JP2007024467A - ドレンレス空調システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 電気式デシカント空調機を用いて結露を発生せず、しかもホテルなどの大容量の空調を快適に行うことができるドレンレス空調システムを提供する。
【解決手段】 ビルなどの各室Rに設けられたファンコイルユニット(FCU)11で各室内の空気を循環して冷房する際に、デシカントロータ22とヒートポンプ23を組み合わせてデシカント空調機21を構成し、外気を、デシカントロータ22の吸入側に導入して除湿すると共にヒートポンプ23のエアクーラ32を通して冷却し、この冷却空気を、上記各室RのFCU11に換気用空気として供給すると共に各室Rから換気用空気と同量の空気を取り込み、これをヒートポンプ23のエアヒータ30を通して昇温し、その昇温した空気を上記デシカントロータ22の排気側を通してデシカントロータ22を再生した後、排気する。
【選択図】 図1
【解決手段】 ビルなどの各室Rに設けられたファンコイルユニット(FCU)11で各室内の空気を循環して冷房する際に、デシカントロータ22とヒートポンプ23を組み合わせてデシカント空調機21を構成し、外気を、デシカントロータ22の吸入側に導入して除湿すると共にヒートポンプ23のエアクーラ32を通して冷却し、この冷却空気を、上記各室RのFCU11に換気用空気として供給すると共に各室Rから換気用空気と同量の空気を取り込み、これをヒートポンプ23のエアヒータ30を通して昇温し、その昇温した空気を上記デシカントロータ22の排気側を通してデシカントロータ22を再生した後、排気する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、ホテルやオフィス等のビルを空調する空調システムに係り、特に冷房時に室内機側でドレンの発生や結露を防止できるドレンレス空調システムに関するものである。
従来、ホテルやオフィス等のビルを空調する空調システムにおいては、各室内に、冷温水発生機に接続されるファンコイルユニット(FCU)が設置され、他方、ビルの屋上等に外調機を設置し、外調機から室温レベルに温調した外気を各FCUに供給し、室内空気と合わせてファンにて吸引すると共にこれをコイルで冷却して設定温度にして吹き出すようにしている。
このFCUでは、室内空気と湿度の高い外気が混合した後、コイルで冷却されるために結露水が生じ、これをドレン水として排出するが、FCU内にドレン水が溜まるため、このドレン水中に含まれる微生物が繁殖する障害がある。
一方、ドレンレス空調機として、特許文献1に見られるようにデシカント空調装置が提案されている。
このデシカント空調機は、デシカントロータとヒートポンプとを組み合わせ、潜熱処理をデシカントロータで行い、顕熱処理をヒートポンプで行うもので、デシカントロータに室内空気を通して除湿し、除湿により昇温した空気をヒートポンプの蒸発器で冷却して設定温度として、室内に吹き出して冷房するもので、デシカントロータの再生は、外気をヒートポンプの凝縮器を通して昇温し、これをデシカントロータを通して吸着した水分を脱着させて再生するようにしている。
また、特許文献1のようなヒートポンプを用いた電気式デシカント空調の他に特許文献2に示されるように、CO2 ヒートポンプとガスタービンとを組み合わせ大容量の空調が行えるハイブリッド型デシカント空調機も提案されている。
このデシカント空調においては、デシカントロータ等により空気を除湿し、昇温した空気を蒸発器等で冷却して室内に供給するため、結露による問題は発生することがない。
しかしながら、ヒートポンプを用いた電気式デシカント空調は、運転管理が容易であるものの、冷媒がCO2 でないため排熱温度が低く十分な再生が行えず、大容量の冷房を行う空調には不向きである。またガスタービン等ガスコジェネレーションシステムと組み合わせたハイブリッド型デシカント空調機では、大容量の空調には向いているものの、ガスタービンの運転管理が必要であり、従来のFCUを用いた空調システムのように電気式で全てを制御できる簡便さに劣る問題がある。
さらに、デシカント空調では、空気の絶対湿度を落とした際、吸着熱により昇温した乾燥空気を冷却により相対湿度を上げて、室内に吹き出しているが、室内の空気の湿度が20%RH以下となると、生理量、心理量に影響が生じやすい、特に冷房負荷がピークを迎える時期や西日が入る時間帯には、湿度20%RH以下となりやすい問題がある。
特許文献1,3に示されるようにデシカント空調で除湿後の空気を再度加湿して室内に供給して湿度調整することがなされているが、一旦除湿した空気を再度加湿したのでは、エネルギーロスとなる。
このように、ホテルやオフィス等のビルを空調する空調システムで、快適な室内環境を形成するには、結露などによる障害を除き、室内の温湿度を適切な状況に調整することが必要であるが、ドレンレスで、しかも電気式で簡単に制御できる空調システムは開発されていない。
本発明の目的は、電気式デシカント空調機を用いて結露を発生せず、しかもホテルなどの大容量の空調を快適に行うことができるドレンレス空調システムを提供することにある。
上記の目的を達成するために、請求項1の発明は、ビルなどの各室に設けられたファンコイルユニット(FCU)で各室内の空気を循環して冷房する空調システムにおいて、デシカントロータとヒートポンプを組み合わせてデシカント空調機を構成し、外気を、デシカントロータの吸入側に導入して除湿すると共にヒートポンプの蒸発器を通して冷却し、この冷却空気を、上記各室のFCUに換気用空気として供給すると共に各室から換気用空気と同量の空気を取り込み、これをヒートポンプの凝縮器を通して昇温し、その昇温した空気を上記デシカントロータの排気側を通してデシカントロータを再生した後、排気するようにしたドレンレス空調システムである。
請求項2の発明は、デシカント空調機に、運転中の全FCUの総空気循環量に対して、0.1〜0.5の外気を導入し、これを除湿すると共に各室内の設定温度近傍まで冷却して換気用空気とし、これを各FCUの空気循環量に応じて分配して各FCUに供給する請求項1記載のドレンレス空調システムである。
請求項3の発明は、運転中のFCUの空気循環量の0.1〜0.5を換気用空気として取り込みデシカント空調機を通して換気空気と同量の室内空気を排気する請求項1又は2記載のドレンレス空調システムである。
請求項4の発明は、ビルなどの各室に設けられたファンコイルユニット(FCU)で各室内の空気を循環して冷房する空調システムにおいて、デシカントロータと、圧縮機とエアヒータと膨張弁とエアクーラと気液分離器が順次接続されたCO2 ヒートポンプとでデシカント空調機を構成し、そのデシカント空調機に、外気導入通路と排気通路を形成し、その外気導入通路に押し込みファンを接続すると共に排気通路に吸引ファンを接続し、上記外気導入通路と排気通路を横断するようデシカントロータを回転自在に設け、そのデシカントロータ下流側の外気導入通路に上記エアクーラを接続し、デシカントロータ上流側の排気通路にエアヒータを接続し、上記エアクーラ下流側の外気導入通路を、各室に配置されたFCUに換気用空気を供給する給気ダクトに接続し、各室の空気を排出する排気ダクトを上記エアヒータ上流側の排気通路に接続したドレンレス空調システムである。
請求項5の発明は、エアヒータとデシカントロータ間の排気通路に補助ヒータが接続される請求項4記載のドレンレス空調システムである。
請求項6の発明は、エアクーラの上流側の外気導入通路とエアヒータ上流側の排気通路とを横断して、外気導入通路と排気通路の換気用空気を熱交換する顕熱ロータが設けられる請求項4又は5記載のドレンレス空調システムである。
請求項7の発明は、FCUは、本体内に、冷媒液が供給されるコイルと室内空気を循環するファンが設けられて構成され、コイルが、冷媒供給管と冷媒排出管を介して冷温水発生機などに接続される請求項4〜6いずれか記載のドレンレス空調システムである。
請求項8の発明は、機械室内等に上記冷温水発生機等を設置し、各階の室を挿通するようダクトシャフトを設け、そのダクトシャフト内に、上記冷温水発生機等に接続された冷媒供給管と冷媒排出管を配設し、そのダクトシャフト内に、各室の換気用の給気ダクトと排気ダクトを配設し、その給気ダクトと排気ダクトを、屋上に設置したデシカント空調機の外気導入通路と排気通路に接続した請求項7記載のドレンレス空調システムである。
本発明は、各室を冷暖房するFCUをそのまま用い、FCUに換気用の空気を供給する際に電気式のデシカント空調機を用い、このデシカント空調機で、外気を除湿した後、ヒートポンプの蒸発器で冷却した換気用空気を供給することで、FCU内での結露を防止したドレンレス空調が可能となる。また、このドレンレス空調は、既存のFCUによる空調設備をそのまま用い、デシカント空調機のみ設置すればドレンレス空調が行えるメリットがある。
以下本発明の実施形態を添付図面により説明する。
図1(a)、図1(b)において、10は、ホテルやオフィス等の建物で、m階、n室/階の室Rを備えている。
この各室Rには、ファンコイルユニット(FCU)11が設けられる。このFCU11は、吸込口12と吹出口13を有する本体14内に、冷媒液(冷水又は温水等)が供給されるコイル15と室内空気を循環するファン16が設けられて構成される。
各FCU11のコイル15は、冷媒供給管17と冷媒排出管18を介して建物10の屋上や機械室などに設置された冷温水発生機等20に接続される。冷媒液は、冷暖房時に冷温水発生機等20で設定温度にされ、その冷媒液が、冷媒供給管17を通してコイル15に供給され、冷媒排出管18を通して冷温水発生機等20に戻されて循環される。
冷媒供給管17と冷媒排出管18は、図1(a)に示すように各階の室Rを貫通するよう設けられたダクトシャフト19内に収容される。このダクトシャフト19は、図1(b)に示すように、例えば廊下P側に位置するよう、かつ二つの室R、R間を貫通するように複数設けられる。
なお、このダクトシャフト19は、図示のように各階を貫通するよう複数の垂直のダクトシャフト19を設ける代わりに、各階を貫通する1つの垂直なダクトシャフト19を設け、その垂直なダクトシャフト19に、各階ごと各室Rを結ぶよう水平なダクトシャフト19を設け、これらダクトシャフト19に沿って冷媒供給管17と冷媒排出管18を収容するようにしてもよい。
さて、本発明においては、各FCU11に換気用空気を供給する際に、デシカント空調機21を用いたものである。
このデシカント空調機21は、図1(a)、図2に示すように、デシカントロータ22とCO2 ヒートポンプ23とで構成される。
デシカント空調機ケーシング24内には、外気導入通路25と排気通路26が形成され、その外気導入通路25に押し込みファン27が接続され、排気通路26に吸引ファン28が接続され、外気導入通路25と排気通路26を横断するようデシカントロータ22が回転自在に設けられる。
CO2 ヒートポンプ23は、圧縮機29、エアヒータ(ガスクーラ)30、膨張弁31、エアクーラ(蒸発器)32、気液分離器33が順に接続されて構成される。
デシカントロータ22の下流側の外気導入通路25には、エアクーラ32が接続され、デシカントロータ22の上流側の排気通路26には、エアヒータ30が接続される。
また、エアヒータ30とデシカントロータ22間の排気通路26には、電気ヒータ等の補助ヒータ34が設けられる。
エアクーラ32の下流側の外気導入通路25は、各室Rに配置されたFCU11に換気用空気を供給する給気ダクト35に接続され、各室Rに形成された換気口37からの換気空気を排出する排気ダクト36が、エアヒータ30の上流側の排気通路26に接続される。
また、エアクーラ32の下流側の外気導入通路25には、温度センサ38が接続され、エアクーラ32からの換気用空気の温度が設定温度(例えば、26℃)となるように、図2に示した圧縮機29の回転数を制御してエアクーラ32でのCO2 の蒸発温度が制御されるようになっている。
次に、この図1,2におけるドレンレス空調システムを説明する。
先ず、冷房時には、冷温水発生機等20から、冷媒液(冷水)が設定温度(例えば18〜24℃)にされ、冷媒供給管17と冷媒排出管18を介してFCU11のコイル15に循環供給されるが、このコイル15で室R内の空気を冷房するとコイル15で結露が発生してしまう、そこで、運転初期には、冷温水発生機等20を駆動する前に、デシカント空調機21、すなわち、押し込みファン27と吸引ファン28を駆動し、デシカントロータ22を、外気導入通路25と排気通路26を横断するよう回転すると共にCO2 ヒートポンプ23を駆動する。
CO2 ヒートポンプ23は、圧縮機29の駆動により、気液分離器33内のCO2 ガスを吸引して、圧縮し、これをエアヒータ30に供給し、後述する排気側の換気用空気と熱交換し、膨張弁31にて減圧され、気液混合状態となってエアクーラ32に流れ、そこで後述する導入側の換気用空気と熱交換して蒸発し、気液分離器33に流れ、そこで気液分離されてガス分が圧縮機29に吸引されて圧縮されることで、エアヒータ30で放熱し、エアクーラ32で吸熱することで、導入側の換気用空気から熱回収して冷却し、この回収熱で排気側の換気用空気を昇温する。
押し込みファン27により、外気(例えば32℃)は、換気用空気として、外気導入通路25に供給され、デシカントロータ22を通して除湿される。除湿により昇温した換気用空気(例えば、65℃、絶対湿度5g/kg’)は、エアクーラ32により、例えば26℃に冷却されて、給気ダクト35から各FCU11に供給される。
また、各室Rの室内空気の一部は、換気口37から排気ダクト36を通し、デシカント空調機21の排気通路26に導入され、その換気空気が、エアヒータ30で80℃程度に昇温されてデシカントロータ22に流れ、そこで水分を吸着したデシカントを再生した後、吸引ファン28から排気される。
このデシカント空調機21を駆動した後、冷温水発生機等20を駆動して冷房を行うことで、FCU11のコイル15で結露を発生することなく、ドレンレス空調が行える。
このドレンレス空調においては、FCU11による空気循環量は、室R内の空気を1時間当たり約8回循環できるよう、例えば室Rの容積が43m3 であれば、循環量が約350m3 /hとなるよう、また、デシカント空調機21による換気用空気量は、全FCU11の総空気循環量に対して、0.1〜0.4、好ましくは0.15〜0.3の範囲程度であれば、FCU11内のコイル15での結露を抑えることができ、FCU11の空気循環量が350m3 /hであれば、35〜140m3 /h、好ましくは52.5〜105m3 /hの範囲の外気をデシカント空調機21を通して供給すればよい。
なお、暖房時は、冷温水発生機等20から、冷媒液(温水)を設定温度(例えば40℃程度)にされ、冷媒供給管17と冷媒排出管18を介してFCU11のコイル15に循環供給して暖房を行う。この暖房運転においては、結露の問題がないため冷温水発生機等20による運転のみで十分であるが、換気用空気を供給する場合には、デシカント空調機21を通して供給する。この場合、詳細は省略するが、CO2 ヒートポンプ23を駆動し、押し込みファン27からの外気を、デシカントロータ22を通さずに、エアヒータ30に供給して昇温し、これを給気ダクト35を通してFCU11に供給し、室内空気の一部を換気口37から排気ダクト36を通した後、エアヒータ30、補助ヒータ34及びデシカントロータ22を通さずに、吸引ファン28を介して排気するようにする。
次に、上述したドレンレス空調を図3の空気線図を用いてさらに説明する。
先ず、建物10の室Rの容積が全て同じで43m3 とすると、空調全容積は、m階×n室×43m3 /hであり、全FCU11の総空気循環量は、m階×n室×350m3 /hであり、各室Rの換気用空気量は、0.23として、80m3 /h、全換気用空気量は、m階×n室×80m3 /hとする。
デシカント空調機21で、A点(32℃、絶対湿度20g/kg’、相対湿度65%)の外気は、デシカントロータ22を通過して除湿されて昇温し、B点(65℃、絶対湿度6g/kg’、相対湿度約4%)となり、エアクーラ32にて、C点(26℃、絶対湿度6g/kg’、相対湿度約30%)となり、FCU11に供給され、その室内の吸込空気と混合することで、D点(26℃、絶対湿度9.5g/kg’、相対湿度約45%)となり、これがコイル15を通ることで、E点(20℃、絶対湿度9.5g/kg’、相対湿度約65%)となって室Rに吹き出され、室Rでは、設定温度26℃、相対湿度50%、絶対湿度10.5g/kg’に保たれる。
このように、予めデシカント空調機21により、外気の潜熱処理を行って換気用空気とし、FCU11に供給することで、室内で潜熱負荷を、この換気用空気で相殺することで、室内空気をFCU11で循環してコイル15で冷却しても、コイル15では、顕熱のみを下げ、結露を防止したドレンレス空調が行える。
この室内の潜熱負荷を処理するため、デシカント空調機21から送り出す換気用空気の絶対湿度は、約6g/kg’と低めに設定しておく。
室内を26℃、相対湿度50%に維持するためには、仮にホテル客室(ツイン)内の一般的な顕熱負荷、潜熱負荷の一日の変動に応じて、吹出温湿度を変化させた場合の、吹出湿度は9.9〜10.3g/kg’の間で変化する。従って、9.9g/kg’以下の吹出湿度に設定しておけば、室内の絶対湿度は10.5g/kg’(26℃、50%相当)より大きくならないことが予想される。
本発明においては、FCU11のドレンレス化を図るために、デシカント空調機21から供給する換気用空気の絶対湿度を低めに設定しているので、運転初期や、不在時に室内換気のためファン14を駆動したときなど、乾燥した換気用空気(相対湿度30%、絶対湿度6g/kg’程度)が、そのまま室内に吹き出されることになる。
しかし、ビル管理法の相対湿度の下限値は40%RHとされているが、最近の研究報告では、それ以下の30%RHの室内においても、生理量、心理量について乾燥による問題は生じないと報告されている(堤仁美ら;火気における低湿度環境とコンタクトレンズ装用が在室者に与える影響に関する研究、日本建築学会計画系論文集、No.564、pp.17−23(2003.2)、田中佑昌ら;オフィス空間における乾燥感に関する研究(その4〜その6)、日本建築学会大会学術講演梗概集、D−2、pp.459−464(2003)など)。
しかし、20%RH以下では、生理量、心理量に問題があるため、室内が30℃以上にならないように、FCU11のコイル15に冷媒液を少量流して稼働する予冷運転モードを追加するようにすればよい。
図4、図5は、本発明の他の実施の形態を示したもので、基本的構成は、図1,図2と同じであるが、デシカント空調機21の外気導入通路25と排気通路26間に、顕熱ロータ40を設けて、デシカントロータ22とダブルロータ式にした点にある。
すなわち、顕熱ロータ40は、エアクーラ32の上流側の外気導入通路25と、エアヒータ30の上流側の排気通路26間を横断するよう回転自在に設けられ、デシカントロータ22で除湿されて昇温した換気用空気から熱を回収し、これをFCU11からエアヒータ30に至る換気用空気を加熱するようにデシカント空調機21を構成したものである。又、逆に室内冷排熱を回収して、これをデシカントロータ22からエアクーラ32に至る換気用空気を冷却するようにデシカント空調機21を構成したものである。
この顕熱ロータ40を設けることで、CO2 ヒートポンプ23の負荷が少なくできるメリットがある。
図6は、空気線図で、図4,図5のドレンレス空調システムを説明したもので、A〜F点までは、図3で説明した通りであるが、室RからF点の空気を換気用空気としてデシカント空調機21側に排気する際に顕熱ロータ40にて絶対湿度はそのままで、外気導入通路25からエアクーラ32に向かう換気用空気の顕熱を回収して、G点のように56℃まで昇温し、エアヒータ30に流すようにし、同時にB点の換気空気をH点まで冷却してエアクーラ32に流す状態を示している。
CO2 ヒートポンプ23は、一般のヒートポンプに比べて高い再生温度(エアヒータ30直後の空気温度80℃程度)が得られるため、デシカントロータ22の高い再生能力が得られるが、顕熱ロータ40を併用することで、そのCO2 ヒートポンプ23の負荷を低減でき効率の良い再生が可能となる。
10 建物
11 ファンコイルユニット(FCU)
21 デシカント空調機
22 デシカントロータ
23 ヒートポンプ
30 エアヒータ
32 エアクーラ
11 ファンコイルユニット(FCU)
21 デシカント空調機
22 デシカントロータ
23 ヒートポンプ
30 エアヒータ
32 エアクーラ
Claims (8)
- ビルなどの各室に設けられたファンコイルユニット(FCU)で各室内の空気を循環して冷房する空調システムにおいて、デシカントロータとヒートポンプを組み合わせてデシカント空調機を構成し、外気を、デシカントロータの吸入側に導入して除湿すると共にヒートポンプの蒸発器を通して冷却し、この冷却空気を、上記各室のFCUに換気用空気として供給すると共に各室から換気用空気と同量の空気を取り込み、これをヒートポンプの凝縮器を通して昇温し、その昇温した空気を上記デシカントロータの排気側を通してデシカントロータを再生した後、排気することを特徴とするドレンレス空調システム。
- デシカント空調機に、運転中の全FCUの総空気循環量に対して、0.1〜0.5の外気を導入し、これを除湿すると共に各室内の設定温度近傍まで冷却して換気用空気とし、これを各FCUの空気循環量に応じて分配して各FCUに供給する請求項1記載のドレンレス空調システム。
- 運転中のFCUの空気循環量の0.1〜0.5を換気用空気として取り込みデシカント空調機を通して換気空気と同量の室内空気を排気する請求項1又は2記載のドレンレス空調システム。
- ビルなどの各室に設けられたファンコイルユニット(FCU)で各室内の空気を循環して冷房する空調システムにおいて、デシカントロータと、圧縮機とエアヒータと膨張弁とエアクーラと気液分離器が順次接続されたCO2 ヒートポンプとでデシカント空調機を構成し、そのデシカント空調機に、外気導入通路と排気通路を形成し、その外気導入通路に押し込みファンを接続すると共に排気通路に吸引ファンを接続し、上記外気導入通路と排気通路を横断するようデシカントロータを回転自在に設け、そのデシカントロータ下流側の外気導入通路に上記エアクーラを接続し、デシカントロータ上流側の排気通路にエアヒータを接続し、上記エアクーラ下流側の外気導入通路を、各室に配置されたFCUに換気用空気を供給する給気ダクトに接続し、各室の空気を排出する排気ダクトを上記エアヒータ上流側の排気通路に接続したことを特徴とするドレンレス空調システム。
- エアヒータとデシカントロータ間の排気通路に補助ヒータが接続される請求項4記載のドレンレス空調システム。
- エアクーラの上流側の外気導入通路とエアヒータ上流側の排気通路とを横断して、外気導入通路と排気通路の換気用空気を熱交換する顕熱ロータが設けられる請求項4又は5記載のドレンレス空調システム。
- FCUは、本体内に、冷媒液が供給されるコイルと室内空気を循環するファンが設けられて構成され、コイルが、冷媒供給管と冷媒排出管を介して冷温水発生機などに接続される請求項4〜6いずれか記載のドレンレス空調システム。
- 機械室等に上記冷温水発生機等を設置し、各階の室を挿通するようダクトシャフトを設け、そのダクトシャフト内に、上記冷温水発生機等に接続された冷媒供給管と冷媒排出管を配設し、そのダクトシャフト内に、各室の換気用の給気ダクトと排気ダクトを配設し、その給気ダクトと排気ダクトを、屋上に設置したデシカント空調機の外気導入通路と排気通路に接続した請求項7記載のドレンレス空調システム。
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