JP2020165599A

JP2020165599A - 空気調和システム

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Publication number: JP2020165599A
Application number: JP2019066924A
Authority: JP
Inventors: 木村　恵一; Keiichi Kimura; 恵一木村; 貴之石田; Takayuki Ishida; 英数佐藤; Hidekazu Sato; 後藤　和也; Kazuya Goto; 和也後藤
Original assignee: Kimura Kohki Co Ltd
Current assignee: Kimura Kohki Co Ltd
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: JP6764599B1

Abstract

【課題】省エネルギーで機械室が不要な空気調和システムを得る。【解決手段】被空調空間（Ｓ）の天井に設置される２組以上の空調機器（Ａ）を備える。空調機器（Ａ）は、空調用空気を熱交換用水にて冷却又は加熱して被空調空間（Ｓ）に空調用空気を出しつつ空調用空気の熱を放射する放射空調機（３）と、熱交換用冷媒にて外気を冷却又は加熱するヒートポンプ（８）を有すると共に外気を放射空調機（３）を経由して被空調空間（Ｓ）に供給する外調機（４）と、を備える。空調機器（Ａ）の運転と停止を組単位で行う第１の運転パターンと外調機（４）の単体運転と外調機（４）及び放射空調機（３）の同時運転とを切換える第２の運転パターンとを用いて被空調空間（Ｓ）を空調する制御装置（２）を、備える。【選択図】図３

Description

本発明は空気調和システムに関するものである。

従来、ビルの空気調和システムは、屋外の冷温水熱源機と屋内の冷温水式空調機とを水配管で接続し、冷温水式空調機から空調用空気をダクトを使って室内に供給し、室内の二酸化炭素が基準値を超えないように外気を導入する構成となっている。あるいは、冷温水を使わずに、ヒートポンプ式の室外機と室内機を冷媒配管で接続した構成となっている。

特開２０１６−２１７５６１号公報

冷温水式の場合、前記空調機は床面設置のため、空調機専用の機械室がビルに必要でレンタブル比が低下する問題がある。さらに、冷温水式空調機で冷房運転と暖房運転を同時にするには、４管式と呼ばれる冷水と温水を同時に冷温水式空調機へ送る熱源設備が必要で、設備コスト及び運転コストが高くなる。また、２管式と呼ばれる冷水と温水を切換えて冷温水式空調機へ送る熱源設備では、冷房運転と暖房運転を同時にすることができず快適性が損なわれる問題がある。

本発明は上記課題を解決するため、被空調空間の天井に設置される２組以上の空調機器を備え、前記空調機器は、空調用空気を熱交換用水にて冷却又は加熱して前記被空調空間に前記空調用空気を出しつつ前記空調用空気の熱を放射する放射空調機と、熱交換用冷媒にて外気を冷却又は加熱するヒートポンプを有すると共に前記外気を前記放射空調機を経由して前記被空調空間に供給する外調機と、を備え、前記空調機器の運転と停止を組単位で行う第１の運転パターンと前記外調機の単体運転と前記外調機及び前記放射空調機の同時運転とを切換える第２の運転パターンとを用いて前記被空調空間を空調する制御装置を、備えたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、
（１）空調機器を全て天井に設置するので、機械室が不要で施工の省力化が図れて、レンタブル比を高めることができる。
（２）第１の運転パターンを用いることで、中間期などの低空調負荷時にも空調能力の過不足が発生せず、無駄なエネルギー消費がなくなって快適性と省エネ性が向上する。
（３）冷房と暖房の両方が要求される中間期などに、第２の運転パターンを用いてヒートポンプ式の外調機単体で冷房運転と暖房運転を自由に切換えできるので快適性が向上する。しかも、外気冷房ができかつ放射空調機の熱源機を停止できるので省エネ性が向上する。
（４）外調機から放射空調機を経由して２段階で空気を調整するので外調機単体よりも除湿効果や加湿効果が優れる。
（５）２管式の熱源設備と、ヒートポンプ式の外調機を設けるだけでよいので、４管式の熱源設備に比べて、設備及び運転コストを低減できる。
（６）熱放射の作用によりドラフト感や温度ムラがなく被空調空間の快適性が向上する。
請求項２の発明によれば、第３の運転パターンが加わることで被空調空間の温度及び湿度の制御範囲が拡がり、きめ細かな空調が行える。
請求項３の発明によれば、第４の運転パターンにより空調機器の運転時間を平均化して長寿命化を図れる。

請求項４の発明によれば、
（１）冷媒配管が不要な一体形ヒートポンプを備えた外調機なので、セパレートタイプのヒートポンプ式空調機と比べて設備コスト及び運転コストを低減できる。
（２）外気と比べてエクセルギーの高い還気を熱源として利用するので、省エネ性の向上とデフロスト運転の軽減を図れる。
（３）外調機で換気することができるので、別個に換気装置を設置せずに済み設備コストを低減できる。
（４）外調機全体を天井から降ろすことなく、スライド機構にて外調機の底面からヒートポンプを出し入れできるのでメンテナンスが容易である。

請求項５の発明によれば、
（１）２つのチャンバ部及び気流調節部を備えた簡単な構造なのでコストダウンでき、軽量化を図れて施工やメンテナンスが容易となる。
（２）気流調節部によって空調用空気の風速及び分布を調節して、第２チャンバ部の空調用空気の風量分布、ひいては被空調空間への空調用空気の放出と放射を均等化できる。
請求項６の発明によれば、
（１）第２貫孔群の開口面積を第１貫孔群の開口面積よりも大きくすることで、２段階で静圧を高めながら徐々に風速を落として、第１チャンバ部と第２チャンバ部の空間全体に空調用空気を行き渡らせることができる。そのため、被空調空間への空調用空気の放出と放射を均等化でき、ドラフト感や温度ムラのない快適空調を行える。
（２）２つのチャンバ部に貫孔群を形成する簡単な構造なのでコストダウンでき、軽量化を図れて施工やメンテナンスが容易となる。
請求項７の発明によれば、第１チャンバ部が風上側から風下側に向かって狭めてあるので、空調用空気の風速が風上側から風下側に向かって高まって、第１チャンバ部と第２チャンバ部の空間全体に空調用空気を行き渡らせることができる。そのため、被空調空間への空調用空気の放出と放射を均等化でき、ドラフト感や温度ムラのない快適空調を行える。

本発明の空気調和システムの簡略平面図である。図１に示す空気調和システムの簡略側面図である。外調機と放射空調機と制御装置の簡略説明図である。外調機の側面断面図である。熱交換器の簡略説明図である。放射空調機の底面側斜視図である。図６に示す放射空調機の底面図である。図７に示す放射空調機のＸ−Ｘ断面図である。図８に示す放射空調機のＹ−Ｙ断面図である。図８に示す放射空調機のＺ−Ｚ断面図である。

図１から図５は、本発明の空気調和システムの一実施例を示している。この空気調和システムは、ビルの室内などの被空調空間Ｓの天井に設置される２組以上の空調機器Ａと、空調機器Ａと屋外を連通連結するダクト１と、制御装置２と、を備えている。空調機器Ａは、外気や還気などの空調用空気を熱交換用水にて冷却又は加熱して被空調空間Ｓに空調用空気を出しつつ空調用空気の熱を放射する放射空調機３と、熱交換用冷媒にて外気を冷却又は加熱するヒートポンプ８を有すると共に外気を放射空調機３を経由して外気のみ又は外気と還気の混合空気を被空調空間Ｓに供給する外調機４と、を備え、複数の放射空調機３で空調機グループＢを構成している。

図２に示すように、被空調空間Ｓを天井板５で仕切って天井懐を設け、天井チャンバ―として利用する。この天井懐に空調機器Ａを設置する。天井板５には、還気取入口６と、放射空調機３及び外調機４を保守するための点検口（図示省略）と、を設置する。図１に示すように、被空調空間Ｓの外側の廊下には、屋外と通じるダクト１と、放射空調機３と図示省略の熱源設備とに熱交換用水を循環させる水配管７と、を設置する。図１と図２においてダクト１は太い実線で簡略化して示す。また、各図の太い点線の矢印は空気の流れを示す。

図３と図４に示すように、外調機４は、熱交換用冷媒にて外気（ＯＡ）を冷却又は加熱するヒートポンプ８と、外気を加湿する外調用加湿器９と、外気を外調機４から放射空調機３に供給する外気用給気ファン１０と、還気（ＲＡ）を屋外に排気（ＥＡ）する熱源空気用排気ファン１１と、これらを内装するケーシング１２と、ケーシング１２の底部からヒートポンプ８を出し入れするためのスライド機構１３と、を備えており、被空調空間Ｓの還気を熱源空気として使用する。

スライド機構１３は、ヒートポンプ８を取り付けたフレーム１４と、フレーム１４を上下移動させるダンパー１５と、を備える。ダンパー１５は、ケーシング１２とフレーム１４に跨って設ける。外調機４の保守点検は、ケーシング１２の底面の開口部を閉じている外装板１６を外し、スライド機構１３を用いてフレーム１４と共にヒートポンプ８を降ろして行う。ダンパー１５は、ガスやオイルの圧力で伸縮して作業者の身体的負担を軽減する。

図１と図３に示すように、ヒートポンプ８は、外気用熱交換器１７と熱源空気用熱交換器１８と圧縮機１９とを有する冷媒配管工事が不要な一体形とする。外気用給気ファン１０は、屋外からダクト１を介して外気を取込んで外気用熱交換器１７を通過させ、外調機４からダクト１を介して放射空調機３に送風する。熱源空気用排気ファン１１は、被空調空間Ｓから還気取入口６及び天井チャンバ―を介して還気を取込んで熱源空気用熱交換器１８を通過させ、外調機４からダクト１を介して屋外に排気する。

ヒートポンプ８は、冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この冷媒と熱交換する空気に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うものである。ヒートポンプ８は、冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を担う外気用熱交換器１７及び熱源空気用熱交換器１８と、冷媒を圧縮して搬送する圧縮機１９と、冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構２０と、外気用熱交換器１７及び熱源空気用熱交換器１８の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構２１と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成る。

図３と図５に示すように、外気用熱交換器１７は、公知のプレートフィンコイルと同様に、空気が通過する多数のプレート状の伝熱板２２の群と、伝熱板２２に接続された多数の伝熱管２３の群と、を備える。この伝熱管２３内を流れる冷媒と、外気用熱交換器１７の通過空気とが、伝熱管２３及び伝熱板２２を介して熱交換する。伝熱管２３は、外周を楕円形にするのが好ましいが円形でもよい。外気用熱交換器１７で空気を冷却又は加熱する能力の増減は、図示省略のインバータを用いて圧縮機１９の回転数を変えることで調整する。熱源空気用熱交換器１８も外気用熱交換器１７と同様に構成する。

図２から図１０に示すように、放射空調機３は、外調機４から供給された外気（ＯＡ）と被空調空間Ｓの還気（ＲＡ）とを熱交換用水にて冷却又は加熱する空調用熱交換器２４と、放射ユニット２５と、外気と還気を放射ユニット２５を介して給気（ＳＡ）する空調用給気ファン２６と、ドレンパン２７と、これらを内装するケーシング２８と、を備えている。

空調用給気ファン２６は、外調機４から供給された外気と、被空調空間Ｓから還気取入口６及び天井チャンバ―を介して取込んだ還気と、を空調用熱交換器２４に通過させ、放射ユニット２５に送風する。空調用熱交換器２４は、外気用熱交換器１７と同じ構造で、伝熱管３０内を流れる熱交換用水と空調用熱交換器２４の通過空気とが、伝熱管３０及び伝熱板２９を介して熱交換する。空調用熱交換器２４で空気を冷却又は加熱する能力の増減は、水配管７に設けた電動弁３１を稼働させて伝熱管３０内を流れる熱交換用水の流量を変えることで調整する。電動弁３１は各々の放射空調機３に設ける。

放射ユニット２５は、空調用空気が流れる第１チャンバ部３２と、第１チャンバ部３２から入った空調用空気を被空調空間Ｓに出しつつ空調用空気の熱を放射する第２チャンバ部３３と、第１チャンバ部３２から第２チャンバ部３３に出る空調用空気の風速及び分布を調節する気流調節部３４と、を備えている。放射空調機３は、天井板５の開口部から第２チャンバ部３３の底面を被空調空間Ｓに向けた状態で設置する。

気流調節部３４は、空調用空気を第２チャンバ部３３に出す第１貫孔３５の群を備え、第２チャンバ部３３は、空調用空気を被空調空間Ｓに出す第２貫孔３６の群を備えている。第１チャンバ部３２は、第２チャンバ部３３に接して第２チャンバ部３３に空調用空気を出す平板形状の第１通気部３７を、備えている。この第１通気部３７に第１貫孔３５の群を形成する。第１チャンバ部３２の空調用空気が通過する断面積（図８の切断面と平行な方向の面積）は、風上側から風下側に向かって狭める。

第２チャンバ部３３は、被空調空間Ｓに接して被空調空間Ｓに空調用空気を出す平板形状の第２通気部３８と、蓄熱部３９と、第２通気部３８及び蓄熱部３９を取付ける鍔付の枠体４０と、を備えている。この第２通気部３８に第２貫孔３６の群を形成する。第２貫孔３６の群の開口面積は第１貫孔３５の群の開口面積よりも大きく設定する。第１貫孔３５と第２貫孔３６の形状は、真円、楕円、長穴、細溝など各種の形状に変更するも自由である。

蓄熱部３９は、空調用空気が通る隙間をあけて配置されると共に空調用空気の熱を蓄めて放射するプレート４１の群にて構成する。プレート４１と第２通気部３８は、熱伝達及び熱放射率が高いアルミ等を用いる。このプレート４１の群を空調用空気が分流拡散しながら整流状に通過して第２通気部３８の第２貫孔３６から被空調空間Ｓへ出る。空調用空気の熱はプレート４１の群と第２通気部３８に熱伝達し、第２貫孔３６の群を通してプレート４１の群から、及び、第２通気部３８から、被空調空間Ｓへ放射される。

第１チャンバ部３２及び第２チャンバ部３３は、厚みが薄い箱形に形成し、厚みの方向へ第１チャンバ部３２と第２チャンバ部３３を隣り合わせて設ける。図例では、第１チャンバ部３２と第２チャンバ部３３は長方形の扁平形状としたが細長、真四角、丸など各種の扁平形状に変更するも自由である。

制御装置２は、被空調空間Ｓの空気（還気）や空調機器Ａから吹出す空気の温度及び湿度を検出する検出部５０と、被空調空間Ｓの温度及び湿度を設定する設定部５１と、空調機器Ａのファン１０、１１、２６の風量を制御する風量制御部５２と、空調機器Ａの加湿器９の加湿量を制御する加湿制御部５３と、空調機器Ａで外気や還気を冷却又は加熱する能力を制御する能力制御部５４と、検出部５０で検出した被空調空間Ｓの空気の温度及び湿度が設定部５１で設定した被空調空間Ｓの温度及び湿度に達するように風量制御部５２と加湿制御部５３と能力制御部５４に指令を送る空調制御部５５と、を備えている。制御装置２は、マイクロプロセッサ、各種センサー、その他の制御機器にて構成する。

空調制御部５５は、空調機器Ａの運転と停止を組単位で行う第１の運転パターンと、外調機４の単体運転と外調機４及び放射空調機３の同時運転とを切換える第２の運転パターンと、放射空調機３の運転と停止を空調機グループ単位で行う第３の運転パターンと、運転中の空調機器Ａと停止中の空調機器Ａを交替させる第４の運転パターンと、外調機４と放射空調機３の一方又は両方の空調能力を増減させる第５の運転パターンと、を有しており、第１から第５の運転パターンを切換え又は組合せて被空調空間Ｓを空調する。

たとえば、被空調空間Ｓの空気の温度及び湿度と、予め設定した温度及び湿度と、の差（空調負荷）が減少するにしたがって、空調機器Ａの運転パターンを第１、第２、第４、第５の順番に切換えて空調能力を減少させる。第１と第２と第４と第５の運転パターンを組合せた場合は、被空調空間Ｓの温度及び湿度の制御範囲が拡がり、きめ細かな空調が行える。これらの運転パターンに、第４の運転パターンを追加で組合せた場合は、特定の空調機器Ａだけに運転が偏らなくなる。第３の運転パターンは、空調機グループＢに熱交換用水を循環させる水配管７の枝管毎に電動二方弁４２を設け、これを稼働させて行う。

なお、本発明は上述の実施例に限定されない。設計空調能力に応じて空調機器Ａの組数を増減してもよく、必要な空調能力を超える場合は空調機器Ａの適宜の組の外調機４を省略するも自由である。また、天井板５を省略した状態の天井に空調機器Ａを設置してもよい。

２制御装置
３放射空調機
４外調機
８ヒートポンプ
１２ケーシング
１３スライド機構
１７外気用熱交換器
１８熱源空気用熱交換器
１９圧縮機
２４空調用熱交換器
２５放射ユニット
２６空調用給気ファン
３２第１チャンバ部
３３第２チャンバ部
３４気流調節部
３５第１貫孔
３６第２貫孔
Ａ空調機器
Ｂ空調機グループ
Ｓ被空調空間

請求項１の発明によれば、
（１）空調機器を全て天井に設置するので、機械室が不要で施工の省力化が図れて、レンタブル比を高めることができる。
（２）第１から第５の運転パターンを切換え又は組合せることで被空調空間の温度及び湿度の制御範囲が拡がり、きめ細かな空調が行える。中間期などの低空調負荷時にも空調能力の過不足が発生せず、無駄なエネルギー消費がなくなって快適性と省エネ性が向上する。
（３）冷房と暖房の両方が要求される中間期などに、第２の運転パターンを用いてヒートポンプ式の外調機単体で冷房運転と暖房運転を自由に切換えできるので快適性が向上する。しかも、外気冷房ができかつ放射空調機の熱源機を停止できるので省エネ性が向上する。また、第４の運転パターンにより空調機器の運転時間を平均化して長寿命化を図れる。
（４）外調機から放射空調機を経由して２段階で空気を調整するので外調機単体よりも除湿効果や加湿効果が優れる。
（５）２管式の熱源設備と、ヒートポンプ式の外調機を設けるだけでよいので、４管式の熱源設備に比べて、設備及び運転コストを低減できる。
（６）熱放射の作用によりドラフト感や温度ムラがなく被空調空間の快適性が向上する。
請求項２の発明によれば、放射空調機が２つのチャンバ部を備えた簡単な構造なのでコストダウンでき、軽量化を図れて施工やメンテナンスが容易となる。

たとえば、被空調空間Ｓの空気の温度及び湿度と、予め設定した温度及び湿度と、の差（空調負荷）が減少するにしたがって、空調機器Ａの運転パターンを第１、第２、第３、第５の順番に切換えて空調能力を減少させる。第１と第２と第３と第５の運転パターンを組合せた場合は、被空調空間Ｓの温度及び湿度の制御範囲が拡がり、きめ細かな空調が行える。これらの運転パターンに、第４の運転パターンを追加で組合せた場合は、特定の空調機器Ａだけに運転が偏らなくなる。第３の運転パターンは、空調機グループＢに熱交換用水を循環させる水配管７の枝管毎に電動二方弁４２を設け、これを稼働させて行う。

Claims

被空調空間（Ｓ）の天井に設置される２組以上の空調機器（Ａ）を備え、
前記空調機器（Ａ）は、空調用空気を熱交換用水にて冷却又は加熱して前記被空調空間（Ｓ）に前記空調用空気を出しつつ前記空調用空気の熱を放射する放射空調機（３）と、熱交換用冷媒にて外気を冷却又は加熱するヒートポンプ（８）を有すると共に前記外気を前記放射空調機（３）を経由して前記被空調空間（Ｓ）に供給する外調機（４）と、を備え、
前記空調機器（Ａ）の運転と停止を組単位で行う第１の運転パターンと
前記外調機（４）の単体運転と前記外調機（４）及び前記放射空調機（３）の同時運転とを切換える第２の運転パターンと
を用いて前記被空調空間（Ｓ）を空調する制御装置（２）を、備えたことを特徴とする空気調和システム。
前記空調機器（Ａ）が、複数の前記放射空調機（３）で構成された空調機グループ（Ｂ）を、備え、
前記制御装置（２）が、前記放射空調機（３）の運転と停止を前記空調機グループ（Ｂ）単位で行う第３の運転パターンを、有する請求項１に記載の空気調和システム。
前記制御装置（２）が、運転中の前記空調機器（Ａ）と停止中の前記空調機器（Ａ）を交替させる第４の運転パターンを、有する請求項１又は２に記載の空気調和システム。
前記外調機（４）が、前記被空調空間（Ｓ）の還気を熱源空気として使用するものであって外気用熱交換器（１７）と熱源空気用熱交換器（１８）と圧縮機（１９）とを有する一体形のヒートポンプ（８）と、前記ヒートポンプ（８）を内装するケーシング（１２）と、前記ケーシング（１２）の底部から前記ヒートポンプ（８）を出し入れするためのスライド機構（１３）と、を備えた請求項１から３のいずれかに記載の空気調和システム。
前記放射空調機（３）が、前記空調用空気を熱交換する空調用熱交換器（２４）と、放射ユニット（２５）と、前記空調用空気を前記放射ユニット（２５）に送るファン空調用給気ファン（２６）と、を備え、
前記放射ユニット（２５）が、前記空調用空気が流れる第１チャンバ部（３２）と、前記第１チャンバ部（３２）から入った前記空調用空気を前記被空調空間（Ｓ）に出しつつ前記空調用空気の熱を放射する第２チャンバ部（３３）と、前記第１チャンバ部（３２）から前記第２チャンバ部（３３）に出る前記空調用空気の風速及び分布を調節する気流調節部（３４）と、を備えた請求項１から４のいずれかに記載の空気調和システム。
前記気流調節部（３４）が、前記空調用空気を前記第２チャンバ部（３３）に出す第１貫孔（３５）の群を備え、前記第２チャンバ部（３３）が、前記空調用空気を前記被空調空間（Ｓ）に出す第２貫孔（３６）の群を備え、前記第２貫孔（３６）の群の開口面積を前記第１貫孔（３５）の群の開口面積よりも大きく設定した請求項５に記載の空気調和システム。
前記第１チャンバ部（３２）の前記空調用空気が通過する断面積を、風上側から風下側に向かって狭めた請求項５又は６に記載の空気調和システム。