JP2009192168A - 空気調和システムおよび空調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良質な空気を調和空気に含めることが可能な空気調和システムを提供することを課題とする。
【解決手段】空調対象空間Ｒに調和空気を供給する空調ユニット１と、外気を圧縮する空気圧縮手段２と、この空気圧縮手段２で生成された圧縮空気を蓄える貯蔵手段３と、を備える空気調和システムであって、空調ユニット１は、貯蔵手段３から放出された空気を使用して調和空気を生成することを特徴とする。貯蔵手段３に貯蔵された圧縮空気を冷却または加熱する冷却加熱手段４を設けてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和システムおよび空調方法に関する。

居室等の空調対象空間へ供給する調和空気に外気を含める方式の空気調和システムが特許文献１や特許文献２などに開示されている。この種の空気調和システムは、空調対象空間に調和空気を供給する空調ユニットと、この空調ユニットに外気を導入するための外気導入ダクトと、空調対象空間内の空気を空調ユニットに還流するための還気ダクトとを備えており、還気ダクトを介して空調対象空間から空調ユニットへと還流された還気に外気導入ダクトを介して空調ユニットへと導入された外気を混合し、得られた混合空気を使用して調和空気を生成するものである。このような方式の空気調和システムによれば、新鮮な外気を取り入れることが可能になるので、空調対象空間における二酸化炭素濃度の上昇を抑制することが可能になる。
特開２００６−１３２８５１号公報 特開２００５−２１４６０８号公報

オフィスビル等においては、多くの人間が活動する昼間の営業時間帯（空調ユニットを稼働させている時間帯）に新鮮な外気を取り込みたいところであるが、昼間の営業時間帯は、自動車の排ガス等により大気中の二酸化炭素濃度や浮遊粒状物質濃度が高まる時間帯でもあることから、とりわけ都市部や幹線道路沿いの地域においては、新鮮な外気を得られない虞がある。

また、外気中の湿度が高まる雨天時や夏場などに外気を取り入れると、空調対象空間内の湿度が高まり、不快感が増す虞がある。

さらに、この種の空気調和システムでは、例えば、夏季であれば、高温に熱せられた外気が導入されることになり、冬季であれば、低温に冷やされた外気が導入されることになるので、外気負荷が大きいものとなり、ひいては、省エネルギー化を阻害する虞がある。

このような観点から、本発明は、良質な空気を調和空気に含めることが可能な空気調和システムを提供することを課題とし、さらには、省エネルギー化を図ることが可能な空気調和システムを提供することを課題とし、加えて、良質な空気を調和空気に含めることが可能な空調方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決する本発明に係る空気調和システムは、空調対象空間に調和空気を供給する空調ユニットと、外気を圧縮する空気圧縮手段と、前記空気圧縮手段で生成された圧縮空気を蓄える貯蔵手段と、を備える空気調和システムであって、前記空調ユニットは、前記貯蔵手段から放出された空気を使用して前記調和空気を生成することを特徴とする。

本発明によれば、深夜や早朝などに蓄えた良質な空気を調和空気に含めることが可能になるので、快適かつ健康的な室内空間を創出することができる。また、外気を圧縮すると、外気中に含まれていた湿気が除湿されるので、湿度が高まる雨天時や夏季などにおいては、除湿機の使用頻度を低下させることが可能になる。なお、電力使用料が割安になる時間帯に空気圧縮手段を作動させれば、外気の圧縮・貯蔵に要するコストを安価にすることが可能になる。

本発明に係る空気調和システムに、前記貯蔵手段に貯蔵された圧縮空気を冷却する冷却手段を具備させてもよい。このようにすると、空調ユニットへ放出される空気（貯蔵された外気）の温度を低下させることが可能になるので、冷房運転を行う季節において外気負荷が低減され、その結果、空調ユニットに掛かる負荷（エネルギー）を低減することが可能になる。なお、電力使用料が割安になる時間帯に冷却手段を作動させれば、圧縮空気の冷却に要するコストを安価にすることが可能になる。

本発明に係る空気調和システムに、前記貯蔵手段に貯蔵された圧縮空気を加熱する加熱手段を具備させてもよい。このようにすると、空調ユニットへ放出される空気（貯蔵された外気）の温度を上昇させることが可能になるので、暖房運転を行う季節において外気負荷が低減され、その結果、空調ユニットに掛かる負荷（エネルギー）を低減することが可能になる。なお、電力使用料が割安になる時間帯に加熱手段を作動させれば、圧縮空気の加熱に要するコストを安価にすることが可能になる。

本発明に係る空気調和システムに、前記貯蔵手段内の圧縮空気を前記空調ユニットへ送気するための送気ダクトと、前記送気ダクトを開閉する第一ダンパと、前記空気圧縮手段および前記貯蔵手段を介することなく外気を前記空調ユニットへ導入するための外気導入ダクトと、前記外気導入ダクトを開閉する第二ダンパと、を具備させてもよい。このようにすると、貯蔵手段内の圧縮空気（貯蔵された外気）を使用する状態、通常の外気（空気圧縮手段および貯蔵手段を介することなく導入された外気）を使用する状態、および、圧縮空気（貯蔵された外気）と通常の外気の両方を使用する状態を切り替えることが可能になる。

前記した課題を解決する本発明に係る空調方法は、外気を圧縮して圧縮空気を生成するとともに、得られた圧縮空気を貯蔵手段に貯蔵しておく外気貯蔵過程と、前記貯蔵手段内の圧縮空気を放出するとともに、放出された空気を使用して前記空調対象空間に供給すべき調和空気を生成する調和空気生成過程とを備える空調方法であって、外気の汚染度が低い時間帯に前記外気貯蔵過程を行い、外気の汚染度が高い時間帯に前記調和空気生成過程を行うことを特徴とする。

本発明によれば、外気の汚染度が高まる時間帯においても良質な空気を調和空気に含めることが可能になる。また、外気を圧縮すると、外気中に含まれていた湿気が除湿されるので、湿度が高まる雨天時や夏季などにおいては、除湿機の使用頻度を低下させることが可能になる。

前記した課題を解決する本発明に係る他の空調方法は、外気を圧縮して圧縮空気を生成するとともに、得られた圧縮空気を貯蔵手段に貯蔵しておく外気貯蔵過程と、前記貯蔵手段内の圧縮空気を放出するとともに、放出された空気を使用して前記空調対象空間に供給すべき調和空気を生成する調和空気生成過程とを備える空調方法であって、空調対象空間に調和空気を供給する空調ユニットを停止している時間帯に前記外気貯蔵過程を行い、前記空調ユニットを稼働させている時間帯に前記調和空気生成過程を行うことを特徴とする。

空調ユニットを稼働させている時間帯（例えば、多くの人間が活動する昼間の営業時間帯）に、外気の汚染度が高まる傾向にあり、空調ユニットを停止している時間帯に、外気の汚染度が低くなる傾向にあるので、空調ユニットを停止している時間帯に外気を貯蔵しておき、空調ユニットを稼働させている時間帯に貯蔵しておいた外気を使用すれば、外気の汚染度が高まる時間帯においても良質な空気を調和空気に含めることが可能になる。また、空調ユニットを停止している時間帯に外気貯蔵過程を行えば、一日の電力使用量を平準化することが可能になる。

本発明によれば、深夜や早朝などに蓄えた良質な空気を調和空気に含めることが可能になるので、快適かつ健康的な室内空間を創出することができる。

本発明の実施形態に係る空気調和システムは、図１に示すように、空調ユニット１、空気圧縮手段２、貯蔵手段３、冷却加熱手段４、外気貯蔵用ダクト５、送気ダクト６、外気導入ダクト７、給気ダクト８、還気ダクト９、第一ダンパ１１、第二ダンパ１２などを備えている。

なお、本実施形態では、多層階建の建物の各階に空調ユニット１が設置され、地階に設けた機械室に空気圧縮手段２および貯蔵手段３が設置され、建物外に冷却加熱手段４が設置されている場合を例示するが、建物の種類（構造形式、用途、階数等）や空調ユニット１、空気圧縮手段２、貯蔵手段３および冷却加熱手段４の設置場所等を限定する趣旨ではない。

空調ユニット１は、空調対象空間Ｒに調和空気を供給する機能を備えるものであり、図示は省略するが、送風機、熱交換器（コイル）、加湿機、除湿機、エアフィルタ、ケーシングなどを備えたエアハンドリングユニットからなる。本実施形態の空調ユニット１は、空調対象空間Ｒから還流された還気、貯蔵手段３から放出された空気（貯蔵外気）および外気導入ダクト７を介して導入された外気（通常外気）のうちの少なくとも一つを使用して調和空気を生成する。なお、図示は省略するが、空調ユニット１内の熱交換器には、熱媒配管を介してターボ冷凍機、ボイラー、直焚き冷温水発生機、ヒートポンプ、蓄熱槽、地域冷暖房プラントなどの熱源（冷熱源、温熱源）が接続されている。

空気圧縮手段（エアーコンプレッサ）２は、外気を圧縮して圧縮空気を生成する機能を備えるものであり、外気貯蔵用ダクト５の途中に設けられている。

貯蔵手段３は、空気圧縮手段２で生成された圧縮空気を蓄えるものであり、密閉容器３ａや開閉弁付きの排水管３ｂのほか、密閉容器３ａを取り囲む断熱材（図示略）や空気圧縮手段２への圧縮空気の逆流を阻止する逆止弁（図示略）などを備えている。

冷却加熱手段４は、貯蔵手段３に貯蔵された圧縮空気を冷却する機能（冷却手段）と加熱する機能（加熱手段）を備えるものである。冷却加熱手段４の構成に制限はないが、本実施形態では、密閉容器３ａ内に配置された冷却加熱用コイル４ａと、冷水または温水を生成する空冷ヒートポンプ式のチラーユニット４ｂと、冷却加熱用コイル４ａとチラーユニット４ｂとを繋ぐ循環配管４ｃと、チラーユニット４ｂで生成された冷水または温水を冷却加熱用コイル４ａに送るポンプ４ｄとを備えて構成されている。なお、図示は省略するが、冷熱源と温熱源とを別々に設けても差し支えない。

外気貯蔵用ダクト５は、建物の適所に設けられた外気取入口５ａから貯蔵手段３へ至るダクト（配管）であり、外気を貯蔵手段３内へ貯蔵する際に使用される。外気取入口５ａは、排気口や臭いの発生源から離れた位置に設けることが望ましく、より好適には、地上高さ１０ｍ以上の位置に設けることが望ましい。なお、本実施形態では、外気取入口５ａを一箇所に設けた場合を例示しているが、複数個所に設けても差し支えない。

送気ダクト６は、貯蔵手段３から各空調ユニット１内のリターンチャンバ（図示略）へ至るダクト（配管）であり、貯蔵手段３内の圧縮空気を各空調ユニット１へ送気する際に使用される。本実施形態の送気ダクト６は、貯蔵手段３から延びるメインダクト６ａと、このメインダクト６ａから分岐して各空調ユニット１へ至るサブダクト６ｂ，６ｂ，…とを備えている。なお、図示は省略するが、複数の送気ダクト６を併設しても差し支えない。

外気導入ダクト７は、建物の外壁等に設けられた外気取入口７ａから空調ユニット１内のリターンチャンバへ至るダクト（配管）であり、空気圧縮手段２および貯蔵手段３を介することなく外気を空調ユニット１内へ導入する際に使用される。すなわち、外気導入ダクト７は、空気圧縮手段２および貯蔵手段３を介することなく空調ユニット１に直接接続されている。なお、本実施形態では、一の空調ユニット１につき一の外気取入口７ａ（外気導入ダクト７）を設けた場合を例示しているが、一の空調ユニット１につき複数の外気取入口７ａを設けても差し支えないし、一の外気取入口７ａを複数の空調ユニット１で共用するように構成しても差し支えない。

給気ダクト８は、各空調ユニット１内のサプライチャンバから空調対象空間Ｒを取り囲む壁、床および天井のいずれか（本実施形態では、天井）に設けられた吹出口８ａへ至るダクト（配管）であり、空調ユニット１で生成された調和空気を空調対象空間Ｒへ供給する際に使用される。

還気ダクト９は、空調対象空間Ｒの壁、床および天井のいずれか（本実施形態では、間仕切壁）に設けられた排気口９ａから各空調ユニット１内のリターンチャンバへ至るダクト（配管）であり、空調対象空間Ｒ内の空気を空調ユニット１に還気する際に使用される。

第一ダンパ１１は、送気ダクト６を開放もしくは閉塞するものであり、本実施形態では、制御手段（図示略）による遠隔操作が可能なモータダンパからなる。本実施形態では、各サブダクト６ｂを個別に開閉できるように、複数のサブダクト６ｂ，６ｂ，…のそれぞれに第一ダンパ１１が設けられている。なお、図示は省略するが、複数のサブダクト６ｂ，６ｂ，…を一括して開閉できるように、貯蔵手段３に最も近い分岐点よりも貯蔵手段３側に位置するメインダクト６ａに第一ダンパ１１を設けてもよい。

第二ダンパ１２は、外気導入ダクト７を開放もしくは閉塞するものであり、本実施形態では、制御手段（図示略）による遠隔操作が可能なモータダンパからなる。

図示せぬ制御手段は、空気圧縮手段２および冷却加熱手段４のＯＮ・ＯＦＦ、並びに、第一ダンパ１１および第二ダンパ１２の開閉を制御するものであり、オペレータにより選択されたモードもしくはシーケンス制御によって選択されたモードに応じた制御信号を空気圧縮手段２、冷却加熱手段４、第一ダンパ１１および第二ダンパ１２に出力する。なお、制御手段により実行されるモードには、外気貯蔵モード、圧縮空気冷却モード、圧縮空気加熱モード、貯蔵外気使用モード、通常外気使用モード、併用モードなどが含まれる。

外気貯蔵モードは、外気を貯蔵手段３に取り込む際に実行されるモードであり、当該モードが実行されると、第一ダンパ１１が閉弁するとともに、空気圧縮手段２が作動し、空気圧縮手段２で生成された圧縮空気が貯蔵手段３に貯蔵される。なお、外気取入口５ａにダンパが設けられている場合には、当該ダンパも開弁する。

圧縮空気冷却モードは、貯蔵手段３に貯蔵された圧縮空気を冷却する際に実行されるモードであり、当該モードが実行されると、冷却加熱手段４が作動し、冷却加熱用コイル４ａに冷水が供給される。

圧縮空気加熱モードは、貯蔵手段３に貯蔵された圧縮空気を加熱する際に実行されるモードであり、当該モードが実行されると、冷却加熱手段４が作動し、冷却加熱用コイル４ａに温水が供給される。

貯蔵外気使用モードは、通常外気を使用せずに貯蔵手段３内の圧縮空気（貯蔵外気）を使用する際に実行されるモードであり、当該モードが実行されると、第一ダンパ１１が開弁し、第二ダンパ１２が閉弁する。なお、第一ダンパ１１が開弁すると、貯蔵手段３内の圧縮空気が自圧で膨張し、膨張した空気（放出された空気）が送気ダクト６を介して各空調ユニット１に導入される。

通常外気使用モードは、貯蔵外気を使用せずに通常外気を使用する際に実行されるモードであり、当該モードが実行されると、第一ダンパ１１が閉弁し、第二ダンパ１２が開弁する。

併用モードは、貯蔵外気と通常外気の両方を使用する際に実行されるモードであり、当該モードが実行されると、第一ダンパ１１および第二ダンパ１２が開弁する。

次に、前記した空気調和システムにより実現される空調方法を説明する。本実施形態に係る空調方法は、外気貯蔵過程と、調和空気生成過程とを備えている。

外気貯蔵過程は、外気を圧縮して圧縮空気を生成するとともに、得られた圧縮空気を貯蔵手段３に貯蔵しておく過程であり、本実施形態では、前記した外気貯蔵モードを実行することで実現される。外気貯蔵過程を行う時間帯に制限はないが、外気（建物外の空気）の汚染度（二酸化炭素濃度や浮遊粒状物質濃度）が低い時間帯（例えば、深夜や早朝など）に行うことが望ましい。なお、深夜や早朝の時間帯に空調ユニット１を停止する場合には、空調ユニット１を停止する時間帯を外気の汚染度が低い時間帯とみなすことができるので、空調ユニット１を停止する時間帯に外気貯蔵過程を行ってもよい。また、貯蔵手段３に貯蔵する空気量に制限はないが、空調ユニット１，１，…に対して１〜３時間に亘って空気（貯蔵外気）を供給し続けることができる空気量とすることが望ましい。

外気貯蔵過程と並行して、もしくは、外気貯蔵過程の終了後調和空気生成過程が開始されるまでの間に、圧縮空気を冷却もしくは加熱してもよい。すなわち、調和空気生成過程が開始されるまでに、圧縮空気冷却モードもしくは圧縮空気加熱モードを実行してもよい。

調和空気生成過程は、貯蔵手段３内の圧縮空気を放出するとともに、放出された空気を使用して空調対象空間Ｒに供給すべき調和空気を生成する過程であり、本実施形態では、空調ユニット１を稼働させた状態で前記した貯蔵外気使用モードもしくは併用モードを実行することで実現される。なお、貯蔵外気使用モードおよび併用モードのどちらを選択するかは、調和空気生成過程中の外気（建物外の空気）の汚染度、温度、湿度を考慮して決定すればよく、例えば、外気の汚染度が高い場合や外気負荷が大きい場合（外気の温度が設定温度から懸け離れている場合）に貯蔵外気使用モードを実行し、外気の汚染度がさほど高くない場合や空調対象空間Ｒの換気を促進したい場合に併用モードを実行するとよい。

ちなみに、空調ユニット１に導入された空気（貯蔵外気、通常外気）は、リターンチャンバ内において空調対象空間Ｒから戻された還気と混合され、空調ユニット１内の熱交換器、加湿機、除湿機などにより適宜な温度・湿度に調整されたうえで、給気ダクト８を介して空調対象空間Ｒに供給される。

以上説明した本実施形態に係る空気調和システムによれば、深夜や早朝などに蓄えた新鮮な空気を調和空気に含めることが可能になるので、快適かつ健康的な室内空間を創出することが可能になる。

とくに、外気の汚染度が低い時間帯に外気貯蔵過程を行い、外気の汚染度が高い時間帯に調和空気生成過程を行えば、外気の汚染度が高まる時間帯においても良質な空気を調和空気に含めることが可能になるし、電力使用料が割安になる深夜や早朝の時間帯に外気貯蔵過程や圧縮空気に対する冷却もしくは加熱を行えば、外気の圧縮・貯蔵に要するコストや圧縮空気の冷却・加熱に要するコストを安価にすることができる。また、空調ユニットを停止している時間帯に外気貯蔵過程を行えば、一日の電力使用量を平準化することが可能になる。

また、外気を圧縮すると、外気中に含まれていた湿気が除湿されるので、外気中の湿度が高まる雨天時や夏場などにおいては、除湿機の使用頻度を低下させることが可能になる。

また、本実施形態に係る空気調和システムによれば、貯蔵手段３に貯蔵された圧縮空気（貯蔵外気）を冷却・加熱する冷却加熱手段４を具備しているので、空調ユニット１へ放出される空気（貯蔵外気）の温度を低下あるいは上昇させることが可能になる。つまり、本実施形態に係る空気調和システムによれば、外気負荷が低減される結果、空調ユニット１に掛かる負荷が低減されることになるので、省エネルギー化を図ることが可能になる。また、空調ユニット１に掛かる負荷が低減される結果、空調ユニット１に接続される熱源機器の容量、空調ユニット１内の熱交換器の容量、熱媒管の口径などを小さくすることが可能になるので、熱源機器および空調ユニット１の小型化や配管スペースの省スペース化を図ることが可能になる。

なお、上記の作用効果は、貯蔵外気使用モードだけでなく、併用モードでも奏される。通常外気に良質な貯蔵外気を混合すれば、通常外気の汚染度が緩和されるとともに、外気負荷が低減されることになる。

ちなみに、深夜・早朝の時間帯（例えば、３：００〜６：００）に空調ユニット１を停止するとともに、当該時間帯に外気貯蔵過程および圧縮空気に対する冷却もしくは加熱を行い、夏季（７月〜９月）においては冷房運転のピークとなる時間帯（例えば、１３：００〜１６：００）に貯蔵外気使用モードで調和空気生成過程を行い、冬季（１２月〜２月）においては暖房運転のピークとなる時間帯（例えば、８：００〜９：００）に貯蔵外気使用モードで調和空気生成過程を行うと、建物の規模や地域によって異なるが、空調ユニット１に接続される熱源機器の容量と空調ユニット１内の熱交換器の容量を３０％程度低減するとともに、年間のランニングコストを１０％程度削減することも可能である。

なお、前記した実施形態では、複数の空調ユニット１，１，…において同一のモード（貯蔵外気使用モード、通常外気使用モードおよび併用モード）を実行する場合（すなわち、複数の第一ダンパ１１，１１，…および複数の第二ダンパ１２，１２，…を一括して制御する場合）を例示したが、空調ユニット１ごとに異なるモードを実行できるように構成しても勿論差し支えない。また、本実施形態では、第一ダンパ１１および第二ダンパ１２がモータダンパである場合を例示したが、手動で開閉する形式のダンパであっても差し支えない。

本発明の実施形態に係る空気調和システムのシステム図である。

符号の説明

１ 空調ユニット
２ 空気圧縮手段
３ 貯蔵手段
４ 冷却加熱手段
５ 外気貯蔵用ダクト
６ 送気ダクト
７ 外気導入ダクト
８ 給気ダクト
９ 還気ダクト
１１ 第一ダンパ
１２ 第二ダンパ

Claims (6)

1. 空調対象空間に調和空気を供給する空調ユニットと、
   外気を圧縮する空気圧縮手段と、
   前記空気圧縮手段で生成された圧縮空気を蓄える貯蔵手段と、
   を備える空気調和システムであって、
   前記空調ユニットは、前記貯蔵手段から放出された空気を使用して前記調和空気を生成することを特徴とする空気調和システム。
2. 前記貯蔵手段に貯蔵された圧縮空気を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の空気調和システム。
3. 前記貯蔵手段に貯蔵された圧縮空気を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空気調和システム。
4. 前記貯蔵手段内の圧縮空気を前記空調ユニットへ送気するための送気ダクトと、
   前記送気ダクトを開閉する第一ダンパと、
   前記空気圧縮手段および前記貯蔵手段を介することなく外気を前記空調ユニットへ導入するための外気導入ダクトと、
   前記外気導入ダクトを開閉する第二ダンパと、を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の空気調和システム。
5. 外気を圧縮して圧縮空気を生成するとともに、得られた圧縮空気を貯蔵手段に貯蔵しておく外気貯蔵過程と、
   前記貯蔵手段内の圧縮空気を放出するとともに、放出された空気を使用して前記空調対象空間に供給すべき調和空気を生成する調和空気生成過程とを備える空調方法であって、
   外気の汚染度が低い時間帯に前記外気貯蔵過程を行い、外気の汚染度が高い時間帯に前記調和空気生成過程を行うことを特徴とする空調方法。
6. 外気を圧縮して圧縮空気を生成するとともに、得られた圧縮空気を貯蔵手段に貯蔵しておく外気貯蔵過程と、
   前記貯蔵手段内の圧縮空気を放出するとともに、放出された空気を使用して前記空調対象空間に供給すべき調和空気を生成する調和空気生成過程とを備える空調方法であって、
   空調対象空間に調和空気を供給する空調ユニットを停止している時間帯に前記外気貯蔵過程を行い、前記空調ユニットを稼働させている時間帯に前記調和空気生成過程を行うことを特徴とする空調方法。

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