JP2018169089A - 冷温水式空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡略構造で低コストな冷温水式空気調和機を得る。
【解決手段】 外気、還気その他の空調用空気を熱交換用水の流通で冷却又は加熱する第１処理を行う第１熱交換器１と、空調用空気を熱交換用水の流通で冷却又は加熱する第２処理を行う第２熱交換器２と、空調用空気を被空調空間Ｓへ供給する送風機１０と、熱交換用水を第１熱交換器１に流通させてから第２熱交換器２に流通させる第１水路３と、第１水路３から分岐して第１処理後の熱交換用水を第２熱交換器２を通さずに迂回させる第２水路４と、熱交換用水の流通量を変動させて第１処理の能力を調整する第１水量調整弁５と、第２熱交換器２と第２水路４の熱交換用水の流通量の配分を変動させて第２処理の能力を調整する第２水量調整弁６と、第１水量調整弁５と第２水量調整弁６を操作して空調用空気を被空調空間Ｓの空調に適した空気状態に調整する空調機制御装置１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は冷温水式空気調和機に関するものである。

所定延べ面積以上のビルの室内は二酸化炭素濃度が基準値以下になるように外気を取入れることが定められている。これに対応する空気調和機は、特許文献１に示すように、２つの熱交換器で空調用空気の外気と還気を別々に熱交換した後で混合させ、被空調空間に供給して冷房又は暖房する構成となっている。

この空気調和機で冷房する場合、冷却除湿した低温の外気に、顕熱冷却した還気を混ぜることで、冷水及び温水で行うレヒートと同様の温度及び湿度制御効果を得られる。そのため、熱交換用水として冷水と温水を同時に使う４管式が不要となり、熱源機や熱交換用水の配管設備が簡略化されて省エネ、省コストとなる利点がある。

特開２００９−１６２４１１号公報

上記空気調和機は、２つの熱交換器に直列に熱交換用水を流す配管と、熱交換器をバイパスさせる配管と、前記配管に設けられた４つの二方弁と、を備えた構造である。この４つの二方弁を使って熱交換器の熱交換用水の流通量を調整することで、冷房又は暖房する能力を制御しているため、二方弁や配管などの部品が多くなり構造が複雑でコスト高となる問題がある。

本発明は上記課題を解決するため、外気、還気その他の空調用空気を熱交換用水の流通で冷却又は加熱する第１処理を行う第１熱交換器と、前記空調用空気を前記熱交換用水の流通で冷却又は加熱する第２処理を行う第２熱交換器と、前記空調用空気を被空調空間へ供給する送風機と、前記熱交換用水を前記第１熱交換器に流通させてから前記第２熱交換器に流通させる第１水路と、前記第１水路から分岐して前記第１処理後の前記熱交換用水を前記第２熱交換器を通さずに迂回させる第２水路と、前記熱交換用水の流通量を変動させて前記第１処理の能力を調整する第１水量調整弁と、前記第２熱交換器と前記第２水路の前記熱交換用水の流通量の配分を変動させて前記第２処理の能力を調整する第２水量調整弁と、前記第１水量調整弁と前記第２水量調整弁を操作して前記空調用空気を前記被空調空間の空調に適した空気状態に調整する空調機制御装置と、を備え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、第１水路と第２水路を構成する配管、第１水量調整弁、第２水量調整弁などの部品を最少限に抑えて構造を簡略化し、コストダウンできる。
請求項２の発明によれば、２つの水量調整弁だけで、被空調空間の空調負荷の変動に応じて、空調用空気を空調に適した空気状態に精度良く細かく調整できる。例えば、空調負荷がピークの場合は、２つの水量調整弁で両方の熱交換器の熱交換用水の流通量を最大にする。空調負荷が減ってくれば、２つの水量調整弁で熱交換用水の流通量を空調負荷の減少量に応じて少なくする。さらに空調負荷が減ってくれば、第２水量調整弁で第２熱交換器の熱交換用水をバイパスさせ、第１水量調整弁で第１熱交換器のみに熱交換用水を流通させる。空調負荷が最小になれば、第２水量調整弁で第２熱交換器の熱交換用水をバイパスさせ、第１水量調整弁で第１熱交換器の熱交換用水の流通量を最少にする。

請求項３の発明によれば、冷温水式空気調和機を、市販部品の二方弁と三方弁で構成できるのでコストダウンとなる。
請求項４の発明によれば、エンタルピーが大きい空調用空気の風量を減少させ、エンタルピーが小さい空調用空気の風量を増加させるので、余分な空調負荷が減り省エネを図れる。

請求項５の発明によれば、冬期に被空調空間の方角などによって寒暖差が生じても、２管式で暖房と外気冷房を自由に切換して快適性の向上を図れる。
請求項６の発明によれば、気化式加湿器とすれば気化冷却を活用できるので省エネとなる。蒸気式加湿器、又は、２つの気化式加湿器とすれば、外気冷房時にも加湿不足とならず快適な環境となる。

図１と図２は本発明の冷温水式空気調和機を示している。この冷温水式空気調和機は、第１熱交換器１、第２熱交換器２、第１水路３、第２水路４、第１水量調整弁５、第２水量調整弁６、加湿器７、第１ダンパ８、第２ダンパ９、送風機１０、空調機制御装置１１及びケーシング１２を備えている。

図例では第１熱交換器１、第２熱交換器２、加湿器７及び送風機１０をケーシング１２内に設けているが、空調機制御装置１１、第１水路３、第２水路４、第１水量調整弁５、第２水量調整弁６、第１ダンパ８及び第２ダンパ９もケーシング１２内に設けてもよい。

前記冷温水式空気調和機を、建物の室内やホールなどの被空調空間Ｓと、屋外に、図示省略のダクトで連結する。屋外から空調用空気の外気（ＯＡ）と、被空調空間Ｓから空調用空気の還気（ＲＡ）を、前記冷温水式空気調和機へ送り、前記冷温水式空気調和機から空調用空気の給気（ＳＡ）を被空調空間Ｓへ供給する。各図において実線の太い矢印は気流方向を示す。

空調機制御装置１１は、被空調空間Ｓの空調負荷の変動に応じて第１水量調整弁５、第２水量調整弁６、加湿器７、第１ダンパ８、第２ダンパ９及び送風機１０を操作して、外気、還気その他の空調用空気を被空調空間Ｓの空調に適した空気状態（温度及び湿度）に調整する。

第１熱交換器１は、熱交換用水の流通で空調用空気の外気を冷却又は加熱する第１処理を行う。第２熱交換器２は、熱交換用水の流通で空調用空気の還気を冷却又は加熱する第２処理を行う。第１水路３は、熱交換用水を第１熱交換器１に流通させてから第２熱交換器２に連続して流通させるように水配管を設けて構成する。第２水路４は、第１水路３から分岐して第１処理後の熱交換用水を第２熱交換器２を通さずに迂回させるように水配管を設けて構成する。

第１水量調整弁５は第１水路３の途中に設け、第２水量調整弁６は第１水路３と第２水路４の分岐部に設ける。第１水量調整弁５は、第１処理前の熱交換用水の流通量を変動させて第１熱交換器１の第１処理の能力を調整するように比例制御の二方弁で構成する。第２水量調整弁６は、第１水路３と第２水路４の熱交換用水の流通量の配分を変動させて第２熱交換器２の第２処理の能力を調整するように比例制御の三方弁で構成する。この第２水量調整弁６は、第１水路３と第２水路４のいずれか一方に全量流れて他方は流れないように切換える機構のみの三方弁で構成してもよい。

加湿器７は、第１熱交換器１と第２熱交換器２の一方又は両方（図例では両方）の風下で空調用空気を水の気化蒸発で加湿する気化式で構成する。第１ダンパ８は、第１処理を行う空調用空気の風量を増減調整する。第２ダンパ９は、第２処理を行う空調用空気の風量を増減調整する。図例では、空調用空気の外気が第１ダンパ８、第１熱交換器１及び加湿器７を通り、空調用空気の還気が第２ダンパ９、第２熱交換器２及び加湿器７を通り、送風機１０で前記空調用空気が被空調空間Ｓへ供給される。

図２に示すように、第１熱交換器１は、一般的なプレートフィンコイルと同様に伝熱板１３の群に伝熱管１４の群を挿着して構成する。伝熱管１４の内部に冷水又は温水の熱交換用水を流し、伝熱管１４及び伝熱板１３に空調用空気を接触させることで、空調用空気と熱交換用水を熱交換して空調用空気を冷却又は加熱する。第２熱交換器２も第１熱交換器１と同様に構成する。

空調機制御装置１１は、外気の温度及び湿度を検出する外気センサー１５、還気の温度及び湿度を検出する還気センサー１６、給気の温度及び湿度を検出する給気センサー１７、被空調空間Ｓの二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度センサー１８、空調能力制御部１９、空調能力補償部２０、二酸化炭素濃度制御部２１、気化冷却制御部２２、外気冷房制御部２３及び水温差制御部２４を備えている。空調機制御装置１１はマイクロプロセッサ、各種センサー、その他の制御機器で構成する。

空調能力制御部１９は、第１水量調整弁５及び第２水量調整弁６を操作して熱交換用水を第１熱交換器１及び第２熱交換器２の両方に流通させながら流通量を変動させる制御と、第１水量調整弁５及び第２水量調整弁６を操作して熱交換用水を第１熱交換器１のみに流通させながら流通量を変動させる制御と、を被空調空間Ｓの空調負荷の変動に応じて切換える。例えば、第１熱交換器１の第１処理のみ行っても被空調空間Ｓを冷房又は暖房する能力が不足する場合は、第２熱交換器２の第２処理を併用して能力不足を補うことができる。

空調能力補償部２０は、第１熱交換器１の第１処理に要するエンタルピーと第２熱交換器２の第２処理に要するエンタルピーとを比較して、前記エンタルピーが大きい空調用空気の風量を少なくし、前記エンタルピーが小さい空調用空気の風量が多くなるように第１ダンパ８と第２ダンパ９を操作する。ここで、第１処理に要するエンタルピーとは、第１処理前の空調用空気を予め設定された給気温度まで冷却又は加熱するのに要するエンタルピーであり、第２処理に要するエンタルピーとは、第２処理前の空調用空気を予め設定された給気温度まで冷却又は加熱するのに要するエンタルピーである。

例えば、第１処理に要するエンタルピーが第２処理に要するエンタルピーよりも小さい場合、第１処理前の外気の風量を増加させ、第２処理前の還気の風量を減少させて、無駄に使用される冷却又は加熱のエネルギーを減らす。第１処理及び第２処理に要するエンタルピーは、外気センサー１５と還気センサー１６で検出された温度及び湿度から演算する。

二酸化炭素濃度制御部２１は、第１ダンパ８と第２ダンパ９の一方又は両方を操作して二酸化炭素濃度センサー１８で検出された被空調空間Ｓの二酸化炭素濃度が予め設定された範囲になるように空調用空気の外気風量を調整する。図例では、第１ダンパ８で外気風量を調整し、第２ダンパ９で還気風量を調整している。

気化冷却制御部２２は、第１熱交換器１の第１処理前と第２熱交換器２の第２処理前の一方又は両方の空調用空気の湿度が、予め設定された被空調空間Ｓの設定湿度より低い場合に、第１処理と第２処理の一方又は両方で気化冷却するように加湿器７を操作する。例えば、冷房運転時に、第１処理前の外気湿度と第２処理前の還気湿度の一方又は両方が、被空調空間Ｓの設定湿度よりも低い場合に、第１熱交換器１と第２熱交換器２の一方又は両方の熱交換用水の流通量（冷却のエネルギー）を増やさずに、気化蒸発で加湿しながら冷却するので省エネとなる。被空調空間Ｓの湿度は還気センサー１６で検出し、外気湿度は外気センサー１５で検出する。

外気冷房制御部２３は、空調用空気の外気温度が被空調空間Ｓの温度より低い場合に加湿器７で加湿して被空調空間Ｓを冷房する。例えば、第１熱交換器１の第１処理前の外気温度が被空調空間Ｓの温度より低い場合に、気化冷却を利用しながら被空調空間Ｓを外気冷房することができる。

水温差制御部２４は、熱交換用水を第１熱交換器１に流通させてから第２熱交換器２に連続して流通させる場合に、第１熱交換器１及び第２熱交換器２の流通前と流通後の熱交換用水の水温度差が予め設定した設定水温度差になるように、第１水量調整弁５と第２水量調整弁６を操作して熱交換用水の流通量を制御する。熱交換用水を第１熱交換器１と第２熱交換器２に連続して流通させることで水温度差を拡大させ、水温度差の変動を抑えることで、熱源機の運転効率が向上し省エネとなる。

熱交換用水が冷水で夏期に除湿が必要な冷房運転をする場合、外気を第１熱交換器１で冷却除湿して、第２熱交換器２で除湿せずに冷却した還気と混合して、目標の給気温度及び給気湿度に制御する。これにより、被空調空間Ｓを予め設定された温度及び湿度に空調する。外気の除湿が不要な冷房運転時には、加湿器７よる気化冷却を併用して冷房運転することもできる。

熱交換用水が温水で冬期に暖房運転する場合、外気を第１熱交換器１で加熱し、還気を第２熱交換器２で加熱し、状況に応じて加湿器７で加湿し、混合することで給気の温度及び湿度を制御する。熱交換用水が温水で冬期に冷房運転する場合、被空調空間Ｓの温度より低温の外気を、第１熱交換器１で加熱せずにそのまま又は冷房に適した温度まで第１熱交換器１で加熱し、還気は第２熱交換器２で加熱せずにそのまま、被空調空間Ｓに供給して外気冷房する。このとき状況に応じて加湿器７で加湿するが、温度の高い還気を加湿することで、気化式でも加湿量を増やすことができる。

図３は図１の実施例において、加湿器７を、第１熱交換器１と第２熱交換器２の一方又は両方（図例では第１熱交換器１のみ）の風下で空調用空気を蒸気で加湿する蒸気式とし、気化冷却制御部２２を省略したものである。この場合、中間期などに蒸気加湿による暖房も可能となる。その他の構成や運転例は図１の実施例と同様であるので説明を省略する。

なお、本発明は上述の実施例に限定されない。第１水量調整弁５及び第２水量調整弁６は二方弁や三方弁以外でもよい。上述の実施例の説明において空調用空気の外気を還気と、還気を外気と、各々読替えて構成したものとするも自由である。また、加湿器７を、気化式加湿器と蒸気式加湿器を両方有するもので構成してもよい。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、気化式加湿器で加湿不足となる場合には、その不足分のみを蒸気加湿器で最低限加湿することで、加湿精度向上と消費エネルギー削減の両立を図れる。

本発明の冷温水式空気調和機を示す簡略説明図である。 熱交換器の簡略説明図である。 本発明の他の実施例を示す簡略説明図である。

１ 第１熱交換器
２ 第２熱交換器
３ 第１水路
４ 第２水路
５ 第１水量調整弁
６ 第２水量調整弁
７ 加湿器
８ 第１ダンパ
９ 第２ダンパ
１０ 送風機
１１ 空調機制御装置
１９ 空調能力制御部
２０ 空調能力補償部
２３ 外気冷房制御部
Ｓ 被空調空間

請求項１の発明によれば、第１水路と第２水路を構成する配管、二方弁、三方弁などの部品を最少限に抑えて構造を簡略化し、コストダウンできる。二方弁と三方弁の２つだけで、被空調空間の空調負荷の変動に応じて、外気と還気を空調に適した空気状態に精度良く細かく調整できる。例えば、空調負荷がピークの場合は、２つの水量調整弁で両方の熱交換器の熱交換用水の流通量を最大にする。空調負荷が減ってくれば、２つの水量調整弁で熱交換用水の流通量を空調負荷の減少量に応じて少なくする。さらに空調負荷が減ってくれば、第２水量調整弁で第２熱交換器の熱交換用水をバイパスさせ、第１水量調整弁で第１熱交換器のみに熱交換用水を流通させる。空調負荷が最小になれば、第２水量調整弁で第２熱交換器の熱交換用水をバイパスさせ、第１水量調整弁で第１熱交換器の熱交換用水の流通量を最少にする。

請求項２の発明によれば、外気と還気の両方を第１熱交換器及び第２熱交換器の熱交換用水の流通で冷却又は加熱する場合において、エンタルピーが大きい方の外気又は還気の風量を減少させ、エンタルピーが小さい方の外気又は還気の風量を増加させるので、余分な空調負荷が無くなり、無駄に使用される冷却又は加熱のエネルギーが減って省エネを図れる。

請求項３の発明によれば、冬期に被空調空間の方角などによって寒暖差が生じても、２管式で暖房と外気冷房を自由に切換して快適性の向上を図れる。

外気冷房制御部２３は、外気の温度が被空調空間Ｓの温度より低い場合に外気を第１熱交換器１で加熱せずにそのまま又は第１熱交換器１で冷房に適した温度まで加熱して被空調空間Ｓに供給する。

Claims (6)

1. 外気、還気その他の空調用空気を熱交換用水の流通で冷却又は加熱する第１処理を行う第１熱交換器（１）と、前記空調用空気を前記熱交換用水の流通で冷却又は加熱する第２処理を行う第２熱交換器（２）と、前記空調用空気を被空調空間（Ｓ）へ供給する送風機（１０）と、前記熱交換用水を前記第１熱交換器（１）に流通させてから前記第２熱交換器（２）に流通させる第１水路（３）と、前記第１水路（３）から分岐して前記第１処理後の前記熱交換用水を前記第２熱交換器（２）を通さずに迂回させる第２水路（４）と、前記熱交換用水の流通量を変動させて前記第１処理の能力を調整する第１水量調整弁（５）と、前記第２熱交換器（２）と前記第２水路（４）の前記熱交換用水の流通量の配分を変動させて前記第２処理の能力を調整する第２水量調整弁（６）と、前記第１水量調整弁（５）と前記第２水量調整弁（６）を操作して前記空調用空気を前記被空調空間（Ｓ）の空調に適した空気状態に調整する空調機制御装置（１１）と、を備えたことを特徴とする冷温水式空気調和機。
2. 空調機制御装置（１１）が、第１水量調整弁（５）及び第２水量調整弁（６）を操作して熱交換用水を第１熱交換器（１）及び第２熱交換器（２）の両方に流通させながら流通量を変動させる制御と前記第１水量調整弁（５）及び前記第２水量調整弁（６）を操作して前記熱交換用水を前記第１熱交換器（１）のみに流通させながら流通量を変動させる制御とを被空調空間（Ｓ）の空調負荷の変動に応じて切換える空調能力制御部（１９）を、備えた請求項１に記載の冷温水式空気調和機。
3. 第１水量調整弁（５）を二方弁で構成し、第２水量調整弁（６）を三方弁で構成した請求項１又は２に記載の冷温水式空気調和機。
4. 第１処理を行う空調用空気の風量を増減調整する第１ダンパ（８）と、第２処理を行う空調用空気の風量を増減調整する第２ダンパ（９）と、を備え、空調機制御装置（１１）が、前記第１処理に要するエンタルピーと前記第２処理に要するエンタルピーとを比較して前記エンタルピーが大きい前記空調用空気の風量が減少し前記エンタルピーが小さい前記空調用空気の風量が増加するように前記第１ダンパ（８）と前記第２ダンパ（９）を操作する空調能力補償部（２０）を、備えた請求項１から３のいずれかに記載の冷温水式空気調和機。
5. 第１熱交換器（１）と第２熱交換器（２）の一方又は両方の風下で前記空調用空気を加湿する加湿器（７）を、備え、空調機制御装置（１１）が、前記空調用空気の外気温度が前記被空調空間（Ｓ）の温度より低い場合に前記加湿器（７）で加湿して前記被空調空間（Ｓ）を冷房する外気冷房制御部（２３）を、備えた請求項１から４のいずれかに記載の冷温水式空気調和機。
6. 加湿器（７）を、空調用空気を水の気化蒸発で加湿する気化式、又は、前記空調用空気を蒸気で加湿する蒸気式とした請求項５に記載の冷温水式空気調和機。

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