JP2005114254A - 空気調和設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 室内を恒温・恒湿にするための省エネルギー型空気調和設備を提供する。
【解決手段】 外気側から被空調室側にかけて、全熱交換器、冷却コイル、顕熱交換ロータが配置され、該顕熱交換ロータは、前記被空調室を設定温度および湿度とするため冷却コイルで過冷却された外気をリターン空気と熱交換することにより外気を再熱し、再熱負荷を削減すると共に、リターン空気の冷却を行ない、全熱交換器は顕熱交換ロータ出側のリターン空気と外気の全熱交換を行うことにより冷却コイルでの冷却負荷を削減してなる空気調和設備において、前記全熱交換器と顕熱交換ロータ間の外気導入管路とを接続するバイパス管路を設け、該バイパス管路にリターン空気のバイパスダンパーを設けると共に、前記バイパス管路と排気管路との交差部から全熱交換器側の排気管路に排気ダンパーを、前記バイパス管路と外気導入管路との交差部から全熱交換器側の外気導入管路に外気ダンパーを設けたことを特徴とする空気調和設備。
【選択図】 図１

Description

本発明は、室内を恒温・恒湿にするための省エネルギー型空気調和設備に関するものである。

従来、室内空気の温度、湿度を適正に保つ方法として種々の設備および方法が提案されている。その一つとして、例えば特表２００２−５３９４０５号公報（特許文献１）に開示されている。この概要を図４に示す。図４は、従来の空気調和設備の装置構成を示す図である。この図４に示すように、外気側から被空調室側にかけて、全熱交換器１、冷却コイル３および顕熱交換ロータ２が各々配置されている。この顕熱交換ロータ２は、前記被空調室を設定湿度とするため冷却コイル３で過冷却された空気をリターン空気と熱交換することにより過冷却空気を再熱し再熱負荷を消減すると共に、被空調室側からのリターン空気の冷却を行ない、全熱交換器１は顕熱交換ロータ２の出側のリターン空気と外気の全熱交換を行うことにより冷却コイル３での冷却負荷を削減してなる空気調和設備である。

また、特開２００３−１３０３９９号公報（特許文献２）は、被空調室の負荷変動に対して充分な追従性を有し、エネルギーロスを無くしてランニングコストを低減した恒温・恒湿室用の空調装置であって、冷凍機の冷却コイルと電気ヒータよりなる加熱コイルと、加湿ノズルとをケーシング内に備える空調機と、還気ダクトの途中に一端が接続された分岐ダクトの他端が固体ロータ吸着式の除湿機における被処理空気の吸入口に接続され、同除湿機の送出口に一端が接続された除湿空気ダクトの他端が前記空調機の還気口に接続され、圧縮機の吸入圧力制御弁の開度または圧縮機の回転数を調節して冷却出力を制御するとともに、前記加熱コイルへの加熱出力を制御する温度制御部と、前記除湿機における再生用加熱器の温度を調整して除湿出力を制御すると共に、前記加湿ノズルの蒸気放出量を調節して加湿出力を制御する湿度制御部を設けた恒温・恒湿室用の空調装置である。

特表２００２−５３９４０５号公報 特開２００３−１３０３９９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている技術内容は、外気を所定の温湿度に調温・調湿する外調機システムとしての機能しかなく、種々の外気導入率に対応できるシステムとするためには、図５に示すように、外調機システムとエアハンドリングユニットとの組み合わせたシステムとなる。すなわち、図５は、従来の他の空気調和設備の装置構成を示す図であり、外気側から被空調室側にかけて、外調機システムと冷却コイル３、加熱コイル４、加湿器５および給気フアン７から構成されるエアハンドリングユニットとの組み合わせたシステムとなる。この冷却コイル３には冷水或いは冷媒供給量制御弁９が設置され、また、加熱コイル４には、温水供給量制御弁１０が、加湿器５には、蒸気供給量制御弁１８が各々配置された制御盤１７を介して外気での外気温度センサー１３および外気湿度センサー１４に基づいて、被空調室１９での室内温度センサー１１および室内湿度センサー１２との温度および湿度の調整が行われるように構成されている。

上記のような構成から設備構成が非常に複雑になっている。また、リターン空気と外調処理空気の混合空気の調温、調湿において、外調機システムにてリターン空気と混合後の空気が所定湿度となるように過冷却をして湿度をとり、エアハンドリングユニットで冷却のみを行う方法で省エネを実現できるが、外気導入率が低い場合や被空調室内での潜熱負荷が高い場合、外調機システムのみでは除湿ができないため、過冷却および再熱が必要となり、多大なエネルギーを消費するという問題がある。一方、特許文献２においても、設備構成が非常に複雑になっており、設備コストが嵩むと言う問題がある。

上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、従来の空気調和設備に加えて、全熱交換器と顕熱ロータ間の外気導入管路と排気管路とを接続するバイパス管路を設け、該バイパス管路にリターン空気のバイパスダンパーを設けると共に、前記バイパス管路と排気管路との交差部から全熱交換器の排気管路に排気ダンパーを、前記バイパス管路と外気導入管路との交差部から全熱交換器側の外気導入管路に外気ダンパーを設けたことにより、簡素な構成のシステムで種々の外気導入率に設定できる空気調和設備を提供するものである。

その発明の要旨とするところは、
（１）外気側から被空調室側にかけて、全熱交換器、冷却コイル、顕熱交換ロータが配置され、該顕熱交換ロータは、前記被空調室を設定温度および湿度とするため冷却コイルで過冷却された外気をリターン空気と熱交換することにより外気を再熱し、再熱負荷を削減すると共に、リターン空気の冷却を行ない、全熱交換器は顕熱交換ロータ出側のリターン空気と外気の全熱交換を行うことにより冷却コイルでの冷却負荷を削減してなる空気調和設備において、前記全熱交換器と顕熱交換ロータ間の外気導入管路とを接続するバイパス管路を設け、該バイパス管路にリターン空気のバイパスダンパーを設けると共に、前記バイパス管路と排気管路との交差部から全熱交換器側の排気管路に排気ダンパーを、前記バイパス管路と外気導入管路との交差部から全熱交換器側の外気導入管路に外気ダンパーを設けたことを特徴とする空気調和設備。

（２）顕熱交換ロータから被空調室側にかけて、顕熱交換ロータに続いて、加熱コイルおよび加湿機を配置した前記（１）に記載の空気調和設備。
（３）冷却コイルに空気熱源ヒートポンプを設けてなる前記（１）または（２）に記載の空気調和設備。
（４）全熱交換器を回転数の制御が可能なロータータイプとした前記（１）〜（３）に記載の空気調和設備にある。

（１）本発明により、簡素な構成のシステムで種々の外気導入率に設定できる。また、外気導入率が低い場合や被空調室内での潜熱負荷が高い場合を含めた様々の外気導入率およびリターン空気条件に対しても、過冷却したエネルギーを顕熱交換ロータで回収すると共に、パイパス管路によって一部をリターン空気の冷却エネルギーに変換し、冷却エネルギーを最小化すると共に、再熱エネルギーを不要とすることが出来るため、冷却、除湿の省エネルギーを図ることが出来る。

（２）また、顕熱交換ロータから被空調室側にかけて、顕熱交換ロータに続いて、加熱コイルおよび加湿器を配置したことにより、様々な季節で変化する外気条件に応じて冷却コイルへの冷媒の供給量を制御するか、加湿器により加湿するかを最も効率的に自動選択することにより室内湿度を精度よく調整する構成としたことから、夏期、中間期の冷却、除湿のエネルギーを大幅に削減すると共に、冬期、中間期においてリターン空気と外気の全熱交換を行うことにより、加湿、加熱エネルギーを大幅に削減できる。

（３）また、温度制御において、顕熱交換ロータの最大熱交換効率の回転数でも設定温度に昇温できない場合は、顕熱交換ロータ下流の加熱コイルへの温水の供給経路に設置の温水供給量制御弁を開き開度調整することにより昇温制御を行う場合に、空気熱源ヒートポンプと組み合わせにより、ヒートポンプの熱を利用した昇温ができ、さらに省エネが可能となる。さらに、全熱交換器をロータタイプとし、回転数を制御することにより全熱交換効率を変えることにより、加湿モードにおける制御範囲を広め、加湿負荷の更なる低減が可能となる等極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る空気調和設備の装置構成を示す図である。この図１に示すように、外気側から被空調室側にかけて、全熱交換器１、冷却コイル３および顕熱交換ロータ２が各々配置されている。この顕熱交換ロータ２は、前記被空調室を設定湿度とするため冷却コイル３で過冷却された空気をリターン空気と熱交換することにより過冷却空気を再熱し再熱負荷を消滅すると共に、被空調室側からのリターン空気の冷却を行ない、全熱交換器１は顕熱交換ロータ２の出側のリターン空気と外気の全熱交換を行うことにより冷却コイル３での冷却負荷を削減してなる空気調和設備である。

上記構成のもとに、全熱交換器１と顕熱交換ロータ２間の外気導入管路２１とを接続するバイパス管路２２を設け、該バイパス管路２２にリターン空気バイバスダンバー２５を設けると共に、前記バイパス管路２２と排気管路２３との交差部２８から全熱交換器側の排気管路２９に排気ダンター２７を、前記バイパス管路２２と外気導入管路２１との交差部３０から全熱交換器側の外気導入管路２１に外気ダンパー２６を設けた。また、冷却コイル３には冷水或いは冷媒供給量制御弁９を設け、さらに、顕熱交換ロータ２には、ロータ駆動モータ６が設置され、制御盤１７を介して外気での外気温度センサー１３および外気湿度センサー１４に基づいて、被空調室１９での室内温度センサー１１および室内湿度センサー１２並びにリターン空気温度センサー１５およびリターン空気湿度センサー１６とで温度および湿度の調整が行われるように構成されている。なお、符号７は供気フアンであり、８は排気フアンを示す。

上述したような簡素な構成のシステムで種々の外気導入率に設定することが可能となる。また、外気導入率が低い場合や被空調室内での潜熱負荷が高い場合を含めた様々の外気導入率およびリターン空気条件に対しても、過冷却したエネルギーを顕熱交換ロータで回収し、リターン空気の冷却エネルギーに変換することにより、冷却エネルギーを最小化すると共に、再熱エネルギーを極小化可能とするものである。

図２は、本発明に係る他の空気調和設備の装置構成を示す図である。基本構成は図１と同様であり、図１の基本構成に加えて、顕熱交換ロータ２から被空調室１９にかけて、顕熱交換ロータ２に続いて、加熱コイル４および加湿機５を配置したものである。この発明では、冷却コイル３への冷水の供給経路に冷水あるいは冷媒供給量制御弁９およびロータ駆動モータ６が設置され、加熱コイル４への温水の供給経路に温水供給量制御弁１０、加湿器５への上記の供給経路に蒸気供給量制御弁１８を各々設け、被空調室１９には室内温度センサー１１と室内湿度センサー１２が設けられている。

制御装置は、外気温度センサー１３からの計測温度と外気湿度センサー１４からの計測湿度を入力し、室内計測温度Ｔｒと設定温度Ｔｓが一致するように顕熱交換ロータ２の回転数（除湿期）或いは温水供給量制御弁１０の開度（加湿期）を制御し、また、室内計測絶対湿度Ｈｒと設定絶対湿度Ｈｓが一致するように、冷水或いは冷媒供給量制御弁９（除湿）或いは上記供給量制御弁１８（加湿）の開度を制御する。例えば、外気導入率１００％の場合、外気の温度および湿度センサーからの計測温度Ｔ１と計測絶対湿度Ｈ１に対して設定温度Ｔｓと設定絶対湿度Ｈｓを比較することにより、運転モードを自動選択しオールシーズン制御が可能となる。すなわち、夏期、中間期の冷却、除湿のエネルギーを大幅に削減すると共に、冬期、中間期においてリターン空気と外気の全熱交換を行うことにより、加湿、加熱エネルギーを大幅に削減できる。

図３は、本発明に係る更に他の空気調和設備の装置構成を示す図である。基本構成は図２と同様であり、図２の基本構成に加えて、冷却コイル３に膨張弁２４を設け、かつ、加熱コイル４にも直膨コイルを配設することにより、温度制御において顕熱交換ロータ２の最大熱交換効率の回転数でも設定温度の昇温できない場合は、顕熱交換ロータ下流の加熱コイル４への温水の供給経路に設置の温水供給制御弁１０を開き開度調整することにより昇温制御を行う必要がある。この場合空気熱源ヒートポンプ２０と組み合わせにより、ヒートポンプの熱を利用した昇温ができ、さらに省エネが可能となるものである。さらには、図１〜３共に共通であるが、全熱交換器をロータタイプとし、回転数を制御することにより全熱交換効率を変えることにより、加湿モードにおける制御範囲を広め、全熱交の使用時間を増やすことにより加湿負荷の更なる低減が可能となる。

次に、オールシーズン制御可能な全熱交換ローターを用いた場合について説明する。
図２において、外気とリターン空気を混合する場合は、所定の外気導入率となるよう、リターン空気バイパスダンパー２５、外気ダンパー２６および排気ダンパー２７の各ダンターの開度を調整する。なお、外気導入率が一定の場合は、外気導入量に合わせた全熱交換器、排気フアン容量を選択することによりイニシャルコストを下げることができる。

外気とリターン空気を混合する場合の詳細について説明する。
外気の温度および湿度センサーからの計測温度Ｔ１と計測絶対湿度Ｈ１とリターン空気の温度および湿度センサーからの計測温度Ｔ２と計測絶対湿度Ｈ２から計算した外気とリターン空気の混合空気の温度Ｔ３と絶対湿度Ｈ３に対して設定温度Ｔｓと設定絶対湿度Ｈｓを比較することにより、下記運転モードを自動選択しオールシーズン制御が可能とする。 Ｔ３＝Ｔ１ε＋Ｔ２（１−ε） ただし、ε：外気導入率
Ｈ３＝Ｈ１ε＋Ｈ２（１−ε）

（１）除湿・再熱運転モード（Ｈ３≧Ｈｓの場合）
外気とリターン空気の混合空気の絶対湿度Ｈ３が、設定絶対湿度Ｈｓよりも高い場合、外気とリターン空気の混合空気のエンタルピーＥ３と基準エンタルピーＥ０の大小により下記の制御を行なう。ここで、Ｅ０は、次のように表される。 Ｅ０＝Ｅ２−（Ｅｓ−Ｅ４） ただし、Ｅ２：リターン空気エンタルピー
Ｅ４：冷却コイル出側空気エンタルピー
Ｅｓ：設定供給空気エンタルピー

（ａ）Ｅ３≧Ｅ０の場合
全熱交換器、冷却コイル、顕熱交換ロータによる除湿・再熱運転を行なう。
除湿・再熱運転は、室内計測温度Ｔｒと設定温度Ｔｓが一致するように顕熱交換ロータの回転数を制御し温度変換効率を変化させ温度制御し、また、室内計測絶対湿度Ｈｒと設定絶対湿度Ｈｓが一致するように、冷水或いは冷媒供給量制御弁９の開度を制御し除湿する。温度制御において、顕熱交換ロータの最大熱交換効率の回転数でも設定温度に昇温できない場合は、顕熱交換ロータ下流の加熱コイルへの温水の供給経路に設置の温水供給量制御弁１０を開き開度調整することにより温度制御を行なう。この場合、図３に示す空気熱源ヒートポンプと組み合わせることにより、さらなる省エネが可能となる。

（ｂ）Ｅ３＜Ｅ０の場合
全熱交換器を不使用とし冷却コイルと顕熱交換ロータにより除湿・再熱運転を行なう。除湿・再熱運転は、室内計測温度Ｔｒと設定温度Ｔｓが一致するように顕熱交換ロータの回転数を制御し温度変換効率を変化させ温度制御し、また、室内計測絶対湿度Ｈｒと設定絶対湿度Ｈｓが一致するように、水冷或いは冷媒供給量制御弁９の開度を制御し除湿する。温度制御において、顕熱交換ロータの最大熱交換効率の回転数でも設定温度に昇温できない場合は、顕熱交換ロータ下流の加熱コイルへの温水の供給経路に設置の温水供給量制御弁１０を開き開度調整することにより温度制御を行なう。この場合、排気ダンパーを閉じリターン空気を全て室内に戻すことにより、冷却コイルでの冷却負荷の低減を図ることが可能となる。

（２）加湿運転モード（Ｈ３＜Ｈｓの場合）
外気とリターン空気の混合空気の絶対湿度Ｈ３が、設定絶対湿度Ｈｓよりも低い場合、リターン空気と設定空気の絶対湿度に対する温度勾配とリターン空気と外気−リターン空気の混合空気の絶対湿度に対する温度勾配との大小を比較し下記の制御を行なう。
（Ｔ２−Ｔ３）／（Ｈ２−Ｈ３）＝Ｋ１
（Ｔ２−Ｔｓ）／（Ｈ２−Ｈｓ）＝Ｋ２
（ａ）Ｋ１≧Ｋ２（Ｋ２≧０）、Ｋ１≦Ｋ２（Ｋ２＜０）
最高効率での全熱交換しリターン空気と混合した後の絶対湿度Ｈｅｍを計算し、設定絶対湿度Ｈｓとの大小を比較することにより、下記運転を行なう。顕熱交換ロータの回転は止める。
Ｈｅｍ＝（Ｈ１＋ηｍａｘ（Ｈ２−Ｈ１）ε＋Ｈ２（１−ε）
ただし、ηｍａｘ：全熱交換最大効率

（イ）Ｈｅｍ＜Ｈｓの場合
最高効率で全熱交換を行い、室内計測温度Ｔｒと設定温度Ｔｓが一致するように水冷或いは冷媒供給量制御弁９の開度を制御する。不足する湿度は加湿によりまかなう。加湿運転は、室内計測絶対湿度Ｈｒと設定絶対湿度Ｈｓが一致するように、蒸気供給量制御弁１８の開度を制御し加湿する。
（ロ）Ｈｅｍ≧Ｈｓの場合
全熱交換ロータの回転数を変え所定の湿度にする。室内計測温度Ｔｒと設定温度Ｔｓが一致するように水冷或いは冷媒供給量制御弁９の開度を制御する。

（ｂ）Ｋ１≧Ｋ２（Ｋ２≧０）、Ｋ１＞Ｋ２（Ｋ２＜０）
（イ）Ｈｅｍ＜Ｈｓの場合
最高効率で全熱交換を行い、室内計測温度Ｔｒと設定温度Ｔｓが一致するように顕熱交換ロータの回転数を制御する。顕熱交換ロータの最大熱交換効率の回転数でも設定温度に昇温できない場合は、顕熱交換ロータ下流の加熱コイルへの温水の供給経路に設置の温水供給量制御弁１０を開き開度調整することにより温度制御を行なう。不足する湿度は加湿によりまかなう。加湿運転は、室内計測絶対湿度Ｈｒと設定絶対湿度Ｈｓが一致するように、蒸気供給量制御弁１８の開度を制御し加湿する。

（ロ）Ｈｅｍ≧Ｈｓの場合
全熱交換ロータの回転数を変え所定の湿度にする。室内計測温度Ｔｒと設定温度Ｔｓが一致するように顕熱交換ロータの回転数を制御する。顕熱交換ロータの最大熱交換効率の回転数でも設定温度に昇温できない場合は、顕熱交換ロータ下流の加熱コイルへの温水の供給経路に設置の温水供給量制御弁１０を開き開度調整することにより温度制御を行なう。

外気導入率１００％の場合は、リターン空気バイパスダンパー２５を閉じ、外気ダンパー２６および排気ダンパー２７を全開にして制御を行なう。いずれの場合も、外気は顕熱交換ロータにより冷却された空気と全熱交換器により熱交換され、バイパスダンパーを通過するリターン空気は顕熱交換ロータにより冷却されるので冷却コイルでの冷却負荷を削減できる。また、冷却コイルで過冷却された空気を顕熱交換ロータにて再熱できるため、エネルギーロスを最小化することが出来る。

なお、加熱による温度制御の方法としては、前記の加熱コイルを用いた温水供給量制御弁１０による開度調整を行う方法以外に、加熱コイルを用いた蒸気供給量制御弁による開度調整を行う方法や加熱コイルの代わりに電気ヒーターを用い電気出力制御を行う方法があり、本発明ではどの方法を用いても有効である。また、加湿による湿度制御の方法としては、上記記載の蒸気供給量制御弁１８による開度調整を行う方法以外に、電気蒸発式加湿器において電流出力制御を行う方法、水噴霧式加湿器において噴霧量制御を行う方法があり、本発明ではどの方法を用いても有効である。

また、排気ファン８は、本発明ではいずれも図１〜図３に示す如く、全熱交換器の後面に配置されているが、本空調装置をコンパクトにするため顕熱交換ロータの前面に配置する場合もある。この場合、顕熱交換ロータにおいて排気側空気と給気側空気の圧力差が生じ、排気側空気から給気側空気へのリーク量が増えるが、そのリーク量が無視できる場合省スペースの上で有効な配置となる。

本発明に係る省エネルギー型空気調和設備は、食品工業、精密機器工業、化学・医薬品工業、クリーンルーム、試験室、プラスチック工業、冷凍・冷蔵倉庫、および学校、病院・ケアハウス、テーマパーク、劇場、映画館、公共施設、遊戯施設、ジム、アリーナ、屋内プール、スーパーマーケット、コンビニ、ホテル、レストラン等の室内空気の温度、湿度を適正に保つ方法として種々使用することができる。

本発明に係る空気調和設備の装置構成を示す図である。 本発明に係る他の空気調和設備の装置構成を示す図である。 本発明に係る更に他の空気調和設備の装置構成を示す図である。 従来の空気調和設備の装置構成を示す図である。 従来の他の空気調和設備の装置構成を示す図である。

符号の説明

１ 全熱交換器
２ 顕熱交換ロータ
３ 冷却コイル
４ 加熱コイル
５ 加湿機
６ ロータ駆動モータ
７ 給気フアン
８ 排気フアン
９ 冷水或いは冷媒供給量制御弁
１０ 温水供給量制御弁
１１ 給気温度センサー
１２ 給気湿度センサー
１３ 外気温度センサー
１４ 外気湿度センサー
１５ リターン空気温度センサー
１６ リターン空気湿度センサー
１７ 制御盤
１８ 蒸気供給量制御弁
１９ 被空調室
２０ 空気熱源ヒートポンプ
２１ 外気導入管路
２２ バイパス管路
２３ 排気管路
２４ 膨張弁
２５ 空気バイパスダンパー
２６ 外気ダンパー
２７ 排気ダンパー
２８、３０ 交差部
２９ 排気管路


特許出願人 新日本製鐵株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊 他１

Claims (4)

1. 外気側から被空調室側にかけて、全熱交換器、冷却コイル、顕熱交換ロータが配置され、該顕熱交換ロータは、前記被空調室を設定温度および湿度とするため冷却コイルで過冷却された外気をリターン空気と熱交換することにより外気を再熱し、再熱負荷を削減すると共に、リターン空気の冷却を行ない、全熱交換器は顕熱交換ロータ出側のリターン空気と外気の全熱交換を行うことにより冷却コイルでの冷却負荷を削減してなる空気調和設備において、前記全熱交換器と顕熱交換ロータ間の外気導入管路とを接続するバイパス管路を設け、該バイパス管路にリターン空気のバイパスダンパーを設けると共に、前記バイパス管路と排気管路との交差部から全熱交換器側の排気管路に排気ダンパーを、前記バイパス管路と外気導入管路との交差部から全熱交換器側の外気導入管路に外気ダンパーを設けたことを特徴とする空気調和設備。
2. 顕熱交換ロータから被空調室側にかけて、顕熱交換ロータに続いて、加熱コイルおよび加湿機を配置した請求項１に記載の空気調和設備。
3. 冷却コイルに空気熱源ヒートポンプを設けてなる請求項１または２に記載の空気調和設備。
4. 全熱交換器を回転数の制御が可能なロータータイプとした請求項１〜３に記載の空気調和設備。

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