JP2008281240A - 熱交換型換気システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷房時の電子計算機等の発熱機器の廃熱による熱負荷の除去と外気負荷の軽減との両立、暖房時の電子計算機等の発熱機器の廃熱の有効利用による従来技術を超える熱交換性能による外気負荷の軽減を実現する。
【解決手段】冷房時は、給気、発熱機器の廃熱を取得した排気、空調ドレンとの間の熱交換、暖房時は、給気、発熱機器の廃熱を取得した排気との間の熱交換を行う熱交換装置を用い、且つ冷房時は、発熱機器からの廃熱を屋外に排出する機能を備えた熱交換型換気システム。
【選択図】図４

Description

本発明は、電子計算機等の発熱機器を使用する室内を、空調装置にて空調する場合において、換気及び空調装置が発するドレンを用いて、効率的な空気調和を実現する換気装置及び換気方式に関する。

近年、事務所等の用に供する建物の居室では、電子計算機等の発熱機器の導入数が増大し、発熱機器からの廃熱により、冷房負荷の増大が問題となっていた。この廃熱による冷房負荷は、パソコンで２００Ｗ/台、ＣＡＤ端末では、５００から８００Ｗ/台（非特許文献１参照）に上る。技術改良により、電子計算機の処理速度が向上し、それに伴いその発熱量も増大するため、今後も、ますます廃熱による冷房負荷の増大が想定される。

この発熱機器の廃熱に起因する冷房負荷の増大への対策として、建物に縦シャフトを設け、一般室とは隔離して設置された発熱機器からの廃熱を、自然換気にて屋外に排出する建物の廃熱構造（例えば特許文献１参照）がある。この方式では、建物の構造に大きな制約を与え、スペース効率、レイアウト変更にも大きな制約がある上、一般室には、別途、常時換気装置を設置する必要があり、外気負荷の増大が問題であった。

また、同じく発熱機器の廃熱に起因する冷房負荷の増大への対策として、室内に設置された発熱機器からの廃熱を、空調機室外機に機械式換気装置にて供給して、空調機自体の運転効率を高める空調装置（例えば特許文献２参照）があるが、この装置を使用すると、屋外に排出された加熱空気と同一量の空気を屋外から取入れることとなり、この方式でも外気負荷の増大が問題であった。

外気負荷の増大を防ぐためには、熱交換型換気扇（例えば特許文献３参照）が一般的に用いられるが、この装置は、空調された室内からの排気と、屋外からの給気との熱交換を行うものであるため、発熱機器からの加熱空気を排気とした場合、冷房時においては、外気負荷を軽減することには、まったく機能しない。

事務所等の用に供する建物の居室では、一般的に、ヒートポンプ方式、ファンコイルユニット方式の空調装置が利用されているが、この方式では、室外機で冷媒の凝縮潜熱の放出が行われるため、ヒートアイランド現象の要因となっている。機器廃熱による冷房負荷の増大により、ヒートアイランド現象も、益々深刻なものとなると想定される。

段落番号０００２記載の通り、パソコン、ＣＡＤ端末などからは、２００から８００Ｗ/台の放熱があるため、発熱機器からの廃熱は、
暖房時においては、暖房負荷の軽減要素となっている。
特開２００３−３３６３２６号公報 特開２００４−１３８３３６号公報 特許第３９０３８４４号公報 空調・衛生技術データブック第三版株式会社テクノ菱和編（森北出版）第七十四頁

解決しようとする課題は、電子計算機等の発熱機器を使用する室内を、空調装置にて空調をする場合において、換気の必要な性能を確保した上で、従来技術以上に空調負荷を軽減し、より効率的な空気調和を実現することである。

本発明は、室内にある発熱機器の放熱部位に個々に設置される排気口と機械式排気装置及び屋外排気口から成る排気装置、外気取入口と室内給気口から成る給気装置、ヒートポンプ方式の室内機やファンコイルユニットなどの空調装置、排気と給気及び空調装置より発生するドレンとの間の熱交換をする熱交換装置により構成される。

熱交換装置は、板状体により形成された排気風道と、外面全面に高い熱伝導性及び含水性能を有する帯状体が巻き付けられ、同じく高い熱伝導性を有する板状体により形成された給気風道、及び、空調装置より給気風道に巻き付けられた帯状体にドレンを供給する管状体により構成される。帯状体が巻き付けられた状態の給気風道の断面外形寸法は、排気風道の断面内面寸法より全寸法要素とも小さいもので、排気風道内部に、給気風道を、各々が隙間を有するように設置され、二層構造を成すものである。ドレンを供給する管状体は、空調装置より排気風道を貫通し、帯状体が巻き付けられた給気風道直上まで敷設されるものである。

段落番号０００９記載の排気装置の各構成要素と熱交換装置の排気風道は、各々、ダクトにて接続され、排気口、排気チャンバー、機械式排気装置、熱交換装置の排気風道、屋外排気口の順に排気経路を形成する。同じく、給気装置の各構成要素と熱交換装置の給気装置も、各々、ダクトにて接続され、外気取入口、熱交換装置の給気風道、室内給気口の順に給気経路を形成する。

冷房時においては、空調装置より発生するドレンが、段落番号００１０記載のドレンを供給する管状体を通り、熱交換装置の給気風道に巻き付けられた帯状体に供給される。帯状体は含水性能を有するため、ドレンは毛細管現象により、帯状体全体に行き渡る。室内からの排気は、機械式排気装置の起動により、電子計算機等の発熱機器の放熱部位に個々に設置される排気口から、熱交換装置の排気ダクトに供給され、最終的には屋外排気口より大気に開放される。この場合、室内からの排気は、冷房された室内の空気であるため、外気よりも絶対湿度が低く、且つ発熱機器からの廃熱を取得した加熱乾燥空気である。排気の過程で、発熱機器からの廃熱は、加熱空気の排気という形で室内から除去される。また、排気の過程で、室内が負圧になり、外気が外気取入口より熱交換装置の給気風道を経て、室内に供給される。以上の過程で、熱交換装置に空調装置からのドレン、給気、排気が同時に供給されることで、ドレンが蒸発し、ドレンが気化熱を取得する。給気風道本体及び本体に巻き付けられた帯状体は熱伝道性能を有するため、ドレンの気化熱取得により給気風道内部で外気が熱を除去された上で、室内に供給される。

暖房時においては、空調装置からドレンが発生しない。室内からの排気は、機械式排気装置の起動により、電子計算機等の発熱機器の放熱部位に個々に設置される排気口から、熱交換装置の排気風道に供給され、最終的には屋外排気口より大気に開放される。この場合、室内からの排気は、暖房された室内の空気が発熱機器からの廃熱を取得したものであり、通常の暖房された室内空気よりも高い熱を有するものである。冷房時と同じく、排気の過程で、室内が負圧になり、外気が外気取入口より熱交換装置の給気風道を経て、室内に供給される。以上の過程で、熱交換装置に給気、排気が同時に供給され、給気と排気の温度差により、熱伝導性能を有する給気風道本体及び本体に巻き付けられた帯状体を介して熱交換が行われる。取入外気は、排気から熱を取得した上で、室内に供給される。

上記の通り、本発明は、冷房においては、電子計算機等の発熱機器の廃熱を屋外へ排出、それと同時に取入外気による外気負荷を軽減、暖房においては、発熱機器の廃熱を利用して、外気負荷を軽減する機能を有するものである。

本発明の換気システムは、冷房時においては、電子計算機等の発熱機器の廃熱の室内からの除去と外気負荷の軽減が同時に行われるため、電子計算機等を設置する室内を冷房する場合においては、従来技術に比べて冷房負荷をより大きく削減でき、省エネを実現できる。暖房においては、暖房された室内空気に、発熱機器からの廃熱を取得させた上で取入外気と熱交換するため、従来からの熱交換型換気扇に比べ、外気負荷をより大きく削減でき、省エネを実現できる。従来方式の空調、換気装置を用いるだけで、別のエネルギー源を用いることなく、これらの利点を実現できる。さらに、これらの効果により、ヒートアイランド現象の減少にも効果があると想定される。

冷房時の、電子計算機等の発熱機器の廃熱を室内から除去することと、空調装置のドレンの気化熱取得を利用して取入外気による外気負荷を軽減することとを両立させること、及び、暖房時の、発熱機器の廃熱を取得した室内空気と取入空気とを熱交換させることで、従来からの熱交換型換気扇を超える外気負荷の削減という目的を、従来工法の建築構造をそのまま利用した上で、最少の部品点数にて実現した。

図１は、本発明の換気システムの１実施例の全体投射図である。本実施例では、空調装置は天井面取付型、床は配線スペースとして利用できるフリーアクセスフロアを用い、電子計算機などの発熱機器は、１４のとおり床面に直接設置している。本発明の主要機能部である熱交換装置は、２で示されるとおり天井裏に配置され、その他の主要構成要素である空調装置、屋外排気口、外気取入口、機械式排気装置、室内給気口は、１、３、４、７、８のとおり天井裏、天井面に配置されている。１４で示される発熱機器の放熱ファンの吹出口若しくは放熱部位の直近となる位置に、１５、１６で示されるとおりに排気口、排気チャンバーを設け、排気チャンバーは床下まで貫通させている。フリーアクセスフロアによる床構造では、この排気口、排気チャンバーの位置は、容易に変更可能であるため、発熱機器のレイアウト変更にも対応可能である。

図２は、熱交換装置及びその周辺の拡大投射図である。熱交換装置は、本図のうち、２で示される一点鎖線で囲まれた部分である。本図で示すとおり、２１で示す排気風道が外形を成し、その内部に２２で示されるように給気風道が設置され、その給気風道の外面には、２３で示される、熱伝導性能及び含水性能を有する帯状体が全面に巻き付けられている。本実施例では、銀、銅に次いで熱伝導性が高く、且つ酸化被膜により耐食性を有するアルミニウム短繊維を綿状に開繊しニードルパンチ加工によりシート状にしたものから成る帯状体を使用している。排気風道本体は、必要な剛性及び耐食性を有するものとして、本実施例ではステンレスの板状体、給気風道本体は、ドレンを用いて熱交換を行う必要から、高い熱伝導性、耐食性を有するアルミニウムによる板状体にて構成されている。図３は、熱交換装置の、排気、給気方向と直角を成す断面の構造図である。２２で示される給気風道の外面の全面に２３で示されるアルミニウム短繊維から成る帯状体が巻き付けられ、２１で示される排気風道が、一定の隙間を有する形で、外部に位置することを示している。６で示される空調装置のドレンを供給する管状体は、２３の直上にて開放している。

熱交換装置を含む主要構成要素のうち、排気口、排気チャンバー、機械式排気装置、屋外排気口から成る排気装置及び熱交換装置の排気風道は、図１の１０で示されるとおり、各々、排気ダクトにて接続されている。同様に、外気取入口、室内給気口から成る給気装置及び熱交換装置の給気風道は、図１の９で示されるとおり、各々、給気ダクトにて接続されている。空調装置と熱交換装置は、図１の５、６で示されるとおり、空調装置のドレン管及び空調装置が発するドレンを供給する管状体により接続されている。

図４は、前段落記載の通り、各構成要素がダクト、管状体などにより接続されることで形成されるシステムフロー図である。機械式排気装置の起動により、２４で示されるとおり、電子計算機等の発熱機器からの廃熱を取得した空気が、排気口より排気チャンバーに取り込まれ、機械式排気装置を経由して、熱交換装置に導入され、最終的に屋外に排出される。室内より空気が排出されることで、室内及び給気装置内部が負圧になり、２５で示されるとおり、外気が、外気取入口より給気ダクトに取り込まれ、熱交換装置に導入され、最終的に室内給気口より室内に取り込まれる。

図４の２で示される、二点鎖線にて囲まれる範囲が熱交換装置である。冷房時においては、２６で示されるとおりに２３で示されるアルミニウム短繊維から成る帯状体にドレンが供給される。この帯状体は、含水性能を有する繊維質であるため、毛細管現象により、帯状体全体にドレンが行き渡る。本図が示すとおり、給気と排気は、ドレンが供給された帯状体と熱交換装置の給気風道本体とを介して接している。排気は、冷房により潜熱を除去された上、電子計算機等の発熱機器により加熱され相対湿度が下がっているため、加熱乾燥空気となっている。この加熱乾燥空気が、熱交換装置に供給されると、帯状体に供給されたドレンが蒸発する。このドレンは空調装置で発生するため、元々冷却されており、さらに蒸発するドレンが気化熱を取得することにより、熱伝導性の高いアルミニウムを伝導してきた取入外気の熱及び排気の熱を除去する。このサイクルにより、冷房時の外気負荷は軽減される上、電子計算機等の発熱機器の放熱を取得した排気も、一部を熱交換器で除去された上で、屋外に排出される。

暖房時においては、給気と排気は、高い熱伝導性を有するアルミニウム短繊維から成る帯状体と熱交換装置の給気風道本体とを介して接している。暖房時は、空調装置はドレンを発しないため、気化熱による熱除去は行われず、単に、暖房された室内空気が電子計算機等の発熱機器により加熱された乾球温度の高い排気と、乾球温度の低い取入外気とが、熱伝導性の高いアルミニウムを介して熱交換を行う。このサイクルにより、暖房時の外気負荷は軽減される。従来技術の熱交換型換気扇は、暖房された室内空気と取入外気との間で熱交換を行う。本システムでは、暖房された室内空気を、さらに発熱機器にて加熱した上で取入空気と熱交換を行うため、より大きな外気負荷軽減を行うことが可能である。

以上が、冷房時の電子計算機等の発熱機器の廃熱による熱負荷の除去と外気負荷の軽減との両立、暖房時の電子計算機等の発熱機器の廃熱の有効利用による従来技術を超える熱交換性能による外気負荷の軽減を実現するシステムの１実施例である。

建築基準法規定の常時換気に、本発明を利用することにより、本発明の解決する課題と同時に、常時換気による空調負荷を軽減することも可能である。

本システム全体投射図。システムの全体構成を示す。（実施例１） 熱交換装置及び周辺部分投射図。熱交換装置本体の構成及び周辺部との構成を示す。（実施例１） 熱交換装置断面図。熱交換装置の排気、給気と直角を成す断面の構造を示す。（実施例１） 本システムフロー図。本システムの全体のフローを示す。（実施例１）

符号の説明

１ 空調装置
２ 熱交換装置
３ 屋外排気口
４ 外気取入口
５ 空調装置ドレン管
６ 熱交換装置にドレンを供給する管状体
７ 機械式排気装置
８ 室内給気口
９ 給気ダクト
１０ 排気ダクト
１１ 天井を成す内装材
１２ 天井を成す内装材の下地材
１３ 下地材を建物の構造体より吊り下げる金物
１４ 電子計算機等の発熱機器
１５ 排気口
１６ 排気チャンバー
１７ 建物の構造体
１８ 壁体を成す内装材
１９ フリーアクセスフロア
２０ 床下
２１ 熱交換装置の排気風道本体
２２ 熱交換装置の給気風道本体
２３ アルミニウム短繊維を綿状に開繊しニードルパンチ加工によりシート状にしたものから成る帯状体
２４ 室内からの排気の流れ
２５ 取入外気の流れ
２６ 空調装置が発するドレンの流れ
２７ 熱交換装置内部排気経路
２８ 熱交換装置内部給気経路

Claims (3)

1. 板状体により本体が形成された排気風道により外形が成され、同排気風道の内部に、外面全面に熱伝導性能及び含水性能を有する帯状体が巻き付けられ且つ熱伝導性能を有する板状体により本体が形成され且つ同帯状体を巻き付けた状態の外形寸法が同排気風道の内面寸法より全寸法要素とも小さな値である給気風道が、各々の風道が隙間を有する構造にて設置され、且つ空調装置が発するドレンを供給する管状体が同排気風道外部から同排気風道を貫通して同帯状体直上まで敷設された構造を有する熱交換装置。
2. 電子計算機等の発熱機器の放熱部位の直近に設けられた排気口と機械式排気装置及び屋外排気口から成る排気装置と、外気取入口と室内給気口から成る給気装置と、空調装置及び請求項１記載の熱交換装置により構成され、排気方向に同排気口、同機械式排気装置、同熱交換装置の排気風道、同屋外排気口の順にダクトにて接続され、且つ給気方向に同外気取入口、同熱交換装置の給気風道、同室内給気口の順にダクトにて接続され、且つ同空調装置と同熱交換装置が、同空調装置が発するドレンを供給する管状体により接続された構造を有し、同空調装置の冷房運転及び同機械式排気装置の起動により、同熱交換装置に電子計算機等の発熱機器の廃熱を取得した排気、取入外気及び同空調装置が発するドレンが供給され、ドレンの蒸発による、請求項１記載の給気風道を介した同取入外気の熱の除去及び同電子計算機等の発熱機器の廃熱を取得した排気を屋外に排出する機能を有する熱交換型換気システム。
3. 請求項２記載の構造を有し、同空調装置の暖房運転及び同機械式排気装置の起動により、同熱交換装置に電子計算機等の発熱機器の廃熱を取得した排気、取入外気が供給され、同熱交換装置の給気風道を介して同電子計算機等の発熱機器の廃熱を取得した排気と同取入外気とが熱交換する機能を有する熱交換型換気システム。

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