JP4911968B2 - 外気冷熱利用方法及び空調システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体工場等における空調用外気処理技術として好適な外気冷熱利用方法及びそれを利用した空調システムに関する。

外気処理装置を備えたクリーンルームの一例として、特許文献１に開示された技術が知られている。この技術は、空調システムの運用の省エネルギー化を目的としたものであり、外気温度がクリーンルームの室内温度よりも低くなった場合に、冷却塔を利用して、クリーンルームの循環空気を冷却する設備を提供するものである。また、クリーンルームからの排気空気の排熱を利用して、取り入れ外気空気を加熱または冷却する設備を提供するものである。

しかし、この特許文献１に記載の技術では、取り入れ外気の有効熱の利用に改善の余地がある。また、この特許文献１では、取り入れ外気の加湿調整に際して、外部熱源を不可欠な熱源として設置しそれにより取り入れ外気を加熱する方法を採用している。そのため、冷熱の加熱による損失に加えて、外部熱源の設備費を別途必要とするといった問題が生じている。

一般に、工業用のクリーンルームでは、外気取り入れ量は６０ｍ^３／（ｍ^２・ｈ）前後であり、夏季には冷熱負荷の約４０％が外気の冷却負荷である。一方、クリーンルーム室内の発生熱量は、０．７ｋW／ｍ^２に達する。従って、クリーンルーム運用の消費エネル
ギーの低減は重要な課題となっている。

外気空気の冷熱の一部を回収する方法として、古くから、コイルを使用した「ラン・アラウンド方式」と呼ばれる熱回収方法が知られており、外気冷熱を冷水系などに熱回収することが行われている。
特開平７−１３９６１号公報

このようなラン・アラウンド方式の熱回収技術を採用しても、冬季の取り入れ外気空気の露点温度は、室内設定露点温度より低いため加湿が必要である。一般に、取り入れ外気の湿度を室内設定湿度条件に調整して供給する方法が採用されており、その場合、取り入れ外気を室内設定露点温度まで上げて加湿する必要がある。

ラン・アラウンド方式などの採用により、取り入れ外気の冷熱の一部は利用されているが、取り入れ外気の冷熱を有効に利用できていないのが現状である。即ち、加熱のための熱源を必要とし、加熱による加熱負荷と、それによる外気冷熱の損失という二重の損失を発生させている。

更に、クリーンルームの熱負荷の中、７℃程度の低温熱源の必要な熱負荷は、外気の除湿に関わる負荷のみであり、１５℃程度の高温冷水により、年間の冷熱負荷の約８０〜９０％を処理することができる。

しかしながら、一般には、初期設備のコスト的制約から、この除湿負荷のために、全負荷に７℃の冷水を製造して供給しているのが現状である。冷水製造を冷凍機で行う場合、３２℃の冷却水が供給されるとして、７℃と１５℃とでは、ＣＯＰ（冷凍機成績系数）に
３０％の差異が生じ、大きな損失となっている。

また、クリーンルームの排気空気は、酸・アルカリなどの有害成分を含む場合があり、排熱回収が進んでいない。有害成分を除去するスクラバー装置などからの排熱を回収する試みが行われているが、回収される温度レベルが２０℃前後であり、回収熱の有効な利用ができていないのが現状である。

よって、本発明の課題は、比較的簡易な構成により、熱利用・熱回収プロセスを優先付けして、外気冷熱の徹底活用、排熱の利用及び投入エネルギーの効率的利用を総合的に行い、年間を通して省エネルギーを図ることができる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、冬季もしくは暖房期または中間期に取り入れ外気の冷熱及び空調室内の発生熱を回収し、熱を再利用する方法であって、取り入れ外気と第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熱を取り入れ外気に移動させる第１熱移動工程と、室内空調空気と第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熱を第２循環水に移動させる第２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熱交換する熱交換工程と、第１熱移動工程後の取り入れ外気を空調室内へ送る工程と、第２熱移動工程後の室内空調空気をその空調室内へ給気として戻す工程と、を含むことを特徴とする。

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、純水を循環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。室内空調空気としては、半導体工場等におけるクリーンルームの循環空気（還気空気）、実験動物等を収容した空調空間や病院の循環空気等を例示することができる。また、デパート等の物販施設のように建物内部で大きな発熱をする施設にも使用可能である。第１熱移動手段及び第２熱移動手段としては、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。熱回収率で顕著に増大するためである。

本発明では、第１熱移動工程において、取り入れ外気と第１循環水とを気液接触させることにより、取り入れ外気の冷熱を第１循環水に移動させると共に、取り入れ外気を加湿・加熱する。この際、空気中の塵埃が処理液に取り込まれるほか、対象室がクリーンルームその他の生産工程空間である場合には、取り入れ外気中の化学物質等は第１循環水に溶解して取り入れ外気中から除去されるという効果が得られる。

また、第２熱移動工程において、室内空調空気（還気空気）と第２循環水とを気液接触させることにより、その室内空調空気の熱を第２循環水に移動させると共に、室内空調空気（還気空気）を加湿・冷却する。この際、室内空調空気中の塵埃が処理液に取り込まれるほか、対象室がクリーンルームその他の生産工程空間である場合には、化学物質等は第２循環水に溶解して室内空調空気中から除去される。

第１循環水と第２循環水とは伝熱面を通して相互に熱交換される。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、たとえ外気が汚染されていても交差汚染することはない。しかも、必要に応じてそれぞれの温度レベルを制御することも可能になる。

そして、取り入れ外気は、第１熱移動工程にて加湿及び加熱された処理済みの取り入れ
空気として空調室内へ供給され、第２熱移動工程にて加湿及び冷却された室内空調空気は空調室内へ給気として戻される。これにより、取り入れ外気と室内空調空気とが混合されて、所定の温度・湿度の空気が生成される。

このように、第１熱移動工程及び第２熱移動工程での気液接触により、取り入れ新鮮外気及び室内空調空気中の塵埃や酸やアルカリ等の化学物質が除かれ、かつ散水の気化蒸発による被処理空気の温度低下が、取り入れ外気系で行われる同様の作用と相乗して得られる。つまり、冬季もしくは暖房期（条件によれば中間期であっても）、第１循環水も気液接触により降温を反復し、これと熱交換し温度が降下した第２循環水が空調空間等を冷却する冷熱源となる。この結果、取り入れ外気の冷熱と空調室内発生熱を有効利用して、外部熱源から冷熱及び加熱することなく、外気に対して加湿・加熱を行うことができる。また、室内空調空気（還気）に対しては、外気の冷熱が付与された第２循環水と直接熱交換することで冷却され、還気空気は室内の排温熱が付与されていることから加湿される。このように室内で加湿されるため、外気への加湿量はそれだけ少なくて済む。

本発明において、前記第２熱移動工程における、室内空調空気の第２循環水への熱の移動量を、前記第２循環水の循環水量又は気液接触に付される室内空調空気量により制御することもできる。第２循環水の循環水量は例えば循環ポンプの回転制御により容易に行うことができ、気液接触に付される室内空調空気量は例えば送風ファンやダンパによる循環空気量制御により容易に行うことができる。従って、空調室内温度の制御も容易に行うことができる。

本発明は、取り入れ外気の冷熱及び空調室内の発生熱を回収し、熱を再利用する空調システムであって、第１循環水の循環系内に設けられ、第１循環水の熱を熱移動及び／又は物質移動によりその熱を取り入れ外気に移動させる第１熱移動手段と、第２循環水の循環系内に設けられ、室内空調空気の熱を熱移動及び／又は物質移動によりその熱を第２循環水に移動させる第２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、第１熱移動手段の空気の流れの上流側に配置され、空調室内設定露点温度よりも高い熱源水を熱源とする上流側熱交換手段と、第１熱移動手段の空気の流れの下流側に配置され、空調室内設定露点温度よりも低い低温冷水を熱源とする下流側熱交換手段と、を備えることを特徴としている。

本発明の空調システムによれば、前述した作用効果に加え、上流側熱交換手段への熱源水の供給温度を空調室内設定露点温度より高くすることにより、取り入れ外気温度が氷点下以下の場合には、第１熱移動手段の前段に位置する上流側熱交換手段で取り入れ外気を加熱することができる。これにより、気液接触型の第１熱移動手段での氷結などを防止することができる。夏季には、空調室内設定露点温度より高くするだけでなく、空調室内設定乾球温度より低くすれば、第１熱移動手段は、おおよそ取り入れ外気の顕熱のみを除去することとなり、下流側熱交換手段の冷熱源の仕様を低減できる。

こうして、夏季、取り入れ外気温度が室内設定露点温度よりも高い場合、有効エネルギーの低い低コストの熱源水を熱源とする上流側熱交換手段によって取り入れ外気は予冷される。

本発明の空調システムにおいては、取り入れ外気の流入口及び排出口を有し、その内部に前記上流側熱交換手段、第１熱移動手段及び下流側熱交換手段が配置されるケーシングと、前記流入口から排出口へ向かう空気の流れを形成する送風手段と、を更に備えた構成とすることが望ましい。このように構成することで、取り入れ外気の処理系を一つのケーシングに収容した一連の形態として、その処理効率を高めかつ、省スペース化も図ることができる。

本発明において、前記上流側熱交換手段は、前記熱源水の循環系内に設けられ、前記室内空調空気（還気空気）と熱源水との間で熱交換する室内空気熱交換手段とを備えている構成とすることが望ましい。このように構成した場合、上流側熱交換手段による取り入れ外気の加熱あるいは予冷の熱源に室内空調空気を熱源とすることができる。従って、取り入れ外気の温度によって必要となる加熱や予冷のための追加熱源の能力を不要にしあるいは低減し設備費を安価にすることができる。

本発明において、前記下流側熱交換手段は、前記低温冷水を製造する冷水製造手段と、その冷水製造手段と下流側熱交換手段との間を循環する低温冷水の循環系とを備えている構成とすることができる。このようにすれば、例えば夏季において上流側熱交換手段で処理された後の取り入れ外気温度が室内設定露点温度より高い場合、上流側熱交換器で予冷された取り入れ外気は低温冷水製造用の冷水製造手段により生成された低温冷水を熱源とする下流側熱交換手段により除湿・冷却される。これにより、顕熱と潜熱を分けて処理することでＣＯＰを改善し、取り入れ外気を少ないエネルギーで除湿・冷却することができる。

本発明において、前記下流側熱交換手段は、低温冷水を製造する冷水製造手段と、その冷水製造手段と下流側熱交換手段との間を循環する低温冷水の循環系と、前記冷水製造手段の発熱部に冷却水を供給する冷却水循環系と、その冷却水循環系内に設けられ、空調室内からの排気空気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熱を前記冷却水に移動させる第３熱移動手段とを備えていることが望ましい。このようにすれば、例えば夏季に、外気湿球温度が排気空気の湿球温度より高い場合、冷水製造装置の発熱部、例えば排熱部を冷却するための第３熱移動手段用の空気を空調室内からの排気空気とすることで、低温の冷却水を生成させて、冷水製造手段の成績係数を高くすることができる。

本発明では、前記上流側熱交換手段への熱源水の供給温度が、室内設定露点温度より高く、室内設定乾球温度より低いことが望ましい。そのように制御するためには、低温冷水を生成するための熱源が必要であり、例えば冷却塔や他系統の排熱、河川水などが利用できるが、安定して熱を取り出せるという点では冷凍機が好ましい。

本発明において、前記下流側熱交換器を経由した処理済みの外気空気を空調室のリターンプレナム内へ給気する外気ダクトと、前記リターンプレナム内の室内還気空気を前記外気ダクトの途中に供給する室内再循環ファンとを備えていることが望ましい。さらに、外気ダクトへのリターンプレナム内の室内空調空気の供給量に基づいてリターンプレナム内に供給する処理済みの外気空気温度を制御する制御手段を備えていることが望ましい。低温空気がリターンプレナム内に供給される場合、循環空気との間に大きな温度差があると、室内経路での温度分布が無視できない。つまり、室内に温冷の差が生じる。その点、このように空調室内への給気温度に近い外気処理空気をリターンプレナム内に供給することで、温度分布の問題を回避することが可能になる。また、リターンプレナム内の空気温度とそこに供給される外気温度の温度差に由来する結露の問題もなくなる。

本発明では、前記第２循環水の循環系内に、第２熱移動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、還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、各熱移動手段を第２循環水の循環系内に並列に設けることで、負荷に見合った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。

本発明によれば、比較的簡易な方法により、熱利用・熱回収のプロセスを優先付けして、外気冷熱の徹底活用、排熱の利用及び投入エネルギーの効率的利用を総合的に行い、年間を通して省エネルギーを図ることができる。

本発明による装置の運転はまず、室内設定露点温度以下の取り入れ外気空気から、施設において利用可能な冷熱を、熱交換手段の空気側に空気を流す動力と熱源水を循環させる動力の二つのみで回収する。

特に、冬季や暖房期、場合によっては中間期には、取り入れ外気と室内還気空気との気液接触熱交換及び伝熱面を介した熱交換により、室内設定露点温度以下の取り入れ外気空気を加湿・加熱し、室内還気空気を加湿・冷却して、取り入れ外気の加熱・加湿負荷と室内還気空気の冷却負荷を相互に打ち消し、外気冷熱の全量を活用するとともに、加湿のための加熱を不要とする。

一方、夏季または冷房期のように室内設定露点温度を超えた高温外気の処理では、前述の熱交換手段の高温冷水により予冷されるため、低温冷水の必要量を大幅に削減できる。

従来、冷水製造装置の冷却水製造の熱源は外気空気であり、夏季は高温・高湿のため、ＣＯＰが低下していた。一方、本システムでは、低温冷水の必要量が相対的に低下されるので（所定値に減湿された排気の冷熱と潜熱を利用するので）、低温冷水製造装置の冷却水製造の熱源を、低温・低湿な施設の排気空気を使用することができ、冷水製造時のＣＯＰを大幅に向上させることが可能になる。

また、前記した構成によって小型化する低温冷水製造装置を外気処理装置の専用熱源として、外気処理装置の近辺に配置し、冷水等の搬送動力を低減させることも可能となる。

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。
（実施例１）
図１は、本発明を内部発熱の大きい建物、より具体的には工業用クリーンルームの空調、特に中間期や冬季の運転に適用した実施例を示す構成図である。この実施例は例えば取り入れ外気温度が低い場合に外気冷熱を有効利用するのに好適な例を示すものである。

この実施例の空調システムにおいては、取り入れ新鮮外気１から熱（冷熱）を吸収する第１循環水２の循環経路２ａを有する循環系Ａと、室内空調空気３に冷熱を供給する第２循環水４の循環経路４ｂを有する循環系Ｂと、循環系Ａ内に設けられた第１熱移動手段５と、循環系Ｂ内に設けられた第２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液−液間の交差汚染をすることなく熱交換する熱交換手段７とを備えている。

但し、この実施例では、本発明をクリーンルームの空調に適用する関係で、第２熱移動手段６によってクリーンルームＣＲ内の生産装置の排熱等で昇温された室内空調空気（還気）３を利用すると共に、その際、気化潜熱での低温化作用を受けた室内空調空気３をクリーンルームＣＲ内に給気３ａとして戻す構成としている。また、第１熱移動手段５を経由して散水により降温した処理済みの取り入れ空気１ａは矢印９で示すように室内空調空気（還気）と合流して浄化された後クリーンルームＣＲ内へ供給される。

第１熱移動手段５は、屋外からの取り入れ新鮮外気１の流入口５ａ及び排出口５ｂを有する立方体又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、必要に応じて、液滴を捕集分離除去する機能を有するデミスター５５が配置される。また、デミスター５５と排出口５ｂとの間には、ケーシング５１の流入口５ａから排出口５ｂに向かう取り入れ外気１の流れを形成するための送風機５６が配置されている。

第２熱移動手段６は、室内空調空気３の流入口６ａ及び排出口６ｂを有する立方体または直方体のケーシング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、必要に応じて、液滴を捕集分離除去する機能を有するデミスター６５が配置される。また、デミスター６５と排出口６ｂとの間には、ケーシング６１の流入口６ａから排出口６ｂに向かう室内空調空気３の流れを形成するための送風機６６が配置されている。

このように、第１熱移動手段５及び第２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（取り入れ新鮮外気１又は室内空調空気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、第１熱移動手段５及び第２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、取り入れ新鮮外気１又は室内空調空気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・硫化水素などの化学物質や、酸・アルカリなどの有害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、プレート型の液−液熱交換器が用いられている。そして、第１循環水２と第２循環水４はそれぞれ熱交換手段７の一側と他側にそれぞれ直接導入され、この一カ所で熱交換される。従って、取り入れ新鮮外気１の熱が室内空調空気３の熱よりも低い場合、循環系Ａを流れる第１循環水２の冷熱は、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、第２循環水４の熱は第１循環水２へそれぞれ熱移動するが、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、第１循環水と第２循環水とが交差汚染することはない。

この空調システムは、取り入れ新鮮外気経路や給気経路等の空気経路を工夫することによりクリーンルームＣＲの内外の何れにも配置することができる。しかし、空気経路の単純化を図る場合には、図１に示すように、クリーンルームＣＲの建屋の境界Ｓを基準にしてその内側に、第２熱移動手段６、熱交換手段７、及び循環系Ｂを配置し、第１熱移動手段５をクリーンルームＣＲの外に配置する構成とすることもできる。なお、第１熱移動手段５はクリーンルームＣＲの外に配置した例を示している。従って、第１熱移動手段５を
経由した処理済みの取り入れ空気１ａは、空気供給経路９を介してクリーンルームＣＲ内へ供給される。

なお、この空調システムがクリーンルームＣＲ内に配置される場合、第１熱移動手段５はクリーンルームＣＲと連通し同室に取り入れる外気ダクトの途中に、第２熱移動手段６はクリーンルーム内の空気循環系、例えば床下のリターンプレナム内や還気ダクトの途中に、それぞれ介装される。

更に、室内空調空気３と取り入れ新鮮外気１の両方もしくは取り入れ新鮮外気の熱のみを検出し、比較するシステムが装備される。クリーンルームのような室内空調空気の熱は、年間を通してほぼ一定に保たれることが多いので、必ずしも空調室内温度を検出する必要はない。外気の温度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、外気温度が室内設定温度や実際の空調室内温度より所定の値、例えば２℃以上低い場合は外気冷熱を利用する構成とされる。

この実施例１によれば、取り入れ新鮮外気１は、第１熱移動手段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、その取り入れ新鮮外気１の冷熱が第１循環水２へ移動し、取り入れ新鮮外気１が加湿及び加熱される。第２熱交換手段でクリーンルームの生産装置類の廃熱を得て昇温した第２循環水４の温熱が付与された第１循環水と冷外気が直接接触するためである。その際、第１循環水２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１循環水２へ移動（物質移動）する。このようにして、取り入れ新鮮外気１への熱移動作用及び化学物質の除去作用が行われた後、その取り入れ新鮮外気１は、冬季または暖房期には昇温された処理済みの取り入れ空気１ａとして、クリーンルーム内へ取り入れられる。

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２ｂ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Ｂの第２循環水４と循環系Ａの第１循環水２とが交差汚染することなく熱交換され、第２循環水４の熱が順次第１循環水２へ受け渡される。なお、第１循環水２と第２循環水４に塵埃や化学物質が混入し濃縮されて配管腐食等を招かぬよう、系内、例えば第１熱移動手段５と第２熱移動手段６それぞれの水溜５４，６４に排水手段と水補給手段を設けると良い。

一方、例えば生産設備等から排気された化学物質等を含む室内空調空気（還気）３は、第２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、その室内空調空気３の熱が第２循環水４へ移動し、室内空調空気３が加湿、冷却される。その際、第２循環水４による室内空調空気３の洗浄作用によって室内空調空気３の化学物質等が第２循環水４へ移動（物質移動）する。このようにして、室内空調空気３の熱回収作用及び化学物質の除去作用が行われた後、その室内空調空気３は給気３ａとしてクリーンルームＣＲ内へ戻される。

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４ａ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とが互いに交差汚染することなく熱交換され、第２循環水４の熱が第１循環水２へ受け渡される。

この冷熱回収サイクルは、室内空調空気３の熱が取り入れ新鮮外気１の熱よりも高い場
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（回収したエネルギー×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、双方の熱差に関係なく機能する。なお、夏季または冷房期には、第１循環水２のポンプ２１と第２循環水４のポンプ４１を停止し、第１熱移動手段５、第２熱移動手段６、熱交換手段７を非稼働とすることが効率的である。

（実施例２）
図２は、室内空調空気３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。

この実施例は大規模なクリーンルームに好適な例である。ここでは、室内空調空気（還気空気）３の分散処理のために、第２熱移動手段（還気空気熱移動手段）６が複数（図では３基）装備されている。各熱移動手段６はクリーンルーム内に直接配置される場合と、種々の部位から延びる３本の還気ダクトにそれぞれ連通させて配置される場合がある。例えば階ごとに設けられたそれぞれの熱移動手段６は実施例１で示した気液接触用の充填材６２を備えたものと同様の構成である。従って、それぞれの熱移動手段６について、第２循環水４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、各熱移動手段６の散水口６３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。各熱移動手段６の水溜から各ポンプ４１にて圧送される第２循環水４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つの熱移動手段６の各循環経路が並列接続された循環系（還気空気熱移動循環系）Ｂが構成されている。より詳しく説明すれば、クリーンルームからの還気メインダクトごとに、熱移動手段６が接続される。各熱移動手段６のポンプ４１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Ａ及び熱移動手段５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第２熱移動手段６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室内空調空気又は排気空気の洗浄処理量を高めることができる。また、ダクト系統を生産系統、バックスペース系統の用途別にしたり、東西の方位別にすることもあるが、この場合、系統毎に熱移動手段６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に示すポンプは熱移動手段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、外気の冷熱、排気空気の冷熱及び高温冷水を利用して、クリーンルームのように建物内部の顕熱負荷の大きい空調設備について、エネルギーを効率的に運用できるシステムとした例を示すものである。なお、この実施例３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。

実施例３の空調システムにおいても、第１循環水２の循環系Ａ内に設けられ、取り入れ外気の冷熱を熱移動及び／又は物質移動によりその熱を取り入れ外気に移動させる第１熱移動手段５と、第２循環水４の循環系Ｂ内に設けられ、室内空調空気３の熱を熱移動及び／又は物質移動によりその熱を第２循環水４に移動させる第２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液−液間の交差汚染をすることなく熱交換する熱交換手段７とを備えている。

循環系Ａは第１循環水２の循環経路２ａを有し、循環系Ｂは第２循環水４の循環経路４ｂを有している。第１熱移動手段５は機械室Ｋ内に配置され、第２熱移動手段６及び熱交換手段７はクリーンルームＣＲ下のリターンプレナムＲ内に配置されている。第２熱移動手段６のケーシング６１内には、ケーシング６内を通って還気ダクト１８へ向かう室内空調空気（還気）３の空気の流れを形成する送風手段６６が設けられている。

機械室Ｋ内には第１熱移動手段５を含む外気処理装置Ｓが配置されている。即ち、第１熱移動手段５の空気の流れの上流側には、空調室内設定露点温度よりも高く、空調室内設定乾球温度より低い熱源水１１（循環水温１５℃〜２５℃の間で範囲が決定される）を熱源とする上流側熱交換手段１２が配置されている。第１熱移動手段５の空気の流れの下流側には、クリーンルーム（空調室内）ＣＲの設定露点温度よりも低い低温冷水１３（例えば水温７℃）を熱源とする下流側熱交換手段１４が配置されている。

上流側熱交換手段１２、第１熱移動手段５及び下流側熱交換手段１４は、取り入れ新鮮外気１の流入口１５ａ及び外気流出口１５ｂを有する横長の直方体ケーシング１５内に収容されている。そして、このケーシング１５内には、流入口１５ａから外気流出口１５ｂへ向かう空気の流れを形成する送風手段１６が配置されている。これにより、取り入れ新鮮外気１の処理系を一つのケーシング１５に収容した一連の形態として、その処理効率を高めかつ、省スペース化も図ることができるように配慮されている。外気処理装置Ｓの外気流出口１５ｂとリターンプレナムＲとの間には、処理済みの外気をリターンプレナム内へ供給する外気ダクト３０が設けられている。

上流側熱交換手段１２は、熱源水１１の循環系Ｃ内に設けられ、室内空調空気（還気）３と熱源水１１との間で熱交換する室内空気熱交換手段１７を備えている。室内空気熱交換手段１７は、ここではリターンプレナムＲ内に配置されている。室内空気熱交換手段１７はケーシング１７１内に収容され、そのケーシング１７１内には還気ダクト１８へ送る送風機１７２が配置されている。

熱源水１１の循環系Ｃの循環還路１１ａには、室内空気熱交換手段１７と上流側熱交換手段１２への熱源水１１の循環還路にそれぞれ設けられ開度制御部により流量を調節するためのバルブ１７３とバルブ１２１が設けられている。そして、循環系Ｃには熱源として冷凍機が介装され、冷熱が供給される。前述した気化潜熱利用や熱交換手段１２と１７が冷熱の受け渡しにより取り入れ新鮮外気１や還気の温度によって必要となる予冷のための追加熱源を低減することができる。

上流側熱交換手段１２と室内空気熱交換手段１７はいわば変形のラン・アラウンド方式を構成し、一方の冷熱を利用して他方へ供給する冷熱の量を低減できる。下流側熱交換手段１４は、低温冷水を製造する冷水製造手段１９と、その冷水製造手段１９と下流側熱交換手段１４との間を循環する低温冷水１３の循環系Ｄとを備えている。また、下流側熱交換手段１４は、冷水製造手段１９としての水冷冷凍機の発熱部に冷却水２０を供給するポンプ２８を有する冷却水循環系Ｅと、その冷却水循環系Ｅ内に設けられ、空調室内からの排気空気２２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熱を冷却水２０に移動させる冷却塔からなる第３熱移動手段２３とを更に備えている。なお、冷凍機の発熱部はより具体的には排熱部ということもでき、さらに詳しくは凝縮器である。

この第３熱移動手段２３も、第１熱移動手段５や第２熱移動手段６と同様に、気液接触用の充填材２４と、充填材２４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２５と、充填材２４の下部に設けられた冷却水２０の水溜２６と、送風手段２７と、冷水２０の循環用ポンプ２８とを備えている。

リターンプレナムＲには、リターンプレナムＲ内の室内空調空気３の一部を外気ダクト３０の途中に供給し外気処理装置Ｓで処理された空気と混合するための室内再循環ファン３１が設けられている。再循環ファン３１に付設された再循環ダクトは外気ダクト３０の吐出端より上流側に接続される。この室内再循環ファン３１は、外気ダクト３０への外気ダクト３０末端の吐出温度に基づいて再循環空気量を制御するファン３１のインバータやファン３１と外気ダクトを連絡する再循環ダクトに介装された風量調整ダンパ等の制御手段（図示せず）を備えている。なお、再循環空気量は外気処理装置Ｓの出口温度に基づき制御されてもよい。

なお、図３において、符号３２は外気処理装置Ｓのケーシング１５内の外気流出口１５ｂ側に設けられたフィルタ、３３は還気ダクト１８からクリーンルームＣＲ内への給気経路に設けられたフィルタを示している。

この実施例３の空調システムによれば、例えば、取り入れ外気が室内設定露点温度より低い場合には、室内空調空気（還気）の温排熱が熱源水１１に付与されており、熱源水１１の温度は室内設定露点温度より高く制御されるので、外気処理装置Ｓの上流側熱交換手段１２により取り入れ外気１は一次加熱される。

さらに、取り入れ外気１は、気液接触型の全熱交換器である第１熱移動手段５により加湿・加熱され、第１循環水２に全熱が回収される。特に、取り入れ外気１が氷点下の場合には、上流側熱交換手段１２により取り入れ外気１を空調室内の排熱を間接的に得て一次加熱することにより、第１熱移動手段５の氷結を防止することができる。

なお、冷熱を回収した熱源水１１は、室内空気熱交換手段１７による室内還気空気の冷却用熱源として使用される。

冷熱を回収した第１循環水２は、熱交換手段７において、第２循環水４と熱交換する。第２循環水４は、気液接触型の全熱交換器である第２熱移動手段６において、室内還気空気３と熱交換し、室内還気空気３を冷却・加湿する。このようにして、外部から加熱することなく、外気の冷熱の全てを活用して、加湿・冷却を行うことができる。

さらに、外気処理装置Ｓで処理された例えば７℃の外気を、例えば２３℃のリターンプレナムＲに供給した場合、循環空気の温度に大きな差が生じ著しい分布を生じ、そのまま空調室内の温度分布として現れる。これを防止するため、予め、リターンプレナムＲ内の空気の一部を室内再循環ファン３１により外気ダクト３０内に導入、例えば１５℃になるように混合し、室内温度に近づけてリターンプレナムＲ内に処理外気を供給する。これにより室内結露の恐れも解消する。

一方、取り入れ外気１が室内設定露点温度より高い場合には、熱源水１１の供給を受ける上流側熱交換手段１２は、取り入れ外気１を予冷する熱交換器として働く。このとき、第１循環水２のポンプ２１を停止し、第１熱移動手段５への散水をとりやめ熱交換機能は停止させておく。

予冷された取り入れ外気１は、さらに、低温冷水製造用の冷水製造装置１９により生成された低温冷水１３を熱源とする下流側熱交換手段１４により除湿・冷却されるので、少ないエネルギーで除湿・冷却することができる。

その際、外気湿球温度が排気空気２２の湿球温度より高い場合、冷水製造装置１９を冷却するための冷却水製造手段である気液接触型の第３熱移動手段２３への供給空気を空調
室内からの排気空気とすることで、具体的には冷却塔側部に設けた空気取入口に排気ダクトを接続することで低温冷却水を生成し、冷水製造装置１９の成績係数を高くすることができる。

（実施例４）
いままでの例では、第１〜第３熱移動手段として開放型気液接触体を用いる例を示したが、密閉型の装置を用いることもできる。即ち、図４に示すように、コイル状に形成された乾式熱交換器にそれぞれ外気、室内空気の熱移動を得た循環水１００を散水する。２つのコイル熱交換器１０５、１０６の入口・出口は互いに配管１０２で接続され配管１０２の途中にポンプ１０３が介装されている。この場合の熱交換手段は２つのコイル熱交換器１０５、１０６と接続配管１０２が相当する。乾式熱交換器はプレート型等も採用でき、充填材中に内設されていてもよい。

本発明の実施例１に係る外気冷熱利用方法を実現するための空調システムの構成図である。 本発明の実施例２に係る空調システムの要部の構成図である。 本発明の実施例３に係る空調システムの構成図である。 本発明の実施例４に係る空調システムの要部の構成図である。

符号の説明

１ 取り入れ外気
１ａ 処理済みの外気空気
２ 第１循環水
２１ ポンプ
３ 室内空調空気（還気）
３ａ 室内空調空気（給気）
４ 第２循環水
４１ ポンプ
５、１０５ 第１熱移動手段
５１、６１ ケーシング
５２、６２ 充填材
６、１０６ 第２熱移動手段
５５、６５ デミスター
５３、６３ 散水口
７ 熱交換手段
１０ 流量調整弁
１１ 熱源水
１２ 上流側熱交換手段
１３ 低温冷水
１４ 下流側熱交換手段
１５ ケーシング
１６ 送風手段
１７ 室内空気熱交換手段
１８ 還気ダクト
１９ 冷水製造装置
２０ 冷却水
２２ 排気空気
２３ 第３熱移動手段
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ 循環系
Ｋ 機械室
Ｓ 外気処理装置

Claims (7)

1. 取り入れ外気の冷熱及び空調室内の発生熱を回収し、熱を再利用する方法であって、
   冬季もしくは暖房期または中間期に取り入れ外気と第１循環水との気液接触による熱移動、又は熱移動及び水分移動により第１循環水の熱を取り入れ外気に移動させる第１熱移動工程と、
   室内空調空気と第２循環水との気液接触による熱移動、又は熱移動及び水分移動により室内空調空気の熱を第２循環水に移動させる第２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熱交換する熱交換工程と、
   第１熱移動工程後の取り入れ外気を前記空調室内へ送る工程と、
   第２熱移動工程後の室内空調空気をその空調室内へ給気として戻す工程と、
   を含む外気冷熱利用方法。
2. 前記第２熱移動工程における、室内空調空気の第２循環水への熱の移動量を、前記第２循環水の循環水量又は気液接触に付される室内空調空気量により制御することを特徴とする、請求項１に記載の外気冷熱利用方法。
3. 取り入れ外気の冷熱及び空調室内の発生熱を回収し、熱を再利用する空調システムであって、
   第１循環水の循環系内に設けられ、第１循環水の熱を熱移動、又は熱移動及び水分移動により取り入れ外気に移動させる第１熱移動手段と、
   第２循環水の循環系内に設けられ、室内空調空気の熱を熱移動、又は熱移動及び水分移動により第２循環水に移動させる第２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、
   第１熱移動手段の空気の流れの上流側に配置され、空調室内設定露点温度よりも高い熱源水を熱源とする上流側熱交換手段と、
   第１熱移動手段の空気の流れの下流側に配置され、空調室内設定露点温度よりも低い低温冷水を熱源とする下流側熱交換手段と、を備えた空調システム。
4. 前記上流側熱交換手段は、前記熱源水の循環系内に設けられ、前記室内空調空気と熱源水との間で伝熱面を介して熱交換する室内空気熱交換手段を備え、前記上流側熱交換手段への熱源水の供給温度が、室内設定露点温度より高く、室内設定乾球温度より低いことを
   特徴とする、請求項３に記載の空調システム。
5. 前記下流側熱交換手段を経由した処理済みの外気空気を空調室のリターンプレナム内へ給気する外気ダクトと、前記リターンプレナム内の室内空調空気を前記外気ダクトの途中に供給する室内再循環ファンとを備えている、請求項３または４に記載の空調システム。
6. 前記下流側熱交換器で温調された後あるいは前記リターンプレナムに吐出される前の処理済みの外気空気の温度に基づいて前記室内再循環ファンから前記外気ダクトへの空気供給量を制御する制御手段を備えている、請求項５に記載の空調システム。
7. 前記第２循環水の循環系内に、被処理空気系統が複数並列に設けられ、前記第２熱移動手段が前記被処理空気系統ごとに設けられている、請求項３に記載の空調システム。

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