JP7205889B2

JP7205889B2 - 空調システム

Info

Publication number: JP7205889B2
Application number: JP2019037142A
Authority: JP
Inventors: 貴弘藤川; 正明佐野
Original assignee: Seiken Co Ltd
Current assignee: Seiken Co Ltd
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: JP2020139711A

Description

本発明は、外気の温度、湿度を調節して室内に送給する空調システムに関するものであり、より具体的には、外気の熱エネルギーを吸熱し、除湿後の空気の再熱に利用することができる空調システムに関するものである。

医薬品や食品の製造工場、動物実験施設、植物栽培工場などでは、室内の温度、湿度の調整が求められる。この種の空調システムでは、目標となる湿度の空気を室内に導入するために、たとえば夏季など、外気の温度、湿度が高い場合には、外気を対応する絶対湿度まで冷却し、再加熱を行なうことで、所望の温度、湿度の空気を室内に供給するようにしている。

冷却と再加熱の際に必要になるエネルギーを有効利用するために、たとえば特許文献１では、外気を絶対湿度まで冷却する前に、一旦予冷を行なうようにしている。このとき、予冷に用いられる熱交換用のコイルと、再加熱の熱交換用のコイルを熱媒体が流通する循環パイプで連繋し、循環パイプ内の熱媒体を循環ポンプで循環させることにより、予冷時に外気の熱エネルギーを吸収し、得られた熱エネルギーを再加熱に利用している。

特開平０７－２３３９６８号公報

しかしながら、循環ポンプの出力は一定であるから、熱エネルギーの吸収、再加熱利用は成り行きの制御となり無駄が多く、エネルギー消費の抑制を図ることができなかった。

本発明の目的は、インバーター制御によりエネルギー効率を高めることのできる空調システムを提供することである。

本発明に係る空調システムは、
外気を取り入れて室内に供給するダクトと、
前記ダクトの上流側に配置される予冷熱交換器と、
前記予冷熱交換器の下流側に配置され、所定の絶対湿度まで空気流を冷却する冷却熱交換器と、
前記冷却熱交換器の下流側に配置される再熱熱交換器と、
を具え、
前記予冷熱交換器と前記再熱熱交換器を、熱媒体を循環ポンプにより循環させる循環パイプにより接続してなる、
空調システムであって、
前記循環ポンプはインバーター制御される。

前記再熱熱交換器の下流側に第３温度センサーを具え、
前記循環ポンプは、前記第３温度センサーの温度検出値に基づいてインバーター制御することができる。

前記室内には、湿度センサーを具え、
前記循環ポンプは、前記湿度センサーの湿度検出値に基づいてインバーター制御することができる。

前記予冷熱交換器と前記再熱熱交換器は、前記循環ポンプと並列に配備された温熱源に切り替えて接続可能である。

前記予冷熱交換器の上流側に外気温を測定する第１温度センサーを具え、
前記第１温度センサーの温度検出値に基づいて、前記循環ポンプ又は前記温熱源は、前記予冷熱交換器と前記再熱熱交換器に切り替えて接続することができる。

本発明の空調システムによれば、予冷熱交換器と再熱熱交換器を熱的に接続する循環パイプは、熱媒体を送給する循環ポンプをインバーター制御している。これにより、熱損失が少ない効果的な条件で予冷熱交換器と再熱熱交換器の熱交換を行なうことができ、再熱時の温度調整等を行なうことができるから、エネルギー効率を可及的に高めることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る空調システムの概略フローシートである。図２は、空気線図である。図３は、室内温度と循環ポンプの周波数との関係を示すグラフである。図４は、本発明の第２実施形形態に係る空調システムの概略フローシートである。図５は、冷熱源の弁開度と露点温度との関係を示すグラフである。図６は、ダクト下流の温度と循環ポンプの周波数との関係を示すグラフである。図７は、ダクト下流の温度と二方弁の弁開度との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の空調システム１０について説明する。

＜第１実施形態＞
本発明の空調システム１０は、図１に示すように、空調管理される空間６０（適宜「室内」とも称する）に対し、外気を供給するシステムである。空調管理される空間６０は、たとえば医薬品や食品の製造工場、動物実験施設、植物栽培工場などを挙げることができる。

第１実施形態の空調システム１０では、夏季などの温度、湿度が空間６０よりも高い場合に、外気を一旦予冷した後、絶対湿度まで冷却することで湿度調整を行ない、湿度調整された空気を再加熱して室内６０に供給する。

具体的構成として、空調システム１０は、外気に連通する空気取入口１２を上流側に具え、下流側の空気吹出口１３が室内６０に連通したダクト１１に、上流側から順に予冷熱交換器２０、冷却熱交換器３０及び再熱熱交換器４０を配置して構成される。ダクト１１には図示しないファンやフィルターを具え、ファンの作動によりフィルター濾過された外気がダクト１１内に導入される。

たとえば、予冷熱交換器２０は予冷コイル２１、冷却熱交換器３０は外気処理エアコン３１、再熱熱交換器４０は再熱コイル４１からそれぞれ構成することができる。

予冷コイル２１と再熱コイル４１は、循環パイプ５０により連結された閉回路を形成している。循環パイプ５０には、閉回路内には水や不凍液などの熱媒体が収容され、循環ポンプ５１により閉回路内で熱媒体を循環させるようにしている。循環ポンプ５１は、後述する湿度インジケーターＨＩＣからの信号に基づきインバーター制御される。

また、空調管理される室内６０にはエアコン６１を具え、室内６０の温度を所定の温度に調整する。

上記空調システム１０において、予冷コイル２１の上流側には外気温を測定する第１温度センサーＴ１、室内６０には湿度センサーＨ、外気処理エアコン３１の下流側に第２温度センサーＴ２を配置している。第１温度センサーＴ１の値は、循環ポンプ５１の発停制御に用いられ、また、湿度センサーＨの値に基づいて、湿度インジケーターＨＩＣは、循環ポンプ５１の出力をインバーター制御するようにしている。第２温度センサーＴ２の値は、外気処理エアコン３１の出力調整に用いられる。

然して、第１実施形態の空調システム１０は、第１温度センサーＴ１により測定された温度が、所定の温度よりも高い状況において、循環ポンプ５１と外気処理エアコン３１を作動させつつ、外気をダクト１１内に導入することで湿度調整された空気流を室内６０に供給し、エアコン６１の作動により室内６０の温度を一定に保持する。なお、第１温度センサーＴ１の値が所定の温度よりも低い場合には、循環ポンプ５１による再熱は行なうことができないから循環ポンプ５１は停止させる。

図２は空気線図であり、図２中の点Ａ乃至点Ｄは、図１の空調システム１０における点Ａ乃至点Ｄの各位置における空気流の状態を示している。図１及び図２に示すように、外気（点Ａ：絶対湿度Ｈ１、温度ｔ１）は、まず、予冷コイル２１を通過することにより予冷され、点Ａよりも低い温度の空気流（点Ｂ）になる。このとき、外気から奪われた熱エネルギーが予冷コイル２１から熱媒体の移動により、再熱コイル４１に蓄積される。なお、図２では、点Ｂは相対湿度１００％の飽和線上にあるが、予冷コイル２１の冷却能力により、左右にずれても構わない。

予冷コイル２１を通過した空気流（点Ｂ：絶対湿度Ｈ１）は、外気処理エアコン３１に入り、さらに冷却を受けて、相対湿度１００％となる飽和線に沿って点Ｂ（温度ｔ２、絶対湿度Ｈ１）から、目標となる室温に対する相対湿度に相当する絶対湿度Ｈ２、温度ｔ３（点Ｃ）に調整される。これにより、外気処理エアコン３１から放出される空気流は、絶対湿度がＨ２に調整された空気流となる。

続いて、外気処理エアコン３１から放出された空気流は、再熱コイル４１に送られて再加熱される。具体的には、予冷コイル２１にて外気から奪った熱エネルギーにより再熱コイル４１は空気流を昇温させて（点Ｄ：温度ｔ４、絶対湿度Ｈ２）、室内６０に送給する。

室内６０では、所定の設定温度となるようにエアコン６１を作動させることで、絶対湿度Ｈ２の空気流が温度調整されて、所望の設定温度、湿度に維持される。熱損失がない場合には、予冷の熱エネルギーと再熱の熱エネルギーは同じであり、予冷温度分（ｔ１－ｔ２）だけ再熱により温度上昇（ｔ４－ｔ３）する。

上記構成の空調システム１０において、循環ポンプ５１は、図３に示すグラフのように室内６０の湿度に基づいて、周波数調整しつつインバーター制御される。具体的には、室内６０の湿度センサーＨにより測定される湿度が上昇（ΔＳＰ２）すると、湿度インジケーターＨＩＣは、循環ポンプ５１の動作周波数を上げて、循環ポンプ５１の出力を増大させる。これにより、予冷コイル２１において空気流から奪われる熱エネルギーが大きくなり、また、再熱コイル４１により空気流に返還される熱エネルギーも大きくなり、室内６０に供給される空気流の温度が上昇し、室内６０の温度も上昇する。これにより、室内６０の相対湿度は低下するが、エアコン６１は室内６０の温度を一定に調整するよう作動するから、最終的には、室内６０の温度、湿度は一定に保たれる。

なお、湿度インジケーターＨＩＣは、動作最低周波数をたとえば１５ヘルツとし、湿度上昇（ΔＳＰ２）が小さいときには、循環ポンプ５１を停止させることでエネルギー消費の低減を図ることができる。

本実施形態によれば、循環ポンプ５１をインバーター制御することにより、予冷コイル２１と再熱コイル４１における熱エネルギーの移動を制御し、再熱量を調整できるから、エネルギー効率を可及的に高めることができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、図４に示すように、予冷コイル２１と再熱コイル４１を第１実施形態と同様にインバーター制御の循環ポンプ５１で接続すると共に、予冷コイル２１と再熱コイル４１は、循環ポンプ５１と並列にボイラーやヒートポンプチラーの如き温熱源５６を別熱源として接続している。温熱源５６と予冷コイル２１の間、温熱源５６と再熱コイル４１の間にはそれぞれバルブ５７，５８を配置し、温熱源５６からの熱媒体の流通を許可又は阻止できるようにしている。また、循環パイプ５０には、二方弁５３を配置し、流通する熱媒体の量を調整可能としている。冷却熱交換器３０は、水道などの冷熱源３３を採用することができ、冷熱源３３と冷却コイル３２を接続するパイプ３５には流量調節のためのバルブ３４が設けられている。空調の制御対象となる室内６０は、図１と同様であるため図示等を省略する。また、第１実施形態と同じ符号は同じ又は同等の部材を意味し、適宜説明を省略する。

第２実施形態の空調システム１０は、図４に示すように、外気温度を測定する第１温度センサーＴ１、再熱コイル４１の下流側に露点温度を測定する露点温度センサーＤＰ１と第３温度センサーＴ３を具える。そして、温度インジケーターＴＩＣ１は、第１温度センサーＴ１の温度を参照してリレーＲを介して循環ポンプ５１の発停制御と、バルブ５７，５８の開閉、温熱源５６の発停を制御し、また、二方弁５３を制御するための信号を温度インジケーターＴＩＣ３に送信する。温度インジケーターＴＩＣ３は、第３温度センサーＴ３の温度を参照し、循環ポンプ５１による制御の場合、循環ポンプ５１をインバーター制御し、温熱源５６と二方弁５３による制御の場合には、後述するとおり、その弁開度の調整を行なう。また、露点温度センサーＤＰ１は、露点温度インジケーターＤＩＣに接続され、露点温度インジケーターＤＩＣは、測定された露点温度に基づいて、バルブ５７，５８の開度を調整する。

然して、外気温Ｔ１が設定温度ＳＰ１（ＳＰ１は、循環ポンプ５１の容量に応じてＴ２よりもｘ℃高く設定することができる）よりも高い場合には、二方弁５３を全開にする。また、バルブ５７，５８を閉じて温熱源５６が作用しない状況下で、循環ポンプ５１と冷熱源３３を動作させる。これにより、第１実施形態と同様に、予冷コイル２１にて空気が予冷或いは昇温され、下流側の冷却コイル３２は冷熱源３３により冷却されて空気流の絶対湿度が調整される。なお、冷熱源３３のバルブ３４は、図５に示すように、露点温度が高くなるにつれて開度が大きくなるように調整することで、絶対湿度調整を行なうことができる。

本実施形態においても、再熱コイル４１により室内６０に供給される空気の温度Ｔ３が目標温度であるＳＰ３となるように循環ポンプ５１をインバーター制御する。インバーター制御は、図６に示すように、温度Ｔ３が目標温度ＳＰ３に近づくと、最低周波数Ｎヘルツで循環ポンプ５１を作動させ、さらに温度Ｔ３がたとえばＳ℃超えると停止させる動作を繰り返すよう制御すればよい。このように、循環ポンプ５１をインバーター制御することにより、予冷コイル２１と再熱コイル４１における熱エネルギーの移動を制御し、再熱量を調整できるから、エネルギー効率を可及的に高めることができる。

夏季以外のように、外気温Ｔ１が設定温度ＳＰ１（温度Ｔ２＋ｘ℃）よりも低い場合には、循環ポンプ５１による再熱は行なうことができないから、循環ポンプ５１を停止させ、温熱源５６に切り替える。なお、外気温Ｔ１は温度Ｔ２よりも高ければ、熱交換は可能ではあるが、循環ポンプ５１によるエネルギー消費を勘案し、外気温Ｔ１が温度Ｔ２よりもｘ℃以上高くなければ循環ポンプ５１を停止させている。

バルブ５５７，５８を開いて温熱源５６を作動させることで、再熱コイル４１は強制的に昇温される。再熱量のコントロールは、図７に示すように、第３温度センサーＴ３の値を参照し、温度が上昇するにつれて二方弁５３の弁開度が小さくなるように制御し、第３温度センサーＴ３の温度が一定になるように制御すればよい。これにより、夏季だけでなく、すべての季節に再熱コイル４１による熱交換を行なうことができ、エネルギー効率を高めた空調システム１０による湿度調整が可能になる。

上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

１０空調システム
２０予冷熱交換器
２１予冷コイル
３０冷却熱交換器
３１外気処理エアコン
４０再熱熱交換器
４１再熱コイル
５１循環ポンプ

Claims

外気を取り入れて室内に供給するダクトと、
前記ダクトの上流側に配置される予冷熱交換器と、
前記予冷熱交換器の下流側に配置され、所定の絶対湿度まで空気流を冷却する冷却熱交換器と、
前記冷却熱交換器の下流側に配置される再熱熱交換器と、
を具え、
前記予冷熱交換器と前記再熱熱交換器を、熱媒体を循環ポンプにより循環させる循環パイプにより接続してなる、
空調システムであって、
前記室内には、湿度センサーを具え、
前記循環ポンプは、前記湿度センサーの湿度検出値に基づいてインバーター制御される、
ことを特徴とする空調システム。
前記再熱熱交換器の下流側に第３温度センサーを具え、
前記循環ポンプは、前記第３温度センサーの温度検出値に基づいてインバーター制御される、
請求項１に記載の空調システム。
前記予冷熱交換器と前記再熱熱交換器は、前記循環ポンプと並列に配備された温熱源に切り替えて接続可能である、
請求項１又は請求項２に記載の空調システム。
前記予冷熱交換器の上流側に外気温を測定する第１温度センサーを具え、
前記第１温度センサーの温度検出値に基づいて、前記循環ポンプ又は前記温熱源は、前記予冷熱交換器と前記再熱熱交換器に切り替えて接続する、
請求項３に記載の空調システム。