JP3884315B2

JP3884315B2 - 顕熱・潜熱空調装置

Info

Publication number: JP3884315B2
Application number: JP2002098208A
Authority: JP
Inventors: 博中谷
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2022-04-01
Also published as: JP2003294266A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高気密・高断熱性に優れる住宅、ビル、工場などの建築物の顕熱および潜熱空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
住宅、ビルなどの建築物は省エネの観点から高気密・高断熱化が進み、その結果空調に必要な電力が削減されつつある。現在最も広く使われているヒートポンプ式のエアコンで夏季の冷房をする場合には、空気を冷却することで顕熱処理を行うと同時に潜熱処理を行っているので、高気密・高断熱の室内での空調負荷が減り、吹き出し温度が高くなる結果、潜熱処理量も減ってしまう。つまり除湿量が減り湿度が高くなるが、高気密下であるため水分の自然放散も期待できない。日本の夏は高温高湿を特徴とするが、温度は処理できるが湿度の処理が困難となっている。（尚、本文において、顕熱とは空気温度を、潜熱とは空気湿度を意味するものとする）
【０００３】
一方、東南アジア地区に特有な梅雨期には、低温・高湿となるため従来型のエアコン方式で除湿しようとすると温度が下がり過ぎてしまうという問題がある。
【０００４】
他方、冬季に従来型のエアコンで暖房する場合には、空気を高温にする結果、湿度が低下し、乾燥し過ぎてしまうという問題がある。
【０００５】
上述のように様々な問題が発生するのは、従来型のヒートポンプ式のエアコンで顕熱処理と潜熱処理を同時に行うことに起因している。従って、顕熱処理と潜熱処理を分離して、独立に処理できることが好ましい。つまり、空気温度を上下させないで潜熱処理できる廉価なシステムが望まれている。
【０００６】
潜熱処理設備としては、１）シリカゲル、アルミナ、ゼオライトなどの吸着剤に吸着除去させる方式、２）塩化リチウム水溶液の吸収剤に空気を接触、水分を吸収除去させる方式、３）円筒のハニカム構造体に塩化リチウム等の吸収剤の結晶を担持させ、空気を通して水分を吸収除去させる吸湿ロータ方式、等がある。しかし、いずれの方式も吸着剤、吸収剤の再生のために高温エネルギーが多量に必要であり、また設備が大がかりなものになってしまうという問題がある。
【０００７】
また、吸放湿建材を主室内面に施工して調湿を行う方法も古くから試みられている。木材には調湿作用があり、古来の木造建築はこの代表と言える。木材の他にも、ゼオライトパネル、石膏ボード、珪酸カルシウム板などが市販されている。このような吸放湿建材を用いる場合には、室内負荷を処理するために建材面積を大きくすることが必要であり、設計の自由度が低下する。また、建材の調湿能力を継続するには再生期間をはさむ必要があるが、再生すること無く潜熱負荷が継続する場合には能力が著しく低下してしまうことになる。室内面に建材を施工した場合、人工的に再生するには、室内空気全体を潜熱処理する必要があるという問題がある。
【０００８】
出願人は前記課題を解決するための顕熱・潜熱空調装置を特願平１０−２８９４４０として出願している。前記出願の概要を説明すると、吸放湿性建材７の内張りを有し、かつ顕熱・潜熱調整空気供給装置９を収納した閉空間８を主室１内の外側に設け、閉空間８と主室１との境界面には、ともに開閉自在の吹き出し口１０およびリターン口１１を設ける。そして冷房運転時には、図２（ａ）に示すように、吹き出し口１０およびリターン口１１を開口し、顕熱・潜熱調整空気供給装置９からの空気を閉空間８と主室１とで循環させて、主室１側の冷房処理と閉空間８内の吸放湿性建材７への吸湿とを促進する。一方、非冷房運転時には、図２（ｂ）に示すように、吹き出し口１０およびリターン口１１を閉口し、顕熱・潜熱調整空気供給装置９で閉空間８内の空気を除湿することで吸放湿性建材７からの放湿を促進する。なお、暖房の場合、逆に暖房運転時に吸放湿性建材７から放湿され、非暖房運転時に吸放湿性建材７を加湿することになる。
【０００９】
すなわち前記出願では、主室内を対象として冷暖房などの空調を行う空調時の他に非空調時という時間帯を設け、この非空調時に閉空間８内の吸放湿性建材７の再生を行っている。したがって、前記出願の顕熱・潜熱空調装置では、連続的に主室１内を空調することができないため、空調時間に制約が生じる点で改善の余地があった。
【００１０】
また前記出願の顕熱・潜熱空調装置において、非空調時が夜間の場合には顕熱・潜熱調整空気供給装置９の運転によって振動・騒音の問題が生じる場合もある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記従来技術の欠点を除くためにされたものであり、その目的は、空気の温度を上下させることなく、潜熱処理を可能とする廉価な空調システムであって、空調運転と同時に潜熱処理を行う吸放湿性建材の再生を行うことで、連続的に主室内を空調可能とした顕熱・潜熱空調装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の顕熱・潜熱空調装置は、空調の対象となる主室に面した吸気口から分岐し、前記主室へ空調空気を還流する送風口と連結された空調用通風路と、前記吸気口から分岐すると共に少なくともその一部が前記空調用通風路と隣接し、屋外に空気を放出する潜熱調整通風路とを有し、前記空調用通風路と前記潜熱調整通風路との隣接部には、前記吸気口側から順に、電流の極性に応じて冷却面および加熱面の切り替えが可能な熱電素子を備え、この熱電素子の一方の面から発生した熱が前記空調用通風路のみ伝達し、他方の面から発生した熱が前記潜熱調整通風路のみに伝達するように構成された顕熱処理部と、吸放湿性建材が前記空調用通風路及び前記潜熱調整通風路の両方の空気に接触するように配置された潜熱処理部とが形成されていることを特徴とする。
【００１３】
この顕熱・潜熱空調装置は、冷房運転時には、前記熱電素子の前記空調用通風路側の面を冷却面とすると共に前記潜熱調整通風路側の面を加熱面とし、前記空調用通風路を通流する空気を、前記顕熱処理部において冷却した後、前記潜熱処理部において前記吸放湿性建材により除湿すると共に、前記潜熱調整通風路を通流し、前記顕熱処理部において加熱されて飽和度が低下した空気で、前記空調用通風路を通流する空気を除湿する際に吸湿した前記吸放湿性建材を再生する。一方、暖房運転時には、前記熱電素子の前記空調用通風路側の面を加熱面とすると共に前記潜熱調整通風路側の面を冷却面とし、前記空調用通風路を通流する空気を、前記顕熱処理部において加熱した後、前記潜熱処理部において前記吸放湿性建材により加湿すると共に、前記潜熱調整通風路を通流し、前記顕熱処理部において冷却されて飽和度が上昇した空気で、前記空調用通風路を通流する空気を加湿する際に乾燥した前記吸放湿性建材を再生する。
【００１４】
ここで本発明の顕熱・潜熱空調装置の作用を簡単に説明する。本発明の顕熱・潜熱空調装置の冷房運転時では、空調用通風路の空調空気は熱電素子によって冷却された後、吸放湿性建材により除湿された状態で送風口から主室へ還流される。一方、潜熱調整通風路を通過する空気は熱電素子によって加熱された後、空調用通風路の空気を除湿して吸湿した吸放湿性建材から水分を吸い上げて屋外に放出される。
【００１５】
また暖房運転時では、熱電素子の電流の極性を切り替えて空調用通風路側を加熱面とする。すなわち、空調用通風路の空調空気は熱電素子によって加熱された後、吸放湿性建材の水分を吸い上げて加湿された状態で送風口から主室へ還流される。一方、潜熱調整通風路を通過する空気は熱電素子で冷却された後、吸放湿性建材によって除湿されて屋外に放出される。
【００１６】
つまり、本発明の顕熱・潜熱空調装置では主室内の空調と同時に吸放湿性建材の再生を行なうことが可能である。したがって、本発明では従来技術のように一定の空調時毎に吸放湿性建材の再生を行うための非空調時を設ける必要はなく、主室内の空調を連続的に行うことが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の顕熱・潜熱空調装置の構造を示す縦断面図である。
【００１８】
本発明の顕熱・潜熱空調装置は、空調対象となる主室１の天井、床または壁を隔てて隣接する閉空間８内に設置される。また、主室１と閉空間８とを区画する隔壁（天井、床または壁）には吸気口２および送風口３が開口されている。そして、吸気口２には、顕熱・潜熱空調装置内に空気を送り込むための送風ファン２ａが取り付けられている。
【００１９】
顕熱・潜熱空調装置内には、空調用通風路４および潜熱調整通風路５の２つの通風路が形成されている。２つの通風路は吸気口２の先で分岐して、空調用通風路４は送風口３と連結されて空調空気を主室１に還流するようになっており、潜熱調整通風路５は屋外と連結され、屋外に空気を放出するようになっている。また、潜熱調整通風路５の入口部には、回転ダンパ、ゲートダンパ、スライドダンパなどの風量調節用ダンパ５ａが設けられている。
【００２０】
また空調用通風路４および潜熱調整通風路５とを区画する境界面には、熱電素子６を用いた顕熱処理部と、吸放湿性建材７を用いた潜熱処理部が形成されている。顕熱処理部は潜熱処理部より手前に配置して、通風路の空気が顕熱処理部を通過した後に潜熱処理部を通過するように構成するのが好ましい。これは、潜熱処理部の吸放湿性建材７をより有効に機能させるためには、顕熱処理部の熱電素子６によって通風路の空気を加熱・冷却して、空気の飽和度（比較湿度）を変化させるのが好ましいからである。
【００２１】
本発明の顕熱処理部には、Ｐ形半導体およびＮ形半導体の一端を接合した接合対からなる熱電素子６（ペルチェモジュール）が用いられる。この熱電素子６はペルチェ効果を利用して、直流電流を流すことで一方の面が加熱され、他方の面（一方の面の裏面）は冷却されるという性質を有する。熱電素子６の温度は、電圧・電流の量を変えることで容易に調節できる。また、直流電流の極性を変更することで、熱電素子６の冷却面６ａおよび加熱面６ｂを切り替えることが可能である。
【００２２】
そして、本発明の顕熱処理部は、熱電素子６の一方の面から発生する熱が空調用通風路４のみに伝導し、かつ他方の面から発生する熱が潜熱調整通風路５のみに伝導するように構成される。例えば、熱電素子６を空調用通風路４および潜熱調整通風路５で直接挟み込んで顕熱処理部を構成してもよく、空調用通風路または潜熱調整通風路と熱電素子の一面とをヒートパイプなどの熱伝導手段で連結して顕熱処理部を構成してもよい。
【００２３】
本発明の潜熱処理部は、空調用通風路４および潜熱調整通風路５にそれぞれ開口を設けて、空調用通風路４および潜熱調整通風路５の開口部の両方に吸放湿性建材７のブロック体を嵌合させて、空調用通風路４および潜熱調整通風路５の両方の空気に吸放湿性建材７が接触するように構成されている。
【００２４】
ここで、吸放湿性建材７とは、接する空気の湿度が高い場合には建材側に水分を吸湿し、空気の湿度が低い場合には建材から水分を放湿する作用を有する建材であり、空調用通風路４および潜熱調整通風路５の内壁の一部を構成するものである。具体的には、木材、ゼオライトパネル、石膏ボード、珪酸カルシウムなどを含む有機または無機材料から構成される。
【００２５】
本発明の顕熱・潜熱空調装置は以上のように構成されており、以下その作用を冷房運転時と暖房運転時とに分けて説明する。
【００２６】
図１（ａ）は、本発明の顕熱・潜熱空調装置の冷房運転時の状態を示した図である。冷房運転時における顕熱処理部の熱電素子６は、空調用通風路４側が冷却面６ａとなり、潜熱調整通風路５側が加熱面６ｂとなる。
【００２７】
吸気口２から送風ファン２ａで顕熱・潜熱空調装置内に送りこまれた空気のうち、空調用通風路４の空気は、まず熱電素子６を用いた顕熱処理部を通過する。これにより、空調用通風路４の空気は所定の温度まで冷却される一方で、飽和度（比較湿度）は上昇した状態となる。次に、空調用通風路４の空気は潜熱処理部の吸放湿性建材７と接触する。これにより、吸放湿性建材７が空気から吸湿して、空調用通風路４の空気の飽和度が調整される。こうして、顕熱・潜熱処理された空調空気が送風口３から主室１へ還流する。なお、熱電素子６に対する電圧・電流の量を調節することで、空気の温度を上下させることなく潜熱処理のみを行なうことも可能である。
【００２８】
また潜熱調整通風路５の空気は、まず顕熱処理部を通過することで加熱されて、飽和度が低下して乾燥した状態となる。次に潜熱調整通風路５の空気は、潜熱処理部の吸放湿性建材７と接触して、吸放湿性建材７が空調用通風路４側から吸湿した水分を吸い上げて屋外に放出される。すなわち、冷房運転時において、空調用通風路４側から吸湿して水分を多く含んだ吸放湿性建材７は、潜熱調整通風路５の加熱された空気に放湿することで再生される。
【００２９】
図１（ｂ）は、本発明の顕熱・潜熱空調装置の暖房運転時の状態を示した図である。暖房運転時では、熱電素子６の電流の極性を切り替えることで空調用通風路４側が加熱面６ｂとなり、潜熱調整通風路５側が冷却面６ａとなる。
【００３０】
暖房運転時において、空調用通風路４の空気は顕熱処理部を通過して所定の温度まで加熱される一方で、飽和度が低下して乾燥した状態となる。次に、空調用通風路４の空気は潜熱処理部の吸放湿性建材７と接触する。空調用通風路４の加熱された空気は、吸放湿性建材７から放湿されることで飽和度が調整される。こうして、顕熱・潜熱処理された空調空気が送風口３から主室１へ還流する。なお、熱電素子６に対する電圧・電流の量を調節することで、空気の温度を上下させることなく潜熱処理のみを行なうことも可能である。
【００３１】
また潜熱調整通風路５の空気は、まず顕熱処理部を通過することで冷却されて飽和度が上昇した状態となる。次に潜熱調整通風路５の空気は、潜熱処理部の吸放湿性建材７と接触して屋外に放出される。このとき、吸放湿性建材７は潜熱調整通風路５の空気から吸湿して水分を補充する。すなわち、吸放湿性建材７は、暖房運転時において潜熱調整通風路５側の冷却された空気から吸湿し、空調用通風路４側へ放湿するため、暖房運転中に再生されるようになっている。
【００３２】
なお、本発明の顕熱・潜熱空調装置の構成は前記した実施形態に限定されるものではない。例えば、空調用通風路４の１面のみに隣接するように潜熱調整通風路５を構成してもよく、空調用通風路４を取り囲むように潜熱調整通風路５を構成してもよい。また、送風ファン２ａの位置を吸気口２ではなく、送風口３に設けるようにしてもよい［図示を省略する］。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の顕熱・潜熱空調装置では、主室内の空調と同時に吸放湿性建材の再生を行なうことができ、かつ主室内の空気の温度を上下させることなく潜熱処理をすることも可能である。したがって、本発明では従来技術のように一定の空調時毎に吸放湿性建材の再生を行うための非空調時を設ける必要はなく、主室内の空調を連続的に行うことが可能となる。
【００３４】
また、本発明の顕熱・潜熱空調装置は電流の極性を変更するだけで冷却・加熱の切り替えが容易にできる。しかも、熱電素子に対する電圧・電流の量を変えることで温度を容易に調節できるので、温度応答性が良好である。
【００３５】
さらに、本発明の顕熱・潜熱空調装置では、従来のヒートポンプ式エアコンなどと比べて構成が簡易かつ軽量である。また機械的な運動部分も少ないため、振動・騒音も少なく、保守が容易で信頼性も高い。さらに、触媒としてフロンガスを使用しないため、フロンガスのガス漏れによる地球環境への負荷が生じることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の顕熱・潜熱空調装置の構造を示す縦断面図であって、（ａ）は冷房運転時の状態を、（ｂ）は暖房運転時の状態をそれぞれ示す。
【図２】従来例［特願平１０−２８９４４０］の顕熱・潜熱空調装置の概要図であって、（ａ）は空調時の状態を、（ｂ）は非空調時の状態をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１主室
２吸気口
２ａ送風ファン
３送風口
４空調用通風路
５潜熱調整通風路
５ａ風量調節用ダンパ
６熱電素子（ペルチェモジュール）
６ａ冷却面
６ｂ加熱面
７吸放湿性建材
８閉空間
９顕熱・潜熱調整空気供給装置
１０吹き出し口
１１リターン口

Claims

空調の対象となる主室に面した吸気口から分岐し、前記主室へ空調空気を還流する送風口と連結された空調用通風路と、前記吸気口から分岐すると共に少なくともその一部が前記空調用通風路と隣接し、屋外に空気を放出する潜熱調整通風路とを有し、前記空調用通風路と前記潜熱調整通風路との隣接部には、前記吸気口側から順に、電流の極性に応じて冷却面および加熱面の切り替えが可能な熱電素子を備え、この熱電素子の一方の面から発生した熱が前記空調用通風路のみ伝達し、他方の面から発生した熱が前記潜熱調整通風路のみに伝達するように構成された顕熱処理部と、吸放湿性建材が前記空調用通風路及び前記潜熱調整通風路の両方の空気に接触するように配置された潜熱処理部とが形成されていることを特徴とする顕熱・潜熱空調装置。
冷房運転時は、前記熱電素子の前記空調用通風路側の面を冷却面とすると共に前記潜熱調整通風路側の面を加熱面とし、前記空調用通風路を通流する空気を、前記顕熱処理部において冷却した後、前記潜熱処理部において前記吸放湿性建材により除湿すると共に、前記潜熱調整通風路を通流し、前記顕熱処理部において加熱されて飽和度が低下した空気で、前記空調用通風路を通流する空気を除湿する際に吸湿した前記吸放湿性建材を再生することを特徴とする請求項１に記載の顕熱・潜熱空調装置。
暖房運転時は、前記熱電素子の前記空調用通風路側の面を加熱面とすると共に前記潜熱調整通風路側の面を冷却面とし、前記空調用通風路を通流する空気を、前記顕熱処理部において加熱した後、前記潜熱処理部において前記吸放湿性建材により加湿すると共に、前記潜熱調整通風路を通流し、前記顕熱処理部において冷却されて飽和度が上昇した空気で、前記空調用通風路を通流する空気を加湿する際に乾燥した前記吸放湿性建材を再生することを特徴とする請求項１に記載の顕熱・潜熱空調装置。