JP2013231556A - 空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】省エネ性に優れた簡易な構造の、空調システムを提供すること。
【解決手段】空調システム１は、被空調空間２の空調を行う空調システム１であって、気体を分岐させる主還気ダクトＬ２と、気体の全熱交換を行う全熱交換器１０と、気体の冷却を行う冷却コイル１２と、気体の顕熱交換を行う顕熱交換器１１とを備え、被空調空間２から取得された還気を、主還気ダクトＬ２を介して主還気と排気とに分岐し、排気と外部から取得した外気とを全熱交換器１０にて全熱交換し、排気を外排気として外部に排出すると共に、外気を外吸気とし、主還気と外吸気とを混合して混合給気とし、混合給気を冷却手段にて冷却して冷却給気とし、冷却給気と主還気とを顕熱交換器１１にて顕熱交換し、冷却給気を給気として被空調空間２に向けて供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空調システムに関する。

近年、被空調空間に対する空調を行うシステムとしてアンダーフロア空調システムが幅広く利用されている。このアンダーフロア空調システムは、全熱交換機を備え、天井の還気口から取得した還気を、全熱交換機で全熱交換した後、床下の吹出口から、被空調空間に給気するものである。このアンダーフロア空調システムでは、床下の吹出口から給気するものであるため、ＯＡ機器により近い場所から冷風を供給することができる。また、全熱交換機により顕熱交換を行うので、ＯＡ機器からの顕熱を処理することに適している。これらのことから、アンダーフロア空調システムは、ＯＡ機器が多数設置されるオフィス空間等に対して有効な空調システムであると言える。

一方、アンダーフロア空調システムにおいては、全熱交換機による潜熱処理能力には限界があるため、潜熱負荷の大きい空間に対しては一般的に採用できない。このため、アンダーフロア空調システムを潜熱負荷の大きい空間に対して設置することを考えた場合は、潜熱に対する処理能力を増加させる必要がある。具体的には、給気を被空調空間に対して送風する前段階において、所定の冷却コイルなどを用いて一旦給気の過冷却を行うことで給気を除湿し、潜熱負荷を低減させる必要がある。

しかし、このように潜熱処理のために過冷却した給気をそのままの状態で被空調空間に供給してしまうと、上述した通りアンダーフロア空調システムは天井ではなく床下に吹出口を備える空調システムであるため、足元に当たる冷風により被空調空間内の人間に不快感を与えてしまう。そこで、このような問題を解決するために、除湿のために一旦過冷却した給気を加熱器により再加熱することで、送風温度を人間が不快に感じない温度（例えば１８℃以上の温度）になるように調節することを特徴する空調システムが考案されている。

このような加熱器を備える空調システムとして、例えば、特許文献１には、恒温恒湿室用の空調装置が開示されている。この特許文献１に記載の従来の空調装置は、冷凍機の冷却コイルで気体を冷却して除湿した後に、電気ヒータよりなる加熱コイルで当該気体を加熱して被空調空間に給気する空調装置である。

特開２００３−１３０３９９号公報

しかし、上記特許文献１に記載の従来の空調装置では、過冷却した給気を再熱するための装置として加熱コイルを設置することが不可欠であり、加熱コイルに気体を循環させるための送風量も大きくなることから、空調装置全体として省エネ性が低下してしまう。また、このように加熱コイル等が必要になるため、空調装置が複雑な構造で大型化してしまうといった欠点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、省エネ性に優れた、簡易な構造で小型化することが可能になる、空調システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の空調システムは、被空調空間の空調を行う空調システムであって、気体の全熱交換を行う全熱交換手段と、気体の顕熱交換を行う顕熱交換手段と、気体の冷却を行う冷却手段と、気体を分岐させるバイパス手段とを備え、前記被空調空間から取得された還気を、前記バイパス手段を介して主還気と排気とに分岐し、前記排気と外部から取得した外気とを前記全熱交換手段にて全熱交換し、前記排気を外排気として外部に排出すると共に、前記外気を外吸気とし、前記主還気と前記外吸気とを混合して混合給気とし、前記混合給気を前記冷却手段にて冷却して冷却給気とし、前記冷却給気と前記主還気とを前記顕熱交換手段にて顕熱交換し、前記冷却給気を給気として前記被空調空間に向けて供給する。

また、請求項２に記載の空調システムは、請求項１に記載の空調システムにおいて、前記バイパス手段は、前記被空調空間の天井面に設けられた還気口から取得された還気を主還気と排気とに分岐し、前記顕熱交換手段は、前記被空調空間の床面に設けられた給気口に向けて給気を供給する。

また、請求項３に記載の空調システムは、請求項１又は２のいずれか一項に記載の空調システムにおいて、被空調空間に供給される際の前記給気の温度を１８℃以上とする。

請求項１に記載の空調システムによれば、冷却手段により冷却した空気を顕熱交換により再熱することが可能であるため、従来のような加熱コイルが不要になると共に従来に比べて送風量も小さくできることから、空調システムの省エネ性が向上すると共に、空調システムを簡易な構造で小型化することが可能になる。

請求項２に記載の空調システムによれば、潜熱負荷の大きい被空調空間に対してもアンダーフロア空調が可能である。

請求項３に記載の空調システムによれば、被空調空間に滞在する人間が不快に感じない温度の空気を被空調空間に対して供給することが可能である。

本発明の実施の形態に係る空調システムを概念的に示すブロック図である。 本発明の実施例の結果を示す湿り空気線図である。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る空調システムの実施の形態を詳細に説明する。まず、〔Ｉ〕実施の形態の基本的概念を説明した後、〔II〕実施の形態の具体的内容について説明し、〔III〕最後に、実施の形態に対する変形例について説明する。ただし、実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

〔Ｉ〕実施の形態の基本的概念
まず、実施の形態の基本的概念について説明する。本実施の形態に係る空調システムは、被空調空間に対して空調を行う空調システムであり、全熱交換と顕熱交換を行う空調システムである。ここで、「空調システム」とは、被空調空間に対して空調を行うシステムの事であり、特に、本実施の形態では、空調システムがアンダーフロア空調システムである場合について説明する。「被空調空間」とは、空調システムが空調を行う対象となる空間のことであり、空調システムにより還気及び給気の交換が行われる空間のことである。

〔II〕実施の形態の具体的内容
次に、本発明に係る実施の形態の具体的内容について説明する。

（構成）
最初に、本実施の形態に係る空調システム１の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る空調システム１を概念的に示すブロック図である。この図１に示すように、本実施の形態に係る空調システム１は、概略的に、全熱交換器１０、顕熱交換器１１、冷却コイル１２、主還気ダクトＬ２、給気口１３、還気口１４、排気口１５、外気口１６、還気ファン１７、給気ファン１８、各種センサー（温度センサーＴ１〜Ｔ３、湿度センサーＨ１〜Ｈ３、ＣＯ２センサーＣ１）、及び自動制御装置１９を備えて構成され、各構成要素はダクトＬ１からＬ９によって図１のように接続されている。なお、給気口１３と還気口１４は被空調空間２に連通するように形成され、排気口１５と外気口１６は外部空間３に連通するように形成されている。図１では、図示の便宜上、これら被空調空間２や外部空間３は、空調システム１に隣接する空間として示しているが、実際には、空調システム１から離れた位置であってもよい。また、被空調空間２に対する給気口１３や還気口１４の位置は、実際には図１とは異なる位置（床面や天井面）であるが、この点については後述する。

このような構成において、まず各構成要素について説明し、最後に空調システム１の全体的な流れについて説明する。なお、各構成要素は特記する場合を除き公知の構成を採用することが可能であるため、その詳細な説明を省略する。また、図１の各部における空間や気体を以下のような名称で説明する。すなわち、空調システム１と外排気及び外気の交換が行われる空間を「外部空間３」、ダクトＬ１を通風する空気を「還気」、ダクトＬ２を通風する空気を「主還気」、ダクトＬ９を通風する空気を「排気」、ダクトＬ８を通風する空気を「外排気」、ダクトＬ７を通風する空気を「外気」、ダクトＬ３を通風する空気を「外吸気」、ダクトＬ４を通風する空気を「混合給気」、ダクトＬ５を通風する空気を「冷却給気」、ダクトＬ６を通風する空気を「給気」、とそれぞれ称する。

（構成−全熱交換器）
全熱交換器１０は、気体の全熱交換を行う全熱交換手段であり、排気と外気との間で温度及び湿度を交換させる手段である。この全熱交換器１０に導入された排気は、外排気として排気口１５から外部空間３に排出され、全熱交換器１０に導入された外気は、外吸気として冷却コイル１２に導入される。

（構成−顕熱交換器）
顕熱交換器１１は、気体の顕熱交換を行う顕熱交換手段であり、主還気と冷却給気の温度を交換する手段である。このように、冷却給気を顕熱交換器１１により顕熱交換することで、加熱器により冷却給気を加熱する工程を省略することが可能であり、このことにより、空調システム１の構成を簡素化することが可能である。また、冷却給気との顕熱交換により温度が下げられた主還気を外吸気と混合させることで、顕熱交換器１１を設けない従来の空調システム１と比べて、冷却コイル１２に供給される空気（本実施の形態においては、混合給気）の温度を低くすることが可能である。このことによって、冷却コイル１２の必要冷房能力を低減させることが可能であり、省エネ性の向上が図れる。

（構成−冷却コイル）
冷却コイル１２は、気体の冷却を行う冷却手段であり、外吸気と主還気が混合された気体である混合給気の冷却を行い、冷却した混合給気を冷却給気として排出する手段である。この冷却コイル１２は、例えば、混合給気が通るダクト内に混合給気と接するように設けられ、冷却コイルに冷水を通過させることで、ダクトの内部の混合給気と冷水との相互間で熱交換を行わせ、混合給気の冷却を行う。また、熱交換を終えて冷却コイルから冷水を排水させる還り管１２ａには、冷水の排水量を調節するための二方弁１２ｂが設けられ、この二方弁１２ｂを自動制御装置１９により制御することで、冷却コイル１２から排出される冷却給気の温度が調整される。

（構成−主還気ダクト）
主還気ダクトＬ２は、気体を分岐させるバイパス手段であり、被空調空間２から還気口１４を介して取り入れられる還気を、主還気と排気とに分岐させる手段である。この主還気ダクトＬ２は、例えばその他のダクトと同様な中空円筒形状のダクトとして形成され、その管路中に顕熱交換器１１が取り付けられている。なお、主還気ダクトＬ２における顕熱交換器１１よりもダクトＬ９に近い位置には、モータダンパーＭＤ１が取り付けられている。そして、このモータダンパーＭＤ１の開度を自動制御装置１９により調整することによって、主還気を通風する空気量を変動させ、排気と主還気との空気量の比率を調整することが可能である。なお、この主還気ダクトＬ２は、その他のダクトＬ１、Ｌ３〜Ｌ９と特に区別する必要の無いときは単にダクトと称する。

（構成−給気口）
給気口１３は、給気を被空調空間２に送り出すための吹出口であり、被空調空間２の床面に複数設置される。

（構成−還気口）
還気口１４は、被空調空間２の空気を還気として空調システム１に取り入れるための吸込口であり、被空調空間２の天井面に複数設置される。このように、被空調空間２の床面に給気口１３、天井面に還気口１４を設けることで、給気口１３から送風された給気が、被空調空間２の内部に配置されたＯＡ機器等により温められて上昇し、上昇した空気が天井面に設置された還気口１４に還気として吸い込まれる。

（構成−排気口）
排気口１５は、外排気を外部空間３に排出するための吹出口であり、外部空間３に連通するように、例えば、空調システム１が配置された建屋の外壁等に形成されている。

（構成−外気口）
外気口１６は、外気を空調システム１に取り入れるための吸込口であり、外部空間３に連通するように、例えば、空調システム１が配置された建屋の外壁等に形成されている。なお、排気口１５から排出された外排気が外気口１６に吸い込まれることを防ぐためにも、外気口１６と排気口１５はある程度距離をおいて設置することが望ましい。

（構成−還気ファン）
還気ファン１７は、還気を空調システム１に取り入れ、外部空間３に対して送り出す送風手段である。この還気ファン１７には公知の風量制御装置ＩＮＶ１が取り付けられており、この風量制御装置ＩＮＶ１を自動制御装置１９により制御することで、還気ファン１７が空調システム１に取り入れる還気の風量を調整することが可能である。

（構成−給気ファン）
給気ファン１８は、外気を空調システム１に取り入れ、給気を被空調空間２に対して送り出す送風手段である。この給気ファン１８には公知の風量制御装置ＩＮＶ２が取り付けられており、この風量制御装置ＩＮＶ２を自動制御装置１９により制御することで、給気ファン１８が被空調空間２に対して送り出す給気の風量を調整することが可能である。

（構成−各種センサー）
図１に示すように、この空調システム１には温度センサーＴ１〜Ｔ３、湿度センサーＨ１〜Ｈ３、及びＣＯ２センサーＣ１が図１に示す位置に取り付けられており、それぞれダクト内部を通風する空気の温度、湿度、及びＣＯ２濃度を計測するものである。これらのセンサーはいずれも計測結果を自動制御装置１９に出力するものであり、その結果をもとに自動制御装置１９が各装置を自動制御することで空調システム１の全体の制御が行われる。

（構成−自動制御装置）
自動制御装置１９は、空調システム１を構成する各種センサーから取得したデータを基に各装置を自動制御する自動制御手段である。この自動制御装置１９は、公知の空調制御装置と同様に構成することができ、例えば、空調制御プログラムや各種のパラメータを記憶するための記憶手段と、この空調制御プログラムを実行するための制御手段とを備えて構成されている。

以下、自動制御装置１９が行う制御について説明する。自動制御装置１９は、温度センサーＴ１にて計測された計測温度が設定温度と等しくなるように、風量制御装置ＩＮＶ１及び風量制御装置ＩＮＶ２を制御して還気ファン１７及び給気ファン１８の送風量を調整する。

また、自動制御装置１９は、温度センサーＴ２にて計測された計測温度が設定温度と等しくなるように、二方弁１２ｂの開度を調整して冷却コイル１２に供給される冷水の水量を調整する。なお、この際に自動制御装置１９は、温度センサーＴ３にて計測された計測温度が、人間が不快に感じる温度（例えば１８℃未満の温度）とならないように、二方弁１２ｂの開度を調整する。

また、自動制御装置１９は、ＣＯ２センサーＣ１にて計測された還気のＣＯ２濃度に基づき、モータダンパーＭＤ２及びモータダンパーＭＤ３の開度の調整を行う。例えば、還気のＣＯ２濃度が高い場合は、被空調空間２の空気が汚れていると判断し、より外気を多く取り入れるために、モータダンパーＭＤ２及びモータダンパーＭＤ３の開度を大きくする。ここで、前述した通り、温度センサーＴ１にて計測された計測温度に基づいて還気ファン１７の送風量が決定され、ＣＯ２センサーＣ１にて計測された還気のＣＯ２濃度に基づいてモータダンパーＭＤ２の開度が決定されるため、モータダンパーＭＤ２を通過する風量が決定する。そして、自動制御装置１９は、還気ファン１７から送風される空気のうちモータダンパーＭＤ２を通過しない空気がモータダンパーＭＤ１を通過するように、モータダンパーＭＤ１の開度を調整する。これにより、被空調空間２の空気の汚れに応じて外気の供給量を変動させることが可能となる。

なお、ダクトＬ５には、図示しない加湿装置が設けられており、暖房時には当該加湿装置を制御するために湿度センサーＨ１、湿度センサーＨ２、及び湿度センサーＨ３を用いるが、本願では冷房時について特化して説明することとし、暖房時における自動制御装置１９の説明を省略することとする。

（処理）
続いて、本実施の形態に係る空調システム１が行う空調処理について説明する。還気が還気口１４を介して空調システム１の内部に取り入れられると、還気が全熱交換器１０へ向かう排気と、顕熱交換器１１へ向かう主還気とに分離される。このうち、排気は、全熱交換器１０により、外気口１６から取り入れられた外気と全熱交換され、外排気として排気口１５を介して外部空間３に排出される。排気と全熱交換された外気は、外吸気として冷却コイル１２に導入される。一方、主還気は、顕熱交換器１１により冷却給気と顕熱交換された後、外吸気と混合され、混合給気として冷却コイル１２に供給される。そして冷却給気は、顕熱交換器１１により主還気と顕熱交換され、給気として給気口１３を介して被空調空間２に供給される。被空調空間２に供給された給気は被空調空間２の内部を通った後、還気として還気口１４を介して空調システム１の内部に取り入れられる。以上のサイクルが繰り返されることにより、被空調空間２に対する空調管理が行われることとなる。

本実施の形態に係る空調システム１によれば、冷却コイル１２により冷却した空気を顕熱交換により再熱することが可能であるため、省エネ性に優れた空調システム１を提供することが可能である。また、潜熱負荷の大きい被空調空間２に対してもアンダーフロア空調が可能である。また、被空調空間２に滞在する人間が不快に感じない温度の空気を被空調空間２に対して供給することが可能である。

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。この実施例では、本実施形態に係る空調システム１のダクトＬ１〜Ｌ７における空気の乾球温度及び相対湿度を計測した。また、この際に、本実施の形態の空調システム１におけるダクトＬ４における空気の温度及び湿度と、顕熱交換器１１を備えていない従来の空調システムにおけるダクトＬ４における空気の温度及び湿度とを比較することにより、本実施形態に係る空調システム１が従来の空調システムと比較してどれ程の省エネ性を有するかを調査した。なお、従来の空調システムは、顕熱交換器１１を備えていないこと以外の点において、本実施形態に係る空調システム１と同一の構成であるものとする。

図２はその際の結果を示す湿り空気線図である。図２におけるＰ４ｂは本実施の形態に係る空調システム１のダクトＬ４の地点の測定結果であり、Ｐ４ａは従来の空調システムのダクトＬ４の地点の測定結果である。なお、その他のＰ１からＰ７に関しては、図１におけるダクトＬ１からＬ７に対応し、それぞれの地点における測定結果をプロットしたものである。

まず、従来の空調システムにおける冷却コイル１２の必要冷房能力は、Ｐ４ａにおけるエンタルピーとＰ５におけるエンタルピーの差に、再熱分を加えた値で表現できる。したがって、従来の空調システムにおける冷却コイル１２の必要冷房能力は、（５９．０ｋｊ／ｋｇ−３７．０ｋｊ／ｋｇ）＋４．０ｋｊ／ｋｇ＝２６．０ｋｊ／ｋｇである。

一方、本実施の形態に係る空調システム１における冷却コイル１２の必要冷房能力は、Ｐ４ｂにおけるエンタルピーとＰ５におけるエンタルピーの差で表現できる。したがって、本実施の形態に係る空調システム１における冷却コイル１２の必要冷房能力は、５５．０ｋｊ／ｋｇ−３７．０ｋｊ／ｋｇ＝１８．０ｋｊ／ｋｇである。

ここで、従来の空調システムに対する本実施の形態に係る空調システム１の省エネ率は、（１−ｂ／ａ）×１００で表現できる（ここで、ａは従来の空調システムにおける冷却コイル１２の必要冷房能力、ｂは本実施の形態に係る空調システム１における冷却コイル１２の必要冷房能力）。したがって、上記数値例に基づいて、従来の空調システムに対する本実施の形態に係る空調システム１の省エネ率は、（１−１８．０／２６．０）×１００＝約３１％であり、本実施の形態に係る空調システム１の構成を採用することにより省エネ効果が期待できることが明らかとなった。

〔III〕実施の形態に対する変形例
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明の具体的な構成及び手段は、特許請求の範囲に記載した各発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。以下、このような変形例について説明する。

（解決しようとする課題や発明の効果について）
まず、発明が解決しようとする課題や発明の効果は、前記した内容に限定されるものではなく、本発明によって、前記に記載されていない課題を解決したり、前記に記載されていない効果を奏することもでき、また、記載されている課題の一部のみを解決したり、記載されている効果の一部のみを奏することがある。例えば、少なくとも、省エネ効果が従来と同程度に留まる場合であっても、従来と異なるシステムによって空調を達成できている場合には、本発明の課題は解決されている。

（寸法や材料について）
発明の詳細な説明や図面で説明した空調システム１の各部の寸法、形状、比率等は、あくまで例示であり、その他の任意の寸法、形状、比率等とすることができる。

１ 空調システム
２ 被空調空間
３ 外部空間
１０ 全熱交換器
１１ 顕熱交換器
１２ 冷却コイル
１２ａ 還り管
１２ｂ 二方弁
Ｌ２ 主還気ダクト
１３ 給気口
１４ 還気口
１５ 排気口
１６ 外気口
１７ 還気ファン
１８ 給気ファン
Ｌ１〜Ｌ９ ダクト
１９ 自動制御装置
Ｔ１〜Ｔ３ 温度センサー
Ｈ１〜Ｈ３ 湿度センサー
Ｃ１ ＣＯ２センサー
ＭＤ１〜ＭＤ３ モータダンパー
ＩＮＶ１、ＩＮＶ２ 風量制御装置

Claims (3)

1. 被空調空間の空調を行う空調システムであって、
   気体の全熱交換を行う全熱交換手段と、
   気体の顕熱交換を行う顕熱交換手段と、
   気体の冷却を行う冷却手段と、
   気体を分岐させるバイパス手段とを備え、
   前記被空調空間から取得された還気を、前記バイパス手段を介して主還気と排気とに分岐し、
   前記排気と外部から取得した外気とを前記全熱交換手段にて全熱交換し、前記排気を外排気として外部に排出すると共に、前記外気を外吸気とし、
   前記主還気と前記外吸気とを混合して混合給気とし、
   前記混合給気を前記冷却手段にて冷却して冷却給気とし、
   前記冷却給気と前記主還気とを前記顕熱交換手段にて顕熱交換し、前記冷却給気を給気として前記被空調空間に向けて供給する、
   空調システム。
2. 前記バイパス手段は、前記被空調空間の天井面に設けられた還気口から取得された還気を主還気と排気とに分岐し、
   前記顕熱交換手段は、前記被空調空間の床面に設けられた給気口に向けて給気を供給する、
   請求項１に記載の空調システム。
3. 被空調空間に供給される際の前記給気の温度を１８℃以上とする、
   請求項１又は２に記載の空調システム。

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