JP2006349276A - 空気調和機および外気冷房運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 冬期や中間期において外気を利用した外気冷房を行いつつ、給気における加湿不足を防止することを目的とする。
【解決手段】 還気系６３に接続する還気通路５３と、外気系６６に接続する外気通路５４と、給気系６９に接続するとともに、還気通路５３と外気通路５４がそれぞれの下流端で連通する給気通路５５と、空調対象空間から還気系６３を通して還気ＲＡの一部を排気させる排気ファン装置６４と、外気通路５４を通して外気ＯＡを給気通路５５に供給する外気ファン装置６７と、給気通路５５から空調対象空間に給気系６９を通して給気ＳＡを供給する給気ファン装置７０とを備え、還気通路５３に水加湿器５７と水加湿器５７の上流側に配置する還気冷却コイル５９を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気調和機および外気冷房運転方法に関し、外気を利用して冷房を行う技術に係るものである。

この種の空気調和機としては、例えば特許文献１に記載するものがあり、図９に示すようなものである。この空気調和機では、還気ファン１及び給気ファン２を駆動することによって、空調対象の室内に連通する還気系から還気口３を通って還気・排気通風路４に流入した還気ＲＡの一部は排気口５から排気ＥＡとして外部へ排出され、還気ＲＡの残部は還気ダンパ６を経て外気通風路７の始端側に流入し、外気口８から流入する外気ＯＡと合流して外気通風路７を給気口９に向けて流れる。

還気ＲＡの一部と外気ＯＡとが合流した気流はエアフィルタ１０、熱交換機１１、加湿器１２及び給気ファン２を経て給気ＳＡとして給気口９から空調対象室内に連通する給気系に流出される。

また、特許文献２に記載するものとして、図１１に示すものがある。この空気調和機では、外気口側の外気取入セクション２１と還気口側の還気取入セクション２２が仕切板２３によって仕切られており、ファン２４を駆動させることによって外気ＯＡが外気口２５から外気取入セクション２１に吸引され、還気ＲＡが還気口２６から還気取入セクション２２に吸引されて還気と外気が装置本体内に別々に取り入れられる。

還気取入セクション２２を通過する還気は加湿装置２７によって加湿された後に、外気取入セクション２１を通過した外気ＯＡと混合され、この混合エアが冷却コイル２８や加熱コイル２９によって温度調節されて後に給気口３０から送気される。

また、特許文献３に記載するものとして、図１３に示すものがある。この空気調和機では、リターンチャンバー４１を二つの並列する第一チャンバー４２と第二チャンバー４３とで構成し、被空調室４４の還気口４５から還気ダクト４６を通して第一チャンバー４２に導入した還気を還気用熱交換器４７で熱交換し、外気取入口４８から外気取入ダクト４９を通して第二チャンバー４３に導入した外気を外気用熱交換器５０で熱交換して後に加湿器５１で加湿し、還気と外気をサプライチャンバー５２で混合して送風機５３により給気する。
特開平１１−３０４１８０号公報 特開２００１−２６３７２４号公報 特開２００４−３４０５２９号公報

ところで、最近のビル空気調和においては、建物の空気調和対象空間が建物外周側の領域をなすペリメータ系統と内部側の領域をなすインテリア系統のゾーンに分割されて、各ゾーン別に空気調和制御を行うことが多い。また、近年の事務室内ではパーソナルコンピュータ等の使用が増加しており、従来において２０Ｗ／ｍ^２程度であった内部発熱量が４０〜６０Ｗ／ｍ^２程度に増大している。

このため、冬期および中間期においてもインテリア系統を冷房運転する場合があり、冬期および中間期において室温よりも低温である外気を利用した外気冷房が省エネルギーの観点から望まれている。

しかし、特許文献１に開示する構成において、図１０に示すように、冬期冷房時運転を外気冷房で行う場合には、低温の外気ＯＡと還気ＲＡとが合流した気流を加湿器１２により加湿して給気ＳＡとするので、外気通風路７における外気ＯＡと還気ＲＡの混合が不十分であると、合流した気流中の外気ＯＡが低温下で加湿されることになり、結果として給気ＳＡに加湿不足が生じる。

また、中間期等において冷房負荷が増えて、取り込み可能な最大量の外気によっても冷却能力が不足し、熱交換機１１による冷却を併用する場合には、合流した気流を冷却後に加湿することになり、給気ＳＡに加湿不足が生じる。

特許文献２に開示する構成では、冬季における還気は暖房されて比較的高温になっており、加湿するのに十分な温度であり、還気ＲＡを効率よく加湿することができるので、冬期冷房時運転を外気冷房で行う場合には、図１２に示すように、高温の還気ＲＡのみを加湿し、加湿した還気ＲＡと外気ＯＡとを混合して温度調節する。

しかし、中間期等において冷房負荷が増えて、取り込み可能な最大量の外気によっても冷却能力が不足し、冷却コイル２８による冷却を併用する場合には、加湿した還気ＲＡが冷却コイル２８で除湿されることになり、結果として給気ＳＡに加湿不足が生じる。

特許文献３に開示する構成では、還気と外気に分けて温度調整し、外気を加熱して加湿を行うので、冬期冷房時運転を外気冷房で行うと、外気を加熱することなく低温下で加湿しつつ、還気と混合することになり、外気の低温加湿によって給気に加湿不足が生じる。また、外気冷房を行わずに、外気を加熱して加湿を行う場合には、還気を冷却する必要があり、無駄にエネルギーを消費することになる。

本発明は上記した課題を解決するものであり、冬期や中間期において外気を利用した外気冷房を行いつつ、給気における加湿不足を防止できる空気調和機および外気冷房運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の空気調和機は、還気系に接続する還気通路と、外気系に接続する外気通路と、給気系に接続するとともに、還気通路と外気通路がそれぞれの下流端で連通する給気通路と、給気通路から空調対象空間に給気系を通して給気を供給する給気ファン装置とを備え、還気通路に加湿手段と加湿手段の上流側に配置する冷却手段を設けたものである。

また、空調対象空間から還気系を通して還気の一部を排気する排気ファン装置と、外気通路を通して外気を給気通路に供給する外気ファン装置を備え、還気通路と外気通路とに並列に還気系を接続し、還気系の排気ファン装置を排気の吐出量を調整可能なものとし、外気系の外気ファン装置を外気の供給量を調整可能なものとしたものである。

本発明の外気冷房運転方法は、還気系から還流する還気を還気通路を通して給気通路に供給し、外気系から流入する外気を外気通路を通して給気通路に供給し、給気通路で還気に外気を混合して給気系に給気として供給する空気調和機において、還気を還気通路に設けた加湿手段で加湿して後に給気通路に供給し、給気通路に還気より低温の外気を供給して還気に混合することにより外気冷房し、冷房負荷に対する外気冷房能力が不足するときに還気通路において加湿の前に還気を冷却手段で冷却するものである。

また、冷房負荷に対して外気冷房能力が不足するときに、還気通路での冷却手段による還気の冷却と併せて、外気通路において外気を冷却手段で冷却するものである。
また、還気系を通して空調対象空間から還流させる還気を還気通路と外気通路とに導入し、外気ファン装置により外気系を通して外気を外気通路に供給し、給気通路で混合する還気量と外気量の総和量をなす給気量を給気ファン装置により給気系に供給し、外気ファン装置により供給する外気量を冷房負荷に応じて増減調整するとともに、排気ファン装置により還気の一部を排気しつつ排気量を外気量の増減に応じて増減調整することにより、還気通路を流れる還気量を保持しながら、外気通路を流れる還気量と外気量の割り合いを変更するものである。

以上のように本発明によれば、加湿した還気に、還気より低温の外気を加湿することなく混合し、混合した空気を給気として供給することにより外気冷房を行うので、外気の低温加湿に起因する給気の加湿不足を防止でき、冷房負荷に対する外気冷房能力が不足するときに還気通路において加湿の前に還気を冷却することで、外気冷房能力の不足分を補うとともに、加湿後の冷却に起因する還気の除湿を防止できる。

また、還気通路での冷却手段による還気の冷却と併せて、外気通路において外気を冷却することで、冷房負荷に対して外気冷房能力が不足するときに、十分な冷房能力を発揮できる。

また、外気ファン装置により供給する外気量を冷房負荷に応じて増減調整する際に、還気通路を流れる還気量を保持しつつ、外気通路へ導入した還気量を外気量の増減に応じて増減するので、外気冷房時に外気量の変動に拘らず還気通路において常に安定的に加湿することができる。

還気系を還気通路にのみ接続する場合には、給気量を一定に維持するために外気量の増減に応じて還気通路を流れる還気量を増減する必要があり、還気通路を流れる還気量に外気冷房時の最大外気量に応じた変動幅を設定し、かつ還気通路に配置する冷却手段に最大還気量に応じた最大冷却能力を備える必要がある。しかし、外気冷房時の外気量の変動に拘らず還気通路の還気量は一定量に保持するので、還気通路に配置する冷却手段に無駄な冷却能力を設定する必要がなくなる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１において、空気調和機５１は、ケーシング５２の内部に還気通路５３と外気通路５４と給気通路５５を有し、還気通路５３と外気通路５４を隔てる仕切壁５６を設けており、還気通路５３と外気通路５４がそれぞれの下流端で給気通路５５に連通している。

還気通路５３には、下流端側に加湿手段をなす水加湿器５７を設け、上流端側に還気フィルター５８を設け、水加湿器５７と還気フィルター５８の間に、つまり水加湿器５７の上流側に冷却手段をなす還気冷却コイル５９を設けており、必要に応じて加熱手段をなす還気加熱コイル（図示省略）を設ける。水加湿器５７には水スプレー、気化式加湿器、超音波加湿器等を用いる。

外気通路５４には、下流端側に加熱手段をなす外気加熱コイル６０を設け、上流端側に外気フィルター６１を設け、外気加熱コイル６０と外気フィルター６１の間に冷却手段をなす外気冷却コイル６２を設けている。

空調対象空間に連通する還気系６３は還気通路５３および外気通路５４のそれぞれの上流端に並列に接続している。還気系６３を通して還気ＲＡを還流させる排気ファン装置６４は吸込側で還気系６３に接続し、吹出側で排気系６５に接続しており、空調対象空間から還流する還気ＲＡの一部を排気系６５を通して排気ＥＡとして外部へ排出する。

外気系６６は外気通路５４の上流端に接続している。外気系６６を通して外気ＯＡを供給する外気ファン装置６７は吹出側で外気系６６に接続し、吸込側で吸気系６８に接続しており、吸気系６８を通して外部から吸い込む新鮮な外気ＯＡを外気系６６、外気通路５４を通して給気通路５５に供給する。

給気系６９は給気通路５５の下流端に接続している。給気系６９を通して給気ＳＡを空調対象空間に供給する給気ファン装置７０は吹出側で給気系６９に接続し、吸込側で給気通路５５に連通しており、還気通路５３から給気通路５５へ還気ＲＡ１を吸い込み、外気通路５４から給気通路５５へ外気ＯＡおよび還気ＲＡ２を吸い込み、給気通路５５で混合した還気ＲＡおよびＯＡを給気ＳＡとして給気系６９に供給する。本実施の形態では給気量の６０％を還気通路５３を通して吸引し、給気量の４０％を外気通路５４を通して吸引するように、還気通路５３および外気通路５４の形状（流路断面および抵抗）を設定する。

排気ファン装置６４および外気ファン装置６７はインバータ制御を行うもので、排気ファン装置６４は排気系６５へ排気する還気ＲＡの排気量が調整可能であり、外気ファン装置６７は外気ＯＡの供給量が調整可能であり、外気ファン装置６７による外気ＯＡの供給量の増減に連動して排気ファン装置６４による還気ＲＡの排気量が増減するように両者を制御し、外気ＯＡの供給量の増加量が還気ＲＡの排気量の増加量となる。

図４に示すように、外気通路５４に配置した還気冷却コイル５９と外気通路５４に配置した外気冷却コイル６２は、それぞれ冷媒供給手段をなす冷媒系７１ａ、７１ｂに制御弁７２、７３を介して接続している。

以下、上記した構成における作用を説明する。
夏期冷房運転時
制御弁７２、制御弁７３を開いた状態とする。そして、給気ファン装置７０による給気ＳＡの供給量を１００％とすると、排気ファン装置６４は、例えば給気量の８０％に相当する還気ＲＡが空気調和機５１に還流するように運転し、外気ファン装置６７は、例えば給気量の２０％に相当する外気ＯＡを空気調和機５１に供給するように運転する。還気ＲＡと外気ＯＡの比率は例示であり、条件によって適宜に設定する。

このとき、外気通路５４では最大通気量（給気量４０％相当）の１／２が外気ファン装置６７によって外気系６６から外気通路５４へ供給する外気ＯＡ（給気量２０％相当）によって満たされ、残りの１／２が還気系６３から流入する還気ＲＡ２（給気量２０％相当）によって補完的に充足される。

また、還気通路５３では最大通気量（給気量６０％相当）の全てが還気系６３から還流する還気ＲＡ１（給気量６０％相当）によって満たされる。
還気通路５３では、還気フィルター５８を通過した還気ＲＡ１を還気冷却コイル５９で冷却し、冷却した還気ＲＡ１が給気通路５５へ流入する。外気通路５４では、外気フィルター６１を通過した外気ＯＡおよび還気ＲＡ２を外気冷却コイル６２で冷却し、冷却した外気ＯＡおよび還気ＲＡ２が給気通路５５へ流入する。給気通路５５へ流入した還気ＲＡおよび外気ＯＡは混合されて給気ファン装置７０により給気ＳＡとして給気系６９に供給される。
冬期暖房運転時
制御弁７２、制御弁７３を閉じた状態とする。そして、排気ファン装置６４は、例えば給気量の８０％に相当する還気ＲＡが空気調和機５１に還流するように運転し、外気ファン装置６７は、例えば給気量の２０％に相当する外気ＯＡを空気調和機５１に供給するように運転する。

還気通路５３では還気フィルター５８を通過した還気ＲＡ１に水加湿器５７から水を噴霧して加湿し、加湿した還気ＲＡ１を給気通路５５へ供給し、外気通路５４では外気フィルター６１を通過した外気ＯＡおよび還気ＲＡ２を外気加熱コイル６０で加熱し、加熱した外気ＯＡおよび還気ＲＡ２を給気通路５５へ供給する。給気通路５５へ流入した還気ＲＡおよび外気ＯＡは混合されて給気ファン装置７０により給気ＳＡとして給気系６９に供給される。
冬期冷房運転時（外気冷房運転時）
制御弁７２、制御弁７３を閉じた状態とする。そして、排気ファン装置６４は、例えば給気量の８０％に相当する還気ＲＡが空気調和機５１に還流するように運転し、外気ファン装置６７は、例えば給気量の２０％に相当する外気ＯＡを空気調和機５１に供給するように運転する。

還気通路５３では還気フィルター５８を通過した還気ＲＡ１に水加湿器５７から水を噴霧して加湿し、加湿した還気ＲＡ１を給気通路５５へ供給し、外気通路５４では外気フィルター６１を通過した外気ＯＡおよび還気ＲＡ２を給気通路５５へ供給する。給気通路５５へ流入した還気ＲＡおよび外気ＯＡは混合されて給気ファン装置７０により給気ＳＡとして給気系６９に供給される。

この場合には、図２に例示するように、還気ＲＡ１の顕熱を加熱源として加湿し、この加湿した還気ＲＡ１に、還気ＲＡより低温の外気ＯＡを加湿することなく混合し、外気ＯＡの顕熱を冷却源として外気冷房することで、外気ＯＡの低温加湿に起因する給気ＳＡの加湿不足を防止でき、例えば冷房負荷３３Ｗ／ｍ^２に相当する冷房能力を実現できる。

この冬期冷房運転時には、外気ＯＡの供給量は冷房負荷に応じて増減し、外気ファン装置６７による外気ＯＡの供給量を増加させるほどに排気ファン装置６４による還気ＲＡの排気量を増加させる。

このとき、外気通路５４では外気ファン装置６７によって供給される外気ＯＡが増加するほどに、還気系６３から流入する還気ＲＡ２が減少して、還気量と外気量の合計量である最大通気量（給気量４０％相当）を維持しつつ、還気量と外気量の割り合いを変更し、還気通路５３では最大通気量（給気量６０％相当）の全てが還気系６３から還流する還気ＲＡ１（給気量６０％相当）によって満たされる状態を維持するので、外気冷房時に外気量の変動に拘らず還気通路５３において常に一定の還気量に対して安定的に加湿することができる。

外気ＯＡによる冷房能力を最大とする場合には、図３（ａ）に例示するように、外気ファン装置６７により、外気通路５４の最大通気量（給気量の４０％に相当）の外気ＯＡを空気調和機５１に供給して運転し、還気通路５３では最大通気量（給気量６０％相当）の全てを還気系６３から還流する還気ＲＡ１（給気量６０％相当）によって満たす状態を維持し、外気通路５４には外気ＯＡのみを通気することで、例えば冷房負荷５９Ｗ／ｍ^２に相当する冷房能力を実現できる。

また、外気通路への還気ＲＡ２の供給をダンパ等で制御することで、図３（ｂ）に例示するように外気ＯＡによる冷房能力を最大限にすることができる。
冬期冷房運転時および中間期冷房運転において外気冷房運転を行う場合に、冷房負荷に対する外気冷房能力が不足するときには、制御弁７２を開き、制御弁７３を閉じた状態として還気冷却コイル５９で還気ＲＡ１を冷却することで、還気通路５３において加湿の前に還気ＲＡ１を冷却して外気冷房能力の不足分を補うとともに、加湿後の冷却に起因する還気の除湿を防止できる。さらに、冷房能力が不足する時は制御弁７３を開にして負荷に対応する。

また、図５に示すように、還気系６３の抵抗が大きい場合等においては、排気ファン装置６４とともに、還気ファン装置７４を設けることも可能である。
また、図６および図７に示すように、空気調和機５１は、ケーシング５２の上面において還気系６３、外気系６６、給気系６９のそれぞれを還気通路５３と外気通路５４と給気通路５５に接続する構成とすることもできる。

この構成において、還気通路５３には還気フィルター５８のみを配置し、還気冷却コイル５９と水加湿器５７は給気通路５５の領域に配置しているが、還気冷却コイル５９と水加湿器５７は還気通路５３に連通しているので、実質的に還気通路５３を形成している。また、外気通路５４には外気フィルター６１のみを配置し、外気冷却コイル６２、外気加熱コイル６０は給気通路５５の領域に配置しているが、外気冷却コイル６２、外気加熱コイル６０は連続して外気通路５４に連通しているので、実質的に外気通路５４を形成している。

また、図８に示すように、空気調和機５１は、給気通路５５の両側にそれぞれ還気通路５３と外気通路５４を配置する構成とし、還気系６３、外気系６６、給気系６９をそれぞれケーシング５２の上面において各通路に接続することも可能である。

この場合にも、還気通路５３には還気フィルター５８のみを配置し、還気冷却コイル５９と水加湿器５７は給気通路５５の領域に配置しているが、還気冷却コイル５９と水加湿器５７は還気通路５３に連通しているので、実質的に還気通路５３を形成している。また、外気通路５４には外気フィルター６１のみを配置し、外気冷却コイル６２、外気加熱コイル６０は給気通路５５の領域に配置しているが、外気冷却コイル６２、外気加熱コイル６０は連続して外気通路５４に連通しているので、実質的に外気通路５４を形成している。

本発明の実施の形態における空気調和機の構成を示す模式図 同空気調和機の冬期冷房運転時の空気線図 同空気調和機の他の冬期冷房運転時の空気線図 同空気調和機の冷却コイルの構成を示す模式図 本発明の他の実施の形態における空気調和機の構成を示す模式図 本発明の他の実施の形態における空気調和機の構成を示す平面図 同空気調和機の構成を示す正面図 本発明の他の実施の形態における空気調和機の構成を示す模式図 従来の空気調和機の構成を示す模式図 同空気調和機の冬期冷房運転時の空気線図 従来の他の空気調和機の構成を示す模式図 同空気調和機の冬期冷房運転時の空気線図 従来の他の空気調和機の構成を示す模式図

符号の説明

５１ 空気調和機
５２ ケーシング
５３ 還気通路
５４ 外気通路
５５ 給気通路
５６ 仕切壁
５７ 水加湿器
５８ 還気フィルター
５９ 還気冷却コイル
６０ 外気加熱コイル
６１ 外気フィルター
６２ 外気冷却コイル
６３ 還気系
６４ 排気ファン装置
６５ 排気系
６６ 外気系
６７ 外気ファン装置
６８ 吸気系
６９ 給気系
７０ 給気ファン装置
７１ 冷媒系
７２、７３ 制御弁
７４ 還気ファン装置
ＲＡ 還気
ＯＡ 外気
ＳＡ 給気
ＥＡ 排気

Claims (5)

1. 還気系に接続する還気通路と、外気系に接続する外気通路と、給気系に接続するとともに、還気通路と外気通路がそれぞれの下流端で連通する給気通路と、給気通路から空調対象空間に給気系を通して給気を供給する給気ファン装置とを備え、還気通路に加湿手段と加湿手段の上流側に配置する冷却手段を設けたことを特徴とする空気調和機。
2. 空調対象空間から還気系を通して還気の一部を排気する排気ファン装置と、外気通路を通して外気を給気通路に供給する外気ファン装置を備え、還気通路と外気通路とに並列に還気系を接続し、還気系の排気ファン装置を排気の吐出量を調整可能なものとし、外気系の外気ファン装置を外気の供給量を調整可能なものとしたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 還気系から還流する還気を還気通路を通して給気通路に供給し、外気系から流入する外気を外気通路を通して給気通路に供給し、給気通路で還気に外気を混合して給気系に給気として供給する空気調和機において、還気を還気通路に設けた加湿手段で加湿して後に給気通路に供給し、給気通路に還気より低温の外気を供給して還気に混合することにより外気冷房し、冷房負荷に対する外気冷房能力が不足するときに還気通路において加湿の前に還気を冷却手段で冷却することを特徴とする外気冷房運転方法。
4. 冷房負荷に対して外気冷房能力が不足するときに、還気通路での冷却手段による還気の冷却と併せて、外気通路において外気を冷却手段で冷却することを特徴とする請求項３に記載の外気冷房運転方法。
5. 還気系を通して空調対象空間から還流させる還気を還気通路と外気通路とに導入し、外気ファン装置により外気系を通して外気を外気通路に供給し、給気通路で混合する還気量と外気量の総和量をなす給気量を給気ファン装置により給気系に供給し、外気ファン装置により供給する外気量を冷房負荷に応じて増減調整するとともに、排気ファン装置により還気の一部を排気しつつ排気量を外気量の増減に応じて増減調整することにより、還気通路を流れる還気量を保持しながら、外気通路を流れる還気量と外気量の割り合いを変更することを特徴とする請求項３又は４に記載の外気冷房運転方法。

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