JP4642189B2 - デシカント空調システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，デシカント空調システムに係り，発電用に使用するガスタービンからの排熱を有効に利用したデシカント空調システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からコージェネレーションシステムにおいては，発電用のガスタービンから生じた高温の熱を回収して，他の用途，例えば空調用に使用することが行われている。またその場合，フロンを使用せず地球環境にとって好ましいデシカント空調機を使用することが，特開平１１−３５１６３８号公報において開示されている。
【０００３】
この公報に開示されている技術は，発電用のガスエンジンからの排熱温水をデシカント空調機に供給し，昼間時は該デシカント空調機で冷房しようとするものであり，発電用のガスエンジンからの排ガスの熱を一旦温水に変換して回収し，この排熱温水を再生用温水コイルに通水させ，空調対象室からの還気をこの再生用温水コイルで加熱してデシカントロータに供給し，もってデシカントロータ内の水分を蒸発させて再生するようにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記従来技術のように排熱を一旦温水で回収して，これを再生用温水コイルに通水して，さらに空調対象室からの還気とこの再生用温水コイルとの間で熱交換することで加熱してデシカントロータに供給するのでは，デシカント空調機おける再生能力に限界があり，その結果デシカントロータ自体の減湿能力を向上させるにも自ずと限界があった。すなわち，再生用温水コイルに通水される温水の温度はせいぜい８５℃〜９０℃程度であるため，この温水を通水させる再生用温水コイルによる加熱再生では，デシカントロータの再生にも限度があったのである。
【０００５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり，コージェネレーションシステムで使用される発電用ガスタービンとデシカント空調機とを組み合わせたシステムにおいて，デシカント空調機の減湿能力を従来よりも飛躍的に高めて，従来不可能であった低湿度にまで減湿することが可能なデシカント空調システムを提供して，前記問題の解決を図ることをその目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため，請求項１によれば，発電用ガスタービンと，乾燥剤を有する減湿ロータを備えたデシカント空調機とを有し，前記発電用ガスタービンの排気を前記デシカント空調機の減湿ロータの再生部に導入するようにし，さらに水−空気熱交換器を備え，当該水−空気熱交換器によって前記減湿ロータの減湿部を通過した空気と，水との間で熱交換を行い，前記水−空気熱交換器での熱交換によって昇温した水は，給湯用に使用するようにしたことを特徴とする，デシカント空調システムが提供される。
【０００７】
このように本発明では，発電用ガスタービンからの排気を直接前記デシカント空調機の減湿ロータの再生部に導入するようにしたので，従来のように一旦温水に変えその後再び温水コイルと空気を接触させて加熱した後，再生に用いる方法と比較すると，減湿ロータの再生部に対する再生能力が向上し，その結果減湿ロータの減湿能力を大きく向上させることが可能である。また温水の配管や温水コイル周りの配管を省略でき，また温水の配管と比べると排気の配管の方が口径が小さくてすみ，スペースの点でも好ましい。
また前記水−空気熱交換器での熱交換によって昇温した水を，給湯用に使用することで，システム全体としてエネルギを有効に利用することができ，総合効率の低下を防止できる。
【０００８】
なお本発明はそのように発電用ガスタービンの排気を直接減湿ロータの再生部に導入するようにしているので，使用する発電用ガスタービンとしては，いわゆるマイクロガスタービンと呼ばれる比較的小型のガスタービンが適している。発電用ガスタービンからの排気の温度は，小型のものであればその分大型のものと比較して低温であり，扱いやすいからである。しかも小型のガスタービンは排気中に含まれる不純物も少なくその点でも好ましい。
【０００９】
したがって，使用する排気の温度は３００℃前後のものが適しているが，ガスタービンの種類によって排気される排気の温度は異なっており，また減湿ロータで使用されている乾燥剤の種類によって，再生空気の温度の適正値がある程度定まっている。例えばゼオライトの場合は約２００℃である。かかる場合には，請求項２のように，外気と混合して適正な温度に降温させて使用すればよい。
【００１０】
例えば市販の発電用ガスタービンで比較的小型（発電出力が２８ｋＷ）のものでは，排気の温度は２８０℃程度である。したがって，この排気をゼオライト使用の減湿ロータの再生部に導入する場合には，外気と混合させて２００℃程度にまで降温させて使用するのがよい。
【００１１】
また再生風量については，減湿ロータの能力が最適になるように，再生風量と処理風量の比を決定すればよい。例えば，再生風量：処理風量＝１：２に設定するようにしてもよい。かかる処置が可能になるのも，再生用の空気を減湿給排気系統とは別の他の系統にある，発電用ガスタービンの排気から採っているためであり，従来のように再生用の空気を空調対象室からの還気に求めて，再生風量と処理風量とを同一にしていたのではこのような対処は難しい。
【００１２】
またそのように降温用に使用する外気は，格別専用に取り入れなくても，請求項３のように，デシカント空調機の減湿ロータの減湿部で処理するために導入した外気の一部を用いれば，システム構成が簡素化される。すなわち，減湿ロータの減湿部に導入するためにダクト等を通じて取り入れた外気を分岐ダクトなどによって分岐させ，ガスタービンから再生部への排気の導入経路を構成するダクトに接続，合流させるだけで済む。
【００１３】
前記したようにして減湿ロータの再生部に高温の排気を供給して再生すると，減湿部を通過して減湿処理された後の空気の温度も高温となっている。したがって，このままではその後に蒸発冷却処理しても，冷房用には使用しづらい。この点本発明では，水−空気熱交換器で前記減湿ロータの減湿部を通過した空気と，水との間で熱交換を行っているので，降温している。したがって，請求項４のように，当該熱交換後の空気を加湿して，すなわち蒸発冷却させて冷房等の空調用に使用することができる。この場合，請求項５のように，加湿せずに空調用に使用すれば，低湿度雰囲気が要求される工場等に適した給気を供給することができる。
【００１５】
水−空気熱交換器によって前記減湿ロータの減湿部を通過した空気と，水との間で熱交換を行って降温させる場合，請求項６のように，さらに水−水熱交換器と冷却塔とを備え，前記水−空気熱交換器に使用する水は冷却塔によって冷却された後の冷却水を使用し，前記水−空気熱交換器での熱交換されて昇温した冷却水を，前記水−水熱交換器に送って給湯用の原水との間で熱交換を行い，前記水−水熱交換器での熱交換後の冷却水は冷却塔に戻して冷却するようにし，前記水−水熱交換器での熱交換後の原水を給湯用に使用するようにしてもよい。このように冷却塔からの冷却水を用いることで，冷房負荷により適したシステムとして構築できる。
【００１６】
冷却塔からの冷却水を用いる場合としては，請求項７のように，水−空気熱交換器の後段側に配置される他の水−空気熱交換器と冷却塔とを備え，当該他の水−空気熱交換器に通水される水は前記冷却塔によって冷却された後の冷却水とし，前記水−空気熱交換器で熱交換された空気を直ちに空調用には使用せずに，さらに後段に配置される当該他の水−空気熱交換器で前記冷却水と熱交換を行うようにし，この後段側の当該他の水−空気熱交換器での熱交換後の空気を空調用に使用するようにし，当該後段側の他の水−空気熱交換器での熱交換後の冷却水は冷却塔に戻して冷却するように構築しても良い。このようにいわば水−熱交換器を二段に用い，前段側で熱交換して降温した空気をさらに後段側の水−熱交換器で冷却塔からの冷却水と熱交換して降温することで，コイル列数を小さくできるメリットがあり，システム自体も構築しやすい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下，図面に基づいて本発明の好ましい実施の形態にかかるデシカント空調システムを説明する。図１は，第１の実施の形態にかかるデシカント空調システムの系統を示しており，発電用ガスタービン１は，発電機２を駆動する圧縮機３，燃焼室４，タービン５を有しており，フィルタ６を介して導入した空気を燃焼室４に圧縮して導入して，燃料のガスＧを燃焼室４に供給して燃焼させ，これによって発電機２を駆動させて発電する構成を有している。そして燃焼ガスは排気ＥＸとして，タービン５によって発電用ガスタービン１の外に排出されるようになっている。発生した電力は，室Ｒのある建物Ｂにおける機械室ＭＲの変電，配電設備や蓄電池等，対応する電気設備を有する配電部７に送られるようになっている。
【００１８】
デシカント空調機１１は，乾燥剤として例えばゼオライトを収納した回転駆動される減湿ロータ１２を備えている。この減湿ロータ１２は，少なくとも減湿区域である減湿部１２ａと再生区域である再生部１２ｂとを有し，必要に応じパージ区域を有するものであり，例えば特開平１１−５２３号公報に開示された公知の構造のものを使用できる。減湿ロータ１２の減湿部１２ａには，フィルタ１３を介して送風機１４によって取り入れられた外気ＯＡの一部がダクト等を介して導入されるようになっている。また外気ＯＡの残りの一部は，前記発電用ガスタービン１からの高温の排気ＥＸと混合されて，減湿ロータ１２の再生部１２ｂにダクト等を介して導入されるようになっている。再生部１２ｂを通過した空気は，送風機１５によってダクト等を介して外部へ排気ＥＡとして排出される。
【００１９】
減湿ロータ１２の減湿部１２ａを通過して減湿された空気は，水−空気熱交換器としての冷却コイル１６によって冷却された後，蒸発冷却器１７において蒸発冷却処理された後，給気ＳＡとして室Ｒに供給されるようになっている。蒸発冷却器１７は，所定空間内にミスト等を散水して加湿するタイプだけではなく，所定空間内に設置した充填物に水を滴下して加湿するタイプのものも使用できる。
【００２０】
前記冷却コイル１６には，冷却塔２１によって例えば３２℃程度に冷却された冷却水がポンプ２２によって送られ，前記減湿ロータ１２の減湿部１２ａを通過して減湿された空気と熱交換されて例えば８５℃にまで昇温した後，水−水熱交換器２３へと送られる。そして当該水−水熱交換器２３において，給湯用の原水，例えば給湯タンクに貯留されている４０℃の水（温水器の場合には，底部に位置している４０℃程度の水）と熱交換された後，再び冷却塔２１へと戻され，冷却処理に付される。給湯用の原水として水道水を使用する場合には，予め４０℃程度に加熱しておくことが好ましい。また冷却塔２１からの冷却水を使用することで，冷房負荷に対しても本システムを好適に適用させることができる。
【００２１】
一方，水−水熱交換器２３において前記昇温した冷却水と熱交換された水は例えば７５℃まで昇温され，給湯用の温水として，ポンプ２４によって建物Ｂの機械室ＭＲに設置されている給湯設備としての例えば温水器２５へと送られるようになっている。
【００２２】
第１の実施の形態にかかるデシカント空調システムは，以上の構成を有しており，いま例えば外気ＯＡの条件を温度が３２℃，絶対湿度が２０．６ｇ／ｋｇ（ＤＡ）とした場合の運転例について説明すると，まず発電運転のために発電用ガスタービン１において発生した高温，例えば２８０℃の排気ＥＸは，減湿用に取り入れられた前記外気ＯＡの一部と混合されて例えば２００℃にまで降温された後，減湿ロータ１２の再生部１２ｂへと送られて，乾燥剤の再生に供される。このように２００℃という，従来の温水よりもはるかに高温の空気によって前記乾燥剤が再生されるため，減湿ロータ１２の減湿能力は従来よりも大幅に向上している。そして再生に用いられて例えば６５℃程度にまで降温された空気は，送風機１５によって排気ＥＡとして外部に排出される。
【００２３】
一方前記外気ＯＡの他の一部は，減湿ロータ１２の減湿部１２ａにおいて減湿されるが，前記したように約２００℃の空気によって再生されているため，減湿後の空気は９０℃以上の高温となっているが，冷却コイル１６と熱交換することで，例えば３７℃まで降温される。また絶対湿度は３ｇ／ｋｇ（ＤＡ）程度になっている。そしてその程度にまで減湿，降温された後，蒸発冷却器１７を通過して蒸発冷却処理され，給気ＳＡとして室Ｒに供給されるのである。以上の運転例における空気の状態を図２の空気線図上に示した。図２における符号（ａ）〜（ｅ）は，各々図１のシステム系統上における同一符号で示される地点での空気を示している。
【００２４】
一方，前記冷却コイル１６において熱交換されて昇温した冷却水は，水−水熱交換器２３において給湯用の原水と熱交換され，降温された後，再び冷却塔２１へと戻されて冷却処理に付される。また水−水熱交換器２３において熱交換された給湯用の原水は，既述のように給排水設備２５へと送られて，建物Ｂの給湯用に使用されるのである。
【００２５】
したがって，前記実施の形態にかかるデシカント空調システムでは高い温度の排熱を利用し，かつ減湿量が多く取れるため，減湿後の空気が高温になっているが，当該高温の空気からの排熱を冷却コイル１６，水−水熱交換器２３で回収することで，給湯などに用いる温水として利用でき，コージェネレーションとしての総合効率は確保されている。
【００２６】
発明者らの知見では，前記システムにおけるＣＯＰ（成績係数）は０．５程度と試算され，冷房のＣＯＰとしては少し低い値となる。しかし，処理空気が９０℃以上になっているため，冷却水が８５℃以上の温水となり，この温水から水−水熱交換器２３を介して熱回収することで，給湯に用いる水，前記したように例えば４０℃の水を７５℃程度まで昇温させることが可能となっている。給湯に用いることの出来る熱量は排気ＥＸとして出てきた熱量の半分程度の熱量となる。すなわち発電用ガスタービン１で発電を行い，そのときの発電効率は約２５％となる。またそのとき高温の排気ＥＸが，入力（燃料ガス熱量）の５０％程度が出てくる。一方減湿後の外気ＯＡは前記したように高温になっているため冷却塔２１からの冷却水で冷却しており，冷却分だけ冷房となる。一方冷却水の冷却の一部が給湯負荷に用いられている。
【００２７】
したがって，冷房，給湯それぞれ，排気ＥＸの熱量の５０％ずつ程度の熱回収となっている。すなわち冷房負荷として入力の２５％，給湯負荷として２５％の効率となっている。そして全体としては，入力に対して，電力２５％，冷房２５％，給湯２５％となる。冷房に関していえば，前記したように，外気を３ｇ／ｋｇ（ＤＡ）程度まで減湿でき，給湯に関していえば，４０℃の水を７５℃程度まで上昇させることができる。
【００２８】
以上のように，本実施の形態では，排気ＥＸからではなく減湿後の空気から熱回収することで温水を作り給湯に用いるようにしているので，総合効率としては従来とほとんど変わらず，しかもかなり低いレベルまで外気を減湿することができる。このようなレベルの減湿は，従来のデシカント空調機としては不可能な値である。
【００２９】
次に第２の実施の形態について図３に基づいて説明する。この第２の実施の形態は，第１の実施の形態におけるデシカント空調機１１の構成を変えたものである。なお第１の実施の形態にかかるデシカント空調システムにおける同一の装置等については同一の符号を用いることで詳細な説明は省略する。
【００３０】
この第２の実施の形態にかかるデシカント空調システムで採用したデシカント空調機３１においては，減湿ロータ１２の減湿部１２ａによって減湿された後の空気が，第１の水−熱交換器としての温水コイル３２において給湯用の原水（例えば４０℃）と熱交換された後，さらに第２の水−熱交換器としての冷却コイル３３において冷却塔２１からポンプ３４によって送られてくる冷却水と熱交換された後，給気ＳＡとして室Ｒに供給されるようになっている。
【００３１】
すなわち温水コイル３２においては，４０℃の原水と熱交換され，減湿処理された空気は降温し，その後さらに冷却コイル３３によってさらに降温した後，給気ＳＡとして室Ｒにそのまま供給されるようになっている。
【００３２】
一方温水コイル３２において降温の減湿後の空気と熱交換されて昇温した原水は，ポンプ３５によって建物Ｂの機械室ＭＲに設置されている温水器２５へと送られる。また冷却コイル３３において高温の空気と熱交換されて昇温した冷却水は，冷却塔２１へと戻され，冷却処理に付されるようになっている。
【００３３】
前記第２の実施の形態にかかるデシカント空調システムの主要部は以上のように構成されており，前記第１の実施の形態と同様，発電用ガスタービン１の高い温度の排気を直接利用して，減湿ロータ１２における再生能力を向上させ，もって低湿度の給気ＳＡを室Ｒに供給することができる。また高温の空気からの排熱は，温水コイル３２で回収して給湯に使用しているので，コージェネレーションとしての総合効率は確保されている。
【００３４】
またこの第２の実施の形態では，前記第１の実施の形態のように蒸発冷却せずにそのまま室Ｒに供給するようにしている。したがって，室Ｒでは極めて低湿度の空調空気を供給することができ，フィルタ製造や食品工場など，低湿度雰囲気を必要とする室Ｒの空調用に適している。なお人が活動する区域に給気ＳＡを供給する場合には，第１の実施の形態と同様，一旦加湿冷却処理してから室Ｒに供給すればよい。
【００３５】
さらに第２の実施の形態にかかるデシカント空調システムにおいては，温水コイル３２と，冷却コイル３３とを二段にして使用しているので，コイル列数を小さくすることが可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば，発電用ガスタービンとデシカント空調機とを組み合わせた従来のシステムとを比較すると，デシカント空調機の減湿能力が飛躍的に向上し，より低湿度の空気を得ることができる。またガスタービンからの排気の温度が高温すぎる場合にも，外気と混合することで適切な再生温度にまで降温させることができるので，各種の発電用ガスタービンを使用できる。またそのように降温用に使用する外気をデシカント空調機の減湿ロータの減湿部で処理するために導入した外気の一部を用いることで，ダクト配管やシステム全体が簡素化される。
【００３７】
前記減湿ロータの減湿部を通過した空気と水とを水−空気熱交換器で熱交換することで，その後の空調用負荷に対しても適切に対処することができる。また前記水−空気熱交換器での熱交換によって昇温した水を給湯に使用することで，システム全体としてエネルギを有効に利用することができ，総合効率としては従来とほとんど変わらないシステムを構築することが可能である。
【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デシカント空調システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかるデシカント空調システムの運転例における空気状態の変化を示す空気線図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態にかかるデシカント空調システムの構成の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 発電用ガスタービン
１１ デシカント空調機
１２ 減湿ロータ
１２ａ 減湿部
１２ｂ 再生部
１６ 冷却コイル
１７ 蒸発冷却器
２１ 冷却塔
２３ 水−水熱交換器
Ｂ 建物
Ｒ 室
ＯＡ 外気
ＳＡ 給気
ＥＡ 排気
ＥＸ 排気

Claims (7)

1. 発電用ガスタービンと，乾燥剤を有する減湿ロータを備えたデシカント空調機とを有し，
   前記発電用ガスタービンの排気を前記デシカント空調機の減湿ロータの再生部に導入するようにし，
   さらに水−空気熱交換器を備え，当該水−空気熱交換器によって前記減湿ロータの減湿部を通過した空気と，水との間で熱交換を行い，
   前記水−空気熱交換器での熱交換によって昇温した水は，給湯用に使用するようにしたことを特徴とする，デシカント空調システム。
2. 前記発電用ガスタービンの排気を前記デシカント空調機の減湿ロータの再生部に導入するにあたり，外気と混合して導入するようにしたことを特徴とする，請求項１に記載のデシカント空調システム。
3. 外気と混合して導入する際の当該外気は，前記デシカント空調機の減湿ロータの減湿部で処理するために取り入れた外気の一部であることを特徴とする，請求項２に記載のデシカント空調システム。
4. 前記水−空気熱交換器によって前記減湿ロータの減湿部を通過した空気と，水との間で熱交換を行った後の空気を，加湿して空調用に使用するようにしたことを特徴とする，請求項１，２又は３のいずれかに記載のデシカント空調システム。
5. 前記水−空気熱交換器によって前記減湿ロータの減湿部を通過した空気と，水との間で熱交換を行った後の空気を，加湿せずに空調用に使用するようにしたことを特徴とする，請求項１，２又は３のいずれかに記載のデシカント空調システム。
6. 発電用ガスタービンと，乾燥剤を有する減湿ロータを備えたデシカント空調機とを有し，
   前記発電用ガスタービンの排気を前記デシカント空調機の減湿ロータの再生部に導入するようにし，
   さらに水−空気熱交換器を備え，当該水−空気熱交換器によって前記減湿ロータの減湿部を通過した空気と，水との間で熱交換を行い，
   さらに水−水熱交換器と冷却塔とを備え，前記水−空気熱交換器に通水される水は冷却塔によって冷却された後の冷却水であり，前記水−空気熱交換器での熱交換された後の冷却水を，前記水−水熱交換器に送って給湯用の原水との間で熱交換を行い，前記水−水熱交換器での熱交換後の冷却水は冷却塔に戻して冷却するようにし，前記水−水熱交換器での熱交換後の原水は給湯用に使用するようにしたことを特徴とする，デシカント空調システム。
7. さらに前記水−空気熱交換器の後段側に配置される他の水−空気熱交換器と冷却塔とを備え，当該他の水−空気熱交換器に通水される水は前記冷却塔によって冷却された後の冷却水であり，前記水−空気熱交換器で熱交換された空気を直ちに空調用には使用せずさらに当該他の水−空気熱交換器で前記冷却水と熱交換を行い，
   当該他の水−空気熱交換器での熱交換後の空気を空調用に使用するようにし，
   当該他の水−空気熱交換器での熱交換後の冷却水は冷却塔に戻して冷却するようにしたことを特徴とする，請求項１に記載のデシカント空調システム。

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