JP4816231B2

JP4816231B2 - デシカント空調システム

Info

Publication number: JP4816231B2
Application number: JP2006133837A
Authority: JP
Inventors: 英男稲葉; 健作前田; 良祐西田
Original assignee: Japan Exlan Co Ltd
Current assignee: Japan Exlan Co Ltd
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-05-12
Also published as: EP1772681A2; CN1945141A; CN1945141B; EP1772681A3; US20070079623A1; JP2007127400A

Description

本発明は、処理空気を地中熱熱交換器に通して熱交換させて、空調空間に供給する地中熱利用のデシカント空調システムに関する。

地下５乃至１００メートルの地中温度は年間を通して安定しており、大略１５℃（±２℃）である。従って、処理空気（室内空気や外気）を地中熱熱交換器（Geothermal Heat Exchanger ）に通して熱交換させて、空調空間に供給する地中熱利用の空調システムが提案され、利用されている。このような空調システムは、エネルギー消費量やＣＯ２発生量が小さく、いわゆる環境に優しいシステムであり、ヒートアイランド現象を回避するための有効な対策である。

このような地中熱利用の空調システムを冷房目的で使用する場合、地中温度が約１５℃であるため、処理空気を約２０℃程度までは冷却することができ、これは室温以下であり、従って空調負荷のうち顕熱負荷は地中熱熱交換器で除去できる。しかし、冷却後の空気は空調空間の要求露点温度（通常、空調空間の気温２６℃、相対湿度５０％の時で１５℃である）よりも高い２０℃程度までしか冷やされないため、潜熱負荷が十分に除去できない。そのため室内湿度が高くなる問題があった。

もし、この水分を除湿する場合には、室内空気を露点温度（１５〜１６℃）以下のおよそ５〜１０℃に冷却して除湿する必要があり、そのために別のエアコンが必要となって、地中熱利用のメリットは無くなってしまう。

特開２００５−９７３７号公報

この発明は、別途人工的な冷熱源を必要とせずに、冷却・除湿した空気を室内に供給することができる省エネルギーかつ環境に配慮した実用的な調システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載のデシカント空調システムは、処理空気を地中熱交換器に導く導入経路と、地中熱交換器で冷却された処理空気を被空調空間に導く供給経路と、これら導入経路及び供給経路の双方に跨って配置されたデシカントロータを備え、前記デシカントロータをその各部が前記導入経路と供給経路に順次位置するように回転させることにより、冷却後の処理空気を該デシカントロータで除湿し、かつ冷却前の処理空気でデシカントロータを再生するようにしたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明においては、導入された処理空気はまずデシカントロータを再生し、その後、地中熱交換器に導かれて冷却され、同時に水分を除去され、さらにデシカントロータにおいて除湿され、被処理空間に要求露点温度を有する被処理空気として供給される。

請求項２に記載のデシカント空調システムは、請求項１に記載の発明において、前記導入経路に、導入した処理空気又は前記デシカントロータを加熱するための加熱手段を設けたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明においては、導入経路内の導入した処理空気又はデシカントロータが加熱されて、導入空気によるデシカントロータの再生が促進される。

請求項３に記載のデシカント空調システムは、請求項２に記載の発明において、前記加熱手段として遠赤外線ヒータを用いるよう構成したことを特徴とする。
請求項３に記載の発明においては、簡単な構成でかつ低コストな手段でデシカントロータの再生が促進される。

請求項４に記載のデシカント空調システムは、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発明において、前記地中熱交換器として地中に熱媒体を流す熱媒体流路を用いるよう構成したことを特徴とする。
請求項４に記載の発明においては、地中熱を効率的に利用したデシカント空調システムが構成される。

請求項１ないし請求項４に記載のデシカント空調システムによれば、人工的な冷熱源を必要とせずに、冷却・除湿した空気を室内に供給することができる省エネルギーかつ環境に配慮した空調システムを提供することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図１は、この発明の第１の実施の形態のデシカント空調システムを示すもので、被空調空間１０を形成する建物１２の近傍に設置された地中熱交換器１４と、室内（被空調空間）１０からの環気ＲＡを処理空気として取り入れて地中熱交換器１４に導く導入経路１６と、地中熱交換器１４において熱交換して冷却された空気を被空調空間１０に供給するための供給経路１８と、これら導入経路１６及び供給経路１８の双方に跨ってこれらを遮るように配置されたデシカントロータ２０を用いるデシカント除湿装置２２と、これらの経路に空気を送風する送風機２４とを有している。

デシカント空調システムは、円筒状あるいは円盤状の内部空間を形成するケーシング３４の中に構成され、デシカントロータ２０はこのケーシング３４内に回転自在に配置されている。ケーシング３４内の空間は、仕切板３６によって軸線を含む面で上下に区分され、一方は導入経路１６に連通して、デシカントロータ２０を導入空気によって再生する（デシカントロータ２０の水分を脱着する）再生ゾーン４０となる。また、他方の空間は、供給経路１８に連絡され、デシカントロータ２０により供給空気を除湿する（デシカントロータ２０に水分を吸着させる）吸着ゾーン４２となる。デシカントロータ２０の他方の側（デシカントロータに対して導入経路又は供給経路とは反対の側）は密閉されている。デシカントロータ２０には、これを所定の速度で回転させる駆動モータ３８が設けられている。

デシカントロータ２０としては、所定の多孔質なデシカント（吸着剤）を、ハニカム状補強構造を有する円盤状部材に成形した周知のものを採用することができる。デシカントの素材としては、アクリル基を有する機能性有機系収着剤またはシリカゲルまたは活性炭などのように、相対湿度が７０乃至１００％の領域で吸脱着量の差が大きい素材が望ましく、更には相対湿度が高い領域において防カビ性や抗菌性が高い素材（例えばアクリル基を有する機能性有機系収着剤）が望ましい。

地中熱交換器１４は、例えば熱伝導性の良い銅やアルミニウム等の金属製若しくは合成樹脂製の管を地中に深さ２０乃至１００メートル程度埋設して形成された循環型の熱媒体流路５０を備えており、ポンプ５２の動作により水などの熱媒体が、地中と地上の間で循環するようになっている。この熱媒体流路の地上部分は、ケーシング３４内の二次側の空間に導入されて、処理空気と熱交換を行う気液熱交換部５４となっている。この気液熱交換部５４は、接触面積を増やすために蛇行した配管となっており、凝縮した水分を導くための排水管５６が導出されている。

この実施の形態では、導入経路１６の入口、すなわち空気取入口４４の内側に、デシカントロータ２０と対向するように遠赤外線ヒータ（加熱手段）４６が設けられている。これは、外気の相対湿度が高い場合、すなわち、絶対湿度が高いか温度が低い場合に用いるもので、必要に応じて設置すればよい。この場合、被空調空間１０に湿度センサを設置し、検出した湿度が高い時に、この遠赤外線ヒータ４６をオンにするようにしてもよい。また、別の加熱手段として、デシカントロータ２０に適当なヒータを埋設し、その部分が導入経路１６側に有る時にオンにするようにしてもよい。さらに、デシカントロータ２０の上流に加熱手段として温水と熱交換させる熱交換器を設け、温水の加熱源として、太陽熱コレクタで集めた熱を用いるようにしてもよい。

また、図示しないが、周知の制御手段を設け、被空調空間等に設置した各種センサ等を用いて種々の運転制御を行うことができる。例えば、デシカント空調システムをマニュアルモードと自動モードの双方で運転できるようにし、自動モードでは、被空調空間に設置した湿度センサが検出した湿度（相対湿度、露点温度又は絶対湿度）が設定した許容上限値より高い時にデシカントロータ２０を回転させ、検出した湿度が設定した許容値より低い時にデシカントロータ２０を停止させるようにする。

以下、上記のように構成されたデシカント空調システムを用いて、室内の空気を循環させながら除湿・冷房運転をする場合の動作を、図２の湿り空気線図を参照して説明する。なお、以下の説明における温度、湿度その他の数値は例示的なものである。
図２において、室内１０からの環気ＲＡはＡの状態であり、例えば相対湿度が８０％程度である。相対湿度が高いので遠赤外線ヒータ４６がオンとなり、デシカントロータ２０の再生ゾーン４０の表面を加熱し、ここを通過する導入空気がデシカントと接触する際、例えば相対湿度が７０％程度となる状態Ｂになるように加熱する。もし、還気ＲＡの相対湿度が７０％程度である場合には、遠赤外線ヒータ４６は作動せず、状態Ｂからスタートする。

加熱された状態Ｂの導入空気は、デシカントロータ２０を通過する際にこれから水分を脱着し、この際に等エンタルピ変化して、相対湿度がほぼ１００％の状態Ｃに変化する。状態Ｃの導入空気は、さらに地中熱交換器１４に送られて、気液熱交換部５４において２０℃近傍まで冷却され、飽和線に沿って水分を結露分離させて絶対湿度が低下し、状態Ｄに至る。この時、気液熱交換部では状態Ｃから状態Ｄまで所謂濡れ面熱伝達が行われ、極めて高い熱通過率で空気と地中との熱交換が行われる。

温度と絶対湿度が低下した状態Ｄの空気は、除湿ゾーン４２においてデシカントロータ２０を通過し、水分を吸着されることにより除湿され、ほぼ要求露点温度１５℃に相当する状態Ｅとなり、供給経路１８を介して室内に供給される。なお、上記の説明は状態変化が理想変化であることを仮定したもので、実際には、Ｂは湿度７０％の等相対湿度線より下になり、Ｅが等相対湿度線より上になる。

このように、このデシカント空調システムは、地中熱という１つの自然熱源のみを用いて冷却と除湿を行うので、別途冷熱源や空調設備を必要とせず、省エネルギー、省コストでかつ環境に配慮した空調システムが提供される。また、空気の経路が１系統であるので、送風機２４も１つで済み、全体の構成が簡単であるので、設備コストも小さく、建物の中間階にも容易に設置できる等のメリットも有る。

また、この実施の形態では、遠赤外線ヒータ４６を用いることで、その輻射熱により脱着空気入口側のデシカントロータ２０を乾燥させてから、除湿経路に回転移動するため、処理空気からの水分吸着量が増加し、熱損失が少ないという利点が有る。なお、状態Ａ〜状態Ｂでの加熱温度は低いため、太陽熱や低温排熱が利用でき、それによってさらなる省エネルギー効果、及びエコロジー効果を得ることもできる。

図３は、この発明の第２の実施の形態のデシカント空調システムを示すもので、基本的な構成は先の実施の形態と同じであるので、詳しい説明を省略し、また、対応する構成は同じ符号で示す。この実施の形態が先の実施の形態と異なるのは、熱媒体流路５０の熱媒体の一部を分岐させた分岐配管５８を、供給経路１８に配置した冷房熱交換器６０に導いている点である。これにより、図２に状態Ｅ→状態Ｆの経路で示すように、デシカントロータ２０で除湿した際に昇温した空気の温度を低下させて室内に供給し、冷房効果を高めている。また、この実施の形態では、予熱用の遠赤外線ヒータ６４に、太陽電池６２からの電力を導入して、省エネルギー効果を高めている。

図４は、この発明の第３の実施の形態のデシカント空調システムを示すもので、外気を処理して室内空間に供給するものである。そして、地中熱交換器１４Ａは、空気を直接地中に導く形式であり、例えば熱伝導性の良い銅やアルミニウム等の金属製の二重管から構成されている。二重管は、地中に深さ５乃至１０メートル程度埋設され、その底部近傍の温度は１５℃程度に保たれている。内管２６は外管２８の底面より上で開口しており、内管２６の内外を上下に往復する空気流路が構成され、内外の空気流路はほぼ等断面積になるように設定されている。この例では、外管２８は導入経路１６に内管２６は供給経路１８にそれぞれ連絡している。外管２８の底部には結露水を排水溝３０に排出するための排水ポンプ３２が設置されている。

図示例では、地中熱交換器１４Ａは１基が設置されているが、通常は、空調すべき空間１０の大きさに応じて複数が設置される。複数の地中熱交換器１４Ａは、デシカント除湿装置２２に対して並列に接続される。この場合、状況に応じて動作台数を設定するように、開閉弁を設置して、使用する地中熱交換器１４Ａの数を選択することができるようにしてもよい。もちろん、それぞれの地中熱交換器１４Ａに個別にデシカント除湿装置２２を設置するようにしてもよい。なお、地中熱交換器１４Ａの設置個所は建物の外側でも内側でもよい。

先の実施の形態と同様に、地上には、円筒状あるいは円盤状の内部空間を形成するケーシング３４が設置され、このケーシング３４内にデシカント除湿装置２２が構成されている。デシカント除湿装置２２は、回転自在に配置されたデシカントロータ２０と、デシカントロータ２０の前後の内部空間を軸線を含む面で区分して２つの部分空間を構成する仕切板３６と、デシカントロータ２０を所定の回転速度で回転駆動するモータ３８を有している。２つの部分空間の一方は、導入経路１６に連絡され、デシカントロータ２０を導入空気によって再生する（デシカントロータ２０の水分を脱着する）再生ゾーン４０となる。また、他方の部分空間は、供給経路１８に連絡され、デシカントロータ２０により供給空気を除湿する（デシカントロータ２０に水分を吸着させる）除湿ゾーン４２となる。

先の実施の形態と同様に、デシカントロータ２０としては、所定の多孔質なデシカント（吸着剤）を、ハニカム状補強構造を有する円盤状部材に成形した周知のものを採用することができる。デシカントの素材としては、アクリル基を有する機能性有機系収着剤またはシリカゲルまたは活性炭などのように、相対湿度が７０乃至１００％の領域で吸脱着量の差が大きい素材が望ましく、更には相対湿度が高い領域において防カビ性や抗菌性が高い素材（例えばアクリル基を有する機能性有機系収着剤）が望ましい。

先の実施の形態と同様に、導入経路１６の入口、すなわち空気取入口４４の内側に、デシカントロータ２０と対向するように遠赤外線ヒータ（加熱手段）４６が設けられている。これは、外気の相対湿度が高い場合、すなわち、絶対湿度が高いか温度が低い場合に用いるもので、必要に応じて設置すればよい。この場合、外部空間に湿度センサを設置し、検出した湿度が高い時に、この遠赤外線ヒータ４６をオンにするようにしてもよい。また、別の加熱手段として、デシカントロータ２０に適当なヒータを埋設し、その部分が導入経路１６側に有る時にオンにするようにしてもよい。さらに、デシカントロータ２０の上流に加熱手段として温水と熱交換させる熱交換器を設け、温水の加熱源として、太陽熱コレクタで集めた熱を用いるようにしてもよい。

また、周知の制御手段を設け、被空調空間等に設置した各種センサ等を用いて種々の運転制御を行うことができる。例えば、デシカント空調システムをマニュアルモードと自動モードの双方で運転できるようにし、自動モードでは、被空調空間に設置した湿度センサが検出した湿度（相対湿度、露点温度又は絶対湿度）が設定した許容上限値より高い時にデシカントロータ２０を回転させ、検出した湿度が設定した許容値より低い時にデシカントロータ２０を停止させるようにする。

以下、上記のように構成されたデシカント空調システムの動作を、図５の湿り空気線図を参照して説明する。なお、以下の説明における温度、湿度その他の数値は例示的なものである。

図５において、外気はＡの状態であり、例えば相対湿度が８０％程度である。相対湿度が高いので遠赤外線ヒータ４６がオンとなり、デシカントロータ２０の再生ゾーン４０の表面を加熱し、ここを通過する導入空気がデシカントと接触する際、例えば相対湿度が７０％程度となる状態Ｂになるように加熱する。この導入空気は、デシカントロータ２０を通過する際にこれから水分を脱着し、この際に等エンタルピ変化して、相対湿度がほぼ１００％の状態Ｃに変化する。状態Ｃの導入空気は、さらに地中熱交換器１４Ａに送られて２０℃近傍まで冷却され、飽和線に沿って水分を結露分離させて絶対湿度が低下し、状態Ｄに至る。この時、地中熱熱交換器では状態Ｃから状態Ｄまで所謂濡れ面熱伝達が行われ、極めて高い熱通過率で空気と地中との熱交換が行われる。

温度と絶対湿度が低下した状態Ｄの空気は、除湿ゾーン４２においてデシカントロータ２０を通過し、水分を吸着されることにより除湿され、ほぼ要求露点温度１５℃に相当する状態Ｅとなり、供給経路１８を介して室内に供給される。なお、上記の説明は状態変化が理想変化であることを仮定したもので、実際には、Ｂは湿度７０％の等相対湿度線より下になり、Ｅが等相対湿度線より上になる。
上記において、外気の相対湿度が７０％よりも低い場合には、遠赤外線ヒータ４６はオフのままで、上記のサイクルが実行される。

図６はこの発明の他の実施の形態を示すもので、このデシカント空調システムは、外気ではなく、室内からの還気を冷却・除湿した後、室内に再度供給するように構成されている。また、図７はその動作を説明するための湿り空気線図である。図４の実施の形態では、室内空気が外気で換気されるので、室内空間の衛生環境は維持されるが、処理の負荷は大きくなる。一方、この実施の形態では、より相対湿度の低い室内空気を処理空気とすることで、処理負荷を軽減し、処理空気出口の到達湿度（絶対湿度）を低くする作用が得られるが、換気機能については別途考慮する必要が有る。

この実施の形態の動作は、先の実施の形態の場合と、処理空気の初期状態Ａが異なるだけで、基本的に同じである。加熱手段（遠赤外線ヒータ）は、先の場合と同様に、導入する室内空気の相対湿度が高い場合、すなわち、絶対湿度が高いか温度が低い場合に用いるので、必要に応じて設置すればよい。この場合、加熱手段の動作を制御するための温度又は湿度センサは、室内に設ける。

図８はこの発明の他の実施の形態を示すもので、このデシカント空調システムは、外気と室内にそれぞれ開口する空気取入口４４ａ，４４ｂを設けており、外気と室内還気の双方を取り入れて、冷却・除湿した後、室内に再度供給するように構成されている。このように、還気と外気を混合して処理空気とすることで、図４の実施の形態の換気作用と、図６の実施の形態の処理負荷の軽減作用と、処理空気出口の到達湿度（絶対湿度）を低くする作用を同時に達成することができる。

また、図９はその動作を説明するための湿り空気線図である。動作は、先の実施の形態の場合と、処理空気の初期状態Ａが異なるだけで、基本的に同じであるので、説明は省略する。

図１０は、この発明の他の実施の形態を示すもので、外気と室内からの還気の双方を必要に応じて取り入れることができるように、各取入口４４ａ，４４ｂに開閉ダンパ４８ａ，４８ｂを設けたものである。各開閉ダンパ４８ａ，４８ｂの開閉を制御することにより、上述した３つの実施の形態のいずれのパターンの動作も可能である。

この発明の第１の実施の形態のデシカント空調システムを示す図である。第１の実施の形態のデシカント空調システムの動作を説明する湿り空気線図である。この発明の第２の実施の形態のデシカント空調システムを示す図である。この発明の第３の実施の形態のデシカント空調システムを示す図である。第３の実施の形態のデシカント空調システムの動作を説明する湿り空気線図である。この発明の第４の実施の形態のデシカント空調システムを示す図である。第４の実施の形態のデシカント空調システムの動作を説明する湿り空気線図である。この発明の第５の実施の形態のデシカント空調システムを示す図である。第５の実施の形態のデシカント空調システムの動作を説明する湿り空気線図である。この発明の第６の実施の形態のデシカント空調システムを示す図である。

符号の説明

１０被空調空間
１２建物
１４，１４Ａ地中熱交換器
１６導入経路
１８供給経路
２０デシカントロータ
２２デシカント除湿装置
２４送風機
２６内管
２８外管
３０排水溝
３２排水ポンプ
３４ケーシング
３６仕切板
３８モータ
４０再生ゾーン
４２除湿ゾーン
４４，４４ａ，４４ｂ空気取入口
４６遠赤外線ヒータ
４８ａ，４８ｂ開閉ダンパ
５０熱媒体流路
５２ポンプ
５４気液熱交換部
５６排水管
５８分岐配管
６０冷房熱交換器
６２太陽電池
６４遠赤外線ヒータ

Claims

処理空気を地中熱交換器に導く導入経路と、
地中熱交換器で冷却された処理空気を被空調空間に導く供給経路と、
これら導入経路及び供給経路の双方に跨って配置されたデシカントロータを備え、
前記デシカントロータをその各部が前記導入経路と供給経路に順次位置するように回転させることにより、冷却後の処理空気を該デシカントロータで除湿し、かつ冷却前の処理空気でデシカントロータを再生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。
前記導入経路に、導入した処理空気又は前記デシカントロータを加熱するための加熱手段を設け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。
前記加熱手段として遠赤外線ヒータを用いるよう構成した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。
前記地中熱交換器として地中に熱媒体を流す熱媒体流路を用いるよう構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のデシカント空調システム。