JP2006207872A

JP2006207872A - 除湿空調システム

Info

Publication number: JP2006207872A
Application number: JP2005017763A
Authority: JP
Inventors: Toko Hashimoto; 東光橋本
Original assignee: GEO POWER SYSTEM KK; Tokoh Kogyo
Current assignee: GEO POWER SYSTEM KK; Tokoh Kogyo
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】
デシカントを備えた除湿装置で除湿した処理空気を、顕熱交換器や加湿器を使用することなく冷却することが出来る新しい構成の除湿空調システムに関するものである。
【解決手段】
水分を吸着するデシカントを備えた除湿装置の後流側に、地中に埋入した二重管構造の熱交換器を連結して、該除湿装置で除湿され吸着熱により温度上昇した処理空気を冷却することを特徴とする。室内からの排気を屋外に設けた太陽熱交換器に通して加熱し、加熱した排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生させることを特徴とする。上記室内からの排気をコージェネレーション設備からの温熱で加熱し、加熱した排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生させることを特徴とする。上記室内からの排気を温水給湯装置の循環水で加熱し、加熱した排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、住宅、ビルなどの建物に適用することができる建物内の除湿空調システムに関するものであり、更に詳しくは、デシカントを備えた除湿装置で除湿した処理空気を、顕熱交換機を使用することなく冷却することが出来る新しい構造の除湿空調システムに関するものである。

デシカント空調とはデシカント（吸着剤、吸湿剤）を使って空気中の水分を吸着除湿する空調方法である。
デシカント空調の最大の特徴は、動力を使用することなく乾燥剤で直接除湿できることであり、従来の圧縮機を使用する空調機に比べて極めて省エネ的で、機械振動が少ない、
除塵、殺菌性に優れている等の優れた特徴を有するが、反面、乾燥剤は水分吸着反応熱で温度が上がり、除湿空気の温度が上昇する欠点も併せ持つ。したがって冷房に適用する場合、温度の上がった除湿空気の冷却装置の設置が余儀なくされている。冷却装置には、通常、顕熱ローターや空気・空気熱交換器（特許文献１）が使用されている。
顕熱ローターや空気・空気熱交換器の設置は当然設備費の上昇、新たなエネルギー消費、ランニングコストの上昇を招く。また顕熱ローターや空気・空気熱交換器は処理空気を室温以下まで冷却することができないため、加湿等を行って室温まで下げていたが、この場合、加湿器など付帯設備が必要であり、更なる設備費の上昇や、設置スペースの増加を招いていた。

特開２００４−２７１０８１号公報

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、デシカントにおける除湿で温度の上がった処理空気を新たにエネルギーを使用することなく自然エネルギーで冷却することが出来る新しい除湿空調システムを提供せんとするものである。

本発明者は、上記問題に関して鋭意研究を行い、下記の知見を得た。
すなわち、
１．デシカントで除湿されて温度の上がった処理空気を、地中に埋入した二重管構造の熱交換器に通すだけで処理空気の温度を下げることが出来ること、そして複数の熱交換器を通すことで居住に快適な温度程度まで冷却できることが判った。そして
２．水分を吸着したデシカントの再生は、上記室内からの排気を屋外に設けた太陽熱交換器に通して加熱して、この加熱した室内からの排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生出来ることが判った。
３．また、上記室内からの排気をコージェネレーション設備からの温熱で加熱して、この加熱した室内からの排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生出来ることが判った。
４．また、上記室内からの排気を温水給湯装置の循環水で加熱して、この加熱した室内からの排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生出来ることが判った。
本発明は以上の知見を基になされたものであって下記の構成からなるものである。
（１）水分を吸着するデシカントを備えた除湿装置の後流側に、地中に埋入した二重管構造の熱交換器を連結して、該除湿装置で除湿された処理空気を冷却することを特徴とする除湿空調システム。
（２）室内からの排気を屋外に設けた太陽熱交換器に通して加熱し、該室内からの排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生させることを特徴とする上記（１）に記載の除湿空調システム。
（３）上記室内からの排気をコージェネレーション設備からの温熱で加熱し、該加熱した室内からの排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生させることを特徴とする上記（１）に記載の除湿空調システム。
（４）上記室内からの排気を温水給湯装置の循環水で加熱し、該加熱した室内からの排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生させることを特徴とする上記（１）に記載の除湿空調システム。

本発明は下記の効果を有する。
１．除湿時に発生する吸着熱で温度の上がった処理空気を自然エネルギーである地中熱温度（１５℃）によって２２℃程度に冷却できるので、夏季冷房時の省エネ効果は極めて大である。
２．極めて安価なランニングコストで除湿出来る。
３．動力部分がないので機械振動、騒音がない。
４．処理空気の除塵、無菌性に優れている。
５．コ−ジェネレ−ションとの組み合わせによりＣＯ２発生量を大幅に低減でき、地球温暖化防止に大きく貢献する。

本発明の構造とその作用機能を図面で説明する。
図１は、本発明の全体システムと作用機能を説明する図である。
図２は、図１のデシカントローターを構成する乾燥エレメントの説明図である。
図３は、図１のシステムを説明する湿り空気線図の模式図である。
図４は、本発明に使用される地中熱用２重管構造の熱交換器の図である。

先ず、図１、図２によって本発明の全体システムとその作用機能を説明する。
本発明の空調システムでは、先ずデシカントを使って処理空気の湿度を下げる。
デシカントは、デシカントローターと称せられる回転する円盤の中に充填されて使用される。
図１に示す様に、デシカントローターは、回転軸（図示されていない）回りに回転する厚い円盤状のローターに、軸方向に貫通する無数の蜂の巣状の貫通穴が穿孔されており、この孔の中に乾燥エレメントが充填された構造である。

デシカントローターの前方及び後方には固定された仕切板が配置されている。
仕切板はデシカントローターの除湿側と再生側をほぼ半分の領域で区切る板であり、屋外の新鮮な空気及びこれを除湿した新鮮、低湿度の空気と、室内から帰還した中湿度の空気（排気）及びデシカントを加熱再生するときに発生する高温多湿空気が混ざるのを防ぐ役目をする。
図２は、ハニカム構造の乾燥エレメントの一例を示したものである。
デシカントローターの貫通孔はセラミックスペーパー製の六角形状のハニカムシェルを張り合わせて形成し、乾燥剤（デシカント）はシェル内面に貼着した構造である。貫通孔の断面形状は特に限定されるものではなく、円形、多角形、いかなる形状でもかまわない。いずれにせよ、処理空気がデシカントの中をローターの厚さ方向に向かって流れる構造になっておればよい。

デシカントローターは回転軸周りに一方向に緩やかに回転する。
新鮮な外気（処理空気：図１中で示される屋外の外気）は、除湿側に流入し、乾燥エレメントの中、あるいは／及び乾燥エレメントとローター孔との隙間を通過するときに水分を吸着除湿されることとなる。
乾燥エレメントは時間と共に吸湿量が減少し、遂には飽和に達して吸湿不能になるので、飽和に達する前に、再生側に到達できるようにローターの回転速度が調整されている。

処理空気がデシカントの充填された層を通過する際、空気中の湿分はデシカントに吸着除去されるが、水分を吸着したデシカントは吸着熱で温度が上がる。このためにデシカント層を通過する空気の温度が上がる。
夏季では50〜60℃まで温度が上がる。

デシカントを通過して昇温した空気は、次に地中に埋入した熱交換パイプを通過させる。
大地の温度は年間を通じてほぼ１５℃前後の温度であり、熱交換パイプを通過した処理空気は地熱と熱交換されて、夏季、50〜60℃まで昇温した空気は一回通過するとほぼ外気温度と同等程度まで温度が下がる。図１の様に、熱交換パイプを２連立設しておき、熱交換パイプに２回通過させると、処理空気の温度は22〜24℃程度まで低下して、低湿度、中温度の空気が得られる。熱交換パイプは通過する処理空気の風量とその温度により適宜その数を増やして並列あるいは直列につないで使用することは可能であり、また勿論１本のみでも良く、特にその本数が限定されるものではない。
このように除湿空調された空気を屋内に直接に給気し、あるいは必要に応じてエアコンに接続して屋内に給気することによって快適な室内環境を維持することができる。

室内から帰還した中湿度（10〜11g/kg）の空気（排気）は太陽熱温水器の温水ヒーターの中で、温水（夏季：70℃）と熱交換されて55〜60まで温度が上がり、この高温中湿度の空気がデシカントローターの再生側に流入してデシカントを加熱して、デシカントに吸着された水分を放出させてデシカントを再生させる。再生側の排気口からは高温高湿度の空気が屋外に排気される。

ここで、図３の湿り空気線図の模式図を参照して図１に示される除湿空調システムの作用を補足説明する。
図３において、外気からの処理空気（状態Ａ）がハニカム形状のデシカントローターに導入されると水分を吸着されて絶対湿度を下げると同時に、吸着熱によりデシカントロータ出口の空気温度は上昇して状態Ｂの空気になる。
従来の方法では、この高温度、低湿度の状態Ｂの空気は絶対湿度一定のまま冷却されて状態Ｃ1の空気となる。この場合には状態Ｄの室内空気と混合されることになるが、図からも自明のように状態Ｄの室内空気の温度以下には冷却されない。そのため、顕熱を除去し室温以下に給気温度を下げるための補足手段として、加湿器や冷却器が必要であった。

本発明の場合においては、デシカントロータ出口から出た高温度、低湿度の状態Ｂの空気を直接に地中に埋入した二重管構造の熱交換器で１５℃の地熱で冷却するので、状態Ｃ2まで冷却された中温度・低湿度の空気が室内に給気される。本発明ではＣ1とＣ2の温度差分、従来方法より温度を下げることが可能になる。また、デシカントに吸湿された湿分を乾燥再生する加熱器の温度も低温化が可能となり、再生用の熱量負荷も少なくなって省エネルギ−となる。
一方、状態Ｄの室内換気空気は温熱器で加熱されて状態Ｅの空気となり、デシカントに吸湿された湿分を乾燥再生し状態Ｆの空気を屋外に排気する。

デシカントをデシカントローターの貫通孔に接着固定する方法は、デシカントを一旦乾燥エレメントの容器の中に充填して、あるいは含浸して、これをデシカントローターの貫通孔に差し込んで接着固定する方法でも良いし、あるいはデシカントを直接ローターの貫通孔に充填して接着固定しても良い。あるいは貫通孔の内面に塗布して固定する方法でも良い。いずれにせよ使用中デシカントが剥落しなければ、その固定方法はいかなる方法でも良い。
また乾燥エレメントの断面形状は円形、多角形、いかなる形状でもかまわない。いずれにせよ、処理空気がデシカントの中をローターの厚さ方向に向かって流れる構造になっておれば、いかなる構造でもかまわない。また本発明で使用するデシカントローターの構造には、特別な制約はなく、少なくとも現在通常使用されているあらゆる構造のデシカントローター及びあらゆる組成のデシカントを適用できるものである。

太陽熱交換器の構造については特に限定するものではなく、一般的な太陽熱交換器で十分であり、熱伝導性に優れた集熱板を配した太陽熱交換器などはさらに好適である。
この場合、屋内の排気は空気流通路の下端から入り、太陽熱交換器で加熱されて、上端で屋内排気の出口側に接続されてデシカントの再生側に排出される。

冬季、室内からの帰還空気を太陽熱交換器、太陽熱温水器等で加熱してもデシカントを再生させるのに十分な温度が得られないときは、必要に応じて暖房機器の排熱、温水器の温水熱を併用して所定の温度になるように調整しても良い。

デシカント材料には、シリカゲル、モレキュラシーブ、高分子吸湿剤などを使用すると良いが、再生温度が80℃よりも低い場合にはシリカゲルや高分子吸湿剤が好ましい。

図４は、地中に埋入した熱交換パイプ（商品名：ジオパイプ）の構造の説明図である。
地中熱は四季を通じて一定しているので、地中パイプを埋設することによって概ね一定の地中温度（１５℃）の地中熱を利用することが出来る。
ジオパイプは、図４に示すように二重管構造であり、先端が封止された外管の中に内管が差し込まれた構造で、内管の先端は開放されており、外管と内管の間には適当な隙間が存在する状態で地中に垂直に埋め込まれている。
外管は熱伝導の良い金属のパイプ（たとえばアルミ製）、内管は熱伝導の悪い、たとえば樹脂製（たとえばポリエチレンのような）パイプからなる。
空気流は外管の穴から外管と内管の隙間に入り、隙間を下降して下端の封止部に衝突し
て方向を変えて内管を上昇する構造になっている。内管の上部は吸気配管によってファンユニットに接続されている。

外管表面は四季を通じて地中熱温度（１５℃）に保持されており、通過空気は地中熱によって熱交換される。
例えば夏季の場合、外気温度30〜35℃、絶対湿度16〜18 g/kgDAの空気はデシカントで除湿され、除湿に伴う発熱（吸着熱）で50〜60℃まで温度が上昇する。低湿度高温度の空気はジオパイプで30〜35℃程度まで冷却される。ジオパイプを２連立設して、２回通過させることにより、22〜24℃まで冷却される。このように、処理空気を新たにエネルギーを使用することなく自然エネルギーで冷房時の設定室温以下まで冷却することが出来る。

地中の温度特性として地下5mまでの深さでは、太陽熱の伝熱の時間遅れから、夏は地下深度１０ｍ以上の地中の平均気温よりも更に低い温度になること、そして冬は同じく地下深度１０ｍ以上の地中の平均気温よりも更に高い温度になる。そこでこの特性を利用して、地中熱交換器のパイプは地下5mの深さまで埋入した時、熱交換効率的にも、掘削経費の点からも最も効果的である。したがって外管の埋入深さは、地中５mの深さが、熱効率的にも、掘削費用の点でも、最も好ましい。

また、本発明においては、天然ガスを熱源としたコージェネレーションシステムの温熱を利用して吸湿したデシカントを再生するのに必要な再生熱量から換算ＣＯ２発生量を試算し、従来エアコン冷房運転時の場合の電力消費量から推定されるＣＯ２発生量とを対比すると、本発明のコージェネレーションシステムとの組み合わせによる場合のほうが従来エアコン冷房運転時の場合に較べて約1/5にＣＯ２発生量を低減できる。以下に試算の詳細を説明する。

１世帯あたり１年間に冷暖房機器が発生するCO2の量は、平成12年10月11日に開催された経済産業省総合エネルギー調査会省エネルギー部会第３回において、配布された配布資料３「民生部門のエネルギー消費動向」から、次の通り計算される。
エアコンの冷房運転時の消費電力量は、エアコンの年間消費電力量 930 kWh（1998年）の22.5%で、209kWhである。
以上による CO2発生量は、79.2 kgCO2 (=(209*0.379)となる。
エアコンの運転時間は、エネルギー効率COP=3, リビング用エアコンの冷房能力＝3.2 kWとした場合、消費電力は1.07kWであるので、全負荷換算で209／1.07=195時間である。

本発明において、天然ガスを熱源としたコージェネレーションシステムの温熱を利用する場合、夏季の負荷は除湿潜熱負荷に限定され、除湿潜熱負荷の90％以上は換気によって外気から持ち込まれる水分であるので、建物の床面積を100m2、階高を2.5m、換気回数を0.5回/h、外気湿度を0.017kg/kgDA、室内湿度0.011kg/kgDAとし、冷房運転時間を195時間として；
除湿潜熱負荷＝（床面積ｘ階高ｘ（外気湿度―室内湿度））／空気比体積
ｘ換気回数ｘ運転時間ｘ水の蒸発潜熱／外気潜熱負荷割合
＝（100ｘ2.5ｘ（0.017―0.011））／0.9ｘ0.5ｘ195ｘ2540／0.9
＝459ｘ103 kJ = 459 MJ
となる。

さらにコージェネレーションのエネルギー利用効率を85%、発電効率を35%とし、さらにデシカントの潜熱交換効率を80%として、CO2発生量を計算すると；
デシカントの再生に要する熱量は、
再生熱量＝除湿潜熱負荷／潜熱交換効率＝459／0.8＝574 MJ
再生熱量を発生するためのエネルギー起源熱量は、
再生熱量＝再生熱量／（エネルギー利用効率−発電効率）
＝574／ (0.85―0.35) ＝1,148 MJ
天然ガスのCO2発生量は0.051 kgCO2/MJであるから、エネルギー起源CO2発生量は、
エネルギー起源CO2発生量＝1,148ｘ0.051＝58.5 kgCO2

一方再生熱を発生する際の発電量は、
発電量 kWh＝再生熱量 MJｘ発電効率／（エネルギー利用効率−発電効率）／3.600
＝574 ｘ 0.35 ／ (0.85―0.35)／3.600 ＝ 112 kWh
この分の電力を系統電力で賄うと、112ｘ0.379＝42.4 kGCO2 が発生することになるが、コージェネレーションによってCO2発生量はこの分の発生が抑制できる。
従って、正味CO2発生量は、
正味CO2発生量＝エネルギー起源CO2発生量―抑制されたCO2発生量
＝58.5―42.4＝16.1 kgCO2
となる。

以上のように、本発明ではコージェネレーションとの組み合わせにより、従来エアコン使用によるCO2発生量79.3kgCO2に比べ、その20.3%、約1/5に低減でき、地球温暖化防止に極めて高い効果がある。
この結果より、本発明は地球温暖化防止にも極めて高い効果を示す。

図１は、全体システムと作用機能を説明する図である。図２は、図１のデシカントローターを構成する乾燥エレメントの説明図である。図３は、図１のシステムを説明する湿り空気線図の模式図である。図４は、本発明に使用される地中熱用２重管構造の熱交換器の図である。

Claims

水分を吸着するデシカントを備えた除湿装置の後流側に、地中に埋入した二重管構造の熱交換器を連結して、該除湿装置で除湿された処理空気を冷却することを特徴とする除湿空調システム。
室内からの排気を屋外に設けた太陽熱交換器に通して加熱し、該加熱した排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生させることを特徴とする請求項１に記載の除湿空調システム。
室内からの排気をコージェネレーション設備からの温熱で加熱し、該加熱した排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生させることを特徴とする請求項１に記載の除湿空調システム。
室内からの排気を温水給湯装置の循環水で加熱し、該加熱した排気で上記水分を吸着したデシカントを加熱、再生させることを特徴とする請求項１に記載の除湿空調システム。