Article by: Natthawut Ruengtrakoom, Ph.D.
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineer, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang

เมื่อเราพิจารณาถึงสัดส่วนการใช้พลังงานในอาคารจะพบว่า การใช้พลังงานส่วนใหญ่เป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในการทำงานของระบบปรับอากาศ (Air Conditioning System) โดยค่าใช้จ่ายทางพลังงานจะถูกใช้ไปเพื่อปรับปรุงคุณภาพของอากาศในบริเวณที่เราอยู่อาศัยให้มี อุณหภูมิ ความชื้น และความสะอาด ที่เหมาะสมและทำให้รู้สึกสบายนั่นเอง

สำหรับระบบปรับอากาศขนาดใหญ่ การเติมอากาศภายนอก (Outside Air) เข้ามาผสมกับอากาศที่หมุนเวียนไหลกลับ (Return Air) จะช่วยเพิ่มความสะอาดให้กับอากาศเย็นที่จะส่งไปยังบริเวณที่เราอยู่อาศัย อย่างไรก็ตามอากาศภายนอกหรืออากาศใหม่ที่นำไปผสมนั้นจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของภาระการทำความเย็น (Cooling Load) ที่คอยด์เย็น ซึ่งอากาศส่วนนี้ก็จำเป็นที่จะต้องมีการปรับปรุงเพื่อลดค่าอุณหภูมิและความชื้นก่อนที่จะจ่ายเข้าสู่บริเวณที่อยู่อาศัย โดยเฉพาะการลดความชื้นนั้นเป็นภาระใหญ่ของคอยด์เย็นในระบบปรับอากาศ การหาวิธีที่จะช่วยลดความชื้นของอากาศส่วนนี้เพื่อลดการใช้พลังงานโดยรวมของระบบปรับอากาศจึงเป็นโจทย์ที่มีความท้าทายต่อวิศวกร ในบทความนี้จะยกตัวอย่างบางส่วนของ กระบวนการปรับปรุงอากาศภายนอก (Outdoor Air Handling Method) ซึ่งเป็นกระบวนการที่ออกแบบมาเพื่อลดความชื้น (Dehumidification Process) ของอากาศภายนอกก่อนที่จ่ายเข้าไปที่บริเวณที่เราอาศัยอยู่นั่นเอง
พื้นฐานของกระบวนการลดความชื้นของอากาศภายนอกที่ใช้ในระบบปรับอากาศขนาดใหญ่ถูกแบ่งออกเป็นสองกระบวนการหลักคือ กระบวนการลดความชื้นเชิงเคมี (Chemical Dehumidification Process) และกระบวนการลดความชื้นเชิงกล (Mechanical Dehumidification Process) การลดความชื้นทางเคมีจะใช้สารดูดความชื้นซึ่งเป็นหัวใจหลักของกระบวนการ โดยสารดูดความชื้นที่ใช้นั้นอาจอยู่ในสถานะของเหลว (Liquid Desiccant) ยกตัวอย่างเช่น สารละลาย Li-Br เป็นต้น หรือ อยู่ในสถานะของแข็ง (Solid Desiccant) ยกตัวอย่างเช่น Activated Alumina Silica Gel และ Zeolites เป็นต้น โดยกระบวนการลดความชื้นเชิงเคมีจะช่วยให้ประสิทธิภาพการทำความเย็นของระบบ (Coefficient of Performance) มีค่าสูงขึ้น และสูงกว่าการใช้กระบวนการลดความชื้นเชิงกลอีกด้วย อย่างไรก็ตาม ถ้ามองในแง่ของความสะดวกในการติดตั้งและการลงทุนเริ่มต้นนั้น ระบบปรับอากาศที่ใช้กระบวนการลดความชื้นเชิงกลยังคงมีความน่าสนที่จะศึกษาและพัฒนาเพื่อที่จะเพิ่มประสิทธิภาพการทำความเย็นโดยรวมของระบบ
ระบบ Direct Expansion (DX System) Dehumidification เป็นระบบการลดความชื้นเชิงกลที่น่าสนใจระบบหนึ่งที่ยังมีการพัฒนาปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบอย่างต่อเนื่อง รูปที่ 1 แสดงถึงวัฏจักรพื้นฐานของระบบ DX system โดยอากาศภายนอกจะถูกลดอุณหภูมิ และความชื้นโดยใช้ Evaporator เพียง 1 ตัวเท่านั้น ซึ่งกระบวนการลดความชื้นนั้นต้องลดอุณหภูมิของอากาศภายนอกให้ถึงจุด อุณหภูมิจุดไอน้ำกลั่นตัว (Dew Point Temperature) โดยอุณหภูมิที่จุดนี้จะมีค่าต่ำกว่าอุณหภูมิออกแบบสำหรับจ่ายเข้าห้อง (Supply Air) ดังนั้น จึงต้องมีการเพิ่มอุณภูมิของลมจ่ายโดยการใช้ Reheating Coil ซึ่งพลังงานร้อนที่มาใช้เพิ่มอุณหภูมิของลมจ่ายนั้น ได้มาจากไอสารทำความเย็นอุณหภูมิสูงที่ออกมาจาก เครื่องอัดไอ (Compressor) นั่นเอง
รูปที่ 2 เป็นรูปวัฏจักร DX System ที่ทางคณะวิจัยจากประเทศจีน1 ได้ทำการสร้างชุดต้นแบบปรับปรุงประสิทธิภาพของ DX system แบบทั่วไปดังแสดงในรูปที่ 1 โดยสิ่งที่เพิ่มเข้ามาในระบบนี้คือ กระบวนการลดความชื้นจะเกิดขึ้นที่ Evaporator 2 ตัว (Two-Stage Direct Expansion Dehumidification) อีกทั้งยังมีการติดตั้ง Exhaust Air Coil เพื่อที่จะใช้แลกเปลี่ยนความร้อนของไอสารทำความเย็นจาก Compressor กลับอากาศหมุนเวียนที่ดึงออกมาจากห้องเพื่อเป็นประสิทธิภาพการทำความเย็น ก่อนที่จะถูกปล่อยออกไปสู่บรรยากาศภายนอกกลายเป็น Exhaust Air ในส่วนของการปรับปรุงอากาศภายนอกก่อนจ่ายเข้าห้องนั้น การทำงานของ Evaporator จะแบ่งออกเป็นสองส่วน คือ High Temperature Section (HTS) และ Low Temperature Section (LTS) ซึ่งอากาศจากภายนอกจะไหลผ่านส่วน HTS ก่อนเพื่อลดอุณหภูมิ และความชื้นบางส่วน ซึ่งกระบวนการลดความชื้น (Deep Dehumidification) จะเกิดขึ้นที่ Evaporator ในส่วนของ LTS และเช่นเดียวกันกับระบบ DX System แบบทั่วไป อากาศที่ไหลผ่าน LTS แล้ว จำเป็นต้องทำการเพิ่มอุณหภูมิสัมผัส (Sensible Temperature) โดยบังคับให้ไหลผ่าน Reheating Coil เพื่อให้อุณหภูมิของอากาศมีค่าตามที่ได้ออกแบบไว้ ก่อนที่จะส่งอากาศเย็นความชื้นต่ำนี้เข้าไปปรับอากาศในบริเวณที่อยู่อาศัยต่อไป
จากงานศึกษาพบว่าระบบ Two-Stage Direct Expansion Dehumidification สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำความเย็น (COP) ได้ประมาณ 26% เมื่อเทียบกับระบบ DX System แบบทั่วไป ดังนั้นจะเห็นได้ว่าระบบการลดความชื้นเชิงกล ยังคงมีศักยภาพในการพัฒนาต่อไป อีกทั้งถ้าเรามองในแง่ของการติดตั้ง และการลงทุนเริ่มต้นระบบการลดความชื้นเชิงกลยังมีความน่าสนใจที่จะนำไปใช้กับระบบอากาศในอาคารขนาดใหญ่

Article by: Natthawut Ruengtrakoom, Ph.D.
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineer, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang

If we consider the ratio of the energy used in a building, the large portion of used energy is the electrical energy consumed by air conditioning system (A/C system). This energy expense is used for air treatment process in order to improve the air quality for living space (conditioned space). To meet with the human comfort condition, the temperature, humidity and cleanness of the air supplied to living space must be treated.

If we consider the ratio of the energy used in a building, the large portion of used energy is the electrical energy consumed by air conditioning system (A/C system). This energy expense is used for air treatment process in order to improve the air quality for living space (conditioned space). To meet with the human comfort condition, the temperature, humidity and cleanness of the air supplied to living space must be treated.

Basically, the dehumidification process for large building can mainly be divided into two processes, including chemical dehumidification and mechanical dehumidification processes. The principle of chemical dehumidification process is the use the benefit of a desiccant which can be classified into two types: liquid and solid desiccants. The example of liquid desiccant is Li-Br solution, and activated alumina, silica gel and zeolites are the example of solid desiccant. The chemical dehumidification process for A/C system can help to increase the overall of the coefficient of performance (COP) of the system. Moreover, the system’s COP obtained from using chemical dehumidification process for A/C system is higher than that of using mechanical dehumidification process. However, if we consider about the expedience of installation and initial cost, the mechanical dehumidification process will become an attractive process. Therefore, the study and development of mechanical dehumidification process in order to obtain the higher system’s COP is still necessary.

Direct expansion (DX system) dehumidification is the one of interesting process of mechanical dehumidification. This process has continually been developed. Figure 1 shows the basic configuration of DX system. In basic system, the temperature and humidity of OA are treated by using only 1 evaporator. For dehumidification process, the moisture contained in OA has to be removed, so the temperature of OA must be reduced to dew point temperature.  Basically, this temperature point is always colder than the desired point of supply air. Before used as supply air for conditioned space, very cold treated OA will be heated as it flows through reheating coil. Hot refrigerant vapor from compressor is used for hot fluid side. Figure 2 shows the configuration of modified DX system for better performance. The prototype was developed by Chinese researchers¹.

According to the modified system, dehumidification process is achieved by 2 evaporators (two-stage direct expansion dehumidification). Moreover, exhaust air coil is installed to recovery the energy of return air before releasing to ambient as exhaust air. For OA treatment process, the operation of evaporator is divided into 2 sections which are high temperature section (HTS) and low temperature section (LTS). Firstly, the air is drawn from outside and passing through HTS. The temperature and humidity of the air will slightly be reduced. The deep humidification process is designed to happen at LTS. As same as basic DX system, the reheating coil is used to increase the sensible temperature of cold treated air leaving from LTS. After the temperature and humidity of OA are attained to desired point. Then, this treated air can be used as supply air for the refrigerated space. 

According to the modified system, dehumidification process is achieved by 2 evaporators (two-stage direct expansion dehumidification). Moreover, exhaust air coil is installed to recovery the energy of return air before releasing to ambient as exhaust air. For OA treatment process, the operation of evaporator is divided into 2 sections which are high temperature section (HTS) and low temperature section (LTS). Firstly, the air is drawn from outside and passing through HTS. The temperature and humidity of the air will slightly be reduced. The deep humidification process is designed to happen at LTS. As same as basic DX system, the reheating coil is used to increase the sensible temperature of cold treated air leaving from LTS. After the temperature and humidity of OA are attained to desired point. Then, this treated air can be used as supply air for the refrigerated space. 

Article by: Natthawut Ruengtrakoom, Ph.D.
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineer, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang

建築物内のエネルギー消費の割合を考えると、エネルギー消費の大部分を占めているのは空調システムの運転(Air Conditioning System)に使用されるエネルギーであることが分かりました。いわゆるエネルギーコストは、私達が生活をする環境の空気質を改善し、適切な温度、湿度、気流、清浄度の環境を提供し、私たちの快適な空気環境のために使用されているのです。

大型空調システムは外気(Outside Air)と室内からの還気(Return Air)を混合させ、その空気を冷却し室内へ供給され、私たちが住んでいる室内空気の清浄度を保ってくれます。ただし、混合された外気または新しい空気は、冷却コイルへの冷却負荷(Cooling Load)の一部になります。室内に供給する前に、これらの空気の温度と湿度を下げるための調整が必要。特に、除湿管理は空調システム内の冷却コイルの大きな負担です。したがって、空調システムの全体に係るエネルギー消費量を軽減するためにこの空気の湿度を下げる方法を見つけることは技術者にとってチャレンジな課題となるでしょう。この記事では、省エネ空調システムである外気改善プロセス(Outdoor Air Handling Method)の一部をご紹介したいと思います。すなわちこれは室内に支給される前に外気の湿度（除湿プロセス）を減した上で供給するような省エネ設計商品です。

大型空調システムで使用される外気除湿プロセスの基本については、化学的除湿プロセス(Chemical dehumidification process)および機械的除湿プロセス(Mechanical dehumidification process)という大きく2つの方法に分けられます。ひとつは、「化学的除湿」方式は、除湿剤が中心に使用されます。使用される除湿剤はLi-Br水溶液などの液体状態(Liquid desiccant)、あるいは、活性アルミナ. シリカゲルおよび合成ゼオライトなどの固体の状態(Solid desiccant) を用いられます。化学的除湿プロセスは、機械的除湿プロセスの使用よりもエアコンシステムの効率（成績係数）をますます高効率に冷却することができます。

ただし、設置性及び初期投資の観点から見れば、機械的除湿プロセスを活用する空調システムの方は、最も有効であるため、システム全体の冷却効率を向上する用の機械的除湿方式へ依然として研究および開発の可能性があります。

直接膨張空調装置 (DX system) は、システム性能が向上し続けている、とても興味深い機械的な除湿システムです。図１：DXシステムの基本サイクルを示します。1台の蒸発器を活用のみで外気の温度及び湿度は軽減されます。除湿プロセスでは、外気の温度を凝縮点（露点温度）に到達するまで下げる必要があります。この時点での温度は、室内への供給される空気(Supply Air)の設計度よりも低くなります。したがって、再生用コイルを使用し給気の温度を上げる必要があります。除湿ローターの再生用熱源には圧縮機(Compressor)から出てくる高温スチームなどの排熱から利用されたのです。図２：図1に表示のように、中国からの研究グループ＊が一般的なDXシステム性能を改善モデルとして作成したDXシステムのサイクルをを示します。この除湿システムに追加されているのは2台の蒸発器(Two-stage direct expansion dehumidification)を活用により除湿が行われます。

また、排気コイルも設置され、大気中に放出され排気となる前に冷却効率を向上させる為圧縮機からの冷媒蒸気と室内から吸引された還気との熱交換を行います。室内へ供給する前に外気の改善については、蒸発器の役割は、高温部（HTS）と低温部（LTS）の2つの部分に分けられます。外気は最初にHTS側を通過して一部の温度と湿度を下げます。除湿プロセス（Deep dehumidification）は、従来のDXシステムと同様にLTS側の蒸発器で温度や湿度を抑えれられます。LTS側を通過した空気は、再生用コイルを強制的に通過させ、体感温度(Sensible temperature)を設計値まで上げた上で、室内の空気へ低湿度かつ冷めたい空気を送風します。

研究の結果では、二段直接膨張除湿システムにより従来のDXシステムと比較して、冷却効率（COP）を26％向上させることができることが分かりました。

このように、機械的な除湿システムはまださらなる発展の可能性があります。そして私達が設置製及び初期投資費用を見れば、機械的な除湿システムは、大型の室内空気システムで利用するのが有効だと考えられます。