JP4746955B2 - 排熱回収装置および排熱回収方法 - Google Patents

Description

本発明は、空調空間から排気された化学物質を含む排気空気や空調室内空気等から熱を回収し、取り入れ新鮮外気に熱を移動し、熱を再利用する排熱回収技術に関する。

排気空気中には、室内の使用形態によって各種の化学物質が含まれている。例えば、実験動物飼育施設の排気空気にはアンモニアや硫化水素などの化学物質が含まれている。これらの排気と取り入れ新鮮外気とを従来の全熱交換器で熱回収を行う場合、取り入れ外気側に化学物質が移行する可能性がある。そのため、熱回収による省エネルギー対策が困難である。

このような問題を回避するために、古くから「ラン・アラウンド方式」と呼ばれるシステムが採用されている。即ち、排気空気経路及び取り入れ外気経路にそれぞれフィンチューブなどの熱交換器を配置し、それらを水循環系で結び、熱交換を行うものである。熱移動を促進するために、フィン等の伝熱面に水を噴霧する場合がある。

例えば特許文献１には、熱回収式ケミカルワッシャ装置の技術が開示されている。この技術は、外気と非接触で外気を加熱・冷却するフィンタイプの給気側熱交換器と、そのフィン部分で気液接触により外気に含まれるケミカル成分を除去するために、フィンに純水を供給するノズルと、排気と非接触で排気から廃熱を回収する排気側熱交換器と、排気のエンタルピーが外気に比べて低いときに排気に水を噴霧するノズルと、排気側熱交換器で回収された廃熱を給気側熱交換器に供給する閉ループの熱輸送回路とを設けたものである。
特開２００２−２１９３２５号公報

ラン・アラウンド方式では、排気空気経路及び取り入れ外気経路にそれぞれフィンチューブなどの熱交換器の配置と伝熱面への散水とを行う必要がある。このような形式の伝熱を支配しているのは、気液界面である。経済面からフィンチューブ伝熱面を増やすことには限界がある。また、排気中の粉塵や化学物質によるフィンの汚れや散水の酸性化などに耐え得るようにするため、フィンを含めた熱交換器全体を耐食性材料で構成する必要がある。

よって、本発明の課題は、化学物質等の除去機能、熱交換機能をより効率的に発揮させて熱を有効に再利用することができ、しかも構成を簡素化し、耐食性にも十分に配慮することができる、排熱回収技術を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明では以下の手段を採用した。
本発明は、空調空間等から排気された化学物質等を含む排気空気から熱を回収し、空調空間等への取り入れ新鮮外気に熱を移動し、熱を再利用する排熱回収装置であって、第１循環水の循環系内に設けられ、排気空気の熱を熱移動及び／又は物質移動によりそのエンタルピーを第１循環水に移動させる熱回収手段と、第２循環水の循環系内に設けられ、第２循環水の熱を熱移動及び／又は物質移動によりそのエンタルピーを取り入れ新鮮外気に移動させる熱移動手段と、第１循環水と第２循環水との間で伝熱面を通して熱交換する熱交換手段と、を備える構成とした。

本発明において、熱移動とは、空気と循環水との間で熱をやり取りすることを意味する。物質移動とは、空気と循環水との間で水分や化学物質をやり取りすることを意味する。循環水には、主に市水などが利用されるが、純水を洗浄水に利用することも可能である。伝熱面を通して熱交換する熱交換手段としては、例えばプレート型の熱交換器を例示することができる。排気空気としては、空調空間、例えば温調された製造装置や保管装置の機器内部から排気されたものの他に、空調室内空気等も含むものとする。

本発明では、熱回収手段にて、排気空気と第１循環水とを気液接触等させることにより、排気空気の中のエンタルピーを第１循環水に移動させる。その際、排気空気中の例えばアンモニアや硫化水素などといった化学物質成分は気液接触などにより、第１循環水に溶解して排気空気中から除去されることになる。第１循環水の熱は熱交換手段を介して第２循環水に移動する。その際、第１循環水と第２循環水とは伝熱面を通して熱交換するので交差汚染することはない。熱移動手段にて、取り入れ新鮮外気と第２循環水とを気液接触等させることにより、第２循環水の中のエンタルピーを取り入れ新鮮外気に移動させることができる。この際、取り入れ新鮮外気中の化学物質等は第２循環水に溶解して取り入れ新鮮外気中から除去されることになる。従って、取り入れ新鮮外気は、加温及び加湿された処理済みの取り入れ空気として有効利用することができる。

本発明において、前記排気空気の熱回収手段及び取り入れ外気の熱移動手段は、それぞれ気液接触用の充填材を備えていることが望ましい。熱回収率が顕著に増大するためである。また、気液接触用の充填材には安価で耐食性のあるプラスチック等を使用することができる。前述の特許文献１では交差汚染のない給・排気間の熱交換を間接熱交換によって図ろうとしていたため、実用的な熱交換率を達成するには金属製の熱交換器を採用することになった。被処理空気との直接熱交換を図る本発明は熱交換器の材質を問わない。さらに、気液接触用の充填材を用いた熱回収手段及び熱移動手段は、例えば充填塔としてその構成も簡素化され、循環水との気液接触により排気空気や外気からの化学物質の除去機能も十分に発揮する。さらに、熱回収機能及び熱移動機能をより効率的に発揮させて熱を有効に再利用することができる。

本発明では、前記第１循環水の循環系内に、前記熱回収手段が並列に複数設けられている構成とすることもできる。このように構成した場合、排気空気が分散処理される際に好適な形態とすることができる。また、各熱回収手段を第１循環水の循環系内に並列に設けることで、運転台数制御が容易で、循環系の管路を簡素化することができる。さらに、複数の排気系統がある場合には、それぞれのダクトルートが短くて済むという利点がある。

本発明において、前記熱移動手段は、外気取り入れ口の下流側で熱移動手段に散水するための散水手段を備えていることが望ましい。散水手段によって、例えば取り入れ新鮮外気が最初に接触する充填材の前面が氷結するのを効果的に防ぐことが可能になるからである。

ここで、前記散水手段は、取り入れ新鮮外気の湿球温度又はエンタルピーを検出し、その湿球温度又はエンタルピーの値が設定値以下になった場合に、前記散水手段を稼働させる制御部を含むことが望ましい。このような制御部を含む構成とした場合、氷結防止機能を無駄なく高精度に発揮させることが可能になる。

本発明は、空調空間等から排気された化学物質等を含む排気空気から熱を回収し、空調空間等への取り入れ新鮮外気に熱を移動し、熱を再利用する方法であって、排気空気と第１循環水との気液接触による熱移動及び／又は物質移動によりそのエンタルピーを第１循環水に移動させる排気空気熱回収工程と、取り入れ新鮮外気と第２循環水との気液接触に
よる熱移動及び／又は物質移動によりそのエンタルピーを取り入れ新鮮外気に移動させる取り入れ外気熱移動工程と、第１循環水と第２循環水との間で伝熱面を通して交差汚染することなく熱交換する熱交換工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、比較的簡易な構成により排気空気からの取り入れ外気への化学物質の移動を完全防止して、年間を通して高効率かつ安定した全熱回収が可能となる。また、空調空間等の入口空気と出口空気との熱交換にさらに散水による気化潜熱効果を加えて冷房の省エネルギー化に大きく貢献する。さらに、排気空気と接する部材は、ラン・アラウンド方式等では、耐食材料を使用する必要があったが、本発明では、気液接触のための充填材として、安価で耐食性のあるプラスチック製充填材を使用することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施例に係る排熱回収装置の構成図である。

（実施例１）
この実施例の排熱回収装置は、排気空気１から熱を回収する第１循環水（熱回収水）２の循環経路２ａを有する循環系Ａと、取り入れ新鮮外気３に熱を移動させる第２循環水（熱移動水）４の循環経路４ｂを有する循環系Ｂと、循環系Ａ内に設けられた排気空気用熱回収手段５と、循環系Ｂ内に設けられた取り入れ外気用熱移動手段６と、第１循環水２と第２循環水４との間で伝熱面を通して交差汚染することなく熱交換する熱交換手段７とを備えている。熱回収手段５は、例えば動物飼育室と連通し飼育ラック内の動物に供給した空気の排気ダクトの途中に、熱移動手段６は、動物飼育室と連通し同室に外気を取り入れる外気ダクトの途中に、それぞれ介装されている。

前記熱回収手段５は、排気空気１の流入口５ａ及び排出口５ｂを有する立方体または直方体のケーシング５１と、ケーシング５１内に配置された気液接触用の充填材５２と、充填材５２に対してその上方から第１循環水２を液状に散水するための複数の散水口５３と、充填材５２の下部に設けられた第１循環水用の水溜５４とを備えている。なお、充填材５２と排出口５ｂとの間（下流側）には、液滴を捕集分離除去する機能を有するデミスター５５が必要に応じて配置される。

熱移動手段６は、取り入れ新鮮外気３の流入口６ａ及び排出口６ｂを有するケーシング６１と、ケーシング６１内に配置された気液接触用の充填材６２と、充填材６２に対してその上方から第２循環水４を液状に散水するための複数の散水口６３（図では散水ノズルを例示している）と、充填材６２の下部に設けられた第２循環水用の水溜６４とを備えている。なお、充填材６２と排出口６ｂとの間（下流側）には、液滴を捕集分離除去する機能を有するデミスター６５が必要に応じて配置される。

このように、熱回収手段５及び熱移動手段６は、気液接触用充填材を備えたいわゆる開放式冷却塔のように、水（第１循環水２又は第２循環水４）と空気（排気空気１又は取り入れ新鮮外気３）との間で気液接触させる充填材を備えた開放式全熱交換器として構成されている。従って、熱回収手段５及び熱移動手段６の双方とも、空気と水との温度差を利用する熱伝達作用及び水の蒸発を利用する物質伝達作用によって熱交換率が高く、しかも、気液接触による熱交換の際に、排気空気１又は取り入れ新鮮外気３を水で洗浄し、それらの空気に含まれる例えばアンモニアや硫化水素などの化学物質や悪臭成分等を除去できるように配慮されている。充填材５２、６２としては、飛沫形や膜状形の何れも利用できるが、膜状形は充填材表面を流れる水が膜状となって、その表面が気液接触面を形成する点で、飛沫形よりも伝熱特性が高い。したがって、膜状形の樹脂製充填材を使用するのが
好ましい。

第１循環水２の循環経路２ａを有する循環系Ａは、水溜５４内の第１循環水２を圧送して循環させるためのポンプ２１を備えている。循環経路２ａの管路の一端はポンプ２１の吸入側に接続され、他端は熱交換手段７を経由して散水口５３に接続されている。

第２循環水４の循環経路４ｂを有する循環系Ｂは、水溜６４内の第２循環水４を圧送して循環させるためのポンプ４１を備えている。循環経路４ｂの管路の一端はポンプ４１の吸入側に接続され、他端は熱交換手段７を経由して散水口６３に接続されている。

熱交換手段７には、この実施例では、第１循環水２と第２循環水４とが非接触で熱交換可能なように、プレート型の熱交換器が用いられている。従って、排気空気１のエンタルピーが取り入れ外気３のエンタルピーよりも高い場合、循環系Ａを流れる第１循環水の熱は、熱交換手段７を介して循環系Ｂを流れる第２循環水４へ熱移動するが、その際に化学物質等は移動しないように配慮されている。即ち、室内や空調空間内に排気のもつ汚染物質が混入しない。

なお、特に図示していないが、熱回収手段５の排出口５ｂ側には排気ファン等の強制排気装置等が設けられ、また、熱移動手段６の流入口６ａ側あるいは排出口６ｂ側には送風ファン等の強制給気装置等が設けられる。特に後者には空調機がその下流側に接続されると、空調機のファンにより空調機の冷水・温水コイルと熱移動手段６への外気の取り入れを兼用できる。

更に、排気と外気の両方もしくは外気のエンタルピーのみを検出し、比較するシステムが装備される。しかし、例えば実験動物等の空調空間から排気される排気空気のエンタルピーは、年間を通してほぼ一定に保たれることが多いので、必ずしも排気温度を検出する必要はない。外気だけを検出して比較するシステムを構成しても良い。そして、年間を通して排気と外気との間にエンタルピー差がある場合は熱回収する構成とされる。

この実施例１によれば、例えば空調空間から排気された化学物質等を含む排気空気１は、熱回収手段５を通過する際に、散水口５３から液状に散水される第１循環水２との間で気液接触することで、その排気空気１の熱が第１循環水２へ移動して熱回収される。その際、第１循環水２による排気空気１の洗浄作用によって排気空気１の化学物質等が第１循環水２へ移動（物質移動）する。このようにして、排気空気１の熱回収作用及び化学物質の除去作用が行われた後、その排気空気１は大気へ放出される。

ここで、散水口５３から散水され、充填材５２を伝って滴下した第１循環水２は水溜５４内に溜まり、そこから循環系Ａのポンプ２１により循環経路２ａの途中の熱交換手段７を経由して再度散水口５３から散水される。従って、熱交換手段７においては、循環系Ａの第１循環水２と循環系Ｂの第２循環水４とが互いに交差汚染することなく熱交換され、第１循環水２の熱が第２循環水４へ受け渡される。

一方、取り入れ新鮮外気３は、熱移動手段６を通過する際に、散水口６３から液状に散水される第２循環水４との間で気液接触することで、その第２循環水４の熱が取り入れ新鮮外気３へ移動する。その際、第２循環水４による取り入れ新鮮外気３の洗浄作用によって取り入れ新鮮外気３に含まれている化学物質等が第２循環水４へ移動（物質移動）する。このようにして、取り入れ新鮮外気３への熱移動作用及び化学物質の除去作用が行われた後、その取り入れ外気３は、冬季または暖房季には昇温、夏季または冷房季には降温された処理済みの取り入れ空気３ａとして、次回程へ供給される。具体的には目的とする室内空間等へ直接取り入れられ、あるいは建物内の空気を循環させて温調する空調機に導か
れる。

ここで、散水口６３から散水され、充填材６２を伝って滴下した第２循環水４は水溜６４内に溜まり、そこから循環系Ｂのポンプ４１により循環経路４ｂの途中の熱交換手段７を経由して再度散水口６３から散水される。従って、熱交換手段７においては、循環系Ａの第１循環水２と循環系Ｂの第２循環水４とが交差汚染することなく熱交換され、第１循環水２の熱が順次第２循環水４へ受け渡される。この熱回収サイクルは、排気空気１のエンタルピーが外気のエンタルピーよりも高い場合または低い場合に機能し、等しい、または省エネルギー価格（回収すべきエネルギーの量×エネルギー単価）がポンプの運転費以下の場合には機能しない。しかし、排気空気１に含まれる化学物質等の除去作用については、双方のエンタルピー差に関係なく機能する。

（実施例２）
図２は、排気空気が分散処理される場合に好適な実施例を示す要部の構成図である。なお、この実施例２において、実施例１と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。

この実施例は工場等排気源の多い用途に好適な例である。ここでは排熱回収装置には、排気空気分散処理のために、排気空気用の熱回収手段５が複数（図では３基）装備されている。各熱回収手段５は工場の種々の部位から延びる３本の排気ダクトにそれぞれ連通している。３本の排気ダクトは、枝ダクトが酸、アルカリ、有機といった性状ごとに合流して例えば、酸系統、アルカリ系統、有機系統、と各々系統分けされている。それぞれの熱回収手段５は実施例１で示した気液接触用の充填材５２を備えたものと同様の構成である。従って、それぞれの熱回収手段５について、第１循環水２の循環経路が装備されているが、それぞれの循環経路の一部を共用化して簡素化するために、それらを並列接続した構成としている。

但し、循環経路を構成する管路のうち、各熱回収手段５の散水口５３に接続される分岐管路ａ、ｂ、ｃには流量調整弁１０がそれぞれ設けられている。各熱回収手段５の水溜から各ポンプにて圧送される第１循環水２の管路ｄ、ｅ、ｆは、熱交換手段７の手前で一つに合流している。これにより、３つの熱交換手段５の各循環経路が並列接続された循環系Ａが構成されている。より詳しく説明すれば、動物飼育室や工場等からの排気ダクトに、熱回収手段５が酸、アルカリ等の排気性状単位で接続される。被処理空気に応じて散水液も水に限らず選択される。各熱回収手段５のポンプ２１の吐出口より下流で、流量調整弁１０より上流の管が共用されている。なお、図中破線で示す循環系Ｂ及び熱移動手段６については実施例１と同一の構成であるため、この図２では部分的に省略されている。

この実施例のように熱回収手段５を複数配置することで、装置自体の機能や効率を低下させることなく熱回収量及び排気空気洗浄処理量を高めることができる。また、ダクト系統を１階、２階…の階別にしたり、東西の方位別にすることもあるが、この場合、系統毎に熱回収手段５を設ければよいので、ダクトルートは簡単かつ排気処理までの距離は最短で済む。その他、図２に示すポンプは熱回収手段１基に１台としているが、インバータ付きポンプを１台共用で設け、流量調整弁１０の開放台数、開放状況に応じた流量可変運転をしてもよい。

（実施例３）
図３は、取り入れ外気への熱移動手段６の他の実施例を示す構成図である。この実施例３では、取り入れ外気温度が低い場合や、本発明を寒冷地で適用する場合などに、好適な例を示すものである。

取り入れ新鮮外気の湿球温度が氷点下以下になった場合、充填材の前面（取り入れ外気側の表面）に氷が生成され、空気の流通が阻害又は不能になる恐れも考えられる。そこで、この実施例では、充填材よりも上流側の取り入れ新鮮外気に散水する散水手段６６を設けたものである。具体的には、ケーシング６１の上流端と外気取り入れダクト６７との接続部６８よりも下流側でかつ充填材６２よりも上流側に、複数の散水口６９を配置してこれを氷結防止ポンプ７０の吐出側と接続し、氷結防止ポンプ７０の吸い込み側を熱移動手段６の水溜６４と接続し、この水溜６４内の第２循環水４を水源として散水する構成としている。ケーシング６１内の充填材６２よりも下流側にはデミスター６５が配置されている。図示では、複数の散水口６９は充填材６２の側面上流端に沿って配置されているが、散水口６３と同様に充填材の上方に、散水口６３とは位相をずらして設けてもよい。いずれの例でも散水された水が流動するための流量が確保され氷結しない。

さらに、散水手段６６は、取り入れ新鮮外気の湿球温度を検出し、その湿球温度が設定値以下になった場合に、例えば湿球温度が氷点下以下になった場合に、散水手段６６を稼働（運転）させる制御部（図示せず）を有する構成としている。なお、取り入れ新鮮外気の湿球温度に代えてエンタルピーを検出し、そのエンタルピーが設定値以下になった場合に、散水手段６６を稼働させる構成とすることもできる。

この実施例によれば、取り入れ新鮮外気３の湿球温度が設定値以下（氷点下以下）になった場合、散水手段６６が稼働し、取り入れ新鮮外気３の湿球温度を０℃程度にまで上昇させ、充填材６２の氷結を防止する。その際、熱移動手段６の第２循環水４には第１循環水２から熱移動されているので、この第２循環水４を散水手段６６の水源として利用することで、より有効に機能させることができる。これにより、外気温度が低い冬季や寒冷地での運転も可能になる。

本発明の実施例１に係る排熱回収装置の構成図である。 本発明の実施例２に係る排熱回収装置の要部の構成図である。 本発明の実施例３に係る排熱回収装置の熱移動手段の構成図である。

符号の説明

１ 排気空気
２ 第１循環水
２１ ポンプ
３ 取り入れ外気
３ａ 取り入れ新鮮空気
４ 第２循環水
４１ ポンプ
５ 熱回収手段
５１、６１ ケーシング
５２、６２ 充填材
６ 熱移動手段
５５、６５ デミスター
６３、６９ 散水口
６６ 散水手段
７ 熱交換手段
１０ 流量調整弁
７０ 氷結防止ポンプ

Claims (4)

1. 空調空間等から排気された化学物質等を含む排気空気から熱を回収し、前記空調空間等への取り入れ新鮮外気に熱を移動し、熱を再利用する排熱回収装置であって、
   第１循環水の循環系内に設けられ、排気空気の熱を熱移動と物質移動とのうちの少なくとも何れか一方によりそのエンタルピーを第１循環水に移動させる熱回収手段と、
   第２循環水の循環系内に設けられ、第２循環水の熱を熱移動と物質移動とのうちの少なくとも何れか一方によりそのエンタルピーを取り入れ新鮮外気に移動させる熱移動手段と、
   第１循環水と第２循環水との間で伝熱面を通して熱交換する熱交換手段と、を備え、
   前記熱移動手段は、
   取り入れ新鮮空気に熱を移動させた後の前記第２循環水を溜める水溜と、
   前記水溜に溜まった前記第２循環水を外気取り入れ口の下流側で前記熱移動手段に散水するための散水手段と、を有し、
   前記散水手段は、取り入れ新鮮外気の湿球温度又はエンタルピーを検出し、その湿球温度又はエンタルピーの値が設定値以下になった場合に、前記散水手段を稼働させる制御部を含む、排熱回収装置。
2. 前記熱回収手段及び熱移動手段は、それぞれ気液接触用の充填材を備えている、請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 前記第１循環水の循環系内に、前記熱回収手段が並列に複数設けられている、請求項１又は２に記載の排熱回収装置。
4. 空調空間等から排気された化学物質等を含む排気空気から熱を回収し、前記空調空間等への取り入れ新鮮外気に熱を移動し、熱を再利用する方法であって、
   排気空気と第１循環水との気液接触による熱移動と物質移動とのうちの少なくとも何れか一方によりそのエンタルピーを第１循環水に移動させる排気空気熱回収工程と、
   取り入れ新鮮外気と第２循環水との気液接触による熱移動と物質移動とのうちの少なくとも何れか一方によりそのエンタルピーを取り入れ新鮮外気に移動させる取り入れ外気熱移動工程と、
   第１循環水と第２循環水との間で伝熱面を通して交差汚染することなく熱交換する熱交
   換工程と、を含み、
   前記外気熱移動工程は、
   取り入れ新鮮空気に熱を移動させた後の前記第２循環水を水溜に溜め、
   取り入れ新鮮外気の湿球温度又はエンタルピーを検出し、その湿球温度又はエンタルピーの値が設定値以下になった場合に、前記水溜に溜まった前記第２循環水を外気取り入れ口の下流側で散水する、排熱回収方法。

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