溶液除濕空調與節能應用

前言

傳統的蒸氣壓縮循環(vapor-compression cycle)空調系統自威利斯．開利(Willis Haviland Carrier)博士發明至今已逾百年，經過長期的改良與進步，既有技術已相當成熟，要在原有的基礎上有長足的進步，已愈來愈困難。除此之外，由於工作原理的關係，傳統空調系統的主要功能是在於進行顯熱的處理。若要以此系統來進行潛熱的處理則必須耗費大量的能源。因此，當面臨到日益嚴重的能源問題以及人們對於室內環境的舒適性與空氣品質要求的提升時，傳統空調系統面臨到的挑戰越來越大。而溶液除濕空調系統，一個自1931年發展至今，主要應用於濕度控制產業的系統，則提供了節能、且安全穩定的濕度控制能力及提供潔淨空氣藉以提升室內空氣品質的優勢。由於溶液除濕系統有著良好的潛熱處理能力，這個優勢恰好可以彌補傳統空調的不足，進而與傳統空調系統相互搭配而建立起一套更有效率的空調系統。除此之外，溶液除濕空調系統也具備了除塵、殺菌及去除異味的功能，在不需額外的裝置下，就可以供應品質良好的新鮮空氣，從而提升室內空氣品質。本文將針對溶液除濕系統的工作原理作介紹並比較其與傳統空調系統的差異，同時，說明基本的運轉架構及其能源的消耗，並就其節能的潛力，討論幾種提升溶液除濕系統效率的方式。最後，將說明溶液除濕空調系統如何有效提升室內空氣品質。

文獻回顧

除濕器和再生器作為溶液除濕系統的兩大重要部件，除濕器內空氣與溶液進行熱質交換，溶液吸收空氣中的水分使濃溶液變為稀溶液，放出熱量。再生器是一個相反的過程，溶液由稀溶液變為濃溶液，水分蒸發而吸收熱量，需要熱源來提供熱量進行系統再生。這兩大部件的結構和性能關係到整個除濕系統的整體效果，所以國內外有很多的專家和學者對此進行了研究。

Lowenstein等^[1]分析了影響除濕器中幾個互相制衡的因素，包括物理特徵和除濕器的氣流組織，為除濕器的設計提供了理論基礎。W.Kessling等^[2]用聚丙烯作為填料製造了一台內冷型的除濕器，除濕劑為LiCl溶液，並首次提出利用溶液的蓄能功能，LiCl溶液的蓄能能力要比冰的蓄能能力大3～5倍左右，為液體除濕空調系統的蓄能研究作了鋪墊。其中建立了簡單的數學模型，具體分析了除濕器裝置的影響因素，但對分析再生過程及影響再生過程的因素分析較少。A.Y.Khan等^[3]研究認為，空氣和除濕液順流或逆流對塔式吸收器除濕效果的影響不大，而除濕塔的填料尺寸、除濕液進口溫度和濃度、空氣的質量流速等是最重要的影響因素，同時填料的傳熱面積影響處理前後的焓差和除濕效率。Khan^[4]建立了二維穩態模型來預測其冷卻和除濕性能，描述了除濕器內部變化規律，研究結果表明其性能受水與空氣流量比、空氣的傳熱單元數、溶液濃度和冷卻水溫度的影響較大，並擬合出了經驗公式。W.Y.Saman和S. Alizadeh^[5]研究了一種除濕冷卻交叉流板式熱交換器，該熱交熱器由相互垂直的兩種水平通道構成，在平板的一側對室外新風進行除濕；而在平板的另一側引入室內回風與溶液蒸發冷卻，對除濕過程起到降溫過程，同時有除濕和間接蒸發冷卻作用，達到一定節能效果，針對這種換熱器建立了數學模型，分析了其性能。Shahab等^[6]使用聚丙烯材料製造了LiCl交叉流板式換熱除濕器，利用冷卻水和回風對除濕過程進行降溫，回收了回風的熱量，但是該除濕器在冷卻水溫度和溶液溫度低於24℃時，其熱質傳遞效率僅為8％左右，效果很不理想。K.Gommed^[7]利用了蒸發冷卻技術降溫，建立了一個計算機模型程序測定實驗性能，並對其進行分析。

對於除濕器和再生器的熱質傳模型的建立，R.E.Treybel^[8]對D.R. Olander的熱質傳模型進行了完善，建立了“微元控制體模型”，方法如下：將除濕器沿高度方向劃分為微元控制體，在穩定除濕狀態下，重點對發生在氣液兩相相界面處的熱質傳過程作了合理的簡化假設，推導出熱質傳的控制微分方程，得出整個除濕器的參數，這個模型在後來得到廣泛的應用，H.M.Factor和G.Grossman^[9]以及P.GandhidaSan^[10]等又先後在對其進一步完善，在數值算法上作了一些改進，方便熱質傳過程的求解，這一模型同樣適用於再生器，過程正好是相反的。另外，Andberg和Vliet^[11]也建立了與Grossman相似的模型。Yang和Wood^[12]通過假設對它們進行簡化，建立了模型並對其進行實驗驗證。

對於再生器熱質傳數學模型的研究也有不少。Fumo等^[13]搭建了太陽能為熱源的實驗台，並對再生器建立了模型，分析了溶液和空氣的進口參數對再生效率的影響，與實驗結果很吻合。Longe^[14]等利用常用的除濕鹽溶液對溶液再生過程的進行了實驗研究，並建立了理論模型，利用計算機模擬預測系統的性能，同時分析主要的操作參數對系統的影響，最後得出的實驗測試和理論模擬有著相同的規律。G.I.Sultan等^[15]對填料塔再生器建立了理論模型，描述了系統參數對其的影響，並用實驗研究了空氣和溶液參數對出口參數的影響，分析了入口參數對再生過程性能的影響。Esam Elsarrag^[16]重點研究了填料塔再生器中空氣和除濕劑的熱質傳遞的性能，定義了一些重要的性能參數，並與以前的再生器進行性能比較。分析了空氣和溶液的流速、空氣的含濕量、除濕溶液的濃度和對溫度再生性能的影響，並得出結論：溶液的流速對再生性能沒有太大的影響。

Yadav YK等^[17]透過實驗證明蒸汽壓縮空調系統中增加除濕機系統比單純的蒸汽壓縮式製冷節能35%。Kahalid Ahmed等^[18]採用溴化鋰作為除濕劑和吸收劑，同時模擬了添加除濕系統的吸收式空調系統，得出了這種複合系統比單純吸收式空調系統節能50%。SNayak等^[19]研究了利用燃氣熱電冷系統餘熱作為再生器推動熱源的溶液除濕空調系統，處理後的空氣經置於屋頂的製冷機降溫後送入建築內部進行空調。實驗表明，整個液體除濕系統COP約為0.5，與常規方式相比，系統一次能源利用率可提高約16.3%。T Katejanekarnd等人^[20]建立了一個以太陽能為驅動能源的溶液除濕空調系統，並對新風進行預處理。實驗表明，當含濕量由0.042 kg/kg減小到相對濕度為11.1%時，系統送風溫度約降1.2℃，同時和常規機組作了能耗比較。另外在節能性上也有不少研究。徐征等^[21]結合工程實例分析指出溫濕度獨立控制空調系統中處理顯熱的系統因冷水機組隨蒸發溫度的提高使COP值提高而降低能耗，但是應綜合比較單位換熱量金屬用量指標和設備用量指標，濕度處理系統的溶液再生能耗有可能抵消顯熱處理系統節約的能量。王順林等^[22]介紹了太陽能溶液除濕空調系統的形式及其工作原理，並將該系統運用到廣州某一小型辦公樓上，利用Dest軟件，進行了逐時模擬計算。結果表明：在不考慮傳統空調的再熱量，溶液除濕空調系統用電量僅為傳統空調系統的40%；鄭洁等^[23]對利用冷凝熱回收的除濕再生裝置進行了研究，結合實例，定義了溫濕度獨立控制溶液除濕系統總的冷源設備熱力系數，利用這個來判斷機組是否節能。分析表明其總冷源設備熱力係數比普通空調要提高45.5%，明顯節能。

計畫方法

溶液除濕空調系統工作原理

傳統空調系統之工作原理係由系統壓縮機對冷媒作功，產生高壓高溫冷媒及經由膨脹裝置降壓產生低壓低溫冷媒，藉由熱由高溫傳遞到低溫的溫度差工作原理來完成熱的移轉，達到降溫的功能。若要達到除濕的功能，則必須進一步將空氣的溫度降至露點溫度以下，才能完成去除水分、移除潛熱的工作。因此，冷媒溫度必須更低，壓縮機必須做更多的功才能達到此功能。由上述可知，傳統空調系統可以滿足的顯熱處理效率。但對於潛熱的處理，由於必須提供更低於空氣露點的溫度，加上無可避免於顯熱同時也被移除的作用，因此，經常發生大量能源的消耗，造成空調主機效率不彰。 圖一的藍色虛線表示傳統空調系統在空氣線圖上的工作路徑，為了除濕所必須對空氣處理的理論焓差為AC，若考慮過度冷卻後的再熱，則其焓差則增加為AC+BC。

圖二則是傳統空調典型的應用方式。外氣經由冷卻盤管降溫除濕的過程中，也造成了空氣的過冷(Overcooled)現象。為了符合人員的舒適性及環境溫濕度的規格，藉由加熱設備來解決過冷的問題，便成了必要之惡，同時，也造成了能源的浪費。

不同於利用溫度差的工作原理，溶液除濕空調系統乃是藉著工作介質表面水蒸氣分壓與空氣水蒸氣分壓的不同，利用水分子由高蒸氣分壓往低蒸氣分壓移動擴散的效應，達到除濕的目的，所謂的工作介質也就是除濕溶液(Desiccants)。 圖三說明了水分子在氣、液相間的擴散現象。當氣相的水蒸氣分壓小於液相的水蒸氣分壓時，水分子便會由液相往氣相擴散；反之，則由氣相往液相擴散。因此，造成水分子移動的趨動力為兩者間的水蒸氣分壓差，而與水分含量無關。

利用這樣的原理，當除濕溶液表面的水蒸氣分壓低於空氣的水蒸氣分壓，水分子由分壓高的空氣往分壓低的除濕溶液擴散而被除濕溶液吸收時，便是除濕的過程，達到了空氣除濕的目的。可是，當除濕溶液吸收的水分越來越多時，其表面的水蒸氣分壓也會跟著升高。當除濕溶液表面的水蒸氣分壓與空氣的水蒸氣分壓相同時，此時，由於兩者間不存在水蒸氣分壓的差異而達到平衡的狀態。由此可知，除濕溶液水分含量的多寡（除濕溶液的濃度）會影響其水蒸氣分壓的高低。除此之外，除濕溶液的溫度也會影響除濕溶液表面的水蒸氣分壓，其關係如 圖四所示。因此，當除濕溶液的水分含量增加或是溫度增加時，其表面的水蒸氣分壓也會跟著增加；反之，則水蒸氣分壓則會降低。

利用水蒸氣分壓的差異、溫度與水分含量對除濕溶液表面水蒸氣分壓的影響，便可以使除濕溶液對於空氣進行除濕及脫濕再生，進而形成一個循環而成為一個完整的空調除濕系統。 圖五說明了除濕溶液吸濕及脫濕再生的過程。再1-2的吸濕過程中，除了水份自空氣轉移至除濕溶液外，水份凝結所產生的凝結熱同時會傳遞至除濕溶液中，造成除濕溶液的含水量及溫度的上升。2-3為脫濕再生過程，此過程必須對除濕溶液加熱升溫，再其表面的水蒸氣分壓提高後，通以再生空氣使除濕溶液之水分轉移至空氣中，完成脫濕再生。此時，由於除濕溶液仍處於高溫狀態，因此必須予以降溫，使其表面的水蒸氣分壓降低以達到吸濕的功能，也就是3-1降溫過程。如此，便形成一個完整的循環。

將溶液除濕系統表現在空氣線圖上，則為 圖一中藍色實線路徑，由於工作原理的不同，其對空氣需處理的焓差為AC。與傳統空調比較，不管是否考慮過度冷卻後的再熱，理論焓差都是遠小於傳統空調系統的。

溶液除濕空調系統的系統架構

圖六為一基本溶液除濕系統架構。外氣或回風通過除濕段(Absorber Column)與低溫高濃度之溶液接觸，空氣中的水分及其凝結潛熱傳遞至溶液中。因此，空氣被除濕降溫供應至現場，而低溫高濃度溶液則因吸收了空氣中的水分及凝結潛熱而成為中溫低濃度溶液並流向再生段(Regeneration Column)。中溫低濃度溶液經加熱成為高溫低濃度溶液後，經由再生段與再生空氣接觸，同時將水分與熱傳遞至再生空氣中，而成為中溫高濃度溶液並流回除濕段。中溫高濃度之溶液經降溫後，再次進入除濕段，而形成一個完整的循環。

溶液除濕空調系統的能耗與節能潛力

由本系統架構可知，溶液除濕空調系統的能耗尚須考慮下列幾項：

• 驅使空氣與溶液流動的風車與泵浦。
• 溶液再生所需加熱（本項可採70℃以上廢熱熱源，如熱泵、空壓機、製程排氣、蒸汽水等）。
• 溶液除濕所需的冷卻（可採12~ 18℃冷水源，高溫型冰水主機、熱泵等）。

此外，若有多餘冷、熱源可以與此系統搭配，則可以大幅提升此系統的使用效率。下面將討論幾種提升系統運轉效率的方式。

利用高低溫度差及中間節效熱交換器(Economizer)的應用，可以將再生完成溶液的熱拿來作為再生前溶液的預熱，同時，達到再生完成溶液降溫預冷的功能。如此，不需過度依賴外來能源，利用自身的能源交換來減少冷卻與加熱量，達到節省能源與提升系統效率。由於再生段的加熱與除濕段的冷卻是同時發生的，因此熱泵的應用可以將除濕段的熱轉移至再生段，達到除濕段降溫與再生段升溫的功能。此外，利用太陽能系統來作為再生段的熱源亦是個有效的節能方式。

利用既有的廢熱作為再生段的熱源，除了可以省去再生段的加熱費用外，同時也可以省去廢熱處理的費用，這是對於溶液除濕空調系統最有效益的。此外，由於排氣系統所排出的氣體通常是經過處理過的室內空氣，若能選擇合適的排氣系統所排出的廢氣做為再生段所需的再生空氣，也可以大幅的降低再生段所需的加熱量，有效的提升系統效率。

溶液除濕空調系統與室內空氣品質

由於溶液除濕空調系統的運作方式是將除濕溶液利用類似水洗的方式直接與空氣作接觸，因此，可以有效的去除空氣中的粉塵微粒，對於粉塵粒徑大於5 micro以上的微粒，其去除效率可達到80%，因此，可以延長終端空氣濾網的壽命，降低維護成本，甚至依據應用狀況，有機會可以免裝特殊效率型濾網，而溶液透過系統的過濾淨化裝置，可持續維持高效能，其壽命經實驗證明可逾96,000小時，不需添加或更換。

由於傳統空調系統依靠使空氣通過冷卻盤管對空氣進行降溫除濕，也因此，導致冷卻盤管成為潮濕表面且會產生冷凝水。當空調系統停止運轉後，潮濕處就成了黴菌繁殖的最好場所，而這些黴菌便藉著空調系統散佈到整個環境中，造成室內空氣品質不良。也由於經過冷卻盤管後，空氣為低溫且濕度是接近飽和的，稍有設計或運作不當便造成結露滴水的現象發生。這些現象在溶液除濕空調系統中，都是不會發生的。因為，溶液除濕空調系統不是藉由降溫的方式來除濕，因此，沒有低溫結露的狀況發生，也就不會有適合黴菌生長的場所及結露滴水的現象。

由上述幾項特點可知，溶液除濕空調系統在不需額外的裝置與費用下，便可以有效的提升室內空氣品質。

案例介紹

以台中某廠做為案例，該廠原空調系統架構圖如 圖七所示。該廠使用冰水出水溫度為7℃，而其再熱則是使用電熱加熱系統。在加入溶液空調系統進行全廠區的空調系統改善後，其原先的冰水使用溫度提升到12℃。原先針對AHU的電熱再熱系統也無需使用，即可達成原先設定的送風溫度。而其造成的用電改善狀況達到節能40%的成效，其回收年限約為3年。

模型建立

以一台140,000CMH處理外氣量的MAU與420,000CMH的回風風量；外氣條件為35℃DB/80%RH、回風條件為22℃DB/43%RH，MAU送風條件為14℃DB/71.1%RH為本次模型建立。基本架構示意圖如 圖九所示。

之後在此架構中再加入溶液空調系統，由溶液空調設備處理部分回風風量，預期目標為降低回風濕度，使MAU降低負載。基本架構示意圖如 圖十所示。

結果與分析

溶液除濕空調系統若與傳統空調搭配，由傳統空調系統處理空氣的預冷降溫，由溶液除濕空調系統處理潛熱除濕的部分，則可發揮兩種系統的長處，而成為一個有效率的空調系統。同時，由於傳統空調系統不需再提供低溫條件來進行除濕而得到更好的運轉效率。從 表一可以發現原傳統空調系統的冰水出水溫度為5℃方能達到環境溫濕度的規格，則在搭配溶液除濕空調系統的狀況下，冰水出水溫度可以提升至約11℃。如此，可提升冰水主機COP性能係數至少10%，使整體空調系統的效率可以大幅的提升，同時，也可以降低溶液除濕空調系統的負擔，而達到整個空調系統性能的最佳化組合。另外因提高冰水溫度，而提升冰水主機性能。溶液除濕如使用熱泵的情況下，其熱泵冷能還可以回饋給其他的冰水系統，使其更有效的運用。其單位時間的費用比較如 圖十一所示。從圖中可以看出因冰水溫度上升，其單位時間的運轉費用下降，當冰水溫度在10℃時，其MAU則無需再熱，其也不會造成因過冷而需再熱到適合溫度的能源浪費。

結論

上述系統，與原本的傳統空調系統相比之下，使用溶液除濕可提高冰水溫度，同時也提昇了冰水主機運轉效率，另外也可降低MAU的再熱量。以 表二年平均節費計算表所示：在140,000 CMH外氣空調處理設備的基準下，溶液除濕系統可將冰水出水溫度由5.0℃調昇至8.4℃，以平均電費電每度3.0元計算，每年運轉成本將可節省 3,125,569 元，而新增設備成本約為1,000萬元，估算回收年限為3.2年。

溶液除濕提供了一種與傳統空調截然不同工作原理的節能降溫與除濕方法，此外，溶液除濕空調系統及其應用在歷經了近80年的發展與改善，不論在是設備、系統、運轉三方面或是操作面都是相當成熟穩定的，國際間已廣泛運轉於知名食品廠、藥廠、醫院、工業潔淨室等，甚至沙漠地區造水應用。由於系統在溫度的控制可以達成±0.2℃，濕度的控制可以達成±2%的優越性能，且兼具穩定安全的節能節水綜效，非常適用於亞熱帶型氣候特徵的地區空調應用。

除此之外，溶液除濕空調系統尚有下列特性。

• 節能減碳，並可提供美國律建築LEED認證過程高得分點。
• 廢熱源有效組合利用，創新綠能價值。
• 無使用冷媒，無壓力容器管制問體，環保無環境破壞及溫室氣體產生。
• 供應乾燥空氣，無黴菌疵生問題，提供乾淨空氣。
• 搭配傳統空調系統，建立高效率空調系統。
• 可與各式冷、熱源系統搭配，創造高效率的能源使用性。

由於，溶液除濕空調系統不僅僅是一個單純的空調設備，而是一個可以與多種設備（中間節效熱交換器、熱泵、太陽能系統等）及冷、熱源（鍋爐廢熱、排氣廢熱、地熱、地下水冷源等）搭配的空調系統，甚至取代空調箱。因此，如何在各系統間搭配並尋求出最佳的系統方案，便需要整合各種系統的知識技術及運用，提供Total solution的規劃方式來執行，以達到最佳應用及空調系統節能的有效目標。