JP2006200812A - 空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】７℃の冷水を使用した場合でも、人体に優しい空調を行なうことができると共に、空調空間へ吹出す空調送風量を減少させることができ、且つ、冷凍機等の熱源機の容量の減少、高効率化等を図った空調システムを提供する。
【解決手段】導入された外気と空調空間５４からの還気の一部である排気とを全熱交換して外気の冷却及び除湿を行なう全熱交換ロータ６１を有する全熱交換機５１と、全熱交換機５１から送給された空気を冷却する冷温コイル７０及び冷温コイル７０からの空気を除湿する除湿ロータ６９を有する除湿機５２と、除湿ロータ６９により除湿される際に加熱されて除湿機５２から送給された空気と空調空間５４からの還気とが混じった空気を冷却する冷温コイル７５を有する空調機５３を備え、空調機５３から空調空間５４へ給気を行い得るようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は空調システムに関する。

例えば、在室人員が１万人程度で人員密度が２．５人／ｍ^２のような混雑した室内空間において空調を行なう場合、従来は、一般の空調と同様、冷水コイルと温水コイルを利用すると共に、過冷却と再熱の温湿度制御を行なう空調システムが採用されており、斯かる空調システムの従来例は図３に示されている。

図中、１は外調機、２は空調機、３は空調空間である。而して、外調機１のハウジング１ａ内は、屋外から導入管４を通り導入された外気（新鮮空気）が管路５側へ送給される径路となる室６と、管路７から送出された排気が導出管８側へ導出される径路となる室９とに分けられており、ハウジング１ａ内には室６，９に跨って配置された回転駆動可能な全熱交換ロータ１０が設けられている。全熱交換ロータ１０は外気と排気が有する顕熱と潜熱を同時に交換する空調用の熱交換器である。又、室６における外気の流れ方向と、室９における排気の流れ方向は反対向きとなっている。

室６には、全熱交換ロータ１０よりも外気流れ方向上流側にファン１１が配置されていると共に、全熱交換ロータ１０よりも外気流れ方向下流側に、外気流れ方向へ向けて順次、外気を加熱する温水コイル１２、外気を一次冷却する冷水コイル１３、必要に応じて外気を加湿する加湿器１４が配置されている。又、室９には、全熱交換ロータ１０の排気流れ方向上流側にファン１５が配置されている。

空調機２のハウジング２ａ内には、空気流れ方向上流側から下流側へ向けて順次、管路５からの空気と管路１６からの還気が混じった空気を過冷却する冷水コイル１７と、冷水コイル１７で過冷却された空気を加熱する温水コイル１８と、温水コイル１８を通過してきた空気を管路１９を介し、給気として空調空間３へ送給するためのファン２０が配置されている。

空調空間３からの還気は管路１６へ送出し得るようになっており、管路１６の中途部には、還気の一部が排気されるよう管路７の排気流れ方向上流側端部が接続されている。

温水コイル１２には、温水の往管路２１と還管路２２が接続されており、往管路２１の中途部には、温水を温水コイル１８へ送給する往管路２３が接続され、還管路２２の中途部には、温水コイル１８からの還りの温水が還管路２２へ送給されるよう、還管路２４が接続されている。

冷水コイル１３には、冷水の往管路２５と還管路２６が接続されており、往管路２５の中途部には、冷水を冷水コイル１７へ送給する往管路２７が接続され、還管路２６の中途部には、冷水コイル１７からの還りの冷水が還管路２６へ送給されるよう、還管路２８が接続されている。なお、図中、２９，３０，３１，３２は開閉弁である。

次に、上記空調システムの作動を図４〜図７をも参照しつつ説明する。例えば、上記空調システムにおいて冷房等の空調を行なう際には、全熱交換ロータ１０、ファン１１，１５，２０は駆動されており、開閉弁２９は閉止し、他の開閉弁３０，３１，３２は開いている。

このため、冷凍機等の熱源機器において冷却された冷水は往管路２５から冷水コイル１３に送給されると共に、往管路２５，２７から冷水コイル１７へ送給される。冷水コイル１３からの戻りの冷水は還管路２６から、又、冷水コイル１７からの戻りの冷水は還管路２８，２６から、熱源機器へ戻され、冷却されて再び前記径路を循環する。

温水機等の熱源機器で生成された温水は、管路２１，２３から温水コイル１８に送給され、温水コイル１８から管路２４，２２を経て熱源機器へ戻され、加熱されて再び前記径路を循環する。

導入管４から外調機１の室６内に導入された外気（新鮮空気）は、ファン１１により室６内を送給され、全熱交換ロータ１０において、室９側の排気との間で熱と水蒸気の授受が行われ、冷却されると共に除湿される。全熱交換ロータ１０において冷却され且つ除湿された空気は冷水コイル１３へ送給され、冷水コイル１３により一次冷却されて相対湿度が上昇する。而して、冷却され且つ相対湿度が上昇した空気は、室６から管路５を経て空調機２のハウジング２ａ内へ導入される。外気を冷水コイル１３により二次冷却するのは、外気の熱処理を室内の熱処理と分けることで、空調機２の冷水コイル１７における温湿度制御を安定して行なうためである。

空気はハウジング２ａ内において管路１６からの還気と合流し、還気と混じった空気は、冷水コイル１７により過冷却されると共に除湿され、温水コイル１８により再加熱されて温度が上昇する。

空気の除湿により人体に湿度が高いことによる不快感を与えることが防止される。温水コイル１８で加熱するのは、加熱することなく、空調空間３へ給気を供給すると、空調空間３の冷房が効きすぎるためである。

温水コイル１８で加熱された空気はファン２０により、管路１９を通り給気として空調空間３へ吹出されて空調空間３の冷房に供され、空調空間３を所定の温度及び湿度に保持する。

空調空間３から管路１６へ送出された還気の一部は、空調機２の冷水コイル１７上流側へ導入されて管路５からの空気と混じり合い、上記した径路を経て再び循環して空調空間３の冷房に供される。

還気のうち、空調機２へ送給されなかった分は、排気として管路７から外調機１の室９へ送給され、ファン１５により全熱交換ロータ１０へ送給され、全熱交換ロータ１０において室６を送給される外気との間で熱と水蒸気の授受が行なわれ、加熱されると共に絶対湿度が上昇し、導出管８から外部へ排出される。

図３に示す従来の空調システムにおいては、送水温度により冷水コイル１７における除湿能力に限界があるため、空調空間３の温湿度条件は、温度２５℃、相対湿度６０％ＲＨ、或は温度２６℃、相対湿度５０％ＲＨで運用されることが多かった。

一方、人体に優しい室内温度の条件としては、外気温度と空調空間３との温度差を小さくすると共に、空調空間３の温度を上げるかわりに、湿度を下げるのが望ましく、室内は一般に温度２７℃、相対湿度４０％ＲＨが好適である。しかし、斯かる室内温度、湿度により、在室人員が１万人程度で人員密度が２．５人／ｍ^２のような混雑した空調空間３において空調を行なう場合、冷水コイル１７の除湿能力の限界により、空調送風量が膨大になる。

すなわち、例えば上記空調システムにおいて、図６に示すような外気条件、空調空間内条件、人員、外気量、冷房負荷で空調を行なった場合、顕熱合計は７５０，０００Ｗ、潜熱合計は６００，０００Ｗとなる。又、この場合、空調空間３における必要除湿量は、「潜熱合計÷蒸発潜熱」であるため、６００，０００Ｗ÷６７２Ｗｈ／Ｋｇ≒８９３Ｋｇ／ｈとなる。

又、図３に示す空調システムにおいて、冷凍機等の熱源機器から空調機２の冷水コイル１７へ送給される送水温度が７℃で且つ空調機２の冷水コイル１７が１２列コイルの場合、冷水コイル１７により約１０℃ＤＰ（７．８ｇ／ｋｇ’）程度まで除湿可能である。

この場合、空調空間３の除湿を行なうために必要な空調送風量は、「必要除湿量÷（空調空間３内の絶対湿度−空調空間３へ吹出される給気の絶対湿度）÷比重」であるため、８９３Ｋｇ／ｈ÷（０．００８９Ｋｇ／ｋｇ’−０．００７８Ｋｇ／ｋｇ’）÷１．２ｋｇ／ｍ^３≒６７６，５２０ｍ^３／ｈとなる。

而して、空調空間３の室内温度と空調空間３へ吹出される給気温度の差である吹出温度差は「顕熱合計÷（空調送風量×給気の比熱）」であるため、７５０，０００Ｗ÷（６７６，５２０ｍ^３×０．３３Ｗ／ｍ^３・℃）≒３．４℃となる。

上記計算結果を基に、図３の空調システムの所定位置における外気（新鮮空気）、給気、還気、排気の各送風量、各所定位置における温度、絶対湿度を示すと図４に示すようになり、空調送風量、一次エネルギー消費量（消費した石油、石炭、ガス、電気等を計算することにより求められるもの）、熱源機容量を示すと図７における「図３に示す従来の空調システム（送水温度７℃）」のようになる。

又、図３に示す空調システムにおいて、空調送風量を減少させるため、図６に示す設計条件で且つ冷凍機等の熱源機器から空調機２の冷水コイル１７へ送給される送水温度を３℃、冷水コイル１７を１２列コイルとする場合について、前記した計算と同様の計算を行なうと、必要な空調送風量は２８４，０００ｍ^３／ｈとなると共に、空調空間３の室内温度と空調空間３へ吹出される給気温度の差である吹出温度差は８．０℃となり、しかも外気（空気）、給気、還気、排気の各送風量、各所定位置における温度、絶対湿度は図５に示すようになり、更に空調送風量、一次エネルギー消費量、熱源機容量は図７における「図３に示す従来の空調システム（送水温度３℃）」のようになる。而して、この場合は、空調送風量を減少させることができるが、一次エネルギー消費量は若干上昇する。

在室人員や人員密度が高い場合の先行技術文献としては非特許文献１がある。この文献の２０８頁の図１・１１３には居住域空調方式の例として東京体育館の例が示されている。而して、非特許文献１に示す居住域空調方式においては、外調機と空調機を備えており、外調機には全熱交換器が設けられている。
空気調和・衛生工学便覧６ 応用編 ２００１年（平成１３年）１１月３０日 第１３版第１刷発行 発行所 社団法人空気調和・衛生工学会

図３に示す従来の空調システムにおいては、冷水コイル１７へ送給される冷水の送水温度を７℃とすると、上述のように、冷水コイル１７の除湿能力の限界により、空調空間３へ送給される空調送風量は膨大な量となる（図４参照）。

一方、図３に示すような空調システムにおいて、冷水コイル１７へ送給される冷水の送水温度を約３℃程度にする場合には、空調空間３へ送給される給気温度は冷水コイル１７において低露点まで過冷却して除湿されるため、空調送風量を減少させることができるが、冷凍機等の熱源機器において冷水温度をより一層低温に冷却する必要があるため、適用できる熱源機器が限定されたり、熱源機器の外形寸法が増大したり、熱源機器の効率が低下する等の問題があった。又、非特許文献１の場合も、図３に示す空調システムと同様な問題がある。

本発明は、上述の実情に鑑み、７℃の冷水を使用した場合でも、人体に優しい空調を行なうことができると共に、空調空間へ吹出す空調送風量を減少させることができ、且つ、冷凍機等の熱源機の容量の減少、高効率化等を図った空調システムを提供することを目的としてなしたものである。

本発明の空調システムは、導入された外気と空調空間からの還気の一部である排気とを全熱交換して外気の冷却及び除湿を行なう全熱交換手段を有する全熱交換機と、該全熱交換機から送給された空気を冷却するコイル手段及び該コイル手段からの空気を除湿する除湿手段を有する除湿機と、前記除湿手段により除湿される際に加熱されて除湿機から送給された空気と空調空間からの還気とが混じった空気を冷却するコイル手段を有する空調機を備え、該空調機のコイル手段において冷却された空気を前記空調空間へ給気し得るよう構成したものである。

本発明の空調システムにおいては、全熱交換手段は回転可能な全熱交換ロータであり、除湿手段は回転可能な除湿ロータであり、コイル手段は冷温コイルである。

本発明の空調システムによれば、コイル手段へ送給される冷水の送水温度を７℃にして空調を行なう場合にも、空調空間内を人体に優しい温度２７℃、相対湿度４０％ＲＨ程度に保持する空調を行なうことができると共に、従来の空調システムにおいて冷水の送水温度を７℃とする場合に比較して空調空間への給気（空調送風量）の量を小風量とすることができ、従って、空調機の小型化、空調騒音の低減、ダクトの小径化が可能となり、更には、従来の空調システムに比べて、一次エネルギー消費量、冷凍機等の熱源機容量を減少させることができ、省エネルギー及びコストダウンを図ることができる、等種々の優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明を実施する形態の一例である。図中、５１は全熱交換機、５２は除湿機、５３は空調機、５４は空調空間である。而して、全熱交換機５１のハウジング５１ａ内は、屋外から導入管５５を通り導入された外気（新鮮空気）が管路５６側へ送給される径路となる室５７と、管路５８から送出された排気が導出管５９側へ導出される径路となる室６０とに分けられており、ハウジング５１ａ内には室５７，６０に跨って配置された回転駆動可能な全熱交換ロータ６１が設けられている。全熱交換ロータ６１は外気と排気が有する顕熱と潜熱を同時に交換する空調用の熱交換器である。

室５７には、全熱交換ロータ６１よりも外気流れ方向上流側にファン６２が配置されると共に、室６０には、全熱交換ロータ６１よりも排気流れ方向上流側にファン６３が配置されている。又、室５７における給気の流れ方向と、室６０における排気の流れ方向は反対向きとなっている。

除湿機５２のハウジング５２ａ内は、管路５６から導入された空気が管路６４側へ送給される室６５と、管路６６から取込まれた外気が管路６７側へ送給される室６８とに分けられており、ハウジング５２ａ内には室６５，６８に跨って配置された回転駆動可能な除湿ロータ６９が設けられている。除湿ロータ６９は、例えばシリカゲル等を有するハニカム構造で、低露点空気の生成に最適な手段である。

室６５における除湿ロータ６９よりも空気流れ方向上流側には、空気流れ方向上流側から下流側へ向けて、加熱冷却兼用の冷温コイル７０、ファン７１が配置され、室６８の除湿ロータ６９よりも外気流れ方向上流側には、除湿ロータ６９に捕捉された水分を乾燥させ除去するため、ガスバーナ等の乾燥手段７２が配置され、除湿ロータ６９の外気流れ方向下流側には、除湿ロータ６９から水蒸気として除去された水分と外気を共に排気として管路６７へ送出するためのファン７３が配置されている。室６５における空気流れ方向と、室６８における外気及び排気の流れ方向は反対向きとなっている。

空調機５３のハウジング５３ａ内には、給気流れ方向上流側から下流側へ向けて順次、管路６４からの空気と管路７４からの還気が混じった空気を冷却し或は加熱するための冷温コイル７５と、必要に応じて空気を加湿する加湿器７６と、空気を管路７７を介し給気として空調空間５４へ送給するためのファン７８が配置されている。

空調空間５４からの還気は管路７４へ送出し得るようになっており、管路７４の中途部には、還気の一部が排気されるよう、管路５８の排気流れ方向上流側端部が接続されている。

冷温コイル７０には、冷水或は温水の往管路７９と還管路８０が接続されており、往管路７９の中途部には、冷水又は温水を冷温コイル７５へ送給する往管路８１が接続され、還管路８０の中途部には、冷温コイル７５からの還りの冷水又は温水が還管路８０へ送給されるよう、還管路８２が接続されている。なお、図中、８３，８４は開閉弁である。

次に、上記した実施の形態の作動を、図２及び図６，図７をも参照しつつ説明する。
例えば、上記空調システムにおいて冷房等の空調を行なう際には、全熱交換ロータ６１、除湿ロータ６９、ファン６２，６３，７１，７３，７８は駆動されており、開閉弁８３，８４は開いている。

このため、冷凍機等の熱源機器において冷却された冷水は往管路７９から冷温コイル７０に送給されると共に、往管路７９，８１から冷温コイル７５へ送給される。冷温コイル７０からの戻りの冷水は還管路８０から、又、冷温コイル７５からの戻りの冷水は還管路８２，８０から、熱源機器へ戻され、冷却されて再び前記径路を循環する。

導入管５５から全熱交換機５１の室５７内に導入された外気（新鮮空気）は、ファン６２により室５７内を送給され、全熱交換ロータ６１において、室６０側の排気との間で熱と水蒸気の授受が行われ、冷却されると共に除湿され、冷却され且つ除湿された空気は室５７から管路５６を経て除湿機５２のハウジング５２ａにおける室６５内へ導入される。

而して、室６５へ導入された空気は冷温コイル７０において一次冷却されると共に相対湿度が上昇し、ファン７１により除湿ロータ６９へ送給される。除湿ロータ６９は除湿材に捕捉された水分を除去するため、室６８側においてガスバーナ等の乾燥手段７２により加熱されており、従って、除湿ロータ６９に送給された空気は除湿されて低湿空気となると共に除湿材の吸着熱により加熱されて、温度が上昇し、管路６４を経て空調機５３のハウジング５３ａへ導入される。なお、冷温コイル７０において空気を一次冷却するのは、空気の相対湿度を上げて除湿ロータ６９での除湿効率を上げるためである。

管路６６から除湿機５２の室６８へ取込まれた外気はガスバーナ等の乾燥手段７２により加熱され、加熱空気により除湿ロータ６９の除湿材により空気から除湿された水分が蒸発され、蒸発した水分は空気と共に、管路６７から外部へ排気される。

空気はハウジング５３ａ内において管路７４からの還気と合流し、還気と混じり合った空気は冷温コイル７５により冷却される。冷温コイル７５で所定温度に冷却された空気は、ファン７８により管路７７を通り給気として空調空間５４へ吹出されて空調空間５４の冷房に供され、空調空間５４を所定の温度及び湿度に保持する。

空調空間５４から管路７４へ送出された還気の一部は、空調機５３の冷温コイル７５上流側へ導入されて管路６４からの空気と混じり合い、上記した径路を経て再び循環し空調空間５４の冷房に供される。

還気のうち、空調機５３へ送給されなかった分は、排気として管路５８から全熱交換機５１の室６０へ送給され、ファン６３により全熱交換ロータ６１へ送給され、全熱交換ロータ６１において室５７を送給される外気との間で熱と水蒸気の授受が行なわれ、加熱されると共に絶対湿度が上昇し、導出管５９から外部へ排出される。

次に、本図示例について具体的に数値を上げて説明すると、例えば図１の空調システムにおいて、図６に示すような外気条件、室内条件、人員、外気量、冷房負荷で空調を行なった場合、前述したように、顕熱合計は７５０，０００Ｗとなる。

図１に示す空調システムにおいて、冷凍機等の熱源機器から空調機５３の冷温コイル７５へ送給される送水温度が７℃で且つ冷温コイル７５が１２列コイルの場合、冷温コイル７５により約１０℃ＤＰ（７．８ｇ／ｋｇ’）程度まで除湿可能であり、且つ、除湿機５２の除湿ロータ６９により約−７．４℃ＤＰ（２ｇ／ｋｇ’）程度まで除湿可能である。

又、空調空間３への必要な空調送風量は、「顕熱合計÷（冷温コイル７５からの給気温度と空調空間５４の空調温度との差である送風温度差）×比熱」であるため、７５０，０００Ｗ÷（８℃×０．３３Ｗ／ｍ^３・℃）≒２８４，０００ｍ^３／ｈとなる。

而して、上記計算結果を基に、図１の空調システムの所定位置における外気（新鮮空気）、給気、還気、排気の各送風量、各所定位置における温度、絶対湿度を示すと図２に示すようになり、空調送風量、一次エネルギー消費量、冷凍機等の熱源機器容量を示すと図７の「図１に示す本発明の空調システム（送水温度７℃）」のようになる。

このため、本図示例によれば、冷温コイル７０，７５へ送給される冷水の送水温度を７℃にして空調を行なう場合にも、空調空間５４内を人体に優しい温度２７℃、相対湿度４０％ＲＨ程度に保持するような空調を行なうことができると共に、図３の空調システムにおいて冷水の送水温度を７℃とする場合に比較して空調空間５４への給気（空調送風量）の量を小風量とすることができ、従って、空調機５３の小型化、空調騒音の低減、ダクトである管路７４，７７の小径化が可能となり、更には、図３の空調システムに比べて、一次エネルギー消費量、冷凍機等の熱源機容量を減少させることができ、省エネルギー及びコストダウンを図ることができる。

なお、本発明の空調システムは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の空調システムの実施の形態の一例を示す概念図である。 図１の空調システムの所定位置における外気（新鮮空気）、給気、還気、排気の各送風量、各所定位置における温度、絶対湿度を示す概念図である。 従来の空調システムの一例を示す概念図である。 図３の空調システムの所定位置における外気（新鮮空気）、給気、還気、排気の各送風量、各所定位置における温度、絶対湿度の一例を示す概念図である。 図３の空調システムの所定位置における外気（新鮮空気）、給気、還気、排気の各送風量、各所定位置における温度、絶対湿度の他の例を示す概念図である。 本発明及び従来の空調システムにおける設計条件を示す図表である。 本発明及び従来の空調システムにおいて、図６に示す設計条件を基に求めた計算結果を示す図表である。

符号の説明

５１ 全熱交換機
５２ 除湿機
５３ 空調機
５４ 空調空間
６１ 全熱交換ロータ（全熱交換手段）
６９ 除湿ロータ（除湿手段）
７０ 冷温コイル（コイル手段）
７５ 冷温コイル（コイル手段）

Claims (4)

1. 導入された外気と空調空間からの還気の一部である排気とを全熱交換して外気の冷却及び除湿を行なう全熱交換手段を有する全熱交換機と、該全熱交換機から送給された空気を冷却するコイル手段及び該コイル手段からの空気を除湿する除湿手段を有する除湿機と、前記除湿手段により除湿される際に加熱されて除湿機から送給された空気と空調空間からの還気とが混じった空気を冷却するコイル手段を有する空調機を備え、該空調機のコイル手段において冷却された空気を前記空調空間へ給気し得るよう構成したことを特徴とする空調システム。
2. 全熱交換手段は回転可能な全熱交換ロータである請求項１記載の空調システム。
3. 除湿手段は回転可能な除湿ロータである請求項１又は２記載の空調システム。
4. コイル手段は冷温コイルである請求項１、２又は３記載の空調システム。

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