子會緩慢地旋轉(zhuǎn)至第二道再生空氣流道，以干燥除濕劑并將所吸附之濕氣排放到室外。
除濕劑可用較熱或較干的空氣予以再生。所謂"主動"的除濕輪系使用加熱空氣進(jìn)行再生，而"被動"的除濕輪則是干燥空氣進(jìn)行再生(通常是使用建物的排氣)。主動型除濕輪的優(yōu)點是其能在任何天氣條件下，不論其排放氣體的濕度如何，都可以連續(xù)地提供干燥空氣，而且可以用室外空氣而非建物排氣來再生除濕劑，因此在安裝上可因不需將排氣引回而較有彈性。但另一方面，由于主動型除濕輪需要額外的熱輸入以干燥空氣則會增加運(yùn)轉(zhuǎn)費用。被動型除濕方式則移除較少之水份，建物供氣的水氣含量視建物排氣的含水量而定，而由于其是以一絕熱方式來再生除濕劑，因此不需要額外能源的輸入，因此每小時的運(yùn)轉(zhuǎn)費用較主動型除濕輪低。兩種技術(shù)皆可在商業(yè)建物中除濕通風(fēng)系統(tǒng)中使用，而主動型除濕輪可大量除濕而被動型除濕輪可便宜地除濕，以幫助冷卻系統(tǒng)適切地調(diào)整濕度。
主動的除濕輪(ActiveDesiccantWheels)
一個除濕輪的除濕量視許多因素而定，包括進(jìn)氣之溫度和濕度吸附劑的型式和份量，除濕輪的厚度、蜂巢結(jié)構(gòu)之表面積、空氣流過除濕輪的速度，以及除濕輪旋轉(zhuǎn)速度等。但是商業(yè)建物的建商則多半是以再生空氣的溫度為除濕能力的主要變量。因此若要使得供氣更干，再生空氣通常會被加熱至更高的溫度。商業(yè)用除濕輪通常在華氏190到225度(即攝氏82到107度)的溫度下進(jìn)行再生。圖二為一般主動式除濕輪在4種由ARI標(biāo)準(zhǔn)940-1998所定義的進(jìn)氣條件下之性能數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)可以用來評比除濕輪型式的除濕設(shè)備。
圖二的數(shù)據(jù)中值得注意的是干燥供氣的溫升會隨著進(jìn)氣中水份移除量的增加而增加。進(jìn)氣的溫升中大概有八到九成是因著將空氣中水份移除時把潛熱轉(zhuǎn)換成顯熱而產(chǎn)生的。溫度上升的平衡來自于除濕輪旋轉(zhuǎn)時將熱由再生熱空氣帶到漸冷的供氣中(carry-over)。
在某些應(yīng)用中，顯熱非常有用，例如超市中展示柜，除非在熱空氣使用于冷凍食品區(qū)時，一般都會造成走道的過冷。但是在大多數(shù)的通風(fēng)相關(guān)的應(yīng)用上，熱供氣在送到欲冷卻的室內(nèi)之前必須至少被部份冷卻，這樣一來便會增加主動型除濕輪的運(yùn)轉(zhuǎn)費用。
干燥供氣的后冷卻(post-cooling)
圖三為一般用于冷卻供氣之低價熱交換器及蒸發(fā)冷卻器，后冷卻器移除供氣熱量的多寡依熱交換器冷側(cè)空氣有多冷而定。理想上系統(tǒng)會利用建物室內(nèi)排氣進(jìn)行蒸發(fā)式的冷卻，這樣一來便可用最少的花費來提供最大的后冷卻作用。然而，在很多案例中建物在進(jìn)氣處之附近并無法取得建物之排氣；有些情況下，建物的所有者甚至要避免因使用蒸發(fā)型冷卻器導(dǎo)致之維護(hù)工作。在這些狀況下，后冷卻器便會用未處理過的室外空氣，使得除濕系統(tǒng)的供氣冷卻量因而減少，在后冷卻之后剩下的顯熱負(fù)載則交由建物的冷卻系統(tǒng)予以移除來干燥通風(fēng)之空氣以改善舒適度。
在商用冷凍空調(diào)系統(tǒng)中，主動型除濕系統(tǒng)一般用來干燥通風(fēng)空氣因其代表了最大的濕氣負(fù)載(見圖四，有6成)，當(dāng)通風(fēng)的空氣被深度干燥后(比建物所需要的干燥程度還高時)，供氣就好比一個"海綿"－用以吸收空間中多余的濕氣且將濕度保持在一個預(yù)定的程度。另一方面，移除水氣負(fù)載亦可使得冷卻系統(tǒng)的性能更具效率。當(dāng)沒有移除大量的水氣負(fù)載的需要時，冷卻單元不便不需要將空氣過冷。因此當(dāng)顯熱負(fù)載低，而水氣負(fù)載高時，系統(tǒng)的舒適度在"部份負(fù)載條件"下便有其優(yōu)點。
圖五為佛羅里達(dá)州西棕履灘(WestPalmBeach,Fla.)典型一年的進(jìn)氣狀況，每年約有3538小時會有通風(fēng)水氣負(fù)載，而沒有顯熱負(fù)載。在低價的冷凍空調(diào)系統(tǒng)下，這表示一年有這么長的時間，冷卻系統(tǒng)造成建物是在過低但又潮濕的狀況。在如此的建物中加裝除濕裝置－可以是冷凝型或是除濕劑型式－雖然會增加安裝費用但是舒適度卻可以大幅改善。除濕機(jī)制會隨濕度計反應(yīng)，而冷卻系統(tǒng)則會隨溫度量測變化。因此若將控制和設(shè)備分開可使得溫度和濕度達(dá)到一更均勻分布的狀況。這樣一來，控制的價格呢？雖然，增加通風(fēng)預(yù)處理設(shè)備當(dāng)然會增加系統(tǒng)這一部份的費用，但是由于移除了通風(fēng)進(jìn)氣的水氣負(fù)載可省卻系統(tǒng)原本的過冷能力需求。因此節(jié)省下的運(yùn)轉(zhuǎn)費用應(yīng)足以抵銷安裝除濕系統(tǒng)系統(tǒng)的費用。這可由不少實際應(yīng)用案例的研究結(jié)果予以證實。但是對于大多數(shù)的商業(yè)建物而言，濕度控制所需費用多寡的問題并不容易回答，答案要視建物所有者的期望而走。
對于商用建物而研，客戶當(dāng)然不會去期待全年8760小時系統(tǒng)都要控制在一精準(zhǔn)的范圍之內(nèi)，因此他要知道在使用不同的技術(shù)時每年應(yīng)可獲得多少時數(shù)的舒適。為了幫助其回答這一個問題，本文作者已發(fā)展出一計算機(jī)程序來針對不同設(shè)備在不同的商業(yè)建物應(yīng)用時費用和舒適度之間的關(guān)系進(jìn)行評估。
濕度控制計算機(jī)程序：費用與舒適度之間的關(guān)系
對于濕度和費用相關(guān)之評估不能僅用設(shè)備規(guī)格之最大的設(shè)計條件來予以評估，一般人會認(rèn)為如果系統(tǒng)能夠在最大設(shè)計條件下達(dá)成舒適的濕度便必然能夠在部份負(fù)載的條件下也產(chǎn)生舒適的濕度是合乎邏輯的，但是這在熱能控制(溫控)的冷卻系統(tǒng)中卻未必正確。
圖六明確地顯示出這個狀況，甚至一個具有被動式除濕輪的系統(tǒng)當(dāng)空間中的顯熱負(fù)載低時也很難調(diào)節(jié)濕度到一舒適的程度。來自通風(fēng)進(jìn)氣中的水氣負(fù)載會增加室內(nèi)的濕度，這些問題在冷凍空調(diào)工程師在設(shè)計系統(tǒng)時會使得他們因而將冷卻單元予以過大化。但是若冷卻單元過大時，運(yùn)轉(zhuǎn)時間會因而縮短，以致于可能造成除濕能力變成完全沒有，因為運(yùn)轉(zhuǎn)時間過短會使得在蒸發(fā)器冷凝的水液沒有辦法完全滴水到集水盤上，因而會隨著進(jìn)入之空氣而再度蒸發(fā)被帶入室內(nèi)使得室內(nèi)濕度并未真正的下降。但是另一方面，由于上述的問題并不是整年都會發(fā)生，因此一個建物一小時模型之計算機(jī)仿真運(yùn)算可說是一個用來比較問題大小和其解決方案之費用之間關(guān)系的實際可行之工具。
該計算機(jī)程序系依據(jù)由LawerenceBerkeleyLab(勞侖斯柏克萊國家實驗室)為美國能源署所發(fā)展之DOE2.1運(yùn)算引擎(calculationengine)去進(jìn)行計算。該通用型程序曾用2種方式予以修正，并加上圖畫接口；程序也預(yù)先加載了12種商業(yè)建物的典型建筑，操作參數(shù)、每小時天氣數(shù)據(jù)、水電費時程以及可選用設(shè)備的種類等。這12種建物有的需要低濕，有的需要高通風(fēng)率，包括：
舒適度和能源耗費支出
用對于不同型式的建筑其運(yùn)轉(zhuǎn)費用不盡相同，但是運(yùn)轉(zhuǎn)費用對于設(shè)備型式的選用有很大的影響。表二所列的數(shù)據(jù)是紐約市內(nèi)建物使用主動式或被動式除濕輪的舒適度和費用之狀況，不同的建物顯示出以些使用主動型除濕輪會優(yōu)于被動型除濕輪有些建物則反之。
因此作決定變得相當(dāng)復(fù)雜。建物所有者應(yīng)該決定舒適度對建物之貢獻(xiàn)應(yīng)該有多少。一年中應(yīng)該有多少舒適小時數(shù)才值得因使用主動型除濕輪的額外支出。
結(jié)論
水電費用的高低會影響任何技術(shù)的費用優(yōu)勢和限制－這樣一個現(xiàn)實若非透過像本文所述之程序之仿真分析則是非常難以量化的。想想一類似天氣狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)一具備主動型除濕輪之冷凍空調(diào)系統(tǒng)，在紐奧良一年的運(yùn)轉(zhuǎn)費用是美金63,600元，而僅在約300公里外之杰克森城(Jackson,Miss)則僅需美金34,200元。
最后，運(yùn)轉(zhuǎn)費用并非唯一的顧慮，舒適度的價值又隨著其使用時段和不同建物所有人的喜好而定。但無論如何，在作任何決定使用任一技術(shù)之前，先了解其費用效益(即針對天氣及水電費予以分析)總是有用的。因為對舒適度的提高要求及電費調(diào)整是不可避免的，所以作者認(rèn)為這樣的模擬在將來會更形重要。
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