JP2010255969A - 空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ヒートポンプエアコンの排熱を屋外に排出することなく、該排熱を無駄なく利用することのできる新規な空調システムを提供することを目的とする。
【解決手段】温調チャンバに水冷式ヒートポンプ冷房装置と水冷式ヒートポンプ暖房装置とを対にして設け、両装置の水冷式熱交換器をそれぞれタンクに貯留した水に熱的に接続する。本発明によれば、冷暖房装置の排熱がタンク内の水によって回収されるため、空調に伴って発生する排熱エネルギーが屋外に排出されることがなく、さらに、冷房シーズンに回収した温熱エネルギーを暖房シーズンに利用し、暖房シーズンに回収した冷熱エネルギーを冷房シーズンに利用することができるため、シーズンを通じて空調システム全体のＣＯＰを格段に向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプエアコンを使用する空調システムに関し、より詳細には、ヒートポンプエアコンの排熱を屋外に排出することなく、該排熱を無駄なく利用することのできる空調システムに関する。

従来、空調システムとしてヒートポンプエアコンが広く採用されている。特開２００１−２４１８０１号公報（特許文献１）は、圧縮式ヒートポンプエアコンを開示する。特許文献１が開示するように、ヒートポンプエアコンは、屋外と屋内の間を循環する熱媒体について圧縮・膨張を繰り返し、屋内外の空気について熱交換を行なうことによって、屋内の冷暖房を実現する。

しかしながら、従来のヒートポンプエアコンを使用する空調システムにおいては、冷房運転の際に屋外に排出される排熱が、大都市圏におけるヒートアイランド現象の原因として問題視されていた。一方、熱エネルギーの観点からこの現象を捉えれば、ヒートポンプエアコンは、冷房運転の際に、電気エネルギーを消費して生成した温熱エネルギーを無駄に屋外に排出しているということになる。同じことが、暖房運転にも当てはまる。すなわち、ヒートポンプエアコンは、暖房運転の際には、電気エネルギーを消費して生成した冷熱エネルギーを無駄に屋外に排出しているのと同然である。

特開２００１−２４１８０１号公報

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、ヒートポンプエアコンの排熱を屋外に排出することなく、該排熱を無駄なく利用することのできる新規な空調システムを提供することを目的とする。

本発明者は、ヒートポンプエアコンの排熱を屋外に排出することなく、システム内で無駄なく利用することのできる新規な空調システムにつき鋭意検討した結果、排熱エネルギーを屋外の排出することなく専用に用意されたタンク内の水に回収し、さらに、冷房シーズンに回収した温熱エネルギーを暖房シーズンに利用し、暖房シーズンに回収した冷熱エネルギーを冷房シーズンに利用することによって、シーズンを通じて空調システム全体のＣＯＰを格段に向上させることができることを見出し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、水冷式ヒートポンプ冷房装置と水冷式ヒートポンプ暖房装置とを備える温調チャンバと、内部に水を貯留するタンクとを含み、前記水冷式ヒートポンプ冷房装置の水冷式熱交換器および前記水冷式ヒートポンプ暖房装置の水冷式熱交換器が、前記タンク内に貯留される前記水と熱的に接続される空調システムが提供される。本発明においては、前記タンク内に貯留される前記水によって、前記水冷式ヒートポンプ冷房装置の排熱および前記水冷式ヒートポンプ暖房装置の排熱を回収することができる。また、本発明においては、前記水冷式ヒートポンプ冷房装置および前記水冷式ヒートポンプ暖房装置を同時に運転することによって再熱除湿を行うことができる。また、本発明においては、前記水冷式ヒートポンプ冷房装置および前記水冷式ヒートポンプ暖房装置の運転を、空調対象空間の室温に応じてインバータ制御することが好ましい。さらに、本発明においては、前記水冷式ヒートポンプ冷房装置の前記水冷式熱交換器は、第２の水冷式熱交換器を介して前記タンク内に貯留される前記水と熱的に接続することができ、前記タンク内に貯留される前記水の温度が閾値を越えた場合に、前記第２の水冷式熱交換器によって前記水冷式ヒートポンプ冷房装置の排熱を回収することができ、前記第２の水冷式熱交換器を、空調対象空間に設置される加湿器に熱的に接続することができる。さらに加えて、本発明においては、前記タンクを、水冷ヒートポンプ装置の２次側に熱的に接続することができ、前記タンク内に貯留される前記水の温度が閾値を下回った場合に、前記水冷ヒートポンプ装置を稼働させて前記タンク内に貯留される前記水を加温することができる。

上述したように、本発明によれば、ヒートポンプエアコンの排熱を屋外に排出することなく、該排熱を無駄なく利用することのできる新規な空調システムが提供される。

第１の実施形態の空調システムを示す図。 第２の実施形態の空調システムを示す図。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態である空調システム１００を示す。空調システム１００は、概ね、屋外から取り込んだ外気を所望の温度に調節するための温調チャンバ１０と、熱媒としての水を貯留するための容器であるクッションタンク１２とを含んで構成される。本実施形態においては、温調チャンバ１０は、ミキシングチャンバ１４を介して外気吸入口１６と接続されており、外気吸入口１６から吸入された空気は、ミキシングチャンバ１４を通って温調チャンバ１０に供給される。また、温調チャンバ１０は、サプライチャンバ１８および給気流路２０を介して空調対象である空間２２の天井に臨んで設けられる給気口２３と接続されており、温調チャンバ１０内で設定温度に調節された空気は、給気流路２０を通って給気口２３から空間２２に給気される。

また、本実施形態においては、空調システム１００全体の熱効率を向上させるべく、空間２２の天井に臨んで設けた排気口２６から空間２２内の空気を回収し、還気流路２４およびミキシングチャンバ１４を経て、再び、温調チャンバ１０に戻すことができるように構成されている。さらに図１に示す例においては、空間２２の天井裏がレタンチャンバ２７として形成されており、天井に配置される照明器具等から発生する熱を回収することができるように構成されている。

なお、還気モードにおいては、空調システム１００は、空間２２内に設置されたＣＯ_２センサ３０を監視し、空間２２内のＣＯ_２濃度が所定の閾値を超えないように、電動ダンパ３２を駆動制御するように構成されており、電動ダンパ３２が駆動制御されることによって、還気および外気のミキシングチャンバ１４への導入量が調節されるように構成されている。なお、上述した還気モードの構成は任意で設けられるものであり、例えば、空間２２が手術室の場合には、還気流路２４を設けずに空間２２内を正圧に保ち、汚染した空気の侵入を防止することが好ましい。

次に、空調システム１００における温調チャンバ１０およびクッションタンク１２について、さらに詳細に説明する。本実施形態における温調チャンバ１０は、水冷式のヒートポンプ冷房装置４０および水冷式のヒートポンプ暖房装置５０を1組として備えており、ヒートポンプ冷房装置４０は冷房時に、ヒートポンプ暖房装置５０は暖房時にそれぞれ排他的に運転される。

冷房運転においては、ヒートポンプ冷房装置４０が以下のように作動する。すなわち、ヒートポンプ冷房装置４０内を循環する熱媒は、圧縮機４１によって圧縮されて高温高圧になったのち、水冷式熱交換器４２において放熱して液化する。液化した熱媒は、膨張弁４３を通過後に減圧し、蒸発器４４に導入されて気化する。その際、熱媒は、蒸発器４４を介して温調チャンバ１０に導入された空気から気化熱を奪ってこれを冷却する。冷却された空気は、給気流路２０を通って給気口２３から空間２２に給気される。

一方、ヒートポンプ冷房装置４０の水冷式熱交換器４２は、クッションタンク１２に熱的に接続されており、ヒートポンプ冷房装置４０の運転中、クッションタンク１２に貯留された水は、ポンプ４６によって水冷式熱交換器４２に導入された後、再び、クッションタンク１２に戻るように構成されている。その結果、ヒートポンプ冷房装置４０の排熱（温熱エネルギー）は、当該水を介してクッションタンク１２内に回収される。

一方、暖房運転においては、ヒートポンプ暖房装置５０が以下のように作動する。すなわち、ヒートポンプ暖房装置５０内を循環する熱媒は、圧縮機５１によって圧縮されて高温高圧になったのち、凝縮器５２において放熱して液化する。この放熱によって、温調チャンバ１０に導入された空気が昇温され、昇温された空気は、給気流路２０を通って給気口２３から空間２２に給気される。

一方、ヒートポンプ暖房装置５０の水冷式熱交換器５４は、クッションタンク１２に熱的に接続されており、ヒートポンプ暖房装置５０の運転中、クッションタンク１２に貯留された水は、ポンプ５６によって、水冷式熱交換器５４に導入された後、再び、クッションタンク１２に戻るように構成されている。その結果、凝縮器５２において放熱して液化した熱媒が膨張弁５３を通過後に減圧して気化する際、水冷式熱交換器５４内でクッションタンク１２から導入される水から気化熱を奪って、これを冷却する。その結果、ヒートポンプ暖房装置５０の排熱（冷熱エネルギー）は、当該水を介してクッションタンク１２内に回収される。

なお、本実施形態においては、空間２２に設置した温度センサ６０によって室温を監視し、ヒートポンプ冷房装置４０,５０の運転を、当該室温に応じてインバータ制御することが好ましく、また、ヒートポンプ冷房装置４０,５０の圧縮機４１,５１の運転信号によって、ポンプ４６,５６の運転をインバータ制御することが好ましい。

以上、説明したように、本実施形態の空調システム１００においては、冷暖房時に発生するヒートポンプ冷房装置４０およびヒートポンプ暖房装置５０の排熱（温熱あるいは冷熱）が、熱媒である水を介してクッションタンク１２内に回収される。ここでクッションタンク１２は、断熱材を含んで構成されており外気から熱的に断絶されているため、ヒートポンプ冷房装置４０およびヒートポンプ暖房装置５０の排熱は、空調システム１００の外に漏洩しない。

しかしながら、冷房運転時にヒートポンプ冷房装置４０から排出される温熱エネルギーによって、クッションタンク１２内の水温が高くなりすぎると、水冷式熱交換器４２における熱交換効率が悪化し、ヒートポンプ冷房装置４０のＣＯＰが低下してしまう。同様に、暖房運転時にヒートポンプ暖房装置５０から排出される冷熱エネルギーによって、クッションタンク１２内の水温が低くなりすぎると、同じく水冷式熱交換器５４における熱交換効率が悪化し、ヒートポンプ暖房装置５０のＣＯＰが低下してしまうことになる。

上述した点に鑑み、本実施形態においては、クッションタンク１２に貯留される水の水量を、例えば、以下のように決定することが好ましい。すなわち、冷房運転期間（主に夏期シーズン）における、ヒートポンプ冷房装置４０の排熱（温熱エネルギー）、ならびに、暖房運転期間（主に冬期シーズン）における、ヒートポンプ暖房装置５０の排熱（冷熱エネルギー）を予め試算しておき、（１）温熱ならびに冷熱エネルギーの総量、（２）水の比熱、（３）クッションタンク１２内の水温の閾値、から、クッションタンク１２に貯留する水の量を導出する。ここで、（３）クッションタンク１２内の水温の閾値は、その上限値を夏期シーズンの平均気温とし、下限値を冬期シーズンの平均気温とすることができる。

上述したパラメータに基づいてクッションタンク１２に貯留する水の量を設定すれば、クッションタンク１２内の水温は、冷房運転期間を通して、夏期シーズンの平均気温を超えることがなく、暖房運転期間を通して、冬期シーズンの平均気温を下回ることがない。よって、水の比熱および熱伝導率が空気のそれよりも格段に大きいことから、年間を通して、ヒートポンプ冷房装置４０およびヒートポンプ暖房装置５０のＣＯＰを空冷のヒートポンプエアコンのそれよりも高く維持することが可能になる。なお、上述したクッションタンク１２内の水温の閾値は例示であって、本発明におけるクッションタンク１２の水量は、上記閾値に基づいて決定される量に限定されるものではなく、年間を通して、外気を利用して排熱する空冷ヒートポンプエアコンのＣＯＰと同等以上の値を実現することができるように、適切な熱量計算に基づいてクッションタンク１２の水量を決定すればよい。

上述したように、本実施形態においては、ヒートポンプ冷房装置４０,５０の排熱を空調システム１００の外に放出することなく、クッションタンク１２内の水に回収するため、排熱に起因するヒートアイランド現象が回避される。さらに、本実施形態によれば、結果的に、冷房シーズンに回収された温熱エネルギーが暖房シーズンに利用され、暖房シーズンに回収された冷熱エネルギーが冷房シーズンに利用されることになるため、シーズンを通してみると、空調システム１００のＣＯＰが格段に向上する。

さらに、本実施形態の空調システム１００は、ヒートポンプ冷房装置４０および５０を同時に運転することによって、再熱除湿を行なうことができるように構成されている。再熱除湿モードにおいては、温調チャンバ１０に導入された空気は、ヒートポンプ冷房装置４０によって冷却除湿されたのち、ヒートポンプ暖房装置５０によって再び設定温度まで昇温される。その後、所定の湿度・温度に調整された空気は、給気流路２０を通って給気口２３から空間２２に給気される。再熱除湿モードにおいては、ヒートポンプ冷房装置４０,５０の運転は、空間２２に設置した図示しない湿度センサによってインバータ制御されることが好ましい。再熱除湿モードにおいては、ポンプ４６およびポンプ５６は同時に稼働するため、ヒートポンプ冷房装置４０およびヒートポンプ暖房装置５０のそれぞれから排出される排熱は、水を介してクッションタンク１２内において概ね相殺されるため、クッションタンク１２内の平均水温はほとんど変動しない。

図２は、本発明の第２の実施形態である空調システム２００を示す。なお、図２においては、図１に示した第１の実施形態と共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。本実施形態の空調システム２００は、空調システ１００について説明した構成に加えて、さらに、クッションタンク１２内の水の温度を調節する機構を備える。以下、この点について説明する。

本実施形態の空調システム２００においては、クッションタンク１２からヒートポンプ冷房装置４０の水冷式熱交換器４２は、第２の水冷式熱交換器７０に熱的に接続されており、水冷式熱交換器４２に導入された水は、水冷式熱交換器４２から排出された後、第２の水冷式熱交換器７０を介してクッションタンク１２に戻るように構成されている。一方、クッションタンク１２には、水温センサ７２が設けられており、クッションタンク１２内に貯留される水の温度が監視されている。

空調システム２００は、冷房運転中に水温センサ７２の温度が所定の閾値を超えたことを契機として、電磁弁７４を開放し、第２の水冷式熱交換器７０に水が導入されるように構成されている。第２の水冷式熱交換器７０に水が導入される結果、水冷式熱交換器４２から排出された水の潜熱が第２の水冷式熱交換器７０によって回収されるため、クッションタンク１２内に貯留される水の温度のさらなる上昇が防止される。図２は、純水Ｗが第２の水冷式熱交換器７０に導入されて加温されたのち、空間２２に設置された加湿器７６に導入される態様を例示する。すなわち、当該例においては、ヒートポンプ冷房装置４０から排熱された余剰熱が加湿用の純水の昇温に利用され、加湿器７６の加湿効率を向上させている。なお、第２の水冷式熱交換器７０によって回収された熱の利用方法は、図２に示す態様に限定するものではなく、第２の水冷式熱交換器７０を他の水冷ヒートポンプ装置の1次側に接続することもでき、その他の既存の給湯システムに接続することもできる。

一方、空調システム２００のクッションタンク１２には、水冷ヒートポンプ装置８０の２次側が熱的に接続されている。空調システム２００は、暖房運転中に水温センサ７２の温度が所定の閾値を下回ったことを契機として、水冷ヒートポンプ装置８０を稼働させる。その結果、水冷ヒートポンプ装置８０から発生する熱がクッションタンク１２内に貯留される水に移動し、水温のさらなる低下が防止される。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

以上、説明したように、本発明によれば、ヒートポンプエアコンの排熱を屋外に排出することなく、該排熱を無駄なく利用することのできる新規な空調システムが提供される。本発明の空調システムは、美術館、貴重書籍保管庫、貴重家具保管庫、病院手術室等、温度・湿度の調節がシビアに要求される空間に適用することができる。

１００…空調システム、１０…温調チャンバ、１２…クッションタンク、１４…ミキシングチャンバ、１６…外気吸入口、１８…サプライチャンバ、２０…給気流路、２２…空間、２３…給気口、２４…還気流路、２６…排気口、２７…レタンチャンバ、３０…ＣＯ_２センサ、３２…電動ダンパ、４０…ヒートポンプ冷房装置、４１…圧縮機、４２…水冷式熱交換器、４３…膨張弁、４４…蒸発器、４６…ポンプ、５０…ヒートポンプ暖房装置、５１…圧縮機、５２…凝縮器、５３…膨張弁、５４…水冷式熱交換器、５６…ポンプ、６０…温度センサ、２００…空調システム、７０…第２の水冷式熱交換器、７２…水温センサ、７４…電磁弁、７６…加湿器、８０…水冷ヒートポンプ装置

Claims (7)

1. 水冷式ヒートポンプ冷房装置と水冷式ヒートポンプ暖房装置とを備える温調チャンバと、
   内部に水を貯留するタンクとを含み、
   前記水冷式ヒートポンプ冷房装置の水冷式熱交換器および前記水冷式ヒートポンプ暖房装置の水冷式熱交換器が、前記タンク内に貯留される前記水と熱的に接続される、
   空調システム。
2. 前記タンク内に貯留される前記水によって、前記水冷式ヒートポンプ冷房装置の排熱および前記水冷式ヒートポンプ暖房装置の排熱を回収する、請求項１に記載の空調システム。
3. 前記水冷式ヒートポンプ冷房装置および前記水冷式ヒートポンプ暖房装置を同時に運転することによって再熱除湿を行う、請求項１または２に記載の空調システム。
4. 前記水冷式ヒートポンプ冷房装置および前記水冷式ヒートポンプ暖房装置の運転を、空調対象空間の室温に応じてインバータ制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の空調システム。
5. 前記水冷式ヒートポンプ冷房装置の前記水冷式熱交換器は、第２の水冷式熱交換器を介して前記タンク内に貯留される前記水と熱的に接続されており、前記タンク内に貯留される前記水の温度が閾値を越えた場合に、前記第２の水冷式熱交換器によって前記水冷式ヒートポンプ冷房装置の排熱を回収する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の空調システム。
6. 前記第２の水冷式熱交換器は、空調対象空間に設置される加湿器に熱的に接続される、請求項５に記載の空調システム。
7. 前記タンクは、水冷ヒートポンプ装置の２次側に熱的に接続され、前記タンク内に貯留される前記水の温度が閾値を下回った場合に、前記水冷ヒートポンプ装置を稼働させて前記タンク内に貯留される前記水を加温する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の空調システム。