JP2008164252A - 空気調和設備 - Google Patents

Abstract

【課題】省エネルギー効果が高い空気調和設備を提供する。
【解決手段】室外から導かれた空気を調整して室内空間１０の空調を行う空気調和設備１であって、顕熱の交換を行う顕熱交換器３と、空気の湿度を調整する調湿装置４と、室外の空気を顕熱交換器３を介して調湿装置４に導く第１給気ライン５と、調湿装置４で湿度が調整された空気を顕熱交換器３を介して室内空間１０に導く第２給気ライン６とを備えており、顕熱交換器３は、第１給気ライン５により導かれた室外の空気と、第２給気ライン６により導かれた調湿後の空気との間で熱交換可能に構成されている空気調和設備１。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和設備に関する。

従来、室内空間の温度や湿度を適正に保つ方法として種々の設備が提案されており、例えば、特許文献１に開示されているような空気調和設備が知られている。

この空気調和設備は、図５に示すように、外気側から室内空間にかけて、全熱交換器１０１、冷却コイル１０２、顕熱交換ロータ１０３、加熱コイル１０４及び加湿器１０５が各々配置されている。全熱交換器１０１は、外気と、顕熱交換ロータ１０３を通過したリターン空気との全熱交換を行うことにより冷却コイル１０２の作動負荷を低減させるように構成されている。また、顕熱交換ロータ１０３は、冷却コイル１０２で過冷却されて湿気が除去された空気と室内空間１１０からのリターン空気との熱交換を行うことにより、過冷却空気を再熱し、再熱負荷を低減させると共に、室内空間側からのリターン空気の冷却を行うように構成されている。加熱コイル１０４及び加湿器１０５は、顕熱交換ロータ１０３を通過し室内空間１１０に導かれる空気に対し、不足する湿度を加湿によりまかなうための装置である。
特開２００５−１１４２５４号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示されている空気調和装置は、冷却コイルの冷却負荷を低減させると共に、室内空間に供給される空気の再熱負荷を下げるためには、全熱交換器及び顕熱交換器の双方が必要であり、設備が大型化すると共に、省エネルギー効果が乏しいという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、省エネルギー効果が高い空気調和設備を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、室外から導かれた空気を調整して室内空間の空調を行う空気調和設備であって、顕熱の交換を行う顕熱交換器と、空気の湿度を調整する調湿装置と、室外の空気を前記顕熱交換器を介して前記調湿装置に導く第１給気ラインと、前記調湿装置で湿度が調整された空気を前記顕熱交換器を介して前記室内空間に導く第２給気ラインとを備えており、前記顕熱交換器は、前記第１給気ラインにより導かれた室外の空気と、前記第２給気ラインにより導かれた調湿後の空気との間で熱交換可能に構成されている空気調和設備により達成される。

また、この空気調和設備において、顕熱及び潜熱の交換を行う全熱交換器と、前記全熱交換器を介して前記室内空間の空気を室外に排出する排気ラインとを更に備え、前記第１給気ラインは、前記全熱交換器に室外の空気を導いた後、前記顕熱交換器に空気を導くように構成されており、前記全熱交換器は、前記第１給気ラインにより導かれた室外の空気と、前記排気ラインにより導かれた前記室内空間の空気との間で熱交換可能に構成されていることが好ましい。

また、前記第２給気ラインは、前記調湿装置により湿度が調整された空気の一部を前記室内空間に直接導くバイパスラインを更に備えていることが好ましい。

本発明によれば、省エネルギー効果が高い空気調和設備を提供することができる。

以下、本発明に係る空気調和設備について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る空気調和設備の基本構成の一例を示す概略構成図である。

本実施形態に係る空気調和設備１は、室外から導かれた空気を調整して室内空間１０の空調を行う設備であって、図１に示すように、顕熱及び潜熱を交換可能な全熱交換器２と、顕熱のみを交換可能な顕熱交換器３と、空気の湿度を調整する調湿装置４とを備えている。

また、空気調和設備１は、室外の空気を取り入れて処理して室内空間１０に導入すると共に、室内空間１０の空気を室外に排出するサイクルを形成するために、第１給気ライン５と、第２給気ライン６と、排気ライン７とを備えている。第１給気ライン５は、室外の空気を全熱交換器２及び顕熱交換器３を介して調湿装置４に導くラインであり、全熱交換器２に室外の空気を導いた後、顕熱交換器３に全熱交換後の空気を導くように構成されている。第２給気ライン６は、調湿装置４で湿度が調整された空気を顕熱交換器３を介して室内空間に導くラインである。排気ライン７は、全熱交換器２を介して室内空間１０の空気を室外に排出するラインである。

全熱交換器２は、第１給気ライン５により導かれた室外の空気と、排気ライン７により導かれた室内空間１０の空気との間で、顕熱及び潜熱の熱交換を行う。

顕熱交換器３は、全熱交換器２を通過し第１給気ラインにより導かれた室外の空気と、調湿装置４を通過し第２給気ライン６により導かれた調湿後の空気との間で顕熱の熱交換を行う。

調湿装置４は、顕熱交換器３を通過した空気の湿度を所望の値に調整する装置であり、熱媒体コイル４１と加湿器４２とを備えている。調湿装置４によって除湿を行う場合には、熱媒体コイル４１に冷水又は冷媒を供給することにより、当該熱媒体コイル４１が冷却コイルとして機能するように構成する。これにより、顕熱交換器３を通過した空気を過冷却して、当該熱媒体コイル４１の表面に空気中の水分を凝縮させて除湿を行う。なお、除湿時においては、加湿器４２を作動させずに、熱媒体コイル４１を通過した空気が加湿器４２を介して顕熱交換器３に供給されるように構成されている。

また、加湿を行う場合には、熱媒体コイル４１に温水を供給することにより、当該熱媒体コイル４１が加熱コイルとして機能するように構成すると共に、加湿器４２により空気中に水蒸気を付加する。加湿器４２としては、水道水の水を気化させて空気中の湿度を高める気化式加湿器を例示することができる。

このように構成された空気調和設備１の作動について、発明者らが行った実験データ及び添付図面を参照しながら、夏季における除湿運転形態および冬季における加湿運転形態に分けて説明する。

最初に、夏季における除湿運転形態について説明する。表１は、除湿運転時の実験データであり、第１給気ライン５、第２給気ライン６及び排気ライン７を通過する空気の各位置における、空気の温度（℃）、湿球温度（℃）、相対湿度（％）、絶対湿度（ｋｇ／ｋｇ’）及びエンタルピー（ｋｃａｌ／ｋｇ）を示したものである。表１における位置ａ〜位置ｈは、図１におけるａ〜ｈの位置に対応する。なお、除湿運転時においては調湿装置４の加湿器４２を作動させないため、表１中の位置ｅ欄における空気の状態は、位置ｄ欄における空気の状態と同一になっている。

まず、室外の空気は、第１給気ライン５により全熱交換器２に導かれる。この空気は、排気ライン７により導かれる室内空間１０の空気との間で全熱交換を行う。排気ライン７により導かれる室内空間１０の空気は、第１給気ライン５により全熱交換器２に導かれる空気よりも温度および湿度共に低いため（表１の位置ａ欄、位置ｇ欄参照）、第１給気ライン５により導かれた高温多湿の空気は、温度及び湿度が低下した空気になる（表１の位置ｂ欄参照）。

次に、温度及び湿度が低下した空気は、顕熱交換器３に導かれ、調湿装置４を通過した空気との間で顕熱交換を行う。調湿装置４を通過した空気は、後述のように低温かつ低湿度であるため、全熱交換器２から導かれた空気は、絶対湿度を維持したまま温度のみが更に低下された状態となって調湿装置４に導かれる（表１の位置ｃ欄参照）。

調湿装置４においては、冷水又は冷媒が供給された熱媒体コイル４１回りを空気が通過することにより、空気中の湿気（水蒸気）が熱媒体コイル４１の表面に凝縮し除去される。除去された湿気は、図示しないドレンから外部に排出される。この熱媒体コイル４１を通過した空気は、低温かつ絶対湿度が低い空気となる（表１の位置ｄ（位置ｅ）欄参照）。

調湿装置４を通過した空気は、顕熱交換器３において全熱交換器２から導かれた空気との顕熱交換により絶対湿度を維持したまま加温されて室内空間１０に導かれる（表１の位置ｆ欄参照）。

室内空間１０に導かれた空気は、室内空間１０に居住する人間が発する熱や水蒸気や、配置されるパソコン、オーディオ設備等が発する熱の影響を受けて温度及び絶対湿度共に上昇する（表１の位置ｇ欄参照）。

室内空間１０の空気は、排気ライン７を介して全熱交換器２に導かれ、第１給気ライン５により導かれた室外空気との間で全熱交換を行う。これにより、室内空間１０から導かれた空気は、温度及び湿度共に高められた状態となり、室外に排出される（表１の位置ｈ欄参照）。

次に、冬季における加湿運転形態について説明する。表２は、加湿運転時の実験データであり、表２中の位置ａ〜位置ｈは、表１と同様に、図１におけるａ〜ｈの位置に対応している。

まず、室外の空気は、第１給気ライン５により全熱交換器２に導かれる。この空気は、排気ライン７により導かれる室内空間１０の空気との間で全熱交換を行う。室内空間１０の温度及び絶対湿度は、室外の空気よりも高い状態であるから（表２の位置ａ欄、位置ｇ欄参照）、第１給気ライン５により導かれた低温かつ低湿度の空気は、温度及び湿度共に高められる（表２の位置ｂ欄参照）。
次に、温度及び絶対湿度が高められた空気は、顕熱交換器３に導かれ、調湿装置４を通過した空気との間で顕熱交換を行う。調湿装置４を通過した空気は、後述のように高温であるため（表２の位置ｅ欄参照）、全熱交換器２から導かれた空気は、絶対湿度を維持したまま温度のみが更に高められた状態となって調湿装置４に導かれる（表２の位置ｃ欄参照）。

調湿装置４においては、温水が供給された熱媒体コイル４１回りを空気が通過することにより、空気の温度が高められる（表２の位置ｄ欄参照）。また、加湿器４２から水蒸気の供給を受けるため、空気の絶対湿度が高められる（表２の位置ｅ欄参照）。したがって、調湿装置４を通過した空気は、高温多湿の状態となる（表２の位置ｅ欄参照）。このように、加湿運転時においては、空気が加湿器４２を通過する前において、温水が供給された熱媒体コイル４１により空気が予め加熱されるため、加湿器４２を通過する際に多くの水蒸気を空気中に含ませることが可能になり、効率よく空気の加湿を行うことができる。

調湿装置４を通過した高温多湿の空気は、顕熱交換器３において全熱交換器２から導かれた温度の低い空気との顕熱交換により絶対湿度を維持したまま冷却されて室内空間１０に導かれる（表２の位置ｆ欄参照）。室内空間１０に供給される空気は、低温多湿な状態となっている。

室内空間１０に導かれた空気は、室内空間１０に居住する人間が発する熱や水分（湿気）や、配置されるパソコン、オーディオ設備等が発する熱の影響を受けて温度及び絶対湿度共に上昇する（表２の位置ｇ欄参照）。

室内空間１０の空気は、排気ライン７を介して全熱交換器２に導かれ、第１給気ライン５により導かれた室外空気との間で全熱交換を行う。これにより、室内空間１０から導かれた空気は、温度及び絶対湿度共に低下した状態となり、室外に排出される（表２の位置ｈ欄参照）。

本実施形態に係る空気調和設備１によれば、除湿運転時においては、顕熱交換器３が、全熱交換器２を通過した室外の空気と、調湿装置４を通過し湿気が除去された低温の空気との間で顕熱交換を行うように構成されているため、室内空間１０に供給される空気に含まれる湿気を少ない状態に維持したまま（除湿された状態のまま）、当該空気の温度を効率よく再熱することができ、再熱負荷を低減させることができる。更に、顕熱交換器３の作用により、調湿装置４に導かれる空気の温度を低い状態に変化させることができるので、冷却コイルとして機能する熱媒体コイル４１の作動負荷を低減させることができる。このように顕熱交換器３単体の作用により、室内空間１０に供給される空気を効率的に再熱することができると共に、熱媒体コイル４１の作動負荷を低減させることができるので、大幅な省エネルギー効果を得ることができる上に、空気調和設備１の小型化を図ることも可能になる。

また、加湿運転時においては、顕熱交換器３の作用により、室内空間１０に供給される空気に含まれる湿気を多い状態に維持したまま、当該空気の温度を効率よく下げることができる。更に、調湿装置４に導かれる空気の温度を、当該調湿装置４を通過した空気の熱エネルギーを利用して加温することができるので、加熱コイルとして機能する熱媒体コイル４１の作動負荷を効率よく低減させることができ、高い省エネルギー効果を得ることが可能になる。

また、除湿運転時においては、調湿装置４における熱媒体コイル４１に供給する冷水又は冷媒の温度や流量などを制御することにより、熱媒体コイル４１を通過し顕熱交換器３に導かれる空気の温度を容易に変化させることができる。この結果、顕熱交換器３を通過して室内空間１０に供給される空気の温度を所望の値に設定することができ、室内空間１０の室温制御を容易に行うことができる。同様に、加湿運転時においても、熱媒体コイル４１に供給する温水の温度や流量等を制御することにより、室内空間１０に供給される空気の温度を所望の値に設定することが可能になる。

また、本実施形態においては、第１給気ライン５により導かれた室外の空気と、排気ライン７により導かれた室内空間１０の空気との間で、顕熱及び潜熱の交換を行う全熱交換器２を備えている。これにより、室内空間１０から外部に排出される空気の持つ熱エネルギーを有効的に利用して、室外の空気が有する温度や湿度を所望の状態に調整して顕熱交換器３に導くことができるので、顕熱交換器３の作動負荷を低減させることが可能になる。この結果、除湿運転時及び加湿運転時の双方において、大幅な省エネルギー効果を得ることができ、空気調和設備１のランニングコストをより一層低減させることができる。なお、この全熱交換器２を省いた構成を採用することも可能である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されない。例えば、図２に示すように、調湿装置４により湿度が調整された空気の一部を、顕熱交換器３を介することなく直接的に室内空間１０に導くバイパスライン８を第２給気ライン６が備えるように構成してもよい。このような構成により、顕熱交換器３を通過し温度が変化した空気に対して、この空気の温度とは異なる空気を混合することができるので、バイパスライン８を通過して室内空間１０に供給される空気量を制御することにより、室内空間１０を所望の温度に設定することが可能になる。なお、バイパスライン８を通過する空気量を調節するには、例えば、バイパスライン８の途中に電磁弁等の制御弁を配置し（図示せず）、当該制御弁の開度を調節することにより行うことができる。

また、本実施形態においては、調湿装置４が、除湿及び加湿の双方を行うことが可能になるように構成しているが、例えば、図３に示すように、熱媒体コイル４１に冷水又は冷媒のみを供給して除湿のみを行う装置として調湿装置４を構成することも可能である。また、図１に示す構成において、熱媒体コイル４１に温水のみを供給すると共に、加湿器４２により加湿を行う装置として調湿装置４を構成することも可能である。

また、図４に示すように本実施形態に係る空気調和設備１と、室内空間１０の空気を循環させて冷房又は暖房を行うエアコン等の室内空調機９とを併用して室内空間１０の空調を行うように構成してもよい。このような構成により室内空間１０を所望の温度や湿度に容易に設定することが可能になる。特に、冬季において室内空間１０を加湿する場合において、室内空間１０の湿度を所望の状態に容易に維持しつつ、高い省エネルギー効果を得ることができる。この点について以下に説明する。

従来から知られている図５に示すような空気調和設備１００と、室内空調機９とを併用して室内空間１０の空調を行う場合、空気調和設備１００から室内空間１０に供給される空気は、湿度が高い状態ではあるが、同時に温度も高い状態となっている。このような空気が室内空間１０に供給されると、室内空間１０に居住する人間や、配置されているパソコン、オーディオ設備等から発生する熱の影響により、室内空間１０の温度が冬季であるにもかかわらず高い状態になる場合がある。このような場合、室内空調機９は暖房運転を行わずに、冷房運転を行うことになる。そうすると、空気調和設備１００の作動により加湿されて室内空間１０に供給された空気に含まれる湿気が、室内空調機９の冷房運転により除去されてしまうことになり、室内空間１０の湿度を所望の状態に維持することが困難になる。このような事態を回避し、室内空間１０の湿度を快適な状態に維持するためには、室内空間１０に供給される空気に含まれる水蒸気の量を増加させる必要があり、加湿コイル１０４や加湿器１０５の作動負荷が大幅に増大しエネルギー効率が極めて悪いものになる。

これに対し、図４に示すように、本発明に係る空気調和設備１と、室内空調機９とを併用した場合には、空気調和設備１における顕熱交換器３が、上述のように、調湿装置４において生成された高温多湿の空気を、その絶対湿度を維持したまま低温多湿の空気に変換し、その後、当該空気が室内空間１０に供給されるため、室内空間１０に居住する人間等が発生する熱により室内空間１０の空気が温められたとしても、当該空気の温度が、室内空調機９が冷房運転を行ってしまう程の温度になることを防止することができる。この結果、室内空調機９は確実に暖房運転を行うので、室内空調機９が空気中の湿気を除去してしまうことを防止でき、室内空間１０の湿度を所望の状態に容易に維持しつつ、高い省エネルギー効果を得て設備のランニングコストを低減させることができる。

本発明の一実施形態に係る空気調和設備の一例を示す概略構成図である。 図１に示す空気調和設備の変形例を示す概略構成図である。 図１に示す空気調和設備のその他の変形例を示す概略構成図である。 図１に示す空気調和設備と室内空調機とを併用した設備の一例を示す概略構成図である。 従来の空気調和設備を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 空気調和設備
２ 全熱交換器
３ 顕熱交換器
４ 調湿装置
４１ 熱媒体コイル
４２ 加湿器
５ 第１給気ライン
６ 第２給気ライン
７ 排気ライン
８ バイパスライン
９ 室内空調機
１０ 室内空間

Claims (3)

1. 室外から導かれた空気を調整して室内空間の空調を行う空気調和設備であって、
   顕熱の交換を行う顕熱交換器と、
   空気の湿度を調整する調湿装置と、
   室外の空気を前記顕熱交換器を介して前記調湿装置に導く第１給気ラインと、
   前記調湿装置で湿度が調整された空気を前記顕熱交換器を介して前記室内空間に導く第２給気ラインとを備えており、
   前記顕熱交換器は、前記第１給気ラインにより導かれた室外の空気と、前記第２給気ラインにより導かれた調湿後の空気との間で熱交換可能に構成されている空気調和設備。
2. 顕熱及び潜熱の交換を行う全熱交換器と、前記全熱交換器を介して前記室内空間の空気を室外に排出する排気ラインとを更に備え、
   前記第１給気ラインは、前記全熱交換器に室外の空気を導いた後、前記顕熱交換器に空気を導くように構成されており、
   前記全熱交換器は、前記第１給気ラインにより導かれた室外の空気と、前記排気ラインにより導かれた前記室内空間の空気との間で熱交換可能に構成されている請求項１に記載の空気調和設備。
3. 前記第２給気ラインは、前記調湿装置により湿度が調整された空気の一部を前記室内空間に直接導くバイパスラインを更に備えている請求項１又は２に記載の空気調和設備。

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