JP2015057576A - 外気冷房機能付空調機 - Google Patents

Abstract

【課題】最も少ない消費エネルギーで外気冷房加湿ができ温湿度制御に最適な外気冷房機能付空調機を得る。
【解決手段】 空調用空気としての外気と還気の混合比率を調整する風量調整機構（Ｄ）と、空調用空気を冷却する熱交換器（１）と、空調用空気を加湿する加湿装置（１３）と、空調用空気を被空調空間へ給気する送風機（４）と、を備える。冷房運転時に送風機（４）と熱交換器（１）と加湿装置（１３）の消費エネルギーの総和が最少となるように温湿度制御を行う制御装置（８）を、設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は外気冷房機能付空調機に関するものである。

近年、ビルなどの断熱化が進み冷房負荷が増大している。たとえばサーバ等が設置されたデータセンター施設では、空調機と施設の間を熱交換器で温調した還気を循環させて空調しているが、発熱量が大きいために冬期でも冷房が必要で、省エネのために外気冷房の採用が検討されている。しかしながら、外気冷房は熱交換器による空気冷房（熱源機動力）の減少に伴って外気風量（送風動力）が増す問題があり、これを解消して最適な省エネ空調ができる空調機が求められていた。

特開平２０００−１２１１３１号公報

また、冬期の外気で加湿を必要とする場合、気化式加湿器だとエネルギー消費は少ないが温湿度制御性が悪く、蒸気加湿器では温湿度制御性は良いがエネルギー消費が多くなる課題があった。

本発明は上記課題を解決するため、空調用空気としての外気と還気の混合比率を調整する風量調整機構と、前記空調用空気を冷房する熱交換器と、前記空調用空気を加湿する加湿装置と、前記空調用空気を被空調空間へ給気する送風機と、を備え、冷房運転時に前記送風機と前記熱交換器と前記加湿装置の消費エネルギーの総和が最少となるように温湿度制御を行う制御装置を、設けたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、最も少ない消費エネルギーで冷房ができ、外気冷房等の年間冷房が必要なデータセンター施設などの空調に最適である。
請求項２の発明によれば、最も少ない消費エネルギーで外気冷房加湿ができ、外気冷房等の年間冷房が必要なデータセンター施設などの温湿度制御に最適である。
請求項３の発明によれば、外気の温湿度が被空調空間目標温湿度よりも低くて目標給気温湿度よりも高く、全外気冷房モードと全外気送風モードの何れでも被空調空間を設定された温湿度に調整可能な場合に、消費エネルギーの少ないモードを自動的に選択して冷房できる。さらに、外気の温湿度が被空調空間目標温湿度及び目標給気湿度よりも低くて目標給気温度よりも高く、全外気冷房加湿モードと全外気加湿送風モードの何れでも被空調空間を設定された温湿度に調整可能な場合に、消費エネルギーの少ないモードを自動的に選択して冷房できる。すなわち、低温の外気を利用した冷房運転のモード選択肢が多様で、消費エネルギーの最も少ないモードを使用して、きめ細かな最適空調制御を維持しつつ最大限の省エネを図れる。
請求項４の発明によれば、気化式加湿器と蒸気式加湿器を組合わせて加湿することで、幅広い空気条件で省エネ性と快適性（加湿精度向上）の両方を満足させることができる。たとえば、空調用空気に対して、先ずエネルギー消費の少ない気化式加湿器で加湿しながら気化熱を奪って冷却し、空調用空気の空気条件によっては気化式加湿器で加湿不足となる場合には、その不足分のみを（空調用空気の空気条件によらず加湿可能な）蒸気加湿器で最低限加湿して、精度良く必要な給気温湿度に最適制御しつつ熱交換器の消費エネルギーを削減することができる。
請求項５の発明によれば、地下水の自然熱エネルギー利用して、熱交換器の消費エネルギーを節減し、一層の省エネを図ることができる。
請求項６、７の発明によれば、楕円管なので熱交換器通風空気の圧力損失が少なくて給気送風に必要な消費エネルギーを削減でき、さらに省エネとなる。

図１は、本発明の外気冷房機能付空調機の一実施例を示しており、この外気冷房機能付空調機は、空調用空気としての外気と還気の混合比率を調整する風量調整機構Ｄと、熱伝達部を介して熱搬送用媒体で空調用空気を熱交換する熱交換器１と、空調用空気を加湿する加湿装置１３と、空調用空気を熱交換器１を介して被空調空間へ給気する送風機４と、被空調空間への送風機４の給気風量を調整自在なインバータなどから成る変風量機構Ｅと、冷房運転時に送風機４と熱交換器１（熱源機９）と加湿装置１３の消費エネルギーの総和が最少となるように温湿度制御を行う制御装置８と、を備えている。

熱交換器１の熱伝達部は、通風自在に設けられた多数の伝熱板に伝熱管を挿着して成り（図示省略）、伝熱管内を流れる熱搬送用媒体と通過空気が伝熱管及び伝熱板を介して熱交換する。この伝熱管は楕円管にするのが好ましいが円形管でもよい。熱搬送用媒体は水などの熱媒やフロンなどの冷媒で、熱源機９にて熱搬送用媒体の温度を調整する。熱源機９は、例えばヒートポンプ式や吸収式のチラー以外に、ヒートポンプ式の室外機などである。加湿装置１３は、気化式加湿器２と蒸気式加湿器３を備えている。

各図の実線の白抜き矢印は送風方向を示し、送風機４で吸い込まれた外気と還気が混合され、熱交換器１を通過して熱交換され、気化式加湿器２と蒸気式加湿器３にて適宜調湿されて、被空調空間へ給気される場合を例示している。風量調整機構Ｄは、風量調整自在な比例式の外気ダンパ１０、還気ダンパ１１にて構成する。

制御装置８は、センサやマイクロプロセッサ等にて構成され、外気（屋外）の温湿度を検出する外気温湿度検出器５と、還気（屋内）の温湿度を検出する還気温湿度検出器６と、給気の温湿度を検出する給気温湿度検出器７と、設定手段１２と、を備える。設定手段１２は、目標給気温度や被空調空間（屋内）の目標温湿度の設定を行う。これらの設定値は、単一の数値の場合と、しきい値を含んだ所定範囲の数値の場合があり、何れを選択するかは自由である。

図１と図２に示すように、冷房運転時に風量調整機構Ｄの外気と還気の混合比率と熱交換器１の空調用空気冷却能力（熱源機９の冷房能力）と変風量機構Ｅによる送風機４の給気風量と加湿装置１３の加湿量とを制御して被空調空間を設定された温湿度に調整する制御装置８が、
空調用空気を風量調整機構Ｄで還気のみとして熱交換器１で冷却し加湿装置１３で加湿せずに送風機４で被空調空間へ給気する全還気冷房モードａと、
空調用空気を風量調整機構Ｄで外気のみとして熱交換器１で冷却し加湿装置１３で加湿せずに送風機４で被空調空間へ給気する全外気冷房モードｂと、
空調用空気を風量調整機構Ｄで外気のみとして熱交換器１で冷却し加湿装置１３で加湿して送風機４で被空調空間へ給気する全外気冷房加湿モードｃと、
空調用空気を風量調整機構Ｄで外気と還気の混合空気として熱交換器１で冷却せずにかつ加湿装置１３で加湿せずに送風機４で被空調空間へ給気する外還気混合送風モードｄと、
空調用空気を風量調整機構Ｄで外気と還気の混合空気として熱交換器１で冷却せずに加湿装置１３で加湿して送風機４で被空調空間へ給気する外還気混合加湿送風モードｅと、
空調用空気を風量調整機構Ｄで外気のみとして熱交換器１で冷却せずに送風機４の給気風量調整にて冷房能力を増減して加湿装置１３で加湿せずに被空調空間へ給気する全外気送風モードｆと、
空調用空気を風量調整機構Ｄで外気のみとして熱交換器１で冷却せずに送風機４の給気風量調整にて冷房能力を増減し加湿装置１３で加湿して被空調空間へ給気する全外気加湿送風モードｇと、
を、
外気と還気の温湿度に応じて選択切換自在であって、全外気冷房モードｂと全外気送風モードｆの何れでも被空調空間を設定された温湿度に調整可能な場合に各モードｂ、ｆの消費エネルギーを演算比較して少ない方のモードを選択すると共に、全外気冷房加湿モードｃと全外気加湿送風モードｇの何れでも被空調空間を設定された温湿度に調整可能な場合に各モードｃ、ｇの消費エネルギーを演算比較して少ない方のモードを選択するように、構成されている。

制御装置８による上記制御モードの選定は、検出器５、６、７で検出された空気の温湿度と設定手段１２にて設定された目標温湿度に基づいて行われるが、複数のモードを選定可能な場合に、各モードの送風機４と熱交換器１と気化式加湿器２と蒸気式加湿器３の消費エネルギーの総和を求め、最少となるモードを選定することで、最も少ない消費エネルギーで精度良く温湿度制御が可能となる。もちろん、冷房時だけでなく暖房時も同様にして温湿度制御が可能であり、外気冷房機能の無い空調機にも適用可能である。

例えば冷房運転時に、外気の温湿度が被空調空間目標温湿度よりも高い場合には全還気冷房モードａ、外気の温湿度が被空調空間目標温湿度よりも低く目標給気温湿度よりも高い場合には全外気冷房モードｂ、外気の温湿度が被空調空間目標温湿度及び目標給気湿度よりも低く目標給気温度よりも高い場合には全外気冷房加湿モードｃ、外気の温湿度が被空調空間目標温湿度及び目標給気温度よりも低く目標給気湿度よりも高い場合には外還気混合送風モードｄ、外気の温湿度が被空調空間目標温湿度及び目標給気湿度よりも低く目標給気温度近辺乃至それよりも低い場合には外還気混合加湿送風モードｅ、外気の温湿度が被空調空間目標温湿度よりも低く目標給気温湿度よりも高い場合には全外気送風モードｆ、外気の温湿度が被空調空間目標温湿度及び目標給気湿度よりも低く目標給気温度よりも高い場合には全外気加湿送風モードｇ、を、選択すると共に、全外気冷房モードｂと全外気送風モードｆが選択可能な場合には消費エネルギーの少ない方のモード、全外気冷房加湿モードｃと全外気加湿送風モードｇが選択可能な場合には消費エネルギーの少ない方のモード、を選択して冷房運転する。

図３は、前記実施例に空調用空気を冷却する熱交換器１の風上側に、熱伝達部を介して地下水にて空調用空気を冷却する予冷熱交換器１４を、配置したものを示している。予冷熱交換器１４の熱伝達部は、通風自在に設けられた多数の伝熱板に伝熱管を挿着して成り（図示省略）、伝熱管内を流れる熱搬送用媒体と通過空気が伝熱管及び伝熱板を介して熱交換する。この熱搬送用媒体として地下水を利用し、送水ポンプＰを介して予冷熱交換器１４に通水し、空調用空気を予冷して熱交換器１（熱源機９）の消費エネルギーを節減する。利用後の地下水は河川などへ放流する。

なお、本発明は上述の実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更自由である。たとえば、気化式加湿器２を蒸気式加湿器３の風下に入替えたり、これらの何れか一方を省略した加湿装置１３としたり、あるいは、制御装置８を、外気冷房運転時に送風機４と熱交換器１の消費エネルギーの総和が最少となるように温度制御を行うものとするのも自由である。

本発明の外気冷房機能付空調機の全体構成を示す簡略説明図である。 冷房運転時の制御モード例を示す空気線図である。 他の実施例の全体構成を示す簡略説明図である。

１ 熱交換器
４ 送風機
８ 制御装置
１３ 加湿装置
１４ 予冷熱交換器
Ｄ 風量調整機構
Ｅ 変風量機構
ａ 全還気冷房モード
ｂ 全外気冷房モード
ｃ 全外気冷房加湿モード
ｄ 外還気混合送風モード
ｅ 外還気混合加湿送風モード
ｆ 全外気送風モード
ｇ 全外気加湿送風モード

請求項１の発明によれば、最も少ない消費エネルギーで外気冷房加湿ができ、外気冷房等の年間冷房が必要なデータセンター施設などの温湿度制御に最適である。
外気の温湿度が被空調空間目標温湿度よりも低くて目標給気温湿度よりも高く、全外気冷房モードと全外気送風モードの何れでも被空調空間を設定された温湿度に調整可能な場合に、消費エネルギーの少ないモードを自動的に選択して冷房できる。さらに、外気の温湿度が被空調空間目標温湿度及び目標給気湿度よりも低くて目標給気温度よりも高く、全外気冷房加湿モードと全外気加湿送風モードの何れでも被空調空間を設定された温湿度に調整可能な場合に、消費エネルギーの少ないモードを自動的に選択して冷房できる。すなわち、低温の外気を利用した冷房運転のモード選択肢が多様で、消費エネルギーの最も少ないモードを使用して、きめ細かな最適空調制御を維持しつつ最大限の省エネを図れる。
請求項２の発明によれば、気化式加湿器と蒸気式加湿器を組合わせて加湿することで、幅広い空気条件で省エネ性と快適性（加湿精度向上）の両方を満足させることができる。たとえば、空調用空気に対して、先ずエネルギー消費の少ない気化式加湿器で加湿しながら気化熱を奪って冷却し、空調用空気の空気条件によっては気化式加湿器で加湿不足となる場合には、その不足分のみを（空調用空気の空気条件によらず加湿可能な）蒸気加湿器で最低限加湿して、精度良く必要な給気温湿度に最適制御しつつ熱交換器の消費エネルギーを削減することができる。
請求項３の発明によれば、地下水の自然熱エネルギー利用して、熱交換器の消費エネルギーを節減し、一層の省エネを図ることができる。
請求項４、５の発明によれば、楕円管なので熱交換器通風空気の圧力損失が少なくて給気送風に必要な消費エネルギーを削減でき、さらに省エネとなる。

Claims (7)

1. 空調用空気としての外気と還気の混合比率を調整する風量調整機構（Ｄ）と、前記空調用空気を冷却する熱交換器（１）と、前記空調用空気を被空調空間に給気する送風機（４）と、を備え、冷房運転時に前記送風機（４）と前記熱交換器（１）の消費エネルギーの総和が最少となるように温度制御を行う制御装置（８）を、設けたことを特徴とする外気冷房機能付空調機。
2. 空調用空気としての外気と還気の混合比率を調整する風量調整機構（Ｄ）と、前記空調用空気を冷却する熱交換器（１）と、前記空調用空気を加湿する加湿装置（１３）と、前記空調用空気を被空調空間へ給気する送風機（４）と、を備え、冷房運転時に前記送風機（４）と前記熱交換器（１）と前記加湿装置（１３）の消費エネルギーの総和が最少となるように温湿度制御を行う制御装置（８）を、設けたことを特徴とする外気冷房機能付空調機。
3. 送風機（４）の給気風量を調整自在な変風量機構（Ｅ）を、備え、
   風量調整機構（Ｄ）の外気と還気の混合比率と熱交換器（１）の空調用空気冷却能力と前記変風量機構（Ｅ）による前記送風機（４）の給気風量と前記加湿装置（１３）の加湿量とを制御して被空調空間を設定された温湿度に調整する制御装置（８）が、
   前記空調用空気を前記還気のみとして前記熱交換器（１）で冷却し給気する全還気冷房モード（ａ）と、
   前記空調用空気を前記外気のみとして前記熱交換器（１）で冷却し給気する全外気冷房モード（ｂ）と、
   前記空調用空気を前記外気のみとして前記熱交換器（１）で冷却し加湿して給気する全外気冷房加湿モード（ｃ）と、
   前記空調用空気を前記外気と前記還気の混合空気として給気する外還気混合送風モード（ｄ）と、
   前記空調用空気を前記外気と前記還気の混合空気として加湿して給気する外還気混合加湿送風モード（ｅ）と、
   前記空調用空気を前記外気のみとして前記送風機（４）の給気風量調整にて冷房能力を増減して給気する全外気送風モード（ｆ）と、
   前記空調用空気を前記外気のみとして前記送風機（４）の給気風量調整にて冷房能力を増減し加湿して給気する全外気加湿送風モード（ｇ）と、
   を、前記外気と前記還気の温湿度に応じて選択切換自在であって、前記全外気冷房モード（ｂ）と前記全外気送風モード（ｆ）の何れでも前記被空調空間を設定された温湿度に調整可能な場合に前記各モード（ｂ）、（ｆ）の消費エネルギーを比較して少ない方のモードを選択すると共に、前記全外気冷房加湿モード（ｃ）と前記全外気加湿送風モード（ｇ）の何れでも前記被空調空間を設定された温湿度に調整可能な場合に前記各モード（ｃ）、（ｇ）の消費エネルギーを比較して少ない方のモードを選択するように、構成されている請求項２記載の外気冷房機能付空調機。
4. 加湿装置（１３）が気化式加湿器（２）と蒸気式加湿器（３）を備えた請求項２又は３記載の外気冷房機能付空調機。
5. 空調用空気を冷却する熱交換器（１）の風上側に、地下水にて前記空調用空気を冷却する予冷熱交換器（１４）を、配置した請求項１、２、３又は４記載の外気冷房機能付空調機。
6. 熱交換器（１）の伝熱管を楕円管とした請求項１、２、３、４又は５記載の外気冷房機能付空調機。
7. 予冷熱交換器（１４）の伝熱管を楕円管とした請求項５又は６記載の外気冷房機能付空調機。

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