JP2008111644A - エアコン廃熱利用液体デシカント装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 屋内の温度と湿度を調節するエアコンと液体デシカント装置において、エアコンの排熱が有効に利用されておらず、液体デシカントの再生に必要な熱量が不足しており、ヒータやバーナーによる加熱が行われている。また、液体デシカントに使用される溶液中に空気中の酸素が溶存しており、溶液中の塩素などと組み合わさって腐蝕を助長している。
【解決手段】 エアコンの排熱を熱交換器を介して液体デシカントの淡溶液の加熱に使用し、有効利用する。また、高温の溶液配管に設けられた熱交換器の上流にガス抜き器を設けて溶液中の酸素を減らし、腐蝕を防止する。
【選択図】図３

Description

液体デシカント装置とエアコン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器要するエネルギーを減少させ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、除湿材を多く使用したり、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のに対して、液体デシカントは、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が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の温度を低くする必要があり、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ＵＳ６０７６３６５ Ｂ２ 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。

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。

実施例１の構成を図１に示す。ノズル（２５３）から吐出された淡溶液は気液接触器内で外気入口（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）から処理機（２００）に吐出される。

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。

実施例２の構成を図２に示す。実施例２は、実施例１の淡溶液管（２５０）の途中に電気ヒータやバーナーで構成される熱発生器（８００）で生成される温水などの高温媒体が循環する熱液管（８１０）、媒体と淡溶液の間で熱交換が行われる熱交換器（８２０）で構成されている淡溶液加熱装置が設けられている。

実施例３の構成を図３に示す。実施例３は、実施例２に濃溶液の冷却能力を強化する冷凍回路を増設、排熱の一部で淡溶液の加熱を行うものである。

実施例４の代表的な構成を図４に示す。実施例４は、実施例１から３の構成にガス抜き器（６００）を設けたものであり、図４は、実施例２にガス抜き器（６００）を設けた構成である。ガス抜き器（６００）は、淡溶液管（２５０）のポンプ（２５１）下流で熱交換器の前に少なくとも１個が設けられる。

図５（Ａ）にガス抜き器（６００）の構成を示す。ガス抜き器（６００）の溶液入口管（６１０）から入った溶液は、溶液出口管（６４０）へと流れる。途中のガス溜管（６３０）内に設けられた浸透膜（６２０）から溶液に入っているガスがガス溜管（６３０）に抜けてガス排出管（６５０）から放出される。

図５（Ｂ）は、ガス放出管（６５０）の管路にポンプ（６００）を設け、戻り管（６７０）へ一部の流体を流すものである。

発明の効果

実施例１は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ことにより、エアコンとデシカント装置の総合熱効率の向上が可能となる。

実施例２は実施例１に加熱装置を付加したもので、溶液の再生、即ち溶液の濃縮に有効である。

実施例３は実施例１に溶液冷却と加熱用のヒートポンプに放熱用の室外機を付加したものであり、溶液の冷却能力が増強され、除湿能力が向上する。

実施例４は実施例２にガス抜き器を備えたものであり、溶液に含まれる酸素を除去することで熱交換器の腐蝕が軽減される。

実施例１のエアコン排熱を利用した液体デシカント装置の構成 実施例２のエアコン排熱を利用した液体デシカント装置の構成 実施例３のエアコン排熱を利用した液体デシカント装置の構成 実施例４の熱交換器上流にガス抜きを設けたエアコン排熱を利用した液体デシカント装置の構成 実施例４のガス抜き器の構成 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
（１１０）外気入口
（１１５）濃溶液溜
（１３０）液滴捕捉フィルター
（１４０）ファン
（１５０）濃溶液管
（１５１）濃溶液ポンプ
（１５２）熱交換器
（１５３）ノズル
（１５４）液滴
（１７０）溶液熱交換器
（２００）処理機
（２１０）空気入口
（２１５）淡溶液溜
（２３０）液滴捕捉フィルター
（２４０）ファン
（２５０）淡溶液管
（２５１）淡溶液ポンプ
（２５２）熱交換器
（２５３）ノズル
（２５４）液滴
（３００）ヒートポンプ
（３５０）圧縮機
（３５１）冷媒管
（３５２）膨張弁
（３５３）駆動機
（３４１）淡溶液入口
（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
（９４０）膨張弁
（９５０）室内機
（１０００）空調対象室

Claims (4)

1. エアコンと液体デシカント装置を組合せて空気調和を行う装置において、エアコンの室外機の排熱を液体デシカント装置の淡溶液の加熱に使用する少なくとも１個の熱交換器と配管を備えたことを特徴とする液体デシカント装置。
2. 請求項１において、淡溶液管路に加熱装置を付加したことを特徴とする液体デシカント装置。
3. 請求項１及び２において、冷媒の熱を放出する室外機を備えたヒートポンプを設け、温熱で淡溶液を加熱する少なくとも一つの熱交換器を備え、冷熱で濃溶液を加熱する少なくとも一つの熱交換器を備えたことを特徴とする液体デシカント装置。
4. 請求項１から３において、溶液管路の熱交換器の上流に少なくとも一つのガス抜き管を設けたことを特徴とする液体デシカント装置。