JP2004530093A

JP2004530093A - 換気、除湿および熱回収装置

Info

Publication number: JP2004530093A
Application number: JP2002575545A
Authority: JP
Inventors: モイララ，カリ
Original assignee: エムジーイノベーションズコーポレーション
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2004-09-30
Also published as: WO2002077536B1; WO2002077536A1

Abstract

本発明は、回収型熱交換器（１）と蓄熱型熱交換器（２）、および室内と屋外の空間の間の給気と排気流から構成される、換気、除湿および熱回収装置に関するものである。室内空気の熱は、蓄熱型熱交換器（２）の内部で外気に移動し、その後、外気と室内空間からの湿った空気は回収型熱交換器（１）へ導かれる。回収型熱交換器へ導かれる外気は、外気が結露を発生させる、すなわち回収型熱交換器（１）の内部で室内空気を乾燥させる、程までの温度である。この後で、乾燥した室内空気は蓄熱型熱交換器（２）を経由して排気され、また暖まった外気が回収型熱交換器（１）を経由して室内に供給される。このような配置により、室内空気を無償の外気で乾燥させる他方で室内空気が外気と入れ換わるため、実質的に高い空気乾燥効率が得られる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気の換気、乾燥および熱回収のための装置に関するもので、本装置は換気装置と回収および蓄熱型の熱交換器で構成され、それによって外気を使用して高い効率で室内空気を除湿するものである。
【背景技術】
【０００２】
零度以下の気温において、室内空気の除湿は、多大なエネルギーを必要とする。人間および建物の両者は、不十分な除湿に苦悩している。空気の除湿は、公共の室内プール、温泉場、サウナ、シャワールーム、加工産業の様々な物体、地下室、洗濯場、調理場、製パン所、および湿気が多いその他のあらゆる加工工場等の対象で、問題を引き起こしている。この問題の解決方法として、一度乾燥した室内空気を再使用することさえが提案されてきたが、次には、新鮮な空気の欠乏が、活性の低下、二酸化炭素濃度の上昇、不快感、湿気とカビ問題、アレルギーの発生し易い環境、およびカビの蔓延した建物等の問題を、結果として発生させている。
【０００３】
空気の除湿は、以下の方法で行うことができる。
−換気による方法、何故なら、外気は一般的に室内空気よりも低い絶対温度である。
−吸湿原理に基づく循環空気から湿気を取り除く方法。
−冷却コイルで凝集して循環空気から湿気を取り除く方法。
【０００４】
公共の室内スイミングプールの除湿に関する次の説明は、公共の室内スイミングプールに関する利用可能な調査データがあれば、他の湿気の多い場所の乾燥にも適応させることができる。従って、例えば、アイトマキ，エイ．（Ａｉｔｔｏｍａｋｉ，Ａ．）、カルキアイネン，エス．（Ｋａｒｋｉａｉｎｅｎ，Ｓ．）、ベフマーン−クレウラ，エム．（Ｖｅｈｍａａｎ−Ｋｒｅｕｌａ，Ｍ．）の研究「公共の室内スイミングプール内での乾燥システムの比較」、タンペレ工科大学（ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＴａｍｐｅｒｅ）、エネルギーおよびプロセス技術（ＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｒｏｃｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、ＵＤＫ６９４、９７、７２５、７４、リポート１３１、タンペレ１９９７、ＩＳＢＮ９５１−７２２−９３８−０、ＩＳＳＮ１２３８−４７４７、の第３６頁には、次のことが記載されている〔非特許文献１参照〕。
−熱回収表面積が大きくなればなる程、それだけヒートポンプは熱消費を減少させる。
−熱回収表面積の増大は、エバポレータ表面積の増加よりも多くの熱消費を減少させる。
−室内スイミングプール内の目標とする湿度は、熱消費に大きな影響を与える。対照的に、外気の制限温度（−１０または０℃）では、特別大きな影響を与えない。
−ヒートポンプは、エネルギーコストの削減を達成することができるが、その差は投資額に対して小さすぎて償却できない。
【０００５】
寒冷な条件下において、外気の乾燥は、除湿方法として優れてはいるが、エネルギーの浪費が必然的に伴う。他方で、排気に含まれる熱の相当部分は、熱交換器を用いて回収することができる。発熱と吸熱の気流の温度差が大きければ大きい程、熱交換はより効果的である。熱は気流を分離しているプレートを介して排気から直接外気に伝導する。この方式は、直接回収型熱交換器である。気流を加熱と冷却に交番に切り替える間に熱を貯える熱伝導体は、再熱的で、蓄熱型熱交換器である。いずれの状況においても、給気は、排気が放出した熱量に等しい熱を吸収する。もし水蒸気が熱交換器内で結露するならば、排気は同時に乾燥する。その場合、給気の温度上昇は、たとえ両方の気流が等量であったとしても、排気の温度下降よりも大きくなる。
【０００６】
プレート型熱交換器の高い（回収）効率は、広い熱交換表面によって達成される。理想的なケースを考えると、その効率は約７０％である。もし排気が湿っているとすると、熱交換器表面上で結露して水となり、零度以下の温度では、凍結した水が熱交換器を詰まらせ、また破損を引き起こす恐れがある。損傷を防ぐには、空気を加熱することで可能であるが、その結果、通年の効率は減少することになる。熱交換器は、その表面温度が露点より下にあるときのみ空気を乾燥する。
【０００７】
２つのタイプに蓄熱型熱交換器を分けることができる。
−回転型熱交換器といわれるもので、その効率は、ディスクの回転スピードによって変化させることができる。
−流向反転型熱交換器といわれるもので、交換器の蓄熱体の暖冷サイクルの長さを変化させることにより、その効率を容易に変更することができる。
【０００８】
温度効率の面では、蓄熱型熱交換器は熱回収型熱交換器よりも優れているが、他方、蓄熱型熱交換器は排気からの水分を給気に戻す。原則として、温度効率が高ければ高い程、より多くの水分が給気に戻される。凍結は、回転スピードをより下げ、またサイクルをより短くすることによって、減少させることができる。
【非特許文献１】
Ａｉｔｔｏｍａｋｉ，Ａ．、Ｋａｒｋｉａｉｎｅｎ，Ｓ．、Ｖｅｈｍａａｎ−Ｋｒｅｕｌａ，Ｍ．の研究「Ｃｏｍｐａｒａｉｓｏｎｏｆａｉｒｄｒｙｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｉｎｐｕｂｌｉｃｓｗｉｍｍｉｎｇｂａｔｈｓ」、ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＴａｍｐｅｒｅ、ＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｒｏｃｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＵＤＫ６９４、９７、７２５、７４、リポート１３１、タンペレ１９９７、ＩＳＢＮ９５１−７２２−９３８−０、ＩＳＳＮ１２３８−４７４７、の第３６頁
【特許文献１】
フィンランド国特許第１００１３３号明細書
【特許文献２】
欧州特許出願公開第０９２２４８３号明細書
【特許文献３】
米国特許第５７０９７３６号明細書
【特許文献４】
国際公開第８８／０６２６１号パンフレット
【特許文献５】
フィンランド国特許第８９５３５４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記熱交換器の欠点を除去すると共に、ヒートポンプを使用しないで、寒冷な屋外条件下において外気を使用して、室内空気を高いエネルギー効率で乾燥することができるシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
空気を暖めるに従い、空気はより多くの水蒸気を含むことができる。しかしながら、与えられた温度の空気は、水蒸気量を一定の上限までしか含むことができない。この状態を、空気が水蒸気で飽和したという。もしこの段階で空気の水分が増加するか、または、空気の温度が下降したならば、全ての過剰水分は、水滴となって空気から凝縮する。この空気から水が分離し始める温度を露点と呼ぶ。エネルギーは、冷却された空気から消滅することなく、そのエネルギーは結露表面に伝わり、その結果として、その部分を暖める。
【００１１】
よく知られたモリエ線図では、２つの空気流を混合した空気の状態は、混合する空気流の状態を線図上に示した点を結んだ直線上にある。空気流の関係においては、混合点は反比例の関係にあり、従って混合点は流量のより大きな側の点の近くとなる。暖かく湿った室内空気と寒冷な外気の混合点が飽和曲線の右側に達すると、水蒸気は結露する。加熱では、空気の絶対湿度は一定であるが、相対湿度は低くなる。このような状況では、モリエ線図内の等絶対湿度線上を上方へ移動させる。
【００１２】
吸着表面の温度は、水を結露させて空気を冷却し乾燥させるために露点温度よりも低くなければならない。
【００１３】
良好な室内空気質を達成するには、建物内の全空気量を１時間に１から３回の割合で換気する必要がある。湿気の多い場所においては、快適な室内空気の目標温度は３０℃であり、また室内空気と冷えた給気の温度差は、１２℃を越さないようにすべきである。快適さと建造物にかかる水分による負担の理由から、約６０％が相対湿度の上限値と見做すべきである。一般的な公共の室内スイミングプール内においては、０．１ｍ／ｓの風速が適切であり、また例えば回転プール内では、風速は水温が３５℃で０．２−０．３ｍ／ｓの範囲が適している。
【００１４】
次に示す例は、相対湿度６０％で、異なる温度の空気が含む絶対水分含有量を考察したものである。
【００１５】
【表１】

【００１６】
最大水蒸気量と最小水蒸気量の差は、１５倍にもなる。小規模な室内スイミングプールでも数百立方メートルの容積があることを考慮すれば、ここで論じている水分量の大きさが容易に把握できる。
【００１７】
暖房と換気に関しては、プールと濡れた表面から多量の水が常に空気中に蒸発しているという主な理由により、室内スイミングプールは一般の室内空間とは異なっている。もしこの蒸発水が取り除かれないとすると、室内空気の水分量は増加し、そしてある点において、通常は窓などの断熱の一番弱い部分で結露が始まることになる。結露を防止するには、建物の他の部分および壁の構造部に水分と塩素が運ばれないように、室内プールの内部を若干負圧に維持するのが、一般的に望ましいとされている。
泳者は、殆ど裸身であり、裸足であり、また泳ぐ前から濡れているため、過度の蒸発は熱を奪い、そのため、泳者は、室内温度と相対湿度が適切でないと寒く感じる。加えて、相対湿度の低下により、プールからの蒸発が増加し、その結果、プールの水を加熱する必要が生じる。様々な資料によると、室内気温は、プールの水温よりも２…３℃高い温度に維持しなければならない。換気計画は、対象が通常の室内プールであるか、または、回転プールおよび水分負荷を増大する同様の要素を含む温泉場であるかどうかも、考慮しなければならない。もし室内スイミングプールに観客席がある場合には、湿気と塩素を含むプールの空気が観客へ流れるのを阻止するため、個別の空気分離が通常必要とされる。計画では、例えば一日の時間別での異なった使用条件も考慮に入れなければならない。プールの使用時間帯においては、濡れた表面に対するプールの表面の比は、１．５：１となり、プール内には１人／４ｍ^２の人が、また、プール周縁の濡れた面には１人／１０ｍ^２の人が存在する。空気流の解析により、室内空気と外気の間のエンタルピと水分量の最大差を得るようにする。しかし、冷た過ぎる給気による隙間風の危険性と凍結の危険性が、計画に制限を加える恐れがある。
【００１８】
上記のように、高い効率と非凍結状態が求められるとき、装置が排気から給気に戻す水分量が、暖／冷サイクルが短くなるにつれて増加するという矛盾が伴う。湿った暖かい外気条件においては、これはかなり利点となるが、気温が零度以下では、湿った暖かい室内空間は、問題を引き起こす。従って、効率と水分の回収は、逆の特性を有する。これらの特性のために、熱回収型システムは湿気の多い室内空間内で効率的ではない。しかし、蓄熱型熱交換器は、回収型熱交換器にはない特徴を備えている。すなわち、蓄熱型熱交換器は、零度よりも遥かに低い温度であっても、適切に使用しているならば、回収型熱交換器ほど容易には凍結することはない。しかも、蓄熱型熱交換器の温度効率は、零から最大の間で容易に変更することが可能である。
【００１９】
理想的な事例では、空気流を交番に切り替える蓄熱型熱交換器は、零度以下の温度においても約８８％の優れた温度効率を有する。従って、例えばフィンランド国特許第１００１３３号明細書（特許文献１参照）の発明は、次の利点を達成している。すなわち（テストＶＴＴ／１９９５年１０月４日を基礎として；ＲＴＥ１０４０６／９５およびＳＩＮＴＥＦ／１９８２−０８−１１／ＳＴＦ１５Ｆ８２０２９，１９８２−０５２８／１５０１６４，その他のテストを含む）、１）非常に高い温度効率（ＶＴＴテスト：８７．８％；ＳＩＮＴＥＦ：９８％）。２）高温（３０℃を超す）で高湿度（８０％を超す相対湿度）の外気条件において、装置は補助エネルギーなしで室内空気の温度を３〜５℃も下げる。３）適切に使用すれば、熱回収セルシステムは凍結しない。４）小さい接続電力。５）室内空気の相対湿度を３８〜６７％にバランスさせる。
【００２０】
本発明の目的は、外気でもって室内空気を蓄熱型熱交換器内で冷却することである。蓄熱型熱交換器は、セルシステムが常に凍結しないような方法で制御されている。このようにして冷却された室内空気は、セルシステムの凍結を避けるため、少なくとも零度を超す温度で回収型熱交換器に導かれる。回収型熱交換器に到達する湿った暖かい室内空気は、露点温度以下に冷却され、従って除湿されることになる。回収型熱交換器は蓄熱型熱交換器と違って、水分を室内に戻すことがないため、回収型熱交換器内で行われる空気乾燥を完全に利用することができる。加熱された外気は室内に導入され、また乾燥されていない室内空気は屋外に導かれる。
【００２１】
水分の移動係数等の負荷パラメータが不確定であり、また実施では広い範囲で変化するため、除湿を計算で求めることは非常に困難である。同様に、蓄熱型熱交換器の水分の移動量は余り知られていない。
【００２２】
外気温度−１０℃、室内温度＋３０℃および９０％の効率のとき、蓄熱型熱交換器からの排気は、−６℃の温度であり、通常この温度は回収セルを冷却しない。もし気温がさらに下がった場合には、蓄熱型熱交換器の効率を下げることによって凍結を防止する。他方では、結露を発生させるために、空気の温度は露点温度を超えることはできない。
【００２３】
あるテスト場所の結果を次に示す。すなわち、熱回収を用いない除湿システムの運転は、スイミングプールのホール内の温度に換気空気を加温するために、２９．８ｋＷを要し、他方で、蒸発によって消費される熱パワーは２３．８ｋＷであり、すなわち全体では５３．６ｋＷを要する。本発明のシステム−８５％の蓄熱型熱交換器−を同時に用いたときは、プール空間の加熱に４．５ｋＷを要し、また水分回収に消費された熱パワーは７．９ｋＷであった。すなわち、全体では１２，４ｋＷを要した。４１．２ｋＷの利得、すなわち７７％は純粋な正味利得を表し、両方のシステムは同じ消費電流、すなわち同じ入力電力を要した。従来の蓄熱型除湿器と比較すれば、本発明のシステムは７３．９％の節約をもたらした。
【００２４】
本発明の換気、除湿および熱回収装置は、特許請求の範囲の特徴を記載した部分で定義される形状構成を特徴とする。
【００２５】
本発明の主要な功績の一つは、それ自体は良く知られている回収および蓄熱型熱交換器を一つに組み合わせて、室内空気の除湿をエネルギーを必要とせずに高効率に行うものである。欧州特許出願公開第０９２２４８３号明細書（Ｂ０１Ｄ５３／２６）〔特許文献２参照〕には、回収型および蓄熱型の熱交換器の両方が用いられているが、換気がなく、そのため室内空気を循環させているだけである。これは正に、本発明が解決しようとしている問題である。同様に、米国特許第５，７０９，７３６号明細書（Ｂ０１Ｄ５３／２６）〔特許文献３参照〕および国際公開第８８／０６２６１号パンフレット（Ｆ２４Ｆ３／１４）〔特許文献４参照〕は、換気を備えておらず、例えばここに示す引例の全てにおいて開示された装置は、除湿のみを意図したものである。
【００２６】
本システムは、蓄熱型熱交換器による室内空間への水分の還流を排除し、しかも良好な熱回収を損なうことはない。フィンランド国特許第８９５３５４号明細書（Ｆ２４Ｆ１２／００）〔特許文献４参照〕は、熱交換器内部の気流の温度制御を単純に備えているだけである。この装置は、水分を室内に戻すため、零度以下での除湿の問題は未解決のままである。この問題は、室内空気の熱を新鮮な外気と共に室内に再循環させた後、他方で実際に除湿を行う他の手段である回収型熱交換器を用いる、高いエネルギー効率を備えた本発明により解決される。
【００２７】
本発明の装置は、２台の熱交換器から構成されているが、２つのファンと２つの制御システムではなく、１つのファンと１つの制御システムを有するため、単純で安価である。本システムは、静粛、軽量、容易な保守かつ信頼性があり、しかも危険な物質を少しも含んでいない。
【００２８】
それ自体が良く知られている様々な解決策が、これら全ての既知の目的のために開発されてきた。本発明は、たった一つの装置で、上記の問題を解決することが可能で、その低い調達価格により、償還期間が短い。
【００２９】
本発明の様々な実施の形態は、従属する請求項において記載する。
【００３０】
空気乾燥と熱回収設備およびその内部に供給される空気流の構成図的な概念図を示す添付図面を参照して、本発明の一実施例について説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１において、換気、除湿および熱回収装置は、回収型熱交換器１、蓄熱型熱交換器２、室内空間に通じる給気ダクト３と排気ダクト４、屋外に通じる給気ダクト５と排気ダクト６、蓄熱型熱交換器２から回収型熱交換器１へ通じる空気ダクト７、および回収型熱交換器１から蓄熱型熱交換器２へ通じる空気ダクト８から構成されている。空気流は、矢印付きで示され、外気は破線で、また室内空気は実線で示されている。寒冷な外気は、吸気ダクト５から最初に蓄熱型熱交換器２へ導かれる。次いで、外気は空気ダクト７を通り回収型熱交換器１へ導かれ、そこから外気は最終的に給気ダクト３を経由して室内に導かれる。乾燥させる室内空気は、排気ダクト４を通り、回収型熱交換器１へと導かれ、次いで空気ダクト８を経由して蓄熱型熱交換器２に達する。蓄熱型熱交換器２の内部では、外気が室内空気を冷却し、その後、室内空気は、排気ダクト６を介して排出される。言い換えると、室内空気はその熱を外気に放出する。蓄熱型熱交換器２から回収型熱交換器１へ送られる外気は、外気が結露を生じさせる、すなわち回収型熱交換器１の内部で室内空気を乾燥すさせる、ような温度となっている。外気の温度は、室内空気の露点温度よりも低いか、または高くても等しい温度となるようにする。このような配置により、湿った空気が結露し、その結果として除湿されることが保証される。しかしながら、回収型熱交換器１の内部における外気の温度は、回収型熱交換器１の凍結を引き起こすほど、低い温度にすることは許されない。もし必要ならば、例えば回転装置の回転スピードの変更と、流向反転装置内の蓄熱体の加熱と冷却サイクルの長さを変えることにより、蓄熱型熱交換器２の効率を変化させて、適切な温度を蓄熱型熱交換器内で得ることができる。外気温度が−２０℃で室内温度が＋２８℃のときの図１の配置において、蓄熱型熱交換器２から回収型熱交換器１へ送られる空気は、８０％の効率で約＋１８℃の温度であり、＋２０℃で相対湿度５５％の空気の露点は約１８℃となるため、この温度は空気を乾燥するのに十分な高さである。従って、この配置は、殆ど理想的な効率を有すると共に、新鮮な空気の供給を確保している。もしこの空気乾燥が不十分であるならば、本システムは、給気ダクト３に取り付けられた乾燥器として機能するエバポレータ１１と、排気ダクト６内の凝縮器１０による従来方式の冷却器を組み合わせることも可能である。凝縮器は、例えば水を加熱するためにも取り付けることが可能であった。熱交換器内で結露した水は、パイプ９内を通して、例えば配水管、別の容器またはスイミングプールへ導かれている。スイミング用の風呂では、とりわけシャワーからの多量の暖かな排水がある。この暖かな排水は、吸収冷却器内で利用することが可能で、この吸収冷却器は、従来方式の冷却コンプレッサと置き換えることができる。本発明が非常に高い効率を生み、冷たい外気のみによって空気を乾燥させ得ることが、実験全体を通じて証明された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】換気、除湿および熱回収装置の構成を示す概念説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１回収型熱交換器
２蓄熱型熱交換器
３給気ダクト
４排気ダクト
５給気ダクト
６排気ダクト
７空気ダクト
８空気ダクト
９パイプ
１０凝縮器
１１エバポレータ

Claims

回収型熱交換器（１）と蓄熱型熱交換器（２）、室内空間に通じる給気ダクト（３）と排気ダクト（４）、屋外空間に通じる給気ダクト（５）と排気ダクト（６）、蓄熱型熱交換器（２）から回収型熱交換器（１）へ通じる空気ダクト（７）と回収型熱交換器（１）から蓄熱型熱交換器（２）へ通じる空気ダクト（８）とから構成される換気、除湿および熱回収装置であって、屋外空気流は、外気に通じる給気ダクト（５）から空気ダクト（７）中の蓄熱型熱交換器（２）を通して回収型熱交換器（１）へ導かれ、そこから外気は給気ダクト（３）より室内へ導かれ、室内空気は、室内空間に通じる排気ダクト（４）から空気ダクト（８）中の回収型熱交換器（１１）を通して蓄熱型熱交換器（２）へ導かれ、そこから室内空気は排気ダクト（６）を経て排気されることを特徴とする装置。
回収型熱交換器（１）の内部で室内空気を結露させるのに十分低い温度で、しかし回収型熱交換器（１）が凍結しない程に十分高い温度で、外気を蓄熱型熱交換器（２）から回収型熱交換器（１）へ導くことを特徴とする請求項１に記載の除湿および熱回収装置。
回転式蓄熱型熱交換器の効率が、ディスクの回転スピードを変化させることによって変更させることができ、また流向反転式蓄熱型熱交換器（２）の効率が、丈夫な蓄熱体の加熱と冷却サイクルの長さを変化させることによって変化させることができることを特徴とする請求項１または２に記載の除湿および熱回収装置。
蓄熱型熱交換器の効率がサーモスタットまたは湿度計により制御されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の除湿および熱回収装置。
室内空気が蓄熱型熱交換器（２）の内部において外気により冷却され、室内空気がその場所で乾燥される回収型熱交換器（１）に導かれることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の除湿および熱回収装置。
室内の空間に通じる冷却器のエバポレータ（１１）が、給気ダクト（３）の内部に取り付けられており、また外気に通じる排気ダクト（６）の内部に凝縮器（１０）が取り付けられており、または例えば水を加熱する目的で凝縮器が取り付けられていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の除湿および熱回収装置。
吸収冷却装置のボイラをシャワー水またはその他のあらゆる廃棄および使われていない熱で加熱することを特徴とする請求項１に記載の除湿および熱回収装置。
回収型熱交換器（１）と蓄熱型熱交換器（２）の内部で凝縮する水を、例えば排水管、別の容器あるいはスイミングプールへ、パイプ（９）を介して導くことを特徴とする請求項１に記載の除湿および熱回収装置。