商業(yè)建物通風用主動型除濕系統(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)當作其冷凍空調(diào)系統(tǒng)的一般組件。當建物中的水氣負載藉由主動型(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系統(tǒng)中。學校、賣場、旅館、飯店、影劇院以及老人看護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用除濕的例子看來，建物的所有者比一般認為的還要關(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)生的最大濕度負載。取得這些數(shù)據(jù)非常費時，再加上ASHRAE標準62-1989－可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)之通風，會因為提高通風率的建議值而影響建筑法規(guī)。而增加通風率則會讓傳統(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先空調(diào)技術(shù)之應用。本文作者已發(fā)展出一套軟件來評估各種通風預處理方式(包括主動型和被動型的除濕系統(tǒng))的運轉(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入該系統(tǒng)前干燥。應用在工業(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行再生，而"被動"的除濕輪則是干燥空氣進行再生(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)的溫度下進行再生。圖二為一般主動式除濕輪在4種由ARI標準940-1998所定義的進氣條件下之性能數(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氣中水份移除量的增加而增加。進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)的通風相關(guān)的應用上，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)型冷卻器導致之維護工作。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載則交由建物的冷卻系統(tǒng)予以移除來干燥通風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)一般用來干燥通風空氣因其代表了最大的濕氣負載(見圖四，有6成)，當通風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定的程度。另一方面，移除水氣負載亦可使得冷卻系統(tǒng)的性能更具效率。當沒有移除大量的水氣負載的需要時，冷卻單元不便不需要將空氣過冷。因此當顯熱負載低，而水氣負載高時，系統(tǒng)的舒適度在"部份負載條件"下便有其優(yōu)點。
圖五為佛羅里達州西棕履灘(WestPalmBeach,Fla.)典型一年的進氣狀況，每年約有3538小時會有通風水氣負載，而沒有顯熱負載。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。除濕機制會隨濕度計反應，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，增加通風預處理設(shè)備當然會增加系統(tǒng)這一部份的費用，但是由于移除了通風進氣的水氣負載可省卻系統(tǒng)原本的過冷能力需求。因此節(jié)省下的運轉(zhuǎn)費用應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，客戶當然不會去期待全年8760小時系統(tǒng)都要控制在一精準的范圍之內(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)展出一計算機程序來針對不同設(shè)備在不同的商業(yè)建物應用時費用和舒適度之間的關(guān)系進行評估。
濕度控制計算機程序：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，一般人會認為如果系統(tǒng)能夠在最大設(shè)計條件下達成舒適的濕度便必然能夠在部份負載的條件下也產(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)當空間中的顯熱負載低時也很難調(diào)節(jié)濕度到一舒適的程度。來自通風進氣中的水氣負載會增加室內(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仿真運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運算引擎(calculationengine)去進行計算。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轉(zhuǎn)費用不盡相同，但是運轉(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復雜。建物所有者應該決定舒適度對建物之貢獻應該有多少。一年中應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，所以作者認為這樣的模擬在將來會更形重要。
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