JP2014048022A - 空気調和システム - Google Patents

Abstract

【課題】外気導入を利用して蓄熱を行い、空気調和に起因するエネルギー消費を低減する蓄熱外気導入システムを有する空気調和システムを提供する。
【解決手段】本発明における空気調和システムは、天井チャンバー１３と天井チャンバーに外気を導入する給気送風機９と天井チャンバー１３の外気を室内へ導入する吹き出し２口と、天井チャンバー１３の空気を排出する排気口４と、天井チャンバーに潜熱蓄熱材１１を設置し、夜間は送風機（給気送風機９、排気送風機１０）の運転で冷たい外気を導入して潜熱蓄熱材１１を冷やすと共に導入した外気を排気口４から排出し、昼間は給気送風機９を運転して暖かい外気を導入して冷えた潜熱蓄熱材１１により冷やされた後、室内へ供給することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、事務所ビル等の空調対象室の天井にビル用マルチエアコンを備える空気調和システムにおいて、天井裏空間あるいは二重床空間をチャンバーとして機能させ、そこに外気導入を行うと共に潜熱蓄熱材を設置し、蓄熱された熱を昼間等に放熱し、熱を取得した外気を空調対象空間に供給する空気調和システムに関する。

従来、建物において電気配線や冷媒配管等を収納する空間である天井裏あるいは二重床空間をチャンバーとして機能させ、空調空気の搬送にダクトを用いず、空調対象室に空調空気を供給する例えば床吹き出し空調システム等が建物において採用されている。

さらにこのようなシステムにおいて、チャンバーとして機能させる空間に潜熱蓄熱材を設け、夜間等の空調対象外の時間帯に蓄熱運転を行い潜熱蓄熱材に蓄熱し、空調対象の時間帯に放熱運転を行うことで、天井面に設けた吹き出し口から空調対象空間に給気するといった例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この効果として、空調負荷の平準化に伴う空調熱源容量の低減と安価な夜間電力の利用によるランニングコスト削減が期待でき、また省エネルギーの観点からも有効である。

また、床スラブとそのスラブの上に設けられる吹き出し口を有するフロアパネルとの間に空気と直接熱交換可能な板状の潜熱蓄熱材をその蓄熱材の間に設けられる吊り下げ穴部を利用した支持体により、吊り下げて利用する床吹き出しの空調システムについても開示されている（例えば特許文献２参照）。

一方、蓄熱媒体においては、人体の快適温度帯で相変化し水や建物躯体に比べて大きな蓄熱容量を有する蓄熱媒体が開発されている（例えば特許文献３参照）。

近年のオフィスビル等の空調では、個別操作性のニーズの高まりや熱源機械室を設けない空調システムとして、空調対象室の天井に室外機と冷媒配管で繋がれた室内機を設けて空調を行うビル用マルチエアコンの採用が多くなっている。

特開２０００−１３０８０３号公報 特開２００９−１２１７３５号公報 特開２００６−３２１９４９号公報

例えば、特許文献２に記載の空調システムにおいては、二重床空間に設置された潜熱蓄熱材と冷風を熱交換させることにより蓄熱を行うため、夜間等の蓄熱運転時に空調熱源機により冷熱を作り出す必要があり、それに起因するエネルギー消費が発生する。

また上記システムにおいては、熱源機械室に蓄熱層のスペースを設ける必要がなくイニシャルコストの低減に有効だが、室内への空気供給系統と蓄熱系統との切り替えが必要になり、空調運転と蓄熱運転の時間帯を分けるので、近年の個別空調のニーズには対応できないといった課題がある。

本発明は、天井裏をチャンバー空間とし、そこに外気を導入する送風機と空気を排出する送風機、天井裏に送り込まれた外気を室内へ導入する吹き出し口と天井裏空間に蓄熱材を設置し、夜間は送風機の運転で冷たい外気を導入して蓄熱材を冷やすと共に導入した外気を排気口から排出し、昼間は送風機を運転して暖かい外気を導入して冷えた蓄熱材により冷やされた後、室内へ供給する空気調和システムにより、空調負荷を低減した外気導入を行う。

また夜間の蓄冷時に外気温よりも室温の方が高い場合は、室内から天井裏へ室内空気を排気する室内排気口と、夜間の蓄冷時において室内排気口から外気導入を行う送風機によって、天井裏へ室内空気を供給するダンパを設け、蓄熱運転時に外気温度より室内空気の温度が低い場合は、その空気により蓄熱材を冷やす。

空調対象空間の温熱環境の調整は、就業者あるいは居住者が行い、外気導入はチャンバーとして機能する天井裏より随時室内へ行われる。

天井裏をチャンバー空間とし、天井裏に外気を導入する送風機と、天井裏の空気を排出する送風機と、天井裏に送り込まれた外気を室内へ導入する吹き出し口と、天井裏に蓄熱材を設置し、夜間は送風機の運転で冷たい外気を導入して蓄熱材を冷やすと共に導入した外気を排気口から排出し、昼間は送風機を運転して暖かい外気を導入して冷えた蓄熱材により冷やされた後、室内へ供給することにより外気導入に伴う空調負荷を低減することが可能となる。

また、室内の温熱環境調整のための空気調和機（例えば、ビル用マルチエアコン等）と蓄熱系統が別系統となるため、就業者あるいは居住者の都合で空気調和機の運転または停止を選択できる。

さらに、熱源機械室に蓄熱層を設け、蓄熱した熱量を例えば冷水を用いて各階の空気調和機（例えばエアハンドリングユニット等）が設置された空調機械室に搬送系統を有する空気調和システムに比べると、それらに起因するエネルギー消費が無く、また蓄熱運転時に空調熱源機による蓄熱生成に起因するエネルギー消費は発生しないため、省エネルギーの観点から有効である。

本発明における空気調和システムの外気による蓄熱運転時を示す概略構成図 本発明における空気調和システムの室内空気による蓄熱運転時を示す概略構成図 本発明における空気調和システムの蓄熱利用運転時を示す概略構成図

本発明における請求項１記載の空気調和システムは、天井裏をチャンバー空間として機能させ、天井裏に外気を導入する給気送風機と、天井裏の空気を排出する排気送風機と、天井裏に送り込まれた外気を室内へ導入する室内給気口と、天井裏に潜熱蓄熱材を設置し、夜間は天井チャンバー内に給気送風機により冷たい外気を導入し、その外気を排気送風機により排出する空気搬送経路を構築することで、天井チャンバー内に導入した外気により、潜熱蓄熱材を冷やし、昼間は給気送風機により、暖かい外気を天井チャンバー内に導入し、導入外気が冷えた蓄熱材により冷やされた後、室内給気口より室内に供給することにより外気導入に伴う空調負荷を低減する。

また夜間の蓄冷時において、室内温度検知センサー外気温度検知センサーの計測値を比較し、外気温より室温が低い場合は、給気送風機により天井チャンバー内に室内空気を導入し、その室内空気を室内給気口より室内に戻す空気搬送経路を構築し、空調されて冷たい室内空気により潜熱蓄熱材を冷やすことにより、通常空調運転終了直後の室内空気の冷熱を有効利用することができる。

のよりを運転で冷たい外気を導入して蓄熱材を冷やすと共に導入した外気を排気口から排出し、昼間は送風機を運転して暖かい外気を導入して冷えた蓄熱材により冷やされた後、室内へ供給することにより外気導入に伴う空調負荷を低減する。

以下、本発明における実施の形態について図１〜３を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態の空気調和システムは、天井裏を天井チャンバー１３として、この天井チャンバー１３内に設けられた潜熱蓄熱材１１と、天井チャンバー１３内、あるいは空調対象室１７内に外気を送風する排気送風機１０と、天井などに設けられる空調対象室１７内用の空気調和機（ビル用マルチエアコン１）を有している。さらに、天井チャンバー１３の外気導入口５には、給気切替ダンパ７を備えており、外気を天井チャンバー１３内へ導く場合と、空調対象室１７と天井チャンバー１３とを連通させる場合とを切り替える。また、天井チャンバー１３の排気口４には、排気切替ダンパ８が設けられており、天井チャンバー１３内の空気を排気する場合と、空調対象室１７内の空気を排気する場合とを切り替える。

また、本実施の形態では、天井チャンバー１３内に外気、あるいは、空調対象室１７内の空気を送り込むための給気送風機９が備えられている。

排気送風機１０は、排気口４と連結して設けられ、運転することにより、給気切替ダンパ７、排気切替ダンパ８の切替位置により、天井チャンバー１３内、あるいは空調対象室１７内の空気を排出する。

天井チャンバー１３と空調対象室１７は、室内給気口２で連通されている。なお、室内給気口２にはダンパ１６を設けるのが望ましい。

外気導入口５と室内排気口３の少なくともひとつは、ダクト６および給気切替ダンパ７を介して接続されている。また、同様に、外気導入口５と給気送風機９の吸込口は、ダクト６および給気切替ダンパ７を介して接続されている。

排気送風機１０の吸込口と室内排気口３の少なくともひとつは、ダクト６および排気切替ダンパ８を介して接続されている。また、同様に、給気送風機９の吸込口と天井チャンバー１３とは、ダクト６および給気切替ダンパ７を介して接続されている。

なお、外気導入口５と接続した室内排気口３と、排気送風機１０の吸込口と接続した室内排気口３は、別のものである。

本実施の形態の外気導入系統、すなわち、排気送風機１０と給気切替ダンパ７、排気切替ダンパ８は、空気調和系統（ビル用マルチエアコン１）とは空気搬送を別系統として稼動させる。外気を外気導入口５からダクト６を通過して給気送風機９によって潜熱蓄熱材１１が設置された天井チャンバー１３に供給する。そして、室内給気口２より空調対象室１７に供給する。

空調対象室１７の温熱環境の調整は、前記の様に天井面に設置されたビル用マルチエアコン１により行われ、空調対象室１７の空気を吸い込んで、その空気と冷媒との熱交換により冷やされた空気を給気として空調対象室１７に供給する。

天井チャンバー１３には本発明における蓄熱媒体である潜熱蓄熱材１１が設置される。この潜熱蓄熱材１１は所定の融点温度（凝固点温度）で固相から液相に相変化して、その際に周囲の空気から吸熱し、液相から固相に相変化する際には放熱を行う性質を有する媒体である。例えば、潜熱蓄熱材１１としては、背景技術で説明した特許文献３に記載された２０〜３５℃の領域に広く融解潜熱を有し、潜熱の取出作動温度領域が広く、その温度領域での蓄熱容量が大きいパラフィン系潜熱蓄熱材等を用いることができる。

また、蓄熱材の設置方法として、背景技術で説明した特許文献２に記載されている様に床スラブとそのスラブの上に設けられる吹き出し口を有するフロアパネルとの間に空気と直接熱交換出来る様に板状の蓄熱材をその蓄熱材の間に設けられる吊り下げ穴部を利用した支持体により、吊り下げて利用する方法等を用いることができる。

本発明では、潜熱蓄熱材１１の性質を利用すると共に、熱交換空気に外気を利用することにより、省エネルギー性を高めることが可能になる。

以下に、本発明における空気調和システムの運転方法を示す。

（１）蓄熱運転時（外気蓄熱）
まず、夜間等における蓄熱について、図１を参照しつつ説明する。

夜間等の比較的温度の低い外気を利用して潜熱蓄熱材１１を液相から固相に相変化させることにより蓄熱を行う。すなわち、ダンパ１６で室内給気口２を閉め、給気切替ダンパ７は天井チャンバー１３側を開放する。さらに、排気切替ダンパ８は天井チャンバー１３側を開放する。そして、図１の外気導入経路１８と排気経路１９が示すように、給気送風機９を運転して、外気導入口５よりダクト６を通して、天井チャンバー１３内に外気を導入する。天井チャンバー１３内で潜熱蓄熱材１１と熱交換した外気は、排気口４より外へ排出される。この時、潜熱蓄熱材１１の凝固点温度を例えば２７〜２８℃程度に設定した場合、これより低い温度の夜間外気と潜熱蓄熱材１１が熱交換し、潜熱蓄熱材１１が凝固されることで、潜熱蓄熱材１１への蓄熱が可能である。

ここでは、給気送風機９を運転して外気導入を行なったが、給気送風機９を用いず、排気送風機１０の運転によっても蓄熱運転が可能である。

（２）蓄熱運転時（空調空気蓄熱）
図２を用いて、空調空気の蓄熱について説明する。

また、空調停止直後においては、室内空気の温度が外気より低い場合が考えられる。その場合は、室内温度検知センサー１４と外気温度検知センサー１５により測定されたそれぞれの空気温度を比較する。そして、室内温度が低いと判断された場合に、図２に示すように、給気切替ダンパ７を切り替え、天井チャンバー１３と空調対象室１７とを連通させる。さらに、排気切替ダンパ８を切り替えて、排気口４と天井チャンバー１３との間を閉鎖する。そして、ダンパ１６を開放して、室内給気口２と天井チャンバー１３とを連通させる。このように、室内空気流入出経路２０が示すように室内空気を室内排気口３より天井チャンバー１３に導入し、潜熱蓄熱材１１との熱交換後、室内給気口２より室内へ吹き出されるといった一連の空気搬送サイクルを構築する。これにより、空調停止直後の室内空気の冷熱を潜熱蓄熱材１１に蓄熱する。この運転を継続して行い、室内空気の温度が外気よりも高くなった場合は、給気切替ダンパ７を外気側へ切り替えて、外気と天井チャンバー１３とを連通させる。また、排気切替ダンパ８を天井チャンバー１３側へ切り替えて、天井チャンバー１３と排気口４を連通させる。そして、（１）で示した、外気導入による潜熱蓄熱材１１への蓄熱を開始する。

（３）蓄熱利用運転時
図３を参照しつつ蓄熱を利用した空調について説明する。

（１）、（２）で説明したように、蓄熱運転後の潜熱蓄熱材１１は、外気との熱交換により固相となって、低い熱量が蓄積されている。潜熱蓄熱材１１が固相から液相に相変化させた時の蒸発潜熱を利用する。図３の外気導入経路１８と排気経路１９が示すように、給気切替ダンパ７を天井チャンバー１３側へ切り替えて、外気導入口５よりダクト６を通じて天井チャンバー１３に外気を導入する。天井チャンバー１３内では、外気が潜熱蓄熱材１１との熱交換により、吸熱されて温度が下降する。そして、冷却された外気は、室内給気口２より空調対象室１７に供給される。これにより、外気は冷却されて空調対象室１７に供給されるので、外気負荷が軽減される。なお、室内空気は排気切替ダンパ８を空調対象室１７側へ切り替えて、室内排気口３からダクト６を通じて排気口４により排気される。

本実施の形態の空調システムによれば、ダンパ（給気切替ダンパ７、排気切替ダンパ８、ダンパ１６）の切り替えにより、潜熱蓄熱材１１への蓄熱、潜熱蓄熱材１１からの放熱を制御し、空調負荷の低減が可能となる。また、外気冷熱に加えて、空調空気の蓄熱も可能であり、放熱量を抑制して全体の空調負荷を低減することができる。

本発明における空調システムは、従来の空調システムに比べ、省エネルギー性を高めることが可能となると共に、冷暖房と外気導入の系統を分離したシステムなので、ビル用マルチエアコン等を使用する個別空調を有するシステムに対応可能なシステムとして有用である。

１ ビル用マルチエアコン
２ 室内給気口
３ 室内排気口
４ 排気口
５ 外気導入口
６ ダクト
７ 給気切替ダンパ
８ 排気切替ダンパ
９ 給気送風機
１０ 排気送風機
１１ 潜熱蓄熱材
１３ 天井チャンバー
１４ 室内温度検知センサー
１５ 外気温度検知センサー
１６ ダンパ
１７ 空調対象室
１８ 外気導入経路
１９ 排気経路
２０ 室内空気流入出経路

Claims (5)

1. 天井裏の天井チャンバーと、天井チャンバー内に外気を導入する給気送風機と、天井チャンバー内の空気を排出する排気送風機と、天井チャンバー内に送り込まれた外気を室内に導入する室内給気口と、天井裏に潜熱蓄熱材を設置し、夜間は室内給気口のダンパを閉じ、給気切替ダンパ、排気切替ダンパを切り替えて、天井チャンバー内に給気送風機により夜間の冷たい外気を導入し、その外気を排気送風機により排出する空気搬送経路を構築することで、天井チャンバー内に導入した外気により潜熱蓄熱材を冷やし、昼間は室内給気口のダンパを開き、給気切替ダンパ、排気切替ダンパを切り替えて、給気送風機により暖かい外気を天井チャンバー内に導入し、導入外気が冷えた潜熱蓄熱材により冷やされた後、室内給気口より室内に供給される空気調和システム。
2. 夜間の蓄冷時において、室内給気口を開き、給気切替ダンパ、排気切替ダンパを切り替えて、給気送風機により天井チャンバー内に室内空気を導入し、その室内空気を室内給気口より室内に戻す空気搬送経路を構築し、空調されて冷たい室内空気により潜熱蓄熱材を冷やす請求項１記載の空気調和システム。
3. 夜間の蓄冷時において、室内空気を天井裏の天井チャンバー内に導入した後、外気を天井チャンバーに導入する請求項１または請求項２記載の空気調和システム。
4. 夜間の蓄冷時において、室温と外気温を室内温度検知センサーと外気温度検知センサーでの計測値によって比較し、室内空気あるいは外気の天井チャンバー内への導入を切り替えるダンパを備えた請求項１または請求項２記載の空気調和システム。
5. 通常空調運転時の室内空気と蓄熱運転時の天井チャンバー内に導入される外気を排出する空気搬送経路を切り替える排気切替ダンパを備えた請求項１または請求項２記載の空気調和システム。

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