JP2015007484A - 空調システム - Google Patents

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Hitoshi Harada
田 仁 原
藤 茂 佐
Shigeru Sato
藤 茂 佐
野 健 治 藤
Kenji Fujino
野 健 治 藤
藤 友 昭 佐
Tomoaki Sato
藤 友 昭 佐
谷 元 一 神
Motokazu Kamiya
谷 元 一 神
鳥 大 輔 羽
Daisuke Hatori
鳥 大 輔 羽
呂 幸 雄 茂
Yukio Moro
呂 幸 雄 茂
信 洋 平須賀
Nobuhiro Hirasuga
信 洋 平須賀
川 信 二 吉
Shinji Yoshikawa
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川 洋 井
Hiroshi Igawa
川 洋 井
田 宏 志 濱
Hiroshi Hamada
田 宏 志 濱
口 成 賞 谷
Shigetaka Taniguchi
口 成 賞 谷
谷 清 針
Kiyoshi Harigai
谷 清 針
津 宏 治 大
Koji Otsu
津 宏 治 大
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Hiroyuki Someya
谷 博 行 染
原 俊 之 笠
Toshiyuki Kasahara
原 俊 之 笠
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Shinko Electric Industries Co Ltd
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Abstract

【課題】省エネルギー化および省スペース化の両方を実現できる空調システムおよび空調機を提供する。【解決手段】空調システムの空調機は、混合気が流入する空調チャンバと、空調チャンバ内に配置された第1コイルと、空調チャンバ内において第1コイルの下流側に配置された第2コイルと、空調チャンバ内において第2コイルの下流側に配置され、空調室に向けて給気を送り出す送風機と、を備えている。ここで上記第1コイル、第2コイルおよび送風機は、混合気の流路に沿って直線的に並べられている。第1コイルには高温冷水が供給され、一方、第2コイルには、高温冷水よりも低温の低温冷水、または温水のいずれか一方が供給されるようになっている。【選択図】図1

Description

本発明は、顕熱と潜熱とを分離処理することができる空調システムおよび空調機に関する。
オフィスビルなどの大規模な建物を対象とする空調システムとして、建物内の複数の箇所に設置された空調チャンバに対して、冷凍機やボイラ等の熱源装置から熱媒体を循環供給するタイプのものが知られている。このタイプの空調システムにおいては、従来、夏期の冷房時に、顕熱および潜熱の両方を1つの冷却コイルを用いて処理することが一般的であった。具体的には、温度制御されるべき部屋からの還気や外気若しくはそれらが混合されたもの(以下、混合気とも称する)が冷却コイルを通過する際に、冷却と、冷却コイル表面における結露を利用した除湿とが生じるようになっていた。
ところで、結露を利用した除湿を効率的に実現するためには、冷却コイルの内部に供給される冷水の温度を十分に低く設定する必要がある。例えば、空調の設定温度が25℃程度であり、設定相対湿度が50%程度である場合、冷水の温度を5℃程度にする必要がある。一方、冷凍機の成績係数は、冷水の温度が低くなるほど低下していく。例えば冷水の温度が5℃程度である場合、冷凍機の成績係数は6程度であり、省エネルギーの観点からは好ましい数値とは言えない。
そこでエネルギー効率を改善することを目的として、顕熱と潜熱とを分離処理するという手法が検討されている。この手法は、顕熱のみを処理するのであれば、冷却コイルの内部に供給される冷水の温度を露点温度以上に高く設定することができ、このため顕熱を処理するために用いられる冷凍機の成績係数を向上させることができる、という考えに基づいている。例えば、顕熱のみを処理するのであれば、冷却コイルの内部に供給される冷水の温度を15℃程度にすることができるが、この場合、冷凍機の成績係数は10程度に向上する。従って、5℃の冷水を用いて顕熱を処理する場合に比べて、空調システム全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
例えば特許文献1には、はじめに、10℃の冷水が循環供給される冷却コイルを用いて外気の顕熱および一部の潜熱を処理し、次に、より低温の冷水が循環供給される冷却コイルを用いて外気の残りの潜熱を処理するという手法が開示されている。その他にも、高温の冷水が循環供給される冷却コイルを用いて空気の顕熱を処理し、その後、除湿剤などを用いて空気を化学的に除湿するという、いわゆるデシカント空調システムが提案されている。
特開2008−57938号公報
デシカント空調システムは、除湿剤を加熱して再生するための設備や手間を必要とする。このため、空調チャンバの寸法が大きくなってしまったり、空調システムが複雑になってしまったりするという欠点を有している。
また一般に空調システムには、夏期の冷房だけでなく冬期の暖房も求められている。このため、例えば特許文献1に記載の空調システムには、顕熱処理用の冷却コイルおよび潜熱処理用の冷却コイルに加えて、その内部に温水が循環供給されるコイルがさらに設けられている。すなわち、いわゆる6管式の空調システムとして構成されている。一方、顕熱と潜熱とを1つの冷却コイルで処理する従来の空調システムは、当該冷却コイルと、その内部に温水が循環供給されるコイルとを含んでいる。すなわち、顕熱と潜熱とを1つの冷却コイルで処理する従来の空調システムは、いわゆる4管式の空調システムとして構成されている。このように、特許文献1に記載の空調システムにおいては、顕熱および潜熱の分離処理を実現することの代償として、コイルの数が従来に比べて1つ増加してしまっており、この結果、空調チャンバの寸法が増大してしまうことが考えられる。しかしながら、建物において空調システムのために利用できる空間は限られており、このため、空調システムの寸法は小さいほど好ましい。
本発明は、このような課題を効果的に解決し得る空調システムを提供することを目的とする。
第1の本発明は、建物に設置される空調システムにおいて、外気および空調室からの還気を含む混合気の温度および湿度を調整して給気として空調室に戻す空調機と、前記空調機に高温冷水を供給することができる第1冷凍機と、前記空調機に、前記高温冷水よりも低温の低温冷水を供給することができる第2冷凍機と、前記空調機に温水を供給することができる温水熱源機と、を備え、前記空調機は、前記混合気が流入する空調チャンバと、前記空調チャンバ内に配置された第1コイルと、前記空調チャンバ内において前記第1コイルの下流側に配置された第2コイルと、前記空調チャンバ内において前記第2コイルの下流側に配置され、前記空調室に向けて給気を送り出す送風機と、を備え、前記第1コイル、前記第2コイルおよび前記送風機は、混合気の流路に沿って直線的に並べられており、前記第1コイルには、前記高温冷水が供給され、前記第2コイルには、前記低温冷水、または前記温水のいずれか一方が供給される、空調システムである。
また第2の本発明は、上記空調システムにおいて用いられる上記空調機である。
本発明による空調機において、前記第2コイルに供給される前記低温冷水の温度は、5〜10℃の範囲内であり、前記第2コイルに前記低温冷水が供給されているときの前記第1コイルに供給される前記高温冷水の温度は、10〜20℃の範囲内であってもよい。
本発明による空調機は、前記第1コイルに供給される前記高温冷水の流量または温度を調整する流量調整手段と、前記流量調整手段を制御する制御手段と、をさらに備えていてもよい。この場合、制御手段は、前記第1コイルを通過した混合気の状態が空気線図上において所定の等相対湿度線に到達するまでの範囲内で、前記第1コイルを用いて前記混合気を冷却するよう、前記流量調整手段を制御してもよい。
本発明による空調機は、第1コイルと第2コイルとの間に配置され、前記第1コイルを通過した混合気の状態を検知する第1混合気センサをさらに備えていてもよい。この場合、前記制御手段は、前記第1混合気センサからの情報に基づいて、空気線図において混合気の状態が所定の等相対湿度線に到達するまでに通る等絶対湿度線を算出し、この結果に基づいて、前記流量調整手段の上限値を設定してもよい。
本発明による空調機は、空調チャンバに流入する混合気の状態を検知する検知手段をさらに備えていてもよい。この場合、前記制御手段は、検知手段からの情報に基づいて、空気線図において混合気の状態が所定の等相対湿度線に到達するまでに処理される顕熱負荷の最大値を算出し、この結果に基づいて、前記流量調整手段の上限値を設定してもよい。
本発明による空調機は、前記第2コイルと前記送風機との間に配置された加湿器をさらに備えていてもよい。この場合、第1コイル、前記第2コイル、前記加湿器および前記送風機は、好ましくは、混合気の流路に沿って直線的に並べられている。
本発明によれば、第1コイルには高温冷水が供給され、第2コイルには、高温冷水よりも低温の低温冷水が供給され得るようになっている。このため、低温冷水のみを用いて混合気の顕熱処理および潜熱処理を行う場合に比べて、空調システム全体でのエネルギー効率を向上させることができる。また第2コイルには、低温冷水、または温水のいずれか一方が、設定温度や環境に応じて供給され得るようになっている。このため、低温冷水用のコイルと温水用のコイルとをそれぞれ別々に設ける場合に比べて、空調システムによって占有される空間を小さくすることができる。また第1コイル、第2コイルおよび送風機は、混合気の流路に沿って直線的に並べられている。このため、それらが非直線的に並べられている場合に比べて、第1コイル、第2コイルおよび送風機によって占有される空間をさらに小さくすることができる。これらのことにより、本発明によれば、空調システムの省エネルギー化と省スペース化とを同時に実現することができる。
図1は、本発明の実施の形態における空調機を示す図。 図2は、本発明の実施の形態における空調システム全体を示す図。 図3は、熱源装置の構成の一例を示す図。 図4は、夏期の冷房運転の際における空気の状態遷移の一例を示す空気線図。 図5は、給気温度の設定値に応じて高温冷水および低温冷水の流量を調整する方法の一例を示す図。 図6は、実施例1における空調機を示す図。 図7は、実施例1における混合気の状態遷移を示す空気線図。 図8は、実施例2における空調機を示す図。 図9は、実施例2における混合気の状態遷移を示す空気線図。
以下、図1乃至図5を参照して、本発明の実施の形態について説明する。まず図2により、本実施の形態における空調システム1全体について説明する。
空調システム
図2は、建物に設置された空調システム1全体を示す図である。空調システム1は、オフィスやOA機器室などの温度制御されるべき部屋(以下、空調室とも称する)からの還気と、換気のために導入される外気と、を含む混合気の温度および湿度を調整して給気として空調室に戻すためのものである。図2に示すように、空調システム1は、建物内の複数の箇所に設置された空調機10と、各空調機10に高温冷水を供給する第1冷凍機60と、各空調機10に低温冷水を供給する第2冷凍機70と、各空調機10に温水を供給する温水熱源機80と、を備えている。図2に示すように、第1冷凍機60および第2冷凍機70はそれぞれ冷却塔61および冷却塔71と組み合わされていてもよい。なお本実施の形態において一般に、高温冷水や低温冷水などの冷水とは、空調室からの還気と、所定の外気とを含む混合気の温度よりも低温の水を意味しており、また温水とは、当該混合気よりも高温の水を意味している。また本実施の形態において、低温冷水とは、混合気の結露点よりも低温の水を意味しており、高温冷水とは、上記低温冷水よりも高温の水を意味している。高温冷水を生成するための第1冷凍機60の成績係数を十分に高くすることができる限りにおいて、後述する第1コイルに供給される高温冷水の温度は、上記混合気の結露点よりも高くなっていてもよく、若しくは上記混合気の結露点よりも低くなっていてもよい。
空調機
次に図1を参照して、空調機10について詳細に説明する。図1に示すように、空調機10は、空調チャンバ11と、空調チャンバ11内に配置され、第1熱媒体が供給される第1コイル20と、空調チャンバ11内において第1コイル20の下流側に配置され、第2熱媒体が供給される第2コイル30と、空調チャンバ11内において第2コイル30の下流側に配置され、空調室に向けて給気を送り出す送風機52と、第1コイル20、第2コイル30や送風機52を制御する空調機コントローラ(制御手段)19と、を備えている。空調チャンバ11には、図1に示すように、外気を取り入れる外気取入口12が設けられた外気ダクト13と、還気を取り入れる還気口14が設けられた還気ダクト15と、が接続されている。このため空調チャンバ11には、外気および還気を含む混合気が流入する。なお図1においては、外気ダクト13と還気ダクト15とが空調チャンバ11の外部において接続されており、このため外気および還気が予め混合された状態で混合気ダクト18を介して空調チャンバ11に流入する例が示されているが、これに限られることはない。例えば、外気ダクト13および還気ダクト15がそれぞれ別個に空調チャンバ11に接続されており、外気および還気が空調チャンバ11の内部において混合されて混合気が形成されてもよい。
空調チャンバ11に流入した混合気は、第1コイル20および第2コイル30による熱処理を経た後、送風機52に到達する。送風機52に到達した混合気は、送風機52によって空調室に向けて送り出され、給気ダクト17を介して給気口16から空調室に給気として戻される。ここで、空調チャンバ11に流入した混合気が送風機52によって空調室に向けて送り出されるまでに混合気が辿る経路を混合気の流路と称する場合、第1コイル20、第2コイル30および送風機52は、混合気の流路に沿って直線的に並べられている。ここで「直線的に並べられている」とは、混合気の流路に沿って見た場合に、第1コイル20、第2コイル30および送風機52が少なくとも部分的に重なって見えることを意味している。このように第1コイル20、第2コイル30および送風機52を直線的に並べることにより、空調チャンバ11の寸法をより小さくすることができる。なお、送風機52は、第1コイル20の手前(上流側)に設けられてもよい。
図1に示すように、第1コイル20には、第1コイル20に第1熱媒体を供給する往路側第1循環路21と、第1コイル20から排出される第1熱媒体を回収する復路側第1循環路22と、が接続されている。また、往路側第1循環路21または復路側第1循環路22の少なくともいずれか一方には、第1コイル20を通る第1熱媒体の流量を調整する流量調整手段23、例えば二方弁が設けられていてもよい。さらに往路側第1循環路21には、第1コイル20に供給される第1熱媒体の状態、例えば温度を検知する往路側第1熱媒体センサ46が設けられていてもよい。同様に復路側第1循環路22には、第1コイル20から排出される第1熱媒体の状態、例えば温度を検知する復路側第1熱媒体センサ47が設けられていてもよい。これら往路側第1熱媒体センサ46および復路側第1熱媒体センサ47が設けられている場合、第1コイル20を通る前後での第1熱媒体の温度差を算出することができる。この場合、この温度差に、第1コイル20における第1熱媒体の単位時間当たりの流量を掛けることにより、第1コイル20において単位時間当たりに実施される、混合気との間での熱交換の量(すなわち第1コイル20において利用される高温冷水の熱量)を算出することが可能になる。
第1コイル20と同様に、第2コイル30には、第2コイル30に第2熱媒体を供給する往路側第2循環路31と、第2コイル30から排出される第2熱媒体を回収する復路側第2循環路32と、が接続されている。また、往路側第2循環路31または復路側第2循環路32の少なくともいずれか一方には、第2コイル30を通る第2熱媒体の流量を調整する流量調整手段33、例えば二方弁が設けられていてもよい。さらに、往路側第2循環路31には、第2コイル30に供給される第2熱媒体の状態、例えば温度を検知する往路側第2熱媒体センサ48が設けられていてもよい。同様に復路側第2循環路32には、第2コイル30から排出される第2熱媒体の状態、例えば温度を検知する復路側第2熱媒体センサ49が設けられていてもよい。
図1に示すように、空調機10には、各位置における気体の状態を検知するためのセンサ41〜45が設けられていてもよい。センサ41〜45はそれぞれ、外気取入口12から取り入れられる外気(OA: Outside Air)の状態を検知する外気センサ41、還気口14から取り入れられる還気(RA:Return Air)の状態を検知する還気センサ42、第1コイル20を通過した混合気の状態、および、空調室に供給される給気(SA:Supply Air)の状態を検知する給気センサ45である。上述の空調機コントローラ19は、各センサ41〜49からの情報に基づいて第1コイル20の流量調整手段23や第2コイル30の流量調整手段33を制御するよう構成されていてもよい。
第1熱媒体および第2熱媒体
次に図1および図2を参照して、第1コイル20に供給される第1熱媒体および第2コイル30に供給される第2熱媒体について説明する。本実施の形態において、第1コイル20に供給される第1熱媒体としては、上述の高温冷水が用いられる。このため図2に示すように、往路側第1循環路21には、第1冷凍機60において生成された高温冷水を送り出す高温冷水供給路62が連結されており、また復路側第1循環路22には、混合気の冷却に利用された高温冷水を第1冷凍機60に戻す高温冷水回収路63が連結されている。
一方、本実施の形態において、第2コイル30に供給される第2熱媒体としては、空調室の設定温度や外部の環境に応じて、上述の低温冷水または上述の温水のいずれか一方が用いられ得るようになっている。例えば夏期には、混合気の潜熱を処理するため、低温冷水が第2熱媒体として第2コイル30に供給される。一方、冬期には、混合気を加熱するため、温水が第2熱媒体として第2コイル30に供給される。このように第2コイル30に二種類の水を設定温度や外部環境に応じて供給できるようにしておくことにより、第1コイル20および第2コイル30という2つのコイルのみによって、夏期の冷房および冬期の暖房の両方に対応するとともに、後述するように顕熱潜熱分離処理による省エネルギー化を実現することができる。また、6管式で顕熱潜熱分離処理を実現する従来の空調機の場合に比べて、空調機10の寸法を小さくすることができる。
第2コイル30に供給される第2熱媒体を切り替えるための構成の一例について説明する。図2に示すように、往路側第2循環路31には、第2冷凍機70において生成された低温冷水を送り出す低温冷水供給路72、および、温水熱源機80において生成された温水を送り出す温水供給路82の両方が、往路側第2ヘッダー77を介して連結されている。同様に、復路側第2循環路32には、低温冷水回収路73および温水回収路83の両方が復路側第2ヘッダー78を介して連結されている。このため、第2コイル30に低温冷水または温水のいずれか一方を選択的に供給することができる。
熱源装置
次に図3を参照して、第1冷凍機60、第2冷凍機70や温水熱源機80などの熱源装置の構成の一例について説明する。第1冷凍機60および第2冷凍機70としては、別個の型式の冷凍機が用いられてもよく、若しくは、同一の型式の低温/高温冷水熱源機65が第1冷凍機60または第2冷凍機70として振り分けられてもよい。例えば図3に示すように、空調システム1は、熱源装置として、4台の低温/高温冷水熱源機65および2台の温水熱源機80を備えていてもよい。低温/高温冷水熱源機65の供給側は、高温冷水供給路62および低温冷水供給路72の両方に連結されており、また低温/高温冷水熱源機65の回収側は、高温冷水回収路63および低温冷水回収路73の両方に連結されている。この場合、総合熱源コントローラ90は、外部環境や空調室の設定などに応じて、4台の低温/高温冷水熱源機65を、第1コイル20に高温冷水を供給するための第1冷凍機60、または、第2コイル30に低温冷水を供給するための第2冷凍機70として振り分ける。このうち第1冷凍機60として振り分けられた低温/高温冷水熱源機65においては、高温冷水熱源コントローラ64によってその冷水の温度が高温冷水として設定される。また第2冷凍機70として振り分けられた低温/高温冷水熱源機65は、低温冷水熱源コントローラ74によってその冷水の温度が低温冷水として設定される。図3に示す構成例によれば、導入される冷凍機の型式を1種類に限定することができるので、空調システム1の導入コストを低減することができる。また、従来の4管式の空調システムにおいて用いられていた冷凍機をそのまま本実施の形態による第1冷凍機60および第2冷凍機70として利用することが可能になる。
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用および効果について説明する。
(夏期)
はじめに、空調システム1を用いて夏期に顕熱潜熱分離処理を行う方法について説明する。夏期の間、第1コイル20に高温冷水が供給されており、第2コイル30に低温冷水が供給されている。第2コイル30に供給される低温冷水の温度は、例えば5〜10℃の範囲内となっている。また、第2コイル30に低温冷水が供給されているときに第1コイル20に供給される高温冷水の温度は、例えば10〜20℃の範囲内となっている。
図4は、夏期の冷房運転の際における空気の状態遷移を示す空気線図である。以下、図4に示す空気線図を参照しながら、顕熱潜熱分離処理について説明する。なお図4において示されている、丸で囲まれた符号A,B,C,DおよびE(以下、単に符号A,B,C,DおよびEとも称する)が付された点における空気の状態は、それぞれ図1中における符号A,B,C,DおよびEが付された位置における空気の状態に対応している。すなわち図4において、符号Aの点は、外気の状態を表しており、符号Bの点は、還気の状態を表しており、符号Cの点は、第1コイル20によって処理される前の混合気の状態を表しており、符号Dの点は、第1コイル20によって処理された後の混合気の状態を表しており、符号Eの点は、第2コイル30によって処理された後の混合気の状態を表している。また点Iは、点Cを通る等絶対湿度線と、所定の等相対湿度線(例えば90%の相対湿度線)との交点を意味している。
空調システム1を用いた顕熱潜熱分離処理においては、はじめに、一定の流量で外気取入口12から取り込まれた外気と、空調室からの還気とが混合されて混合気が生成される。混合気の状態を示す点Cは、図4に示すように、点Aと点Bとを結ぶ直線上の一点に存在する。当該直線上における点Cの位置は、外気の流量と還気の流量との比に応じて決定される。例えば図4に示す例において、点Cは、乾球温度が約28℃であり、相対湿度が約53%である位置に存在している。
上述のように第1コイル20には10〜20℃の高温冷水が供給されている。このため、混合気が第1コイル20を通過する間に混合気は第1コイル20によって冷却(顕熱処理)される。混合気や高温冷水の状態、または第1コイルの列数や性能によっては、第1コイル20の表面に結露が生じ、これによって混合気の除湿が行われることもある。
また第2コイル30には上述のように5〜10℃の低温冷水が供給されている。第2コイル30に供給される低温冷水の温度は混合気の結露点よりも低温になっており、このため第2コイル30の表面には結露が生じる。従って、第2コイル30を用いて混合気の除湿(潜熱処理)を行うことができる。なお第1コイル20による混合気の顕熱処理が不十分である場合、第2コイル30において混合気の顕熱処理が行われることもある。
第1コイル20および第2コイル30を通過する混合気の状態は、図4に示す空気線図上で以下のように遷移する。はじめに、点Cから低温側に向かって、所定の等絶対湿度線、例えば0.013の絶対湿度線に沿って遷移する。すなわち混合気が顕熱処理される。その後、0.013の絶対湿度線が所定の等相対湿度線、例えば90%の相対湿度線に到達すると、第1コイル20および/または第2コイル30の表面において結露が生じるようになる。この結果、混合気が潜熱処理される。このとき空気線図においては、混合気の状態が所定の相対湿度線に沿って左下方向へ遷移する。図4において、顕熱処理の前後での混合気の比エンタルピーの差がΔHで表されており、潜熱処理の前後での混合気の比エンタルピーの差がΔHで表されている。
ところで、顕熱処理だけ行えばよい条件下では、低温冷水を活用せず、極力高温冷水を活用することによって、冷凍機の成績係数の向上が可能となる。また低温冷水の活用が不要な時は、低温冷水の製造も行わないため、省エネルギー運用も可能になる。すなわち、顕熱と潜熱とを分離処理することの目的は、このような冷凍機の成績係数の向上や省エネルギー運用を可能にすることである。従って本実施の形態において、好ましくは、第1コイル20に供給される高温冷水の温度および/または流量は、第1コイル20が混合気の顕熱のみを処理し潜熱を処理しないように制御されている。なお、第1コイル20が混合気の顕熱を完全に処理するとともに潜熱を全く処理しない場合、第1コイルを通過した混合気の状態を示す点Dは、点Cを通る等絶対湿度線と、第1コイル20の表面で結露が生じるようになる所定の相対湿度線とが交わる位置、すなわち点Iの位置に存在するようになる。
上述のように、第1冷凍機60の成績係数を向上させる上では、第1コイル20に混合気の潜熱を処理させないことが好ましい。そのような処理を実現するための方法としては、第1コイル20に供給される高温冷水の温度や流量などを調整することが考えられるが、ここでは、流量調整手段23を用いて高温冷水の流量を調整する方法について説明する。
混合気が第1コイル20によって奪われる熱量は、第1コイル20の内部を循環する高温冷水の流量が大きいほど大きくなる。従って、流量調整手段23を用いて高温冷水の流量を調整することによって、第1冷凍機60の負荷を最適化することができる。具体的には、第1コイル20を通過した混合気の状態が空気線図上において所定の等相対湿度線に到達するまでの範囲内(図4に示す点Cと点Iの間の範囲内)で、第1コイル20を用いて混合気を冷却するよう、空調機コントローラ19が流量調整手段23を制御する。これによって、第1冷凍機60の成績係数を向上させることができ、このことにより、空調システム1全体としての省エネルギー化を実現することができる。
図5は、このような第1冷凍機60の成績係数の向上を実現するための流量制御方法の一例を示す図である。図5において、縦軸は、高温冷水用の流量調整手段(二方弁)23および低温冷水用の流量調整手段(二方弁)33の開度を示しており、横軸は、空調チャンバ11に流入する混合気の温度を示している。
空調チャンバ11に流入する混合気の温度と、空調室に戻される給気の温度の設定値との差が大きくなるほど、顕熱を処理するために必要になる高温冷水の流量が大きくなる。このため流量調整手段23の開度は、図5の右側に行くほど大きくなる。一方、上述のように、高温冷水の流量が大きくなるほど、第1冷凍機60の負荷が大きくなり、この結果、第1冷凍機60の成績係数が低下してしまう。また高温冷水の流量が過剰に大きいと、第1コイル20が混合気の顕熱だけでなく潜熱をも処理するようになってしまう。このため図5に示すように、流量調整手段23の開度には上限値が設定されていることが好ましい。この上限値は、例えば、流量調整手段23の開度が当該上限値のときに第1コイル20を通過した混合気の状態が点Iの位置にあるよう、設定されている。そして図5に示すように、流量調整手段23の開度が上限値に達した後には、流量調整手段33が開き、第2コイル30によって混合気の潜熱が処理されるようになっている。このように流量調整手段23の開度に上限値を設けることにより、第1冷凍機60の成績係数を良好に保ちながら顕熱潜熱分離処理を行うことができる。なお、流量調整手段23の上限値を設定する具体的な方法については、後述する実施例1および実施例2において説明する。
(冬期)
次に、空調システム1を用いて冬期に暖房を行う方法について説明する。ここでは、第2コイルに供給される熱媒が低温冷水から温水に切り替えられていることを前提とする。はじめに、空調チャンバ11に流入する混合気の状態を検知する。検知の結果、混合気の温度が空調室に戻される給気の温度の設定値よりも高い場合、第1コイル20に高温冷水が供給されているので、第1コイル20を用いて混合気を冷却する。一方、混合気の温度が空調室に戻される給気の温度の設定値よりも低い場合、第2コイル30に温水が供給されているので、第2コイル30を用いて混合気を加熱する。このようにして、所望の温度に調整された混合気を給気として空調室に戻すことができる。
以下、本実施の形態によって得られる効果についてまとめる。
本実施の形態によれば、第1コイル20には、高温冷水が供給され、第2コイル30には、高温冷水よりも低温の低温冷水が供給され得るようになっている。このため、高温冷水用の第1冷凍機60の成績係数を高くすることができる。従って、低温冷水のみを用いて混合気の顕熱処理および潜熱処理を行う従来の4管式の空調システムに比べて、空調システム1全体でのエネルギー効率を向上させることができる。
また第2コイル30には、低温冷水または温水のいずれか一方が、給気の設定温度や環境に応じて供給され得るようになっている。このため、低温冷水用のコイルと温水用のコイルとがそれぞれ別々に設けられる従来の6管式の空調システムに比べて、空調システム1によって占有される空間を小さくすることができる。また本実施の形態によれば、第1コイル20、第2コイル30および送風機52は、混合気の流路に沿って直線的に並べられている。このため、それらが非直線的に並べられている場合に比べて、第1コイル20、第2コイル30および送風機52によって占有される空間をさらに小さくすることができる。
このため、例えば従来の4管式の空調システムとほぼ同一の空調機スペースに対して、本実施の形態による空調機10を設置することが可能である。従って、従来の4管式の空調機が設置されている建物に対して、低い改修コストで本実施の形態による空調機10を導入することができる。このことにより、低いコストでエネルギー効率の向上を実現することができる。
また上述のように、同一の型式の低温/高温冷水熱源機65を、それらで生成される冷水の設定温度を調整することによって第1冷凍機60または第2冷凍機70として用いることができる。すなわち、本実施の形態による省エネルギー化の効果を得る上で、従来から設置されている熱源装置を大幅に改修する必要はない。この点からも、本実施の形態によれば、低いコストでエネルギー効率の向上を実現することができると言える。
なお空調チャンバ11には、第1コイル20および第2コイル30以外にも、混合気の熱処理を行うための構成要素がさらに設けられていてもよい。例えば図1に示すように、空調機10は、第2コイル30と送風機52との間に配置された加湿器51をさらに備えていてもよい。この加湿器51は、例えば、第2コイル30を通過した混合気の状態を示す点E(図4参照)が、給気の設定値から大きくずれている場合に用いられ得る。
好ましくは、第1コイル20、第2コイル30、加湿器51および送風機52は、混合気の流路に沿って直線的に並べられている。これによって、空調機10の省スペース化を実現することができる。
次に、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例の記載に限定されるものではない。
(実施例1)
図6は、本実施例に係る空調機10の構成を示す図である。図6に示す本実施の形態による空調機10に関して、図1に示す上述の空調機10と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図6に示すように、本実施例に係る空調機10は、第1コイル20と第2コイル30との間に配置され、第1コイル20を通過した混合気の状態を検知する第1混合気センサ43を備えている。第1コイル20を通過した混合気の、空気線図における座標を決定することができる限りにおいて、第1混合気センサ43の構成が特に限られることはない。
図7は、夏期の冷房運転の際の空気の状態遷移を示す空気線図である。以下、図7に示す空気線図に沿って、本実施例において行われる顕熱潜熱分離処理について説明する。はじめに空調機コントローラ19は、第1コイル20用の流量調整手段23を所定の開度で開き、その際の混合気の状態を、第1混合気センサ43を用いて検知する。次に空調機コントローラ19は、流量調整手段23の開度を変化させ、開度を変化させた後の混合気の状態を、第1混合気センサ43を用いて再び検知する。その後、開度を変化させる前後で得られた混合気の状態に基づいて、第1コイル20を通過した混合気が、所定の等絶対湿度線上に存在するか(すなわち、図7に示す点D’の状態にあるか)どうかを判断する。このことは、第1コイル20が混合気の顕熱のみを処理しているのか若しくは混合気の顕熱および潜熱の両方を処理しているのかを判断することに相当する。
第1コイル20を通過した混合気が図7に示す点D’の状態にある場合、流量調整手段23の開度を徐々に大きくしていくことにより、空気線図において混合気の状態が所定の等相対湿度線に到達するまでに通る等絶対湿度線を算出し、また点Iの位置を算出する。そして、第1コイル20を通過した混合気の状態が点Iに位置するようになる流量調整手段23の開度を、流量調整手段23の上限値として設定する。
流量調整手段23の上限値を設定した後、空調機コントローラ19は、以下のように流量調整手段23および流量調整手段33を制御する。
給気温度の設定値が点Iの温度よりも高い場合、空調機コントローラ19は、第1コイル20のみを用いて混合気の熱処理を行う。この場合、流量調整手段23の開度は、流量調整手段23から得られる情報に基づいて空調機コントローラ19により制御される。
一方、給気温度の設定値が点Iの温度よりも低い場合、空調機コントローラ19は、流量調整手段23の開度を上限値に制御する。すなわち、点Dの位置を点Iの位置に一致させる。また流量調整手段33を開いて第2コイル30に低温冷水を供給する。
いずれの場合でも、第1コイル20によっては混合気の顕熱のみが処理される。なお上記の制御が実施される場合、混合気が第1コイル20によって点Iよりも低温まで冷却されることがない。このことは、第1コイル20の出口における高温冷水の温度が、点Iよりも低温になることはないことを意味している。従って本実施例においては、点Iの温度が、第1コイル20の出口における高温冷水の下限温度になる。
本実施例によれば、第1混合気センサ43からの情報に基づいて流量調整手段23の上限値を設定することにより、第1コイル20が混合気の顕熱のみを処理し潜熱を処理しないようにすることができる。このことにより、第1冷凍機60の成績係数を高くすることができ、これによって、空調システム1全体としての省エネルギー化を実現することができる。
(実施例2)
図8は、本実施例に係る空調機10の構成を示す図である。図8に示す本実施の形態による空調機10に関して、図1に示す上述の空調機10と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施例に係る空調機10は、空調チャンバ11に流入する混合気の状態を検知する検知手段を備えている。空調チャンバ11に流入する混合気の、空気線図における座標を決定することができる限りにおいて、上記の検知手段の構成が特に限られることはない。例えば検知手段は、外気の温度および絶対湿度または相対湿度並びに流量を検知する外気センサ41と、還気の温度および絶対湿度または相対湿度並びに流量を検知する還気センサ42と、を含んでいる。
図9は、夏期の冷房運転の際の空気の状態遷移を示す空気線図である。以下、図9に示す空気線図に沿って、本実施例において行われる顕熱潜熱分離処理について説明する。はじめに空調機コントローラ19は、外気センサ41からの情報に基づいて、空気線図における点Aの位置を定め、また還気センサ42からの情報に基づいて、空気線図における点Bの位置を定める。また空調機コントローラ19は、外気センサ41および還気センサ42から得られる、外気の流量および還気の流量に関する情報に基づいて、空気線図における点Cの位置を算出する。
その後、空調機コントローラ19は、空気線図における点Cの位置に基づいて、第1コイル20によって処理される混合気の顕熱負荷の最大値を算出する。具体的には、空調機コントローラ19は、空気線図において混合気の状態が所定の等絶対湿度線(図9では0.013の絶対湿度線)に沿って点Cから所定の等相対湿度線(図9では90%の相対湿度線)上の点Iに到達するまでに処理される、混合気の顕熱負荷を、図9に示すΔHに基づいて算出する。ΔHは、点Cから点Iに至る顕熱処理の前後での混合気の比エンタルピーの差[kJ/kg]である。この場合、混合気の流量[m3/h]および混合気の密度[kg/m3]をΔH[kJ/kg]に掛けることにより、第1コイル20によって単位時間当たりに処理される混合気の顕熱負荷の最大値[kJ/h]を算出することができる。
ところで、第1コイル20の定格冷却能力[kJ/h]に対する混合気の顕熱負荷の最大値[kJ/h]の割合が、流量調整手段23の最大開度(例えば100%)に対する流量調整手段23の上限値の割合と同値であると仮定する場合、以下のように高温冷水の流量の上限値を設定することができる。
ここでは、混合気の顕熱負荷の最大値を第1コイル20の定格冷却能力で除し、その結果に流量調整手段23の最大開度(例えば100%)を掛けることで得られる流量調整手段23の開度を、流量調整手段23の上限値として設定する。
流量調整手段23の上限値を設定した後、空調機コントローラ19は、以下のように流量調整手段23および流量調整手段33を制御する。
給気温度の設定値が点Iの温度よりも高い場合、空調機コントローラ19は、第1コイル20のみを用いて混合気の熱処理を行う。この場合、流量調整手段23の開度は、流量調整手段23から得られる情報に基づいて空調機コントローラ19により制御される。
一方、給気温度の設定値が点Iの温度よりも低い場合、制御手段19は、流量調整手段23の開度を上限値に制御する。すなわち、点Dの位置を点Iの位置に一致させる。また流量調整手段33を開いて第2コイル30に低温冷水を供給する。
いずれの場合でも、第1コイル20によっては混合気の顕熱のみが処理される。なお上記のような制御が実施される場合、混合気が第1コイル20によって点Iよりも低温まで冷却されることがない。従って本実施例においても、上述の実施例1の場合と同様に、点Iの温度が、第1コイル20の出口における高温冷水の下限温度になる。
本実施例によれば、空調チャンバ11に流入した混合気の状態に基づいて流量調整手段23の上限値を設定することにより、第1コイル20が混合気の顕熱のみを処理し潜熱を処理しないようにすることができる。このことにより、第1冷凍機60の成績係数を高くすることができ、これによって、空調システム1全体としての省エネルギー化を実現することができる。
1 空調システム
10 空調機
11 空調チャンバ
19 空調機コントローラ(制御手段)
20 第1コイル
23 流量調整手段(二方弁)
30 第2コイル
32 復路側第2循環路
33 流量調整手段(二方弁)
41〜45 気体用センサ
46〜49 熱媒体用センサ
51 加湿器
52 送風機
60 第1冷凍機
61 冷却塔
62 高温冷水供給路
63 高温冷水回収路
64 高温冷水熱源コントローラ
70 第2冷凍機
72 低温冷水供給路
73 低温冷水回収路
74 低温冷水熱源コントローラ
75 往路側第1ヘッダー
76 復路側第1ヘッダー
77 往路側第2ヘッダー
78 復路側第2ヘッダー
80 温水熱源機
82 温水供給路
83 温水回収路
84 温水熱源コントローラ
90 総合熱源コントローラ

Claims (4)

  1. 建物に設置される空調システムにおいて、
    外気および空調室からの還気を含む混合気の温度および湿度を調整して給気として空調室に戻す空調機と、
    前記空調機に高温冷水を供給することができる第1冷凍機と、
    前記空調機に、前記高温冷水よりも低温の低温冷水を供給することができる第2冷凍機と、
    前記空調機に温水を供給することができる温水熱源機と、を備え、
    前記空調機は、
    前記混合気が流入する空調チャンバと、
    前記空調チャンバ内に配置された第1コイルと、
    前記空調チャンバ内において前記第1コイルの下流側に配置された第2コイルと、
    前記空調チャンバ内において前記第2コイルの下流側に配置され、前記空調室に向けて給気を送り出す送風機と、を備え、
    前記第1コイル、前記第2コイルおよび前記送風機は、混合気の流路に沿って直線的に並べられており、
    前記第1コイルには、前記高温冷水が供給され、
    前記第2コイルには、前記低温冷水または前記温水のいずれか一方が供給され、
    前記第2コイルに供給される前記低温冷水の温度は、5〜10℃の範囲内であり、
    前記第2コイルに前記低温冷水が供給されているときの前記第1コイルに供給される前記高温冷水の温度は、10〜20℃の範囲内であり、
    前記空調機は、前記第1コイルに供給される前記高温冷水の流量または温度を調整する流量調整手段と、前記流量調整手段を制御する制御手段と、をさらに備え、
    前記制御手段は、前記第1コイルを通過した混合気の状態が空気線図上において所定の等相対湿度線に到達するまでの範囲内で、前記第1コイルを用いて前記混合気を冷却するよう、前記流量調整手段を制御する、空調システム。
  2. 請求項1に記載の空調システムにおいて用いられる空調機において、
    前記混合気が流入する空調チャンバと、
    前記空調チャンバ内に配置された第1コイルと、
    前記空調チャンバ内において前記第1コイルの下流側に配置された第2コイルと、
    前記空調チャンバ内において前記第2コイルの下流側に配置され、前記空調室に向けて給気を送り出す送風機と、を備え、
    前記第1コイル、前記第2コイルおよび前記送風機は、混合気の流路に沿って直線的に並べられており、
    前記第1コイルには、高温冷水が供給され、
    前記第2コイルには、前記高温冷水よりも低温の低温冷水、または温水のいずれか一方が供給され、
    前記第2コイルに供給される前記低温冷水の温度は、5〜10℃の範囲内であり、
    前記第2コイルに前記低温冷水が供給されているときの前記第1コイルに供給される前記高温冷水の温度は、10〜20℃の範囲内であり、
    前記空調機は、前記第1コイルに供給される前記高温冷水の流量または温度を調整する流量調整手段と、前記流量調整手段を制御する制御手段と、をさらに備え、
    前記制御手段は、前記第1コイルを通過した混合気の状態が空気線図上において所定の等相対湿度線に到達するまでの範囲内で、前記第1コイルを用いて前記混合気を冷却するよう、前記流量調整手段を制御する、空調機。
  3. 第1コイルと第2コイルとの間に配置され、前記第1コイルを通過した混合気の状態を検知する第1混合気センサをさらに備え、
    前記制御手段は、前記第1混合気センサからの情報に基づいて、空気線図において混合気の状態が所定の等相対湿度線に到達するまでに通る等絶対湿度線を算出し、この結果に基づいて、前記流量調整手段の上限値を設定する、請求項2に記載の空調機。
  4. 空調チャンバに流入する混合気の状態を検知する検知手段をさらに備え、
    前記制御手段は、検知手段からの情報に基づいて、空気線図において混合気の状態が所定の等相対湿度線に到達するまでに処理される顕熱負荷の最大値を算出し、この結果に基づいて、前記流量調整手段の上限値を設定する、請求項2に記載の空調機。
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