JP2023162873A - 空気調和システム及び空気調和方法 - Google Patents

空気調和システム及び空気調和方法 Download PDF

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伸也 橋本
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Yukinori Fuse
光博 隅倉
Mitsuhiro Sumikura
義人 荒井
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Abstract

【課題】建築物における空気調和システムにおいて、二酸化炭素を分離して回収し、回収した二酸化炭素を有効に利用しつつ、室内の酸素濃度を制御できる空気調和システム及び空気調和方法。【解決手段】二酸化炭素を含む空気から前記二酸化炭素の一部又は全部を分離する二酸化炭素分離装置２０と、前記の分離された二酸化炭素を原料として炭化水素と酸素とを生成する電解還元装置３０と、電解還元装置３０で生成した前記酸素の一部又は全部を処理対象空間１０に供給する酸素供給量制御装置４０と、を有する、空気調和システム１。【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和システム及び空気調和方法に関する。
建築物環境衛生管理基準には、空気調和設備を設けている場合の居室においては、二酸化炭素の含有率を１，０００ｐｐｍ（体積基準。以下、本明細書において同じ。）以下にすることが定められている。このように、空気調和設備を設けている建築物の室内においては、室内の空気から二酸化炭素を除去する技術が望まれている。
例えば、特許文献１には、二酸化炭素を含む処理対象空気をアミン担持固体吸収剤に吸収させる処理ゾーンと、吸収剤が吸収した二酸化炭素を再生用空気に脱離させる再生ゾーンとに区画されたロータを備え、処理ゾーンに供給される処理対象空気と再生ゾーンに供給される再生用空気とのエンタルピー差が特定の範囲になるように構成された空気調和システムが提案されている。特許文献１の発明によれば、室内の空気中の二酸化炭素を除去し、空気質を高めることが図られている。
特開２０１７－７５７１５号公報
ところで、二酸化炭素は、適切な方法で回収することにより、有価物の製造に利用することができる。特許文献１の技術では、除去した二酸化炭素を室外へ排出しており、二酸化炭素を有効利用することについては考慮されていない。
加えて、特許文献１の技術では、二酸化炭素が除去された室内の酸素濃度の減少については考慮されていない。
そこで、本発明は、建築物における空気調和システムにおいて、二酸化炭素を分離して回収し、回収した二酸化炭素を有効に利用しつつ、室内の酸素濃度を制御できる空気調和システム及び空気調和方法を目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の態様を有する。
［１］二酸化炭素を含む空気から前記二酸化炭素の一部又は全部を分離する二酸化炭素分離装置と、
前記の分離された二酸化炭素を原料として炭化水素と酸素とを生成する電解還元装置と、
前記電解還元装置で生成した前記酸素の一部又は全部を処理対象空間に供給する酸素供給量制御装置と、を有する、空気調和システム。
［２］前記電解還元装置で生成した前記炭化水素の一部又は全部を原料としてエチレングリコールを生成するエチレングリコール製造装置をさらに有する、［１］に記載の空気調和システム。
［３］前記酸素供給量制御装置が、前記電解還元装置で生成した前記酸素の一部を前記エチレングリコール製造装置に供給する第二酸素流量調節部をさらに有する、［２］に記載の空気調和システム。
［４］前記エチレングリコール製造装置に供給される前記炭化水素の流量を調節する炭化水素量制御装置をさらに有する、［２］又は［３］に記載の空気調和システム。
［５］前記二酸化炭素を含む空気が、前記処理対象空間から排出された空気である、［１］～［４］のいずれかに記載の空気調和システム。
［６］前記処理対象空間の内部の空気が、外部と遮断されている、［１］～［５］のいずれかに記載の空気調和システム。
［７］二酸化炭素を含む空気から前記二酸化炭素の一部又は全部を分離する二酸化炭素分離工程と、
前記の分離された二酸化炭素を原料として炭化水素と酸素とを生成する電解還元工程と、
前記電解還元工程で生成した前記酸素の一部又は全部を処理対象空間に供給する酸素供給量制御工程と、を有する、空気調和方法。
本発明の空気調和システム及び空気調和方法によれば、建築物における空気調和システムにおいて、二酸化炭素を分離して回収し、回収した二酸化炭素を有効に利用しつつ、室内の酸素濃度を制御できる。
本発明の一実施形態に係る空気調和システムを示す概略図である。
≪空気調和システム≫
本発明の空気調和システムは、二酸化炭素分離装置と、電解還元装置と、酸素供給量制御装置とを有する。
以下に、本発明の第一実施形態に係る空気調和システムについて、図１に基づき詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の空気調和システム１は、処理対象空間１０と、二酸化炭素分離装置２０と、電解還元装置３０と、酸素供給量制御装置４０と、エチレングリコール製造装置５０と、炭化水素量制御装置６０と、二酸化炭素量制御装置７０と、を有する。
処理対象空間１０と二酸化炭素分離装置２０とは、配管Ｌ１で接続されている。配管Ｌ１には、流量計Ｆ１、濃度計Ｃ１、開閉弁Ｖ１及びブロワＢ１が設けられている。二酸化炭素分離装置２０と電解還元装置３０とは、配管Ｌ２で接続されている。配管Ｌ２には、ブロワＢ２、流量計Ｆ２、開閉弁Ｖ２及び濃度計Ｃ２が設けられている。電解還元装置３０とエチレングリコール製造装置５０とは、配管Ｌ５で接続されている。配管Ｌ５には、炭化水素分離装置３２、ブロワＢ５、流量計Ｆ５、炭化水素流量調節部Ｖ５及び濃度計Ｃ５が設けられている。
電解還元装置３０には、配管Ｌ４が接続され、配管Ｌ４は、処理対象空間１０と接続されている。配管Ｌ４には、ブロワＢ４と流量計Ｆ４と第一酸素流量調節部Ｖ４とが設けられている。二酸化炭素分離装置２０には、配管Ｌ３が接続され、配管Ｌ３は、分岐１０３で配管Ｌ４に接続されている。配管Ｌ４に設けられた分岐１０１には配管Ｌ６が接続され、エチレングリコール製造装置５０と接続されている。配管Ｌ６には、流量計Ｆ６と第二酸素流量調節部Ｖ６とが設けられている。濃度計Ｃ１と第一酸素流量調節部Ｖ４と流量計Ｆ４とブロワＢ４と流量計Ｆ６と第二酸素流量調節部Ｖ６とは、制御部４２に電気的に接続され、酸素供給量制御装置４０を構成している。本明細書において、「電気的に接続」とは、情報の送受信をできればよく、有線又は無線を問わないものとする。エチレングリコール製造装置５０には、配管Ｌ８が接続されている。配管Ｌ８には、開閉弁Ｖ８が設けられている。
電解還元装置３０には、配管Ｌ７が接続され、二酸化炭素分離装置２０と接続されている。配管Ｌ７には、濃度計Ｃ７と開閉弁Ｖ７とが設けられている。処理対象空間１０には、配管Ｌ１０と配管Ｌ１１とが接続されている。配管Ｌ１０には、開閉弁Ｖ１０が設けられている。配管Ｌ１１には、開閉弁Ｖ１１が設けられている。配管Ｌ１０に設けられた分岐１０４には、配管Ｌ１２が接続され、配管Ｌ１２は、分岐１０５で配管Ｌ１に接続されている。配管Ｌ１２には、流量計Ｆ１２、濃度計Ｃ１２及び開閉弁Ｖ１２が設けられている。配管Ｌ３に設けられた分岐１０２には、配管Ｌ１３が接続され、配管Ｌ１３は、分岐１０６で配管Ｌ１１に接続されている。配管Ｌ１３には、開閉弁Ｖ１３が設けられている。
ブロワＢ５と流量計Ｆ５と炭化水素流量調節部Ｖ５と濃度計Ｃ５とは、制御部６２に電気的に接続され、炭化水素量制御装置６０を構成している。流量計Ｆ１と濃度計Ｃ１と開閉弁Ｖ１とブロワＢ１とブロワＢ２と流量計Ｆ２と開閉弁Ｖ２と濃度計Ｃ２と開閉弁Ｖ３と濃度計Ｃ７と開閉弁Ｖ７と開閉弁Ｖ１０と開閉弁Ｖ１１と流量計Ｆ１２と濃度計Ｃ１２と開閉弁Ｖ１２と開閉弁Ｖ１３と酸素供給量制御装置４０と炭化水素量制御装置６０とは、制御部７２に電気的に接続され、二酸化炭素量制御装置７０を構成している。
図中の矢印は、空気等の流体の移動方向を表す。また、空気等の流体の物質量を導出するのに必要な、流体の温度、湿度及び圧力は、必要に応じて適宜測定できるようにセンサー（不図示）等が設けられている。
＜処理対象空間＞
処理対象空間１０は、酸素濃度が制御される室内の空間である。処理対象空間１０としては、例えば、オフィス等の屋内で人が活動する居室等が挙げられる。処理対象空間１０では、人が呼吸をすることで二酸化炭素の濃度が増大する。処理対象空間１０では、人が呼吸をすることで酸素の濃度が低下する。
また、処理対象空間１０内で、暖房器具等を用いて可燃性物質を燃焼し、居室空間の温度調整を実施する場合、処理対象空間１０内の二酸化炭素の濃度は増大し、酸素の濃度は低下する。
＜二酸化炭素分離装置＞
二酸化炭素分離装置２０は、二酸化炭素を含む空気から二酸化炭素の一部又は全部を分離する装置である。本明細書において、二酸化炭素分離装置２０は、分離した二酸化炭素を廃棄するものではなく、回収して有効利用を図れる態様の装置であるものとする。
二酸化炭素分離装置２０としては、例えば、空気中の二酸化炭素を吸脱着できる吸着剤を備える吸脱着装置、空気中の窒素を吸脱着できる吸着剤を備える吸脱着装置、空気中の酸素を吸脱着できる吸着剤を備える吸脱着装置、二酸化炭素を膜分離できる分離膜を備える膜分離装置等が挙げられ、特に限定されない。
空気中の二酸化炭素を吸脱着できる吸着剤としては、例えば、ゼオライト、シリカゲル、活性炭、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン等のアミンを担持した固体吸収剤、アミン系の弱塩基性陰イオン交換樹脂等が挙げられる。空気中の二酸化炭素を吸脱着できる吸着剤としては、ゼオライト、シリカゲル、活性炭が好ましく、ゼオライト、シリカゲルがより好ましい。
空気中の窒素を吸脱着できる吸着剤としては、例えば、リチウムを置換又は担持したゼオライト等が挙げられる。
空気中の酸素を吸脱着できる吸着剤としては、例えば、ＳｒＦｅＯｘ、ＢａＦｅＯｘ、ＳｒＮｉＯｘ、ＳｒＣｏＯｘ（ｘは、いずれも構造中の酸素原子の数を表す）等のペロブスカイト型の吸着剤等が挙げられる。
二酸化炭素を膜分離できる分離膜としては、例えば、中空糸状の多孔質炭素繊維を支持体とする炭素膜等が挙げられる。
二酸化炭素を脱着させる際は、温度差を利用した温度スイング吸着（ＴＳＡ）の原理、圧力差を利用した圧力スイング吸着（ＰＳＡ）の原理、二酸化炭素分離装置２０の内部の圧力を１００ｋＰａ以下に低下させて二酸化炭素を脱着させる真空スイング吸着（ＶＳＡ）の原理のいずれを用いてもよい。
本実施形態の二酸化炭素分離装置２０は、処理対象空間１０から排出された空気から二酸化炭素を分離する装置である。
処理対象空間１０では、人が呼吸をすることで二酸化炭素の濃度が増大するため、二酸化炭素を分離する効率をより高められる。
二酸化炭素分離装置２０は、処理対象空間１０を介さず、配管Ｌ１２を介して通流した空気から二酸化炭素を分離する態様であってもよい。
処理対象空間１０を介さない空気としては、例えば、処理対象空間１０以外の居室の空気や屋外の空気（大気）等が挙げられる。
＜電解還元装置＞
電解還元装置３０は、二酸化炭素を原料として炭化水素と酸素とを生成する装置である。
電解還元装置３０としては、例えば、特開２０１８－１５０５９６号公報に記載の電解装置、特開２０１９－４４２３８号公報に記載の電解装置、国際公開第２０２２／０４９６３８号に記載の電解還元装置等が挙げられ、特に限定されない。
＜酸素供給量制御装置＞
酸素供給量制御装置４０は、電解還元装置３０で生成した酸素の一部又は全部を処理対象空間１０に供給する装置である。
本実施形態の酸素供給量制御装置４０は、制御部４２と、濃度計Ｃ１と、ブロワＢ４と、流量計Ｆ４と、第一酸素流量調節部Ｖ４と、流量計Ｆ６と、第二酸素流量調節部Ｖ６とを有する。酸素供給量制御装置４０では、濃度計Ｃ１で処理対象空間１０の内部の酸素濃度及び流量計Ｆ４で配管Ｌ４を通流する酸素の流量をモニタリングし、第一酸素流量調節部Ｖ４の開度や、ブロワＢ４の出力値（電力あるいは周波数等）を調節しながら、電解還元装置３０で生成した酸素の一部又は全部を処理対象空間１０に供給する。
酸素供給量制御装置４０は、流量計Ｆ６で配管Ｌ６を通流する酸素の流量をモニタリングし、第二酸素流量調節部Ｖ６の開度や、ブロワＢ４の出力値（電力あるいは周波数等）を調節しながら、電解還元装置３０で生成した酸素の一部をエチレングリコール製造装置５０に供給することもできる。
＜エチレングリコール製造装置＞
エチレングリコール製造装置５０は、電解還元装置３０で生成した炭化水素の一部又は全部を原料として、エチレングリコールを生成する装置である。
エチレングリコール製造装置５０としては、例えば、特開２０００－１２８８１４号公報に記載の反応装置、特開２０００－１４３５６２号公報、特開２００１－３１６３０８号公報に記載の反応装置等が挙げられ、特に限定されない。
＜炭化水素量制御装置＞
炭化水素量制御装置６０は、電解還元装置３０で生成した炭化水素の一部又は全部をエチレングリコール製造装置５０に供給する装置である。
本実施形態の炭化水素量制御装置６０は、制御部６２と、ブロワＢ５と、流量計Ｆ５と、炭化水素流量調節部Ｖ５と、濃度計Ｃ５とを有する。
炭化水素量制御装置６０では、流量計Ｆ５で配管Ｌ５を通流する炭化水素の流量をモニタリングし、炭化水素流量調節部Ｖ５の開度や、ブロワＢ５の出力値（電力あるいは周波数等）を調節しながら、電解還元装置３０で生成した炭化水素の一部又は全部をエチレングリコール製造装置５０に供給する。
炭化水素量制御装置６０では、流量計Ｆ５でモニタリングされたモニタリング値を、二酸化炭素量制御装置７０に送ることが好ましい。二酸化炭素量制御装置７０では、上記モニタリング値に応じて、各配管の開閉弁の開度等を調節できる。
＜二酸化炭素量制御装置＞
二酸化炭素量制御装置７０は、二酸化炭素分離装置２０から電解還元装置３０に供給される二酸化炭素の量を制御する装置である。空気調和システム１は、二酸化炭素量制御装置７０を有することで、二酸化炭素分離装置２０から電解還元装置３０に供給される二酸化炭素の量を最適化できる。
本実施形態の二酸化炭素量制御装置７０は、制御部７２と流量計Ｆ１と濃度計Ｃ１と開閉弁Ｖ１とブロワＢ１とブロワＢ２と流量計Ｆ２と開閉弁Ｖ２と濃度計Ｃ２と開閉弁Ｖ３と濃度計Ｃ７と開閉弁Ｖ７と開閉弁Ｖ１０と開閉弁Ｖ１１と流量計Ｆ１２と濃度計Ｃ１２と開閉弁Ｖ１２と開閉弁Ｖ１３と酸素供給量制御装置４０と炭化水素量制御装置６０とを有する。
二酸化炭素量制御装置７０では、流量計Ｆ５でモニタリングされたモニタリング値及び濃度計Ｃ５で測定された炭化水素濃度に基づいて、二酸化炭素分離装置２０から電解還元装置３０に供給される二酸化炭素の量を調節する。より具体的には、上記モニタリング値に基づいて、開閉弁Ｖ２の開度や、ブロワＢ２の出力値（電力あるいは周波数等）を調節しながら、電解還元装置３０に二酸化炭素を供給する。
電解還元装置３０での二酸化炭素の反応量は、二酸化炭素分離装置２０から電解還元装置３０に供給される二酸化炭素の供給量と、配管Ｌ７を通流する二酸化炭素の濃度と、配管Ｌ５を通流する炭化水素の流量と、配管Ｌ４及び配管Ｌ６を通流する酸素の流量とから、導出される。
二酸化炭素量制御装置７０では、流量計Ｆ１及びＦ１２の流量値と、濃度計Ｃ１、Ｃ３及びＣ１２の濃度の値とを測定しながら、開閉弁Ｖ１、Ｖ３、Ｖ１０、Ｖ１１、Ｖ１２及びＶ１３の開度や、ブロワＢ１の出力値（電力あるいは周波数等）を調節しながら、電解還元装置３０での二酸化炭素の反応量とバランスするのに必要な量の二酸化炭素を供給する。
配管Ｌ１としては、例えば、金属製又は樹脂製のダクト等が挙げられる。
配管Ｌ２～配管Ｌ７としては、例えば、配管Ｌ１と同様のダクト等が挙げられる。
配管Ｌ８としては、例えば、エチレングリコールを移送できるパイプライン等が挙げられる。
配管Ｌ１０、配管Ｌ１２としては、例えば、外気取入口を有するダクト等が挙げられる。
配管Ｌ１１、配管Ｌ１３としては、例えば、排気口を有するダクト等が挙げられる。
開閉弁Ｖ１としては、例えば、コンピュータ等で開閉を制御できる電磁弁等が挙げられる。
開閉弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ１０～Ｖ１３としては、例えば、開閉弁Ｖ１と同様の電磁弁等が挙げられる。
第一酸素流量調節部Ｖ４、第二酸素流量調節部Ｖ６、炭化水素流量調節部Ｖ５としては、例えば、開閉弁Ｖ１と同様の電磁弁等が挙げられる。
ブロワＢ１としては、例えば、羽根車の回転運動によって気体にエネルギーを与える送風機等が挙げられる。
ブロワＢ２、Ｂ４、Ｂ５としては、例えば、ブロワＢ１と同様の送風機等が挙げられる。
流量計Ｆ１としては、例えば、空気の流量を測定できる気体流量計等が挙げられる。
流量計Ｆ２、Ｆ４～Ｆ６、Ｆ１２としては、例えば、流量計Ｆ１と同様の気体流量計等が挙げられる。
濃度計Ｃ１としては、例えば、酸素濃度、二酸化炭素濃度、炭化水素濃度等を測定できる濃度センサ等が挙げられる。
濃度計Ｃ２、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７、Ｃ１２としては、例えば、濃度計Ｃ１と同様の濃度センサ等が挙げられる。
炭化水素分離装置３２としては、例えば、炭化水素を選択的に分離できる蒸留装置等が挙げられる。
制御部４２としては、例えば、第一酸素流量調節部Ｖ４及び第二酸素流量調節部Ｖ６の開度や、ブロワＢ４の出力値を制御できるコンピュータ等が挙げられる。
制御部６２としては、例えば、炭化水素流量調節部Ｖ５の開度や、ブロワＢ５の出力値を制御できるコンピュータ等が挙げられる。
制御部７２としては、例えば、開閉弁Ｖ１、Ｖ３、Ｖ１０、Ｖ１１、Ｖ１２及びＶ１３の開度や、ブロワＢ１及びＢ２の出力値を制御できるコンピュータ等が挙げられる。
≪空気調和方法≫
本発明の空気調和方法は、二酸化炭素分離工程と、電解還元工程と、酸素供給量制御工程とを有する。
本実施形態の空気調和方法について、空気調和システム１を利用した空気調和方法を例にして説明する。
各工程について、以下に、図１に基づき詳細に説明する。
まず、開閉弁Ｖ１０～Ｖ１２を閉として、開閉弁Ｖ１を開とする。
ブロワＢ１を稼働することで、処理対象空間１０の内部の空気は、処理対象空気として、配管Ｌ１を通流して二酸化炭素分離装置２０に流入する。
開閉弁Ｖ１を閉とし、開閉弁Ｖ１２を開とすることで、大気を二酸化炭素分離装置２０に供給することもできる。例えば、夜間等、処理対象空間１０に人がいない場合であっても、大気を二酸化炭素分離装置２０に供給することで、大気中の二酸化炭素を分離して、回収することが可能である。
処理対象空気における二酸化炭素の濃度は、例えば、１００～５，０００ｐｐｍが好ましく、２００～４，０００ｐｐｍがより好ましく、３００～３，０００ｐｐｍがさらに好ましく、４００～２，０００ｐｐｍがさらに好ましく、５００～１，５００ｐｐｍが特に好ましく、６００～１，０００ｐｐｍが最も好ましい。処理対象空気における二酸化炭素の濃度が上記下限値以上であると、より高濃度の二酸化炭素を電解還元装置３０へと供給できる。処理対象空気における二酸化炭素の濃度が上記上限値以下であると、二酸化炭素を分離した後の空気（処理済空気）に含まれる二酸化炭素の濃度をより低減できる。
＜二酸化炭素分離工程＞
二酸化炭素分離工程は、二酸化炭素を含む空気（処理対象空気）から二酸化炭素の一部又は全部を分離する工程である。
本実施形態においては、処理対象空気を二酸化炭素分離装置２０に供給し、二酸化炭素分離装置２０で二酸化炭素を分離する。
二酸化炭素分離装置２０が吸脱着装置である場合、処理対象空気を吸着剤に接触させ、処理対象空気中の二酸化炭素、窒素及び酸素のいずれかを吸着剤に吸着させる。
本工程で二酸化炭素を吸着する場合、二酸化炭素の一部又は全部が除かれた処理済空気を、開閉弁Ｖ３を開とし、配管Ｌ３、分岐１０３、配管Ｌ４を通流させて、処理対象空間１０に供給する。二酸化炭素が吸着した吸着剤から二酸化炭素を脱着させることで、脱着した二酸化炭素（二酸化炭素リッチな気体）を電解還元装置３０へと供給できる。
本工程で窒素を吸着する場合、窒素の一部又は全部が除かれ、相対的に酸素濃度が高められた気体（酸素リッチな気体）が得られる。酸素リッチな気体をさらに吸着剤に接触させて、酸素の一部又は全部を吸着剤に吸着させる。酸素の一部又は全部が除かれ、相対的に二酸化炭素濃度が高められた気体（二酸化炭素リッチな気体）を電解還元装置３０に供給する。
吸着剤に吸着された窒素を脱着することで、窒素リッチな気体が得られる。窒素リッチな気体は、窒素として回収してもよく、開閉弁Ｖ３を閉、開閉弁Ｖ１３を開とし、配管Ｌ３、分岐１０２、配管Ｌ１３、分岐１０６、配管Ｌ１１を通流させて、屋外に排出してもよい。
吸着剤に吸着された酸素を脱着することで、酸素リッチな気体が得られる。酸素リッチな気体は、開閉弁Ｖ３を開とし、配管Ｌ３、分岐１０３、配管Ｌ４を通流させて、処理対象空間１０に供給されてもよく、エチレングリコール製造装置５０に供給されてもよい。
窒素リッチな気体と酸素リッチな気体とをそれぞれ混合して、処理済空気として処理対象空間１０に供給してもよい。
二酸化炭素分離装置２０が膜分離装置である場合、処理対象空気を分離膜に通流させ、処理対象中の二酸化炭素の一部又は全部を分離する。分離された二酸化炭素（二酸化炭素リッチな気体）は、電解還元装置３０に供給される。二酸化炭素の一部又は全部が除かれた処理済空気は、処理対象空間１０に供給される。
例えば、夜間等、処理対象空間１０をバイパスし、配管Ｌ１２を通流させて、大気（外気）を二酸化炭素分離装置２０に直接供給する場合、処理済空気は、開閉弁Ｖ１３を開とし、配管Ｌ３、分岐１０２、配管Ｌ１３、分岐１０６、配管Ｌ１１を通流させて、屋外に排出されてもよい。
分離された二酸化炭素（二酸化炭素リッチな気体）は、開閉弁Ｖ２を開とし、ブロワＢ２を稼働することで、配管Ｌ２を通流して電解還元装置３０に流入する。
二酸化炭素リッチな気体における二酸化炭素の濃度は、例えば、１，０００ｐｐｍ以上であってよく、１，０００～７５０，０００ｐｐｍ、１，０００～５００，０００ｐｐｍ、１，０００～２５０，０００ｐｐｍ、１，０００～１００，０００ｐｐｍ、が好ましく、１，０００～１０，０００ｐｐｍがより好ましく、２，０００～１０，０００ｐｐｍがさらに好ましく、２，０００～５，０００ｐｐｍが特に好ましい。二酸化炭素リッチな気体における二酸化炭素の濃度が上記下限値以上であると、より多くの二酸化炭素を電解還元装置３０に供給できる。二酸化炭素リッチな気体における二酸化炭素の濃度が上記上限値以下であると、管理がより容易になる。
二酸化炭素リッチな気体における二酸化炭素の濃度は、吸着剤の種類、量、分離膜の種類、形状、二酸化炭素分離装置２０の内部の圧力、二酸化炭素分離装置２０の内部の温度、及びこれらの組合せにより調節できる。
二酸化炭素リッチな気体における二酸化炭素の濃度は、例えば、濃度計Ｃ２で測定できる。
二酸化炭素が分離された処理済空気は、開閉弁Ｖ３を開とすることで、配管Ｌ３を通流して処理対象空間１０に流入する。
処理済空気における二酸化炭素濃度は、例えば、１，０００ｐｐｍ以下が好ましく、８００ｐｐｍ以下がより好ましく、５００ｐｐｍ以下がさらに好ましい。処理済空気における二酸化炭素濃度が上記上限値以下であると、建築物環境衛生管理基準を満たす二酸化炭素濃度にでき、より清浄な空気を処理対象空間１０に供給できる。処理済空気における二酸化炭素濃度の下限値は、特に限定されないが、実質的には１０ｐｐｍであり、０ｐｐｍであってもよい。
＜電解還元工程＞
電解還元工程は、分離された二酸化炭素を原料として、炭化水素と酸素とを生成する工程である。本実施形態においては、二酸化炭素分離工程で分離された二酸化炭素を電解還元装置３０に供給し、電解還元装置３０で電解還元処理を施す。
生成される炭化水素としては、例えば、メタン、エタン、エチレン等が挙げられる。エチレングリコールの原料となることから、炭化水素としては、メタン、エチレンが好ましく、エチレンがより好ましい。
電解還元工程では、分離された二酸化炭素を高濃度化させる富化操作を行うことが好ましい。富化操作としては、例えば、電気化学的な処理を施す方法が挙げられる。
電解還元工程が富化操作を有することで、後述する炭化水素を得る反応の効率をより高められる。
電解還元工程では、例えば、二酸化炭素と水とをカソード電極に供給することで、二酸化炭素が還元され、炭化水素が得られる。カソード電極の構造としては、ガス拡散電極等が好ましい。
この際、副生成物として、カソード電極から酸素が生成する。生成した酸素は、配管Ｌ４へと流入する。
得られた炭化水素は、炭化水素分離装置３２を経て、炭化水素流量調節部Ｖ５を開とし、ブロワＢ５を稼働することで、配管Ｌ５を通流し、エチレングリコール製造装置５０へと流入する。
＜酸素供給量制御工程＞
酸素供給量制御工程は、電解還元工程で得られた酸素の一部又は全部を処理対象空間１０に供給する工程である。本実施形態においては、酸素供給量制御装置４０によって、流量計Ｆ４で酸素の流量をモニタリングし、第一酸素流量調節部Ｖ４の開度や、ブロワＢ４の出力値（電力あるいは周波数等）を調節しながら、処理対象空間１０に供給する酸素の流量を制御する。配管Ｌ４に流入した酸素は、酸素供給量制御装置４０によって、その流量を制御されつつ、処理対象空間１０に供給される。
処理対象空間１０では、人が呼吸をすることで酸素の濃度が低下する。酸素供給量制御工程で処理対象空間１０に酸素を供給することで、処理対象空間１０内の酸素濃度が一定に保たれる。
処理対象空間１０内の酸素濃度は、人体への影響を考慮して、例えば、１９体積％以上が好ましく、２０体積％以上がより好ましく、２１体積％以上がさらに好ましい。
処理対象空間１０内の酸素濃度は、例えば、処理対象空間１０内に設けた酸素濃度計（不図示）等を用いて測定することができる。処理対象空間１０内の酸素濃度は、酸素供給量制御装置４０や二酸化炭素量制御装置７０を用いてモニタリングする態様であってもよい。
処理対象空間１０内の酸素濃度を酸素供給量制御装置４０等でモニタリングすることによって、処理対象空間１０への酸素供給量と処理対象空間１０への処理済空気の供給量とを調節できる。
電解還元工程で得られた酸素の一部は、第一酸素流量調節部Ｖ４を閉、第二酸素流量調節部Ｖ６を開とし、ブロワＢ４を稼働することで、配管Ｌ６を通流し、エチレングリコール製造装置５０へと供給されてもよい。
エチレングリコール製造装置５０へと供給される酸素の流量は、流量計Ｆ６でモニタリングし、第二酸素流量調節部Ｖ６の開度や、ブロワＢ４の出力値（電力あるいは周波数等）を調節することで、酸素供給量制御装置４０によって制御できる。
エチレングリコール製造装置５０に酸素を供給することで、エチレングリコールの原料となるエチレンオキシドを生成できる。
＜エチレングリコール製造工程＞
エチレングリコール製造工程は、電解還元工程で生成した炭化水素の一部又は全部を原料として、エチレングリコールを生成する工程である。本実施形態においては、電解還元工程で得られた炭化水素の一部又は全部をエチレングリコール製造装置５０に供給し、エチレングリコール製造装置５０でエチレングリコールを生成する。
エチレングリコール製造工程では、まず、炭化水素を精製してエチレンを得る。次に、アルミナ担体に銀を担持させた銀触媒の存在下で、エチレンと酸素とを反応させてエチレンオキサイドを得る。
ここで、エチレンと反応させる酸素は、電解還元工程で得られた酸素でもよく、外部から供給される酸素でもよい。エネルギー効率を高める観点から、エチレンと反応させる酸素としては、電解還元工程で得られた酸素が好ましい。
また、エチレンの酸化反応を抑制するために、希釈剤としてメタンを加えてもよい。希釈剤として加えるメタンは、外部から供給されてもよく、電解還元工程で得られるメタンであってもよい。エネルギー効率を高める観点から、希釈剤として加えるメタンとしては、電解還元工程で得られるメタンが好ましい。
得られたエチレンオキサイドからエチレングリコールを得る方法としては、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。エチレングリコールを得る方法としては、例えば、無触媒の液相水和反応を用いる方法や、触媒を用いてエチレンカーボネートを生成してからエチレングリコールを得る方法等が挙げられる。
触媒としては、例えば、アルカリ金属のヨウ化物や臭化物、アルカリ土類金属のハロゲン化物、ハロゲン化有機ホスホニウム塩、アルカリ金属の炭酸塩、又はこれらを併用したもの等が挙げられる。
得られたエチレングリコールは、精製された後、開閉弁Ｖ８を開とすることで、配管Ｌ８を通流して、外部へと移送される。
エチレングリコールは、エチレンに比べて安全性が高く、保管や貯蔵に適している。
エチレングリコールは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）の原料として有用である。
開閉弁Ｖ１０を開とすることで、外部の空気を配管Ｌ１０に通流させ、処理対象空間１０に供給してもよい。
開閉弁Ｖ１１を開とすることで、処理対象空間１０内の空気を配管Ｌ１１に通流させ、外部に排出してもよい。
しかし、エネルギーの大幅な削減が可能であることから、開閉弁Ｖ１０及び開閉弁Ｖ１１を閉とし、処理対象空間１０の内部の空気が、外部と遮断されていることが好ましい。
ここで、「外部と遮断」とは、処理対象空間１０が、外気との交換口を有しないことをいう。本実施形態では、処理対象空間１０に接続された配管Ｌ１０及び配管Ｌ１１が外気との交換口となる。しかし、開閉弁Ｖ１０及びＶ１１をともに閉とすることで、処理対象空間１０の内部の空気が外部と遮断され、「外気との交換口を有しない」状態となる。
外気との交換口を有しない処理対象空間に本実施形態の空気調和システムを適用することで、例えば、宇宙ステーションや潜水艦、核シェルター等の外部と閉鎖された空間においても、空間内の酸素濃度を一定に保つことが可能になる。
以上説明したように、本実施形態の空気調和システムによれば、外気及び処理対象空間内の空気から二酸化炭素を分離できる。このため、二酸化炭素の濃度を低減した空気を処理対象空間に供給できる。
本実施形態の空気調和システムによれば、分離した二酸化炭素から炭化水素を生成できる。このため、分離した二酸化炭素を炭素源等のエネルギー源や基礎化学品の原料として有効利用できる。
本実施形態の空気調和システムによれば、電解還元装置で生成した酸素を処理対象空間に供給できるため、処理対象空間内の酸素濃度を制御できる。このため、処理対象空間に供給する空気を外気に頼らなくてもよい。その結果、空調負荷の４割を占めると言われる外気負荷を低減できる。
本実施形態の空気調和システムによれば、空調負荷を低減できるため、空調コストを削減でき、空調にかかるエネルギーを低減できる。このため、発電所における二酸化炭素の排出量の削減につながる。
本実施形態の空気調和システムによれば、外気の二酸化炭素を分離し、直接回収できるため、広く活用されれば、地球全体の二酸化炭素の削減につながる。加えて、外気の二酸化炭素を分離し、直接回収できるため、屋内排気のみから二酸化炭素を吸収していた従来技術に比べ、多量かつ安定的に二酸化炭素を回収できる。
本実施形態の空気調和システム又は空気調和方法により分離された二酸化炭素は、工業的な利用に必要な量を安定的に供給できる。このため、分離された二酸化炭素は、人工光合成等の化学工学プロセスによる、一酸化炭素、メタン、メタノール及びギ酸等のＣ１化合物の合成の材料、エタン、エチレン及びエタノール等のＣ２化合物の合成の材料、又は、プロピレン、ブテン等のオレフィン系化合物の合成の材料として、好適である。
本実施形態の空気調和システムによれば、生成した炭化水素から、安全で有用性の高いエチレングリコールを得ることができる。
このように、本発明の技術は、地球環境に有益な技術である。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変更が可能である。
上述の実施形態では、処理対象空間から排出された空気を処理対象空気としているが、屋外の空気を処理対象空気としてもよい。屋外の空気を処理対象空気とすることで、電解還元装置に連続的に二酸化炭素を供給できる。
屋外の空気を処理対象空気とすることで、大気中の二酸化炭素濃度を低減できる。
上述の実施形態では、処理対象空間は１つであるが、処理対象空間は２つ以上であってもよい。処理対象空間の数を増やすことで、より多くの二酸化炭素を分離し、回収することが可能となる。その結果、得られる炭化水素の生産量をより高められる。
例えば、処理対象空間を２以上のフロアに備えるビル等の建築物にも本発明の空気調和システムを適用できる。複数のビルに本発明の空気調和システムを適用することで、地域冷暖房システム供給街区の実現を可能にできる。
配管、流量計、開閉弁、濃度計、ブロワ等の数や設置位置は、上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において、任意の数を任意の位置に設置できる。
２０１５年９月の国連サミットにおいて採択された１７の国際目標として、「持続可能な開発目標（Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｇｏａｌｓ：ＳＤＧｓ）」がある。一実施形態に係る空気調和システムは、このＳＤＧｓの１７の目標のうち、例えば、「７．エネルギーをみんなに そしてクリーンに」の目標などの達成に貢献し得る。
１…空気調和システム、１０…処理対象空間、２０…二酸化炭素分離装置、３０…電解還元装置、３２…炭化水素分離装置、４０…酸素供給量制御装置、４２，６２，７２…制御部、５０…エチレングリコール製造装置、６０…炭化水素量制御装置、７０…二酸化炭素量制御装置、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１０，Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３…開閉弁、Ｖ４…第一酸素流量調節部、Ｖ５…炭化水素流量調節部、Ｖ６…第二酸素流量調節部、Ｌ１～Ｌ８，Ｌ１０～Ｌ１３…配管、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ４～Ｆ６，Ｆ１２…流量計、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７，Ｃ１２…濃度計、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４，Ｂ５…ブロワ、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６…分岐

Claims (7)

  1. 二酸化炭素を含む空気から前記二酸化炭素の一部又は全部を分離する二酸化炭素分離装置と、
    前記の分離された二酸化炭素を原料として炭化水素と酸素とを生成する電解還元装置と、
    前記電解還元装置で生成した前記酸素の一部又は全部を処理対象空間に供給する酸素供給量制御装置と、を有する、空気調和システム。
  2. 前記電解還元装置で生成した前記炭化水素の一部又は全部を原料としてエチレングリコールを生成するエチレングリコール製造装置をさらに有する、請求項１に記載の空気調和システム。
  3. 前記酸素供給量制御装置が、前記電解還元装置で生成した前記酸素の一部を前記エチレングリコール製造装置に供給する第二酸素流量調節部をさらに有する、請求項２に記載の空気調和システム。
  4. 前記エチレングリコール製造装置に供給される前記炭化水素の流量を調節する炭化水素量制御装置をさらに有する、請求項２又は３に記載の空気調和システム。
  5. 前記二酸化炭素を含む空気が、前記処理対象空間から排出された空気である、請求項１又は２に記載の空気調和システム。
  6. 前記処理対象空間の内部の空気が、外部と遮断されている、請求項１又は２に記載の空気調和システム。
  7. 二酸化炭素を含む空気から前記二酸化炭素の一部又は全部を分離する二酸化炭素分離工程と、
    前記の分離された二酸化炭素を原料として炭化水素と酸素とを生成する電解還元工程と、
    前記電解還元工程で生成した前記酸素の一部又は全部を処理対象空間に供給する酸素供給量制御工程と、を有する、空気調和方法。
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