JP2008111643A - エンジン廃熱利用液体デシカント装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体デシカント空調機、ヒートポンプ、エアコンを組合せて、それぞれの排熱を利用することで全体の熱効率が向上している。また、コージェネレーションの排熱を用いることで熱効率の向上が図られている。これらの機器に必要な電力と熱量が必ずしも両者を十分に使い切る形にならないため、いずれか一方が余剰となって廃棄されるため、十分な全体の熱効率が図られていない。
【解決手段】 液体デシカント空調機とエアコンの主電源としてガスタービンやガスエンジンなどの原動機で駆動される発電機を用い、熱主電従の場合は、市中の電力線から電力を補充、電主熱従の場合は、ヒータなどの補助熱源で不足分を補うことで、初期設備コストとランニングコストの低減を図ることができる。
【選択図】図１

Description

液体デシカント装置とエアコン及びエンジン発電機とを組み合わせた空調装置に関する技術

最近、地球温暖化対策として、２８℃冷房と２０℃暖房が推奨されている。最先端の空調機でＣＯＰ６以上の効率の高いものが開発されているが、前記の２８℃冷房を行うと、室内の湿度は８０％程度となり、不快指数の高い状態となる。

また、室内の炭酸ガスの増加、臭気や浮遊粉塵の除去、院内感染に代表されるような空気感染による疾病の蔓延を防止し、室内の快適な環境を作るべく、換気を適正に行い、室内空気環境を改善するように建築基準法などで換気率が規定されている。

従来のほぼ密閉状態における空調に対し、換気量を増加した場合、空気中の湿分を凝縮させて除去する従来のエアコンでは、夏期の空気中の湿分（絶対湿度で２０ｇ／ｋｇ）の半分を除湿すると、凝縮に使われるエアコンのエネルギーは、エアコンで消費するエネルギーの約７０％に達する。

エアコンの湿分凝縮に要するエネルギーを減少できることがデシカント空調機を採用するメリットであり、エアコンは室内で発生する熱量や外部からの入熱分を冷却する働きを、デシカント空調機は、外部から導入する外気中の湿分を除去する働きをする。

デシカント空調機は、固体デシカントと液体デシカントに大別される。固体デシカントは、ロータ型が最も多く使用されており、蜂の巣状の流路を有する円盤状に吸湿材成形したもので、ファイバーなどで強化されている。このロータの一部に比較的低温度で空気を流して除湿、残りに部分に高温の空気を流して吸湿材を再生する。このロータをゆっくり回転させることで連続的に除湿が行われる。再生には８０−１２０℃の高温空気が使われ、再生空気量は除湿（処理）される空気量の２倍以上となるのが一般的である。再生空気量が少ない場合は、除湿材を多く使用、再生空気の温度を高くする必要がある。

液体デシカントは、液体の除湿材が用いられる除湿装置である。液体除湿材として、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ）、リチウムブロマイド（ＬｉＢｒ）、アンモニア（ＮＨ_３）、エチレングリコール（ＨＯ（ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ）_ｎＨ；Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ、略称ＰＥＧ）、などが使用されている。液体デシカントは、空気との直接接触が高密度で行われ、空気との熱交換を直接、即ち直蝕式熱交換器として高効率の熱交換が行われる。また、固体デシカントの処理と再生が同一の、或いは非常に近接した場所で行われる必要があるのに対して、液体デシカントは、それぞれ別の場所で行うことができる。

デシカント空調機のＣＯＰは高々１．２５程度（技術文献１）であるので、加熱や冷却に圧縮冷却加熱方式、ヒートポンプを採用（特許文献１、技術文献２及び３）してＣＯＰの向上（３−４程度）が図られている。

特許文献１の構成を図６に示す。処理機と再生機が一体化されており。ヒートポンプの温熱と冷熱は、処理機と再生機の下部に設けられている溶液タンク内に設けられた熱交換器で加熱・冷却が行われている。処理機と再生機が一体化されているために、ビルなどのフロアーが多数あり、各フロアーに処理機が必要なものには対応できない。また、熱交換器を溶液タンク内に収めているため、溶液の流速が遅く、熱伝達率の向上を図ることが難しいという欠点を有している。

更なるデシカント空調機のＣＯＰ向上のために、各種の廃熱利用が行われており、特許文献２と３のエアコンの室外機排熱利用がある。

特許文献２の考案は、図７に示すように顕熱交換器とデシカント熱交換器を組合せ、デシカント熱交換器の再生用熱源としてエアコンの圧縮機排熱を利用したものであり、特許文献３の考案は、図８に示すように２段のロータ型デシカント空調機の２段目のロータの再生熱源としてエアコンの圧縮機排熱を利用したものである。いずれの場合もロータ型の固体デシカント装置を採用しており、特許文献３に記載されているように、ロータ入口温度が５０℃以上であり、エアコンの再生（用加熱）器の出口温度は、この温度より高くする必要がある。デシカントが十分な再生を行うには、エアコンの圧縮機の圧力比を高くする必要がある。この考案では、エアコンとデシカントを効率よく作動させることは難しい。

特許文献２の考案は、還気の一部を再生に使用しており、再生空気量と処理空気量が等しくなるために、再生温度の高温化や多量の除湿材を使用する必要があり、コスト上昇やエネルギー消費の増大が避けられない。

特許文献３の考案は、再生用加熱器から出た５０℃以上の高温の冷媒を高低圧熱交換器で冷却するために、蒸発器から出てくる冷媒を冷却する必要があり、冷凍機全体の効率低下を招く。また、圧縮機へ入る冷媒の温度が高いと圧縮機が過負荷となり、暴走、破損する可能性があり、信頼性に乏しい。

また、特許文献２及び３の例は、エアコンの構成を大きく変更する必要があり、コスト上昇を招く。

技術文献３に記載のコージェネレーション排熱利用では、液体デシカントの必要熱量や温度とコージェネレーション排熱量や温度が一致しない場合は、液体デシカントへの熱量補充やコージェネレーション排熱の無駄が生じる。

技術文献１

ＥＥＲＥ Ｐｒｏｇｒａｍ：Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ；ＰＲＯＪＥＣＴ ＤＡＴＡ：ＡＩＬ Ｒｅｓｅａｒｃｈ−０３ＧＯ１３１７０，“Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｌｉｑｕｉｄ−Ｄｅｓｉｃｃａｎｔ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ”

技術文献２

宮内正裕、「コージェネレーション低温排熱を利用する湿式デシカントについて、気液接触による吸湿とキャリーオーバーの問題」、混相流学会誌Ｖｏｌ．１７

技術文献３

宮内彦夫他、「湿式デシカントによるコージェネ排熱２段カスケード利用と大湿度差外調換気−愛知万博ガスパビリオン事例について」平成１６年度（第６回）空気調和・衛生工学会中部支部学術研究発表会
米国特許ＵＳ６０７６３６５Ｂ２ 特開２００２−３０３４３３ 特開２００３−１３０３９１

エアコンと液体デシカントを組合せて使う空調装置において、全体の熱効率向上を行うことを狙いとして、エアコンの圧縮機出口の高温の冷媒の持つ熱を熱交換器を介して液体デシカントの再生用熱源として使用する。

液体デシカントは、ヒートポンプ搭載でＣＯＰが３−４まで向上しているが、夏期の高温・高湿度時は、再生用加熱熱量が不足するので、不足分をエアコンの圧縮機出口の高温冷媒で補い、ＣＯＰの向上を図る。

再生に使用した冷媒をエアコンの室外機で冷却し、十分に冷却された冷媒を圧縮機に戻すことにより、エアコンのＣＯＰ低下と圧縮機の過負荷、暴走、故障を防止する。

溶液の再生には、溶液の加熱が必要であり、効率的な加熱のためには熱交換器が使用される。この場合、加熱源としてエアコンやエンジンの排熱が使用される。加熱源の温度は、数十度から百数十度までが使われる。塩素を含む吸収剤を使用する場合、塩素イオンの発生により、酸化が促進されて腐蝕が生じることがある。この腐蝕防止には、高級な材料の使用が効果的であるが、コスト上昇が避けられない。

コージェネレーション排熱など、別の用途を主体とした熱源や電源を使用する場合、熱量と電気量が供給側と需給側がマッチしない場合に無駄が生じる。液体デシカント空調機で特許文献１に示されるようにヒートポンプを使用する場合、電力は市中の電力線から受電されており、ヒートポンプのＣＯＰを３から４と考えると熱量不足となり、補助熱源が必要となる．

再生機の溶液回路中のヒートポンプ排熱を利用する熱交換器の後流で、加熱熱源を使用する熱交換器との中間部に、エアコンの冷媒熱を使用する熱交換器を設けたこと。

再生機の溶液回路中のヒートポンプ排熱を利用する熱交換器の前に溶液中に溶け込んだ気体を、浸透膜などを通して外部へ放出する機器を設けたこと。

液体デシカント専用の電源として、ガスタービンやエンジン駆動の発電機を備えて電源として液体デシカント空調機に使用する全ての電力を供給して排熱を加熱源として使用し、不足分を補助ヒータで補う。

液体デシカント専用の加熱源として、ガスタービンやエンジン駆動の発電機を備えて廃熱を液体デシカント空調機に使用する全ての熱量を供給して発電された電力を電源として使用し、不足分を市中の電源で補う。

実施例１の構成を図１に示す。再生機（１００）内には、外気吸引用のファン（１４０）、気液接触器（５００）、液滴（２５４）などの放出を防止する液滴捕捉フィルター（１３０）が設けられている。ノズル（２５３）から吐出された淡溶液は気液接触器（５００）内で外気入口（１１０）から吸引された空気と接触して水分が放出され、再生機（１００）下部に設けられた濃溶液溜（１１５）に集まり、濃溶液管（１５０）の途中に設けられた濃溶液ポンプ（１５１）で圧送され、溶液熱交換器（１７０）で淡溶液と熱交換後に、ヒートポンプで作り出される冷熱で熱交交換器を介して冷却された後にノズル（１５３）から気液接触器（５１０）内に噴霧され、空気入口（２１０）からファン（２４０）で吸引された空気と接触して空気中の水分が溶液に吸収される。

処理機（２００）は、空気吸引用のファン（２４０）、濃溶液噴霧用のノズル（１５３）、空気入口（２１０）、気液接触器（５１０）、液滴（１５４）などの放出を防止する液滴捕捉フィルター（２３０）で構成され、除湿された空気を空調対象室（１０００）へ供給する働きをする。

水分を吸収された空気は、空調対象室（１０００）へ供給される。空調対象室（１０００）で発生した熱の除去や室内空気の冷却はエアコンの室内機（９５０）で行われる。室内機（９５０）から出た冷媒は、圧縮機（９００）で加圧されて高温になり、熱交換器（９２０）で溶液を加熱後に室外機（９３０）で冷却され、膨張弁（９３０）で膨張して低温になった後で室内機（９５０）へと送られる。

処理機（２００）内部で吐出された濃溶液は空気入口（２１０）からファン（２４０）で吸引された空気と気液接触器（５００）で接触、空気中の水分が吸収される。空気中の水分を吸収して薄くなった溶液は淡溶液溜（２１５）にためられ、淡溶液管（２５０）に設けられたポンプ（２５１）で圧送され、ヒートポンプ（３００）で作られた温熱で熱交換器（２５２）を介して加熱され、更に、エアコンの圧縮機（９００）の出口の温熱で熱交換器（９２０）を介して加熱されてノズル（２５３）から再生機（１００）内部の気液接触器（５００）で溶液中の水分が空気中に放出される。

上記のヒートポンプ（３００）は、圧縮機（３５０）、駆動機（３５３）、冷媒管（３５１）、膨張弁（３５２）で構成され、圧縮機（３５０）で圧縮されて高温となった冷媒で再生機（１００）へ送られる淡溶液が熱交換器（２５２）を介して加熱（冷媒は冷却される）され、膨張弁（３５２）で膨張して低温となった冷媒で熱交換器（１５２）を介して濃溶液が冷却される。

液体デシカント空調機に必要な電力を供給する発電機（４３０）は駆動機（４００）で駆動され、駆動機（４００）の排熱は、淡溶液の加熱に使用される。発電機（４３０）で発電された電力は、図２に示すように、液体デシカント空調機やエアコンに必要な電力となる。淡溶液の加熱熱量が不足する場合は、補助熱源（８００）で作られる熱で熱交換器（８２０）を介して淡溶液が加熱される。

実施例２の構成を図３に示す。実施例２は、液体デシカント空調機に必要な熱量の中でヒートポンプ（３００）やエアコンの圧縮機（９００）の排熱を除く熱量を駆動機（４００）の排熱で供給する。電力が不足した場合、図４に示すように予め決めた機器の電力が市中の電力線から供給される。予め決める機器は各機器の消費電力によって決められるもので、自由に選択できる。

実施例３を図３と図５に示す。実施例２に示したように電力が不足した場合、予め決めた機器に電力切替スイッチ（４５１）（４５２）を設け、発電機の電力で不足した場合、市中の電力線からの電力に切り替えられる。予め決める機器は各機器の消費電力によって決められるもので、自由に選択できる。

発明の効果

実施例１は、ヒートポンプ（３００）の圧縮機（３５０）の排熱とエアコンの室外機で放出される熱を淡溶液の加熱に使用すると共に、発電機駆動機の排熱で加熱されるので、発電機（駆動機を含む）、エアコン、デシカント空調機の総合熱効率の向上が可能となる。加熱熱量が不足した場合、補助熱源が使用されるが、従来のシステムに比べて投入エネルギー量が減少する。

実施例２は液体デシカント空調装置に必要な加熱熱量を駆動機の排熱で全て補うもので、この時電力が不足する場合、市中の電源の電力で補うものであり、補助熱源が不要となり、システム構成機器が減少するとともに、発電機（駆動機を含む）、エアコン、デシカント空調機の総合熱効率の向上が可能となり、従来のシステムに比べて投入エネルギー量が減少する。電力が不足する場合は、市中の電力線から供給を受ける。

発電機からの電力と市中の電力線からの電力は、個別の機器ごとに分かれているために、系統連携の必要が無く、高価な系統連携機器が省略できるので、初期設備コストが低下する。

実施例１の発電機の駆動機とエアコン排熱を利用したヒートポンプ方式の液体デシカント空調機の構成 実施例１の発電機の電力系統 実施例２の発電機の駆動機とエアコン排熱を利用したヒートポンプ方式の液体デシカント空調機の構成 実施例２の発電機の電力系統 実施例３の発電機の電力系統 従来のヒートポンプと組み合わせた液体デシカント装置 従来のエアコンと組み合わせた固体デシカント装置 従来のエアコンと組み合わせた固体デシカント装置

符号の説明

（１００）再生機 （２００）処理機
（１１０）外気入口 （２１０）空気入口
（１１５）濃溶液溜 （２１５）淡溶液溜
（１３０）液滴捕捉フィルター （２３０）液滴捕捉フィルター
（１４０）ファン （２４０）ファン
（１５０）濃溶液管 （２５０）淡溶液管
（１５１）濃溶液ポンプ （２５１）淡溶液ポンプ
（１５２）熱交換器 （２５２）熱交換器
（１５３）ノズル （２５３）ノズル
（１５４）液滴 （２５４）液滴
（１７０）溶液熱交換器 （３００）ヒートポンプ
（３５０）圧縮機 （９４０）膨張弁
（３５１）冷媒管 （９５０）室内機
（３５２）膨張弁 （１０００）空調対象室
（３５３）駆動機
（３４１）淡溶液入口
（４００）駆動機
（４１０）媒体管
（４２０）熱交換器
（４３０）発電機
（４５１）切替スイッチ
（４５２）切替スイッチ
（５００）気液接触器
（５１０）気液接触器
（６００）ガス抜き器
（６１０）溶液入口管
（６２０）浸透膜
（６３０）ガス溜管
（６４０）溶液出口管
（６５０）ガス排出管
（６６０）ポンプ
（６７０）戻り管
（７００）圧縮機
（７１０）冷媒配管
（７２０）熱交換器
（７３０）膨張弁
（７４０）熱交換器
（７５０）室外機
（８００）熱発生器
（８１０）熱液管
（８２０）熱交換器
（９００）圧縮機
（９１０）冷媒配管
（９２０）第三熱交換器
（９３０）室外機

Claims (5)

1. 液体デシカント空調機とエアコンを組み合わせた空調装置の主電源をガスタービンやガスエンジンなどの原動機で駆動する空調装置において、液体デシカント空調機の淡溶液をヒートポンプ、エアコン、原動機の排熱で熱交換器を介して加熱、ヒートポンプの冷媒の低温側で濃溶液を冷却することを特徴とした空調装置。
2. 実施例１において、冷媒の圧縮により得られる熱で淡溶液を熱交換器を介して加熱、冷媒の熱を外気へ放出する室外機で冷却後に膨張弁で低温化された冷媒で熱交換器を介して濃溶液を冷却する冷媒回路を設けたことを特徴とする空調装置。
3. 実施例１、２において、構成機器の電力を前記の主電源のみで賄う場合、空調装置に必要な熱量の不足分を補助熱源で補うことを特徴とする空調装置。
4. 実施例１、２において、空調装置に必要な熱量を上記のヒートポンプ、エアコン、原動機の排熱で賄う場合、必要な電力の不足分を設定した機器の電力を市中の電力線からの電力で補うことを特徴とした空調装置。
5. 実施例４において、前記の設定した機器に電力切替用の切替スイッチを設けたことを特徴とする空調装置。