JPH109632A - 空調システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンパクトな構成でかつ高いエネルギー効率
を得ることができる空調システムを提供する。 【解決手段】 ２つの空気経路のそれぞれに少なくとも
２つのデシカントと、その間に再生空気と処理空気との
熱交換器１０７Ａ，１０７Ｂとを直列に接続し、ヒート
ポンプ２００の高低熱源の熱交換器２１０，２２０を、
再生空気と高熱源が熱交換し処理空気が低熱源と熱交換
するよう連動して切り換え可能に構成し、処理空気を第
１のデシカント１０３Ａに導いて吸着を行い、さらに再
生空気と処理空気と熱交換器１０７Ａに導いてヒートポ
ンプ２００により加熱される前の再生空気との間で熱交
換を行って冷却し、さらに第２のデシカント１０３Ｂに
導いて第２の吸着を行い、さらにヒートポンプ２００の
低熱源との間で熱交換を行って冷却するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空調システムに係
り、特に２組のデシカントを処理空気と再生空気に交互
に切り換えて流通させて処理空気を連続的に処理する空
調システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、ＵＳＰ４，４３０，８６４に開
示された従来技術であり、これは、処理空気経路Ａと、
再生空気経路Ｂと、２つのデシカントベッド１０３Ａ，
１０３Ｂと、デシカントの再生及び処理空気の冷却を行
なうヒートポンプ２００とを有している。このヒートポ
ンプ２００は、２つのデシカントベッド１０３Ａ，１０
３Ｂに埋設された熱交換器２１０，２２０を高低熱源と
して用いるもので、一方のデシカントベッドは処理空気
を通過させて吸着工程を行い、他方のデシカントベッド
は再生空気を通過させて再生工程を行なう。この空調処
理が所定時間行われた後、４方切替弁１０５，１０６を
切り換えて、再生及び処理空気を逆のデシカントベッド
に流して逆の工程を行う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の技
術においては、ヒートポンプ２００の高低の熱源と各デ
シカントがそれぞれ一体化されているために、冷房効果
ΔＱに相当する熱量がヒートポンプ（冷凍機）にそのま
ま負荷される。すなわち、ヒートポンプ（冷凍機）の能
力以上の冷房効果が出せない。従って、装置を複雑にし
ただけの効果が得られない。

【０００４】そこで、このような問題点を解決するため
に、図８に示すように、再生空気経路Ｂにヒートポンプ
２００の高温熱源２２０を配して再生空気を加熱し、処
理空気経路Ａにヒートポンプ２００の低温熱源２１０を
配して処理空気を冷却するとともに、デシカント１０３
通過後の処理空気とデシカント１０３通過前の再生空気
との間で顕熱交換を行なう熱交換器１０４を設けること
が考えられる。ここでは、デシカント１０３が、処理空
気経路Ａと再生空気経路Ｂの双方に跨って回転するデシ
カントロータを用いている。

【０００５】これにより、図９に示すように、ヒートポ
ンプ２００による冷却効果（Δｑ）の他に、処理空気と
再生空気の間の顕熱交換による冷却効果（ΔＱ−Δｑ）
を併せた冷却効果（ΔＱ）を得ることができるので、コ
ンパクトな構成で図の空調システムより高い効率を得る
ことができる。

【０００６】しかしながら、この構成の空調システムに
おいても、ヒートポンプの高温熱源と低温熱源の温度差
が、すなわち温度ヘッドが、図９に示すように高くなり
（ΔＴ）、そのためにエネルギー効率の改善が不充分で
あった。

【０００７】この発明は、上記課題に鑑み、コンパクト
な構成でかつ高いエネルギー効率を得ることができる空
調システムを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたもので、請求項１に記載の発明
は、処理空気中の水分を吸着するデシカントを有する空
気経路を少なくとも２つ有し、これらの空気経路に処理
空気と再生空気に交互に切り換えて流通可能に配置し、
一方で処理空気中の水分を吸着し、他方で再生空気によ
って再生するようにし、再生空気経路にヒートポンプの
高温熱源を配して再生空気を加熱し、処理空気経路にヒ
ートポンプの低温熱源を配して処理空気を冷却するよう
にした空調システムにおいて、前記各空気経路には少な
くとも２つのデシカントと、その間に再生空気と処理空
気との熱交換器とが直列に接続され、前記ヒートポンプ
の高低熱源の熱交換器を、再生空気と高熱源が熱交換し
処理空気が低熱源と熱交換するよう連動して切り換え可
能に構成し、処理空気を第１のデシカントに導いて吸着
を行い、さらに前記再生空気と処理空気と熱交換器に導
いて上記ヒートポンプにより加熱される前の再生空気と
の間で熱交換を行って冷却し、さらに第２のデシカント
に導いて第２の吸着を行い、さらに上記ヒートポンプの
低熱源との間で熱交換を行って冷却するようにしたこと
を特徴とする空調システムである。

【０００９】このように、処理空気中の水分の吸着工程
を間に熱交換による冷却工程を含む２段階の吸着工程と
したことにより、同じ熱を汲み上げるヒートポンプの最
低温度が高くなる。従って、ヒートポンプの温度ヘッド
が小さくなり、省エネルギーとなる。また、第２の吸着
工程がこれまでよりも低い等エンタルピ線に沿って行わ
れ、出口絶対湿度が下がるので、吸湿能力が大きくな
り、相対的に装置を小型化することができる。

【００１０】請求項２に記載の発明は、前記ヒートポン
プが蒸気圧縮式ヒートポンプであることを特徴とする請
求項１に記載の空調システムである。

【００１１】請求項３に記載の発明は、前記ヒートポン
プが吸収式ヒートポンプであることを特徴とする請求項
１に記載の空調システムである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る空調システム
の一実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明に
係る空調システムを用いる場合のいくつかの例を示すも
ので、１は、外気を処理して空調空間２に導く外調機で
あり、３は、空調空間２の空気を循環させて処理する空
調機である。

【００１３】図２及び図３は、この発明の第１の実施例
である冷房用の外調機１の基本構成および作動形態を示
す。この外調機１は、水分の吸着と放出（再生）を繰り
返すデシカント１０３Ａ〜Ｄとヒートポンプとを有して
いる。ヒートポンプとしては、任意のものを採用して良
いが、ここでは、出願人が先に特願平８−２２１３３に
おいて提案した蒸気圧縮式ヒートポンプを用いるものと
する。図２は、外調機１の冷房時の第１の作動形態を示
す図で、第１の流通経路に配置された第１のデシカント
１０３Ａ、第２のデシカント１０３Ｂに処理空気を流す
場合の作動形態を示す。図３は、外調機１の冷房時の第
２の作動形態を示す図で、デシカント１０３Ｃ、１０３
Ｄに処理空気を流す場合の作動形態を示す。第１の作動
形態での空調処理が所定時間行われた後、第２の作動形
態にに切り換えて、再生及び処理空気を逆のデシカント
に流して逆の工程を行う。

【００１４】図２の第１の作動形態における処理空気経
路Ａは、処理空気入口（通常は外気取入口）、処理空気
の送風機１０２、経路１１１を経て４方切替弁１０５に
至り、さらに４方切替弁１０５の位置によって選択され
た経路１１２Ａ、第１のデシカント１０３Ａ、経路１１
３Ａ、再生空気と熱交換関係にある顕熱熱交換器１０７
Ａ、経路１１４Ａ、第２のデシカント１０３Ｂ、経路１
１５Ａ、ヒートポンプの高低熱源熱交換器（この場合は
低熱源に切り替えられている）２２０、経路１１６Ａ、
３方切替弁１０８Ａ、さらに３方切替弁１０８Ａの位置
によって選択された経路１１７Ａ、経路１１９Ａを通っ
て４方弁１０６に至り、さらに経路１２２を通って処理
空気出口に至る。

【００１５】図３の第２の作動形態における処理空気経
路Ａは、処理空気入口（通常は外気取入口）、処理空気
の送風機１０２、経路１１１を経て４方切替弁１０５に
至り、さらに４方切替弁１０５の位置によって選択され
た経路１１２Ｂ、第４のデシカント１０３Ｄ、経路１１
３Ｂ、再生空気と熱交換関係にある顕熱熱交換器１０７
Ｂ、経路１１４Ｂ、第３のデシカント１０３Ｃ、経路１
１５Ｂ、ヒートポンプの高低熱源熱交換器（この場合は
低熱源に切り替えられている）２１０、経路１１６Ｂ、
３方切替弁１０８Ｂ、さらに３方切替弁１０８Ｂの位置
によって選択された経路１１７Ｂ、経路１１９Ｂを通っ
て４方弁１０６に至り、さらに経路１２２を通って処理
空気出口に至る。

【００１６】再生空気経路Ｂは、図２の第１の作動形態
においては、再生空気入口（通常は室内空気取入口）か
ら経路１２０、送風機１４０、経路１２１を介して４方
切替弁１０６に至り、さらに４方切替弁１０６の位置に
よって選択された経路１１９Ｂ、３方切替弁１０８Ｂの
位置によって選択された経路により処理空気と熱交換関
係にある顕熱熱交換器１０７Ａ、経路１１８Ｂ、３方切
替弁１０８Ｂ、ヒートポンプの高低熱源熱交換器（この
場合は高熱源に切り替えられている）２１０、経路１１
５Ｂ、第３のデシカント１０３Ｃ、経路１１４Ｂ、顕熱
熱交換器１０７Ｂ、経路１１３Ｂ、第４のデシカント１
０３Ｄ、経路１１２Ｂを通って４方切替弁１０５に至
り、さらに経路１２４を通って再生空気出口に至る。

【００１７】図３の第２の作動形態における再生空気経
路Ｂは、再生空気入口（通常は室内空気取入口）から経
路１２０、送風機１４０、経路１２１を介して４方切替
弁１０６に至り、さらに４方切替弁１０６の位置によっ
て選択された経路１１９Ａ、３方切替弁１０８Ａの位置
によって選択された経路により処理空気と熱交換関係に
ある顕熱熱交換器１０７Ｂ、経路１１８Ａ、３方切替弁
１０８Ａ、経路１１６Ａ、ヒートポンプの高低熱源熱交
換器（この場合は高熱源に切り替えられている）２２
０、経路１１５Ａ、第２のデシカント１０３Ｂ、経路１
１４Ａ、顕熱熱交換器１０７Ａ、経路１１３Ａ、第１の
デシカント１０３Ａ、経路１１２Ａを通って４方切替弁
１０５に至り、さらに経路１２４を通って再生空気出口
に至る。

【００１８】ヒートポンプの冷媒回路は図２において、
処理空気がデシカント１０３Ａ、１０３Ｂを流通する方
向に４方切替弁１０５，１０６が切り替えられている時
は、高低熱源熱交換器２２０は蒸発器として作動し、高
低熱源熱交換器２１０は凝縮器として作動するように４
方切替弁２５０を切り換え、一方、図３に示すように処
理空気がデシカント１０３Ｃ，１０３Ｄを流通する方向
に４方切替弁１０５，１０６が切り換えられている時
は、高低熱源熱交換器２１０は蒸発器として作動し、高
低熱源熱交換器２２０は凝縮器として作動するように４
方切替弁２５０を切り換える。なお図中、丸で囲ったア
ルファベットＫ〜Ｔは、図４と対応する空気の状態を示
す記号である。

【００１９】次に、前述のように構成された図２のデシ
カント外調機１の動作を、図４の湿り空気線図を参照し
て説明する。導入される外気（処理空気：状態Ｋ）は経
路１１０を経て送風機１０２に吸引され、昇圧されて経
路１１１、４方切替弁１０５、経路１１２Ａを経て第１
のデシカント１０３Ａに送られ、デシカントの吸湿剤で
空気中の水分を吸着されて絶対湿度が低下するとともに
吸着熱によって空気は温度上昇する（状態Ｌ）。湿度が
下がり温度が上昇した空気は経路１１３Ａを経て、顕熱
熱交換器１０７Ａに送られ、還気（再生空気）と熱交換
して冷却される（状態Ｍ）。

【００２０】冷却された空気は経路１１４Ａを経て第２
のデシカント１０３Ｂに送られ、デシカントの吸湿剤で
再度空気中の水分を吸着させて絶対湿度が低下するとと
もに吸着熱によって空気は温度上昇する（状態Ｎ）。除
湿された空気は経路１１５Ａを経てヒートポンプの蒸発
器として作動する熱交換器２２０に送られて再度冷却さ
れる（状態Ｐ）。冷却された空気は経路１１６Ａ、３方
切替弁１０８Ａ、さらに３方切替弁１０８Ｂの位置によ
って選択された経路１１７Ａ、経路１１９Ａを通って４
方切替弁１０６に至り、さらに経路１２２を通って処理
空気出口を経て室内空間に供給される。このようにして
外気（状態Ｋ）と給気（状態Ｎ）との間にはエンタルピ
差ΔＱが生じるとともに、室内空間（状態Ｑ）との間に
もエンタルピ差及び絶対湿度差が生じ、これによって室
内空間の冷房が行われる。

【００２１】上記の吸着工程において、第２の吸着が起
きるのは、以下の理由による。すなわち、熱交換器１０
７Ａにより状態Ｌから状態Ｍまで等湿度で冷却すると相
対湿度が上がるので、再度デシカント１０３Ｂで吸着工
程を行うポテンシャルが生じる。その吸着ポテンシャル
の差を使って第２の吸着を行う。

【００２２】同じサイクルにおいて、他方のデシカント
１０３Ｃ，１０３Ｄは再生過程を経、それは次のように
行われる。再生用の室内空気（ＲＡ：状態Ｑ）は経路１
２０を経て送風機１４０に吸引され、昇圧され経路１２
１、４方切替弁１０６、経路１１９Ｂを経て顕熱熱交換
器１０７Ａに送られ、処理空気を冷却して自らは温度上
昇し（状態Ｒ）、経路１１８Ｂ、３方切替弁１０８Ｂ、
経路１１６Ｂを経てヒートポンプの凝縮器として作動す
る熱交換器２１０に流入し、加熱され６０〜８０℃まで
温度上昇し、相対湿度が低下する（状態Ｓ）。

【００２３】熱交換器（凝縮器）２１０を出て相対湿度
が低下した再生空気は経路１１５Ｂを経て、第３のデシ
カント１０３Ｃを通過してデシカントの水分を除去す
る。第３のデシカント１０３Ｃを通過した再生空気は経
路１１４Ｂを経て、熱交換器１０７Ｂに流入するが、該
熱交換器１０７Ｂのもう一方の媒体である処理空気は３
方切替弁１０８Ａの切り替え方向により経路１１７Ａを
バイパスして流通しているため、再生空気は熱交換する
ことなく第４のデシカント１０３Ｄに流入し通過してデ
シカントの水分を除去する（状態Ｔ）。第４のデシカン
ト１０３Ｄを通過した再生空気は経路１１２Ｂ、４方切
替弁１０５、経路１２４を経て再生空気出口に至り、排
気ＥＸとして外部に捨てられる。

【００２４】このようにして、空気経路の４方切替弁１
０５，１０６、３方切替弁１０８Ａ，１０８Ｂ、及びヒ
ートポンプサイクル中の４方切替弁２５０を図２または
図３のように切り替えて作動させることにより、デシカ
ントの再生と処理空気の除湿、冷却を繰り返し行うこと
によって、デシカントによる外気の空調を行う。

【００２５】このハイブリッドデシカント外調機では、
間に熱交換による冷却工程を含む２段階の吸着工程とし
たことにより、同じ熱ΔＱを汲み上げるヒートポンプ２
００の最低温度が、図９に示す場合と比べると、図４に
おいて状態（Ｎ）から状態Ｐに移動する。従って、ヒー
トポンプ２００の温度ヘッドΔＴ２がΔＴ１と小さくな
り、省エネルギーとなる。また、第２の吸着工程がこれ
までよりも低い等エンタルピ線に沿って行われ、出口絶
対湿度が下がるので吸湿能力が大きくなり、相対的に装
置を小型化することができる。

【００２６】このように構成されたデシカント外調機１
のエネルギー効率を考える。ヒートポンプ２００の圧縮
機動力を１の熱量とすると、この種のヒートポンプの温
度リフトは最低でも冷水１５℃から熱を汲み上げて７０
℃まで昇温させるために５５℃の温度リフトとなり、通
常のヒートポンプの温度リフト４５℃に比べて２２％増
加し、圧力比が若干高くなるため動作係数は大略３程度
に設計できる。従って、冷水からの入熱量は３となり、
一方、出熱は合計１＋３で４となり、この熱量が全て温
水を加熱してデシカント外調機に使用される。

【００２７】デシカント空調機の単体におけるエネルギ
効率を示す動作係数（ＣＯＰ）は図４における冷房効果
ΔＱを再生加熱量で除した値で示されるが、大略最大で
０．８〜１．２であることが一般に報告されている。従
って、デシカント空調機の動作係数（ＣＯＰ）を大略１
とすると、デシカント空調機によって１の冷房効果が得
られることになるので、ヒートポンプの圧縮機入力を１
とするとデシカント空調機の駆動熱量は４となり、従っ
て温水によって４の冷房効果が得られる。本空調システ
ムでは、この他に冷水による冷房効果が３あるので合計
７の冷房効果が得られ、このデシカント外調機全体の動
作係数は、 動作係数＝冷房効果／圧縮機入力＝７ となる。この値は従来システムの値「４以下」を大幅に
上回り、約４５％の省エネルギー効果がある。

【００２８】一方、エアコン３においても省エネルギー
が達成される。つまり、デシカント外調機１により、室
内に供給する空気ＳＡは還気ＲＡより低い絶対湿度にす
ることができるから、水分を室内に持ち込まないで済
む。従って、エアコン３で除湿をする必要がなくなり、
空気の顕熱処理をするだけで良くなる。従って、エアコ
ン３は、空気を２０℃程度に冷却すればよく、蒸発温度
がおよそ１０℃高くとれる。これにより、温度ヘッドが
小さくなる（例えば、４０℃から３０℃）。

【００２９】これによる省エネルギー率は、 ΔＴ１／ΔＴ２＝３０／４０＝０．７５ であるから約２５％となる。従って、システム全体とし
ての効率は、平均的な空調負荷の顕熱比が０．７である
ことから、潜熱を負担する外調機と顕熱を負担するエア
コンのそれぞれの負荷割合が大略３：７であることを勘
案すると、 ０．３×０．５５＋０．７×０．７５＝０．６９ となり、省エネルギー率は約３１％となる。

【００３０】また、エアコン３で除湿をする必要がなく
なり、これにドレンが不要となるので、設備コストや操
作の手間を削減することができる。なお、本実施例で
は、ヒートポンプ２００として蒸気圧縮式ヒートポンプ
を用いたが、前述した内容によれば、ヒートポンプ作用
のある熱源機であれば何でもよく、例えば、特願平７−
３３３０５３に提案したような吸収式ヒートポンプを用
いても差し支えなく、同様の効果を得ることができる。

【００３１】図５は、この発明の第２の実施例として暖
房用の外調機１として用いた場合のサイクルを示す湿り
空気線図で、この場合は図２における処理空気に室内の
排気を用い、再生空気に外気を用いて再生後の空気を室
内に供給するものである。このように暖房の場合は、処
理空気は除湿・冷却されて捨てられ、再生空気は加湿・
加熱されて利用される。

【００３２】この例においても、先の実施例と同様に、
ヒートポンプの温度ヘッドをより小さくすることで省エ
ネルギー効果が得られ、また、装置の小型化も図れる。
さらに、図９の場合には、処理空気がヒートポンプの低
熱源交換器（蒸発器）における冷却工程で低温・高湿度
の状態（Ｎ）に至るので、その過程で凝縮により霜入り
の空気となることがあり、場合によっては氷点下になっ
て熱交換器（蒸発器）で着霜する場合があるのに対し
て、この例では、図５に示すように状態Ｎ，Ｐの経路を
通るので、熱交換器（蒸発器）で着霜するような状態と
はならない。従って、利用温度幅が大きくとれるので、
ヒートポンプの能力の向上が図れる。

【００３３】図６は、この発明の第３の実施例として冷
房用の空調機として用いた場合のサイクルを示す湿り空
気線図で、この場合は図２における処理空気に室内の還
気を用い、再生空気に外気を用いて、処理空気を室内に
供給するものである。動作は、図４乃至図５に準ずるの
で省略する。この例においても、先の実施例と同様に、
ヒートポンプの温度ヘッドをより小さくすることで省エ
ネルギー効果が得られ、また、吸湿能力が大きくとれる
ので装置の小型化も図れる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ヒートポンプとデシカントを用いたハイブリッドな空調
方式において、間に熱交換による冷却工程を含む２段階
の吸着工程としたことにより、ヒートポンプの温度ヘッ
ドを小さくすることができ、省エネルギーとなるととも
に、第２の吸着工程がこれまでよりも低い等エンタルピ
線に沿って行われ、出口絶対湿度が下がるので、吸湿能
力が大きくなり、相対的に装置を小型化することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る空調システムの適用例を示す図で
ある。

【図２】第１の実施例に係るデシカント外調機の基本構
成及びその第１の作動形態を示す説明図である。

【図３】第１の実施例に係るデシカント外調機の第２の
作動形態を示す説明図である。

【図４】図２及び図３の実施例に係る空気のデシカント
空調サイクルを湿り空気線図で示す説明図である。

【図５】第２の実施例に係るデシカント外調機の空気の
デシカント空調サイクルを湿り空気線図で示す説明図で
ある。

【図６】第３の実施例に係るデシカント空調機の空気の
デシカント空調サイクルを湿り空気線図で示す説明図で
ある。

【図７】従来の空調システムの構成を示す説明図であ
る。

【図８】仮想的な例のデシカント外調機の構成を示す説
明図である。

【図９】図８の例の空気のデシカント空調サイクルを湿
り空気線図で示す説明図である。

【符号の説明】

１０３Ａ〜１０３Ｄ デシカント １０７Ａ，１０７Ｂ 顕熱熱交換器 ２００ ヒートポンプ ２１０，２２０ 熱交換器 Ａ 処理空気経路 Ｂ 再生空気経路 ＳＡ 給気 ＲＡ 還気 ＥＸ 排気 ＯＡ 外気 ΔＱ 冷房効果 Δｑ 冷水による冷却量 ΔＨ 温水による加熱量

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理空気中の水分を吸着するデシカント
   を有する空気経路を少なくとも２つ有し、これらの空気
   経路に処理空気と再生空気に交互に切り換えて流通可能
   に配置し、一方で処理空気中の水分を吸着し、他方で再
   生空気によって再生するようにし、再生空気経路にヒー
   トポンプの高温熱源を配して再生空気を加熱し、処理空
   気経路にヒートポンプの低温熱源を配して処理空気を冷
   却するようにした空調システムにおいて、 前記各空気経路には少なくとも２つのデシカントと、そ
   の間に再生空気と処理空気との熱交換器とが直列に接続
   され、前記ヒートポンプの高低熱源の熱交換器を、再生
   空気と高熱源が熱交換し処理空気が低熱源と熱交換する
   よう連動して切り換え可能に構成し、処理空気を第１の
   デシカントに導いて吸着を行い、さらに前記再生空気と
   処理空気と熱交換器に導いて上記ヒートポンプにより加
   熱される前の再生空気との間で熱交換を行って冷却し、
   さらに第２のデシカントに導いて第２の吸着を行い、さ
   らに上記ヒートポンプの低熱源との間で熱交換を行って
   冷却するようにしたことを特徴とする空調システム。
2. 【請求項２】 前記ヒートポンプが蒸気圧縮式ヒートポ
   ンプであることを特徴とする請求項１に記載の空調シス
   テム。
3. 【請求項３】 前記ヒートポンプが吸収式ヒートポンプ
   であることを特徴とする請求項１に記載の空調システ
   ム。