JP2015064121A - 除湿システム - Google Patents

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Abstract

【課題】エネルギ効率の高い除湿システムを提供する。
【解決手段】除湿システムSは、太陽光発電ユニット201と、配管f1,f2を介して温水を循環させる温水ポンプ202と、空気の水分を処理エリアA1で吸着し、再生エリアA2で脱着する除湿機10と、温水ポンプ202を介して温水と空気とを熱交換する温水熱交換器205と、再生エリアA2で空気を通流させる再生ファン203と、温水ポンプ202に設置されるインバータ204と、太陽光発電パネル201aの発電電力からシステム全体の消費電力を減算することで算出される評価関数に基づいてインバータ204を制御する制御装置400と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、吸着剤を用いて除湿する除湿システムに関する。
空気に含まれる水分を吸着剤で吸着して除湿し、熱風を送り込むことで吸着剤を再生させる除湿機が知られている。また、太陽熱を利用して吸着剤を再生する技術が知られている。
例えば、特許文献1には、太陽光を集めて空気を加熱する太陽光集熱器と、この太陽光集熱器によって加熱された空気をデシカントロータに送風する加熱空気輸送用ファンと、この加熱空気輸送用ファンの送風量を制御する制御部と、を備える空調装置について記載されている。
特開2010−96457号公報
ところで、外気の温湿度や日射量等を考慮すると、前記した加熱空気輸送用ファンの回転速度を小さくしても、デシカントロータの吸着剤を適切に再生できる場合がある。しかしながら、特許文献1に記載の発明は、このような点を考慮した構成になっておらず、システム全体のエネルギ効率をさらに向上させる余地がある。
そこで、本発明は、エネルギ効率の高い除湿システムを提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明に係る除湿システムは、太陽光発電パネルの発電電力からシステム全体の消費電力を減算することで算出される評価関数に基づいて、第1インバータを含む機器の駆動を制御することを特徴とする。
なお、詳細については、発明を実施するための形態において説明する。
本発明により、エネルギ効率の高い除湿システムを提供できる。
本発明の第1実施形態に係る除湿システムの構成図である。 除湿システムの制御装置を含む構成図である。 インバータの周波数を変化させた場合の、太陽光発電パネルの発電電力Wg、温水ポンプの消費電力Wa、その他機器の消費電力Wk、及び評価関数ΔWの大きさの変化を示す説明図である。 制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。 除湿システムの総消費電力ΣWの算出処理の流れを示すフローチャートである。 除湿システムにおける複数の箇所での状態を示す空気線図である。 本発明の第2実施形態に係る除湿システムの制御装置を含む構成図である。 制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第3実施形態に係る除湿システムの構成図である。 制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第4実施形態に係る除湿システムの構成図である。 制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。以下では、一例として、除湿機10(図1参照)がデシカントロータ11を有する場合について説明する。
≪第1実施形態≫
<除湿システムの構成>
図1は、本実施形態に係る除湿システムの構成図である。除湿システムSは、太陽光発電を行う際に太陽熱を回収し、除湿機10の吸着剤を再生するための熱源として利用するシステムである。
除湿システムSは、空気に含まれる水分をデシカントロータ11で吸着して除湿する処理側システム100と、水分を吸着したデシカントロータ11に熱風を送り込んで再生(脱着)させる再生側システム200と、を備えている。また、除湿システムSは、日射センサ301等のセンサ類と、制御装置400(図2参照)と、を備えている。
(除湿機)
まず、前記した処理側システム100と、再生側システム200と、の両方に含まれる除湿機10について説明する。除湿機10は、処理ファン103から送り込まれる空気(気体)を除湿し、除湿した空気を室内K(被空調空間)に供給するものである。除湿機10は、デシカントロータ11と、筐体12と、を有している。
デシカントロータ11は、室内Kに向かう空気の水分を処理エリアA1において吸着剤で吸着して除湿し、吸着した水分を再生エリアA2において脱着することで吸着剤を再生させる機能を有している。前記した吸着材とは、例えば、シリカゲル剤、ゼオライト剤である。
デシカントロータ11は円盤状を呈しており、処理ファン103等から送り込まれる空気の通流方向(紙面左右方向)と、前記円盤の径方向(紙面上下方向)と、が略垂直となるように設置されている。デシカントロータは11、円形状の面の略半分が処理エリアA1に露出し、残りの半分が再生エリアA2に露出した状態で回転可能に軸支されている。制御装置400からの指令に従ってモータ(図示せず)が駆動することで、筐体12内でデシカントロータ11が回転する。
筐体12は、処理エリアA1と再生エリアA2とを仕切壁12aで仕切るとともに、以下に示す各機器を収容している。すなわち、筐体12は、処理エリアA1において上流側から順(紙面右向き)に、処理ファン103、冷水熱交換器104、デシカントロータ11、及び冷水熱交換器105、を収容している。また、筐体12は、再生エリアA2において上流側から順(紙面左向き)に、再生ファン203、温水熱交換器205、及びデシカントロータ11を収容している。
処理エリアA1の流入口は、ダクトd1,d2を介して室内Kに連通するとともに、ダクトd3を介して系外に開放されている。処理エリアA1の流出口は、ダクトd4を介して室内Kに連通している。
再生エリアA2の流入口は、ダクトd1,d5を介して室内Kに連通するとともに、ダクトd6を介して系外に開放されている。再生エリアA2の流出口は、ダクトd7を介して系外に開放されている。
(処理側システム)
処理側システム100は、冷凍機101と、冷水ポンプ102と、処理ファン103と、冷水熱交換器104,105と、を有している。
冷凍機101は、例えば、周知の冷凍サイクルを利用したターボ冷凍機であり、処理ファン103から送り込まれる空気に冷熱を供給する冷熱源である。冷凍機101には、冷水熱交換器104,105が配管e1,e2を介して並列接続されている。
冷水ポンプ102は、制御装置400からの指令に従い、冷凍機101から冷水熱交換器104,105に向けて所定流量の冷水を圧送するポンプである。
処理ファン103は、ダクトd1、d2を介して室内Kから空気を吸い込み、処理エリアA1でデシカントロータ11に向けて空気を送り込むファンである。処理ファン103は、処理エリアA1の所定位置(上流部)に設置され、制御装置400からの指令に従って駆動する。
冷水熱交換器104(第2熱交換器)は、自身を通流する冷水と、処理ファン103から送り込まれる空気と、を熱交換することで前記した空気を冷却する熱交換器である。冷水熱交換器104は、処理エリアA1において処理ファン103とデシカントロータ11との間に介装されている。
冷水熱交換器105(第2熱交換器)は、自身を通流する冷水と、デシカントロータ11で除湿された空気と、を熱交換することで前記した空気を冷却する熱交換器である。冷水熱交換器105は、処理エリアA1においてデシカントロータ11の下流側に設置されている。
つまり、本実施形態では、デシカントロータ11を挟むように二つの冷水熱交換器104,105が設置され、処理ファン103から送り込まれる空気を二段階で冷却する構成になっている。
なお、冷水熱交換器104,105を経由するように配設される「第2循環流路」は、配管e1、冷水熱交換器104,105の伝熱管、及び配管e2を含んで構成される。前記した冷凍機101は、この第2循環流路を介して通流する冷水の温度を調整する機能を有している。
(再生側システム)
再生側システム200は、太陽光発電ユニット201と、温水ポンプ202と、再生ファン203と、インバータ204と、温水熱交換器205と、を備えている。
太陽光発電ユニット201は、太陽光発電を行うとともに、太陽熱を回収する機能を有している。太陽光発電ユニット201は、太陽光が照射されることで発電する太陽光発電パネル201aと、太陽熱を温水(熱媒体)によって回収する熱回収装置201bと、を有している。
太陽光発電パネル201aは、太陽光の光エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池モジュール(図示せず)を複数有している。それぞれの太陽電池モジュールは互いに直並列接続され、太陽光が適切に照射されるように仰角が設定されている。ちなみに、太陽光発電パネル201aとして、太陽の位置に応じて仰角を変化させる可動式のものを用いてもよい。
太陽光発電パネル201aには、その発電電圧を昇降圧するコンバータ(図示せず)、太陽光発電パネル201aの発電電力が供給される負荷(図示せず)等が電気的に接続されている。
熱回収装置201b(熱回収手段)は、太陽光発電パネル201aの背面に設置され、温水によって太陽熱を回収する機能を有している。熱回収装置201bには、太陽熱を回収するための温水が通流する温水流路(図示せず)が形成されている。
なお、熱回収装置201bを経由するように配設される「第1循環流路」は、配管f1と、前記した温水流路と、配管f2と、温水熱交換器205の伝熱管と、を含んで構成される。
太陽光発電パネル201aに太陽光が照射されると、前記した温水流路(図示せず)を通流する温水が、太陽熱によって昇温する。なお、図1では、三つの熱回収装置201bが並列接続される構成を示したが、熱回収装置201b(太陽光発電ユニット201)の個数及び接続関係は適宜変更できる。
温水ポンプ202(第1循環手段)は、制御装置400からの指令に従い、前記した第1循環流路を介して温水を循環させるポンプであり、配管f1に設置されている。
再生ファン203は、ダクトd5,d6を介して空気を吸い込み、再生エリアA2でデシカントロータ11に向けて空気を送り込むファンである。再生ファン203は、再生エリアA2の所定位置(上流部)に設置され、制御装置400からの指令に従って駆動する。
インバータ204(第1インバータ)は、温水ポンプ202のモータ(図示せず)の周波数を制御するものであり、制御装置400(図2参照)からの指令に従って駆動する。
温水熱交換器205(第1熱交換器)は、自身の伝熱管を通流する温水と、再生エリアA2においてデシカントロータ11に向かう空気と、を熱交換させる熱交換器である。温水熱交換器205の伝熱管は、上流端が配管f1を介してそれぞれの熱回収装置201bに接続され、下流端が配管f2を介してそれぞれの熱回収装置201bに接続されている。温水熱交換器205は、再生エリアA2において再生ファン203とデシカントロータ11との間に介装されている。
(センサ類)
除湿システムSは、日射センサ301と、温湿度センサ302,303と、を備えている。
日射センサ301は、太陽光発電パネル201aに照射される日射量を検出し、検出した日射量を制御装置400(図2参照)に出力する。温湿度センサ302は、外気の温湿度を検出し、検出した温湿度を制御装置400に出力する。温湿度センサ303は、処理エリアA1において冷水熱交換器104よりも下流側、かつ、デシカントロータ11よりも上流側に設置されている。温湿度センサ303は、冷水熱交換器104からデシカントロータ11に向かう空気の温湿度を検出し、制御装置400に出力する。
(制御装置)
制御装置400(制御手段)は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、各種インタフェースなどの電子回路(図示せず)を含んで構成され、設定されたプログラムに従って各種処理を実行する。
図2は、制御装置を含む構成図である。図2に示すように、制御装置400は、記憶部401と、制御部402と、を有している。
記憶部401(記憶手段)には、温水ポンプ特性情報401a、熱回収装置特性情報401b、熱交換器特性情報401c、除湿機特性情報401d、発電パネル特性情報401e、及び室内モデル401fを含む情報が、数式又はデータベースとして格納されている。なお、それぞれの特性情報については後記する。
制御部402は、日射センサ301、温湿度センサ302,303から入力される情報と、記憶部401に格納されている情報と、を用いてインバータ204の周波数等を制御する。ちなみに、図2に示す「その他機器」とは、デシカントロータ11を回転させるモータ(図示せず)、冷凍機101、処理ファン103、及び再生ファン203を含んでいる。制御部402が実行する処理の詳細については後記する。
<評価関数について>
図3は、インバータの周波数を変化させた場合の、太陽光発電パネルの発電電力Wg、温水ポンプの消費電力Wa、その他機器の消費電力Wk、及び評価関数ΔWの大きさの変化を示す説明図である。以下では、制御装置400が、前記した「その他機器」のそれぞれを定電力(定回転速度)で駆動し、外気の温湿度や日射量に応じてインバータ204(図1参照)の周波数を調整するものとする。
インバータ204の周波数を大きくした場合、温水ポンプ202によって圧送される温水の流量が増大する。したがって、熱回収装置201bで回収される熱量が大きくなり、太陽光発電パネル201aの放熱量が大きくなる。ここで、太陽光発電パネル201aは、日射量を一定とした場合、その温度が低いほど発電効率が大きくなるという特性を有している。したがって、図3に示すように、インバータ204の周波数を大きくするほど、太陽光発電パネル201aの発電電力も大きくなる。
一方、インバータ204の周波数を大きくした場合、図3に示すように、温水ポンプ202の消費電力Waも大きくなる。なお、前記したその他機器(冷凍機101、処理ファン103、再生ファン203等)の消費電力は一定である。
したがって、太陽光発電パネル201aの発電電力Wgから消費電力Wa,Wkの和(又は、消費電力Waのみ)を減算した評価関数ΔWの大きさが最大となる場合、除湿システムSのエネルギ効率が最大になる。
なお、太陽光の照射量は時間が経過するにつれて変化するため、太陽光発電パネル201aの発電電力Wgも変動する。また、制御部402は、外気の温湿度の変動に対応しつつ、室内Kの設定湿度を満足するようにインバータ204等を制御する必要がある。本実施形態では、前記した条件下で制御部402がシミュレーションを行い、評価関数ΔWを最大化するようにインバータ204を制御する構成にした。
<制御装置の動作>
図4は、制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS101において制御部402は、日射センサ301から入力される日射量と、温湿度センサ302,303から入力される温湿度と、を読み込む。
ステップS102において制御部402は、現時点での空調負荷Q0を算出する。すなわち、制御部402は、ステップS101で読み込んだ日射量及び外気の温湿度と、記憶部401に格納されている室内モデル401f(図2参照)と、に基づいて、空調負荷Q0を算出する。なお、前記した室内モデル401fとは、室内Kの容積及び構造、室内Kに設置される電気機器(図示せず)の発熱量等に基づき、日射量や外気の温湿度に応じて空調負荷Q0を出力するモデルであり、予め記憶部401に格納されている。
ステップS103において制御部402は、室内Kを所定の設定湿度とするための必要除湿量H0を算出する。すなわち、制御部402は、室内Kの設定湿度と、ステップS101で読み込んだ温湿度センサ303の検出値(つまり、デシカントロータ11よりも上流側の温湿度)と、ステップS102で算出した空調負荷Q0と、に基づいて必要除湿量H0を算出する。
ステップS104において制御部402は、温水ポンプ202に接続されるインバータ204の周波数fwを最大値fw(Max)とする。前記した最大値fw(Max)は、所定の変化幅Δfでインバータの周波数を変更する際(S114,S115)の初期値であり、予め設定されている。また、制御部402は、値iとして0を入力する。値iは、後記するステップS105〜S113の処理を行うたびにインクリメントされる整数である。
以下で説明するステップS105〜S113の処理は、ステップS104(又は後記するS115)で設定した周波数でインバータ204を駆動すると仮定した場合でのシミュレーションである。
ステップS105において制御部402は、再生ファン203の風量Fを算出する。なお、本実施形態では再生ファン203を定速回転させるため、前記した風量Fは一定である。
ステップS106において制御部402は、温水ポンプ202の流量Qを算出する。すなわち、制御部402は、図2に示す温水ポンプ特性情報401aを参照し、ステップS104で設定したインバータの周波数fw(Max)に対応する温水ポンプ202の流量Qを算出する。
ここで、温水ポンプ特性情報401a(第1循環手段特性情報)とは、温水ポンプ202を駆動するインバータ204の周波数fwに対応して、温水ポンプ202の流量Q及び消費電力を特定するための情報である。なお、温水ポンプ202の消費電力は、後記するステップS110の処理で用いられる。
ステップS107において制御部402は、デシカントロータ11の再生温度Trを算出する。ここで、前記した「再生温度」とは、再生エリアA2において温水熱交換器205で昇温した空気(温水熱交換器205よりも下流側、かつ、デシカントロータ11よりも上流側の空気)の温度である。
まず、制御部402は、図2に示す熱回収装置特性情報401bを参照し、ステップS101で読み込んだ日射量及び外気温度に対応する熱回収量を算出する。なお、前記した熱回収量とは、熱回収装置201bにおいて単位時間当たりに温水が太陽光発電パネル201aから回収する熱量を意味している。
また、熱回収装置特性情報401b(熱回収手段特性情報)とは、太陽光発電パネル201aに照射される太陽光の日射量、及び外気温度に対応して、熱回収装置201bの熱回収量を特定するための情報である。
さらに、制御部402は、図2に示す熱交換器特性情報401cを参照し、前記した熱回収量と、ステップS105で算出した風量Fと、ステップS106で算出した流量Qと、に対応する再生温度Trを算出する。
なお、熱交換器特性情報401c(第1熱交換器特性情報)とは、熱回収装置201bの熱回収量、温水ポンプ202の流量Q、及び再生ファン203の風量Fに対応して、温水熱交換器205からデシカントロータ11に向かう空気の温湿度を特定するための情報である。
ステップS108において制御部402は、処理エリアA1での除湿量Hを算出する。すなわち、制御部402は、図2に示す除湿機特性情報401dを参照し、ステップS101で読み込んだ温湿度センサ303の検出値と、ステップS107で算出した再生温度Trと、に基づいて、デシカントロータ11による除湿量H(単位時間当たりの吸着量)を算出する。
ここで、除湿機特性情報401dとは、温水熱交換器205からデシカントロータ11に向かう空気の温湿度、及び、処理エリアA1においてデシカントロータ11に向かう空気の温湿度に対応して、除湿機10による除湿量Hを特定するための情報である。なお、再生温度Trが高いほど除湿量Hの値も大きくなる。
これによって、インバータ204を周波数fw(Max)で駆動した場合の除湿量Hを算出できる。
ステップS109において制御部402は、ステップS108で算出した除湿量HがステップS103で算出した必要除湿量H0以上であるか否かを判定する。つまり、制御部402は、インバータ204を周波数fw(Max)で駆動すると仮定した場合、室内Kを所定の設定湿度以下にするための必要除湿量H0を満たしているか否かを判定する。
除湿量Hが必要除湿量H0以上である場合(S109→Yes)、制御部402の処理はステップS110に進む。一方、除湿量Hが必要除湿量H0未満である場合(S109→No)、制御部402の処理はステップS114に進む。
ステップS110において制御部402は、除湿システムS全体での総消費電力ΣWを算出する。図5は、除湿システムの総消費電力ΣWの算出処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS1101において制御部402は、温水ポンプ202の消費電力Waを算出する。すなわち、制御部402は、前記した温水ポンプ特性情報401a(図2参照)を参照し、ステップS104で設定した周波数fw(=fw(Max))での温水ポンプ202の消費電力を算出する。
ステップS1102において制御部402は、冷水ポンプ102の消費電力Wbを算出する。ステップS1103において制御部402は、冷凍機101の消費電力Wcを算出する。なお、本実施形態では、前記した各消費電力Wb,Wcは一定である。
ステップS1104において制御部402は、除湿システムSの総消費電力ΣWを算出する。すなわち、制御部402は、ステップS1101〜S1103で算出した各消費電力Wa,Wb,Wc,…の和(=ΣW)を算出する。
次に、図4のステップS111において制御部402は、太陽光発電ユニット201の発電電力(三つの太陽光発電ユニット201の発電電力の和)を算出する。
まず、制御装置400は、熱回収装置特性情報401b及び発電パネル特性情報401e(図2参照)に基づき、ステップS101で読み込んだ日射量及び外気温度と、ステップS106で算出した温水ポンプ202の流量Qと、に対応する太陽光発電パネル201aの温度を算出する。
次に、制御部402は、図2に示す発電パネル特性情報401eを参照し、前記した太陽光発電パネル201aの温度と、ステップS101で読み込んだ日射量と、に対応する発電電力Wgを算出する。なお、太陽光発電パネル201aの温度が低くなるほど太陽光発電パネル201aの発電電力Wgは大きくなる。また、日射量の値が大きくなるほど太陽光発電パネル201aの発電電力Wgは大きくなる。
ステップS112において制御部402は、評価関数ΔWを算出する。前記した評価関数ΔWは、発電電力Wgから総消費電力ΣWを減算することで求められる。評価関数ΔWの値が大きいほど、除湿システムS全体でのエネルギ効率は高くなる。
ステップS113において制御部402は、値iが値Nに等しいか否かを判定する。前記した値Nは、インバータ204の周波数fwを変化させる際の下限値(つまり、fw(Max)−NΔf)を規定する値であり、予め設定されている。値iが値Nよりも小さい場合(S113→No)、制御部402の処理はステップS114に進む。
ステップS114において制御部402は値iをインクリメントする。
ステップS115において制御部402は、インバータ204の周波数fwを(fw(Max)−iΔf)に設定する。前記した周波数fw(Max)は、ステップS104の処理で設定された値である。また、変化幅Δfは制御部402の演算速度等を考慮して予め設定されている。
また、値iが値Nに等しい場合(S113→Yes)、制御部402の処理はステップS116に進む。この場合、N+1通りの周波数(fw(Max)、fw(Max)−Δf、fw(Max)−2Δf、…、fw(Max)−NΔf)のそれぞれについて、評価関数ΔWを算出したことになる。
ステップS116において制御装置は、インバータ204の周波数を、前記したN個の評価関数ΔWのうち最大となるものに対応する周波数f1wに設定する。つまり、制御部402は、除湿システムS全体のエネルギ効率が最大となるようにインバータ204の周波数を設定する。
ステップS117において制御部402は、ステップS116で設定した周波数でインバータ204を駆動し、処理を終了する(END)。その他、制御部402は、所定の回転速度で冷水ポンプ102を駆動するとともに、冷凍機101を駆動して冷水熱交換器104,105に冷水を循環させる。
なお、時間が経過するにつれて太陽の仰角が変化するため、制御部402は、図2に示す処理を一日当たり複数回(例えば、数時間に一回)実行する。
<除湿システムの動作>
図6は、除湿システムにおける複数の箇所での状態を示す空気線図である。図6に示す状態P1〜P7は、図1に示す位置P1〜P7に対応している。制御部402は、前記した周波数f1wでインバータ204を制御して温水ポンプ202を駆動するとともに、冷凍機101、冷水ポンプ102、再生ファン203、及び処理ファン103を駆動する。
ダクトd1,d2を介して通流する室内空気、及び、ダクトd3を介して通流する外気は、処理ファン103に吸い込まれ、冷水熱交換器104に向けて吹き出される。なお、処理エリアA1において冷水熱交換器104よりも上流側の位置P1では、例えば、乾球温度32.2℃、相対湿度65%である。処理ファン103から吹き出された空気は、冷水熱交換器104で冷水と熱交換して放熱する。なお、冷水熱交換器104とデシカントロータ11の間の位置P2では、例えば、乾球温度20℃、相対湿度95%である。
冷水熱交換器104から流出した空気は、デシカントロータ11で除湿される。デシカントロータ11の吸着剤に水分が吸着する際、吸着熱によって空気が加熱される。なお、デシカントロータ11と冷水熱交換器105との間の位置P3では、例えば、乾球温度28.35℃、相対湿度43.85%である。
デシカントロータ11で除湿された空気は、冷水熱交換器105で冷水と熱交換して放熱する。なお、冷水熱交換器105よりも下流側の位置P4を通流する空気は、例えば、乾球温度18℃、相対湿度82%である。このように除湿・冷却された空気は、ダクトd4を介して室内Kに吹き出される。
なお、位置P1の絶対湿度よりも位置P4の絶対湿度のほうが低くなっており、適切に除湿されていることがわかる。
一方、ダクトd1,d5を介して通流する室内空気、及び、ダクトd6を介して通流する外気は再生ファン203に吸い込まれ、温水熱交換器205に向けて吹き出される。なお、再生エリアA2において温水熱交換器205よりも上流側の位置P5では、例えば、乾球温度23℃、相対湿度60%である。
再生ファン203から吹き出された空気は温水熱交換器205で温水と熱交換して吸熱する。なお、再生ファン203とデシカントロータ11との間の位置P6では、例えば、乾球温度35℃、相対湿度30%である。図6に示すように、この状態において除湿限界付近まで除湿されている。
温水熱交換器205で熱交換した空気は、デシカントロータ11の吸着剤から水分を取り込む。これによって、吸着剤が再生(脱着)する。なお、再生エリアA2においてデシカントロータ11よりも下流側の位置P7では、例えば、乾球温度26℃、相対湿度67%である。
デシカントロータ11の吸着剤を再生させた後、空気はダクトd7を介して系外に排出される。デシカントロータ11は回転しているため、前記した吸着と再生(脱着)とが継続的に行われる。
<効果>
本実施形態に係る除湿システムSによれば、太陽光発電パネル201aを用いて太陽光発電を行うとともに、熱回収装置201bを用いて回収した太陽熱をデシカントロータ11(吸着剤)の再生に利用する。このように、太陽光発電に加えて太陽熱を回収することで、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
さらに、電気ヒータやボイラを用いることなくデシカントロータ11の吸着剤を再生できるため、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
また、制御部402は、予め定められたN通りの周波数のそれぞれについてシミュレーションを行い、評価関数ΔWを最大とするようにインバータ204の周波数を設定する。これによって、温水ポンプ202の消費電力を可変とし、他の機器の消費電力を一定とするという条件下で、除湿システムS全体でエネルギ効率を最大限に高めることができる。
また、空調負荷Q0に基づいて算出される必要除湿量H0を満たし、かつ、温度や日射量で発電電力が変化する太陽光発電パネル201aの特性を考慮した制御を行うことで、インバータ204の周波数を適切に算出できる。
さらに、温水ポンプ202のみにインバータ204が設置されていることから、制御部402が実行する演算量を比較的少なくすることができるとともに、システム全体に要するコストを低減できる。
≪第2実施形態≫
第2実施形態に係る除湿システムSは、第1実施形態と比較して、記憶部401A(図7参照)に格納されているデータと、制御部402A(図7参照)の処理内容と、が異なるが、その他については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
<制御装置の構成>
図7は、本実施形態に係る除湿システムが備える制御装置を含む構成図である。制御装置400Aは、記憶部401Aと、制御部402Aと、を備えている。
記憶部401A(記憶手段)には、日射量と、外気温湿度と、デシカントロータ11よりも上流側の空気の温湿度と、に対応付けて、前記した評価関数ΔWを最大にするインバータの周波数f1wが予め検出値‐周波数テーブル401g(テーブル)として格納されている。
すなわち、想定される範囲での日射量、外気温湿度、及びデシカントロータ11よりも上流側の空気の温湿度に関して、制御部402Aが第1実施形態で説明した演算処理(図4、図5参照)を予め実行し、検出値‐周波数テーブル401gとして記憶部401Aに格納しておく。
<制御装置の動作>
図8は、制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。ステップS101で各検出値を読み込んだ後、ステップS201において制御部402Aは、図8に示す検出値‐周波数テーブル401gを参照し、ステップS101で読み込んだ日射量及び温湿度に対応する周波数f1w(インバータ204の周波数)を取得する。
これによって、インバータ204に関して、ステップS101で読み込んだ条件下で評価関数ΔWを最大にする周波数f1wをただちに取得できる。
ステップS117は、第1実施形態で説明した処理(図4参照)と同様である。
<効果>
本実施形態に係る除湿システムSでは、インバータ204に関し、評価関数ΔWを最大にする周波数f1wが検出値‐周波数テーブル401gとして予め記憶部401Aに格納されている。したがって、第1実施形態と比較して、制御部402Aの演算負荷を大幅に軽減できるとともに、システム全体のエネルギ効率を最大にする周波数f1wをただちに取得できる。
≪第3実施形態≫
第3実施形態に係る除湿システムSは、第1実施形態に係る除湿システムSに冷却塔110(図9参照)、送風機の周波数を制御するインバータ113、及び、再生ファン203の周波数を制御するインバータ206を追加した点が異なるが、その他の点は第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
<除湿システムの構成>
図9は、本実施形態に係る除湿システムの構成図である。冷却塔110は、送風機111から送り込まれる外気との熱交換によって、配管e1,e2等を通流する冷水を冷却するものである。冷却塔110は、例えば、開放式の冷却塔であり、その内部に担持された充填材(図示せず)に冷却水を流し、外気と熱交換させることで冷却水を冷やすものである。冷却塔110は、前記した充填材に向けて外気を送り込む送風機111と、配管g1,g2を介して冷却水を圧送する冷却水ポンプ112と、を有している。
配管g1、冷却塔110の伝熱管、及び配管g2を含む循環流路は、冷凍機101を経由するように配設されている。前記した循環流路を介して冷却水を循環させることで、冷却塔110で冷やされた低温の冷却水と、冷水熱交換器104,105から冷凍機101に流入する比較的高温の水(冷水)と、が熱交換する。
インバータ113(第2インバータ)は、制御装置400から入力される指令に応じた周波数で送風機111を駆動する。
インバータ206(第1インバータ)は、制御装置400から入力される指令に応じた周波数で再生ファン203を駆動する。
なお、本実施形態では、制御装置400の記憶部(図2参照)に再生ファン特性情報(図示せず)が格納されている。前記した「再生ファン特性情報」とは、再生ファン203を駆動するインバータ206の周波数に対応して、再生ファン203の風量及び消費電力を特定するための情報である。
<制御装置の動作>
図10は、制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。ステップS103で必要除湿量H0を算出した後、ステップS201において制御装置400は、各インバータ204,113,206の周波数をそれぞれ最大値fw(Max),fc(Max),ft(Max)に設定する。前記した周波数fw(Max)とは、インバータ204の周波数を逐次変更する際の最大値(初期値)であり、予め設定されている。周波数fc(Max),ft(Max)についても同様である。
ステップS112で評価関数ΔWを算出した後、ステップS202において制御装置400は、周波数fw,fc,ftの全ての組合せについて評価関数ΔW(=Wg−ΣW)を算出したか否かを判定する。ここで、「周波数fw,fc,ftの全ての組合せ」とは、周波数{fw(Max)、fw(Max)−ΔfA、…、fw(Max)−NΔfA、}、周波数{fc(Max)、fc(Max)−ΔfB、…、fc(Max)−MΔfB、}、及び周波数{ft(Max)、ft(Max)−ΔfC、…、ft(Max)−KΔfC、}の全ての組合せのことを意味している。
なお、前記した値N,M,K、及び周波数の変化幅ΔfA,ΔfB,ΔfCは、予め設定されている。
評価関数ΔWを算出していない周波数の組合せが少なくとも一つ存在する場合(S202→No)、制御装置400の処理はステップS203に進む。ステップS203において制御装置400は、まだ評価関数ΔWを算出していない組合せとなるように、周波数fw,fc,ftのうち少なくとも一つを変更し、ステップS105の処理に進む。
周波数fw,fc,ftの全ての組合せについて評価関数ΔWを算出した場合(S202→Yes)、制御装置400の処理はステップS204に進む。ステップS204において制御装置400は、評価関数ΔWが最大となるように周波数f1w,f1c,f1tを設定する。ステップS205において制御装置400は、ステップS204で設定した周波数f1wで温水ポンプを駆動し、周波数f1cで冷却塔110の送風機111を駆動し、周波数f1tで再生ファン203を駆動する。
<効果>
本実施形態に係る除湿システムSによれば、冷水熱交換器104,105で吸熱した冷水(水)と、冷却塔110から流入する冷却水と、を熱交換することで、前記した冷水を放熱させることができる。つまり、冷水熱交換器104,105から流出する冷水(水)に外気の冷熱を与えることで、冷凍機101の負担を軽減できる。その結果、除湿システムS全体のエネルギ効率を向上させることができる。
また、制御装置400は、評価関数ΔWが最大となるように各周波数f1w,f1c,f1tを設定する。このように複数のインバータ204,113,206の周波数に関して、評価関数ΔWが最大となるポイントで運転するため、除湿システムS全体のエネルギ効率を第1実施形態よりもさらに高めることができる。
≪第4実施形態≫
第4実施形態に係る除湿システムSは、第3実施形態の構成に温水槽211と、温水ポンプ212と、温水温度調整器213と、温度センサ214と、を追加した点が異なるが、その他は第3実施形態と同様である。したがって、第3実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
<除湿システムの構成>
図11は、本実施形態に係る除湿システムの構成図である。温水槽211(タンク)は、熱回収装置201bから配管f1を介して流入する温水を一時的に貯留するものである。温水槽211は、熱回収装置201bと温水熱交換器205とを接続する第1循環流路(配管f1,f2を含む)に介在するように設置されている。
一方の温水ポンプ202(第1循環手段)は、温水槽211から温水熱交換器205に向かう温水が通流する配管f1に設置されている。
他方の温水ポンプ212は、温水槽211から熱回収装置201bに向かう温水が通流する配管f2に設置されている。温水ポンプ202,212を駆動することで、所定流量の温水が前記した第1循環流路を介して循環する。
温水温度調整器213(温度調整手段)は、例えば、電気ヒータであり、制御装置400からの指令に応じた電流を流すことで抵抗体を発熱させ、温水を加熱する熱源である。温水温度調整器213は、温水槽211に貯留される温水が所定温度となるように調整する。なお、温水温度調整器213として、ボイラ等を用いてもよい。
温度センサ214は、温水槽211から温水熱交換器205に向かう温水が通流する配管f1に設置され、温水槽211から流出する温水の温度を検出して制御装置400に出力する。
<制御装置の動作>
図12は、制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。ステップS103で必要除湿量H0を算出した後、ステップS301において制御装置400は、インバータ204,113,206の周波数を最大値に設定する(fw=fw(Max),fc=fc(Max),ft=ft(Max))。また、温水槽211の温水温度が最大値となるように(Tw=Tw(Max))、温水温度調整器213に流す電流値を設定する。
ステップS112で評価関数ΔWを算出した後、ステップS302において制御装置400は、周波数fw,fc,ft、及び温水温度Twの全ての組合せについて評価関数ΔWを算出したか否かを判定する。評価関数ΔWを算出していない周波数の組合せが少なくとも一つ存在する場合(S302→No)、制御装置400の処理はステップS303に進む。ステップS303において制御装置400は、周波数fw,fc,ft、及び温水温度Twのうち少なくとも一つを変更し、ステップS105の処理に進む。
周波数fw,fc,ft、温水温度Twの全ての組合せについて評価関数ΔWを算出した場合(S302→Yes)、制御装置400の処理はステップS304に進む。ステップS304において制御装置400は、評価関数ΔWが最大となるように周波数f1w,f1c,f1t、及び温水温度T1wを設定する。
ステップS305において制御装置400は、ステップS304で設定した周波数f1wで温水ポンプ202を駆動し、周波数f1cで冷却塔110の送風機111を駆動し、周波数f1tで再生ファン203を駆動する。また、制御装置400は、ステップS304で設定した温水温度T1wとなるように温水温度調整器213を制御する。
<効果>
本実施形態に係る除湿システムSによれば、温水温度調整器213は、制御装置400からの指令に従って、温水槽211に貯留される温水が所定温度となるように制御する。
熱回収装置201bによって回収される太陽熱の熱量は、季節、天候、時間帯等によって変動するが、前記したように温水温度を所定温度となるように調整することで、再生ファン203から吹き出される空気に対して温水から安定的に放熱させることができる。
≪変形例≫
以上、本発明に係る除湿システムSについて各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、前記各実施形態では、日射センサ301を用いて日射量を検出する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、日射センサ301を省略し、日時情報や天気情報に基づいて制御装置400が日射量を推定するようにしてもよい。
また、前記各実施形態では、日射量、外気の温湿度、及び室内モデル401f(図2参照)に基づいて、制御装置400が空調負荷Q0を算出する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、ダクトd4を介して室内Kに流入する空気のエンタルピ及び風量と、ダクトd1を介して室内Kから流出する空気のエンタルピ及び風量と、に基づいて、制御装置400が直接的に空調負荷Q0を算出してもよい。
また、前記各実施形態において制御装置400は、評価関数ΔWを最大とするようにインバータ204を含む機器を制御する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、評価関数ΔWに加えて他の指標(例えば、室内Kのコンピュータに冷風を送るファンの消費電力)も考慮してインバータ204等の周波数を決定してもよい。
また、第1実施形態では、温水ポンプ202に設置されるインバータ204(図1参照)の周波数を制御する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、前記したインバータ204に代えて、再生ファン203に設置されるインバータ206(図9参照)の周波数を制御する構成にしてもよい。また、インバータ204,206の両方を設置し、評価関数ΔWが最大となるようにインバータ204,206の周波数を制御してもよい。
また、温水ポンプ202(図1参照)、送風機111(図9参照)、再生ファン203(図9参照)、及び温水温度調整器213のうち少なくとも一つにインバータを設置し、当該インバータの周波数を評価関数ΔWに基づいて制御するようにしてもよい。
また、前記各実施形態では、太陽光発電パネル201aの背面に熱回収装置201bを設置する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、太陽光発電パネル201aの表面及び背面のうち少なくとも一方に熱回収装置を設置してもよい。
また、前記各実施形態では、処理エリアA1においてデシカントロータ11の上流側に冷水熱交換器104を設置し、下流側に冷水熱交換器105を設置する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、処理エリアA1においてデシカントロータ11の上流側・下流側のいずれか一方のみに冷水熱交換器を設置する構成にしてもよい。
また、第1実施形態では、除湿機10において処理エリアA1のみに温湿度センサ303(図1参照)を設置する場合について説明したが、これに限らない。例えば、別の温湿度センサを追加し、この温湿度センサを再生エリアA2において温水熱交換器205とデシカントロータ11との間に設置してもよい。この場合、制御部402は、追加した温湿度センサによる検出値も含めて必要除湿量H0等を算出する。
なお、必要除湿量H0等を算出可能であれば、温湿度センサの位置を適宜変更してもよい。
また、前記各実施形態で説明した除湿システムSに、冷凍機101の駆動(例えば、ヒートポンプサイクルを構成する圧縮機の駆動)を制御することで冷水温度を調整する冷水温度調整装置を追加してもよい。この場合において制御部402は、評価関数ΔWに基づいて、前記した冷凍機101の温度調整装置を含む機器を制御する。
また、前記各実施形態では、日射センサ301を設置する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、これらに代えて、温水熱交換器205に流入する温水の温度を検出する温度センサ、温水熱交換器205から流出する温水の温度を検出する温度センサ、及び、再生エリアA2においてデシカントロータ11の上流側の温湿度を検出する温湿度センサを追加してもよい。この場合、制御装置400は、それぞれの温度センサ及び温湿度センサの検出値に基づいて、空調負荷Q0、必要除湿量H0等を算出する。
また、前記各実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、第2実施形態と第3実施形態とを組み合わせて、日射量、外気の温湿度等に応じて評価関数ΔWを最大にするインバータ204,113,206(図9参照)の周波数を算出し、検出値‐周波数テーブル401g(図7参照)として記憶部401Aに予め格納する構成でもよい。
また、前記各実施形態では、処理エリアA1において空気に冷熱を供給する熱媒体、及び、再生エリアA2において空気に熱を供給する熱媒体が水である場合について説明したが、水以外の熱媒体を用いてもよい。
また、前記各実施形態では、除湿機10がデシカントロータ11を有する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、室内Kに向けて通流する空気の水分を処理エリアA1において吸着し、吸着した水分を再生エリアA2で脱着する構成であれば、他の種類の除湿機を用いてもよい。例えば、処理エリアA1と再生エリアA2とを時間的に交互に切り替える切替手段を備える構成でもよい。
S 除湿システム
10 除湿機
11 デシカントロータ
100 処理側システム
101 冷凍機
104,105 冷水熱交換器(第2熱交換器)
110 冷却塔
111 送風機
113 インバータ(第2インバータ、機器)
204,206 インバータ(第1インバータ、機器)
200 再生側システム
201 太陽光発電ユニット
201a 太陽光発電パネル
201b 熱回収装置(熱回収手段)
202 温水ポンプ(第1循環手段、機器)
203 再生ファン
205 温水熱交換器(第1熱交換器)
211 温水槽(タンク)
213 温水温度調整器(温度調整手段、機器)
301 日射センサ
302,303 温湿度センサ
400,400A 制御装置(制御手段)
401,401A 記憶部(記憶手段)
401a 温水ポンプ特性情報(第1循環手段特性情報)
401b 熱回収装置特性情報(熱回収手段特性情報)
401c 熱交換器特性情報(第1熱交換器特性情報)
401d 除湿機特性情報
401e 発電パネル特性情報
401f 室内モデル
401g 検出値‐周波数テーブル(テーブル)
402,402A 制御部
A1 処理エリア
A2 再生エリア
e1,e2 配管(第2循環流路)
f1,f2 配管(第1循環流路)

Claims (7)

  1. 太陽光が照射されることで発電する太陽光発電パネルと、前記太陽光発電パネルの少なくとも一方の面に設置され、太陽熱を熱媒体によって回収する熱回収手段と、を有する太陽光発電ユニットと、
    前記熱回収手段を経由する第1循環流路に配置され、前記第1循環流路を介して前記熱媒体を循環させる第1循環手段と、
    被空調空間に向けて通流する気体の水分を処理エリアにおいて吸着剤で吸着して除湿し、前記吸着した水分を再生エリアにおいて脱着させて前記吸着剤を再生する除湿機と、
    前記第1循環流路を介して循環する熱媒体と、前記除湿機の再生エリアに向かう気体と、を熱交換する第1熱交換器と、
    前記第1熱交換器を介して前記除湿機に向かうように、前記再生エリアにおいて気体を通流させる再生ファンと、
    前記第1循環手段及び前記再生ファンのうち少なくとも一つに設置される第1インバータと、
    前記太陽光発電パネルの発電電力からシステム全体の消費電力を減算することで算出される評価関数に基づいて、前記第1インバータを含む機器の駆動を制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とする除湿システム。
  2. 前記制御手段は、
    前記評価関数に基づき、当該評価関数を最大とするように、前記第1インバータを含む機器の駆動を制御すること
    を特徴とする請求項1に記載の除湿システム。
  3. 前記太陽光発電パネルに照射される太陽光の日射量、外気温度、及び前記処理エリアにおいて前記吸着剤に向かう気体の温湿度に対応して、前記評価関数を最大とする前記第1インバータの周波数がテーブルとして格納される記憶手段を備え、
    前記制御手段は、
    日射センサによって検出される日射量と、温湿度センサによって検出される外気の温湿度と、前記処理エリアにおいて前記吸着剤に向かう気体の温湿度を検出する別の温湿度センサの検出値と、を含む情報に対応する前記第1インバータの周波数を、前記テーブルを参照して取得すること
    を特徴とする請求項2に記載の除湿システム。
  4. 前記第1循環手段を駆動する前記第1インバータの周波数に対応して、前記第1循環手段の流量及び消費電力を特定する第1循環手段特性情報と、
    前記太陽光発電パネルに照射される太陽光の日射量、及び外気温度に対応して、前記熱回収手段の熱回収量を特定する熱回収手段特性情報と、
    前記再生ファンを駆動する前記第1インバータの周波数に対応して、前記再生ファンの風量及び消費電力を特定する再生ファン特性情報と、
    前記熱回収量、前記第1循環手段の流量、及び前記再生ファンの風量に対応して、前記再生エリアにおいて前記第1熱交換器から前記吸着剤に向かう気体の温湿度を特定する第1熱交換器特性情報と、
    前記再生エリアにおいて前記第1熱交換器から前記吸着剤に向かう気体の温湿度、及び、前記処理エリアにおいて前記吸着剤に向かう気体の温湿度、に対応して、前記除湿機による除湿量を特定する除湿機特性情報と、
    前記日射量、外気温度、及び前記第1循環手段の流量に対応して前記太陽光発電パネルの温度を特定するとともに、当該太陽光発電パネルの温度、及び前記日射量に対応して前記太陽光発電パネルの発電電力を特定する発電パネル特性情報と、
    が少なくとも格納される記憶手段を備え、
    前記制御手段は、
    日射センサによって検出される日射量と、温湿度センサによって検出される外気の温湿度と、前記処理エリアにおいて前記吸着剤に向かう気体の温湿度を検出する別の温湿度センサの検出値と、前記記憶手段に格納されるそれぞれの特性情報と、に基づいてシミュレーションを実行し、前記評価関数を算出すること
    を特徴とする請求項1に記載の除湿システム。
  5. 前記第1循環流路に配置され、前記第1循環流路を介して循環する前記熱媒体を一時的に貯留するタンクと、
    前記タンクに貯留される前記熱媒体の温度を調整する温度調整手段と、を備え、
    前記制御手段は、前記評価関数に基づいて前記第1インバータ及び前記温度調整手段を含む前記機器の駆動を制御すること
    を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の除湿システム。
  6. 前記処理エリアにおいて前記除湿機の上流側及び/又は下流側に配置され、前記処理エリアを通流する空気と熱交換する第2熱交換器と、
    前記第2熱交換器を経由する第2循環流路に配置され、前記第2循環流路を介して通流する熱媒体の温度を調整する冷凍機と、を備え、
    前記制御手段は、前記評価関数に基づいて、少なくとも前記第1インバータ及び前記冷凍機を含む前記機器の駆動を制御すること
    を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の除湿システム。
  7. 外気を送風する送風機を有して、前記送風機から送り込まれる外気との熱交換によって、前記第2循環流路を通流する前記熱媒体を冷却する冷却塔と、
    前記送風機に設置される第2インバータと、を備え、
    前記制御手段は、前記評価関数に基づいて、少なくとも前記第1インバータ、前記冷凍機、及び前記第2インバータを含む前記機器の駆動を制御すること
    を特徴とする請求項6に記載の除湿システム。
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