JP2009036414A - ヒートポンプ式ドライ空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】再熱せずに給気の温湿度制御ができて省エネとなり、空調のための設備コストと運転コストを低減できるヒートポンプ式ドライ空調システムを得る。
【解決手段】 １台の空調機１と複数の室内Ｂ…の間で空気を循環させると共に屋外と各室内Ｂの間で空気を換気させて空調する空調システムであって、空調機１が、各室内Ｂからの還気を熱交換するヒートポンプＡの給気側熱交換器６と、ヒートポンプＡの圧縮機１３と、給気側熱交換器６の通過還気を加湿する加湿器９と、給気用送風機１０と、を備える。給気側熱交換器６及び加湿器９の通過還気にバイパス還気を一次混合させるためのバイパスダンパ１１を、設ける。空調機１からの一次混合空気と換気用室内供給空気を二次混合させて室内Ｂに給気するように構成する。室内Ｂの検出温湿度が設定温湿度になるように圧縮機１３とバイパスダンパ１１と加湿器９と送風機１０を制御する温湿度制御手段を、設ける。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ式ドライ空調システムに関するものである。

従来の外気混合形の空調機では外気と還気を混合した後、冷温水コイルなどで冷却や除湿、加熱などを行っている。ところが、このような方式の空調機では、例えば夏期の冷房運転の場合、冷却減湿後に再熱しなければ給気の湿度制御ができないため、還気風量分の空気を余分に冷却、再熱するエネルギーが必要で運転コストが高くなる。しかも、熱源水回路を４管式として冷水コイルと温水コイルに冷水と温水を別々に流して運転する空調機の場合、４管式の熱源水回路では配管距離が長くて設備コストがかかり、冷水と温水を同時に作る必要があるため熱源機の運転コストや設備コストもかかる。

特開平４−１７４２２５号公報 実開平２−９６５３４号公報 特開昭６３−２３３２４４号公報

また、変風量ダクト方式（ＶＡＶ）による多室個別空調において、ＶＡＶ風量変動による静圧変化を圧力センサにて検出し、その変動に応じて空調機側の風量制御を行っているため、制御が複雑でコスト高となる問題があった。また、地中熱を利用し空調を行うシステムで、地中熱交換器を地表近くの地中に埋設した場合、太陽熱の影響を受けやすく、冬期に夜間運転を行って地中熱交換器で長時間連続して採熱を続けると、周辺の地中温度が低下し続けて、熱媒が凍結する問題がある。このような熱媒凍結を防止するために不凍液を使用するとなると土壌汚染の心配が残ることになる。また、地中熱交換器で必要な熱量を得るためには、深層部に向け縦穴を特殊な掘削機械で長時間かけて掘らねばならず、しかも穴の崩れ防止や泥土や湧水などの処理も必要で、非常に手間と時間がかかりコスト高となる問題がある。そのために、一つの穴にＵ字状地中熱交換器の容量の大きくしたものを埋めたり、一つの穴に複数本を埋めたりしており、Ｕ字状地中熱交換器では往路も復路も同じ経路を熱媒が流れるため、例えば冬期では、熱媒が地表へ戻る際、せっかく採熱温調した熱媒が地上近くで放熱して、熱ロスが生じる問題がある。

本発明は上記課題を解決するため、圧縮式のヒートポンプを有する１台の空調機と複数の室内の間で空気を循環させると共に屋外と前記各室内の間で空気を換気させて空調するヒートポンプ式ドライ空調システムであって、前記空調機が、前記各室内からの還気を冷却・加熱切換自在として熱交換する前記ヒートポンプの給気側熱交換器と、前記ヒートポンプの容量制御自在な圧縮機と、前記給気側熱交換器の通過還気を加湿する加湿量制御自在な加湿器と、前記空調機と前記各室内の間で空気を循環させる風量制御自在な給気用送風機と、を備え、前記給気側熱交換器及び前記加湿器の通過還気に前記給気側熱交換器及び前記加湿器をバイパスさせたバイパス還気を一次混合させるための風量制御自在なバイパスダンパを、設け、前記空調機からの一次混合空気と換気用室内供給空気を二次混合させて前記室内に給気するように構成し、前記室内の検出温湿度が設定温湿度になるように前記圧縮機と前記バイパスダンパと前記加湿器と前記給気用送風機を制御する温湿度制御手段を、設けたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、夏期の冷房運転の場合、給気側熱交換器で冷却減湿した除湿空気と、（前記除湿空気より高温の）バイパス還気と、を所定比率で一次混合し、この一次混合空気と、（前記一次混合空気より高温の）換気用室内供給空気と、を所定比率で二次混合することで再熱器などを使用せずに室内を設定温湿度に精度良く空調できる。さらに、負荷変動に応じてバイパス還気風量と圧縮機容量と送風機風量を増減させることで室内送風空気の温湿度を精度良く制御できる。負荷の少ない還気だけを冷却すればよいので処理熱量が少なくて済み、再熱するエネルギーが不要で省エネとなり、運転コストを削減できる。給気側熱交換器が１つで済みコストダウンを図れる。冬期の暖房運転の場合、給気側熱交換器で加熱し、加湿器で加湿して絶対湿度を調整した加湿空気と、（前記加湿空気より低温の）バイパス還気と、を所定比率で一次混合し、この一次混合空気と、（前記一次混合空気より低温の）換気用室内供給空気と、を所定比率で二次混合することで室内を設定温湿度に精度良く空調できる。さらに、負荷変動に応じてバイパス還気風量と圧縮機容量と給気風量と加湿量を増減させることで室内送風空気の温湿度を精度良く制御できる。
請求項２の発明によれば、空調機の送風機を使用せずに２４時間換気ができ省エネとなる。高価な圧力センサなどを使用せずに多室個別空調制御が簡単にできる。変風量ユニットの風量変動に応じて空調機の送風機風量と圧縮機容量を適正に調整して給気量と冷暖房能力のバランスをとり、室内送風量のしぼりすぎによる気流の不均一や温度ムラなどを防止できる。
請求項３の発明によれば、換気ユニットの排熱回収により空調機負荷が減り、一層省エネとなる。
請求項４の発明によれば、地中熱を利用した熱源なのでチラーなどの熱源機と比べて大幅に省エネ化を図れる。
請求項５の発明によれば、冬期に加熱装置で熱媒を加熱して熱源の熱量不足を補うことができる。冬期に夜間運転する場合、加熱装置で熱媒の凍結を防止でき、長時間の連続空調運転を行えると共に、環境汚染の心配の無い水を熱媒として使用でき、不凍液を使わずに済む。さらに、冬期で空調機の弱運転時または停止時のときに、加熱装置を用いて地中熱交換器から地中へ放熱して蓄熱し、その蓄熱を利用して運転を行うこともでき、電力の平準化と省エネに役立つ。
請求項６の発明によれば、地中熱交換器の往路管部を細くて長い渦巻き状として地表近くに埋め、熱媒を地熱流に対してカウンターフローで流して、熱交換効率を良くしつつ地中で広範囲に分散して少しずつ熱交換させることにより、熱媒を温度調節するために必要とされる地熱量を得ることができ、かつ地中から奪う単位体積当りの地熱量を少なくできる。往路管部は継ぎ目のない１本の管を巻設するだけよいので加工が簡単になり、バネ状に巻設して伸縮性をもたせてあるので免震性に優れ、地震に対する耐久性が十分で、破損による熱媒漏れなどを防止できる。地中熱交換器の復路管部は地上に熱媒を戻すだけでよいので短くてよく、地中との再熱交換による熱ロスが皆無で、熱交換効率の向上を図れて熱媒温度が安定する。往路管部の埋設用穴は地表近くをパワーショベルなどの普通の掘削機械で浅く掘るだけでよく、掘削の時間と費用の削減を図れて施工が容易となる。
請求項７の発明では、圧力損失が減少して熱交換効率が向上するので小型の送風機を用いることができ騒音低減を図れる。給気側熱交換器も小型化でき空調機をコンパクト化できる。

図１と図２は、本発明のヒートポンプ式ドライ空調システムの実施例を示しており、圧縮式のヒートポンプＡを有する１台の空調機１と複数の室内Ｂ…の間で空気を循環させると共に屋外と各室内Ｂの間で空気を換気させて空調する。実線及び点線の白抜き矢印は送風方向を示す。このヒートポンプ式ドライ空調システムは、熱媒を熱源とする圧縮式のヒートポンプＡを有する空調機１と、この１台の空調機１と複数の室内Ｂ…の間で空気を個別に循環させる循環風路７と、屋外と各室内Ｂの間で空気を個別に換気させる換気風路１９と、温湿度制御手段２４と、ＶＡＶ制御手段１５と、送水ポンプ２にて熱媒を矢印方向に循環させる熱源水回路３と、この熱源水回路３に接続されて熱媒を温度調節する地中熱交換器４と、を備えている。熱源水回路３には、熱媒を加熱するボイラーや空冷ヒートポンプ式チラーなどの加熱装置１６を、地中熱交換器４よりも下流で接続する。

空調機１のケーシング８内には、ヒートポンプＡと、各室内Ｂからの還気を冷却・加熱切換自在として熱交換する給気側熱交換器６と、可変容量式で容量制御自在な圧縮機１３と、給気側熱交換器６の通過還気を加湿する加湿量制御自在な加湿器９と、空調機１から循環風路７へ送風して循環させる可変風量式の風量制御自在な給気用送風機１０と、給気側熱交換器６及び前記加湿器９の通過還気に給気側熱交換器６及び加湿器９をバイパスさせたバイパス還気を一次混合させるための可変風量式の風量制御自在なバイパスダンパ１１と、を設け、空調機１からの一次混合空気と換気用室内供給空気を二次混合させて室内Ｂに給気するように構成する。なお、圧縮機１３、加湿器９、送風機１０及びバイパスダンパ１１は比例制御方式とするのが好ましいが他の制御方式であってもよい。ケーシング８には、還気取入口及び給気口を設け、これらと複数の室内Ｂ…を、循環風路７を介して各々連通させる。

循環風路７は、空調機１から複数の室内Ｂに一次混合空気を分流送風するための複数の分岐送風路１２…を有する給気路３１と、各室内Ｂからの還気を空調機１に送る還気路３２と、から成り、分岐送風路１２毎に、この分岐送風路１２の送風量を調整自在な変風量ユニット５を、設ける。換気風路１９は、屋外から複数の室内Ｂに換気用室内供給空気を分流送風するための複数の分岐供給路３３…を有する換気供給路３４と、各室内Ｂからの換気用屋外排出空気を屋外に送る換気排出路３５と、から成る。図例では、分岐供給路３３を分岐送風路１２に個別に対応させて各変風量ユニット５の下流で連通させ、変風量ユニット５の通過一次混合空気と換気用室内供給空気を二次混合させて室内Ｂに給気するように構成しているが、他の構成で一次混合空気と換気用室内供給空気を二次混合させて室内Ｂに給気するも自由である。この換気風路１９には、図示省略の送風ファンを備えると共に屋外からの外気と複数の室内Ｂからの空気を全熱交換して屋外と各室内Ｂの間で空気を換気する換気ユニット３０を、設ける。

ヒートポンプＡは、循環冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する給気用空気と熱媒（熱源水）に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を行う給気側熱交換器６及び熱源側熱交換器２０と、循環冷媒を圧縮する圧縮機１３と、循環冷媒を膨張させる電子膨張弁等の減圧機構１４と、給気側熱交換器６及び熱源側熱交換器２０の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の冷媒流路切換機構２１と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成る。この給気側熱交換器６のフィンチューブは低圧損の楕円管にするのが好ましいが、円形管にするも自由である。

温湿度制御手段２４は、所定の室内Ｂの検出温湿度が設定温湿度になるように圧縮機１３とバイパスダンパ１１と加湿器９と給気用送風機１０を制御する。この温湿度制御手段２４は、各室内Ｂの温湿度を個別に設定する設定器２７と、換気用室内供給空気の温湿度と各室内Ｂの温湿度を個別に検出する検出器２８と、所定の室内Ｂの設定温湿度及び検出温湿度と換気用室内供給空気の検出温湿度とから所定の室内Ｂの検出温湿度が設定温湿度になるように圧縮機１３への容量増減信号とバイパスダンパ１１への風量増減信号と加湿器９への加湿量増減信号と給気用送風機１０への風量増減信号とを出力する制御器２９と、を備える。

ＶＡＶ制御手段１５は、分岐送風路１２毎の変風量ユニットボリュームポイントと分岐送風路内径比ポイントとの積算値を全分岐送風路分合計すると共にその合計積算値の全変風量ユニット最大ボリューム時合計積算値に対する比に基いて給気用送風機１０の風量制御及びヒートポンプＡの圧縮機１３の容量制御を行う。変風量ユニット５は、室内Ｂの熱負荷に応じて自動又は手動で駆動され、各分岐送風路１２の送風量を個別に制御する。例えば「切」が０ポイント、「弱」が２ポイント、「中」は３ポイント、「強」は４ポイントのように、送風量変動に対する変風量ユニットボリュームポイントを設定する。なお、変風量ユニット５は分岐送風路１２毎に設けているが、図例と異なる部位に設けるも自由である。分岐送風路１２は、その分岐送風路内径（断面積）によって送風量が変わるので、変風量ユニット上流側の分岐送風路内径比ポイントを補正係数として、例えば表１のように設定する。

この変風量ユニットボリュームポイントと分岐送風路内径比ポイントの積算値を分岐送風路１２毎に算出し、それらを全分岐送風路分合計する。その合計積算値が全変風量ユニット最大ボリューム時合計積算値に対して何割あるかによって、送風機１０の送風量と圧縮機１３の容量を変動させる。例えば表２のように分岐送風路１２の内径（ｍｍ）が７５、１００、１００、２００であったとすると、全変風量ユニット最大ボリューム時の合計積算値が４８となる。そして、空調機運転中の変風量ユニットボリュームポイントが、分岐送風路No１が４（強）、分岐送風路No２が３（中）、分岐送風路No３が２（弱）、分岐送風路No４が３（中）の場合、合計積算値が３５となるので、送風機１０と圧縮機１３を定格出力の７３％（３５／４８×１００）で駆動し、全体の給気バランスをとり省エネ化を図る。なお、前記の各ポイント数値は一例で変更は自由であり、送風機１０の風量制御のみを行うＶＡＶ制御手段１５に、構成するも自由である。

地中の地表近くに埋設される地中熱交換器４は、熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部２２と、この往路管部２２から出た熱媒を地上へ戻す復路管部２３と、を備えている。地中熱交換器４の往路管部２２を細くて長い渦巻き状として地表近くに埋め、熱媒を地熱流に対してカウンターフローで流して、熱交換効率を良くしつつ地中で広範囲に分散して少しずつ熱交換させることにより、熱媒を温度調節するために必要とされる地熱量を得ることができ、かつ地中から奪う単位体積当りの地熱量を少なくできる。往路管部２２は継ぎ目のない１本の管を巻設するだけよいので加工が簡単になり、バネ状に巻設して伸縮性をもたせてあるので免震性に優れ、地震に対する耐久性が十分で、破損による熱媒漏れなどを防止できる。地中熱交換器４の復路管部２３は地上に熱媒を戻すだけでよいので短くてよく、地中との再熱交換による熱ロスが皆無で、熱交換効率の向上を図れて熱媒温度が安定する。往路管部２２の埋設用穴は地表近くをパワーショベルなどの普通の掘削機械で浅く掘るだけでよく、掘削の時間と費用の削減を図れて施工が容易となる。

この往路管部２２は下方に向かって順次縮径するように巻設し、一巻き毎に地中熱交換器４の往路管部２２の径の大きさを変えることで管部同士の熱交換領域の重複部をなくし、地中の広い範囲で満遍なく熱交換させて地中温度の早期回復を図り、かつ熱交換効率を向上させる。しかも、下方に向かって順次縮径するように巻設した往路管部２２では、その形状に合わせて埋設用穴は擂り鉢状でよいので掘りやすく、一層施工が容易となる。また往路管部２２は扁平管とする。これにより短径側外面から管中央部の熱媒への伝熱が早く、熱交換効率がさらに良くなり、扁平管なので曲げやすく、往路管部２２を渦巻き状に簡単に形成することができる。

熱源水回路３には、地中熱交換器４に対して熱媒を流通・バイパス切換自在な第１切換機構１７と、加熱装置１６に対して熱媒を流通・バイパス切換自在な第２切換機構１８と、を設ける。第１切換機構１７は、熱源水回路３に地中熱交換器４の熱媒入口を三方弁などの第１の切換弁２５を介して接続しかつ第１切換弁２５の下流で地中熱交換器４の熱媒出口を接続して成る。第２切換機構１８は、熱源水回路３に加熱装置１６の熱媒入口を三方弁などの第２の切換弁２６を介して接続しかつ第２切換弁２６の下流で加熱装置１６の熱媒出口を接続して成る。なお、図示省略するが切換機構１７、１８は、二方弁を、各機器４、１６の熱媒入口と熱媒出口の間の熱源水回路３と、各機器４、１６の熱媒入口に、各々設けて構成したり、その他の種々の構成とするも自由である。

図１と図２のヒートポンプ式ドライ空調システムでは、設定器２７で設定された温湿度に応じて給気側熱交換器６にて還気を冷却又は加熱し、給気側熱交換器６及び加湿器９をバイパスしたバイパス還気を一次混合し、この一次混合空気と換気用室内供給空気を二次混合し、室内Ｂに給気して空調しつつ、換気ユニット３０にて換気する。室内Ｂ毎に設定温湿度が異なる場合は、制御器２９にて各設定温湿度を比較して基準となる１つの設定温湿度を選択し、その基準設定温湿度に該当する所定の室内Ｂの検出温湿度が設定温湿度になるように信号出力して制御し、基準と設定温湿度が異なる室内Ｂは変風量ユニット５で送風量を増減して温湿度制御する。例えば、冷房運転の場合は最低の設定温湿度を基準とし、暖房運転の場合は最高の設定温湿度を基準とすればよいが、これ以外の基準とするも自由である。

夏期に冷房運転をする場合は、給気側熱交換器６で冷却減湿した除湿空気と、バイパス還気と、を所定比率で一次混合し、この一次混合空気と換気用室内供給空気とを所定比率で二次混合すると、バイパス還気と換気用室内供給空気で、これよりも低温低湿の前記除湿空気を再熱するのと同じ効果が得られ、給気を温湿度制御できる。冬期に暖房運転する場合、給気側熱交換器６で加熱し、加湿器９で加湿して絶対湿度を調整した加湿空気と、バイパス還気と、を所定比率で一次混合し、この一次混合空気と換気用室内供給空気とを所定比率で二次混合することで、給気を温湿度制御できる。中間期などほとんど負荷の無い場合は、空調機１を停止して換気だけを行い省エネ化を図ることができる。本発明では、例えば熱交換した還気にバイパス還気を混合せずに、換気用の外気のみを混合する場合と比べると、処理熱量が少なくて済み精度良く温湿度制御ができる。また熱交換した還気・外気混合空気にバイパスさせた還気・外気混合空気を一次混合し、この一次混合空気と換気用外気を二次混合する場合と比べると、処理熱量が少なくて済み精度良く温湿度制御ができる。

なお、本発明は前記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更自由である。それぞれ図示省略するが、空気を熱源とするヒートポンプＡとしたり、バイパスダンパ１１を空調機１でなく循環風路７側に設けてもよい。さらに、換気ユニット３０は、バイパス機構により全熱交換の有無を選択できる構造のものや、全熱交換しない構造のものに変更するも自由である。また、給気側熱交換器６の通過風量を制御できるダンパを設けたり、給気側送風機１０を給気側熱交換器６の風上に設けて押込み式に送風してバイパス還気と一次混合するも自由である。

本発明の空調システムの全体簡略説明図。 要部説明図。

符号の説明

１ 空調機
３ 熱源水回路
４ 地中熱交換器
５ 変風量ユニット
６ 給気側熱交換器
９ 加湿器
１０ 給気用送風機
１１ バイパスダンパ
１２ 分岐送風路
１３ 圧縮機
１５ ＶＡＶ制御手段
１６ 加熱装置
１７ 第１切換機構
１８ 第２切換機構
２２ 往路管部
２３ 復路管部
２４ 温湿度制御手段
３０ 換気ユニット
Ａ ヒートポンプ
Ｂ 室内

Claims (7)

1. 圧縮式のヒートポンプＡを有する１台の空調機１と複数の室内Ｂ…の間で空気を循環させると共に屋外と前記各室内Ｂの間で空気を換気させて空調するヒートポンプ式ドライ空調システムであって、前記空調機１が、前記各室内Ｂからの還気を冷却・加熱切換自在として熱交換する前記ヒートポンプＡの給気側熱交換器６と、前記ヒートポンプＡの容量制御自在な圧縮機１３と、前記給気側熱交換器６の通過還気を加湿する加湿量制御自在な加湿器９と、前記空調機１と前記各室内Ｂ…の間で空気を循環させる風量制御自在な給気用送風機１０と、を備え、前記給気側熱交換器６及び前記加湿器９の通過還気に前記給気側熱交換器６及び前記加湿器９をバイパスさせたバイパス還気を一次混合させるための風量制御自在なバイパスダンパ１１を、設け、前記空調機１からの一次混合空気と換気用室内供給空気を二次混合させて前記室内Ｂに給気するように構成し、前記室内Ｂの検出温湿度が設定温湿度になるように前記圧縮機１３と前記バイパスダンパ１１と前記加湿器９と前記給気用送風機１０を制御する温湿度制御手段２４を、設けたことを特徴とするヒートポンプ式ドライ空調システム。
2. 空調機１から複数の室内Ｂに一次混合空気を分流送風するための分岐送風路１２毎に、この分岐送風路１２の送風量を調整自在な変風量ユニット５を、設け、前記変風量ユニット５の通過一次混合空気と換気用室内供給空気を二次混合させて前記室内Ｂに給気するように構成し、前記分岐送風路１２毎の変風量ユニットボリュームポイントと分岐送風路内径比ポイントとの積算値を全分岐送風路分合計すると共にその合計積算値の全変風量ユニット最大ボリューム時合計積算値に対する比に基いて前記空調機１の給気用送風機１０の風量制御のみ又はこの給気用送風機１０の風量制御及びヒートポンプＡの圧縮機１３の容量制御を行うＶＡＶ制御手段１５を、設けた請求項１記載のヒートポンプ式ドライ空調システム。
3. 屋外からの外気と複数の室内Ｂからの空気を全熱交換して屋外と前記各室内Ｂの間で空気を換気する換気ユニット３０を、設けた請求項１又は２記載のヒートポンプ式ドライ空調システム。
4. 熱媒を熱源とするヒートポンプＡとし、前記熱媒を循環させる熱源水回路３と、この熱源水回路３に接続されて前記熱媒を温度調節する地中熱交換器４と、を備えた請求項１、２又は３記載のヒートポンプ式ドライ空調システム。
5. 熱源水回路３に熱媒を加熱する加熱装置１６を地中熱交換器４よりも下流で接続し、前記熱源水回路３に、前記地中熱交換器４に対して熱媒を流通・バイパス切換自在な第１切換機構１７と、前記加熱装置１６に対して熱媒を流通・バイパス切換自在な第２切換機構１８と、を設けた請求項１、２、３又は４記載のヒートポンプ式ドライ空調システム。
6. 地中の地表近くに埋設される地中熱交換器４が、熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部２２と、この往路管部２２から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２３と、を備えた請求項１、２、３、４又は５記載のヒートポンプ式ドライ空調システム。
7. 給気側熱交換器６のフィンチューブを楕円管とした請求項１、２、３、４、５又は６記載のヒートポンプ式ドライ空調システム。

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