KR102511403B1

KR102511403B1 - 환기 공조 장치

Info

Publication number: KR102511403B1
Application number: KR1020180086380A
Authority: KR
Inventors: 히로시 오카노
Original assignee: 가부시키가이샤 세이부 기켄
Priority date: 2017-08-01
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2023-03-17
Also published as: JP6605548B2; CN109323352A; KR20190013556A; TWI757523B; TW201910690A; JP2019027718A; US10837660B2; CN109323352B; US20190041072A1

Abstract

본 발명은 환기에 따른 에너지 소실이 없고, 에너지 효율이 높은, 공간 절약적인, 또한 저비용의 환기 공조 장치를 제공한다.
본건 발명은 이상의 과제를 해결하기 위하여, 이산화 탄소 등 오염질의 흡착 또는 흡수 기능을 갖는 허니콤 로터를 갖고, 허니콤 로터를, 적어도 처리 존과 탈착 재생 존을 구비하는 로터 회전 장치 내에 배치하여, 처리 공기를 처리 존에 통과시켜 이산화 탄소 등 오염질을 제거하여 급기함과 함께, 재생 탈착 존에 포화 증기를 도입하여, 이산화 탄소 등 오염질을 탈착하여 옥외로 배출하는 것을 특징으로 한다.

Description

환기 공조 장치{VENTILATING AND AIR CONDITIONING DEVICE}

본 발명은, 예를 들면 실내에서 발생하는 이산화 탄소나 VOC, 악취 등 오염질 또는 외기(外氣)로부터 침입하는 SOx, NOx, VOC 등 오염질을 흡착 제거할 수 있는 로터를 이용하여, 이들 오염질을 제거함으로써, 적은 환기에 의하여 실내 공기의 질을 높일 수 있는 이산화 탄소 등 오염질 제거 환기 공조 장치를 제공하는 것이다.

업무 빌딩이나 상업 빌딩 및 거주 공간에 이용하는 도 1과 같은 환기 공조 장치는, 주로 사람의 호기(呼氣)에 포함되는 이산화 탄소나 건재나 OA 기기 등으로부터 발생하는 VOC 등의 오염질을 배출할 목적으로 이용되고 있다. 냉난방 중에 환기를 행하면, 냉난방 부하가 증가하기 때문에, 환기관로에 전열교환기가 이용되며 순환 공기와 배기를 열교환하여 배열 회수되고 있다.

이와 같은 전열교환기로서 로터형의 것과 정지(靜止)형의 것이 주로 이용되며, 배기:외기 풍량비 1:1일 때, 로터형의 것에서 전열교환 효율이 70% 정도, 소형 정지형의 것에서는 전열교환 효율이 50% 정도이다. 즉 전열교환에 의하여 버려지는 에너지를 회수해도 30~50%의 에너지가 헛되이 버려지고 있다. 또 급기계와 배기계 각각의 대형 덕트가 필요하며, 빌딩의 고가의 유가(有價) 스페이스를 불필요하게 점유하는 디메리트나, 외기 취입 장소가 멀면, 덕트 배관이 길어지고, 공사비도 증가하며, 송풍 동력도 증가하는 등의 문제가 있어 설치 장소에도 제약이 있다.

또한 최근의 주택은 각실 독립적인 공조 설비를 갖고, 각실마다 환기팬을 마련하며, 각 환기팬으로부터 천장 이면으로 통과한 덕트를 통하여 환기를 행하도록 하고 있다. 이와 같은 덕트는 긴 관로인 경우가 있으며, 이와 같은 경우에는 공기 저항이 크다. 따라서 환기에 필요로 하는 에너지도 커지며, 이것도 환기에 의한 헛된 에너지가 되어, 종합적인 에너지 효율이 떨어지고 있었다.

일본 공개특허공보 2005-98571호 일본 공개특허공보 2007-37670호 일본 공개특허공보 2003-19435호 일본 공개특허공보 2006-61758호 일본 공고특허공보 평5-68290호 일본 특허공보 5627870호 일본 특허공보 5877922호

상기의 문제에 대하여, 특허문헌 1에 나타나는 바와 같이 실내의 이산화 탄소 농도가 일정 이상의 값이 되었을 때에 운전하는 환기팬이 개발되었다. 그러나, 이것도 여전히 환기에 따른 냉난방 에너지의 손실을 충분히 감소시키는 것은 아니었다.

이로 인하여 특허문헌 2에 나타나는 바와 같이, 공기 중의 유해 가스를 흡착시키거나 분해하는 필터를 갖는 탈취 장치가 개발되었다. 그러나, 이 종류의 장치는 이산화 탄소의 제거가 불가능하며, 또 필터의 교환을 행해야 하기 때문에, 필터의 교환 비용이 별도로 든다는 문제가 있었다.

특허문헌 3에는 산화 칼륨 등 이산화 탄소의 수·탈착이 가능한 흡수제를 담지한 흡착 로터를 이용하여 실내 공기로부터 이산화 탄소를 수착하고, 재생 존에서 온풍으로 이산화 탄소를 탈착하여 옥외로 배기하는 장치가 개시되어 있다.

특허문헌 4에는 이산화 탄소를 선택적으로 수·탈착하는 관능기를 갖는 이온 교환 수지나 착체를 로터에 담지한 수착 로터를 이용하여 실내 공기로부터 이산화 탄소를 수착하고, 재생 존에서 온풍으로 이산화 탄소를 탈착하여 옥외로 배기하는 장치가 개시되어 있다.

그러나 이들 문헌에 개시되어 있는 이산화 탄소 수착 장치는 원리적으로 모두 이산화 탄소와 함께 수증기도 흡착 제거한다. 하기(夏期)는 다습하므로 제습할 수 있으면 편리하지만, 중간기나 동기(冬期)에 있어서 제습하면 실내 공기가 너무 건조하여 가습해야 한다. 이로 인하여 하기 이외는 이용 메리트가 없다는 문제가 있었다.

또한 이산화 탄소 흡착재 및 로터의 내열성이나, 에너지 절약 목적으로 에너지 밀도가 낮은 섭씨 40~80℃ 정도(이후, 온도는 모두 "섭씨"라고 함)의 저온 배열을 이용하기 때문에, 요구 성능 달성을 위해서는 처리 공기량과 동량의 재생 공기의 취입과 배기가 필요해지고, 비교적 대형의 로터가 필요하며, 설치 스페이스가 크고, 비용도 비싸다는 디메리트가 있다. 또 재생 공기 취입용과, 배기용 각각의 대형 덕트가 필요하여, 빌딩의 고가의 유가 스페이스를 불필요하게 점유하는 디메리트나, 외기 취입과 배기가 용이한 장소가 아니면, 덕트 배관이 길어지고, 공사비도 증가하며, 송풍 동력도 증가하는 등의 문제가 있어 설치 장소에도 제약이 있다.

특허문헌 5에는 우주 스테이션 등 폐쇄 공간에서 사용하는 이산화 탄소 제거 장치의 예가 개시되어 있다. 흡착재(아민계 이온 교환 수지, 활성탄 등)를 충전한 흡착층에 처리 공기를 흘려 보내고, 처리 공기 중의 이산화 탄소를 제거하여 급기한다. 이산화 탄소를 흡착한 흡착재 충전층은 밸브를 전환하여, 수증기를 도입하여 이산화 탄소를 탈착한다. 탈착이 종료되면 재차 밸브를 전환하여 처리 공기를 도입하여 이산화 탄소를 흡착하고, 이산화 탄소를 제거한 공기를 급기하는 바와 같이 배치(batch)식으로 운전된다. 이 방식은 우주 스테이션과 같은 소공간용에서는 성립되지만, 대형화가 곤란하며, 또한 이니셜 코스트, 러닝 코스트도 높아 일반 공조용에는 적응이 곤란한 장치이다.

특허문헌 6에는, 일반 공조에도 적응 가능하도록 이산화 탄소의 흡착이 가능한 이온 교환 수지 등 수착재의 분말을 담지한 허니콤 로터를 이용하고, 도 2와 같이 처리 공기 측은 히트 펌프의 에바포레이터를 통하여 냉각 제습한 공기를 허니콤 로터에 통과시켜 이산화 탄소 등 오염질을 수착 제거하여 급기한다. 한편 재생 존에는 콘덴서를 통하여 승온한 공기를 통과시킴으로써, 로터에 흡착된 이산화 탄소 등 오염질을 탈착하여 외기로 배출한다. 허니콤 로터를 사용함으로써 대풍량 처리를 가능하게 하고, 또한 히트 펌프도 조합하여 배열도 이용함으로써 에너지 절약성을 확보하는 안이 개시되어 있다.

특허문헌 7에는 처리 입구 엔탈피보다 재생 입구 엔탈피가 높아지도록 습도 조정 수단을 마련하여 이산화 탄소의 분리 효율을 높이는 예가 개시되어 있다. 그러나 특허문헌 6, 특허문헌 7 모두, 재생 효과가 낮은 저온 배열 이용의 공기를 이용하기 때문에, 재생 에너지의 부족을 재생 풍량으로 보충하고자 하여 처리 공기와 대략 동량의 재생 탈착 공기가 필요하며, 표 1과 같이 로터 직경이 대형화되어 장치의 소형화가 곤란하고, 대풍량 송풍기가 2대 필요하여 송풍 러닝 코스트도 커진다. 또한 대면적의 탈착 재생용 급·배기 덕트도 필요해져, 빌딩의 유가 공간을 많이 점유한다는 결점이 있다.

[표 1]

이산화 탄소 흡착성 또는 수착성이 있는 재료의 제올라이트, 활성탄, 아민계 화합물, 아민계 이온 교환 수지, 탄산 칼륨 등 탄산염 모두 흡습성을 갖고, 또 통상 재생 탈착용 공기는 가열에 의하여 상대 습도가 저하되므로, 재생 존에서는 로터의 수분이 탈착되며, 처리 존에서는 통과 공기가 제습된다. 하계이면 제습되는 메리트도 있지만, 급기가 제습의 흡착열로 승온되므로, 로터 처리 출구에 마련한 기화 냉각기나 애프터 쿨러로 재냉각하지 않으면 실내로 급기할 수 없다는 결점도 있다.

또 제습의 흡착열에 의한 승온에 의하여 도 6과 같이 이산화 탄소의 수착 성능은 저해되는 경향이 있으며, 또한 탈착 재생 존에서는 수증기의 탈착열에 재생 에너지가 소비되어 이산화 탄소의 분리 성능이 악화된다는 성능상의 디메리트도 있다.

또한 동기에는 오히려 가습하고자 하는 조건이 되어, 이 제습 기능은 디메리트가 되며, 또 잉여 배열도 없으므로 동기의 운용은 불가능하다. 즉 하기밖에 활용할 수 없다는 근본적인 결점이 있다.

본건 발명은 이상과 같은 과제를 해결하기 위하여, 습한 상태에서 이산화 탄소나 VOC 가스 등 오염질의 흡착 또는 흡수 기능을 갖는 허니콤 로터를 갖고, 공기 중의 이산화 탄소나 오염질을 제거 정화시킬 수 있기 때문에, 최소한의 환기량으로 에너지의 손실을 억제하면서 실내 공기질을 확보할 수 있다. 또 소용량의 포화 증기로 탈착 재생하기 때문에, 표 1과 같이 로터 및 장치의 대폭적인 소형화가 가능하게 된다.

또 종래의 환기 공조 장치에서 필요한 급·배기량을 현격히 적게 할 수 있으므로, 공조 장치나 덕트의 설치 스페이스를 적게 할 수 있어, 유가의 덕트 점유 스페이스 삭감이나 설치 비용도 억제되는, 공간 절약, 저비용, 에너지 절약 환기 공조 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 환기 공조 장치는 상기와 같이 구성했으므로, 실내에서 발생하는 이산화 탄소나 악취나 VOC, 외기로부터 침입하는 VOC, SOx, NOx 등 오염질도 동시에 허니콤 로터에 흡착(수착)되고, 탈착 존에서 포화 수증기로 탈착되어 외기로 방출된다. 여기에서 환기량을 삭감하면, 실내 공기 중의 산소가 점차 감소되는데, 공기 중의 산소 농도는 21% 정도이며, 1~2% 정도의 감소는 사람의 호흡에 전혀 영향이 없고, 도어로부터의 출입이나, 산소의 농도차에 따라 간극으로부터의 확산 등으로 산소가 공급되므로 실질적으로 문제가 되지 않는다. 반대로 호흡에 의하여 산소 1~2%가 소비되고, 그 결과 발생한 이산화 탄소 1~2%를 제거하지 않으면 인체에 대하여 유해한 영향을 미치게 된다.

이산화 탄소의 농도는 허용값이 건축 기준법에서는 0.1%(미국 국립 직업 안전 위생 연구 연구소 및 미국 산업 위생 전문가 회의에 의한 허용값 0.5%)라고 불리며, 공기 중 약간 증가하는 것만으로 사람의 건강에 영향을 초래하기 때문에, 건축 기준법의 설계 기준에서는 재실 인원 1명당 30m³/H의 환기를 필요로 하고 있다. 그러나 최근 외기의 이산화 탄소 농도가 서서히 상승하고 있어 30m³/H의 환기에서는 실내 이산화 탄소 농도 0.1%는 달성할 수 없게 되어 있다. 또 환기의 주된 목적은 건재나 가구, OA 기기 등으로부터 발생하는 VOC나 흡연에서 발생하는 오염질을 배기하여 농도를 낮추는 것이다. 따라서, 30m³/H 이하의 환기량이어도, 실내로부터 이산화 탄소와 VOC 등의 오염질을 배출하여 기준값 이하로 유지할 수 있으면, 건축 기준법의 운용 기준에서는 문제 없다.

또한 본 발명의 방법 및 장치는, 이산화 탄소 및 VOC 등 오염질 가스의 흡·탈착 작용을 갖는 허니콤 로터를 이용하고 있기 때문에, 필터를 이용한 공기 청정 장치와 같이 빈번하게 교환되는 부재가 없어, 소모품 교환 경비도 작게 할 수 있다.

특히 최근, PM 2.5나 광화학 스모그 등의 대기 오염이 도시권에서 잇따라, 이와 같은 경우에는 환기를 행함으로써, 실내로 PM 2.5나 광화학 스모그가 들어 올 것이 우려된다. 또 간선 도로가에서는 자동차의 배기 가스가, 번화가에서는 조리 배기에 의한 악취가 환기에 의하여 실내로 들어 올 가능성이 있다. 그러나, 본 발명의 환기 공조 장치이면 환기량이 적기 때문에 이와 같은 문제는 없고, 만약 들어가도, 본 발명의 장치로 흡착 농축 배기된다.

도 1은 환기 공조 장치의 종래예의 플로도이다.
도 2는 환기 공조 장치의 특허문헌 6의 종래예의 플로도이다.
도 3은 본 발명의 환기 공조 장치의 실시예 1의 플로도이다.
도 4는 본 발명의 환기 공조 장치의 실시예 2의 플로도이다.
도 5는 본 발명의 환기 공조 장치의 실시예 3의 플로도이다.
도 6은 고체 아민계 수착재의 이산화 탄소 흡착 평형도이다.
도 7은 본 발명의 증기 도입 호퍼와 배기 호퍼의 단면도이다.
도 8은 포화 증기 탈착 재생 시의 허니콤 표면을 나타내는 도이다.
도 9는 기화 냉각 수착 시의 허니콤 표면을 나타내는 도이다.
도 10은 온풍 재생과 포화 증기 재생을 비교한 공기선도이다.
도 11은 건식 흡착과 기화 냉각 수착을 비교한 공기선도이다.
도 12는 동기 처리 공기의 변화를 나타내는 공기선도이다.
도 13은 0.1mm 이하의 약염기성 이온 교환 수지의 미소 입자와 바인더를 혼합한 슬러리를 다공질 유리 섬유 시트에 코팅하여, 1mm 이하의 시트로 한 시트 표면의 현미경 사진을 나타내는 도이다.

본 발명은 습한 상태에서 이산화 탄소나 VOC 가스 등 오염질의 흡착 또는 흡수 기능을 갖는 허니콤 로터를 갖고, 상기 허니콤 로터를, 적어도 처리 존과 탈착 재생 존을 구비하는 로터 회전 장치 내에 배치하여, 처리 공기를 상기 처리 존에 통과시켜 이산화 탄소 등 오염질을 제거하여 급기함과 함께, 재생 탈착 존에 포화 증기를 도입하여, 이산화 탄소나 오염질을 탈착하여 옥외로 배출하는 것을 특징으로 하는 환기 공조 장치이다.

흡착과 흡수 현상은 다르지만 닮은 현상이며, 양쪽 모두의 요소가 존재하는 경우에는 수착이라는 말을 이용하는 경우도 있다. 본 발명에서는 수착이라는 말을 이용한다. 아민계 이산화 탄소 흡수제는 흡수라고 할 수 있는데, 아민계 이온 교환 수지는 함수(含水)하면 물로 채워진 미세 구멍이 존재하고, 그 미세 구멍 내를 확산시켜 미세 구멍 표면의 아민기에 이산화 탄소가 수착하는 흡착재라고 생각할 수 있다. 또 다공질 고체 흡착재의 미세 구멍 내에 아민액이나 이온 액체 등 흡수제를 첨착(添着)한 흡착재도 이에 포함되고, 어느 쪽이더라도 조작 원리에 있어서 비수용성으로 고체 상태의 습한 상태에서 이산화 탄소 등 오염질을 수착하는 기능을 갖는 소경 입자를 도입한 허니콤 로터를 이용하는 것이 본 발명의 요점이다.

상기 허니콤 로터의 처리 존에 처리 공기를 흘려 보내면 허니콤은 이산화 탄소 등 오염질을 제거하여 청정 공기를 급기한다. 이산화 탄소 등 오염질을 수착한 허니콤 로터는 로터의 회전에 의하여 탈착 존으로 이동하고, 포화 수증기를 도입하여 이산화 탄소 등 오염질을 탈착한다. 탈착 존으로부터 허니콤 로터에 도입된 포화 수증기는 도 8과 같이 허니콤의 가열이나 이산화 탄소 등 오염질의 탈착 열공급에 의하여 냉각되어 응축되고, 허니콤 내표면에 결로된다. 로터의 회전에 의하여 허니콤의 내면은 응축 결로수에 의하여 젖은 상태로 처리 존으로 이동하지만, 처리 공기가 통과하면 결로수의 기화 냉각 현상에 의하여 허니콤의 냉각을 촉진시키고, 또한 이산화 탄소 가스의 수착열을 냉각 제거함으로써 고효율로 이산화 탄소 가스나 오염질 가스를 수착할 수 있다는 효과를 발휘한다.

또한, 고에너지 밀도이고 소용량인 60~100℃의 포화 수증기로 탄산 가스나 VOC 등 오염질 가스를 농축 탈착 배기함으로써, 탈착 풍량과 환기 풍량을 줄일 수 있다. 예를 들면 도 9와 같이 35℃, 50%RH의 공기를 60℃까지 가열하는 엔탈피에 대하여, 60℃의 포화 증기에서는 수십 배의 엔탈피를 가지므로, 포화 증기는 수십 분의 1로 탈착 재생이 가능하게 되어 표 1과 같이 로터를 소형화할 수 있고, 배기도 취입 외기도 대폭으로 삭감할 수 있으며, 급·배기계의 덕트도 건축 기준법의 최소한이면 되고, 운용상은 실내 공기질을 확보할 수 있으면 환기량은 대폭으로 좁힐 수 있으므로 송풍 에너지의 삭감이 된다. 또 대풍량의 환기에 의하여 냉난방 에너지가 없어지는 경우도 없어 에너지 절약성이 향상된다. 전열교환기로 배열 회수해도 30~50%의 에너지를 회수하지 못하고 없어지지만, 본 발명의 환기 공조 장치에서는 실내의 이산화 탄소, VOC 등 오염질을 농축 배기함으로써 전열교환기를 상회하는 에너지 절약 효과가 기대된다.

여기에서 포화 수증기는, 40~100℃ 이하에서 기본적으로 대기압이다. 탈착 존에 도입된 포화 수증기는 허니콤의 가열이나 이산화 탄소의 탈착 열공급에 의하여 냉각되어 응축되고, 허니콤 표면에 결로된다. 허니콤의 표면은 결로된 물로 젖은 상태로 로터의 회전에 의하여 처리 존으로 이동하는데, 처리 공기의 통과에 의하여 결로수의 기화 냉각 현상에 의하여 허니콤의 냉각을 촉진시키고, 또한 이산화 탄소 가스의 수착열을 제거 냉각함으로써 고효율로 처리 공기 중의 이산화 탄소 가스나 오염질 가스를 수착할 수 있다는 효과를 발휘한다. 즉 본 발명의 장치는, 증기에 의한 치환 탈착이 아닌, 포화 증기에 의한 고엔탈피를 이용한다.

고체 비수용성의 아민계 이산화 탄소 수착재로서는 아민기를 갖는 염기성 이온 교환 수지 외에 아민기를 갖는 고분자 젤, 혹은 미세 구멍 내에 아민계 이산화 탄소 흡수제 또는 탄산염, 이온 액체 등의 이산화 탄소 흡수제를 첨착한 실리카젤, 활성탄, 활성 알루미나, 메조포러스 실리카 등의 흡착재를 이용할 수도 있다. 흡착재의 미세 구멍 내에 침수하여 이산화 탄소 수착 성능이 저해되는 경우에는, 흡착재의 표면을 발수성으로 하여 미세 구멍 내로의 침수를 방지할 수도 있는데, 미세 구멍이므로 미약한 발수성으로 목적을 달성할 수 있다. 반대로 강한 발수성에서는 응축수가 수착재 표면을 피해, 물방울이 대경화되어 기화 냉각 효과가 저하되므로 바람직하지 않다.

일례로서 0.1mm 이하의 약염기성 이온 교환 수지의 미소 입자와 바인더를 혼합한 슬러리를 다공질 유리 섬유 시트에 코팅하고, 1mm 이하의 시트로 하여 이용하면 모세관력을 유효 이용하여 수착 효과를 높인 기화 냉각 수착 허니콤을 실현할 수 있다(도 13에 시트 표면 사진의 예를 나타낸다). 탈착 존에서 포화 증기를 도입하면, 도 8과 같이 허니콤 표면에 수증기가 응축 결로되는데, 미소 입자 코팅층 내에서 복수 중첩된 미소 입자 간의 모세관력에 의하여 응축수는 흡입되며, 허니콤 형상이므로 통기에 영향은 없고, 처리 공기 통과 시에는 도 9와 같이 넓은 허니콤 내표면으로부터 시트의 내부로 이산화 탄소 가스의 수착과 물의 증발 냉각이 진행되므로, 특허문헌 5와 같은 1~2mm의 비교적 큰 구 형상의 이온 교환 수지를 충전한 층(마루)에서 문제가 되는 디메리트는 해소된다.

또 시트의 표리에서 수착 속도나 수착 용량의 차나, 응축 수량이나 기화 냉각 효과에 편차가 있어도, 얇은 시트의 허니콤이므로, 표리에서의 응축수의 모세관력이나 수증기의 확산에 의한 물질 이동이나, 열 이동에 의하여 편차는 완화되고, 따라서 성능 향상시킬 수 있다. 또한 활성탄, 소수성 제올라이트, 합성 흡착재 VOC 흡착재를 혼합함으로써 VOC나 악취 등의 오염질도 동시에 제거할 수 있다.

또 장기 운용상의 효과로서 내구성의 향상이 있다. 아민계 이산화 탄소 수착재나 아민계 이온 교환 수지는 산소가 없으면 내열성은 100℃까지 견디는 경우가 있지만, 산소가 있는 가스 중에서는 50~60℃에서도 현저하게 열화되는 예가 있다. 본 발명의 장치에서는, 수착 시의 아민계 수착재의 온도는 도 11과 같이 저온으로 억제되고, 탈착 시는 도 10과 같이 40~100℃ 이하가 되지만, 이온 교환 수지는 수화(水和) 상태인 편이 안정성이 증가하며, 또한 결로수로 덮이므로 산화 열화가 방지되어 내구성이 향상된다.

본 발명의 환기 공조 장치는 이상과 같이 구성되며, 이하 그 동작에 대하여 설명한다. 실내에 사람이 있어, 호기 중의 이산화 탄소나 흡연에 의하여 실내의 이산화 탄소 농도가 높아져, 동기에 실내에서 개방형 스토브를 사용하여 발생하는 이산화 탄소에 의하여 실내의 이산화 탄소 농도가 상승하므로, 실내 공기를 환기시킬 필요가 있다. 최근에는 히트 펌프 에어컨의 보급이나, 분연화(分煙化)가 진행된 점에서 호기 이외의 이산화 탄소 발생은 적어졌지만, 환기의 중요성은 변함이 없다.

이와 같은 경우에는 허니콤 로터(1)를 회전시키면서, 실내 공기 또는 외기를 환기 공조 장치(2)에 통과시킨다. 로터를 통과한 공기는 이산화 탄소 등 오염질 가스가 제거되어 급기된다. 도 3과 같이 실내로부터의 순환 공기를, 수착 장치의 허니콤 로터에 통과시키면, 환기에 포함되는 이산화 탄소나 오염질 농도를 감량하여 실내로 급기할 수 있다.

동시에 탈착 존에 포화 증기를 도입하여 수착된 이산화 탄소 등 오염질을 탈착하여 외기로 방출한다. 이와 같이 하여 처리 공기에 포함되는 이산화 탄소나 VOC, SOx, NOx 등 오염질 가스는 농축되어 실외로 배출된다.

[실시예 1]

이하 본 발명의 환기 공조 장치의 실시예에 대하여 도 3을 따라 상세하게 설명한다. 1은 허니콤 로터이며, 유리 섬유 등 무기 섬유의 다공질의 시트를 코루게이트(주름 형성) 가공하여 로터 형상으로 한 것으로, 이산화 탄소를 흡수하는 아민계 이산화 탄소 흡수제를 첨착한 활성탄의 흡착재가 담지되어 있다.

로터는, 처리 존과, 탈착 재생 존으로 구분되어 시일된 케이싱에 수납되고, 로터는 기어드 모터로 회전 구동되도록 구성되어 있다.

처리 존에 처리 공기를 도입하고, 처리 공기에 포함되어 있는 이산화 탄소 등 오염질을 수착 제거하여, 정화된 공기를 실내에 공급한다. 처리 공기는 순환 공기로도 외기로도 가능하며, 목적에 따라 혼합하는 것도 가능하다. 이산화 탄소나 오염질을 수착한 허니콤 로터는 탈착 재생 존으로 회전 이동하고, 탈착 존에서는 40~100℃ 이하의 포화 수증기를 도입하여, 허니콤을 가열하여 이산화 탄소나 오염질을 탈착 배기한다. 포화 증기는 허니콤의 가열과 이산화 탄소 등의 탈착 열공급에 에너지를 소비하여, 허니콤 내의 표면에 결로 응축된다. 포화 증기는 건조 공기의 십수 배~십수 배의 에너지를 갖고 있으므로, 포화 증기의 도입량은 처리 공기에 대하여 수십 분의 1 이하에서 탈착 재생이 가능하게 되어 로터 및 장치 전체의 콤팩트화가 가능하다. 탈착용 포화 증기는 보일러로부터의 공급이어도 되고, 공조 장치에 내장된 팬형 가습기나, 공조용 전열식 또는 전극식의 증기 가습기를 이용할 수도 있다.

탈착 존에서 이산화 탄소 등 오염질이 포화 수증기에 의하여 가열 탈착되고, 수증기가 응축 결로된 허니콤 로터는, 회전하여 다시 처리 존으로 이동하지만, 허니콤 내표면의 결로수가, 처리 공기에 의하여 증발됨으로써 기화 냉각 효과를 발생하며, 허니콤은 신속하게 냉각되어 이산화 탄소나 오염질의 수착이 개시된다. 수착이 개시된 후도 허니콤은 습하므로, 이산화 탄소나 오염질의 수착열은 기화 냉각 효과로 제거되고, 또한 처리 공기 입구 온도보다 저온이 되어 급기된다. 본 발명의 장치는, 데시컨트 공조기와 같은 제습 기능은 없지만, 처리 공기는 기화 냉각되어 공급되므로 냉방 장치로서 기능한다는 특징을 갖는다.

[실시예 2]

본 발명의 실시예 2의 플로도를 도 4에 나타낸다. 장치의 구성은 실시예 1의 도 3과 대략 동일하다. 허니콤 로터(1)는, 유리 섬유 등 무기 섬유 주체의 플라스틱 섬유를 포함하는 30g/m²의 다공질 페이퍼에, 입도 분포 0.02~0.1mm의 아민계 이온 교환 수지의 미립자와, 평균 입경 0.03mm의 활성탄 미립자와 내열 내수성의 바인더를 혼합한 슬러리액을 코팅하고, 건조시킨 시트(도 13)를 피치 3.0mm, 높이 2.0mm로 코루게이트 가공하며, 그것을 권취하여 로터화하여, 아민계 이온 교환 수지와 활성탄의 미립자를 50중량% 포함하는 부피 비중 150kg/m³의 허니콤 로터(1)를 얻는다.

본 발명에서는, 수착한 이산화 탄소의 탈착에 증기를 사용하기 때문에, 허니콤 로터(1)의 불연화는 불필요하지만, 습윤 시의 보형성과 강도 확보를 위하여 유리 섬유 등의 무기 섬유나 PET 등의 합성 섬유를 혼합한 종이를 지지체로 하는 것이 바람직하지만, 내증기성, 보형성, 강도를 갖는 합성 섬유의 부직포 등이면 무기 섬유의 개재는 필수는 아니다. 또 탈착 시의 수증기 응축과, 수착 시의 기화 냉각 효과를 목적으로 하는 수착체로서, 허니콤 특유의 신규 메리트가 있다. 예를 들면 시트의 표리에서 수착 속도나 수착량의 차나, 응축 수량이나 기화 냉각 효과에 편차가 있어도, 1mm 이하의 얇은 시트로 형성된 허니콤이므로, 허니콤 내에서의 수착재의 부착 편차나, 유입 공기의 온·습도 편차가 있어도, 도 8, 도 9와 같이 표리에서의 응축수의 모세관력이나 수증기의 확산에 의한 물질 이동이나, 열 이동이 양호함으로써 편차는 완화된다. 따라서 성능 향상시킬 수 있다.

허니콤 로터(1)는 전체가 환기 공조 장치 내에 개구하고, 그 일부의 전후에 시일 장착의 호퍼를 설치하며, 입구 호퍼에 외부로부터 포화 증기를 도입하는 관이 병설되어 있다. 입구 호퍼에 50~100℃의 포화 증기를 도입하고, 허니콤 로터에 수착된 이산화 탄소나 VOC 등 오염질을 출구 호퍼에 탈착하여 외기로 방출한다. 환기 공조 장치를 통과한 공기는, 이산화 탄소나 오염질이 제거되어 실내로 급기된다.

[실시예 3]

허니콤 로터는, 유리 섬유 등 무기 섬유 주체의 35g/m²의 다공질 페이퍼를 피치 3.0mm, 높이 2.0mm로 코루게이트 가공하고, 그것을 권취하여 로터화하여, 아민기를 갖는 이산화 탄소 수착성이 있는 고분자 젤을 딥 코트 건조시킨 이산화 탄소 수착 젤을 70중량% 포함하는 부피 비중 150kg/m³의 허니콤 로터(1)를 얻는다.

장치의 구성적으로는 실시예 2와 대략 동일하지만, 도 5와 같이 허니콤 로터는 외주 시일 구조를 구비하는 로터 흡착 장치 내에 고정되고, 처리 공기를 상기 공조 장치에 통과시키며, 상기 장치를 통과한 공기를 다시 실내로 되돌리도록 한 장치에 있어서, 흡착 장치 로터의 일부 전후에 로터축을 중심으로 하여 연동시켜 회전하는 시일을 갖는 부채형의 호퍼를 장착하고, 한쪽의 호퍼로부터 포화 증기를 도입하고, 다른 한쪽의 호퍼에 탈착된 이산화 탄소나 오염질을 옥외로 배출하는 것을 특징으로 한다. 로터는 회전시키지 않으므로 소형화가 용이해지고, 슬라이딩하는 것은 호퍼의 시일만이므로 슬라이딩 저항이 적고, 내마모성이 높은 고가의 시일재는 불필요하여, 메인트넌스 코스트를 삭감할 수 있다.

[실시예 4]

또한 에너지 절약성을 높이고, 또한 하기뿐만 아니라 동기에도 활용할 수 있는 실시예에 대하여 설명한다. 기본 구성은 도 3과 동일하지만 도 7과 같이 포화 증기 도입 존 출구 측에, 로터 회전 방향에 대하여 아래쪽에 퍼지 존을 추가한 배기 존 부채형부를 마련한다. 배기 존에서는 포화 증기와 함께 배기 존 반대 측의 급기존의 공기를, 배기 송풍기로 흡인 퍼지하여 배기하는데, 냉방 시와, 난방 시에 배기 송풍기의 풍량을 전환한다.

냉방 시에는 배기 송풍기의 풍량을 많이 하여 예랭 효과를 충분히 발휘할 수 있는 공기량을 흘려 보내, 예랭된 허니콤이 처리 존으로 이동하도록 예랭 공기량을 설정한다. 그와 같이 함으로써 로터의 축열의 급기로의 반입을 방지할 수 있고, 처리 존에서는 응축수의 기화 냉각 효과로 냉각된 처리 공기를 급기할 수 있다. 예랭 공기로 기화 냉각된 후 처리 존으로 이동한 허니콤 로터는 냉각되어 있으므로, 급기의 엔탈피는 상승하지 않고, 또한 허니콤은 습하므로 제습하지 않아 흡착열이 발생하지 않기 때문에 급기의 온도 상승은 없다. 도 11, 도 12와 같이 오히려 기화 냉각 효과로 입구보다 저온의 급기가 가능하다는 효과가 있다. 예를 들면 처리 입구 공기가 25℃, 50%RH이면, 출구 공기는 습구 온도 18℃에 가까운 온도로 기화 냉각된다. 또한 35℃, 50%RH의 외기를 처리한다면, 습구 온도 26℃에 가까운 온도로 기화 냉각된다. 이상과 같이 본 발명의 장치에서는 제습은 하지 않지만, 이 습도 영역의 제습은 히트 펌프로 용이하게 조정할 수 있으므로 문제 없다.

예랭 공기량에는 최적값이 존재하고, 퍼지 존을 단위 시간으로 가로지르는 허니콤의 열 용량과, 통과시키는 공기에 의한 기화 냉각 열량을 동등해지도록 설정할 필요가 있다. 너무 적으면, 허니콤의 축열이 급기에 반입되고, 엔탈피가 상승하여 냉방 효과와 에너지 절약 효과를 줄인다.

기화 냉각 효과가 없는 경우의 최적의 예랭 공기 풍량 W는 식-1로 계산할 수 있다.

W(kg/h)=π/4×(D²-d²)ζ×L×N×γ_H×C_H/C_G… 식-1

여기에서 D: 로터 유효 외경(m), d: 로터 유효 내경(m), ζ: 로터 단면 유효 면적(통풍에 유효한 면적)율, L: 로터폭(m), N: 로터 회전수(rph), γ_H: 허니콤의 부피 비중(kg/m³), C_G: 가스의 비열, C_H: 허니콤재의 비열.

본 발명에서는 응축수에 의한 기화 냉각 효과가 더해지므로, 처리 공기 조건에 의하여 바뀌지만, 이상의 계산 풍량의 수분의 1의 풍량이어도 된다. 허니콤 로터 제습기라면 처리 공기의 1/3~1/9의 예랭 공기를 도입하고 있지만, 본 발명의 장치에서는, 또한 이것의 1/3 이하의 냉각 공기로 목적이 달성된다.

동기에는 배기 송풍기의 배기 풍량을 줄여, 허니콤 로터의 회전에 의하여 처리 존에 반입되는 허니콤의 공극에 남아 있는 이산화 탄소나, 오염질 가스를 퍼지하는 만큼의 최소 풍량으로 설정한다. 이와 같이 함으로써, 이산화 탄소나 오염질 가스는 배기되면서도 도 12와 같이 로터의 축열의 대부분은 처리 공기 측에 반입된다. 따라서 재생 에너지의 대부분은 난방에 회수 이용되어 낭비되지 않는다. 또 처리 존에서 또한 통기를 계속하면 처리 공기는 기화 냉각 효과에 의하여 냉각되어 급기되는데, 처리 공기의 엔탈피는 감소하지 않고 가습되고 있을 뿐이므로, 필요한 만큼 가열하면 급기할 수 있다. 즉 동기에 있어서 필요한 가습이 불필요해지는 효과를 갖는다. 따라서 동기에도 운전 가능한 에너지 절약 환기 공조 장치를 실현할 수 있다.

난방 시에는 배기 송풍기의 풍량을 줄여 허니콤 공극 내에 잔존하고 있는, 농축 탈착된 이산화 탄소 등 오염질을 퍼지 배출 가능한 만큼의 공기량을 통과시킨다. 퍼지 공기량이 너무 적으면 수착된 오염질이 급기에 혼입되므로 약간 과잉 경향으로 하는 것이 바람직하지만, 너무 과잉되면 허니콤의 축열이 외기로 배출되어, 급기에 회수되는 엔탈피가 감소한다.

최적 퍼지 공기량 Q_GP는 식-2로 계산한다.

Q_GP(m³/h)=π/4×(D²-d²)×ζ×L×N×ψ … 식-2

여기에서 ψ: 허니콤 공극률. 식-1의 예랭 최적 가스량 W는 열 용량이 중요하므로 kg/h로 표시했지만, 최적 퍼지 공기량 Q_GP는 용적이 중요하므로 m³/h로 계산하고 있다.

만일 D=4, d=0.6, ζ=0.8, L=0.5, N=10, ψ=0.8인 경우, 최적 퍼지량은 Q_GP=39.2m³/h가 된다. 이 조건이어도 퍼지 배기하지 않으면 이산화 탄소나 오염질 농도가 높은 39.2m³/h의 공기가 급기에 혼입되는 계산이 된다.

이상과 같이, 동기에 있어서 허니콤 공극에 내포되어 있는 이산화 탄소 등 오염질 가스를 퍼지하는 만큼의 퍼지 공기량을 통기시켜, 아직 재생 후의 축열이 남은 상태에서 허니콤이 처리 존으로 회전 이동하도록 운전한다. 그렇게 하면 탈착 재생 시의 로터의 축열은 급기에 반입되어 난방에 재이용되므로 에너지 절약 효과가 향상된다. 로터가 냉각된 후는 기화 냉각 효과에 의하여 급기는 가습되어 온도 저하되는데 엔탈피의 손실은 없으므로 약간 가열하는 것만으로 가습 온풍을 급기할 수 있다. 즉 축열분은 회수되어 난방에 기여하고, 또한 가습되므로 상황상 좋으며, 동기에도 운전하는 메리트가 있다. 이상과 같이 하기뿐만 아니라 중간기나 동기에도, 일년 내내 이용 가능한 에너지 절약 환기 공조 장치를 실현할 수 있다.

본 발명의 환기 공조 장치는 이상과 같이 구성되고, 이하 그 동작에 대하여 설명한다. 실내에 사람이 있어, 호기 중의 이산화 탄소나 흡연에 의하여 실내의 이산화 탄소 농도가 높아지고, 동기에 실내에서 개방형 스토브를 사용하여 발생하는 이산화 탄소에 의하여 실내의 이산화 탄소 농도가 상승하므로, 실내 공기를 환기시킬 필요가 있다. 최근에는 히트 펌프 에어컨의 보급이나, 분연화가 진행된 점에서 호기 이외의 이산화 탄소 발생은 적어졌지만, 환기의 중요성은 변함없다.

이와 같은 경우에는 도 3과 같이 허니콤 로터(1)를 회전시키면서, 실내 공기 또는 외기를 환기 공조 장치에 통과시킨다. 수착 로터를 통과한 공기는 이산화 탄소나 VOC 등 오염질 가스가 제거되어 실내로 급기된다. 실내로부터의 순환 공기를, 환기 공조 장치의 허니콤 로터에 통과시키면, 순환 공기에 포함되는 이산화 탄소나 오염질 농도를 감량하여 실내로 급기할 수 있다.

동시에 탈착 존에 포화 증기를 도입하여 수착된 이산화 탄소 등 오염질이 탈착되어 외기로 배기된다. 이와 같이 하여 처리 공기에 포함되는 이산화 탄소나 VOC, SOx, NOx 등 오염질 가스는 농축되어 실외로 배출된다. 탈착 존으로부터 포화 증기를 도입하면, 수증기는 허니콤을 가열함과 함께 이산화 탄소나 오염질의 탈착열을 공급하여 응축되고, 허니콤 내표면에 응축 결로된다. 허니콤 내표면의 결로수는, 다음 처리 존에서는 플러스의 효과를 발휘한다. 결로수의 제1 효과는, 탈착 직후의 허니콤은 고온에서 수착 능력이 부족하지만, 처리 공기에 의하여 허니콤 표면의 응축수가 증발되어 기화 잠열을 갖고 가므로 신속히 냉각시켜 수착을 개시한다.

결로수의 제2 효과는 처리 공기의 이산화 탄소 등 오염질의 수착에 의하여 수착열이 발생하고, 특허문헌 3, 4, 6과 같은 건조 상태의 조작에서는 도 11의 건식 흡착과 같이 공기 온도가 상승하여 수착력이 저하되지만, 본 발명에서는 허니콤 표면의 응축수의 증발 냉각에 의하여 수착열은 잠열에 변환 제거되고, 도 11의 기화 냉각 수착과 같이 승온은 억제되어 수착 성능이 향상된다. 즉 로터에 처리 공기를 흘려 보내 허니콤에 이산화 탄소를 수착시킴과 함께, 수착열에 의하여 수착재나 원료 가스가 온도 상승하면 도 6과 같이 수착량이 감소하지만, 본 발명에서는 응축수의 기화 냉각 효과에 의하여 처리 공기의 온도가 저하되고, 또한 이산화 탄소의 수착에 의하여 발생하는 수착열도 기화 냉각에 의하여 제거됨으로써, 허니콤이나 원료 가스의 온도 상승이 억제되어, 고효율로 이산화 탄소 등 오염질 가스를 수착할 수 있다. 예를 들면 35℃, 50%RH의 외기를 도입하면 통과 공기와 허니콤은 이때의 습구 온도 26℃에 가까워지도록 기화 냉각 효과를 발생한다. 또, 25℃, 50%RH의 순환 공기이면, 습구 온도 18℃에 가까워지도록 기화 냉각 효과를 발생한다.

결로수의 제3 효과는, 아민계 이온 교환 수지 등의 이산화 탄소 수착재는, 이온 교환기의 수화에 의하여 흡습되고, 건조 상태보다 흡습 상태가 이산화 탄소 수착 능력도 높아지므로, 그 의미에서도 수착 성능 향상 효과가 있다. 또 수화 상태가 안정성이 높고, 따라서 내열, 내산화성도 향상된다. 아민계 흡수제를 활성탄 등에 함침 첨착하는 경우도 동일한 효과가 있으며, 아민계 흡수제의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

재실자에 의하여 실내 공기 중의 산소가 소비되지만, 상술한 바와 같이 산소는 대기 중에 약 21%나 있으며, 1~2% 정도의 소비로는 특별히 문제가 되지 않지만, 산소의 소비와 동시에 배출되는 이산화 탄소 1~2%는 인간에 대하여 치명적인 농도이다. 농축 탈착된 이산화 탄소나 VOC 등 오염질의 배출에 의하여 실내가 부압이 되면, 창문이나 도어로부터 외기가 간극풍으로서 침입하거나, 또는 농도차에 의한 확산에 의하여 산소가 공급된다. 즉 실외로 배출되는 오염질 배기의 양과 대략 동일한 양의 외기가 간극풍으로서 공급되며, 이 중에 21%에 가까운 산소가 있기 때문에 산소량이 부족한 경우는 없다.

그리고 본건 발명의 환기 공조 장치의 배기는, 이산화 탄소 농도가 높아지고 있기 때문에, 배기를 비닐 하우스 등의 식물 공장의 육성실로 유도하면 식물의 성장이 빨라짐과 함께, 대기로의 이산화 탄소의 배출을 억제할 수 있다.

이와 같이 실내의 불과 수 ppb~수백 ppm의 오염 물질을 배기하기 위하여, 다량의 공기를 실외로 배출하는 것과 비교하여, 에너지 낭비를 삭감할 수 있다. 또 이산화 탄소 센서를 마련하여, 이산화 탄소 농도가 소정값 이상이 된 때에만 포화 증기를 도입하여 탈착 재생 운전하도록 하면, 에너지 낭비를 또한 방지할 수 있다.

이상의 설명과 같이, 포화 수증기에 의하여 탈착 재생되고 있기 때문에, 적은 환기량에 의하여 실내의 이산화 탄소나 VOC 등 오염질이 배출되어, 환기에 따른 에너지의 손실을 방지할 수 있다. 또 외기 중에 오염질이 포함되어 있어도, 환기량이 적기 때문에 실내로의 침입량은 최소한으로 억제되어, 국소 환기나 도어 등으로부터 침입한 오염질은 로터를 통과할 때에 흡착 배기되므로 문제가 없다.

본 발명은, 소량의 환기로 실내의 이산화 탄소나 VOC 등 오염질을 외기 방출 가능한 환기 공조 장치를 제공하는 것이며, 하기 동기 모두 사용할 수 있고, 환기에 따른 에너지 소실을 방지할 수 있으며, 공간 절약적인 에너지 절약 환기 공조 장치를 제공할 수 있다.

1 허니콤 로터
2 환기 공조 장치

Claims

이산화 탄소나 VOC 가스 등 오염질의 흡착 또는 흡수 기능을 갖는 허니콤 로터를 갖고, 상기 허니콤 로터를, 적어도 처리 존과 재생 탈착 존을 구비하는 로터 회전 장치 내에 배치하여, 처리 공기를 상기 처리 존에 통과시켜 이산화 탄소 등 오염질을 제거하여 급기함과 함께, 재생 탈착 존에 포화 증기를 도입하여, 이산화 탄소나 오염질을 탈착하여 옥외로 배출하며, 상기 처리 존에 들어갔을 때에 응축수에 의하여 상기 허니콤 로터가 젖은 상태인 것을 특징으로 하는 환기 공조 장치.
이산화 탄소나 VOC 가스 등 오염질의 흡착 또는 흡수 기능을 갖는 허니콤 로터를 갖고, 상기 허니콤 로터를, 외주 시일 구조를 구비하는 로터 회전 장치 내에 배치하여, 처리 공기를 상기 장치에 통과시켜 이산화 탄소 등 오염질을 제거한 공기를 급기하도록 한 장치에 있어서, 로터의 일부 전후에 내주부터 외주에 시일을 갖는 부채형의 호퍼를 장착하며, 한쪽의 호퍼로부터 포화 증기를 도입하고, 다른 한쪽의 호퍼에 이산화 탄소 등 오염질을 탈착하여 옥외로 배출하는 것을 특징으로 하는 환기 공조 장치.
이산화 탄소나 VOC 가스 등 오염질의 흡착 또는 흡수 기능을 갖는 허니콤 로터를 장치 내에 고정하여 시일하고, 처리 공기를 상기 장치에 통과시켜 이산화 탄소 등 오염질을 제거하여 급기하는 장치에 있어서, 로터의 전후에, 로터축을 중심으로 하여 전후 연동시켜 회전하는 시일을 갖는 부채형의 호퍼를 장착하며, 한쪽의 호퍼로부터 포화 증기를 도입하고, 다른 한쪽의 호퍼에 이산화 탄소 등 오염질을 탈착하여 배출하는 것을 특징으로 하는 환기 공조 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
탈착 재생 존 출구 측에, 로터 회전 방향에 대하여 아래쪽에 퍼지 존을 추가한 배기 존 부채형부를 마련하고, 배기 존에서는 포화 증기와 함께 배기 존 반대 측의 급기존의 공기를, 배기 송풍기로 흡인 퍼지하여 배기하는 환기 공조 장치.
청구항 4에 있어서,
난방 조건의 경우, 허니콤 공극에 내포되어 있는 가스를 퍼지할 수 있는 양만큼 공기량을 도입하고, 냉방 조건의 또는 외기 냉방 조건의 경우는, 탈착 재생 직후의 허니콤이 로터의 축열량 이상의 기화열을 발생하는 공기량을 도입하도록 운전하는 환기 공조 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
0 초과 0.1mm 이하의, 아민계 이온 교환 수지 입자를 담지한 로터를 탑재한 환기 공조 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
0 초과 0.1mm 이하의, 아민계 이온 교환 수지 입자와, 활성탄 입자를 담지한 로터를 탑재한 환기 공조 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
두께 0 초과 1mm 이하의 이산화 탄소 수착 기능을 갖는 고분자 시트로 구성한 허니콤 로터를 탑재한 환기 공조 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
이산화 탄소 센서를 마련하여, 이산화 탄소 농도가 소정값 이상이 된 때에만 포화 증기를 도입하여 탈착 재생 운전하도록 한 환기 공조 장치.