JP5627870B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、換気量が少なくても室内空気の質が保たれ、空調に要するエネルギーの小さな空気調和装置（以下「空調装置」という）に関するものである。

現在、空調装置の最も普及しているものは、ヒートポンプによって冷暖房を行い、換気に伴うエネルギーの放出を防止するため全熱交換器を組み合わせるというものである。

このようにヒートポンプと全熱交換器とを組合せたものよりも、さらに空気質を高め、廃熱のエネルギーを活用できるものとしてデシカント空調機が普及しつつある。デシカント空調機は、シリカゲルなどの湿気吸着剤を用いて乾燥空気をつくり、乾燥空気を加湿冷却するものである。さらにデシカント空調機にヒートポンプを組合せ、エネルギー効率を高めたものも提案されている。

室内空気の換気に関しては建築基準法などで規定され、一定の量の換気が義務付けられている。上記のヒートポンプと全熱交換器との組合せであると、冷暖房時に換気を行うことによって失われるエネルギーを６０〜７０％程度回収するようにしている。

ここで室内空気の質について着目すると、室内に人が居る事によって酸素が消費され、二酸化炭素、湿度、アンモニアなどの臭気成分が増加する。人の呼吸によって減少する酸素のモル量と、増加する二酸化炭素のモル量は等しい。なぜなら、人は酸素を吸って体内で脂肪や炭水化物を燃焼し、二酸化炭素を排出するのであるから、吸ったＯ2に炭素が結合し、ＣＯ2となり、吸った酸素のモル数と吐き出す二酸化炭素のモル数が等しい。一方、酸素は空気中に２１％もあり、これが１０００ｐｐｍレベルで減少しても全く問題がないが二酸化炭素は１０００ｐｐｍレベルでの増加は問題となる。

つまり、建築基準法では、中央管理方式の空気調和機は炭酸ガス濃度１０００ｐｐｍ（０．１％）以下に保てることとされており、これを満足するために換気量は式１に計算するように、一人当たり３０ｍ３／ｈの換気量が必要とされている。

必要新鮮空気量＝炭酸ガス発生量/（許容濃度−新鮮空気の炭酸ガス濃度）＝0.02（ｍ３/ｈ人）/（0.001−0.00035）（ｍ３/ｍ３）＝30（ｍ３/ｈ人） … … 式１

この改善策として特許文献１に開示されたような全熱交換器が用いられるようになった。このような全熱交換器を用いる事によって、換気に伴って失われるエネルギーの６０〜７０％が回収されることになる。さらに特許文献１に開示されたものは、全熱交換器に顕熱交換器やヒートポンプを用いて、さらに省エネルギーを図ったものである。

特開２００５−１１４２５４号公報

特許文献１に開示されたものは、以上のように換気量を確保しつつ省エネルギーを確保したものであるが、二酸化炭素濃度を所定値以下に保つために外気と室内空気とを換気している。このため、省エネルギー効果も一定の限度があるものである。

本願発明は、さらに省エネルギーを達成するためになされたものであり、室内空気から二酸化炭素を分離して排出するものである。

つまり、上記のとおり酸素濃度は大気の約２１％に対し、労働基準法では下限値１８％と定められているように、酸素濃度の許容幅は二酸化炭素に比べて３０倍広く、換気は酸素濃度ではなく、二酸化炭素濃度を基準値以下に保つために必要だといえる。二酸化炭素を吸着除去して、濃度を１０００ｐｐｍ以下に保ち、同時にＶＯＣ等他の有害ガス濃度も基準値以下に保つことが出来れば、換気量は式２のように１５分の１（酸素濃度２０％を維持する場合）にまで絞ることが出来る。 酸素濃度20%を維持するための換気量 ＝必要新鮮空気量＝酸素消費量/（新鮮空気の酸素濃度−許容酸素濃度）＝ 0.02（ｍ３/ｈ人）/（0.21−0.20）（ｍ３/ｍ３） ＝2 （ｍ３/ｈ人） … 式２

本発明は、室内からの還気をヒートポンプサイクルのエバポレータを通して冷却し、冷却された空気を二酸化炭素の吸着作用を有するハニカムロータの吸着ゾーンを通過させ、ハニカムロータの脱着ゾーンにヒートポンプサイクルのコンデンサを通して温度の上昇した外気を通すようにしたことを最も主要な特徴とする。

本発明の空気調和装置は、室内還気中の二酸化炭素をハニカムロータに吸着させ、吸着された二酸化炭素はヒートポンプサイクルのコンデンサの熱によって脱着され、大気へ放出される。このため、室内に人が居ても二酸化炭素濃度が上昇せず、換気量を大幅に減らすことができる。またハニカムロータの吸着剤の選定によって水蒸気の吸着能力を持たせ、供給空気の湿度を下げることも可能である。

そして換気量を大幅に減らすことができるため、換気に伴うエネルギーの損失を大幅に減らすことができる。またハニカムロータに吸着された二酸化炭素の脱着にヒートポンプのコンデンサの廃熱を使うため、特段のエネルギーが必要というわけでなく、この点でも省エネルギーである。

さらにハニカムロータとして有機溶剤ガス（以下「ＶＯＣ」と書く）やアンモニアなどの臭気物質の吸着能力を有するものを用いると、室内空気中のＶＯＣや臭気物質が排出され、室内環境が向上する。そしてハニカムロータとして湿気を吸着する能力を有するものを用いると、室内空気の湿度が下がる。すると冷房時のヒートポンプの潜熱負荷が減少し、この点でも省エネルギーである。

特に日本の夏季の空気条件では湿度が高く、冷房時のヒートポンプの潜熱負荷は顕熱負荷よりも大きく、この潜熱負荷を小さくすると、ヒートポンプの消費エネルギーは大幅に減少する。

以上のようにハニカムロータに二酸化炭素の吸着能力以外に、ＶＯＣの吸着能力や湿気の吸着能力を付加すると大きな効果が得られる。

図１は本発明の空気調和装置の実施例におけるフロー図である。 図２は本発明の空気調和装置に用いられるハニカムロータの斜視図である。 図３は本発明の空気調和装置と比較する比較モデルのフロー図である。 図４は従来の空気調和装置のフロー図である。

本発明は換気量を最低限にして省エネルギー効果を高めるという目的を、室内からの還気をヒートポンプサイクルのエバポレータを通して冷却し、冷却された空気を二酸化炭素の吸着作用を有するハニカムロータの吸着ゾーンを通過させ、ハニカムロータの脱着ゾーンにヒートポンプサイクルのコンデンサを通して温度の上昇した外気を通すようにし、室内空気から二酸化炭素を外部に排出することによって実現した。

以下、図に沿って本発明の実施例１の説明を行う。図１及び図２において１はハニカムロータであり、図２に示すようにモータ２によって回転するように駆動され、吸着ゾーン３及び脱着ゾーン４に分割されている。

ここでハニカムロータ１は、湿気と二酸化炭素を主に吸着するもので、さらにホルムアルデヒドのような極性物質も吸着する。このため、吸着剤としてアクリル系或いはスチレン系の弱塩基性陰イオン交換樹脂を用いることができる。

これらのイオン交換樹脂は、空気中で用いることによって水分や二酸化炭素も吸着する。上記のイオン交換樹脂をミルで粉砕し、酢酸ビニル系やアクリル系のバインダーによってハニカム体に担持させ、ハニカムロータ１とする。

以上のようにして作られたハニカムロータ１を図１の空気調和装置５に組み込む。図１の空気調和装置５は以下の構成である。空気調和装置５には部屋６の空気が還気路７を経由して戻される。外気はフィルター８で塵を除かれ、還気路７を通過した室内還気と混合され、フィルター９で塵を除かれ、冷却器１０に入る。

冷却器１０はヒートポンプのエバポレータであり、室内還気と外気とは冷却器１０で冷却され、ハニカムロータ１の吸着ゾーン３へと入る。ここで室内還気に含まれる湿気、二酸化炭素、ホルムアルデヒドなどの有機溶剤蒸気（以下「ＶＯＣ」と書く）はハニカムロータ１に吸着される。ハニカムロータ１の吸着ゾーン３を通過し、浄化された乾燥空気は水噴射ノズル１１を通過する。水噴射ノズル１１から水が噴射されている場合は水の気化熱によって空気は冷却される。

ヒータ１２は冬季の暖房に用いられるもので、詳細は後述する。以上のようにして、浄化され冷却された空気は室内への供給路１３を通過して室内６に供給される。１４ヒータで冷却器１０とともにヒートポンプを構成するもので、ヒートポンプのコンデンサである。このヒータ１４には外気が通され、温度の上昇した外気はハニカムロータ１の脱着ゾーン４に入って、ハニカムロータ１に吸着した湿気、二酸化炭素、ＶＯＣを脱着する。

以上は夏季における空気調和装置５の構成の説明であり、以下その空気条件を入れながら動作を説明する。先ず室内還気の条件は、二酸化炭素濃度：１０００ppm、温度２７度、相対湿度５２．３％、絶対湿度１１．６８ｇ／Ｋｇ、エンタルピー５６．９ＫＪ／Ｋｇである。この空気２９０００Ｎｍ３／ｈと、外気（二酸化炭素濃度：３６０ｐｐｍ、温度：３５度、相対湿度：６４％、絶対湿度：２２．９ｇ/Ｋｇ、エンタルピー：９３．９ＫＪ／Ｋｇ）を１０００Ｎｍ３／ｈ混合する。この空気を冷却器１０で１５度まで冷却する。この時に室内空気はトイレの換気や厨房の換気によって１０００Ｎｍ３／ｈ程度外に放出される。つまり１０００Ｎｍ３／ｈの室内空気が同量の外気と入れ替わることになる。

実験の結果、部屋６へ給気される空気条件は、二酸化炭素濃度：７８０ppm、温度：２０．５度、絶対湿度：８．００ｇ／Ｋｇ、エンタルピー：４０．３ＫＪ／Ｋｇとなった。この実験に使用したヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）は４であった。

この結果と対比するために換気のみによって二酸化炭素濃度を同じ値にする場合のエネルギー消費を検討する。この検討のために図３に示すように図１の本発明の空気調和装置５からハニカムロータ１を除いた比較モデルを元にする。この比較モデルも、本発明の空気調和装置５と同じ構成物について同じ番号を付与し、重複した説明を省略する。

比較モデルの室内６の空気条件を本発明の空気調和装置５の室内６の空気条件と同一にする。この比較モデルの冷房負荷は１１５５ＭＪ／ｈであった。また図４に示すように、換気に際して全熱交換ロータ１５を用いた場合は、排気と吸気の間で顕熱と潜熱の両方の交換が行われ、エネルギーの回収が行われる。

表１の試算結果では、全熱交換器を設置していない比較モデルの冷房負荷は１１５５MJ／ｈに対し、本発明の空気調和装置による冷房負荷は６９７MJ／ｈなので、省エネルギー効果量は４５８MJ／ｈである。

以上の実施例１ではハニカムロータの吸着剤として、アクリル系或いはスチレン系の弱塩基性陰イオン交換樹脂を用いた
が、この実施例２では吸着剤として細孔の径が３オングストローム以下の疎水性ゼオライトを用いる。その他の構成は実施例１と同じである。このような疎水性ゼオライトを疎水性のバインダーを用いてハニカムロータに担持する。疎水性バインダーの例として、無機のものとしてはシリカ系バインダーつまりオルガノポリシロキサンのシリカを用いたものや、有機のものとして飽和ポリエステル系、ポリエステルアクリレートオリゴマーよりなる物などがある。

この実施例２のハニカムロータは、吸着剤もバインダーも疎水性であり、水分を吸着しない。一方で分子の小さな二酸化炭素は吸着する。ここで部屋６内に人が居ると人の呼気に含まれる二酸化炭素によって二酸化炭素の濃度が上がる。この二酸化炭素はハニカムロータ１の吸着ゾーン３で吸着され、脱着ゾーン４で脱着されて大気に放出される。

この実施例２のものは、ハニカムロータ１に吸着される湿気が少なく、室内の湿分が外部に放出されないため、特に冬季の空調や湿度の低い地域の空調に適する。

以上の実施例１及び実施例２のバインダーに代えて、シリカゾルを用いることもできる。この場合、バインダーは水分を吸着する能力を発揮し、部屋６の湿気を排出することができる。

以上のとおり、本発明の空気調和装置は換気量が極めて少なくても、室内空気環境を維持できるため、換気によるエネルギーの損失が極めて小さくなり、省エネルギー効果が高い。

またハニカムロータ１の製法としてイオン交換樹脂をミルで粉砕し、酢酸ビニル系やアクリル系のバインダーによってハニカム体に担持させる例を示したが、ハニカム体の原材料である紙を抄紙する際に、紙を構成する繊維と吸着剤とをバインダー中に分散しておき、抄紙する方法もある。

１ ハニカムロータ２ モータ３ 吸着ゾーン４ 脱着ゾーン５ 空気調和装置６ 部屋７ 還気路８ フィルター９ フィルター１０ 冷却器１１ 水噴射ノズル１２ ヒータ１３ 供給路１４ ヒータ１５ 全熱交換ロータ

Claims (1)

1. 室内からの還気をヒートポンプサイクルのエバポレータを通して冷却し、冷却された空気を二酸化炭素の吸着作用を有するハニカムロータの吸着ゾーンを通過させ、前記ハニカムロータの脱着ゾーンに前記ヒートポンプサイクルのコンデンサを通して温度の上昇した外気を通すようにするとともに、前記ハニカムロータはアクリル系或いはスチレン系の弱塩基性陰イオン交換樹脂を吸着剤に用いたものであり、さらにイオン交換樹脂をミルで粉砕し、酢酸ビニル系やアクリル系のバインダーによってハニカム体に担持させたものであることを特徴とする空気調和装置。

Images