JP3931658B2 - 低温排熱を利用した空調システム - Google Patents

低温排熱を利用した空調システム Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温の排熱を利用した、外気の調温・調湿を行う空調システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、外気の調温・調湿手段を備えた空気調和装置としては、外気あるいは外気と被調和室からの還気との混合空気を取り入れ、冬季などの暖房時に所定の温度まで暖める予熱用熱交換器、夏季などの冷房・除湿時に所定の露点温度まで冷却して除湿する除湿・冷却用熱交換器、冬季などの乾燥時に加湿を行う加湿器、冬季などの加湿後および夏季などの除湿・冷却後に目標とする温度まで暖める再熱用熱交換器を備えたものが利用されている。そして、これらの空調方式において、予熱用熱交換器および再熱用熱交換器では、例えばボイラなどを熱源とした高温の温水または蒸気などを用いて送風空気の加熱処理を行い、空調空間に給気するようにしている。
【0003】
また、排熱などの未利用エネルギーを用いて加熱処理を行う空気調和装置は、特開2001−50562号公報に記載されている様に、各種の生産装置などから排出された温熱を用いた別系統の熱媒を利用して、熱交換器により熱媒水を加熱し、この熱媒水を前記予熱用熱交換器、再熱用熱交換器などの調温手段よりも上流に配置した予備加熱用熱交換器に供給して、調温手段で加熱処理する前に、この予備加熱用熱交換器において予め外気を暖めておくことが知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法では、各種の生産装置などから排出された温熱を、空気調和装置の加熱用熱交換器に供給する熱媒水として用いようとする場合において、前記加熱用熱交換器に供給する熱媒水と、各種の生産装置から排熱された温熱などは別系統に属しているため、熱交換器で熱交換されることによりエネルギーの損失が生じる。例えば、エネルギー損失として2℃程度の温度低減が生じる。特に、生産装置の排熱用の冷却水などで、(温度が30℃以下の)低温の排熱を利用する場合、このエネルギーの損失は大きく、これによって熱媒水の温度が下がり、空気調和装置に要求される加熱処理後の送風空気の温度との温度差が小さくなると、この低温の排熱だけでは要求される温度まで送風空気を暖めることができなくなる。そのため、低温の排熱を空気調和装置の加熱熱源として利用することは、予備的な加熱処理に限られ、この低温の排熱のみで加熱処理を行うことが出来ず、例えばボイラなどを熱源とした加熱処理と常に併用する必要があった。
【0005】
本発明の目的は、低温の排熱を主たる熱源に利用した、低コスト、省エネルギーで加熱空調処理をすることができる空調システムを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
以上の問題を解決するために本発明は、暖房・加湿運転時には、取り込まれた外気を予熱用熱交換器にて所定の温度まで暖めた後、加湿器により加湿し再熱用熱交換器により所定の温度に調温して空調空間へ送り出し、冷房・除湿運転時には、取り込まれた外気を除湿・冷却用熱交換器にて所定の露点温度まで除湿・冷却した後、再熱用熱交換器により所定の温度に調温して空調空間へ送り出す空気調和装置と、水冷冷却装置を備えた生産装置とから構成される空調システムにおいて、前記生産装置を前記水冷冷却装置にて冷却することにより昇温された温度が30℃以下の熱媒水が、暖房・加湿運転時では前記予熱用熱交換器と前記再熱用熱交換器へ供給され、冷房・除湿運転時では前記再熱用熱交換器へ供給されており、前記予熱用熱交換器または前記再熱用熱交換器にて熱交換され冷却された熱媒水が前記水冷冷却装置へ供給される。
【0007】
さらに、本発明の低温排熱を利用した空調システムは、前記空気調和装置および前記水冷冷却装置を流通する熱媒水は、前記水冷冷却装置、前記予熱用熱交換器と前記再熱用熱交換器からなる加熱用熱交換器、前記水冷冷却装置を連結する循環経路を循環し、この循環経路は密閉回路を形成している。
【0008】
さらに、本発明の低温排熱を利用した空調システムは、前記循環経路は、前記加熱用熱交換器を迂回させて熱媒水を流通させるバイパス路、前記加熱用熱交換器の下流に熱媒水の温度を測定する第1の熱媒水温度測定部、この第1の熱媒水温度測定部での温度によりバイパス路へ流通する熱媒水の流量を調整する三方弁、前記第1の熱媒水温度測定部の下流に熱媒水を別の系統の熱媒と熱交換させて冷却することが可能な熱媒水冷却用熱交換器、この熱媒水冷却用熱交換器の下流に熱媒水の温度を測定する第2の熱媒水温度測定部、この第2の熱媒水温度測定部での温度により前記熱媒水冷却用熱交換器へ供給する別系統の熱媒の流量を調整する電磁二方弁を備え、前記水冷冷却装置へ供給する前記加熱用熱交換器で熱交換された後の熱媒水の温度を所定の温度に保つ制御機構を有している。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる説明図である。
【0010】
空気調和装置1は、予熱用熱交換器2、除湿・冷却用熱交換器3、加湿器4、再熱用熱交換器5、給気ファン6を備えている。この実施の形態では、予熱用熱交換器2および再熱用熱交換器5が加熱用熱交換器である。
【0011】
空気調和装置1において、取り込まれた外気は、冬季などの暖房・加湿運転時には、予熱用熱交換器2により所定の温度まで暖められる。その後、加湿器4により加湿されて送風空気の温度が下がった場合は、再熱用熱交換器5により所定の温度まで再び暖められる。こうして、調温・調湿の空調処理がなされた空気は、給気ファン6により空調空間へ送り出される。また、夏季などの冷房・除湿運転時には、除湿・冷却用熱交換器3において所定の露点温度まで除湿・冷却された後、再熱用熱交換器5により所定の温度まで再び暖められる。こうして、調温・調湿の空調処理がなされた空気は、給気ファン6により空調空間へ送り出される。なお、図示していないが、除湿・冷却用熱交換器3に対する熱媒水の経路は、予熱用熱交換器2および再熱用熱交換器5に対する熱媒水の循環経路とは独立した別経路にて設けられている。
【0012】
予熱用熱交換器2および再熱用熱交換器5と、複数の水冷冷却装置7は、循環経路9により同一系統内で直接連結される。途中で熱交換器による熱交換を交わすことのない同一冷媒水を使用するため、熱交換時におけるエネルギーの損失を無くすことができ、省エネルギー化を図ることができる。従って、水冷冷却装置7で発熱部を冷却することにより昇温された熱媒水は、昇温された温度を保持した状態で、予熱用熱交換器2および再熱用熱交換器5に供給される。水冷冷却装置7で発熱部を冷却することにより昇温された熱媒水が(30℃以下の)低温であっても、例えば予熱用熱交換器2および再熱用熱交換器5のコイルの段数および列数を増やすなどにより熱交換量を増やすことで、送風空気を所定の温度まで暖めることを可能とする。また、空気調和装置1において、予熱用熱交換器2による冬季などの暖房と、再熱用熱交換器5による夏季などの除湿・冷却後の再加熱などに、水冷冷却装置7で発熱部を冷却することにより昇温された低温排熱用の熱媒水を、年間を通じて利用する事が出来、ボイラなどの温熱源機器に要していたエネルギーを、年間を通じて削減することが可能である。
【0013】
予熱用熱交換器2および再熱用熱交換器5は、水冷冷却装置7→予熱用熱交換器2および再熱用熱交換器5→熱媒水冷却用熱交換器8→水冷冷却装置7の順で循環する、密閉回路で形成される循環経路9が接続されている。この循環経路9は、予熱用熱交換器2および再熱用熱交換器5を迂回させて熱媒水を流通させるバイパス路10、予熱用熱交換器2および再熱用熱交換器5の下流に熱媒水の温度を測定する第1の熱媒水温度測定部17、この第1の熱媒水温度測定部17での温度によりバイパス路10へ流通する熱媒水の流量を調整する三方弁11を備える。第1の熱媒水温度測定部17での熱媒水の温度が所定の温度より低くなったときは、三方弁11によりバイパス路10を流通する熱媒水の流量を調整して、予熱用熱交換器2および再熱用熱交換器5により冷された熱媒水とバイパス路10を迂回してきた熱媒水が混合して、第1の熱媒水温度測定部17での熱媒水の温度が、所定の温度より低くならないように制御する。
【0014】
また、循環経路9は、熱媒水冷却用熱交換器8の下流に熱媒水の温度を測定する第2の熱媒水温度測定部18、この第2の熱媒水温度測定部18での温度により熱媒水冷却熱交換気8へ供給する別系統の熱媒の流量を調整する電磁二方弁12を備える。第2の熱媒水温度測定部18での熱媒水の温度が所定の温度より高くなったときは、電磁二方弁12により熱媒水冷却用熱交換器8へ流通する別系統の熱媒の流量を調整して、第2の熱媒水温度測定部18での熱媒水の温度が所定の温度に冷されるよう制御する。
【0015】
このような制御機構を備えることにより、水冷冷却装置7に戻ってくる熱媒水の温度を所定の温度に一定に保つことが可能となる。水冷冷却装置7が各種の生産装置などを冷却するために利用される場合、水冷冷却装置7に供給される熱媒水を所定の温度に一定に保つことが製造プロセス上で要求されており、生産の安定化に与える効果は大きい。また、この循環経路9は密閉回路であるため、例えば純水を熱媒水に用いたときに、この純水の劣化や設備の腐蝕などを抑制するといった利点がある。
【0016】
このように構成された本発明の第1の実施例では、例えば、水冷冷却装置7で発熱部を冷却することにより、昇温された熱媒水の温度が25℃と低温の排熱の場合でも、予熱用熱交換器2または再熱用熱交換器5において、25℃で供給された熱媒水を用いて、送風空気を23℃まで暖めることができる。発熱負荷を有する空調空間では、冬季などの暖房・加湿運転時および夏季などの冷房・除湿運転時の加熱処理を、この23℃の送風空気によるだけで完了することができる。このため、従来使われていたボイラなどの加熱用の熱源機器が不要となり、省エネルギー化を図ることが可能となる。特に、半導体製造工程のクリーンルームなど空調空間内に発熱負荷となる水冷冷却装置7を備えた生産装置が多数あり、(温度が30℃以下の)低温排熱用の熱媒水が年間を通じて24時間連続して多量に得られ、且つ年間を通じて24時間連続して空調処理を行う必要があるところでは、この空調システムにより大きな省エネルギー効果を得ることが出来る。
【0017】
一方、熱媒水は、予熱用熱交換器2および再熱用熱交換器5で送風空気を暖めることにより熱を奪われて冷される。この冷された熱媒水が、循環経路9により水冷冷却装置7に供給され、そのときの熱媒水の温度が所定の温度まで冷されていないときのみ、熱媒水冷却用熱交換器8で冷し足されるだけであるので、水冷冷却装置7に供給する熱媒水を冷却するのに要していた冷凍機などの冷熱源機器のエネルギーも、年間を通じて削減することが可能である。
【0018】
図2は、本発明の第2の実施の形態にかかる説明図である。空気調和装置1は、低温排熱用の熱媒水を供給する予熱用熱交換器2と、高温の熱媒を供給する予熱用熱交換器13を併設し、低温排熱用の熱媒水を供給する再熱用熱交換器5と、高温の熱媒を供給する再熱用熱交換器14を併設する。高温の熱媒とは、例えばボイラなどを熱源とした温水または蒸気などである。ここで、予熱用熱交換器2と予熱用熱交換器13の順序、および再熱用熱交換器5と再熱用熱交換器14の順序は、どちらが上流に備えられてもよい。
【0019】
この実施例によれば、空気調和装置1において、取り込まれた外気は、冬季などの暖房・加湿運転時には、予熱用熱交換器2により温度センサー19における所定の温度まで暖められる。この予熱用熱交換器2により暖められた送風空気の温度が、温度センサー19において所定の温度に達しないときのみ、予熱用熱交換気13に、温度センサー19における送風空気の温度が所定の温度になるように電磁二方弁15により高温の熱媒水の流量を調整しながら供給する。その後、加湿器4により加湿されることにより送風空気の温度が下がった場合は、再熱用熱交換器5により温度センサー20における所定の温度まで再び暖められる。この再熱用熱交換器5により暖められた送風空気の温度が、温度センサー20において所定の温度に達しないときのみ、再熱用熱交換器14に、温度センサー20における送風空気の温度が所定の温度になるよう電磁二方弁16により高温の熱媒水の流量を調整しながら供給する。こうして、調温・調湿の空調処理がなされた空気は、給気ファン6により空調空間へ送り出される。
【0020】
また、夏季などの冷房・除湿運転時には、除湿・冷却用熱交換器3において所定の露点温度まで除湿・冷却された後、再熱用熱交換器5により温度センサー20における所定の温度まで再び暖められる。この再熱用熱交換器5により暖められた送風空気の温度が、温度センサー20において所定の温度に達しないときのみ、再熱用熱交換器14に、温度センサー20における送風空気の温度が所定の温度になるように電磁二方弁16により高温の熱媒水の流量を調整しながら供給する。こうして、調温・調湿の空調処理がなされた空気は、給気ファン6により空調空間へ送り出される。
【0021】
このような、ボイラなどを熱源機器とした熱源による補助機構と温度制御機構を備えることにより、水冷冷却装置7の稼働状況が安定せず、水冷冷却装置7からの排熱を利用して空気調和装置1へ供給することができない場所や、水冷冷却装置7からの排熱を空調用の熱源として十分な量を空気調和装置1へ供給することができない場所などへも、本空調システムを適用していくことが可能となる。
【0022】
図3は、本発明の第3の実施の形態にかかる説明図である。空気調和装置1において、予熱用熱交換器2は空気調和装置1の上流に付設され、再熱用熱交換器5は空気調和装置1の下流に付設される。この実施の形態によると、従来から利用されている既設の空気調和装置1に本発明の空調システムを適用する事が可能となる。また、既設の空気調和装置1を、ボイラなどを熱源機器とした熱媒による補助機構としてそのまま利用出来るので、先に説明した本発明の第2の実施の形態にかかる空気調和装置1と同様に、水冷冷却装置7の稼働状況が安定していない場所や、水冷冷却装置7からの排熱を空調用の熱源として十分な量を空気調和装置1へ供給することができない場所などへも、本空調システムを適用していくことが可能となる。
【0023】
【発明の効果】
本発明によれば、水冷冷却装置からの低温排熱用の冷却水を、空気調和装置による冬季などの暖房、夏季などの除湿・冷却後の再加熱などに用いるため、空気調和装置に供給する加熱用の熱媒水を加熱する熱源、および水冷冷却装置に供給する冷却水を冷却する熱源に要するエネルギーを、年間を通じて削減できる。また、水冷冷却装置に供給する冷却水を一定の温度で供給することが出来るので、水冷冷却装置が生産装置の冷却に使われている場合などでは、品質の安定化が図れるなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態にかかる空調システムの説明図である。
【図2】 本発明の第2の実施の形態にかかる空調システムの説明図である。
【図3】 本発明の第3の実施の形態にかかる空調システムの説明図である。
【符号の説明】
1 空気調和装置
2 予熱用熱交換器
5 再熱用熱交換器
7 水冷冷却装置
8 熱媒水冷却用熱交換器
9 循環経路
10 バイパス路
11 三方弁
12 電磁二方弁
17 第1の熱媒水温度測定部
18 第2の熱媒水温度測定部

Claims (3)

  1. 暖房・加湿運転時には、取り込まれた外気を予熱用熱交換器にて所定の温度まで暖めた後、加湿器により加湿し再熱用熱交換器により所定の温度に調温して空調空間へ送り出し、冷房・除湿運転時には、取り込まれた外気を除湿・冷却用熱交換器にて所定の露点温度まで除湿・冷却した後、再熱用熱交換器により所定の温度に調温して空調空間へ送り出す空気調和装置と、水冷冷却装置を備えた生産装置とから構成される空調システムにおいて
    記生産装置を前記水冷冷却装置にて冷却することにより昇温された温度が30℃以下の熱媒水が、暖房・加湿運転時では前記予熱用熱交換器と前記再熱用熱交換器へ供給され、冷房・除湿運転時では前記再熱用熱交換器へ供給されており、前記予熱用熱交換器または前記再熱用熱交換器にて熱交換され冷却された熱媒水が前記水冷冷却装置へ供給されることを特徴とする低温排熱を利用した空調システム。
  2. 請求項1において、前記空気調和装置および前記水冷冷却装置を流通する熱媒水は、前記水冷冷却装置、前記予熱用熱交換器と前記再熱用熱交換器からなる加熱用熱交換器、前記水冷冷却装置を連結する循環経路を循環し、この循環経路は密閉回路を形成していることを特徴とする低温排熱を利用した空調システム。
  3. 請求項1〜のいずれかにおいて、前記循環経路は、前記加熱用熱交換器を迂回させて前記熱媒水を流通させるバイパス路、前記加熱用熱交換器の下流に熱媒水の温度を測定する第1の熱媒水温度測定部、この第1の熱媒水温度測定部での温度によりバイパス路へ流通する熱媒水の流量を調整する三方弁、前記第1の熱媒水温度測定部の下流に熱媒水を別の系統の熱媒と熱交換させて冷却することが可能な熱媒水冷却用熱交換器、この熱媒水冷却用熱交換器の下流に熱媒水の温度を測定する第2の熱媒水温度測定部、この第2の熱媒水温度測定部での温度により前記熱媒水冷却用熱交換器へ供給する別系統の熱媒の流量を調整する電磁二方弁を備え、前記水冷冷却装置へ供給する熱媒水の温度を所定の温度に保つ制御機構を有することを特徴とする低温排熱を利用した空調システム。
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