新型空調系統節能除濕技術-薄膜等溫除濕介紹
李汶墾 教授
中原大學機械系
地球人口不斷增長,相對地,能源的需求也日益增加,人類長期使用碳基燃料,如石油或燃煤等,不但造成能源短缺的危機,並衍生全球暖化問題;台灣天然資源貧乏,大部份能源仰賴進口,為了實現能源永續發展,除了開發新的能源替代資源外,節流的概念日趨重要。在台灣溫暖高濕的海島型氣候下,舒適空調已成為工、商業及住宅不可或缺的一部分。依照經濟部能源局「辦公室節能應用技術手冊」,空調耗電量約占全年用電量高達47.9%,所以在能源節約方面,我們可以將目光投向空調系統節能的方式。
空氣調節是包含溫度、濕度與清淨度的氣流循環控制系統。由於台灣屬於高溫高濕海島型氣候,在梅雨季節或夏天雨季時,空氣的相對濕度常高達80%以上,在如此潮濕的環境下,除了影響人體舒適感外,更可能造成儀器設備的損壞,並容易滋生病菌,影響身體健康及生活品質,因此合理控制空氣濕度變成重要關鍵。現今空氣調節系統(HVAC, Heating, Ventilation, Air-conditioning and Cooling)常用的除濕方法,可區分為冷凝除濕、乾燥劑除濕和薄膜等溫除濕等3類(作用原理如圖1所示),分述如下:
圖1 不同除濕方法除濕過程示意圖。
(1)冷凝除濕:一般HVAC空調系統裡,這種方法約占90%,其除濕過程(紅線)首先將較高的環境溫度(點1)降至較低溫度(點2),然後沿著飽和曲線降至露點溫度以下(點3),使水蒸氣冷凝除濕。但在壓縮冷凍過程中,會耗費大量能,另此時的溫度過低,人類無法適應,所以再將低溫的空氣加熱至舒適的溫度(如點6),以滿足人體的舒適度,因此再次耗損能源加熱,而且冷媒的使用有害人體健康,並會造成環境污染。
(2)乾燥劑除濕:主要利用乾燥劑吸附空氣中的水蒸氣,但吸附過程中,會產生大量的吸附熱量而提高空氣溫度,如藍線所示。
(3)薄膜等溫除濕:薄膜除濕以最短的路徑(綠線,點1 → 點5→點 6),在等溫狀態下除去水分,具備簡單易維護、環保、成本低及能耗小等優勢。
圖2 薄膜等溫除濕作用原理。
近年來,薄膜除濕技術因兼具節能與環保等優點,受到許多關注與討論,未來可取代傳統空調除濕系統,除節省不必要能源浪費外,也可以減少冷媒使用。薄膜係指厚度介於單原子至幾毫米間的有機物層,具有選擇性的膜狀屏障物,而選擇性是指能讓某些物質通過薄膜,並阻隔其他物質,在空調系統的薄膜除濕技術,主要利用薄膜的選擇性與滲透性來達到分離效果,作用原理如圖2所示,高濕空氣裡的水蒸氣會優先通過薄膜,所以只需在薄膜的另一側施加足夠的驅動力即可加速達成水氣分離除濕的效果。未來薄膜等溫除濕技術若能與現今空調系統有效結合,將會有突破性的發展,影響全球整體空調市場。