JP2018031517A - 間接外気冷房装置および間接外気冷房装置と熱冷媒を利用した冷房装置を備えた冷房システム - Google Patents

Abstract

【課題】外気の顕熱を利用して省エネルギー化を図ることができるとともに、異物や水分等の進入を防止することができる低コストの間接外気冷房装置および冷房システムを実現する。
【解決手段】第１風通路と第２風通路との間で熱エネルギーを交換可能な熱交換器１６と、外気流入路または前記外気排出路の途中に設けられた第１送風機１４と、室内空気流入路または室内空気排出路の途中に設けられた第２送風機１５と、外気温センサおよび室内空気温度センサからの信号に基づいて第１送風機１４および第２送風機１５を制御する制御手段１７とを備えた間接外気冷房装置において、前記制御手段１７は、外気温が第１設定温度以下であり、かつ室内空気温度が第２設定温度以上の時に第１送風機１４および第２送風機１５を動作させ、外気温が第３設定温度以上または室内空気温度が第４設定温度以下の時に第１送風機１４および第２送風機１５の動作を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、外気を利用して冷房を行うことで省エネルギー化を図ることができる間接外気冷房装置および冷房システムに関するものである。

従来、夏期の夜間などに、室内よりも温度の低い外気を室内に導入して、室内を冷房する外気冷房運転を行う冷房システムが知られている。例えば、温度読取装置によって検出した室内温度と外気温度を比較し、室内温度のほうが高い場合に、換気装置を駆動させて外気冷房運転を行う換気装置に関する発明が、特許文献１に開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載されている換気装置においては、室内温度が外気温度より高い場合であっても、室内温度と外気温度の差が少ない場合、例えば室内温度が２６℃で外気温度が２５℃の場合、冷房効果はほとんど期待できないにも関わらず、換気装置が駆動されることになる。また、送風装置の発熱の影響などにより、外気冷房運転によって室内温度が外気温度より低くなることは想定されにくいため、室内温度のほうが高い場合に実行される外気冷房運転がなかなか終了に至らない。そのため、換気装置の過剰運転により、エネルギーの無駄が生じたり、過剰換気により換気効率の低下を招いたりしてしまうといった問題があった。

そこで、給気風路と排気風路とが内部に形成された筐体の内部に収容された熱交換装置と、給気風路および排気風路の少なくとも一方を、熱交換装置を介さないバイパス風路に切り換える風路切換装置と、給気側送風装置および排気側送風装置とを備え、室内温度がある温度よりも高く、かつ、外気温度から室内温度を差し引いた温度差が所定値よりも大きい場合に、バイパス風路に切り換えるとともに給気側送風装置を運転させて外気を利用した冷房運転を実行させるようにした熱交換換気装置に関する発明が提案されている（例えば特許文献２）。

特開平０８−３０３８２５号公報 特開２０１１−２３１９７３号公報 特開２０１６−６５６６４号公報

外気を利用した冷房運転を実行する場合、外気をそのまま室内へ導入すると、空気中に含まれるチリや虫などの異物、湿気が進入してしまうおそれがある。上記特許文献２に開示されている熱交換換気装置は、換気装置の過剰運転により、エネルギーの無駄が生じたり、過剰換気により換気効率の低下を招いたりするのを抑制できるものの、異物や湿気の進入という上記課題については考慮していない。

また、外気を室内へ導入せずに外気を利用した冷房運転を行う発熱機器を収容した室内の廃熱システムに関する発明として特許文献３等に開示されているものがある。この廃熱システムは、外気を室内へ導入しないため異物や水分等の進入という問題はないものの、冷媒を使用しているため冷媒循環系が必要となり、システムが大掛かりでコスト高になるという課題がある。
本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、外気の顕熱を利用して室内空気の温度を下げて省エネルギー化を図ることができるとともに、異物や雨・霧などの水分の進入を防止することができる低コストの間接外気冷房装置および冷房システムを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、
第１風通路および第２風通路を有し前記第１風通路と第２風通路との間で熱エネルギーを交換可能な熱交換器と、
前記熱交換器の前記第１風通路の入口側に接続され外気を流入可能な外気流入路と、
前記第１風通路の出口側に接続され当該第１風通路を通過した外気を室外へ流出可能な外気排出路と、
前記熱交換器の前記第２風通路の入口側に接続され室内空気を流入可能な室内空気流入路と、
前記第２風通路の出口側に接続され当該第２風通路を通過した空気を室内へ流出可能な室内空気排出路と、
前記外気流入路または前記外気排出路の途中に設けられた第１送風機と、
前記室内空気流入路または前記室内空気排出路の途中に設けられた第２送風機と、
外気温度を検知する外気温センサおよび室内空気温度を検知する室内空気温度センサからの信号に基づいて前記第１送風機および前記第２送風機を制御する制御手段と、を備えた間接外気冷房装置であって、
前記制御手段は、
前記外気温センサにより検知された外気温が第１設定温度以下であり、かつ前記室内空気温度センサにより検知された室内空気温度が第２設定温度以上の時に前記第１送風機および前記第２送風機を動作させ、
前記外気温センサにより検知された外気温が第３設定温度以上の時、または前記室内空気温度センサにより検知された室内空気温度が第４設定温度以下の時に前記第１送風機および前記第２送風機の動作を停止させるように構成した。

上記のように構成された間接外気冷房装置によれば、外気の顕熱を利用して室内空気の温度を下げることができるため、省エネルギー化を図ることができるとともに、外気が室内に流入されることがないので、異物や水分等の進入を防止することができる。また、凝縮器や蒸発器を備え冷媒を使用して冷却を行う空調装置に比べて構成がシンプルであるため、低コストで冷房装置を実現することができる。

また、望ましくは、上記のような構成を有する間接外気冷房装置と、熱媒体の圧縮および膨張を行なって熱エネルギーを移動させる空調装置と、を備え、
前記空調装置は、室内空気温度が前記第２設定温度よりも高い所定の温度以上のときに稼働可能な冷房システムとして構成する。
かかる構成を有する冷房システムによれば、低消費電力の間接外気冷房装置を動作させることで、消費電力の大きな空調装置が動作する時間を短くすることができ、それによってエネルギー効率を向上させることができるとともに、外気温が高いときは空調装置を動作させることで、室内温度が設定温度を大幅に越えないようにすることができる。

さらに、望ましくは、前記間接外気冷房装置および前記空調装置は、換気が不要な機器室に配設されているようにする。
上記のような構成を有する間接外気冷房装置は外気を室内に流入させることがないので、室内の換気を行なうことはできないが、機器室はもともと換気の必要性が低いので、機器室に適用された場合、省エネルギー化を図りつつ室内空気の温度を下げることができるとともに、異物や水分等の進入を防止することができる。

本発明によれば、外気の顕熱を利用して室内空気の温度を下げて省エネルギー化を図ることができるとともに、異物や水分等の進入を防止することができる間接外気冷房装置および冷房システムを実現することができるという効果がある。

（Ａ）は本発明に係る間接外気冷房装置の一実施形態を示す概略構成図、（Ｂ）はその装置の動作時の状態を示す説明図である。 実施形態の間接外気冷房装置の制御系の概略構成を示すブロック図である。 図１の実施形態の間接外気冷房装置を適用した冷房システムの一例を示す概略構成図である。 図３の冷房システムにおける温度変化と稼働状態との関係を示す説明図である。 図３の冷房システムにおいて実施形態の間接外気冷房装置を動作させた場合と動作させない場合における気温と使用電力量との関係を示す説明図である。

以下、本発明に係る間接外気冷房装置の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の実施形態に係る間接外気冷房装置の概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態の間接外気冷房装置１０は、筐体１１と、筐体１１を貫通するように設けられた外気吸入側ダクト１２Ａおよび外気排出側ダクト１２Ｂと、室内空気吸入側ダクト１３Ａおよび室内空気排出側ダクト１３Ｂと、外気側送風機（ファン）１４と、室内側送風機（ファン）１５と、熱交換器１６と、前記外気側送風機１４および室内側送風機１５のモータ駆動回路を制御する駆動制御装置１７とを備える。

熱交換器１６には、本実施形態では静止形の顕熱交換器を用いているが、回転形であっても良い。また顕熱交換器だけでなく、全熱交換器であっても良い。ただし、回転形熱交換器の場合、熱交換を行うローターと本体の間の摺動部より構造上必ず空気漏れが生じるため、本実施の形態の用途に用いた場合には、その空気と共に室内へ異物や雨・霧などの水分が侵入しやすくなり、設置状況や機器などによっては本願の効果が得られないことがある。また、全熱交換器を用いた場合には、雨・霧などの水分は侵入しないが、湿度交換が行われるため、外気が常に高湿度の状態であった場合には、室内へ湿度が侵入してくることになり、同じく本願の熱交換が得られないことがある。そのため本実施の形態のように、静止形顕熱交換器を用いることが望ましい。

本実施形態で使用している静止形顕熱交換器（１６）は、互いに直交する方向の流れを持ち重なるように配設された２つの面状の通風路を有し、全体としてほぼ正方形をなしており、一方の対向辺に、上記外気吸入側ダクト１２Ａと外気排出側ダクト１２Ｂが接続され、他方の対向辺に、室内空気吸入側ダクト１３Ａと室内空気排出側ダクト１３Ｂが接続されている。
外気側送風機１４と室内側送風機１５はそれぞれファン回転駆動用のモータを内蔵している。１つのモータからＶベルト等を介して、外気側送風機１４と室内側送風機１５のファンへ回転力を伝達するように構成しても良い。

図１（Ｂ）には、図１（Ａ）の間接外気冷房装置１０における冷房運転時の外気と室内空気の流れの状態が示されている。
外気側送風機１４および室内側送風機１５のモータが駆動されると、内部のファンがそれぞれ回転され、外気吸入側ダクト１２Ａから外気が吸入されて熱交換器１６の一方の通風路を通過して外気排出側ダクト１２Ｂへ流れるとともに、室内空気吸入側ダクト１３Ａから室内空気吸入されて熱交換器１６の他方の通風路を通過して室内空気排出側ダクト１３Ｂへ流れるように構成されている。上記直交する２つの通風路間の隔壁を介して熱エネルギーが移動し、外気と室内空気との間の熱交換が行われ、外気温が室内空気温度よりも低ければ室内温度が下がることとなる。

図２には、図１に示す間接外気冷房装置１０を備えた本実施形態の間接外気冷房装置の制御系のブロック図が示されている。
図２に示すように、本実施形態の間接外気冷房装置は、外気の温度を検知する外気温センサ１８Ａおよび室内温度を検知する室温センサ１８Ｂと、ディップスイッチのような温度設定用スイッチ１９とを備える。そして、これらのセンサ１８Ａ，１８Ｂと温度設定用スイッチ１９の信号が駆動制御装置１７に入力され、駆動制御装置１７は外気温および室温と設定温度とに基いて外気側送風機１４および室内側送風機１５のモータ駆動回路を制御してファンを回転させる。

駆動制御装置１７は、ＣＰＵ（中央処理装置）などからなる演算制御部７１と、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）やＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）などの記憶部７２とを有しており、ＲＯＭに記憶されたプログラムとＣＰＵとの協働により外気側送風機１４および室内側送風機１５を制御したり、制御に必要な演算処理等を実行する。
駆動制御装置１７は、センサにより検知された外気温度が予め設定された温度Ｔ１（例えば２４℃）以下で、かつ検知された室内温度が外気温度とは別に予め設定された温度Ｔ２（例えば２６℃）以上の時に、外気側送風機１４および室内側送風機１５を駆動する。また、駆動制御装置１７は、外気温度が予め設定された温度Ｔ３（例えば２６℃）以上で、かつ室内温度が外気温度とは別に予め設定された温度Ｔ４（例えば２４℃）以下の時に、外気側送風機１４および室内側送風機１５の駆動を停止する。設定温度Ｔ１〜Ｔ４は上記数値に限定されず、装置が設置される環境等に応じて設定することができる。

図３には、図１に示す間接外気冷房装置１０と熱媒体を利用した冷房装置を備える冷房システムの構成例が示されている。上記実施形態の間接外気冷房装置は、換気機能を有しいていないので、通常は人が在室していない機器室や電源室に適用するのが有効である。
また、屋外に設けられる機器室や電源室の場合、夏季の昼間の時間帯にはかなり室内温度が上昇するので、本実施形態の間接外気冷房装置の他に、少なくとも冷房運転が可能な一般的の冷房装置が設けられるのが望ましい。図３には、そのような状況を想定して適用した冷房システムの構成が示されている。

図３において、符号３０が付されているのは、内部に熱源となる電気機器類３１が設置されている建屋で、この建屋３０の内壁に上記実施形態の間接外気冷房装置１０が設置されている。また、建屋３０の他の内壁の上部には一般的な空調装置２０を構成する蒸発器を内蔵した室内熱交換器（室内機）２１が設置され、建屋３０の外側には凝縮器や圧縮機を内蔵した屋外熱交換器（室外機）２２が設置されているとともに、室内熱交換器２１と屋外熱交換器２２との間に冷媒を循環させる冷媒パイプ２３が設けられている。

図３に示されている冷房システムにおいては、建屋３０の外側に外気温センサ１８Ａが設けられ、室内に室温センサ１８Ｂが設けられているとともに、これらの温度センサ１８Ａ，１８Ｂからの検出信号が駆動制御装置１７へ入力されている。なお、本実施形態においては、間接外気冷房装置１０と、空調装置２０はそれぞれ別個の制御装置によって、独立して制御されるように構成されているが、１つの制御装置によって制御するように構成することも可能である。

間接外気冷房装置１０は、前述したような温度条件で動作するように制御される。一方、空調装置２０は、室温が所定の温度Ｔ５（例えば２８℃）以上になると冷房運転を行うように温度設定される。
図４には、上記温度条件に設定した場合における、間接外気冷房装置１０と空調装置２０の動作タイミングが示されている。図４において、（Ａ）は１日の外気温と室内温度の変化を示す。図４（Ｂ）は、（Ａ）のように温度が変化した際に、間接外気冷房装置１０を動作させなかった場合（つまり従来の空調装置のみからなる空調システムと同じ）における空調装置の動作開始と動作停止を示すタイミングチャート、（Ｃ）は間接外気冷房装置１０と空調装置２０を共に動作させた場合のタイミングチャートが示されている。

図４（Ｂ），（Ｃ）において、ハッチングが付された矢印の期間は空調装置２０が動作される期間、メッシュが付された矢印の期間は間接外気冷房装置１０が動作される期間である。図４の（Ｂ）と（Ｃ）とを比較すると、トータルの稼働時間は、両方を動作させる（Ｂ）の方が長くなっているが、空調装置２０の稼働時間を比較すると、（Ｃ）の方が（Ｂ）よりも短くなっていることが分かる。

ここで、図３に示されている冷房システムでは、間接外気冷房装置１０の消費電力は、空調装置２０の消費電力の約１／１０に抑えることができる。従って、図４（Ｂ）の空調装置２０の稼働時間Ｄ１と図４（Ｃ）の空調装置２０の稼働時間Ｄ２との差（Ｄ１−Ｄ２）よりも、図４（Ｃ）の間接外気冷房装置１０が稼働している時間の和（Ｄ３＋Ｄ４）を１０倍した時間の方が短ければ、間接外気冷房装置１０と空調装置２０を備えた本実施形態のシステムの方が消費電力の点で優れていると言える。

具体的な数値で比べると、図４の場合、（Ｂ）の空調装置２０の稼働時間Ｄ１は約１４時間であるのに対し、（Ｃ）の空調装置２０の稼働時間Ｄ２は７．５時間であり、差は６．５時間である。一方、（Ｃ）において空調装置２０が稼働していない時間は１６．５時間であり、差（Ｄ１−Ｄ２）の６．５時間の３倍弱であるので、空調装置２０が稼働していない間ずっと間接外気冷房装置１０を稼働させたとしても、本実施形態のシステムの方が消費電力は少ないことが分かる。

本発明者は、本実施形態の冷房システムの有効性を調べるため、山形県の新庄市にある２箇所の鉄道路線用機器室に対し、一方には図３に示すシステムを適用し、他方には従来の空調装置（２０）のみを設置して、６月中旬から８月下旬までの電力消費量を測定する試験を行なった。その測定結果を、図５に示す。
図５において、破線Ｅは気象庁が発表した上記期間の新庄地区の平均気温データの変化、実線Ｆは従来の空調装置２０のみを設置した機器室の電力消費量の変化、実線Ｇは図３に示すシステムを適用した機器室の電力消費量の変化を示す。

図５において、ハッチングが付されている部分は、両機器室の消費電力の差つまり図３に示すシステムを適用した場合の使用電力削減量すなわち節電量を表わしている。別途行なった数値計算では、図３に示すシステムを適用した機器室の消費電力は、従来の空調装置２０のみを設置した機器室の電力消費量の約１６％であり、約８４％消費電力を低減できることが分かった。なお、図５において、８月下旬に図３に示すシステムを適用した機器室の消費電力（実線Ｇ）がゼロのように見えるが、これは空調装置２０が稼働せず、間接外気冷房装置１０のみが短時間稼働しただけであったため、消費電力が非常に少なかったことによるものである。

また、本発明者は、上記実測結果を踏まえて別途シミュレーションを行い、新庄地区の機器室に適用した上記システムにおける年間を通しての消費電力を試算した。その結果、１年間で約９３％消費電力を低減できることが分かった。
さらに、本発明者は、気象庁発表の東京地区の平均気温データに基づいて上記と同様のシミュレーションを行い、東京地区の機器室に上記システムを適用した場合おける年間の消費電力を試算した。その結果、１年間で約７５％消費電力を低減できることが分かった。ただし、電力削減率は、東京地区の方が新庄地区よりも少ないものの、削減電力量は東京地区の方が新庄地区よりも多いことが分かった。これは、東京地区の方が新庄地区よりも平均気温が高く、冷房システム（空調装置２０）の稼働時間が長いためである。従って、年間を通して外気温が高い地域ほど、本発明の間接外気冷房システムの導入効果が大きいと言えることが分かる。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、間接外気冷房装置１０の熱交換器１６として、直交する２つの通風路を有する直交流型のものを使用したが、向流型のものを使用することも可能である。
また、前記実施形態においては、間接外気冷房装置１０の他に、一般的な空調装置２０が設けたシステムについて説明したが、間接外気冷房装置１０のみ備えた冷房システムとして構成することも可能である。

さらに、前記実施形態においては、外気温および室内温度を予め設定された温度とそれぞれ比較して間接外気冷房装置１０を稼働させるか否か決定するようにしたシステムについて説明したが、一般に外気冷房は、室内の乾球温度、エナタルピー、露天温度が外気のそれらよりも高い場合に有効であり、例えば室内温度が所定値（例えば２６℃）以上であって室内温度が外気温よりも所定の温度差（例えば２℃）以上大きい場合に間接外気冷房装置１０を稼働させ、温度差がある値よりも小さくなったら停止させるように構成してもよい。
また、本発明に係る冷房システムは、換気扇が不要な機器室のような建屋のみならず、換気扇が設けられている建屋にも適用することができる。

１０ 間接外気冷房装置
１１ 筐体
１２Ａ 外気吸入側ダクト
１２Ｂ 外気排出側ダクト
１３Ａ 室内空気吸入側ダクト
１３Ｂ 室内空気排出側ダクト
１４ 外気側送風機
１５ 室内側送風機
１６ 熱交換器
１７ 駆動制御装置
１８Ａ 外気温センサ
１８Ｂ 室温センサ
２０ 空調装置
２１ 室内熱交換器
２２ 屋外熱交換器

Claims (3)

1. 第１風通路および第２風通路を有し前記第１風通路と第２風通路との間で熱エネルギーを交換可能な熱交換器と、
   前記熱交換器の前記第１風通路の入口側に接続され外気を流入可能な外気流入路と、
   前記第１風通路の出口側に接続され当該第１風通路を通過した外気を室外へ流出可能な外気排出路と、
   前記熱交換器の前記第２風通路の入口側に接続され室内空気を流入可能な室内空気流入路と、
   前記第２風通路の出口側に接続され当該第２風通路を通過した空気を室内へ流出可能な室内空気排出路と、
   前記外気流入路または前記外気排出路の途中に設けられた第１送風機と、
   前記室内空気流入路または前記室内空気排出路の途中に設けられた第２送風機と、
   外気温度を検知する外気温センサおよび室内空気温度を検知する室内空気温度センサからの信号に基づいて前記第１送風機および前記第２送風機を制御する制御手段と、を備えた間接外気冷房装置であって、
   前記制御手段は、
   前記外気温センサにより検知された外気温が第１設定温度以下であり、かつ前記室内空気温度センサにより検知された室内空気温度が第２設定温度以上の時に前記第１送風機および前記第２送風機を動作させ、
   前記外気温センサにより検知された外気温が第３設定温度以上の時、または前記室内空気温度センサにより検知された室内空気温度が第４設定温度以下の時に前記第１送風機および前記第２送風機の動作を停止させるように構成されていることを特徴とする間接外気冷房装置。
2. 請求項１に記載の間接外気冷房装置と、熱媒体の圧縮および膨張を行なって熱エネルギーを移動させる空調装置と、を備え、
   前記空調装置は、室内空気温度が前記第２設定温度よりも高い所定の温度以上のときに稼働可能に構成されていることを特徴とする冷房システム。
3. 前記間接外気冷房装置および前記空調装置は、換気が不要な機器室に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の冷房システム。

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