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商业建物通风用主动型除湿系统之评估 [2007-11-16]来源:正岛电器
       在过去15年中,需要比一般建物还要低湿度的商业建物会将主动型除湿系统当作其冷冻空调系统的一般组件。当建物中的水气负载藉由主动型(加热再生式)移除之后,溜冰馆、大型超市、以及冷冻仓库之冷冻系统便可以更有效地冷却空气。因此冰宫可省钱,增加舒适度及延长营业季节等效益,而超市有低温储存产品,冷冻仓库则有安全性提升之效益。这些效益足以使得除湿组件成为商业建物的一部份。

  但是近来亦有将主动型除湿系统用在并不明显需要低湿之建物的通风系统中。学校、卖场、旅馆、饭店、影剧院以及老人看护中心的拥有者通常只需要适中的湿度而不需要低湿控制,也就是说,当相对湿度超过了60%时,室内人员也许会稍感不适而室内易生霉菌,但是资产并未因而折损,且运转费用的增加也难以判断出有多少是因湿度之故,因此在这些建物的通风中,加装主动型除湿系统很能看出其优点,尤其是另外有其它各种方式可移除换气中的多余水气。不过,由最近一些成功地在这些建物应用除湿的例子看来,建物的所有者比一般认为的还要关心湿度控制的问题。

  近来ASHRAE将设计重点放在其所出版之1997年手册-基本原理(1997 ASHRAE HANDBOOK-Fundamental) 之第26章中之天气数据内,因而使得冷冻空调工程师可以很快的藉由这些数据去量化从室外空气产生的最大湿度负载。取得这些数据非常费时,再加上ASHRAE标准62-1989-可接受的室内空气品质之通风,会因为提高通风率的建议值而影响建筑法规。而增加通风率则会让传统套装式屋顶型空调系统的除湿效能降低而造成湿度控制上的问题。如此加速了室外空气预先空调技术之应用。本文作者已发展出一套软件来评估各种通风预处理方式(包括主动型和被动型的除湿系统)的运转费用和舒适效益。

主动和被动的除湿系统

  除湿轮系藉由吸附的方式来移除空气中的水份。由于除湿物质表面较潮湿空气有较低的水蒸气压,因此水气会渗入除湿剂中。因此空气在排出时会较其进入该系统前干燥。应用在工业建物和制程中有液体和固体两类型,但是在商业建物中则大多使用固体除湿剂。

  将固体除湿剂应用在空气流道的方式乃将其注入在轮状物之蜂巢型方格内。供气会通过轮子的一区而得以干燥,以后轮子会缓慢地旋转至第二道再生空气流道,以干燥除湿剂并将所吸附之湿气排放到室外。

  除湿剂可用较热或较干的空气予以再生。所谓"主动"的除湿轮系使用加热空气进行再生,而"被动"的除湿轮则是干燥空气进行再生(通常是使用建物的排气)。主动型除湿轮的优点是其能在任何天气条件下,不论其排放气体的湿度如何,都可以连续地提供干燥空气,而且可以用室外空气而非建物排气来再生除湿剂,因此在安装上可因不需将排气引回而较有弹性。但另一方面,由于主动型除湿轮需要额外的热输入以干燥空气则会增加运转费用。被动型除湿方式则移除较少之水份,建物供气的水气含量视建物排气的含水量而定,而由于其是以一绝热方式来再生除湿剂,因此不需要额外能源的输入,因此每小时的运转费用较主动型除湿轮低。两种技术皆可在商业建物中除湿通风系统中使用,而主动型除湿轮可大量除湿而被动型除湿轮可便宜地除湿,以帮助冷却系统适切地调整湿度。

         http://www.chinazedo.com/

主动的除湿轮(Active Desiccant Wheels)

  一个除湿轮的除湿量视许多因素而定,包括进气之温度和湿度吸附剂的型式和份量,除湿轮的厚度、蜂巢结构之表面积、空气流过除湿轮的速度,以及除湿轮旋转速度等。但是商业建物的建商则多半是以再生空气的温度为除湿能力的主要变量。因此若要使得供气更干,再生空气通常会被加热至更高的温度。商业用除湿轮通常在华氏190到225度(即摄氏82到107度)的温度下进行再生。图二为一般主动式除湿轮在4种由ARI标准940-1998所定义的进气条件下之性能数据,这样的数据可以用来评比除湿轮型式的除湿设备。

                                                http://www.chinazedo.com/

图二的数据中值得注意的是干燥供气的温升会随着进气中水份移除量的增加而增加。进气的温升中大概有八到九成是因着将空气中水份移除时把潜热转换成显热而产生的。温度上升的平衡来自于除湿轮旋转时将热由再生热空气带到渐冷的供气中(carry-over)。

  在某些应用中,显热非常有用,例如超市中展示柜,除非在热空气使用于冷冻食品区时,一般都会造成走道的过冷。但是在大多数的通风相关的应用上,热供气在送到欲冷却的室内之前必须至少被部份冷却,这样一来便会增加主动型除湿轮的运转费用。

干燥供气的后冷却(post-cooling)

  图三为一般用于冷却供气之低价热交换器及蒸发冷却器,后冷却器移除供气热量的多寡依热交换器冷侧空气有多冷而定。理想上系统会利用建物室内排气进行蒸发式的冷却,这样一来便可用最少的花费来提供最大的后冷却作用。然而,在很多案例中建物在进气处之附近并无法取得建物之排气;有些情况下,建物的所有者甚至要避免因使用蒸发型冷却器导致之维护工作。在这些状况下,后冷却器便会用未处理过的室外空气,使得除湿系统的供气冷却量因而减少,在后冷却之后剩下的显热负载则交由建物的冷却系统予以移除来干燥通风之空气以改善舒适度。

                                                  正岛电器

在商用冷冻空调系统中,主动型除湿系统一般用来干燥通风空气因其代表了最大的湿气负载(见图四,有6成),当通风的空气被深度干燥后(比建物所需要的干燥程度还高时),供气就好比一个"海绵"-用以吸收空间中多余的湿气且将湿度保持在一个预定的程度。另一方面,移除水气负载亦可使得冷却系统的性能更具效率。当没有移除大量的水气负载的需要时,冷却单元不便不需要将空气过冷。因此当显热负载低,而水气负载高时,系统的舒适度在"部份负载条件"下便有其优点。

                                                 正岛电器

图五为佛罗里达州西棕履滩(West Palm Beach, Fla.)典型一年的进气状况,每年约有3538小时会有通风水气负载,而没有显热负载。在低价的冷冻空调系统下,这表示一年有这么长的时间,冷却系统造成建物是在过低但又潮湿的状况。在如此的建物中加装除湿装置-可以是冷凝型或是除湿剂型式-虽然会增加安装费用但是舒适度却可以大幅改善。除湿机制会随湿度计反应,而冷却系统则会随温度量测变化。因此若将控制和设备分开可使得温度和湿度达到一更均匀分布的状况。这样一来,控制的价格呢?虽然,增加通风预处理设备当然会增加系统这一部份的费用,但是由于移除了通风进气的水气负载可省却系统原本的过冷能力需求。因此节省下的运转费用应足以抵销安装除湿系统系统的费用。这可由不少实际应用案例的研究结果予以证实。但是对于大多数的商业建物而言,湿度控制所需费用多寡的问题并不容易回答,答案要视建物所有者的期望而走。

                                              正岛电器

对于商用建物而研,客户当然不会去期待全年8760小时系统都要控制在一精准的范围之内,因此他要知道在使用不同的技术时每年应可获得多少时数的舒适。为了帮助其回答这一个问题,本文作者已发展出一计算机程序来针对不同设备在不同的商业建物应用时费用和舒适度之间的关系进行评估。

湿度控制计算机程序:费用与舒适度之间的关系

  对于湿度和费用相关之评估不能仅用设备规格之最大的设计条件来予以评估,一般人会认为如果系统能够在最大设计条件下达成舒适的湿度便必然能够在部份负载的条件下也产生舒适的湿度是合乎逻辑的,但是这在热能控制(温控)的冷却系统中却未必正确。

  图六明确地显示出这个状况,甚至一个具有被动式除湿轮的系统当空间中的显热负载低时也很难调节湿度到一舒适的程度。来自通风进气中的水气负载会增加室内的湿度,这些问题在冷冻空调工程师在设计系统时会使得他们因而将冷却单元予以过大化。但是若冷却单元过大时,运转时间会因而缩短,以致于可能造成除湿能力变成完全没有,因为运转时间过短会使得在蒸发器冷凝的水液没有办法完全滴水到集水盘上,因而会随着进入之空气而再度蒸发被带入室内使得室内湿度并未真正的下降。但是另一方面,由于上述的问题并不是整年都会发生,因此一个建物一小时模型之计算机仿真运算可说是一个用来比较问题大小和其解决方案之费用之间关系的实际可行之工具。

                                                    正岛电器

该计算机程序系依据由Lawerence Berkeley Lab(劳仑斯柏克莱国家实验室)为美国能源署所发展之DOE2.1运算引擎(calculation engine)去进行计算。该通用型程序曾用2种方式予以修正,并加上图画接口;程序也预先加载了12种商业建物的典型建筑,操作参数、每小时天气数据、水电费时程以及可选用设备的种类等。这12种建物有的需要低湿,有的需要高通风率,包括:

应用范例:影剧院中的舒适度和能源费用。

  电影院在许多特别处和一般建物不同,具有厚实的隔绝材用来作杂音隔离,和大厅相隔较远,且最多人使用的时间在夜晚,且人员密度较一般建物高。人愈多表示需要更大的单位楼面积的通风率,因此这些因素使得系统需求为低显热负载而相当高的水气负载。

  电影院的商业竞争对手是录音带、片的家庭出租行业。录像带提供了隐私,方便及低价等优点;而电影院则提供高视觉、较佳音响享受和最新影片的好处。如此看来,清新舒适的影院,空气有其价值,且理想上应该比家庭观赏录像带的环境要好才是。本文应用计算机程序对电影院计算两种进气预处理的设备并进行比较。(译者注:运算条件请读者参考原文叙述)

  模拟的结果列示如表一。表列次序乃是以费用变化而定。其中不舒适度(discomfort)乃是以当空间使用时相对湿度超过60%的时数为其定义。图七为比较之两种进气预处理设备(被动型除湿轮和主动型除湿轮)的示意图。

                               正岛电器

               正岛电器

   

舒适度和能源耗费支出

  用对于不同型式的建筑其运转费用不尽相同,但是运转费用对于设备型式的选用有很大的影响。表二所列的数据是纽约市内建物使用主动式或被动式除湿轮的舒适度和费用之状况,不同的建物显示出以些使用主动型除湿轮会优于被动型除湿轮有些建物则反之。

                             正岛电器

因此作决定变得相当复杂。建物所有者应该决定舒适度对建物之贡献应该有多少。一年中应该有多少舒适小时数才值得因使用主动型除湿轮的额外支出。

结论

  水电费用的高低会影响任何技术的费用优势和限制-这样一个现实若非透过像本文所述之程序之仿真分析则是非常难以量化的。想想一类似天气状况下运转一具备主动型除湿轮之冷冻空调系统,在纽奥良一年的运转费用是美金63,600元,而仅在约300公里外之杰克森城(Jackson, Miss)则仅需美金34,200元。

  最后,运转费用并非唯一的顾虑,舒适度的价值又随着其使用时段和不同建物所有人的喜好而定。但无论如何,在作任何决定使用任一技术之前,先了解其费用效益(即针对天气及水电费予以分析)总是有用的。因为对舒适度的提高要求及电费调整是不可避免的,所以作者认为这样的模拟在将来会更形重要。

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