JP2009103410A - ミックス形空調機 - Google Patents

Abstract

【課題】省エネ空調ができ、設備コストと運転コストの削減を図れるミックス形空調機を得る。
【解決手段】 被空調ゾーンＡから吸込んだ還気を低エクセルギー冷温水で熱交換する冷温水コイル４を設けた冷温水側ユニット１と、被空調ゾーンＡから吸込んだ還気を圧縮式空気熱源用ヒートポンプ１４の循環冷媒で熱交換する給気用空気熱交換器１５を設けたヒーポン側ユニット２と、冷温水コイル４の通過還気と前記給気用空気熱交換器１５の通過還気とを混合して被空調ゾーンＡへ吹出す吹出ユニット３と、冷温水コイル４の通水流量とヒートポンプ１４の圧縮機容量とを制御する制御手段２３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明はミックス形空調機に関するものである。

従来、工場、大店舗、スーパー、体育館などの大空間の空調はエアハンドリングユニットなどの冷温水セントラル式空調機で大空間全体を空調する全館空調であった。この冷温水セントラル式空調機では、冷温水コイルを介して熱源水で還気を熱交換して給気し、循環空調している。ところが、冷温水コイルだけで空調を行うには、夏期や冬期のピーク負荷に合わせた高エクセルギーの熱源水（例えば冷水７℃、温水６０℃）で運転しなければならず、チラーなどの大能力の熱源装置が必要で、ピーク負荷から低負荷になるにしたがって空調に利用されない余剰エネルギー比率が増加（すなわち運転ロスが増加）し、熱源装置の運転コストが高くなる問題があった。さらに、全館空調では、例えば天井付近や人のいない部分など空調不要範囲まで無駄に空調することとなり省エネを図れなかった。

特開平４−１７４２２５号公報 特開平９−１０５５３９号公報 特開昭６３−２３３２４４号公報

また、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、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必要がある。このような、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装置の運転コストや設備コストもかかる問題がある。

本発明は上記課題を解決するため、屋内大空間の被空調ゾーンで空気を循環させて空調するミックス形空調機であって、前記被空調ゾーンから吸込んだ還気を低エクセルギー冷温水で熱交換する冷温水コイルを設けた冷温水側ユニットと、前記被空調ゾーンから吸込んだ還気を圧縮式空気熱源用ヒートポンプの循環冷媒で熱交換する給気用空気熱交換器を設けたヒーポン側ユニットと、前記冷温水コイルの通過還気と前記給気用空気熱交換器の通過還気とを混合して前記被空調ゾーンへ吹出す吹出ユニットと、前記冷温水コイルの通水流量と前記ヒートポンプの圧縮機容量とを制御する制御手段と、を備えたことを最も主要な特徴とする。

請求項１と２の発明によれば、
（１）空調の負荷状態に応じて、制御手段２３で冷温水コイル４及びヒートポンプ１４の一方又は両方を選択的に稼動させて省エネ空調ができる。例えば、低負荷では冷温水コイル４のみを稼動させ、通常負荷ではヒートポンプ１４又は冷温水コイル４を稼動させ、ピーク負荷ではヒートポンプ１４及び冷温水コイル４の両方を稼動させる。この冷温水コイル４の熱源水は低エクセルギー冷温水なので、中間期など低負荷での運転ロスが少なく、高エクセルギー冷温水をつくるよりも小能力の熱源装置で済み、設備コスト及び運転コストを抑えることができる。
（２）夏期の冷房運転の場合、ヒートポンプ１４の給気用空気熱交換器１５で冷却減湿した除湿空気と、冷温水コイル４で乾き冷却した（前記除湿空気より高温の）空気と、を所定比率で混合することで再熱せずに給気の温湿度制御ができる。顕熱負荷と潜熱負荷を個別に処理するので、余分に冷却、再熱するエネルギーが不要で省エネとなり、冷水を流すだけでよいので２管式ですみ、設備コスト及び運転コストを削減できる。

請求項２の発明によれば、圧縮式水熱源用ヒートポンプ１４なので、低エクセルギー冷温水を、冷温水コイル４とヒートポンプ１４の熱源水として共用でき、設備コスト及び運転コストを削減できる。

請求項３の発明によれば、
（１）低エクセルギー冷温水を、冷温水コイル４とヒートポンプ１４の熱源用水熱交換器２７の熱源水として共用できるので設備コスト及び運転コストを削減できる。
（２）冷温水コイル４で熱交換して温度変化した熱源水を、連続して、熱源用水熱交換器２７で熱交換して熱源水の温度変化を通常よりも拡大できるため、熱源装置における熱源水の往きと還りの温度差が大きくなり、熱源装置の成績係数（ＣＯＰ）が向上し、省エネとなる。
（３）流量制御機構２９を設けてあるので、冷温水コイル４の水量変化があっても、ヒートポンプ１４の熱源用水熱交換器２７は定水量となり、能力むらの無い安定した運転を行える。

請求項４の発明によれば、
（１）屋内大空間のうちで空調が必要なゾーンの横幅に合わせて空調機の吹出口２２と冷温水側吸込口８及びヒーポン側吸込口１３を離して設置し、被空調ゾーンＡ内で空気を循環させて快適な空調ができる。例えば天井付近や人のいない部分など空調不要範囲まで無駄に空調することがなくなって、必要な熱源能力が少なくて済み、小型化と省エネ化を図れる。
（２）吹出口２２に対して冷温水側吸込口８とヒーポン側吸込口１３が左右に広がっているので空調必要ゾーンを１台で広範囲にカバーでき、低コスト化を図れる。
（３）冷温水側ユニット１、吹出ユニット３及びヒーポン側ユニット２はスリムな横長状なので設置面積を取らず、省スペース化を図れる。

請求項５の発明によれば、
（１）屋内大空間のうちで空調が必要なゾーンの高さと横幅に合わせて空調機の吹出口２２と冷温水側吸込口８及びヒーポン側吸込口１３を離して設置し、被空調ゾーンＡ内で空気を循環させて快適な空調ができる。例えば天井付近や人のいない部分など空調不要範囲まで無駄に空調することがなくなって、必要な熱源能力が少なくて済み、小型化と省エネ化を図れる。
（２）吹出口２２に対してヒーポン側吸込口１３と冷温水側吸込口８が上下左右に広がっているので空調必要ゾーンを１台で広範囲にカバーでき、低コスト化を図れる。
（３）空調機が倒立Ｌ字状となっているので例えば建屋のコーナー部などに設置することでデッドスペースを有効活用できる。しかも、冷温水側ユニット１、吹出ユニット３及びヒーポン側ユニット２はスリムな横長状及び縦長状なので設置面積を取らず、省スペース化を図れる。

請求項６の発明によれば、地下水や河川などの自然エネルギー熱源体を冷温水コイル４や熱源用水熱交換器２７に通水して直接的に低エクセルギー冷温水として利用したり、地下水や河川、雪などの自然エネルギー熱源体と冷温水コイル４や熱源用水熱交換器２７の熱源水を各種熱交換器を介して熱交換して間接的に低エクセルギー冷温水として利用することができる。そのため、冷温水コイル４や熱源用水熱交換器２７の熱源装置が不要となって、設備及び運転のコストを大幅削減できる。

請求項７の発明によれば、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。給気用空気熱交換器１５も小型化でき空調機をコンパクト化できる。

図１〜図４は、本発明のミックス形空調機の実施例を示しており、屋内大空間の被空調ゾーンＡで空気を循環させて空調するもので、壁面や梁、天井などに設置される。この空調機は、冷温水側ユニット１と、ヒーポン側ユニット２と、吹出ユニット３と、空気熱源ユニット３２と、制御手段２３と、を備えている。実線及び点線の白抜き矢印は風向を示す。

左右横長状の冷温水側ユニット１の正面には還気を吸込む冷温水側吸込口８を設ける。この冷温水側ユニット１の内部には、被空調ゾーンＡから吸込んだ還気を低エクセルギー冷温水で冷却・加熱切換自在として熱交換する冷温水コイル４と、冷温水コイル４の通過還気を吹出ユニット３へ送風する冷温水側送風機５と、を少なくとも設ける。本発明において、低エクセルギー冷温水とは、保有するエネルギーのうちで変換利用できる最大エネルギーが低い所定温度範囲の熱源水をいい、例えば１５〜３０℃の水温範囲で、この範囲の低温側の冷水を冷却に用い、高温側の温水を加熱に用いる。逆に、変換利用できる最大エネルギーが高い熱源水を高エクセルギー冷温水といい、例えば冷水７℃、温水６０℃である。

冷温水コイル４は流量制御弁９を介して熱源水回路１０に接続する。熱源水回路１０は、熱源水を所定温度に冷却又は加熱して低エクセルギー冷温水をつくるチラーなどの熱源装置に接続し（図示省略）、低エクセルギー冷温水を冷温水コイル４に通水する。あるいは、地下水や河川などの自然エネルギー熱源体を冷温水コイル４に通水して直接的に低エクセルギー冷温水として利用したり、地下水や河川、雪などの自然エネルギー熱源体と冷温水コイル４の熱源水とを各種熱交換器を介して熱交換して間接的に低エクセルギー冷温水として利用する。また、他の空調機で使用した熱源水を低エクセルギー冷温水として再利用する。

左右横長状のヒーポン側ユニット２の正面には還気を吸込むヒーポン側吸込口１３を設ける。ヒーポン側ユニット２の内部には、被空調ゾーンＡから吸込んだ還気を圧縮式空気熱源用ヒートポンプ１４の循環冷媒で冷却・加熱切換自在として熱交換する給気用空気熱交換器１５と、給気用空気熱交換器１５の通過還気を吹出ユニット３へ送風するヒーポン側送風機１６と、を少なくとも設ける。

ヒートポンプ１４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源用空気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用空気熱交換器１５及び熱源用空気熱交換器１７と、循環冷媒を圧縮する容量制御自在な圧縮機１８と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構１９と、給気用空気熱交換器１５及び熱源用空気熱交換器１７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２０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。

空気熱源ユニット３２は、圧縮機１８と、熱源用空気熱交換器１７と、熱源用空気熱交換器１７に熱源用空気を送風する送風機３３と、冷媒流路切換機構２０と、を少なくとも備えている。図例では、ヒートポンプ１４などの部品を空気熱源ユニット３２とヒーポン側ユニット２に分けたセパレート形となっているが、これらをひとつにまとめた一体形とするも自由である。冷温水コイル４、給気用空気熱交換器１５及び熱源用空気熱交換器１７の伝熱管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。

左右横長状の吹出ユニット３は、冷温水コイル４の通過還気と給気用空気熱交換器１５の通過還気とを混合して被空調ゾーンＡへ吹出すためのもので、ケーシング２１の左右にダクト７、７を各々連通連結して成る。この吹出ユニット３のケーシング２１の正面に、前記混合空気を被空調ゾーンＡへ吹出す吹出口２２を設ける。図例では、吹出口２２は、吹出し方向変更自在なノズル形のパンカルーバを複数横並びにして吹出気流幅が横長状となるように構成しているが、吹出気流幅が横長状となる図示省略のグリル形吹出口とするなど、種々構成変更は自由である。この吹出ユニット３と冷温水側ユニット１とヒーポン側ユニット２を、正面側から見て横一文字状となるように吹出ユニット３に対してヒーポン側ユニット２及び冷温水側ユニット１の一方を左方向にずらしかつ他方を右方向にずらして連通連結して吹出口２２と冷温水側吸込口８及びヒーポン側吸込口１３を被空調ゾーンＡの幅に合わせて所定横幅Ｗ離間させる。

制御手段２３は、還気又は給気の検出温湿度が設定温湿度になるように冷温水コイル４の通水流量とヒートポンプ１４の圧縮機容量とを制御する。この制御手段２３は、還気又は給気の温湿度を設定する設定器２４と、還気又は給気の温湿度を検出する検出器２５と、検出温湿度が設定温湿度になるように圧縮機１８への容量増減信号と流量制御弁９への流量増減信号とを出力する制御器２６と、を備える。圧縮機１８と流量制御弁９は比例制御式や段階制御式とするのが好ましいが、ＯＮ−ＯＦＦ式とするも自由である。

本発明の空調機の運転方法を例示すると、設定器２４で設定された温湿度に応じて、ピーク負荷では、冷温水コイル４と給気用空気熱交換器１５の両方で還気を冷却又は加熱した後、両空気を混合し、被空調ゾーンＡに給気して循環空調する。通常負荷では、冷温水コイル４の通水を停止し、給気用空気熱交換器１５のみで還気を冷却又は加熱して被空調ゾーンＡに給気して空調する。低負荷時は、圧縮機１８を停止して冷温水コイル４のみで還気を冷却又は加熱して被空調ゾーンＡに給気して空調する。なお、冷温水コイル４と給気用空気熱交換器１５を片側運転する場合、停止側は送風のみを行って、被空調ゾーンＡの温度ムラをなくすようにする。また、夏期の通常負荷で冷房運転をする場合、還気をヒートポンプ１４の給気用空気熱交換器１５で冷却減湿した除湿空気と、還気を冷温水コイル４で乾き冷却した空気と、を所定比率で混合すると、前記乾き冷却した空気で、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、給気を温湿度制御することができる。

図５〜図８は、図１の実施例においてヒートポンプ１４を圧縮式水熱源用とした実施例である。上下縦長状のヒーポン側ユニット２は、ケーシング１１とチャンバ３４をダクト１２で連通連結して成り、正面側から見て倒立Ｌ字状となるように吹出ユニット３に対してヒーポン側ユニット２及び冷温水側ユニット１の一方を左方向にずらしかつ他方を右方向にずらして連通連結して被空調ゾーンＡの高さと幅に合わせて吹出口２２と冷温水側吸込口８を所定横幅Ｗ離間させかつ吹出口２２とヒーポン側吸込口１３を所定高さＨ及び所定横幅Ｗ離間させる。ヒーポン側ユニット２は床面に設置し、吹出ユニット３及び冷温水側ユニット１は壁面や梁、天井などに設置する。

ヒートポンプ１４は、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用空気熱交換器１５及び熱源用水熱交換器２７と、循環冷媒を圧縮する容量制御自在な圧縮機１８と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構１９と、給気用空気熱交換器１５及び熱源用水熱交換器２７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２０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。図例では、ヒーポン側ユニット２にヒートポンプ１４などの部品を全て収めた一体形となっているが、ヒートポンプ１４などの部品を複数のユニットに分けたセパレート形とするも自由である。なお、熱源水回路１０に、冷温水コイル４と熱源用水熱交換器２７を並列に配管接続し、両方に低エクセルギー冷温水を熱源水として通水するようにしてあるが、冷温水コイル４のみに低エクセルギー冷温水を通水し、熱源用水熱交換器２７には他の熱源装置からの熱源水を通水させるも自由である。その他の構成は、前記実施例と同様であるので説明は省略する。

図９は、図５の実施例において、冷温水コイル４に通水後の低エクセルギー冷温水をヒートポンプ１４の熱源用水熱交換器２７に通水するように直列に配管接続して構成すると共に、冷温水コイル４への低エクセルギー冷温水の一部又は全部をバイパスさせて熱源用水熱交換器２７の通水流量を制御する流量制御機構２９を設けたものである。なお、流量制御機構２９は冷温水コイル４の熱源水出入口をバイパスするバイパス流路３０と三方弁などの流量調整弁３１などにて構成しているが、それぞれ構成の変更は自由である。その他の構成は、図５の実施例と同様であるので説明は省略する。冷温水コイル４とヒートポンプ１４を両方稼動する場合、冷温水コイル４の熱源水出入口の温度差に、ヒートポンプ１４の熱源用水熱交換器２７の熱源水出入口の温度差が加わり、熱源水の往きと還りの温度差が通常の倍以上大きくなる（たとえばΔｔ１０℃以上）。

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、前記各実施例の吹出ユニット３のダクト７と、図５と図９の実施例のダクト１２と、を省略してヒーポン側ユニット２、吹出ユニット３及び冷温水側ユニット１を直結するも自由である。また、図１の実施例において、ヒーポン側ユニット２を上下縦長状とし、正面側から見て倒立Ｌ字状となるように吹出ユニット３に対してヒーポン側ユニット２及び冷温水側ユニット１の一方を左方向にずらしかつ他方を右方向にずらして連通連結したり、あるいは、図５の実施例において、ヒーポン側ユニット２を左右横長状とし、正面側から見て横一文字状となるように吹出ユニット３に対してヒーポン側ユニット２及び冷温水側ユニット１の一方を左方向にずらしかつ他方を右方向にずらして連通連結するも自由である。また、制御手段２３は、還気又は給気の検出温度が設定温度になるように冷温水コイル４の通水流量とヒートポンプ１４の圧縮機１８の容量とを制御するような設定器２４、検出器２５及び制御器２６として構成するも自由である。

本発明の一実施例を示す正面図。 同平面図。 同側面図。 同圧縮式空気熱源用ヒートポンプの簡略説明図。 本発明の他の実施例を示す正面図。 同平面図。 同側面図。 同圧縮式水熱源用ヒートポンプの簡略説明図。 本発明の別の実施例を示す正面図。

符号の説明

１ 冷温水側ユニット
２ ヒーポン側ユニット
３ 吹出ユニット
４ 冷温水コイル
８ 冷温水側吸込口
１３ ヒーポン側吸込口
１４ ヒートポンプ
１５ 給気用空気熱交換器
２２ 吹出口
２３ 制御手段
２７ 熱源用水熱交換器
２９ 流量制御機構
Ａ 被空調ゾーン
Ｈ 高さ
Ｗ 幅

Claims (7)

1. 屋内大空間の被空調ゾーン（Ａ）で空気を循環させて空調するミックス形空調機であって、前記被空調ゾーン（Ａ）から吸込んだ還気を低エクセルギー冷温水で熱交換する冷温水コイル（４）を設けた冷温水側ユニット（１）と、前記被空調ゾーン（Ａ）から吸込んだ還気を圧縮式空気熱源用ヒートポンプ（１４）の循環冷媒で熱交換する給気用空気熱交換器（１５）を設けたヒーポン側ユニット（２）と、前記冷温水コイル（４）の通過還気と前記給気用空気熱交換器（１５）の通過還気とを混合して前記被空調ゾーン（Ａ）へ吹出す吹出ユニット（３）と、前記冷温水コイル（４）の通水流量と前記ヒートポンプ（１４）の圧縮機容量とを制御する制御手段（２３）と、を備えたことを特徴とするミックス形空調機。
2. 屋内大空間の被空調ゾーン（Ａ）で空気を循環させて空調するミックス形空調機であって、前記被空調ゾーン（Ａ）から吸込んだ還気を低エクセルギー冷温水で熱交換する冷温水コイル（４）を設けた冷温水側ユニット（１）と、前記被空調ゾーン（Ａ）から吸込んだ還気を圧縮式水熱源用ヒートポンプ（１４）の循環冷媒で熱交換する給気用空気熱交換器（１５）を設けたヒーポン側ユニット（２）と、前記冷温水コイル（４）の通過還気と前記給気用空気熱交換器（１５）の通過還気とを混合して前記被空調ゾーン（Ａ）へ吹出す吹出ユニット（３）と、前記冷温水コイル（４）の通水流量と前記ヒートポンプ（１４）の圧縮機容量とを制御する制御手段（２３）と、を備えたことを特徴とするミックス形空調機。
3. 冷温水コイル（４）に通水後の低エクセルギー冷温水を熱源水として圧縮式水熱源用ヒートポンプ（１４）の熱源用水熱交換器（２７）に通水するように構成すると共に、前記冷温水コイル（４）への低エクセルギー冷温水をバイパスさせて前記熱源用水熱交換器（２７）の通水流量を制御する流量制御機構（２９）を、設けた請求項２記載のミックス形空調機。
4. 左右横長状の吹出ユニット（３）の正面に吹出口（２２）を設け、左右横長状の冷温水側ユニット（１）の正面に還気を吸込む冷温水側吸込口（８）を設けると共に、左右横長状のヒーポン側ユニット（２）の正面に還気を吸込むヒーポン側吸込口（１３）を設け、正面側から見て横一文字状となるように前記吹出ユニット（３）に対して前記ヒーポン側ユニット（２）及び前記冷温水側ユニット（１）の一方を左方向にずらしかつ他方を右方向にずらして連通連結して前記吹出口（２２）と前記冷温水側吸込口（８）及び前記ヒーポン側吸込口（１３）とを所定横幅（Ｗ）離間させた請求項１、２又は３記載のミックス形空調機。
5. 左右横長状の吹出ユニット（３）の正面に吹出口（２２）を設け、左右横長状の冷温水側ユニット（１）の正面に還気を吸込む冷温水側吸込口（８）を設けると共に、上下縦長状のヒーポン側ユニット（２）の正面に還気を吸込むヒーポン側吸込口（１３）を設け、正面側から見て倒立Ｌ字状となるように前記吹出ユニット（３）に対して前記ヒーポン側ユニット（２）及び前記冷温水側ユニット（１）の一方を左方向にずらしかつ他方を右方向にずらして連通連結して前記吹出口（２２）と前記冷温水側吸込口（８）を所定横幅（Ｗ）離間させかつ前記吹出口（２２）と前記ヒーポン側吸込口（１３）を所定高さ（Ｈ）及び所定横幅（Ｗ）離間させた請求項１、２又は３記載のミックス形空調機。
6. 自然エネルギー熱源体を低エクセルギー冷温水として直接的又は間接的に利用した請求項１、２、３、４又は５記載のミックス形空調機。
7. 冷温水コイル（４）と給気用空気熱交換器（１５）の伝熱管を楕円管とした請求項１、２、３、４、５又は６記載のミックス形空調機。

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