JP5336133B2

JP5336133B2 - 空調システム

Info

Publication number: JP5336133B2
Application number: JP2008241138A
Authority: JP
Inventors: 哲夫石塚; 雅文佐藤; 貴史堀口; 忍手塚
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: JP2010071587A

Description

本発明は、空調システムに関し、特に、除湿機能を有し、空調対象の室内から循環する還気および外気の温湿度と室内の設定温湿度によって外気の供給量と除湿機能および冷却機能を制御する機能を備えて、省エネルギーを図ることができる空調システムに関する。

従来、水を冷媒として熱交換を行う空気調和設備では、空調対象の室内の空気の冷却を行うには、室内の設定温度よりいくらか温度の低い冷水を冷媒として熱交換を行い、空気の除湿を行うには、湿り空気をその露点温度以下となるように露点温度よりも低い冷水を冷媒として熱交換を行い、湿り空気に含まれる水分を凝縮水として取り除いている。そして、この空気の冷却と除湿は１つの熱交換器で行われることが多い。
また、特許文献１では、冷却専用の冷凍機と除湿専用で外気系統の冷凍機を設置して、空気の顕熱冷却と除湿とを別々に制御する空気調和設備の省エネルギー改善方法が提案されている。
特開２００５−２１４６０８号公報

しかしながら、従来の空気調和設備では以下のような問題があった。
１つの熱交換器で空気の冷却と除湿を行う空気調和設備では、除湿を行うための露点よりも低い冷水を冷媒として空気と熱交換を行うと室内の設定温度よりもかなり低い温度に空気が冷却されてしまい、エネルギーの無駄が生じているという問題があった。また、過剰に冷却された空気に再加熱を行う場合もありここでもエネルギーの無駄が生じている。
また、除湿を行う際に生じる凝縮水によって熱交換器の表面は濡れ面となり、風量の圧力損失が増加して空気調和設備の機能が低下しているという問題もあった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、空調対象の室内の温度及び湿度を効率的に調整できて省エネルギーを図ることができる空調システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る空調システムは、空調対象の室内からの還気及び外気を受け入れて冷媒との熱交換を行い室内に調和空気を送気するエアハンドリングユニットと、エアハンドリングユニットへ外気を供給する換気部と、エアハンドリングユニットへ供給される外気を除湿する除湿部と、冷媒を冷却する冷却部と、換気部、除湿部及び冷却部を制御する制御部とを備え、制御部は還気の温度及び湿度と、外気の温度及び湿度と、室内の設定温度及び設定湿度とに基づいて換気部、除湿部及び冷却部を制御し、前記除湿部はデシカントサイクルと圧縮式冷凍サイクルによって構成されたハイブリッド除湿機で、前記冷却部は冷媒蒸発温度の制御が可能であり、前記外気は、前記圧縮式冷凍サイクルによって冷却され、前記デシカントサイクルによって水分は吸着除去されて、前記エアハンドリングユニットへ供給されることを特徴とする。
本発明では、空調システムは外気を除湿する除湿部を備えて湿度調節を温度調節と分離して行うので、湿度調節のために空気を過剰に冷却することがなく、効率的に室内の温湿度調節ができて省エネルギーを図ることができる。また、エアハンドリングユニットは供給された外気が除湿されていて、顕熱のみの熱交換を行うので、潜熱も行う場合に比べて冷却部の冷媒蒸発温度を高くすることができて、また、熱交換による凝縮水が生じないので、凝縮水による風量の圧力損失を低減することができエネルギー効率が高まる。
また、制御部は還気の温度及び湿度と、外気の温度及び湿度と、室内の設定温度及び設定湿度とに基づいて換気部、除湿部及び冷却部を制御するので、外気を有効的に利用でき、室内の温度及び湿度を設定温湿度に保つことができて快適な空間を提供することができる。
また、本発明では、除湿部がデシカントサイクルと圧縮式冷凍サイクルによって構成されたハイブリッド除湿機で、外気から吸着した水分を排気と共に外部へ排出するシステムなので、効率的に除湿を行うことができる。そしてエアハンドリングユニットへは顕熱のみの冷却処理を行えばよいので、除湿を行う場合に比べて冷却部の冷媒蒸発温度を上げることができるのでエネルギー効率を上げることができる。

また、本発明に係る空調システムでは、制御部は外気の温度及び湿度から外気エンタルピーを演算し、還気の温度及び湿度から還気エンタルピーを演算する演算手段を有し、外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも大きい場合は、外気の供給量が最小となるように前記換気部を運転制御し、且つ除湿部を運転制御して、且つ前記冷却部を制御し、外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも小さく、湿り空気線図において外気の温度及び湿度を示す点が還気の温度及び湿度を示す点と室内の設定温度の温度及び湿度を示す点とを結び、絶対湿度が０となる軸線まで延長させた直線よりも上にある場合は、外気の供給量が最大となるように換気部を運転制御し、且つ除湿部を運転制御して、且つ冷却部を停止制御し、外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも小さく、湿り空気線図において外気の温度及び湿度を示す点が直線よりも下にある場合は、外気の供給量が最大となるように換気部を運転制御し、且つ除湿部を停止制御して、且つ冷却部を運転制御することすることを特徴とする。
本発明では、制御部は演算した外気エンタルピー及び還気エンタルピーと、外気および還気の温湿度によって、外気の供給量と、除湿部及び冷却部を効率的に制御するので、外気を有効的に利用でき、除湿部及び冷却部を必要に合わせて運転させることができて省エネルギーを図ることができる。

本発明によれば、空調システムに外気を除湿する除湿部を設けて、換気部、除湿部及び冷却部を制御する制御部を備えるので、効率的に室内の温湿度を設定温湿度に保つことができて快適な空間を提供できると共に、省エネルギーを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態による空調システムについて、図１乃至図２に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態による空調システムの構成を示す概略図、図２は図１に示す空調システムを構成するデシカントサイクルの概略を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態による空調システム１は、室内２の空調を行うもので、エアハンドリングユニット３と換気設備４と除湿機５とターボ冷凍機６と、換気設備４、除湿機５及びターボ冷凍機６を制御する制御装置７とから概略構成される。

エアハンドリングユニット３は、室内２からの還気ＲＡと除湿機５を通過した外気ＯＡとを受け入れて、冷媒蒸発温度の制御が可能なターボ冷凍機６によって冷却された冷水を冷媒として熱交換を行い、還気ＲＡ及び外気ＯＡを室内２の設定温度に冷却して、この冷却された還気ＲＡ及び外気ＯＡを調和空気ＳＡとして室内２に供給する。
換気設備４は、エアハンドリングユニット３へ外気ＯＡを供給すると共に、室内２から空気を排出するもので、室内２から排出される空気は還気ＲＡと排気ＥＡに分けられて、還気ＲＡはエアハンドリングユニット３へ供給されて、排気ＥＡは除湿機５を介して外部へ排出される。

除湿機５は、エアハンドリングユニット３へ供給される外気ＯＡを除湿するもので、水分吸着手段であるデシカントロータ１１と、デシカントロータ１１を稼動させるための駆動手段であるモータ１２を備えるデシカントサイクル１３と、冷凍手段である圧縮機１４、凝縮器１５、絞り装置である膨張弁１６、蒸発器１７を備える圧縮式冷凍サイクル１８とによって構成されたインバータ制御が可能なハイブリッド除湿機である。
また、除湿機５は室内２から外部へ排出される排気ＥＡが通過して、エアハンドリングユニット３へ供給される外気ＯＡが通過すると領域と、室内２から外部へ排出される排気ＥＡが通過する領域に分けられる。そして図２に示すように、デシカントロータ１１は円柱形をしており、モータ１２により図中の矢印の方向に回転し、エアハンドリングユニット３へ供給される外気ＯＡが通過すると領域と、室内２から外部へ排出される排気ＥＡが通過する領域とを時間と共に移動する。

制御装置７は外気温湿度センサー２１、還気温湿度センサー２２を備え、各センサー２１、２２によって計測された還気ＲＡ及び外気ＯＡの温湿度の値により、外気ＯＡ及び還気ＲＡのエンタルピーを演算する演算手段を有する。また、制御装置７には還気ＲＡのＣＯ２濃度を測定するＣＯ_２濃度センサー２３を備えられている。そして、外気ＯＡ及び還気ＲＡのエンタルピーと外気ＯＡ及び還気ＲＡの温湿度と設定温湿度、ＣＯ_２濃度に基づいて、外気ＯＡの供給量を決定して外気ＯＡの供給を行うと共に、除湿機５のインバータ制御と、ターボ冷凍機６の冷媒蒸発温度の制御を行う。

次に空調システム１の動作について図面を用いて説明する。
換気設備４によってエアハンドリングユニット３へ取り込まれる外気ＯＡは、除湿機５を通過し、除湿機５内の圧縮式冷凍サイクル１８によって冷却され、デシカントサイクル１３によって外気ＯＡの水分は吸着除去されて、温度、湿度の低い状態となってエアハンドリングユニット３へ供給される。そして、除湿された外気ＯＡは室内２からの還気ＲＡと共にエアハンドリングユニット３内で冷媒との熱交換を行う。このとき熱交換器は顕熱のみの処理を行い、外気ＯＡ及び還気ＲＡは設定温度に冷却されて調和空気ＳＡとして室内２へ供給される。

室内２から排出される空気は、エアハンドリングユニット３へ供給される還気ＲＡと外部へ排出される排気ＥＡに分けられて、還気ＲＡは上述したように外気ＯＡと共に冷却されて再度室内２へ供給される。そして、排気ＥＡは除湿機５へ送られ、圧縮式冷凍サイクル１８の排熱によって絶対湿度が一定の状態で加熱され、相対湿度が低い状態でデシカントロータへ供給される。このときデシカントロータ１１は、外気ＯＡの水分の吸着した部分がモータによって外気ＯＡが通過すると領域から排気ＥＡが通過する領域移動しているので、減湿された状態の排気ＥＡが水分の吸着したデシカントロータ１１を通過すると、デシカントロータ１１内の水分は排気ＥＡ内に放出されて、排気ＥＡと共に外部へ排出される。

次に制御装置７の制御方法について図面を用いて説明する。
図３は本発明の実施の形態による空調システムに備える制御装置が行う制御方法を説明する湿り空気線図、図４は本発明の実施の形態による空調システムに備える制御装置が行う制御方法を示す制御ブロック図である。
制御装置７は外気温湿度センサー２１、還気温湿度センサー２２によって計測された外気ＯＡ及び還気ＲＡの温湿度の値から、外気エンタルピーと還気エンタルピーを演算する。そして図３に示す湿り空気線図において、外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも大きいゾーンをゾーンＩとし、外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも小さく、湿り空気線図において還気ＲＡの温度及び湿度を示す点Ｒと室内２の設定温度の温度及び湿度を示す点Ｉとを結び、絶対湿度が０となる軸線（ｘ軸線）まで延長させた直線Ｌよりも上のゾーンをゾーンＩＩとし、外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも小さく、湿り空気線図において直線Ｌよりも下にあるゾーンをゾーンＩＩＩとして区分し、外気ＯＡの温湿度を示す点Ｏのあるゾーンによってそれぞれ制御を行う。

図４に示すように、外気ＯＡの温湿度を示す点ＯがゾーンＩにある場合は、外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも大きい状態なので、外気ＯＡの供給量を最小にすると共に除湿機５のインバータ制御及びターボ冷凍機６の冷媒蒸発温度の制御を行う。
外気ＯＡの温湿度を示す点ＯがゾーンＩＩにある場合は、外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも小さく、外気ＯＡは還気ＲＡに比べて温度が低く湿度が高い状態なので、外気ＯＡの供給量を最大にすると共に、除湿機５のインバータ制御と、ターボ冷凍機６の停止制御を行う。
外気ＯＡの温湿度を示す点ＯがゾーンＩＩＩにある場合は、外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも小さく、外気ＯＡが還気ＲＡに比べて湿度が低い状態なので、外気ＯＡの供給量を最大にすると共に、除湿機５の停止制御とターボ冷凍機６の冷媒蒸発温度の制御を行う。
また、制御装置７はＣＯ２センサー２３によって計測された室内２のＣＯ_２の濃度によって外気ＯＡの供給量を設定し、上述した各ゾーンによる外気ＯＡの供給量と合わせて外気ＯＡの供給量を設定する。

次に、上述した空調システム１の作用効果について図面を用いて説明する。
空調システム１は外気ＯＡを除湿する除湿機５を備えて、湿度調節を温度調節と分離して行い、エアハンドリングユニット３では顕熱処理のみ行えばよいので、湿度調節のために過剰に冷媒を冷却することがなく効率的に室内２の温湿度調節ができて、エネルギー効率をあげることができる作用効果を奏する。
また、制御装置７が演算した外気エンタルピー及び還気エンタルピーと、外気ＯＡおよび還気ＲＡの温湿度、室内２の設定温度によって湿り空気線図のゾーン分けを行い、外気ＯＡの温湿度を示す点Ｏのあるゾーンによって、制御装置７は外気ＯＡの供給量を設定し、除湿機５のインバータ制御及びターボ冷凍機６の冷媒蒸発温度の制御を効率的に行うので、室内２の温湿度を設定温湿度に保つことができると共に、外気ＯＡを有効利用できて除湿機５及びターボ冷凍機６の省エネルギー運転を行うことができる。
また、ターボ冷凍機６を停止する場合には、ターボ冷凍機６に備える冷水１次ポンプ及び２次ポンプとクーリングタワーの送風機を停止させることになるので大幅な少エネルギーを図ることができる。

また、除湿機５はデシカントサイクル１３と圧縮式冷凍サイクル１８によって構成されたハイブリッド除湿機であるので、冷却式の除湿機に比べて省エネルギーを図ることができる。
また、ターボ冷凍機６は冷媒蒸発温度が制御可能で、冷媒は顕熱処理のみに使用されているので、潜熱処理を行う場合に比べてターボ冷凍機６の冷水を例えば１０度以上で運転できて冷媒蒸発温度を高くすることができて、エネルギー効率を向上することができる。
また、エアハンドリングユニット３では顕熱処理のみを行うので、凝縮水の発生がないので結露の発生がなく、凝結水による風量の損失が低減して省エネルギーが図れる。

上述した本実施の形態による空調システム１では、潜熱処理と顕熱処理を分離して行い、外気ＯＡの供給量を設定し除湿機５のインバータ制御およびターボ冷凍機６冷媒蒸発温度の制御を行うことができるので、空調システム１の省エネルギーが図れる。

以上、本発明による空調システム１の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では、室内２からの還気ＲＡはエアハンドリングユニット３へ供給されているが、外気ＯＡと共に除湿機５を通過して除湿されてからエアハンドリングユニット３へ供給されてもよい。
また、上記の実施の形態では、還気ＲＡの温湿度をエアハンドリングユニット３へ送気される直前で計測しているが、還気ＲＡの温湿度として室内２の温湿度を計測してもよい。要は、本発明において所期の機能が得られればよいのである。

本発明の実施の形態による空調システムの概要を示す図である。図１に示す空調システムに備えるデシカントサイクルの概略を示す図である。本発明の実施の形態による空調システムに備える制御装置が行う制御方法を説明する湿り空気線図である。本発明の実施の形態による空調システムに備える制御装置が行う制御方法を示す制御ブロック図である。

符号の説明

１空調システム
２室内
３エアハンドリングユニット
４換気設備
５除湿機
６ターボ冷凍機
７制御装置
１３デシカントサイクル
１８圧縮式冷凍サイクル
ＯＡ外気
ＲＡ還気
ＳＡ調和空気

Claims

空調対象の室内からの還気及び外気を受け入れて冷媒との熱交換を行い前記室内に調和空気を送気するエアハンドリングユニットと、
前記エアハンドリングユニットへ外気を供給する換気部と、
前記エアハンドリングユニットへ供給される外気を除湿する除湿部と、
前記冷媒を冷却する冷却部と
前記換気部、前記除湿部及び前記冷却部を制御する制御部と、
を備え、前記制御部は還気の温度及び湿度と、外気の温度及び湿度と、前記室内の設定温度及び設定湿度とに基づいて前記換気部、前記除湿部及び前記冷却部を制御し、
前記除湿部はデシカントサイクルと圧縮式冷凍サイクルによって構成されたハイブリッド除湿機で、前記冷却部は冷媒蒸発温度の制御が可能であり、前記外気は、前記圧縮式冷凍サイクルによって冷却され、前記デシカントサイクルによって水分は吸着除去されて、前記エアハンドリングユニットへ供給されることを特徴とする空調システム。
前記制御部は外気の温度及び湿度から外気エンタルピーを演算し、還気の温度及び湿度から還気エンタルピーを演算する演算手段を有し、
外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも大きい場合は、外気の供給量が最小となるように前記換気部を制御し、且つ前記除湿部及び前記冷却部を運転制御して、
外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも小さく、湿り空気線図において外気の温度及び湿度を示す点が還気の温度及び湿度を示す点と前記室内の設定温度の温度及び湿度を示す点とを結び絶対湿度が０となる軸線まで延長した直線よりも上にある場合は、外気の供給量が最大となるように前記換気部を運転制御し、且つ前記除湿部を運転制御して、且つ前記冷却部を停止制御し、
外気エンタルピーが還気エンタルピーよりも小さく、湿り空気線図において外気の温度及び湿度を示す点が前記直線よりも下にある場合は、外気の供給量が最大となるように前記換気部を運転制御し、且つ前記除湿部を停止制御して、且つ前記冷却部を運転制御することを特徴とする請求項１に記載の空調システム。