JP5360893B2 - デシカント空調機 - Google Patents

Description

本発明は、デシカント空調機に係り、特に、ヒートポンプシステムを組み込んだデシカント空調機に関する。

従来より、デシカント(吸湿材)を用いて、冷暖房を行う空調方式、例えば、特許文献１が知られており、近時、このデシカント空調システムにヒートポンプを組み込んだデシカント空調機が提案されている。
本来、ヒートポンプシステムを組み込んだデシカント空調機は、対象空気の冷却をヒートポンプで行い、除湿をデシカントで行なおうというものが知られている。
例えば、図１に示すように、外気ＯＡを吸い込み、処理側のデシカントロータａの前段に除湿効率を上げるためのプレクーラとしての蒸発器ｂ１を配置し、後段には冷却を目的とした蒸発器ｂ２を配置して空調空気を室内に給気し、室内還気ＲＡを再生側に吸い込み、両蒸発器の排熱である凝縮器ｃを処理空気側のデシカントロータａの前段に配置して、凝縮器ｃでデシカントロータａを乾燥再生して戸外に排気し、これら蒸発器ｂ１、ｂ２と凝縮器ｃに圧縮機ｄと膨張弁ｅ1,ｅ２とを組み合わせてヒートポンプを構成することが基本的で理想的な構成である。

しかしながら、一般空調の稼働においては、図１のような構成では、凝縮圧力が高くなりすぎて、ヒートポンプシステムとしての運転が成立しないため、図２の従来例１または図３の従来例２に示すような構成として、ヒートポンプシステムを成立させるのが一般的である。すなわち、ヒートポンプの凝縮熱をデシカントロータの再生熱源とし、蒸発熱(冷熱)を処理側の冷熱源として空調の冷却負荷の一部のみを処理していた。デシカントロータでは無処理の顕熱負荷を別途顕熱処理用の空調機（室内機）で対応することになり、デシカント空調機単独で除湿と冷却のすべてをまかなうことはできなかった。

このことを、従来例１の図２の構成のデシカント空調機の作動例を図４の空気線図で説明すると、例えば、外気ＯＡが乾球温度33℃、湿度RH50％の点にあったとすると、外気ＯＡが蒸発器ｂで冷却されて点が左へ移動し24.5℃、RH80％の点へ移動し、この際、蒸発器ｂでは冷却だけでなくわずかに除湿し、つまり結露の発生も生じるので、真横左より少し下へ下がる。次に、外気ＯＡがデシカントロータａを通過して水分が減少すると空気線図上で右下へ移動し、温度が上昇して35℃、RH32％の出口空気が給気ＳＡとなり、居室等の室内に供給される。
一方、例えば、居室内の還気ＲＡが28℃、RH45％であれば、凝縮器ｃで加熱され右方へ移動して40℃、RH27％となり、次に、デシカントロータａの通過で水分を受取り左上方へ移動して29℃、RH60％の排気ＥＡとなって室外へ放出される。
このように、冷房時にあっても、デシカント空調機だけでは、出口空気である給気は、35℃、RH32％であり、十分な冷房はできない。

また、特許文献２に示すように、室内還気の冷却負荷は運転中はほぼ安定しているため、ヒートポンプの容量をこの冷却負荷に合わせて設定することにより、ヒートポンプの凝縮器あるいはガスクーラでデシカントロータの再生空気を加熱し、蒸発器では空調される室内から除湿ロータに再循環させる室内還気を冷却し、ヒートポンプ装置の規模が外気の冷却を行う場合に比べて初期コストが抑制され、運転期間中を通じてヒートポンプがほぼ最大容量で運転でき、安定した省エネルギー効果が得られる除湿空調システムが提案されている。

特開平０８−０１４６００号公報 特開２００７−３２７６９３号公報

ところで、前述先行技術の特許文献２の除湿空調システムは、再生側デシカントロータの前段に再生器としての凝縮器を配置し、処理側デシカントロータの前段にプレクーラとしての蒸発器を配置してヒートポンプシステムを組み込んでいるが、室内に供給する処理側デシカントロータにアフタークーラを配置していないので、直接デシカントロータを通過する空気を室内に供給することになり、精密な空調制御が行えない。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、ヒートポンプシステムを組み込んだデシカント空調機において、デシカント空調機単独で除湿と冷却のすべてをまかなうことができ、室内に供給する空気の空調を、容易にかつ微妙に制御可能なデシカント空調機を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、デシカント空調機において、外気側デシカントロータの下流側に被空調室内からの還気の一部を導入してデシカントロータを通過して湿度調整した外気と混合させ、合流点の下流側に蒸発器(第１の蒸発器)を配置し、混合空気を温度調整して室内に供給し、再生側デシカントロータの上流側に第1凝縮手段としての再生器を配置し、第２凝縮手段として外部の冷熱源により冷却する水冷凝縮器を空調機内又はその近傍に配置し、前記再生器と前記水冷凝縮器と前記蒸発器とはヒートポンプシステムを形成していることを特徴とする。
請求項２の発明は、前記請求項1のデシカント空調機において、外気側デシカントロータの下流側に配置した蒸発器(第１の蒸発器)とは別に外気側デシカントロータの上流側に第２の蒸発器を配置し、前記蒸発器及び前記第２の蒸発器を直列、又は並列に冷媒接続し、前記の蒸発器、第２の蒸発器、再生器、及び水冷凝縮器とはヒートポンプを形成していることを特徴とする。

請求項３の発明は、デシカント空調機において、外気側デシカントロータの上流側にプレクーラとしての蒸発器を配置し、デシカントロータの下流側に冷水コイルを配置し、デシカントロータと冷水コイルの間に被空調室内からの還気を導入してデシカントロータを通過して湿度調整した外気と混合させ、前記冷水コイルで混合空気を温度調整して室内に供給し、再生側デシカントロータの上流側に第1凝縮手段としての再生器を配置し、第２凝縮手段として外部の冷熱源により冷却する水冷凝縮器を空調機内又はその近傍に配置し、前記再生器と前記水冷凝縮器と前記蒸発器とはヒートポンプシステムを形成すると共に、前記冷水コイルと水冷凝縮器へ外部冷熱源より冷水を供給されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、前記請求項３のデシカント空調機において、冷水コイルと水冷凝縮器とを直列に冷水接続し、冷水コイルで昇温した冷水を水冷凝縮器で再使用することを特徴とする。

本発明によれば、ヒートポンプシステムを組み込んだデシカント空調機において、凝縮器と蒸発器の能力の不均衡を水冷凝縮器を制御することにより解消可能であり、アフタークーラである蒸発器あるいは冷水コイルの出口空気温度を所望の温度に精密に独立して制御でき、他方、デシカントロータにおける再生温度を凝縮器において所望の温熱に独立して制御でき、給気ＳＡ温度と再生温度を自由に精密に制御可能となる。
更に、従来のデシカント空調機は湿度調整を行う外調機であり、温度調整を行う内調機が別に必要であったが、第１凝縮器(再生器)とは別の第２の(水冷)凝縮器を含めたヒートポンプシステムを用いたので、外調機と内調機とを一体として一台のデシカント空調機とすることが可能となり、空調機全体の小型化も可能になる。

ヒートポンプを組み込んだデシカント空調機の概念とした系統図、 従来例１のヒートポンプを組み込んだデシカント空調機の系統図、 従来例１のヒートポンプを組み込んだデシカント空調機の系統図、 従来例１の空気線図、 本発明の実施例１のデシカント空調機の系統図、 実施例１の空気線図、 本発明の実施例２のデシカント空調機の系統図である。

本発明は、凝縮器と蒸発器の能力の不均衡を解消可能であり、アフタークーラである蒸発器あるいは冷水コイルの出口空気温度を所望の温度に精密に独立して制御でき、他方、デシカントロータにおける再生温度を凝縮器において所望の温熱に独立して制御でき、給気ＳＡ温度と再生温度を自由に精密に制御可能となる。外調機と内調機とを一体として、一台のデシカント空調機とすること、及び、空調機全体の小型化が実現できた。
以下、本発明の好適な実施例を図面に沿って説明する。

先ず、実施例１を説明するが、図５は、実施例１のデシカント空調機１の系統図であって、デシカント空調システム２を構成するデシカントロータ２１と、ヒートポンプシステム３から構成されている。
デシカントロータ２１の片側(図では下側)２１１は、処理対象空気である外気ＯＡを取り込んで処理(除湿)し空調された供給空気ＳＡを室内に供給する処理側１Ａを構成し、デシカントロータ２１の他方の片側(図では上側)２１２は、再生側の対象空気である対象室内還気ＲＡを取込んでデシカントロータ２１で乾燥させ戸外等に排気ＥＡする再生側１Ｂを構成している。

ヒートポンプシステム３は、冷却時の冷媒の流れは矢印Ｘ１のように、圧縮機３１より冷媒が凝縮器３２に送られ、凝縮器３２で冷媒が凝縮し、凝縮熱により換気ＲＡの温度が上昇して再生器を構成するが、この凝縮器３２は次工程の蒸発工程には温度が高すぎるので水冷凝縮器４のコイル４３によりコイル４４内の冷媒温度が下げられ、続いて、若干冷やされた冷媒は、第２の膨張弁３３２とこれに接続する第２の蒸発器３４２、及び、第１の膨張弁３３１とこれに接続する第１の蒸発器３４１に送られて、冷媒は循環してヒートポンプを形成する。
ここで、第１の蒸発器３４１と第２の蒸発器３４２の冷媒の流路は並列に配置されるが、第２の蒸発器３４２はプレクーラとしてデシカントロータ２１の上流側である前段に配置され、第１の蒸発器３４１はアフタークーラとしてデシカントロータ２１の下流側である後段に配置される。尤も、本実施例では第１の蒸発器３４１の冷媒の流路と第２の蒸発器３４２の冷媒流路とを並列にしたが、直列にしても良い。
また、凝縮器３２は再生側１Ｂに配置され、デシカントロータ２１の片側(図では上側)２１２の上流側である前段に配置され、凝縮器３２によりデシカントロータ２１を乾燥して再生させている。

上述したように、水冷凝縮器４はデシカント空調機１が冷房稼働時に熱交換器であるコイル４４で冷却するが、このコイル４４に対向するコイル４３にはポンプ４２により冷却塔４１に貯留槽４１３に貯留された冷水が矢印Ｘ２の方向に供給され、コイル４３でコイル４４を冷却した水は冷却塔４１の天井のノズル４１１からシャワー状に貯留槽４１３に戻され、この際、ファン４１２等で戸外の空気で冷却される。
この水冷凝縮器４は、上述したように、通常のデシカントシステムとヒートポンプシステムを組み合わせた空調機の冷房稼働時では、冷却負荷が大きくなると凝縮圧力が上昇してしまうが、外部から水冷凝縮器４によって冷やすことで凝縮圧力を低く抑えることができる。このことにより、ヒートポンプシステムとしての運転が成立すことができる。言い換えれば、蒸発器３４１,３４２と凝縮器３２との能力が不均衡であっても水冷凝縮器４を制御することによって均衡させることができる。
これにより、アフタークーラである第１の蒸発器３４１においては給気ＳＡ温度を所望の温度に精密に独立して制御し、他方、デシカントロータ２１２における再生温度として凝縮器３２において所望の温熱に独立して制御し、その際の両者の能力の不均衡を水冷凝縮器４で調整すればよく、給気ＳＡ温度と再生温度を自由に精密に制御可能となる。

また、本実施例では、この水冷凝縮器４の構成に加えて、通常、外気ＯＡに比べて低温である被空調室内の室内還気ＲＡの一部をアフタークーラである第１の蒸発器３４１の上流に戻すことにより、外気ＯＡと室内還気ＲＡの一部(ダンパ等の手段により75％を第１の蒸発器341に導入)との混合空気の温度を下げることができるので、結果として第１の蒸発器３４１の負荷を緩和している。
このことは、例えば、本実施例１では、室内還気ＲＡの空気量を１００％とした場合、返還路１Ｃから外気ＯＡに混合する室内還気ＲＡの一部の空気量を７５％としたので、外気ＯＡ及び排気ＥＡは２５％となり、両蒸発器341、342の負荷を低減することができ、運転効率のよいデシカント空調機としている。
本実施例１では、被空調室内の室内還気ＲＡの一部は、空調機内の返還路１Ｃを介して処理側１Ａの第１の蒸発器３４１の上流に戻しているが、更に、両蒸発器341、342に戻して外気ＯＡの温度を下げて、これらのクーラとしての蒸発器の負荷を低減するようにしてもよい。

図５に示した実施例１のデシカント空調機の作動例を、図６の空気線図で説明すると、例えば、外気ＯＡが乾球温度33℃、湿度RH50％の点にあったとすると、外気ＯＡが第２の蒸発器３４２で冷却され点が左へ移動し24.5℃、RH80％の点へ移動し、この際、第２の蒸発器３４２では冷却されるが、結露の発生も生じるのでわずかに除湿して真横左より少し下へ下がる。
次に、外気ＯＡがデシカントロータ２１を通過して水分が減少すると空気線図上で右下へ移動し、温度が上昇して35℃、RH32％の点へ移動し、更に、第１の蒸発器３４１で冷却されて、この点が左へ移動し22℃、RH65％の点へ移動し、この際、第２の蒸発器３４２と同様に結露が生じるので、わずかに除湿するので、真横左より少し下へ下がるが、この空調空気が出口空気が給気ＳＡとなり、居室等の室内に供給される。
一方、例えば、居室内の還気ＲＡが28℃、RH45％であれば、凝縮器３２で加熱され右方へ移動して40℃、RH27％となり、次に、デシカントロータ２１の通過で水分を受取り左上方へ移動して29℃、RH60％の排気ＥＡとなって室外へ放出される。
このように、実施例１の冷房時において温度と湿度は、デシカント空調機だけで、22℃、RH65％となり、十分に温度と湿度が維持できる。

実施例１は、以上のような構成であるので、ヒートポンプシステムとしての運転を成立させるとともに、室内への空気ＳＡの空調制御の最終調整はアフタークーラである蒸発器３４１を制御すればよいので、精密な空調調整が容易にできる。このように、室内還気ＲＡの一部(75％)を返還路１Ｃを通してアフタークーラとしての第１の蒸発器３４１の上流に戻せば、アフタークーラである蒸発器３４１においては給気ＳＡ温度を所望の温度に精密に独立して制御し、他方、デシカントロータ２１における再生温度として凝縮器３２において所望の温熱に独立して制御し、その際の両者の能力の不均衡を水冷凝縮器４を制御すればよく、給気ＳＡ温度と再生温度を独立して自由に精密に制御可能となり、ヒートポンプシステムとしての運転が成立する。また、ヒートポンプを組み込んだデシカント空調機として、ヒートポンプ装置の規模が外気の冷却を行う場合に比べて、水冷凝縮器４の能力分だけ両341,342の能力は小さくてよく、必要以上に蒸発器を大型にすることもなく、運転期間中を通じてヒートポンプがほぼ定格能力で適正に運転でき、安定した省エネルギー効果が得られる。更に、従来のデシカント空調システムでは外調機と内調機とは別であったが、ヒートポンプシステムを用いて、第２の凝縮器(水冷)を配置することによって、除湿の外調機と冷却の内調機とを一体として一台のデシカント空調機とすることが可能となり、空調機全体の小型化も可能となる。

次に、実施例２を説明する。実施例２は実施例１同様に、処理側のデシカントロータの前段にプレクーラを配置し、室内還気を取り込む再生側デシカントロータ前段に再生器としての凝縮器を配置してヒートポンプシステムを形成する点で同じであるが、処理側のデシカントロータの後段に配置するアフタークーラの構成が異なる。ここでは、主に、この異なる構成を説明し、実施例１と共通する構成の説明は一部省略する。
図７は、実施例２のデシカント空調機１の系統図であって、デシカント空調システム２を構成するデシカントロータ２１と、ヒートポンプシステム３から構成され、デシカントロータ２１の片側(図では下側)２１１は、処理対象空気である外気ＯＡを取り込んで処理(除湿)し空調された供給空気ＳＡを室内に供給する処理側１Ａを構成し、デシカントロータ２１の他方の片側(図では上側)２１２は、再生側の対象空気である対象室内還気ＲＡを取込んでデシカントロータ２１を凝縮器３２により乾燥させ戸外等に排気ＥＡする再生側１Ｂを構成している。

ヒートポンプシステム３は、冷却時の冷媒の流れは矢印Ｘ１のように、圧縮機３１より凝縮器３２に送られ、凝縮器３２で冷媒が凝縮されて還気ＲＡの温度が上昇して再生器を構成し、この凝縮器３２は次工程の蒸発工程には温度が高すぎるので水冷凝縮器４のコイル４４によって温度を下げられ、続いて、若干冷やされた冷媒は、膨張弁３５とこれに接続する蒸発器３６に送られて、冷媒は循環してヒートポンプを形成する。
また、凝縮器３２は再生側１Ｂに配置され、デシカントロータ２１の上側２１２の上流側である前段に配置され、デシカントロータ２１を凝縮器３２により乾燥させて再生させ、プレクーラである蒸発器３６は処理側１Ａのデシカントロータ２１の下側２１１の上流側である前段に配置されている。
そして、処理側１Ａのデシカントロータ２１の下側２１１の下流側である後段には、アフタークーラである水冷コイル５が配置されている。

ここで、実施例２での水冷凝縮器４、及び、アフタークーラである水冷コイル５について説明する。
実施例２での水冷凝縮器４、及び、アフタークーラである水冷コイル５は、冷熱源施設の冷熱源の往路５１から冷水が供給され、還路５２から冷熱源施設に戻される。冷熱源施設としては、実施例１のような冷却塔でもよいが、夜間電力を用いた空冷チラーと蓄熱槽による冷熱源施設、産業廃液、地域冷暖房システム等のＤＨＣの冷熱源施設等がある。
先ず、往路５１から、例えば、上記の冷熱源施設等の１２℃程度の冷水がポンプ５３によって、アフタークーラの冷水コイル５に供給され、外気空気ＯＡを冷却して、１２℃程度の冷水が、熱交換により例えば１７℃に上昇し、一部は三方弁５４を還路５２側に開き冷熱源施設に戻す。ここで、水冷凝縮器４を稼働させるには、三方弁５４の戻り側を制御して水冷凝縮器４側に開通させ、熱交換器であるコイル４３によりコイル４４を冷却してから、還路５２側の冷熱源施設に戻せばよい。この場合、凝縮器３２の出口冷媒は十分に高温であるので、冷水が１７℃程度でも十分に冷却するのに役立ち、この例では、熱交換して２０℃程度に上昇して還路５２に還水する。
この実施例２でも、室内還気ＲＡの一部を返還路１Ｃを介して処理側１Ａの水冷コイル５の上流に戻す。

実施例２のデシカント空調機の作動例も、図６の空気線図とほぼ同じであり、デシカント空調機だけで、十分に温度と湿度が維持でき、ヒートポンプシステムとしての運転が成立するとともに、室内への空気ＳＡの空調制御の最終調整はアフタークーラである冷水コイル５を制御すればよいので、精密な空調調整が容易にできる。すなわち、アフタークーラである冷水コイル５においては給気ＳＡ温度をポンプ５３及び三方弁５４によって所望の温度に精密に独立して制御し、他方、デシカントロータ２１２における再生温度として凝縮器３２において所望の温熱に独立して制御し、その際の両者の能力の不均衡を水冷凝縮器４で調整すればよく、実施例１と同様に給気ＳＡ温度と再生温度を自由に精密に制御可能となる。
この結果、水冷凝縮器４の能力分だけ凝縮器３２の能力は小さくてよく、ヒートポンプ装置の規模が小型になり初期コストが抑制され、運転期間中を通じてヒートポンプがほぼ最大容量で運転でき、安定した省エネルギー効果が得られる。特に、デシカント空調機単独で除湿と冷却のすべてをまかなうことができる。その上に、アフタークーラとして外部の冷熱源施設を利用するので、設計の自由度が増し、蒸発器３６を小型にでき従来のヒートポンプを組み込んだデシカント空調機をより小型にすることができる。更に、従来のデシカント空調システムでは外調機と内調機とは別であったが、第２の凝縮器(水冷凝縮器）を配置することによって、除湿の外調機と冷却の内調機とを一体として一台のデシカント空調機とすることが可能となり、空調機全体の小型化も可能となる。
なお、本発明の特徴を損なうものでなければ、上記の各実施例に限定されるものでないことは勿論である。

１…デシカント空調機、１Ａ…処理側、１Ｂ…再生側、１Ｃ…返還路、
２…デシカント空調システム、２１…デシカントロータ、
211…デシカントロータの下側、212…デシカントロータの上側、
３…ヒートポンプシステム、３１…圧縮機、３２…凝縮器、
331…第１の膨張弁、332…第２の膨張弁、
3322…温度センサー、3321…弁制御装置、
341…第１の蒸発器、342…第２の蒸発器、
３５…膨張弁、３６…蒸発器、
４…水冷凝縮器、４１…冷却塔、411…ノズル、412…ファン、
413…貯留槽、４２…ポンプ、４３,４４…コイル
５…冷水コイル、５１…往路、５２…還路、５３…ポンプ、５４…三方弁

Claims (4)

1. 外気側デシカントロータの下流側に被空調室内からの還気の一部を導入してデシカントロータを通過して湿度調整した外気と混合させ、合流点の下流側に蒸発器を配置し、混合空気を温度調整して室内に供給し、
   再生側デシカントロータの上流側に第1凝縮手段としての再生器を配置し、第２凝縮手段として外部の冷熱源により冷却する水冷凝縮器を空調機内又はその近傍に配置し、前記再生器と前記水冷凝縮器と前記蒸発器とはヒートポンプシステムを形成していることを特徴とするデシカント空調機。
2. 前記請求項1において、外気側デシカントロータの下流側に配置した前記蒸発器とは別に外気側デシカントロータの上流側に第２の蒸発器を配置し、前記蒸発器及び前記第２の蒸発器を直列、又は並列に冷媒接続し、前記の蒸発器、第２の蒸発器、再生器、及び水冷凝縮器とはヒートポンプを形成していることを特徴とする請求項１のデシカント空調機。
3. 外気側デシカントロータの上流側にプレクーラとしての蒸発器を配置し、デシカントロータの下流側に冷水コイルを配置し、デシカントロータと冷水コイルの間に被空調室内からの還気を導入してデシカントロータを通過して湿度調整した外気と混合させ、前記冷水コイルで混合空気を温度調整して室内に供給し、
   再生側デシカントロータの上流側に第1凝縮手段としての再生器を配置し、第２凝縮手段として外部の冷熱源により冷却する水冷凝縮器を空調機内又はその近傍に配置し、前記再生器と前記水冷凝縮器と前記蒸発器とはヒートポンプシステムを形成すると共に、前記冷水コイルと水冷凝縮器へ外部冷熱源より冷水を供給されていることを特徴とするデシカント空調機。
4. 前記請求項３において、冷水コイルと水冷凝縮器とを直列に冷水接続し、冷水コイルで昇温した冷水を水冷凝縮器で再使用することを特徴とする請求項３のデシカント空調機。

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