JP2010085010A - 空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率が高く、且つ、空調負荷部に汚れた冷却水が流れることのない空調システムを提供する。
【解決手段】空調システム１０は、蒸発器４４及び凝縮器４２を有する冷凍機４０と、コイル２２、散水管２４及び集水部２６を有する冷却塔２０と、集水部２６、凝縮器４２及び散水管２４に冷却水を循環させる配管ｅ、ｆと、集水部２６及び散水管２４に冷却水を循環させる配管ｅ、ｆ、ｇと、蒸発器４４及び空調機６０に冷水を循環させる配管ａ、ｂと、コイル２２及び空調機６０に冷水を循環させる配管ａ、ｂ、ｃ、ｄと、冷却水の流路を切り替える開閉弁７５、７６と、冷水の流路を切り替える開閉弁７３、７４と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は空調システムに係り、特に、クリーンルームやビル空調などの空調システムに関する。

クリーンルームやビル設備では一年を通じて冷房運転が行われる。このため、これらの設備の空調システムでは省エネが重要な課題であり、近年ではフリークーリングが実施されている（特許文献１参照）。

フリークーリングとは、夏期に冷凍機を冷熱源とする一方で、冬期は冷凍機を使用せずに、冷却塔を冷熱源とするシステムである。このシステムによれば、冬期に冷凍機を稼働せずに冷却が行えるので、大きな省エネ効果を期待することができる。

このような空調システムでは、冷却塔として、開放式と密閉式のいずれも使用することができる。密閉式の冷却塔は、冷却水が循環する熱交換器（コイル）を塔内に配置するとともに、その熱交換器の外側に散水を行うことによって、熱交換器内の冷水を散水の蒸発作用で冷却するものである。この密閉式の冷却塔は、冷却水が外部に曝されず、汚れにくいので、冷却水を空調負荷部（たとえば空調機）に直接供給することができる。しかし、密閉式の冷却塔は、散水の蒸発熱によって冷却水を間接的に冷却するので、冷却効率が低い。

一方、開放式の冷却塔は、塔の上部より冷却水を散水し、大気と接触させて蒸発させることによって、冷却水を冷却するものである。開放式の冷却塔は、冷却水そのものを直接的に蒸発させるので、冷却効率が非常に高い。

通常、空調負荷部に直接供給する冷水用には、冷水の水質が重視されるため、密閉式冷却塔が用いられることが多い。一方、冷凍機の冷却水用には、冷却効率が重視され、開放式冷却塔が用いられることが多い。
特開２００４−１３２６５１号公報

しかしながら、開放式の冷却塔は、冷却水が外気に曝されて汚れてしまったり、冷却水が濃縮されてスケールが発生したりするという欠点がある。このため、冷却水が空調負荷部に供給されることによって、空調負荷部が汚染され、メンテナンスが必要になるという問題が発生する。

この問題を解消するため、通常は開放式の冷却塔と空調負荷部との間に熱交換器を設けている。すなわち、開放式の冷却塔で冷却した冷却水を熱交換器によって別の冷却水に熱交換させることによって、汚れた冷却水が空調負荷部に直接供給されないようにしている。

しかし、この場合には、熱交換器が別途必要になるという問題や、熱交換器によって冷却効率が低下するという問題が新たに発生する。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、冷却効率が高く、且つ、空調負荷部に汚れた冷却水が流れることのない空調システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、蒸発器及び凝縮器を有する冷凍機と、冷水が内部を流れるコイル、該コイルの外側に冷却水を散水する散水部、及び、前記コイルの下方に設けられて前記冷却水を集水する集水部を有する冷却塔と、前記集水部、前記凝縮器、前記散水部に前記冷却水を循環させるとともに、前記蒸発器、前記空調負荷部に前記冷水を循環させる第１循環ラインと、前記集水部、前記散水部に前記冷却水を循環させるとともに、前記コイル、前記空調負荷部に前記冷水を循環させる第２循環ラインと、前記第１循環ラインと前記第２循環ラインを切り替える切替手段と、を備えることを特徴とする空調システムを提供する。なお、本発明における空調負荷部とは、冷熱を消費する部分であり、たとえば外調機内のコイル、装置冷却用の熱交換器、リターンエアの顕熱処理用コイル等である。

本発明によれば、第１循環ラインと第２循環ラインの一方を選択することができる。第１循環ラインを選択した場合には、冷却塔で冷却された冷却水が冷凍機の凝縮器に供給され、且つ、冷凍器の蒸発器で冷却された冷水が空調負荷部に供給される。これにより、冷凍機を冷熱源とした冷凍機運転が行われる。その際、冷却塔は開放式冷却塔として機能するので、エネルギー効率を向上させることができる。また、空調負荷部には、外気に曝されない冷水が流れるので、空調負荷部が汚染されることを防止できる。

一方、第２循環ラインを選択した場合は、冷却塔内に冷却水が散水され、この散水によって冷却されたコイル内の冷水が空調負荷部に供給される。これにより、冷却塔を冷熱源としたフリークーリング運転が行われる。その際、冷却塔は密閉式冷却塔として機能し、空調負荷部には、外気に曝されない冷水が流れるので、空調負荷部が汚染されることを防止することができる。

このように本発明によれば、冷凍機運転時には開放式冷却塔として機能するので、冷凍機における冷却効率を高めることができ、省エネ化を図ることができる。また、フリークーリング運転時には密閉式冷却塔として機能するので、汚れた冷却水が空調負荷部に流れることを防止することができる。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、外気湿球温度を測定するセンサと、前記センサの測定値に基づいて、前記切替手段及び前記冷凍機を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、外気湿球温度に応じて自動的に、冷凍機運転とフリークーリング運転とを切り替えることができる。すなわち、外気温度の高い夏期には第１循環ラインを選択し、且つ、冷凍機を稼働させる。これにより、冷凍機を冷熱源とした冷凍機運転を行うことができる。また、外気温度の低い冬期には、第２循環ラインを選択し、冷凍機を停止させる。これにより、冷却塔を冷熱源としたフリークーリング運転を行うことができる。

本発明によれば、冷凍機運転時に開放式冷却塔として機能する一方で、フリークーリング運転時に密閉式冷却塔として機能するので、空調負荷部には、外気に曝されない冷水が常に供給され、空調負荷部の汚染を防止できるとともに、冷却効率を高めて省エネ化を図ることができる。

以下、添付図面に従って本発明に係る空調システムの実施の形態について詳説する。

図１に本発明が適用された空調システムの構成を模式的に示すシステム図である。同図に示す空調システム１０は主として、冷却塔２０、冷凍機４０、空調機６０（空調負荷部に相当）で構成される。なお、本実施の形態では、空調負荷部として、クリーンルーム設備に空調エアを給気する空調機６０の例で説明するが、空調負荷部の構成はこれに限定されるものではなく、たとえば、装置冷却用の熱交換器や、クリーンルーム設備内のリターンエアから顕熱を除去するコイル等、様々な態様が可能である。

まず、各構成部（冷却塔２０、冷凍機４０、空調機６０）の詳細について説明する。以下の説明において、冷却塔２０内で外気に曝される水を冷却水と称し、外気に曝されない水を冷水と称す。

冷却塔２０の内部には、コイル２２が設けられており、このコイル２２の内部を冷水が流れるようになっている。コイル２２の上方には散水管２４が設けられ、この散水管２４から冷却水が散水される。散水された冷却水は、コイル２２の下方の集水部２６によって集水される。

また、冷却塔２０の上部にはファン２８が設けられ、上面には排気口（不図示）が形成される。また、冷却塔２０の側面には吸込口（不図示）が形成される。したがって、ファン２８を駆動することによって、側面の吸込口から外気が吸い込まれ、その外気が冷却塔２０の内部に上昇気流を形成した後、上端の排気口から排気される。これにより、散水管２４から散水された冷却水が外気の上昇気流に接触し、冷却水が蒸発されて冷却される。なお、符号３０は充填材であり、必要に応じて適宜設けられる。

冷凍機４０は主として、冷媒の循環路５０と、この循環路５０上に配設された凝縮器４２、蒸発器４４、圧縮機４６、膨張弁４８とで構成され、圧縮機４６を稼働することによって冷媒が循環される。これにより、冷媒は凝縮器４２で冷却水に冷却されて凝縮し、膨張弁４８で膨張した後、蒸発器４４で冷水から熱を奪って蒸発し、圧縮機４６で圧縮されて再び凝縮器４２に流入する。この冷凍サイクルによって、蒸発器４４に供給された冷水が冷却される。

圧縮機４６は、後述の制御装置８０に接続されており、制御装置８０によって圧縮機４６の回転数が制御される。これにより、循環する冷媒の循環量が制御され、冷却水の温度が調節される。なお、冷凍機４０の構成は特に限定するものではなく、ターボ式や吸収式など様々な構成を採用することができる。

空調機６０は、クリーンルーム等の被空調室（不図示）に空調エアを供給する装置であり、ダクトを介して被空調室に接続されている。空調機６０の内部には、冷却コイル６２、ファン６４、湿度調節器６６が設けられ、ファン６４を駆動することによって、外気や被空調室からの循環エアが内部に吸い込まれる。冷却コイル６２の内部には、冷水が流れるようになっており、これによって冷却コイル６２の外部を通過するエアが冷却される。冷却されたエアは湿度調節器６６によって湿度が調節され、被空調室に給気される。

次に、上述した各構成部を接続する冷水循環ライン、冷却水循環ラインについて説明する。

空調機６０の冷却コイル６２は、配管ａ、ｂを介して蒸発器４４に接続され、配管ａにはポンプ７０が配設される。このポンプ７２を駆動することによって、冷水が冷却コイル６２と蒸発器４４との間を循環される。これにより、蒸発器４４、冷却コイル６２の間を冷水が循環する第１の冷水循環ラインが形成される。

また、冷却コイル６２は、配管ａ、ｂから分岐された配管ｃ、ｄを介して冷却塔２０内のコイル２２に接続される。これにより、コイル２２、冷却コイル６２を冷水が循環する第２の冷水循環ラインが形成される。

配管ｃはポンプ７０の下流側で配管ａから分岐されており、分岐部分よりも下流側の配管ａと配管ｃにはそれぞれ開閉弁７３、７４が配設されている。開閉弁７３、７４は、切替手段の一部であり、この開閉弁７３、７４を開閉操作することによって、冷水の流路が第１の冷水循環ラインと第２の冷水循環ラインとで切り替えられる。開閉弁７３、７４は、後述の制御装置８０に接続されており、制御装置８０によって開閉弁７３、７４の開閉操作が行われる。

一方、凝縮器４２は、配管ｅ、ｆを介して冷却塔２０の集水部２６と散水管２４とに接続されている。配管ｅにはポンプ７２が配設されており、このポンプ７２を駆動することによって、冷却水が集水部２６、凝縮器４２、散水管を循環される。これにより、集水部２６、凝縮器４２、散水管２４を冷却水が循環する第１の冷却水循環ラインが形成される。なお、上述した第１の冷水循環ラインと第１の冷却水循環ラインとによって、第１循環ラインが構成される。

また、配管ｅ、ｆにはバイパス用の配管ｇが接続されている。これにより、集水部２６、散水管２４の間を冷却水が循環する第２の冷却水循環ラインが形成される。なお、上述した第２の冷水循環ラインと第２の冷却水循環ラインとによって、第２循環ラインが形成される。

配管ｇは、ポンプ７２の下流側で配管ｅから分岐されており、分岐部分の下流側の配管ｅと配管ｇにはそれぞれ開閉弁７５、７６が設けられている。開閉弁７５、７６は、切替手段の一部であり、この開閉弁７５、７６を開閉操作することによって、冷却水の流路が第１の冷却水循環ラインと第２の冷却水循環ラインとで切り替えられる。開閉弁７５、７６は、後述の制御装置８０に接続されており、制御装置８０によって開閉弁７５、７６の開閉操作が行われる。

ところで、本実施の形態の空調システム１０は、外気の温度を検出する温度センサ８２と、開閉弁７３〜７６及び冷凍機４０（圧縮機３６）を制御する制御装置８０とを備えている。制御装置８０は、温度センサ８２の測定値に基づいて開閉弁７３〜７６と冷凍機４０を制御し、冷凍機４０を冷熱源とした冷凍機運転と、冷却塔２０を冷熱源としたフリークーリング運転とを自動的に切り替える。

以下、空調システム１０の具体的な運転方法について説明する。

外気の温度が閾値よりも高い（夏期の）場合、制御装置８０は、開閉弁７３、７５を開き、開閉弁７４、７６を閉じるとともに、冷凍機４０を稼働するように制御する。開閉弁７３〜７６を上記の如く開閉することによって、第１の冷水循環ラインと第１の冷却水循環ラインとが選択される。すなわち、集水部２６、凝縮器４２、散水管２４が連通されて冷却水が循環されるとともに、冷却コイル６２と蒸発器４４が連通されて冷水が循環される。この状態を図２（ａ）に模式的に示す。

図２（ａ）に示す場合、空調機６０の冷熱源は冷凍機４０であり、冷却塔２０は冷凍機４０で冷媒を冷却する手段として使用される。このような冷凍機運転において、冷却塔２０は開放式冷却塔として機能している。すなわち、冷却塔２０内に散水された冷却水が外気と接触し、蒸発によって冷却される。冷却された冷却水は冷凍機４０の凝縮器４２に供給され、冷媒の凝縮作用に寄与する。そして、冷凍機４０の蒸発器４４で冷媒が蒸発することによって冷水が冷却され、この冷水が空調機６０の冷却コイル６２に供給される。これにより、空調機６０内のエアを冷却することができる。

外気の温度が閾値よりも低い場合、制御装置８０は、開閉弁７４、７６を開き、開閉弁７３、７５を閉じるとともに、冷凍機４０を停止するように制御する。開閉弁７３〜７６を上記の如く開閉することによって、第２の冷水循環ラインと第２の冷却水循環ラインが選択される。すなわち、集水部２６と散水管２４が連通されて冷却水が循環されるとともに、冷却コイル６２とコイル２２が連通されて冷水が循環される。この状態を図２（ｂ）に模式的に示す。

図２（ｂ）に示す場合、空調機６０の冷熱源は冷却塔２０であり、冷凍機４０が稼働しないフリークーリング運転が行われる。このフリークーリング運転において、冷却塔２０は密閉式冷却塔として機能している。すなわち、冷却塔２０内に散水された冷却水がコイル２２の表面に付着し、蒸発することによって、コイル２２内の冷水が冷却される。冷却された冷水は空調機６０の冷却コイル６２に供給される。これにより、空調機６０内のエアを冷却することができる。

図２（ａ）、図２（ｂ）のいずれの場合にも、空調機６０の冷却コイル６２には、外気に曝されない冷水が供給される。したがって、冷却コイル６２が汚れてメンテナンスが頻繁に必要となったり、冷却コイル６２での冷却効率が低下したりすることを防止することができる。また、図２（ａ）に示す冷凍機運転時は、冷却塔２０を開放式冷却塔として使用しているので、冷却効率がよく、空調システム１０全体の省エネ化を図ることができる。

このように本実施の形態の空調システム１０によれば、冷凍機運転時に冷却塔２０を開放式として利用し、フリークーリング運転時に冷却塔２０を密閉式として利用するので、空調機６０が汚染させることを常に防止できるとともに、冷却効率を高めて省エネ化を図ることができる。

なお、上述した実施形態は、制御装置８０が外気温度に基づいて単純切替制御を行ったが、これに限定するものではなく、たとえば外気温度が閾値を下回る日が数日続いた際に切替制御を行うなど、様々な態様が可能である。また、制御装置８０による自動切替だけでなく、作業者による手動切替を行ってもよい。

本発明の空調システムの構成を模式的に示すシステム図 冷凍機運転とフリークーリング運転を説明するシステム図

符号の説明

１０…空調システム、２０…冷却塔、２２…コイル、２４…散水管、２６…集水部、２８…ファン、３０…充填材、４０…冷凍機、４２…凝縮器、４４…蒸発器、４６…圧縮機、４８…膨張弁、５０…循環路、６０…空調機、６２…コイル、６４…ファン、６６…湿度調節器、７０、７２…ポンプ、７３〜７６…開閉弁、ａ〜ｇ…配管

Claims (2)

1. 蒸発器及び凝縮器を有する冷凍機と、
   冷水が内部を流れるコイル、該コイルの外側に冷却水を散水する散水部、及び、前記コイルの下方に設けられて前記冷却水を集水する集水部を有する冷却塔と、
   前記集水部、前記凝縮器、前記散水部に前記冷却水を循環させるとともに、前記蒸発器、前記空調負荷部に前記冷水を循環させる第１循環ラインと、
   前記集水部、前記散水部に前記冷却水を循環させるとともに、前記コイル、前記空調負荷部に前記冷水を循環させる第２循環ラインと、
   前記第１循環ラインと前記第２循環ラインを切り替える切替手段と、
   を備えることを特徴とする空調システム。
2. 外気湿球温度を測定するセンサと、
   前記センサの測定値に基づいて、前記切替手段及び前記冷凍機を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の空調システム。

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