JP6425705B2 - 空気調和システム - Google Patents

Description

本発明は空気調和システムに関するものである。

従来の空調システムの空調機では外気と還気を混合した後、熱交換器で冷却や除湿、加熱などを行っている。

特開２０１３−１００９９２号公報

ところが、このような方式の空調機では、例えば夏期の冷房運転の場合、冷却減湿後に再熱しなければ給気の湿度制御ができない。そのため、還気風量分の空気を余分に冷却、再熱するエネルギーが必要で、設備コストと運転コストが高くなる。また、空調機が、外気を熱源とし熱交換用冷媒にて空調用空気の外気を冷却又は加熱する空冷ヒートポンプ式のとき、最低外気温度の制限があるため寒冷地での暖房利用に向かないという問題がある。

本発明は上記課題を解決するため、空調用空気を被空調空間へ供給する空調機と、前記空調機の給気温度及び給気湿度を調整することで被空調空間を予め設定した温度及び湿度になるように制御する空調制御装置と、を備え、前記空調機が、熱交換用冷媒にて前記空調用空気の外気を冷却又は加熱する第１ヒートポンプと、前記熱交換用冷媒にて前記空調用空気の還気を冷却又は加熱する第２ヒートポンプと、前記空調用空気を加湿する加湿装置と、を備え、前記第１ヒートポンプで冷却又は加熱される前の前記外気を予冷又は予熱する予備処理装置を、備えたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、外気負荷（潜熱）と室内負荷（顕熱）を個別に処理するので、還気を余分に冷却、再熱するエネルギーが不要で省エネとなり、設備コストと運転コストを削減できる。空調機に供給される外気を予冷又は予熱するので、空調機で処理する外気負荷が減って省エネとなり、寒冷地での暖房ニーズに対応できる。外調機がヒートポンプ式なのでエネルギー消費効率が高く省エネとなる。

請求項２の発明によれば、空調機に供給される外気を予冷又は予熱するので、空調機で処理する外気負荷が減って省エネとなり、寒冷地での暖房ニーズに対応できる。第１混合ダンパは、外気に被空調空間の空気を混合させるだけの機構なので、製作が容易でコスト安となる。

請求項３の発明によれば、外気と被空調空間の空気混合による予冷又は予熱と、外調機による外気の予冷又は予熱と、を重ねて行えるので、空調機で処理する外気負荷が一層減って省エネとなり、寒冷地での暖房ニーズに幅広く対応できる。

請求項４の発明によれば、外気と還気の両方に加湿するので気化式加湿器を用いても加湿不足とならず、被空調空間の調湿精度の向上と調湿時間の短縮を図れる。温度と湿度の制御範囲が拡大し、気象条件の厳しいところでも快適な環境となる。

請求項５の発明によれば、蒸気式加湿器とすることで冬期に冷房が必要な場合でも加湿不足とならず加湿精度が向上する。気化式加湿器と蒸気式加湿器を組合わせて加湿することで、幅広い空気条件で省エネ性と快適性（加湿精度向上）の両方を満足させることができる。たとえば、空調用空気に対して、先ずエネルギー消費の少ない気化式加湿器で加湿し、気化式加湿器で加湿不足となる場合には、その不足分のみを蒸気加湿器で最低限加湿して、精度良く必要な給気温湿度に制御しつつ熱交換器の消費エネルギーを削減することができる。

図１〜図３は本発明の空気調和システムを示し、この空気調和システムは、空調機１と、予備処理装置２と、空調制御装置３と、を備えている。予備処理装置２は、第１混合ダンパ４と、外調機５と、を備えている。室内やホールなどの被空調空間Ｓと、屋外と、空調機１と、外調機５と、は図示省略のダクトにて連結され、空調用空気が相互に送風される。空調機１は、空調用空気の給気（ＳＡ）の温度及び湿度を調整して、空調用空気を被空調空間Ｓへ供給するように設ける。外調機５は、外気を予冷又は予熱して空調機１へ供給し、被空調空間Ｓの空気を屋外に排気（ＥＡ）するように設ける。

空調機１は、第１ヒートポンプ６と、第２ヒートポンプ７と、加湿装置８と、風量調整機器９と、を備えている。第１ヒートポンプ６は、熱交換用冷媒にて空調用空気の外気（ＯＡ）を冷却又は加熱する能力を有し、冷却と加熱の切換を行うように設ける。第２ヒートポンプ７は、第１ヒートポンプ（６）の熱交換用冷媒とは異なる熱交換用冷媒にて空調用空気の還気（ＲＡ）を冷却又は加熱する能力を有し、冷却と加熱の切換を行うように設ける。加湿装置８は、空調用空気を加湿する能力を有している。風量調整機器９は、被空調空間Ｓに供給される空調用空気の風量を調整する能力を有している。

外調機５は、第３ヒートポンプ１０と、第３加湿器１１と、送風機１２と、第２混合ダンパ３２と、備えている。第３ヒートポンプ１０は、外気と被空調空間Ｓの空気とを熱交換させることで外気を冷却又は加熱する能力を有し、冷却と加熱の切換を行うように設ける。第３加湿器１１は、空調用空気を加湿する能力を有している。送風機１２は、空調機１に供給される外気風量と排気風量を調整する能力を有している。第２混合ダンパ３２は、第３ヒートポンプ１０で冷却又は加熱される前の外気に被空調空間Ｓの空気を混合させて予冷又は予熱するように設ける。

第１ヒートポンプ６は、循環する熱交換用冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する空気に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を担う第１熱交換器１３及び第３熱交換器１４と、第１圧縮機１５と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構１６と、第１熱交換器１３及び第３熱交換器１４の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構１７と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して構成する。

第２ヒートポンプ７は、循環する熱交換用冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する空気に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を担う第２熱交換器１８及び第４熱交換器１９と、第２圧縮機２０と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構２１と、第２熱交換器１８及び第４熱交換器１９の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構２２と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して構成する。

第１ヒートポンプ６と第２ヒートポンプ７は外気（屋外空気）を空気熱源とする空冷ヒートポンプで、ファン２８、２９によって第３熱交換器１４と第４熱交換器１９に外気を送り熱交換用冷媒と熱交換する。第１ヒートポンプ６と第２ヒートポンプ７は、いわゆる室外機と室内機に分かれるセパレートタイプとする。

第３ヒートポンプ１０は、循環冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する空気に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を担う第５熱交換器２３及び第６熱交換器２４と、圧縮機２５と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構２６と、第５熱交換器２３及び第６熱交換器２４の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構２７と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して構成する。

第３ヒートポンプ１０は排気（被空調空間Ｓの空気）を空気熱源とする空冷ヒートポンプで、送風機１２によって第６熱交換器２４に排気を送り熱交換用冷媒と熱交換する。第３ヒートポンプ１０は、いわゆる室内外一体形で天井内に設置する。

第１熱交換器１３は、図３の詳細図に示すように、一般的なプレートフィンコイルと同様に伝熱板３０の群に伝熱管３１の群を挿着して構成する。伝熱管３１の内部に熱交換用冷媒を流し、伝熱管３１及び伝熱板３０に空調用空気を接触させることで、伝熱管３１及び伝熱板３０を介して、空調用空気と熱交換用冷媒を熱交換する。第２熱交換器１８、第３熱交換器１４、第４熱交換器１９、第５熱交換器２３及び第６熱交換器２４も第１熱交換器１３と同様に構成する。これにより空調用空気は冷風又は温風となり図１と図２に示すように空調機１及び被空調空間Ｓに供給される。予備処理装置２の第１混合ダンパ４は、第１ヒートポンプ６で冷却又は加熱される前の外気を予冷又は予熱する。

加湿装置８は、空調用空気の外気を加湿する第１加湿器３３と、空調用空気の還気を加湿する第２加湿器３４と、を備えている。図例では、第１加湿器３３と第２加湿器３４の両方を、気化式加湿器にて構成している。図示省略するが、第１加湿器３３と第２加湿器３４の一方又は両方を、蒸気式加湿器にて構成してもよい。さらに、第１加湿器３３と第２加湿器３４の一方又は両方を、蒸気式加湿器及び気化式加湿器を一対としたもので構成してもよい。

風量調整機器９は、空調用空気の給気風量を調整する送風機３５と、空調用空気の外気風量を調整する第１ダンパ３６と、空調用空気の還気風量を調整する第２ダンパ３７と、を備えている。

空調制御装置３は、被空調空間Ｓの空調負荷の変動に応じて空調機１の給気温度及び給気湿度と外調機５の給気温度及び給気湿度を調整することで被空調空間Ｓを予め設定した温度及び湿度に制御するように設ける。空調制御装置３は、外気の温湿度を検出する外気温湿度検出器３８と、還気の温湿度を検出する還気温湿度検出器３９と、空調機１の給気温湿度を検出する給気温湿度検出器４０と、風量制御部４１と、加湿制御部４２と、圧縮機制御部４３と、を備えている。

風量制御部４１は、空調機１の送風機３５の回転数と、外調機５の送風機１２の回転数と、第１ダンパ３６のダンパ開度と、第２ダンパ３７のダンパ開度と、第１混合ダンパ４のダンパ開度と、第２混合ダンパ３２のダンパ開度と、を制御して外気、還気、排気及び給気の各風量を調整するように設ける。加湿制御部４２は、第１加湿器３３と第２加湿器３４と第３加湿器１１の加湿水量を制御して外気及び還気への各加湿量を調整するように設ける。圧縮機制御部４３は、各圧縮機１５、２０、２５の回転数を制御して冷却能力及び加熱能力を調整するように設ける。空調制御装置３はマイクロプロセッサや各種センサー等にて構成する。

夏期に冷房運転をする場合、外調機５の第３ヒートポンプ１０の第５熱交換器２３と第６熱交換器２４によって外気と排気を熱交換させて予冷した外気を、空調機１へ供給する。空調機１では、外調機５から供給された外気を第１ヒートポンプ６の第１熱交換器１３で冷却減湿した除湿空気と、還気を第２ヒートポンプ７の第２熱交換器１８で乾き冷却した（前記除湿空気より高温の）空気と、を混合すると、前記乾き冷却した空気で、これよりも低温低湿の前記除湿空気を再熱するのと同じ効果が得られ、給気を温湿度制御できる。

冬期に暖房運転する場合、外調機５の第３ヒートポンプ１０の第５熱交換器２３と第６熱交換器２４によって外気と排気を熱交換させて予熱した外気を、空調機１へ供給する。空調機１では、外調機５から供給された外気を第１ヒートポンプ６の第１熱交換器１３で加熱し、還気を第２ヒートポンプ７の第２熱交換器１８で加熱し、加湿装置８で加湿して、混合することで給気を温湿度制御できる。

状況に応じて上述の冷房運転及び暖房運転時に、外調機５の第２混合ダンパ３２で、第３ヒートポンプ１０で冷却又は加熱される前の外気に被空調空間Ｓの空気を混合させて予冷又は予熱したり、空調機１の第１混合ダンパ４で、第１ヒートポンプ６で冷却又は加熱される前の外気に被空調空間Ｓの空気を混合させて予冷又は予熱する。また、外調機５によって外気を予冷又は予熱せずに空調機１で冷房運転又は暖房運転してもよい。

冬期に冷房運転する場合、外調機５の第３ヒートポンプ１０の運転を停止して、被空調空間Ｓの温度より低温の外気を空調機１に供給し、空調機１で外気を冷却せずに被空調空間Ｓに供給して外気冷房する。外気の温度が被空調空間Ｓより高ければ外調機５と空調機１の一方又は両方のヒートポンプで外気を冷却して被空調空間Ｓへ供給する。

なお、本発明は上述の実施例に限定されない。第１加湿器３３と第２加湿器３４をいずれか一方のみとするも自由である。第１混合ダンパ４と第２混合ダンパ３２は、いずれか一方のみとするか、両方省略してもよい。図示省略するが、外気と還気を混合してから熱交換器で冷却又は加熱する従来公知の空調機を、本発明の空気調和システムに追加設置することも可能である。空調制御装置３は、空調機１と外調機５を個々に設けて独立して制御するようにしてもよい。

本発明の空気調和システムの全体構成を示す説明図である。 空調機と外調機の内部構成を示す簡略説明図である。 熱交換器の説明図である。

１ 空調機
２ 予備処理装置
３ 空調制御装置
４ 第１混合ダンパ
５ 外調機
６ 第１ヒートポンプ
７ 第２ヒートポンプ
８ 加湿装置
１０ 第３ヒートポンプ
３２ 第２混合ダンパ
３３ 第１加湿器
３４ 第２加湿器
Ｓ 被空調空間

Claims (5)

1. 空調用空気を被空調空間（Ｓ）へ供給する空調機（１）と、前記空調機（１）の給気温度及び給気湿度を調整することで被空調空間（Ｓ）を予め設定した温度及び湿度になるように制御する空調制御装置（３）と、を備え、
   前記空調機（１）が、熱交換用冷媒にて前記空調用空気の外気を冷却又は加熱する第１ヒートポンプ（６）と、前記第１ヒートポンプ（６）の前記熱交換用冷媒とは異なる熱交換用冷媒にて前記空調用空気の還気を冷却又は加熱する第２ヒートポンプ（７）と、を備え、
   前記第１ヒートポンプ（６）は、冷媒蒸発工程と冷媒凝縮工程であって互いに異なる工程を担う第１熱交換器（１３）及び第３熱交換器（１４）と、第１圧縮機（１５）と、を少なくとも備え、
   前記第２ヒートポンプ（７）は、冷媒蒸発工程と冷媒凝縮工程であって互いに異なる工程を担う第２熱交換器（１８）及び第４熱交換器（１９）と、第２圧縮機（２０）と、を少なくとも備え、
   前記外気を予冷又は予熱して前記空調機（１）に供給する予備処理装置（２）を、備え、
   前記予備処理装置（２）が、前記外気と前記被空調空間（Ｓ）の空気とを第３ヒートポンプ（１０）で熱交換させることで前記外気を冷却又は加熱して前記空調機（１）へ供給する外調機（５）を、備えたことを特徴とする空気調和システム。
2. 予備処理装置（２）が、第１ヒートポンプ（６）で冷却又は加熱される前の外気に被空調空間（Ｓ）の空気を混合させて予冷又は予熱する第１混合ダンパ（４）を、備えた請求項１記載の空気調和システム。
3. 外調機（５）が、第３ヒートポンプ（１０）で冷却又は加熱される前の外気に被空調空間（Ｓ）の空気を混合させて予冷又は予熱する第２混合ダンパ（３２）を、備えた請求項１又は２記載の空気調和システム。
4. 空調機（１）が加湿装置（８）を備え、前記加湿装置（８）が、外気を加湿する第１加湿器（３３）と、還気を加湿する第２加湿器（３４）と、を備えた請求項１から３のいずれかに記載の空気調和システム。
5. 第１加湿器（３３）と第２加湿器（３４）の一方又は両方を蒸気式加湿器にて構成し、又は、前記第１加湿器（３３）と前記第２加湿器（３４）の一方又は両方を前記蒸気式加湿器及び気化式加湿器にて構成した請求項４記載の空気調和システム。

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