CN101206062B - 超饱和外气省能空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气调节系统，特别是一种超饱和外气省能空调系统，是指结合超饱和雾化制冷、除湿轮湿度控制、热管热交换器冷能回收等技术且不需要压缩机之全外气空调系统，该空调机中之系统分为进气侧、排气侧与再生侧等三个部分，并且包括有除湿轮、超饱和雾化装置与热管热交换器等主要组件，其中，除湿轮位于进气侧与再生侧之间用以提供外气的加热除湿操作，超饱和雾化装置位于排气侧用以制造冷能，并透过热管热交换器将冷能传递至进气侧将外气降温为其特征者。

Description

超饱和外气省能空调系统

技术领域

本发明涉及一种空气调节系统。

背景技术

无尘室为了维持高洁净度的空气品质，空调系统均采用全外气的设计方式，因此需要耗费大量的能源，根据调查，在相同的半导体厂房面积下，洁净度每升高一级(如由100级升为10级)其空调耗电量约增加三倍，若是以12寸晶原厂所需之洁净度1级为例，其空调所需要的耗电是100级的9倍之多，因此如何能够提供高洁净度的环境也同时节省能源的消耗，进而降低产业生产成本，提升竞争力是相当重要的。

传统的洁净室空调系统如图1a所示，包括有处理空气尘粒的初级1、中级2、高级滤网3、驱动空气的风机4及调整空气状态的冰水盘管5、热水盘管6及加湿器7等组件。外气8首先经过滤网将尘粒与杂质滤除之后，经过冰水盘管5将空气的降温达到除湿的目的，经过降温除湿后的空气温度往往过低，因此再辅以热水盘管6加热将温度提高到默认值，空气再经过加湿器7调整湿度，而后状态调整的空气9在进入空间10中使用。

传统的洁净室空调系统的空气线图如图1b所示。外气以状态OA(35℃，70％RH)进入空调箱，经过滤网3之后，透过冰水盘管5完成降温除湿过程，并以状态A离开冰水盘管5，而后外气8经过热水盘管6加热到达状态B，此时依照室内空间的空气状态要求，利用加湿器7微调湿度，外气8以状态SA(23℃，50％RH)进入室内空间，外气8吸收室内负荷状态到达RA(28℃，38％RH)，最后以RA离开室内空间。

在整个外气8的状态调整过程之中，空气8通过冰水盘管5之后呈现过于低温及干燥的状态，需再透过热水盘管6与加湿器7的协助完成状态的调整，造成能源的二次浪费，徒增不必要的能源消耗与制程成本。此外传统空调之冰水盘管5需供应低温的冰水进行空气的除湿过程，以致冰水主机低效率运转。

传统的洁净室全外气空调系统乃是将室内排气11直接排放于大气之中，由于室内排气11大多属于低温且干燥的状态，若能够将其所具有的冷能加以回收，用以预冷进入空调箱的外气8，将有助于节省空调系统中冰水主机的电力消耗。传统的空调系统是采用全热交换器作为外气冷能回收的主要工具，传统的全热交换器最为常用者是平板式与转轮式两种，在实际使用时，两者均有进气与排气相互污染的情况，使得进入室内的空气品质难以控制，因此在高洁净环境需求的情况下，两种全热交换器将无法提供所需的空气品质，使得传统空调系统在高洁净度洁净室的空气处理上面遇到瓶颈。

由上所述可知传统的全外气空调系统具有以下的缺点：冰水盘管5与加热水盘管6的二次能源浪费；室内排气11冷能没有回收所造成的冷能浪费；即使装有全热交换器，亦有排气与进气交互污染的情况发生；需要使用冰水主机与冷媒，不利环保且主机需常维修，有鉴于此，乃研发出本发明之超饱和外气省能空调箱。

发明内容

本发明的目的是提供一种可结合超饱和雾化制冷、除湿轮湿度控制、热管热交换器冷能回收等技术且不需要压缩机之全外气空调系统。

一种超饱和外气省能空调系统，该空调系统是由文件板组搭配除湿轮、热管热交换器、太阳能空气加热器、加湿器以及超饱和雾化装置所组合构成，其内的系统分为外气进气侧、室内排气侧以及再生侧三个部分，而空气的处理过程主要分为外气加热除湿、降温、超饱和雾化制冷以及排气冷能回收等四个步骤。

本发明的有益效果在于：

本发明所具有的一大特色是利用超饱和雾化装置来制冷。有别于传统喷嘴造雾的方式，本发明是采用超饱和雾化装置产生极为微细的水雾，再将之与排气混合，使排气产生超饱和状态(亦即排气中所含有的水分，大于100％的相对湿度时之排气所能含有者)使接下来的冷能回收将可使性能大幅提升。而一般的喷雾制冷系统的空气在通过热交换器完成冷能传递之后，会因吸收了来自新鲜空气侧的热能而温度提高，使得热传能力因与进、排气端间的温度差减少而降低，若是采用利用超饱和的空气状态则可避免此点之发生。当处于超饱和状态的空气通过热管热交换器吸收来自进气侧的热能时，由于空气中含有极为微细的水雾颗粒，此水雾颗粒由于表面积与体积之间的比值甚大，因此能够迅速地吸收来自新鲜空气侧的热能而产生蒸发，同时带走相当大的潜热，使得在完成热交换之后的排气温度几乎维持恒定，且在超饱和空气的吸热过程之中，由于随时都有水雾处于蒸发的状态，整个空气的比容亦会产生上下震荡的变化，此震荡的现象将使得热交换器内的排气侧流场产生更多的紊流结构，提升热交换器的性能。

本发明之超饱和外气省能空调系统系利用太阳能空气加热器提供的热能来再生除湿轮。除湿轮的转轮可分为除湿侧与再生侧两大部分，在除湿侧完成水分吸收的轮面，利用旋转的方式，移至再生侧中，此时利用太阳能空气加热器所提供的热能加热将转轮中的水气并使其脱离轮面达到再生的作用，而后干燥的轮面重新回到除湿侧完成循环。在除湿轮的运转过程中，用太阳能再生转轮的设计可以取代原本用来再生转轮的电热设备，可以进一步节约空调箱的电能消耗，且太阳能属于洁净能源，使得本发明更具有环保价值。

本发明采用热管热交换器作为能量传输的主要组件，在热交换的过程之中，能量的传递系透过热管内部工作流体的蒸发与冷凝等热传机制完成，除了具有优异热传性能之外，进气与排气间也能完全隔离，完全避免进、排气间交互污染的可能性，除了能够提供一般民生家庭高品质的空调环境之外使用，在医院中如病房的中央空调、负压隔离病房或半导体高洁净厂房等对于空气洁净度要求极为严苛的环境都能够完全胜任，并且由于热管采用蒸发段与冷凝段分离的设计，即使风管的进气侧与排气侧相隔一段距离，热管仍然可以达到能量传递的功能，使得在风管系统设计上更具弹性。本发明除了可以回收能源、节省电力消耗之外，由于可以完全避免进气与排气交互污染的情况发生，将有助于提供半导体厂区或是医院隔离病房更加洁净的空调环境，使得具更高精密度的制程或更为安全舒适的环境能够顺利达到。

附图的简要说明

图1a是传统全外气空调系统示意图。

图1b是传统全外气空调系统空气线图。

图2是本发明超饱和外气省能空调系统示意图。

图3a是本发明超饱和外气省能空调系统于夏季操作时之系统示意图。

图3b是本发明超饱和外气省能空调系统于夏季操作时之空气线图。

图4a是本发明超饱和外气省能空调系统于冬季操作时之系统示意图。

图4b是本发明超饱和外气省能空调系统于冬季操作时之空气线图。

图5a是本发明超饱和外气省能空调系统以双级设计时之系统示意图。

图5b是本发明超饱和外气省能空调系统以双级设计时之空气线图。

图6是本发明超饱和外气省能空调系统采用除湿物质喷雾系统时之系统示意图。

【主要组件符号说明】

空气尘粒的初级滤网    1             空气尘粒的中级滤网  2

高级滤网              3             风机                4

冰水盘管              5             热水盘管            6

加湿器                7             外气                8、28

空气                  9             室内空间            10

室内排气              11            外气进气侧          12

室内排气侧            13            再生侧              14、30

热管热交换器          15            除湿轮              16

超饱和雾化装置        17            太阳能空气加热器    18

档板组                19            档板                21、22、23、24

除湿侧                25            蒸发端              26

冷凝端                27            雾化喷头            31

除湿物质颗粒          32            拦截装置            33

除湿物质颗粒传送装置  34            高压泵              35

具体实施方式

请参阅图2所示，本发明超饱和外气省能空调系统，其内的系统分为外气进气侧12、室内排气侧13以及再生侧14三个部分，而内部主要包含有热管热交换器15、除湿轮16、超饱和雾化装置17、太阳能空气加热器18、加湿器7以及档板组19等五大部分，本发明可针对不同的外气条件，如不同季节，调整系统的外气处理流程，或是依照不同的设备特性或是外气处理量，而有双级或是多级系统的设计。

本发明由于采用热管热交换器15作为冷能传输的组件，外气8与室内排气11完全隔离，能够提供无交互污染的高品质空调环境。整个空气的处理过程之中，系统以超饱和雾化装置17制冷，不需要使用到任何冰水主机，除了没有使用冷媒所造成环境负担之外，亦没有装设冷却水塔所造成的噪音与安装空间等问题，且除湿轮16系利用太阳空气加热器18提供的热能予以再生，除了可节省再生过程的电热消耗之外，绿色能源的使用亦使得本发明更具环保的价值，整个系统采用模块化设计，可以完全兼容于目前半导体厂的空调系统，为一能够大幅节省能源同时提供高品质环境之创新空调系统。

本发明之超饱和外气省能空调系统，可依照不同的外气条件调整空气处理过程。在夏季时，系统针对高温高湿的外气8条件提供降温除湿的处理，在冬季时低温干燥的外气8在进入室内空间10之前即需要经过加热与加湿的空气处理过程。本发明可以依照不同的外气处理需求，以控制空调机的操作模式与外气8在其内部的流向来达到不同外气8处理的过程，使系统无论是在夏季或是冬季等不同的气候条件中，均可以提供室内空间10所需的空气状态，并达到节约能源的目的。

本发明所提出之超饱和外气省能空调系统，可依照不同的外气处理量，或是不同的除湿转轮除湿能力与热管热交换器的热交换效率，而有双级与多级的系统设计。若外气处理量较大或是室内空间的空气条件需求较为严苛时，若只采用单一除湿轮16与热管热交换器15的系统进行外气的处理，则此除湿轮16的尺寸将相当巨大，且所需的热管热交换器15效率也将过高，针对这种情况，本发明提出采用多级系统的设计，空调系统以串连多个除湿轮16与热管热交换器15的方式，将外气8的处理过程分成数阶段来完成，除了可以满足冷房的空调需求外，系统所采用的除湿轮16尺寸与热管热交换器15效率也将较为合理。

于夏季的外气条件下，系统的运转模式示意如图3a所示，高温高湿的外气8必须经过降温除湿的处理过程方能提供至室内空间10使用，此时系统关闭文件板23并开启档板21、档板22、与档板24，外气8自进气侧流入，另有一部份的外气28自再生侧流入，空气的处理过程主要分为外气加热除湿、降温、超饱和雾化制冷以及排气冷能回收等四个步骤。

外气8首先经过除湿轮16的除湿侧25进行加热除湿的过程。当外气8自进气侧进入时，除湿轮16的除湿侧25利用其表面具有的多孔性物质吸收外气8内部多余的水蒸气，此过程中除湿轮16的除湿侧25所吸收之水蒸气的部分潜热会传递至外气8之中使外气8温度升高，达到加热除湿的目的，而后外气8以干燥高温的状态离开除湿轮16的除湿侧25。在此过程中完成除湿过程的除湿轮16轮面需要透过加热的方式将轮面中的水分去除，使转轮恢复除湿能力，本系统是利用太阳能空气加热器18作为还原轮面的所需的热能来源。系统以太阳能空气加热器18所提供的热能加热自大气引入的部分外气28，而后高温的部分外气28流经除湿轮16的再生侧30，以加热脱附的方式去除轮面的水分，而后完成还原过程的轮面即再回到除湿侧25完成循环。

离开除湿轮16的外气8而后通过热管热交换器15位于外气进气侧的蒸发端26，此时高温干燥的外气8加上热管热交换器15内部的工作流体，使得热管热交换器15其蒸发端26内液态工作流体吸收外气的热量之后产生沸腾，气态工作流体因浮力的驱动向上流动至排气侧的热管内冷凝将热量传递至室内排气侧的热管热交换器冷凝端27，达到使外气8降温，而后外气8即导入至室内空间10以供使用。

室内排气11在排气的过程之中，首先与超饱和雾化装置17所产生的微细水雾混合，由于排出的室内排气11较为干燥，促使超饱和雾化装置17内的微细水雾吸收排气热量产生蒸发，在极短的时间内以潜热的方式吸收大量的热量达到制冷的目的，并将室内排气11加以冷却，室内排气11以低温且超饱和的状态离开超饱和雾化装置17。

低温的室内排气11而后再经过热管热交换器15位于室内排气侧的冷凝端27将冷能传递至空调箱的进气侧。在此过程中，热管热交换器15内部来自蒸发端26的气态工作流体在热管热交换器15的冷凝端27内部产生冷凝，将热量释放给低温室内排气11吸收，达到冷能传递的目的，而后液态工作流体再向下流回热管热交换器15蒸发端26的内部完成循环，同时完成冷能传递的排气侧室内排气11即排放至大气之中。

本发明之超饱和外气省能空调系统于夏季操作时的空气热力线图如图3b所示，整个过程中假设房间内的供风条件与室内负载均与传统空调机者一致。外气8首先以状态OA(35℃，70％RH)进入空调箱，经过滤网之后，透过除湿轮16进行除湿加热过程，并以状态A(45℃，16％RH)离开除湿转轮16，而后高温干燥的外气通过热管热交换器15吸收来自排气侧的冷能到达状态SA(23℃，50％RH)并进入室内空间，在吸收室内的空调负载之后以状态RA(28℃，38％RH)离开室内空间，而后经超饱和雾化装置17制冷降温，以状态B离开超饱和雾化装置17，再经过热管热交换器15的冷能回收后，外气以状态EA离开空调机。

若是在冬季的干冷外气条件下操作，因此热管热交换器15、除湿轮16与超饱和雾化装置17均不需激活，系统主要以加热与加湿的方式调整外气，系统的操作示意如第4a图所示，此时开启檔板23，关闭档板21、檔板22与档板24。外气28首先经太阳能空气加热器18加热，由于档板24与档板22均已关闭，因此加热后的外气28直接流经加湿器7并喷出水雾混合达到湿度调整的目的，而后完成状态调整的外气28即被导入室内空间10内使用。室内循环完毕后的空气，即直接排放至大气之中。

本发明的超饱和外气省能空调系统于冬季操作下的空气热力线图如图4b所示。外气以状态OA进入空调机之后，首先经太阳能空气加热器18加热至状态A，而后在经过加湿器7的湿度调整以状态SA进入空调空间，在吸收室内空调负荷之后以状态RA离开室内空间并被导引至大气之中排放。

图5a所示者，则是本发明在实施于当采用双级设计时的系统示意图，若是在实施时单一的除湿轮16不足以满足外气的除湿量，或是外气处理过程中所需的热管热交换器15的热交换面积(或是热交换效率)过大时，本发明可改以双级或是多级的系统设计，以多阶段的方式处理外气，使其满足室内空间的负荷。实施时如图5a所示，外气8在经过第一阶段的降温除湿过程之后，再经过第二次的降温除湿处理以达到冷房室内空气负荷的要求，而后室内排气11经过超饱和雾化装置17超饱和雾化制冷过程，并透过两个热管热交换器15将冷能传递至进气侧中，而后再进行第二次的超饱和制冷以及冷能回收的步骤，最后排气及引导至大气中排出。

本发明之多级系统的空气热力线图如图5b所示。外气8以状态OA进入空调机之后，首先通过第一个除湿轮16进行第一次加热除湿过程，而后以状态A进入第一个热管热交换器15，并以状态B离开，接着外气再经过第二次的加热除湿过程到达状态C，亦经过第二次的降温过程并以状态SA进入室内空间。外气在吸收室内空调负荷之后以状态RA进入空调机的排气侧，排气首先经过第一个超饱和雾化装置17的制冷过程，而后到达状态D，而后经过热管热交换器15的冷能回收过程，吸收来自进气侧外气的热量，并以状态E再进入第二个超饱和雾化装置17的制冷过程到达状态F，在经过第二次的冷能回收过程，最后以状态EA离开空调机。若双级系统无法满足冷房所需要的外气处理量，系统亦可以三级甚至多级的设计，透过多阶段的外气处理来增加系统的外气处理容量，此时系统所需的除湿轮16的尺寸也可以较小，热管热交换器15的热交换效率亦可不用太高即可以达到冷房需求。

然而多级的设计可能将使得系统过于复杂，本发明提出以除湿物质喷雾系统取代除湿轮16，来完成外气加热除湿过程。如图6所示，该装置包括雾化喷头31、除湿物质颗粒32、拦截装置33与除湿物质颗粒传送装置34与高压泵35等五个部分。外气8进入空调箱的进气侧后，首先雾化喷头31喷出的除湿物质颗粒32会混合外气8中的水分将由除湿物质颗粒32所吸收，此过程与除湿轮16的除湿方式相同，均为加热除湿过程，在完成除湿过程之后，外气8中的除湿物质颗粒32由下游处的拦截装置33滤出，而后外气即离开拦截装置33，被拦截下来的除湿物质颗粒32透过除湿物质颗粒传送装置34传送到空调系统的再生侧，在传送的过程中，除湿物质颗粒32系利用太阳能空气加热器18所提估的热能加热部分的外气28，使其流经除湿物质颗粒传送装置34加热内部的除湿物质颗粒32所吸收的水分，将除湿物颗粒32再生，完成再生的除湿物质颗粒32带至高压泵35中，而后回到高压喷头31完成循环。本发明中的除湿物质喷雾系统可利用改变除湿物质颗粒32的雾化量的方式来调整除湿量，以因应不同的室内空间10的需求，或是不同的外气8条件或处理量。

Claims (12)

1.一种超饱和外气省能空调系统，其特征在于：

所述空调系统包括档板组(19)、除湿装置、热管热交换器(15)、太阳能空气加热器(18)、加湿器(7)以及超饱和雾化装置(17)；

其内的系统分为外气进气侧(12)、室内排气侧(13)以及再生侧(14)三个部分；

档板组(19)与除湿装置设置在外气进气侧(12)；

热管热交换器(15)包括位于外气进气侧(12)的蒸发端(26)，以及位于室内排气侧(13)的冷凝端(27)；

太阳能空气加热器(18)设置在再生侧(14)；

加湿器(7)设置在外气进气侧(12)；

超饱和雾化装置(17)设置在室内排气侧(13)；

所述空调系统夏季的空气处理过程为：

外气(8)自外气进气侧(12)进入，流经除湿装置进行除湿处理；

经过除湿处理后的外气(8)通过热管热交换器(15)进行降温处理；

经过降温处理后的外气(8)导入室内空间(10)使用；

低温的室内排气(11)通过超饱和雾化装置(17)进行制冷处理；

经过制冷处理后的室内排气(11)再经过热管热交换器(15)进行排气冷能回收；

完成排气冷能回收的室内排气(11)排放至大气；

所述空调系统冬季的空气处理过程为：

外气(28)经太阳能空气加热器(18)加热后直接流经加湿器(7)，并喷出水雾混合达到湿度调整的目的；

完成状态调整的外气，被导入室内空间(10)使用；

室内循环完毕后的空气，直接排放至大气之中。

2.如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于：

所述除湿装置为除湿轮(16)；

所述除湿处理为：外气(8)自外气进气侧(12)进入，流经除湿轮(16)，除湿轮(16)其上端为除湿侧(25)，而下端为再生侧(30)，除湿轮(16)利用其表面具有的多孔性物质吸收外气(8)内部的水蒸气，将水蒸气的部分潜热传递至外气(8)之中，使外气(8)温度升高，达到加热除湿。

3.如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于：

所述降温处理为：离开除湿轮(16)的除湿侧(25)的外气(8)通过热管热交换器(15)的蒸发端(26)，此时高温干燥的外气(8)加热热管热交换器(15)内部的工作流体，使得热管热交换器(15)的蒸发端(26)内液态工作流体吸收外气(8)的热量之后产生沸腾而蒸发为气态，气态工作流体向上流动至位于室内排气侧(13)的冷凝端(27)，使得外气(8)降温。

4.如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于：

所述制冷处理为：低温的室内排气(11)流经设置在室内排气侧(13)的超饱和雾化装置(17)，与超饱和雾化装置(17)所产生的微细水雾混合，促使超饱和雾化装置(17)在极短的时间内以潜热的方式吸收大量的热量达到制冷的目的。

5.如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于：

所述排气冷能回收为：低温的室内排气(11)再经过热管热交换器(15)位于室内排气侧(13)的冷凝端(27)，热管热交换器(15)内部来自蒸发端(26)的气态工作流体在热管热交换器(15)的冷凝端(27)内部产生冷凝，将热量释放给低温室内排气(11)吸收，而后液态工作流体再向下流回热管热交换器(15)的蒸发端(27)的内部完成循环。

6.如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于：除湿轮(16)是设置在位于外气进气侧(12)与再生侧(14)之间用以提供外气(8)的加热除湿操作。

7.如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于：超饱和雾化装置(17)是设置在位于室内排气侧(13)用以制造冷能，并通过热管热交换器(15)将冷能传递至外气进气侧(12)来将外气降温。

8.如权利要求2所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于：夏季进行空气处理过程中，吸收了水蒸气的除湿轮(16)在再生侧(30)被由太阳能空气加热器(18)加热的外气(28)以加热脱附的方式去除轮面的水分，完成还原过程的轮面再回到除湿侧(25)完成循环。

9.如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于：空气的处理过程，亦可采用双级或是多级的多阶段系统设计方式来处理外气，其处理方式为：外气(8)在经过第一阶段的降温除湿过程之后，再经过第二次的降温除湿处理以达到冷房室内空气负荷的要求；而后室内排气(11)经过超饱和雾化装置(17)超饱和雾化制冷过程，并透过两个热管热交换器(15)将冷能传递至进气侧中，而后再进行第二次的超饱和制冷以及冷能回收的步骤，最后排气及引导至大气中排出。

10.如权利要求1所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于：所述除湿装置为除湿物质喷雾系统。

11.如权利要求10所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于：所述除湿物质喷雾系统，包括雾化喷头(31)、除湿物质颗粒(32)、拦截装置(33)、除湿物质颗粒传送装置(34)与高压泵(35)。

12.如权利要求11所述之超饱和外气省能空调系统，其特征在于：除湿物质喷雾系统，其在空气的处理过程上是利用改变除湿物质的雾化量的方式来调整除湿量，以因应不同的室内空间的需求，或是不同的外气条件或处理量。

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