JP5062216B2 - 空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、空調装置に関するものであり、特にデシカントによる吸脱着を利用して冷房運転時の顕熱負荷と潜熱負荷を分離して処理する装置に関するものである。

従来のデシカントを用いた空調装置として、特許文献１の例がある。

特開２００５−３１５５６０号公報

特許文献１では、吸着熱交換器を有する潜熱負荷処理システムと、空気熱交換器を有する顕熱負荷処理システムを備え、システム起動時に室外空気の室内換気を停止し、顕熱負荷処理システムのみ動作させ、早く冷房を行えるようにしていた。

しかしながら従来の装置では、以下のような課題があった。一般にデシカントによる吸脱着を利用して除湿を行う場合、高温の脱着熱が必要となり、脱着熱の一部が吸着側に漏洩する。そのためデシカントによる除湿を行うと、潜熱負荷は除去できるが、潜熱負荷と等量の顕熱負荷の増加と合わせて、前述した熱漏洩量だけさらに顕熱負荷が増大する。従来の文献では、起動時の一定期間のみデシカントによる除湿を停止させているが、その後の運転ではデシカントによる除湿を駆動することになり、顕熱負荷が潜熱負荷よりも多い状況では却って冷房負荷を増大させ、運転効率が低下するという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、冷房運転時の顕熱負荷と潜熱負荷に応じて最適な装置運転方法を選択し、高効率の運転を実現することを目的とする。

圧縮機、凝縮器として作用する室外熱交換器を備えた室外ユニットと、
蒸発器として作用する室内熱交換器、室内減圧装置を備えた室内ユニットと、
室内と室外の間で換気を行うための吸気風路、排気風路と、吸気風路にて室外からの吸気より水分を吸着し、排気風路にて室内からの排気へ水分を脱着するデシカントロータと、吸気風路のデシカントロータ上流側または下流側に冷却熱交換器と、排気風路のデシカントロータ上流側に加熱熱交換器とを備えた換気ユニットと、
からなる空調装置において、
圧縮機、室外熱交換器、室内減圧装置、室内熱交換器を環状に接続して冷凍サイクルを構成するとともに、
加熱熱交換器には、冷凍サイクルの高圧冷媒を流して排気を加熱し、冷却熱交換器には、冷凍サイクルの低圧冷媒を流して吸気を冷却する構成とするとともに、
換気ユニットの動作モードとして、デシカントロータを回転させるとともに冷却熱交換器、加熱熱交換器にて吸排気との熱交換を行う除湿モードと、デシカントロータを回転させずに冷却熱交換器もしくは加熱熱交換器の少なくともどちらか一方にて吸排気との熱交換を行う熱交換モードと、冷房負荷として発生する顕熱負荷および潜熱負荷の負荷状況によって分類された負荷パターン領域と、
を備え、
空調装置の冷房負荷の前記顕熱負荷および前記潜熱の負荷状況による前記負荷パターン領域に応じて、前記顕熱負荷および前記潜熱負荷が０以上の場合であって前記顕熱負荷が所定値より大きいとともに前記潜熱負荷が所定値よりも大きい場合には、前記換気ユニットの動作モードを前記熱交換モードとし、
前記顕熱負荷および前記潜熱負荷が０以上の場合であって前記顕熱負荷が前記所定値より小さいもしくは前記潜熱負荷が前記所定値よりも小さい場合には、前記換気ユニットの動作モードを前記除湿モードとするように
除湿モードと熱交換モードとの動作切り換えを行うものである。

本発明では、冷房運転時の顕熱負荷と潜熱負荷に応じて、デシカントによる除湿運転が高効率に実施できるかどうか判別し、高効率に実施できる場合はデシカントによる除湿運転を実施し、できない場合は冷媒蒸発熱による除湿運転を実施することで、空調負荷に応じた高効率の運転を実現できる。

本発明の実施の形態１の空調装置の冷媒回路図 本発明の実施の形態１に係わる冷房除湿運転の運転制御フローチャートを表す図 本発明の実施の形態１に係わる換気ユニットの運転モード判定に用いる負荷パターンを表す図

実施の形態１．
本発明の実施の形態１の空調装置の構成を図１に基づいて説明する。図１は、本発明の冷媒回路、及び換気時の風路構成を示したものであり、図１において、室外ユニット１内には圧縮機４、四方弁５、室外熱交換器７、減圧装置である室外膨張弁８ａ、８ｂ、空調装置の計測、制御を実施する計測制御装置１２が搭載される。
圧縮機４はインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプである。室外熱交換器７はファンなどで送風される外気と冷媒との間で熱交換を行う。室外膨張弁８ａ、８ｂは開度が可変である電子膨張弁である。

室内ユニット２内には室内熱交換器９と室内減圧装置である室内膨張弁８ｃが搭載される。室内熱交換器９はファンなどで送風される室内側空気と冷媒との間で熱交換を行う。室内膨張弁８ｃは、開度が可変である電子膨張弁である。

換気ユニット３は図１の一点鎖線で囲まれた室内領域Ａと室外との換気を行う。図１の点線上半分で囲まれた風路が吸気風路であり、室外空気（OA）を室内に吸気（SA）し、図１の点線下半分で囲まれた風路が排気風路であり、室内空気（RA）を室外に排気（EA）する。換気ユニット３内には、加熱熱交換器である排気熱交換器６、冷却熱交換器である吸気熱交換器１０、デシカントロータ１１が搭載される。
吸気、排気の送風はそれぞれの風路に設けられたファンで行われる。デシカントロータ１１は回転しながら、吸気風路と排気風路を交互に通過するように配置される。デシカントロータ１１表面には、ゼオライトやシリカゲルなどの吸着剤が添着され、吸排気の空気との間で水分移動を行う。排気熱交換器６は排気風路に設けられ、デシカントロータ１１流入前の排気と熱交換を行い、吸気熱交換器１０は吸気風路に設けられ、デシカントロータ１１流入前の吸気と熱交換を行う。

室内ユニット２には湿度センサ１３ａが設けられ、室内湿度を計測する。また換気ユニット３には、吸気の入口側に湿度センサ１３ｂが、排気の入口側に湿度センサ１３ｃが設けられ、吸排気入口の湿度を計測する。
室外ユニット１、室内ユニット２、換気ユニット３には温度センサ１４が設けられ、温度センサ１４ａは圧縮機４の吐出側、温度センサ１４ｂは圧縮機４の吸入側、温度センサ１４ｃは排気熱交換器６の冷房運転時の出口側、温度センサ１４ｄは吸気熱交換器１０の冷房運転時の出口側、温度センサ１４ｇが室内熱交換器９と室内膨張弁８ｃの間の冷媒配管上に、温度センサ１４ｈが室内熱交換器９と四方弁５の間の冷媒配管上に配置され、それぞれ配置場所の冷媒温度を計測する。また温度センサ１４ｅが室外ユニット１周囲の外気温度を計測し、温度センサ１４ｆが室内ユニット２周囲の室内温度を計測し、温度センサ１４ｉが換気ユニット３の吸気風路の吸気熱交換器１０に流入する空気温度を計測し、温度センサ１４ｊが換気ユニット３の吸気風路の吸気熱交換器１０を流出する空気温度を計測し、温度センサ１４ｋが換気ユニット３の排気風路の排気熱交換器６に流入する空気温度を計測し、温度センサ１４ｌが換気ユニット３の排気風路の排気熱交換器６を流出する空気温度を計測する。

室外ユニット１には圧力センサ１５が設けられ、圧力センサ１５ａは圧縮機４の吐出側、圧力センサ１５ｂは圧縮機４の吸入側に配置され、それぞれ配置場所の冷媒圧力を計測する。

室外ユニット１内の計測制御装置１２は各ユニットの湿度センサ１３、温度センサ１４、圧力センサ１５の計測情報や、装置使用者から指示される運転内容に基づいて、圧縮機４の運転方法、室外熱交換器７、室内熱交換器９、換気ユニット３のファン送風量、各膨張弁８の開度などを制御する。

次に、この空調装置の冷房運転動作について説明する。まず冷媒回路の動作について図１をもとに説明する。四方弁５の流路は図１実線のように切り替えられる。従って冷凍サイクルが圧縮機４、四方弁５、室外熱交換器７、室内膨張弁８ｃ、室内熱交換器９、四方弁５、圧縮機４と環状に接続されて構成される。また四方弁５を流出して室外熱交換器７に至る冷媒の一部が分岐され、排気熱交換器６、室外膨張弁８ａを経て、室外熱交換器７を流出する冷媒と合流する。また室外熱交換器７を流出して室内ユニット２に至る冷媒の一部が分岐され、室外膨張弁８ｂ、吸気熱交換器１０を経て、室内熱交換器９を流出する冷媒と合流する。

次に、この空調装置の冷房運転時の冷媒状態変化を説明する。圧縮機４から吐出された高温高圧のガス冷媒は四方弁５を経て室外熱交換器７にて室外ユニット１周囲の空気に放熱しながら凝縮液化し、高圧低温の液冷媒となる。その後、冷媒は室外ユニット１を流出し、室内ユニット２に流入し、室内膨張弁８ｃにて減圧され低圧の二相冷媒となり、そして蒸発器となる室内熱交換器９に流入し、そこで室内空気から吸熱し、蒸発ガス化しながら室内ユニット２内の空気に冷熱を供給する。室内熱交換器９を出た低圧ガス冷媒は室内ユニット２を出て、室外ユニット１に流入し、四方弁５を経て圧縮機４の吸入側に戻る。

また圧縮機４から吐出された高温高圧のガス冷媒の一部は四方弁５を出た後で分岐し室外ユニット１を流出し、換気ユニット３に流入後、排気熱交換器６に流入する。ここで冷媒は排気に放熱し、加熱しながら冷却され、凝縮液化する。その後冷媒は換気ユニット３を流出して室外ユニット１に流入し、膨張弁８ａでわずかに減圧された後で、室外熱交換器７を出た高圧の液冷媒と合流する。合流後の高圧液冷媒の一部は、室外ユニット１内で分岐し、室外膨張弁８ｂで減圧され低圧の二相冷媒となり、室外ユニット１を流出後換気ユニット３内の吸気熱交換器１０に流入し、吸気熱交換器１０で吸気から吸熱し蒸発ガス化しながら吸気を冷却する。吸気熱交換器１０を出た冷媒は換気ユニット３を流出し、室外ユニット１に流入し、室内熱交換器９を出た低圧ガス冷媒と合流する。

次に換気ユニット３における吸排気の動作について説明する。室外から室内への吸気（ＯＡ）は、まず吸気熱交換器１０に流入し、そこで冷媒に吸熱され温度が低下するとともに、相対湿度が上昇する。その後吸気はデシカントロータ１１を通過し、その際水分を吸着し、除湿されるとともに吸着熱により温度が上昇し、高温低湿の空気となり、室内に供給される。室内から室外への排気（ＲＡ）は、低温低湿の状態から排気熱交換器６によって加熱され、高温低湿の状態となる。その後デシカントロータ１１に流入し、デシカントロータ１１の吸着水分を再生、脱着する。その際、脱着熱を奪われ若干温度低下し、高温高湿の状態となった後で排気される（ＥＡ）。

次に、この空調装置の運転制御動作について図２のフローチャートに基づいて説明する。
圧縮機４の容量、各膨張弁８の開度、室外熱交換器７、室内熱交換器９のファン送風量、換気ユニット３の換気風量、デシカントロータ１１での脱着温度の目標値が初期値に設定される（ステップＳ１）。各ファン送風量は初期値設定のまま維持される。室外熱交換器７のファン送風量は、温度センサ１４ｅで検知される外気温度に基づいて設定され、外気温度が低い場合には低風量で運転されるが、外気温度が所定温度よりも高い場合は、基本的に装置の定格風量で運転される。室内熱交換器９のファン送風量、換気ユニット３の換気風量は、装置使用者が設定する風量で運転される。その後所定時間経過すると（ステップＳ２）、それ以降運転状態に応じて各アクチュエータは以下のように制御される。

まず、圧縮機４の容量は、基本的に室内ユニット２の温度センサ１４ｆで計測される空気温度が、空調装置使用者が設定する温度になるように制御される。
即ち、室内ユニット２の空気温度と設定温度とを比較する（ステップＳ３）。そして、空気温度が設定温度と等しいか或いは近接している場合には、圧縮機４の容量はそのまま維持されて次のステップに進む。また、空気温度が設定温度より上昇している場合は、圧縮機４の容量は増加され、空気温度が設定温度より低くなる場合には圧縮機４の容量は減少されるというように圧縮機３の容量を変更する（ステップＳ４）。

室外膨張弁８ａは、温度センサ１４ｌで検知される排気熱交換器６出口空気温度 、即ちデシカントロータ１１の脱着温度が、室内の湿度状況から設定される目標となるように制御される。
まず脱着温度の目標設定であるが、湿度センサ１３ａで検知される室内湿度と装置使用者が設定する湿度とを比較する（ステップＳ５）。室内湿度と設定湿度が等しいか或いは近接している場合には、脱着温度の目標値はそのまま維持される。室内湿度が設定湿度よりも高い場合には、デシカントロータ１１による除湿を促進させ、室内湿度が低下するように脱着温度の目標値を高く設定する。逆に、室内湿度が設定湿度よりも低い場合には、デシカントロータ１１による除湿量を減少させ、室内湿度が上昇するように脱着温度の目標値を低く設定する（ステップＳ６）。
以上のように設定された脱着温度の目標値と、排気熱交換器６出口空気温度とを比較する（ステップＳ７）。そして、出口空気温度が脱着温度の目標値と等しいか或いは近接している場合には、室外膨張弁８ａの開度はそのまま維持されて次のステップに進む。
また、排気熱交換器６出口空気温度が脱着温度の目標値よりも低い場合には、排気熱交換器６での熱交換量が増加するように室外膨張弁８ａの開度は大きく、出口空気温度が脱着温度の目標値より高い場合には、室外膨張弁８ａの開度は小さく制御されるというように室外膨張弁８ａの開度を変更する（ステップＳ８）。

室外膨張弁８ｂは、温度センサ１４ｊで検知される吸気熱交換器１０出口空気温度が、湿度センサ１３ｂ、温度センサ１４ｉで検知される吸気の温湿度から推算される吸気の露点温度となるように制御される。
即ち、吸気熱交換器１０出口空気温度と吸気の露点温度とを比較する（ステップＳ１０）。そして、出口空気温度が露点温度と等しいか或いは近接している場合には、室外膨張弁８ｂの開度はそのまま維持されて次のステップに進む。
また、吸気熱交換器１０出口空気温度が吸気露点温度よりも高い場合には、吸気熱交換器１０での熱交換量が増加するように室外膨張弁８ｂの開度は大きく、出口空気温度が吸気露点温度より低い場合には、室外膨張弁８ｂの開度は小さく制御されるというように室外膨張弁８ｂの開度を変更する（ステップＳ１１）。

室内膨張弁８ｃは、温度センサ１４ｈで検知される室内熱交換器９の出口温度と圧力センサ１５ｂで検知される冷凍サイクルの低圧を換算して得られる蒸発温度との差温で検知される室内熱交換器９出口の冷媒過熱度（ＳＨ）が予め設定された目標値、例えば２℃になるように制御される。
即ち、室内熱交換器９出口ＳＨと目標値とを比較する（ステップＳ１３）。そして、室内熱交換器９出口ＳＨが目標値と等しいか或いは近接している場合には、室内膨張弁８ｃの開度はそのまま維持されて次のステップに進む。
また、室内熱交換器９出口ＳＨが目標値より大きい場合には、室内膨張弁８ｃの開度は大きく、ＳＨが目標値より小さい場合には、室内膨張弁８ｃの開度は小さく制御されるというように室内膨張弁８ｃの開度を変更する（ステップＳ１４）。

以上のような構成とすることで本装置では、冷房負荷として発生する潜熱負荷、顕熱負荷のうち、潜熱負荷については換気ユニット３にて処理し、室内ユニット２では、顕熱負荷のみに対応する運転が実現できる。空気を冷却する熱交換において、潜熱、顕熱同時に処理する場合、空気の露点温度以下で冷却する必要があり、冷凍サイクルの動作蒸発温度も同様に低下させる運転が求められるが、本装置では顕熱のみに対応すればよいので、蒸発温度については、露点温度よりも高いが室内空気温度よりも適度に低い温度で運転することができる。従って蒸発温度は、潜熱、顕熱同時に処理する場合に比べて高く設定できるため、より高効率の運転を実現できる。

次に、本装置における換気ユニット３の運転モード変更方法について説明する。換気ユニット３では、デシカントロータ１１における吸脱着処理を行わせる除湿モード、デシカントロータの駆動を停止し排気熱交換器６、吸気熱交換器１０での熱交換のみ実施させる熱交換モード、デシカントロータの駆動を停止するとともに、膨張弁８ａ、８ｂを閉止し、排気熱交換器６、吸気熱交換器１０での熱交換も実施しない換気モードの３つのモードを備える。そして各運転モードの切り換えを室内空間Ａ内の潜熱負荷、顕熱負荷に応じて図３に示すパターンにて切り換える。

顕熱負荷と潜熱負荷の推算は、湿度センサ１３ｂ、温度センサ１４ｉで検知される室外（吸気）の温湿度、湿度センサ１３ａ、温度センサ１４ｆで検知される室内空気の温湿度、装置使用者が設定する室内温湿度の目標値などに基づいて実施する。
顕熱負荷の推算は以下のように実施される。例えば、室外温度が室内温度の目標値より高く、偏差が大きい場合には室外から室内への熱侵入が増加し、顕熱負荷が大きいと推算される。また室外温度が室内温度より高く、偏差が大きい場合にも換気ユニット３での換気に伴う熱侵入量が増加するので、顕熱負荷が大きいと推算される。逆に室外温度が室内温度、あるいは室内温度の目標値と近接する場合は、顕熱負荷が小さいと推算される。また室外温度が室内温度の目標値より低い場合などは、室内から室外へ放熱や、換気に伴い室内が冷却されるので顕熱負荷＜０となる。

同様に、潜熱負荷の推算は以下のように実施される。まず室外、室内空気の温湿度の計測値や目標設定値から、各状態における空気の絶対湿度を算出する。そして各絶対湿度に基づいて潜熱負荷の推算を実施する。例えば、室外湿度が室内湿度の目標値より高く、偏差が大きい場合には換気ユニット３での換気に伴う水分侵入量が増加するので、潜熱負荷が大きいと推算される。逆に室外湿度が室内湿度の目標値と近接する場合は、潜熱負荷が小さいと推算される。また室外湿度が室内湿度の目標値より低い場合は、換気に伴い室内から水分が放出されるので潜熱負荷＜０となる。
なお潜熱負荷の推算は、絶対湿度と等価な状態量である空気の露点温度を用いて推算してもよい。

上記は定常的な負荷であるが室内に蓄えられている熱容量的な負荷もあり、例えば、室内温湿度が室内温湿度の目標値よりも高い場合は、偏差に応じた熱量や水分量を除去しなければならないので、顕熱負荷、潜熱負荷ともに高くなる。逆に室内温湿度が室内温湿度の目標値と近接する場合は、熱容量的な負荷は小さくなる。また室内温湿度が室内温湿度の目標値よりも低い場合は、それぞれ負の負荷が存在する。

図３では負荷のパターンをＡ〜Ｅの５パターンに分類する。パターンＡは、顕熱負荷が比較的大きく、かつ潜熱負荷も比較的大きい領域、パターンＢは、顕熱負荷が比較的小さいか、または潜熱負荷が比較的小さい領域、パターンＣは、顕熱負荷＜０であり、かつ潜熱負荷＞０である領域、パターンＤは顕熱負荷＞０であり、かつ潜熱負荷＜０である領域、パターンＥは顕熱負荷＜０であり、かつ潜熱負荷＜０である領域を示す。

各パターンでの換気ユニット３の運転モードは、パターンＡでは熱交換モード、パターンＢでは除湿モード、パターンＣでは除湿モード、パターンＤでは熱交換モード、パターンＥでは換気モードとする。以下各パターンの設定理由とその効果について説明する。

パターンＡでは熱交換モードにて運転を実施する。パターンＡでは顕熱負荷が大きい領域であり、室内熱交換器９での熱処理量が増加する。この負荷で、換気ユニット３にてデシカントを用いた除湿を行うと、潜熱負荷が顕熱負荷になり、室内熱交換器９での熱処理量がさらに増加するとともに、顕熱負荷にデシカントによる吸脱着時に発生する熱漏洩分も追加される。そのため、室内熱交換器９での冷媒蒸発温度が大きく低下した運転となり、潜熱負荷が大きい場合には、室内熱交換器９で顕熱負荷と同時に潜熱負荷を処理する場合の蒸発温度よりも低い温度での運転が必要となり、潜熱と顕熱を分離して空調することでかえって運転効率が低下する。そこで顕熱負荷が所定値より大きく、かつ潜熱負荷が所定値よりも大きい場合、例えば顕熱負荷が装置の定格負荷の５０％程度より高く、顕熱負荷と潜熱負荷の合計値が装置の定格負荷の８０％程度より高い場合は、換気ユニット３を熱交換モードで動作させ、室内熱交換器９で顕熱負荷と同時に潜熱負荷を処理する運転を実施し、運転効率を高く維持する。

なお、熱交換モードで動作させることで、排気熱交換器６は冷凍サイクルの凝縮器として動作し、吸気熱交換器１０は冷凍サイクルの蒸発器として動作する。パターンＡでの負荷では一般に室外空気温度＞室内空気温度であるため、凝縮器として動作する排気熱交換器６ではより低い温度と熱交換することで、熱交換量が増加し、蒸発器として動作する吸気熱交換器１０ではより高い温度と熱交換することで、熱交換量が増加する。そのため装置全体における冷凍サイクルの凝縮器、蒸発器の熱交換器性能が高くなり、冷凍サイクルの効率が高くなるので、装置の運転効率を上昇させることができる。

パターンＢでは除湿モードにて運転を実施する。パターンＢでは顕熱負荷が小さい領域であるので、室内熱交換器９での熱処理量が比較的少ない。そのためデシカントを用いた除湿により、潜熱負荷が顕熱負荷になり、室内熱交換器９での熱処理量が増加しても、熱交換量を処理するための蒸発温度低下幅は小さく、潜熱と顕熱を分離して空調することで、高い蒸発温度の運転を実施でき、運転効率を高くすることができる。

パターンＣでは除湿モードにて運転を実施する。パターンＣでは顕熱負荷が負となるので室内熱交換器９での熱処理量が無くなる。そのためデシカントを用いた除湿により、除湿負荷が顕熱負荷になることで、顕熱負荷が増加しても、負の顕熱負荷と相殺することができる。そのため、顕熱負荷が負であっても室内の温度低下が生じることなく、温湿度とも目標値通りの運転が実施でき、より快適性の高い運転とできる。

パターンＤでは熱交換モードにて運転を実施する。パターンＤでは、潜熱負荷が負であり、顕熱負荷のみ存在する。この負荷状況で除湿モードの運転を行った場合、デシカントロータ１１を介しての熱漏洩により顕熱負荷を増大させることになり、その分運転効率が低下する。従って熱交換モードで運転を行い、高効率運転を実施する。

パターンＥでは換気モードにて運転を実施する。パターンＥでは、顕熱、潜熱負荷とも負であるので、装置の冷凍サイクルは停止し、排気熱交換器６、吸気熱交換器１０での熱交換を行わない。換気については、酸素やＣＯ２の空気濃度を維持する必要があるため、負荷によらず実施する。

なお、パターンＢでの運転モードであるが、除湿モードとしているが、室外温度が室内温度よりも低い場合には、熱交換モードで動作させてもよい。室外温度が室内温度よりも低い場合は、顕熱負荷＜０となりやすいが、室内での内部発熱負荷が大きい場合には、顕熱負荷＞０となる場合も生じる。この状態で、除湿モードで動作させた場合、蒸発温度は顕熱処理のみでよいため、高く設定できるが、潜熱負荷を処理するために高い脱着温度を生成する必要がある。排気熱交換器６での冷媒凝縮温度は脱着温度よりも高く運転する必要があり、この温度は室内温度（排気温度）よりも高い温度、例えば２０℃程度高い温度とする必要がある。

デシカントでの除湿を実施しない場合、潜熱負荷と顕熱負荷を室内熱交換器９にて同時に処理するため、蒸発温度を低く運転する必要があるが、凝縮温度は室外熱交換器７で外気と熱交換できる温度でよく、除湿モードでの凝縮温度よりは低く運転できる。例えば室外空気温度が室内空気温度よりも１０℃低ければ、凝縮温度は室内空気温度と同程度とでき、除湿モードで運転した場合よりも２０℃程度低くできる。顕熱処理を行う場合に比べ、潜熱と顕熱を同時に処理するための冷媒蒸発温度の低下幅が１０℃程度であれば、低凝縮温度で運転することでの効率向上効果が、低蒸発温度で運転する損失よりも上回ることになり、熱交換モードでの運転効率が除湿モードでの運転効率より高くなる。そこで、室外温度と室内温度との偏差や負荷の状況によって、熱交換モードとすることでの運転効率上昇が見込める場合は、熱交換モードでの運転を選択し、装置の運転効率を高めることができる。

なお、パターンＢでの運転モードとして熱交換モードを選択する場合には、冷凍サイクルの動作凝縮、蒸発温度と、排気、吸気の温度を対比し、排気熱交換器６または吸気熱交換器１０での熱交換を実施しないようにしてもよい。冷凍サイクルの動作凝縮温度は室外熱交換器７で所定の熱交換量が得られるように、室外温度に応じて決定され、冷凍サイクルの動作蒸発温度は室内熱交換器９で所定の熱交換量が得られるように室内温湿度に応じて決定される。凝縮温度が室内温度よりも低い場合、排気熱交換器６では、冷媒は排気によって加熱され凝縮されないので、その分冷凍サイクルとしての凝縮熱量が低下し、運転効率が低下する。このような場合は、室外膨張弁８ａの開度を全閉し、排気熱交換器６で熱交換が行われないようにする。これにより、凝縮熱量の低下に伴う運転効率の低下を回避でき、高効率の装置とすることができる。

また蒸発温度が室外温度よりも高い場合、吸気熱交換器１０では、吸気は冷媒によって加熱されるので、顕熱負荷が増加し、その分冷凍サイクルの処理熱量が増加するため運転効率が低下する。このような場合は、室外膨張弁８ｂの開度を全閉し、吸気熱交換器１０で熱交換が行われないようにする。これにより、顕熱負荷の増加に伴う運転効率の低下を回避でき、高効率の装置とすることができる。

なお、換気ユニット３の運転モードを除湿モードとする場合、換気ユニット３で賄う除湿負荷はできるだけ発生している潜熱負荷と同程度にし、発生量よりも多くの除湿負荷を賄い、換気ユニット３にて顕熱負荷の熱量まで賄う運転は回避することが望ましい。デシカントを用いた除湿を行うと、吸脱着時に発生する熱漏洩分だけ顕熱負荷が増加する。そのため過剰に除湿負荷を賄った場合、熱漏洩量が増加し、そのため装置全体で賄う熱負荷が増加し、装置の運転効率が低下する。そこで、必要とする除湿負荷のみ賄うことで、装置の運転効率低下を回避する。

なお、デシカントでの吸脱着に伴う除湿量は、デシカントロータ１１に流入する装置の相対湿度差によって概ね決定される。そのため除湿量が多くなり、潜熱負荷よりも過大となる場合は、相対湿度差が小さくなるように、排気熱交換器６、吸気熱交換器１０での熱交換量を少なくする。そして熱交換量を少なくする場合には、排気熱交換器６での脱着温度の目標値を低く設定して、熱交換量を優先して少なくする。このような運転を行う場合、吸気側は吸気熱交換器１０にて露点温度まで冷却されるので相対湿度がほぼ１００％となり、排気側は必要な湿度差が得られるように加熱される。

同一絶対湿度条件では、温度変化に対する空気の相対湿度変化は低温、即ち相対湿度が高いほど大きく、高温、即ち相対湿度が低いほど小さくなる。従って、デシカントでの吸脱着に必要な相対湿度差を得ようとした場合、低温、即ち低相対湿度ほど吸排気の温度差は小さく、高温、即ち高相対湿度ほど吸排気の温度差は大きくなる。デシカントでの吸脱着時に発生する熱漏洩量は、吸排気の温度差が大きいほど増加し、吸排気の温度差が小さいほど低下するため、吸排気の温度差を小さくし、熱漏洩量の少ない運転を行うことで、熱漏洩に伴う顕熱負荷の増加幅を縮小でき、より高効率の運転とできる。

前述したように、デシカントロータでの除湿量を少なくするために吸排気の相対湿度差を小さくする場合に排気熱交換器６での熱交換量を優先して少なくし、排気の温度を低く運転する場合と、吸気熱交換器１０での熱交換量を優先して少なくし、吸気の温度を高く運転する場合とを比べると、前者の方が吸排気の温度が低くなり、同じ相対湿度差を得るための吸排気の温度差が小さくなる。従って、デシカントを用いた除湿を行う際の熱漏洩量を少なくでき、より高効率の運転とできる。

なお、空気条件によっては、排気熱交換器６での熱交換量を０としても、デシカントでの除湿量が過大となる場合も生じる。この場合は、吸気熱交換器１０での熱交換量も少なくなるように、吸気熱交換器１０出口温度の目標値を吸気露点温度よりも高く設定する。

なお、本装置では空調対象とする室内空間、室内ユニット２、換気ユニット３が１台の場合を示したが、それぞれが複数あって場合であっても同様の効果を得ることができる。

また換気ユニット３への冷媒分岐箇所を室外ユニット１内部としているが、排気熱交換器６での加熱源を冷凍サイクルの高圧冷媒、吸気熱交換器１０での冷熱源を冷凍サイクルの低圧冷媒とするものであるならば、分岐箇所は特に限定されるものではない。室外ユニット１と室内ユニット２を接続する冷媒配管の途中に分岐ユニットを設け、そこから各冷媒を換気ユニット３に分岐する構成としても同様の効果を得ることができる。

また吸気熱交換器１０は、吸気風路のデシカントロータ１１の上流側に配置しているが、デシカントロータ１１の下流側に追加して配置してもよい。デシカントロータ１１の下流側の吸気温度は、冷房除湿運転時に吸着される際の吸着熱により昇温しており、そのまま室内空間に流入させると、快適性の面で問題となる場合もあるが、予め冷却しておくことにより、快適性を維持した運転とできる。

１ 室外ユニット
２ 室内ユニット
３ 換気ユニット
４ 圧縮機
５ 四方弁
６ 排気熱交換器
７ 室外熱交換器
８ａ、ｂ、ｃ 膨張弁
９ 室内熱交換器
１０ 吸気熱交換器
１１ デシカントロータ
１２ 計測制御装置
１３ａ、ｂ、ｃ 湿度センサ
１４ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ 温度センサ
１５ａ、ｂ 圧力センサ

Claims (8)

1. 圧縮機、凝縮器として作用する室外熱交換器を備えた室外ユニットと、
   蒸発器として作用する室内熱交換器、室内減圧装置を備えた室内ユニットと、
   室内と室外の間で換気を行うための吸気風路、排気風路と、吸気風路にて室外からの吸気より水分を吸着し、排気風路にて室内からの排気へ水分を脱着するデシカントロータと、吸気風路のデシカントロータ上流側または下流側に冷却熱交換器と、排気風路のデシカントロータ上流側に加熱熱交換器とを備えた換気ユニットと、
   からなる空調装置において、
   圧縮機、室外熱交換器、室内減圧装置、室内熱交換器を環状に接続して冷凍サイクルを構成するとともに、
   前記加熱熱交換器には、前記冷凍サイクルの高圧冷媒を流して排気を加熱し、前記冷却熱交換器には、前記冷凍サイクルの低圧冷媒を流して吸気を冷却する構成とするとともに、前記換気ユニットの動作モードとして、デシカントロータを回転させるとともに前記冷却熱交換器、前記加熱熱交換器にて吸排気との熱交換を行う除湿モードと、前記デシカントロータを回転させずに前記冷却熱交換器もしくは前記加熱熱交換器の少なくともどちらか一方にて吸排気との熱交換を行う熱交換モードと、
   冷房負荷として発生する顕熱負荷および潜熱負荷の負荷状況によって分類された負荷パターン領域と、を備え、
   空調装置の冷房負荷の前記顕熱負荷および前記潜熱の負荷状況による前記負荷パターン領域に応じて、
   前記顕熱負荷および前記潜熱負荷が０以上の場合であって前記顕熱負荷が所定値より大きいとともに前記潜熱負荷が所定値よりも大きい場合には、前記換気ユニットの動作モードを前記熱交換モードとし、
   前記顕熱負荷および前記潜熱負荷が０以上の場合であって前記顕熱負荷が前記所定値より小さいもしくは前記潜熱負荷が前記所定値よりも小さい場合には、前記換気ユニットの動作モードを前記除湿モードとするように前記除湿モードと前記熱交換モードとの動作切り換えを行うことを特徴とする空調装置。
2. 前記顕熱負荷および前記潜熱負荷が０以上の場合で、且つ前記顕熱負荷が前記所定値より小さいもしくは前記潜熱負荷が前記所定値よりも小さい場合であって、
   室外温度が室内温度より所定値以上低い場合は、前記換気ユニットの動作モードを前記熱交換モードとすることを特徴とする請求項１記載の空調装置。
3. 前記冷房負荷を顕熱負荷と潜熱負荷として捉え、前記顕熱負荷が０より小さく且つ前記潜熱負荷が０以上の場合は、前記換気ユニットの動作モードを前記除湿モードとすることを特徴とする請求項１記載の空調装置。
4. 前記冷房負荷を顕熱負荷と潜熱負荷として捉え、前記顕熱負荷が０より大きく且つ前記潜熱負荷が０より小さい場合は、前記換気ユニットの動作モードを前記熱交換モードとすることを特徴とする請求項１記載の空調装置。
5. 前記加熱熱交換器または前記冷却熱交換器の一方のみ熱交換させ、片方では熱交換を行わないことを特徴とする請求項２記載の空調装置。
6. 前記顕熱負荷を前記室外空気と前記室内空気との温度差に基づいて推算することを特徴とする請求項１〜５記載の空調装置。
7. 前記潜熱負荷を前記室外空気と前記室内空気との絶対湿度差、もしくは前記室外空気と前記室内空気との露点温度差に基づいて推算することを特徴とする請求項１〜５記載の空調装置。
8. 前記換気ユニットが前記除湿モードで動作する場合に、前記潜熱負荷が少ない場合は、前記加熱熱交換器の熱交換量を前記冷却熱交換器での熱交換量より優先して少なくすることを特徴とする請求項１〜５記載の空調装置。

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