JP6603299B2 - 換気空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば室内で発生する二酸化炭素やＶＯＣ、臭気等汚染質または外気から侵入するＳＯｘ、ＮＯｘ、ＶＯＣ等汚染質を吸着除去できるロータを用い、低温排熱を利用してこれら汚染質を除去することにより、少ない換気によって室内の空気質を上げることのできる二酸化炭素等汚染質除去換気空調装置を提供するものである。

業務ビルや商業ビル及び居住空間に用いる図１のような換気空調装置は、主に人の呼気に含まれる二酸化炭素や建材やＯＡ機器などから発生するＶＯＣ等の汚染質を排出する目的で用いられている。冷暖房中に換気を行うと、冷暖房負荷が増加するため、換気管路に全熱交換器が用いられ還気と排気を熱交換して排熱回収されている。

このような全熱交換機としてロータ型のものと静止型のものとが主に用いられ、排気：外気風量比１：１のとき、ロータ型のもので全熱交換効率が７０％程度、小型静止型のものでは全熱交換効率が５０％程度である。つまり全熱交換によって捨てられるエネルギーを回収しても３０〜５０％のエネルギーが無駄に捨てられている。又給気系と排気系夫々の大型ダクトが必要で、ビルの高価な有価スペースを無駄に占有するデメリットや、外気取り入れ及び排気場所が遠いと、ダクト配管が長くなり、工事費も増える。送風動力も増加してエネルギー消費が増し、かつ設置場所にも制約が生じる。

さらに最近の住宅は各室独立した空調設備を有し、各室毎に換気扇を設け、各換気扇から天井裏に通したダクトを介して換気を行うようにしている。このようなダクトは長い管路である場合があり、このような場合には空気抵抗が大きい。よって換気に要するエネルギーも大きくなり、これも換気による無駄なエネルギーとなり、総合的なエネルギー効率が落ちていた。

特開２００５−９８５７１号公報 特開２００７−３７６７０号公報 特開２００３−１９４３５号公報 特開２００６−６１７５８号公報 特公平５−６８２９０号公報 特許５６２７８７０号公報 特許５８７７９２２号公報 特願２０１７−１４９４１９号

上記の問題に対して、特許文献１に示されるように室内の二酸化炭素濃度が一定以上の値になった時に運転する換気扇が開発された。しかしながら、これも依然として換気に伴う冷暖房エネルギーの損失を十分に減少させるものではなかった。

このため特許文献２に示されるように、空気中の有害ガスを吸着したり分解したりするフィルターを有する脱臭装置が開発された。しかしながら、この種の装置は二酸化炭素の除去ができず、またフィルターの交換を行わなければならないため、フィルターの交換費用が別途掛かるという問題があった。

特許文献３には酸化カリウム等二酸化炭素の収・脱着が可能な吸収剤を担持した吸着ロータを用いて室内空気から二酸化炭素を収着して、再生ゾーンにて温風にて二酸化炭素を脱着して屋外に排気する装置が開示されている。

特許文献４には二酸化炭素を選択的に収・脱着する官能基を有するイオン交換樹脂や錯体をロータに担持した収着ロータを用いて室内空気から二酸化炭素を収着して、再生ゾーンにて温風にて二酸化炭素を脱着して屋外に排気する装置が開示されている。

しかしこれら文献に開示されている二酸化炭素収着装置は原理的に総て二酸化炭素と共に水蒸気も吸着除去する。夏期は多湿なので除湿できると都合が良いが、中間期や冬期において除湿すると室内空気が乾燥しすぎて加湿しなくてはならない。そのため夏期以外は利用メリットがないという問題があった。

さらに二酸化炭素吸着材及びロータの耐熱性や、省エネルギー目的でエネルギー密度の低い摂氏４０〜８０℃程度（以降、温度は全て「摂氏」とする）の低温排熱を利用するため、要求性能達成のためには処理空気量と同量の再生空気の取り入れと排気が必要になり、比較的大型のロータが必要で、設置スペースが大きく、コストも高いというデメリットがある。また再生空気取り入れ用と、排気用夫々の大型ダクトが必要で、ビルの高価な有価スペースを無駄に占有するデメリットや、外気取り入れと排気が容易な場所でないと、ダクト配管が長くなる、工事費も増える、送風動力も増加する等の問題が有り設置場所にも制約がある。

特許文献５には宇宙ステーション等閉鎖空間で使用する二酸化炭素除去装置の例が開示されている。吸着材（アミン系イオン交換樹脂、活性炭等）を充填した吸着層に処理空気を流し、処理空気中の二酸化炭素を除去して給気する。二酸化炭素を吸着した吸着材充填層は弁を切替えて、水蒸気を導入して二酸化炭素を脱着する。脱着が終了すると再度弁を切り替えて処理空気を導入して二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素を除去した空気を給気するというようにバッチ式で運転される。この方式は宇宙ステーションのような小空間用では成り立つが、大型化が困難で、かつイニシャルコスト、ランニングコストも高く一般空調用には適応が困難な装置である。

特許文献６には、一般空調にも適応可能なように二酸化炭素の吸着が可能なイオン交換樹脂など収着材の粉末を担持したハニカムロータを用い、図２のように処理空気側はヒートポンプのエバポレータを通して冷却除湿した空気をハニカムロータに通して二酸化炭素等汚染質を収着除去して給気する。一方再生ゾーンにはコンデンサを通して昇温した空気を通すことで、ロータに吸着した二酸化炭素等汚染質を脱着して外気に排出する。ハニカムロータを使用することで大風量処理を可能にし、かつヒートポンプも組み合わせて排熱も利用することで省エネ性を確保する案が開示されている。

特許文献７には処理入り口エンタルピより再生入り口エンタルピが高くなるように湿度調整手段を設けて二酸化炭素の分離効率を高める例が開示されている。しかし特許文献６、特許文献７何れも、再生効果の低い低温排熱利用の空気を用いるため、再生エネルギーの不足を再生風量で補おうとして処理空気とほぼ同量の再生脱着空気が必要で、表１のようにロータ径が大型化して装置の小型化が困難、大風量送風機が２台必要で送風ランニングコストも嵩む。さらに大面積の脱着再生用給・排気ダクトも必要になり、ビルの有価空間を多く占有するという欠点がある。

二酸化炭素吸着性または収着性のある材料のゼオライト、活性炭、アミン系化合物、アミン系イオン交換樹脂、炭酸カリウム等炭酸塩の何れも吸湿性を有し、また通常再生脱着用空気は加熱により相対湿度が低下するので、再生ゾーンではロータの水分が脱着され、処理ゾーンでは通過空気が除湿される。夏期であれば除湿するメリットもあるが、給気が除湿の吸着熱で昇温するので、ロータ処理出口に設けた気化冷却器やアフタークーラで再冷却しなければ室内に給気できないという欠点もある。

また除湿の吸着熱による昇温により図６のように二酸化炭素の収着性能は阻害される傾向があり、かつ脱着再生ゾーンでは水蒸気の脱着熱に再生エネルギーが消費され二酸化炭素の分離性能が悪くなるという性能上のデメリットもある。

さらに冬期にはむしろ加湿したい条件になるが、この除湿機能はデメリットとなる。また余剰な排熱も無いので冬期の運用はできない。つまり夏期しか活用できないという根本的な欠点がある。

特許文献８には以上のような課題を解決するため、湿った状態で二酸化炭素やＶＯＣガス等汚染質の吸着又は吸収機能を持つハニカムロータを有し、空気中の二酸化炭素や汚染質を除去浄化し、脱着再生ゾーンでは４０〜８０℃程度の飽和蒸気で再生する方法と装置を提案している。

この方法では最小限の換気量でエネルギーの損失を抑えつつ室内空気質を確保できる。また小容量の飽和蒸気で脱着再生するため、表１のようにロータ及び装置の大幅な小型化が可能になる。また再生直後のハニカムに蓄熱した全熱を、パージ排気するか、パージ排気しないで給気側に回収するかで、夏期のみではなく、冬期に於いても省エネ性を発揮する工夫がなされている。

しかし脱着再生ゾーンに供給する飽和蒸気を発生させるために、従来の加熱蒸気発生方式のパン型加湿器や蒸気式加湿器では高価な電気エネルギー又は加圧蒸気を必要とする。気化方式の超音波加湿器、パット式加湿器、スプレー加湿器では気温が低下してしまい、空気ヒータと組み合わせて加湿⇔加熱を繰り返しても、図１４のように過大な循環処理が必要で、低温排熱を利用して６０℃というような飽和蒸気を作ることは現実的には無理である。

本件発明は以上のような課題を解決するため、湿った状態で二酸化炭素やＶＯＣガス等汚染質の吸着又は吸収機能を持つハニカムロータを有し、空気中の二酸化炭素や汚染質を除去浄化する装置の、脱着再生用の飽和蒸気を１００℃以下の低温排熱を利用して発生させる方法及びその装置に関するものである。低温排熱の温水コイル又はヒートポンプの放熱コイルを脱着再生入口側に備え、そのコイルに水を直接スプレー又は滴下させて伝熱面に水膜を生じさせ、伝熱面の水膜を加熱蒸発させることで飽和蒸気を発生させる。

本発明の換気装置は上記の如く構成したので、室内で発生する二酸化炭素や臭気やＶＯＣ、外気から侵入するＶＯＣ、ＳＯｘ、ＮＯｘなど汚染質も同時にハニカムロータに吸着（収着）され、脱着ゾーンにて飽和水蒸気で脱着されて外気へ放出されることで、換気量を少なくしても室内空気質を維持することが出来、空調エネルギーが削減できる。

脱着再生入口側には温水コイル又はヒートポンプの放熱コイルを備え、そのコイルに水を直接スプレー又は滴下させて伝熱面に水膜を生じさせ、伝熱面の水膜を加熱蒸発させることで飽和蒸気を発生させて脱着再生するため、低温排熱の温水またはヒートポンプの排熱を利用できるので省エネ性がさらに向上する。

二酸化炭素の濃度は許容値が建築基準法では０．１％、（米国国立職業安全衛生研究所及び米国産業衛生専門家会議による許容値０．５％）と言われ、空気中にわずかに増加するだけで人の健康に影響をもたらすため、建築基準法の設計基準では在室人員１名あたり３０ｍ^３／Ｈの換気が必要とされている。しかし近年外気の二酸化炭素濃度が徐々に上昇しており３０ｍ^３／Ｈの換気では室内二酸化炭素濃度０．１％は達成できなくなっている。

また換気の主たる目的は建材や家具、ＯＡ機器などから発生するＶＯＣや喫煙で発生する汚染質を排気して濃度を下げることである。従って、３０ｍ^３／Ｈ以下の換気量でも、室内から二酸化炭素とＶＯＣ等の汚染質を排出して基準値以下に維持できれば、建築基準法の運用基準では問題ない。

さらに本発明の方法及び装置は、二酸化炭素およびＶＯＣ等汚染質ガスの収・脱着作用を有するハニカムロータを用いているため、フィルターを用いた空気清浄装置のように頻繁に交換する部材が無く、消耗品交換経費も小さくすることができる。

特に近年、大気汚染が各国の都市圏で相次ぎ、このような場合には換気を行うことで、室内にＰＭ２．５やＳＯｘ、ＮＯｘ、ＶＯＣ、光化学スモッグが入って来ることが懸念される。また幹線道路沿いでは自動車の排気ガスが、繁華街では調理排気による臭気が換気によって室内に入ってくる可能性がある。しかし、本発明の換気装置であれば換気量が少ないために小型の高性能外気フィルターで上記の汚染質が除去でき、仮に汚染質が入っても、本発明の装置で吸着濃縮排気される。

図１は換気空調装置の従来例のフロー図である。 図２は換気空調装置の特許文献６の従来例のフロー図である。 図３は換気空調装置の特許文献８のフロー図である。 図４は本発明の換気空調装置の実施例１のフロー図である。 図５は本発明の換気空調装置の実施例２のフロー図である。 図６は固体アミン系収着材の二酸化炭素吸着平衡図である。 図７は特許文献８の蒸気導入ホッパと排気ホッパの断面図である。 図８は飽和蒸気脱着再生時のハニカム表面を示す図である。 図９は気化冷却収着時のハニカム表面を示す図である。 図１０は温風再生と飽和蒸気再生を比較した空気線図である。 図１１は乾式吸着と気化冷却収着を比較した空気線図である。 図１２は冬期処理空気の変化を示す空気線図である。 図１３は０．１ｍｍ以下の弱塩基性イオン交換樹脂の微小粒子とバインダーを混合したスラリーを多孔質ガラス繊維シートにコーティングして、１ｍｍ以下のシートにしたシート表面の顕微鏡写真を示す図である。 図１４は蒸発加湿と加熱の循環による飽和蒸気生成を示す空気線図である。

本発明は湿った状態で二酸化炭素やＶＯＣガス等汚染質の吸着又は収着機能を持つハニカムロータを有し、前記ハニカムロータを、少なくとも処理ゾーンと脱着再生ゾーンを備えるロータ回転装置内に配置して、処理空気を前記処理ゾーンに通して二酸化炭素等汚染質を除去して給気すると共に、再生脱着ゾーンに飽和蒸気を導入して、二酸化炭素や汚染質を脱着して屋外に排出することを特徴とする換気空調方法及び装置の飽和蒸気発生方法に関するものである。

吸着と吸収現象は異なるが似た現象で、両方の要素がある場合には収着という言葉を用いることもある。本発明では収着という言葉を用いる。アミン基を有する高分子ゲルやイオン交換樹脂は、含水すると水で満たされた細孔が存在するゲルになって、その細孔内を拡散して細孔表面のアミン基に二酸化炭素が収着する吸着材とも考えられる。また交換速度向上の目的で多孔性に加工した樹脂もある。また多孔質固体吸着材の細孔内に固体アミンやイオン液体など吸収剤を添着した吸着材もこれに含まれ、何れであっても操作原理において非水溶性で固体状の湿った状態で二酸化炭素等汚染質を収着する機能を有する小径粒子を取り込んだハニカムロータを用いることが本発明の要点である。

前記ハニカムロータの処理ゾーンに処理空気を流すとハニカムは二酸化炭素等汚染質を除去して清浄空気を給気する。二酸化炭素等汚染質を収着したロータハニカムはロータの回転によって脱着再生ゾーンに移動し、飽和水蒸気を導入して二酸化炭素等汚染質を脱着する。飽和水蒸気は脱着ゾーン入口に設けたコイルに、水を直接スプレー又は滴下させて伝熱面に水膜を生じさせ、加熱により水膜を蒸発させて発生させる。脱着再生ゾーンからロータハニカムに導入された飽和水蒸気は図８のようにハニカムの加熱や二酸化炭素等汚染質の脱着熱供給により冷却して、ハニカム内表面に吸湿または結露する。ロータの回転によりハニカムの内面は湿ったまま処理ゾーンに移動するが、処理空気が通過すると水の気化冷却現象によってハニカムの冷却を促進し、かつ二酸化炭素ガスの収着熱を冷却除去することで高効率に二酸化炭素ガスや汚染質ガスを収着できるという効果を発揮する。

さらに、高エネルギー密度で小容量の４０〜１００℃の飽和水蒸気で炭酸ガスやＶＯＣなど汚染質ガスを濃縮脱着排気することで、脱着風量と換気風量を少なくすることができる。例えば図９のように３５℃５０％RHの空気を６０℃まで加熱するエンタルピに対し、６０℃の飽和蒸気では十数倍のエンタルピを有するので、飽和蒸気は十数分の１で脱着再生が可能になり表１の様にロータが小型化でき、排気も取り入れ外気も大幅に削減でき、給・排気系のダクトも建築基準法の最小限で良く、運用上は室内空気質を確保できれば換気量は大幅に絞れるので送風エネルギーの削減になる。また大風量の換気によって冷暖房エネルギーが失われることもなく省エネルギー性が向上する。全熱交換器で排熱回収しても３０〜５０％のエネルギーが回収できずに失われるが、本考案の換気装置では室内の二酸化炭素、ＶＯＣ等汚染質を濃縮排気することで全熱交換器を上回る省エネルギー効果が見込まれる。

ここで飽和水蒸気とは、４０〜１００℃以下の基本的に大気圧である。低温排熱の温水又は、ヒートポンプのコンデンサの排熱を利用できるため省エネ性がさらに向上する。脱着再生ゾーンに導入された飽和水蒸気はハニカムの加熱や二酸化炭素の脱着熱供給により冷却して、ハニカム表面に吸湿または結露する。ハニカムの表面は吸湿または結露した水で湿ったままロータの回転により処理ゾーンに移動するが、処理空気の通過により水の気化冷却現象によってハニカムの冷却を促進し、かつ二酸化炭素ガスの収着熱を除去冷却することで高効率に処理空気中の二酸化炭素ガスや汚染質ガスを収着できるという効果を発揮する。つまり本発明の装置は、蒸気による置換脱着でなく、飽和蒸気による高エンタルピを利用する。

固体非水溶性のアミン系二酸化炭素収着材としてはアミン基を有する塩基性イオン交換樹脂の他にアミン基を有する高分子ゲル、あるいは細孔内にアミン系二酸化炭素吸収剤又は炭酸塩、イオン液体などの二酸化炭素吸収剤を細孔内に添着したシリカゲル、活性炭、活性アルミナ、メソポーラスシリカ等の吸着材を用いることもできる。

一例として０．１ｍｍ以下の固体アミン系二酸化炭素収着材の微小粒子とバインダーを混合したスラリーを多孔質ガラス繊維シートにコーティングして、１ｍｍ以下のシートにして用いれば、微小粒子間に生じる毛細管力を有効利用して収着効果を高めた気化冷却収着ハニカムが実現できる（図１３にシート表面写真の例を示す）。脱着ゾーンにて飽和蒸気を導入すると、図８のようにハニカムが吸湿および表面に水蒸気が凝縮結露するが、微小粒子コーティング層内で複数重なった微小粒子間の毛細管力により凝縮水は吸い込まれ、ハニカム形状なので通気に影響は無く、表面の水膜も薄く収着速度を阻害しない。処理空気通過時には図９のように広いハニカム内表面からシートの内部へと二酸化炭素ガスの収着と水の蒸発冷却が進むので、特許文献５のような１〜２ｍｍの比較的大きな球状のイオン交換樹脂を充填した層（床）で問題になるようなデメリットは解消される。

またシートの表裏で収着速度や収着容量の差や、凝縮水量や気化冷却効果にむらがあっても、薄いシートのハニカムなので、表裏での凝縮水の毛細管力や水蒸気の拡散による物質移動や、熱移動によってむらは緩和され、従って性能向上できる。さらに活性炭、疎水性ゼオライト、合成吸着材ＶＯＣ吸着材を混ぜることでＶＯＣや臭気等の汚染質も同時に除去することが出来る。

また長期運用上の効果として耐久性の向上がある。アミン系二酸化炭素収着材やアミン系イオン交換樹脂は酸素がなければ耐熱性は１００℃まで耐えるものがあるが、酸素のあるガス中では５０〜６０℃でも著しく劣化する例がある。本発明の装置では、収着時のアミン系収着材の温度は図１１のように低温に抑えられ、脱着時は図１０のように４０〜１００℃になるが、イオン交換樹脂は水和状態の方が安定性が増して酸化劣化が防止され、耐久性が向上する。また断熱ロスにより、再生脱着ゾーンの手前途中で凝縮が生じる場合はアフターヒータを設けて相対湿度を９０〜９９％に制御することも可能で、要するに再生脱着時のハニカム内部にて、ハニカムに伝熱することで蒸気を含む空気の温度が低下して相対湿度が上昇し、ハニカム内部で吸湿または結露現象を生じる条件にすることが本発明の要点である。

本発明の換気装置は以上のように構成され、以下その動作について説明する。室内に人が居て、呼気中の二酸化炭素や喫煙によって室内の二酸化炭素濃度が上昇する場合や、冬期に室内で開放型のストーブを使用して発生する二酸化炭素によって室内の二酸化炭素濃度が上昇するので、室内空気を換気させる必要がある。近年はヒートポンプエアコンの普及や、分煙化が進んだことから呼気以外の二酸化炭素発生は少なくなったが、換気の重要性は変わらない。

このような場合にはハニカムロータ１を回転させながら、室内空気または外気を換気空調装置２に通す。ロータを通過した空気は二酸化炭素など汚染質ガスが除去されて給気される。図３のように室内からの還気を、収着装置のハニカムロータに通過させると、換気に含まれる二酸化炭素や汚染質濃度を減量して室内に給気することができる。

同時に脱着再生ゾーンに飽和蒸気を導入して収着された二酸化炭素等汚染質を脱着して外気に放出する。このようにして処理空気に含まれる二酸化炭素やＶＯＣ、ＳＯｘ、ＮＯｘなど汚染質ガスは濃縮されて室外へ排出される。

以下本発明の換気空調装置の実施例について図４に沿って詳細に説明する。1はハニカムロータであり、ガラス繊維など無機繊維の多孔質のシートをコルゲート（波付け）加工しロータ状にしたもので、二酸化炭素を吸収するアミン系二酸化炭素吸収剤を添着した活性炭の吸着材が担持されている。

ロータは、処理ゾーンと、脱着再生ゾーンに区分されシールされたケーシングに収納され、ロータはギヤドモーターにて回転駆動されるように構成されている。処理ゾーンの前にプレクーラヒートポンプのエバポレータを設置して、処理空気を冷却減湿して処理ゾーンに導入する。

処理ゾーンに処理空気を導入し、処理空気に含まれている二酸化炭素等汚染質を収着除去し、浄化された空気を室内に供給する。処理空気は還気でも外気でも可能で、目的に応じて混合することも可能である。二酸化炭素や汚染質を収着したロータハニカムは脱着再生ゾーンに回転移動し、脱着ゾーンでは４０〜１００℃の飽和水蒸気を導入し、ハニカムを加熱して二酸化炭素や汚染質を脱着排気する。

脱着用の飽和蒸気は、脱着再生ゾーン入口に前述したヒートポンプのコンデンサコイルを設けて水を直接噴霧させ、伝熱面に生じた水膜を加熱蒸発させて生成させる。ハニカムに導入された飽和蒸気はハニカムの加熱と二酸化炭素等の脱着熱供給にエネルギーを消費して、ハニカム内の表面に吸湿または結露凝縮する。飽和蒸気は乾燥空気の十数倍〜数十倍のエネルギーを持っているので、飽和蒸気の導入量は処理空気に対し十数分の一以下で脱着再生が可能になりロータ及び装置全体のコンパクト化ができる。エバポレータコイルでの吸熱量（冷却量）に対してコンデンサコイルでの放熱量が不足する場合は、第二のコンデンサコイルを外部に追加してバランスさせる。

脱着ゾーンにて二酸化炭素等汚染質が飽和水蒸気により加熱脱着され、水蒸気がハニカムに吸湿および凝縮結露したロータハニカムは、回転して再び処理ゾーンに移動するが、ハニカム内の水分が、処理空気の通過により蒸発することで気化冷却効果を生じ、ハニカムは速やかに冷却されて二酸化炭素や汚染質の収着が開始される。収着が開始された後もハニカムは湿っているので、二酸化炭素や汚染質の収着熱は気化冷却効果で除去され、かつ処理空気入り口温度よりも低温になって給気される。本発明の装置は、デシカント空調機のような除湿機能は無いが、処理空気は気化冷却されて供給されるので冷房装置として機能するという特徴を有する。

さらに省エネ性高め、かつ夏期だけでなく冬期でも活用できる実施例について図５で説明する。基本構成は図４と同様だが脱着再生ゾーン入口に温水コイルを備え、その温水コイルに上方から直接水を滴下、又は噴霧させることで温水コイル伝熱面に水膜を生じさせ、水膜を加熱することで水を蒸発させて飽和蒸気を得る。蒸気発生用の水は余剰量が下部のドレンパンに溜まり、ポンプＰにて循環させるのが水及びエネルギーの効率を高めるために望ましい方法である。但し長時間になると給水中の溶解成分や通気により持ち込まれたＰＭ等の濃度が上がるので、定期的に排水して循環水中の汚染質濃度を下げるのが望ましい。図７のように飽和蒸気導入ゾーン出口側に、ロータ回転方向に対して下手にパージゾーンを追加した排気ゾーン扇形部を設ける。排気ゾーンでは飽和蒸気と共に排気ゾーン反対側の給気ゾーンの空気を、排気送風機で吸引パージして排気するが、冷房時と、暖房時で排気送風機の風量を切替える。

冷房時には排気送風機の風量を多くして予冷効果を十分に発揮できる空気量を流して、予冷したハニカムが処理ゾーンに移動するように予冷空気量を設定する。そうすることでロータの蓄熱の給気への持込を防止でき、処理ゾーンでは凝縮水の気化冷却効果で冷却された処理空気を給気することが出来る。

予冷空気で気化冷却した後処理ゾーンに移動したロータハニカムは冷却されているので、給気のエンタルピは上昇せず、かつハニカムは湿っているので除湿せず吸着熱が発生しないため給気の温度上昇は無い。図１１、図１２のようにむしろ気化冷却効果で入り口より低温の給気ができるという効果がある。たとえば処理入り口空気が２５℃５０％RHであれば、出口空気は湿球温度１８℃に近い温度に気化冷却される。さらに３５℃５０％RHの外気を処理するのであれば、湿球温度２６℃に近い温度に気化冷却される。以上の様に本発明の装置では除湿はしないが、この湿度領域の除湿はヒートポンプで容易に調整できるので問題ない。

本発明の換気装置は以上のように構成され、以下その動作について説明する。室内に人が居て、呼気中の二酸化炭素や喫煙によって室内の二酸化炭素濃度が上がり、冬期に室内で開放型のストーブを使用して発生する二酸化炭素によって室内の二酸化炭素濃度が上昇するので、室内空気を換気させる必要がある。近年はヒートポンプエアコンの普及や、分煙化が進んだことから呼気以外の二酸化炭素発生は少なくなったが、換気の重要性は変わらない。

このような場合には図４のようにハニカムロータ１を回転させながら、室内または外気を換気装置に通す。収着ロータを通過した空気は二酸化炭素やＶＯＣなど汚染質ガスが除去されて室内に給気される。室内からの還気を、換気装置のハニカムロータに通過させると、還気に含まれる二酸化炭素や汚染質濃度を減量して室内に給気することができる。

同時に、脱着再生ゾーン入口に設けた温水コイルに、水を滴下させて、伝熱面に生じた水膜を加熱蒸発させて生成させた飽和蒸気を導入して収着された二酸化炭素等染質が脱着されて外気へ排気する。このようにして処理空気に含まれる二酸化炭素やＶＯＣ、ＳＯｘ、ＮＯｘなど汚染質ガスは濃縮されて室外へ排出される。

脱着再生ゾーンより飽和蒸気を導入すると、水蒸気はハニカムを加熱すると共に二酸化炭素や汚染質の脱着熱を供給して冷却し、ハニカム内表面に吸湿および凝縮結露する。ハニカム内表面の水分は、次の処理ゾーンではプラスの効果を発揮する。吸湿水および、または結露水の第一の効果は、脱着直後のハニカムは高温で収着能力が乏しいが、処理空気によりハニカム内の水分が蒸発して気化潜熱を持ち去るので素早く冷却して収着を開始する。

吸湿水および、または結露水の第二の効果は処理空気の二酸化炭素等汚染質の収着により収着熱が発生し、特許文献３、４、６のような乾燥状態の操作では図１１の乾式吸着のように空気温度が上昇して収着力が低下するが、本発明ではハニカム表面の水分の蒸発冷却により収着熱は潜熱に変換除去され、図１１の気化冷却収着のように昇温は抑制されて収着性能が向上する。つまりロータに処理空気を流してハニカムに二酸化炭素を収着させるときに、収着熱により収着材や原料ガスが温度上昇すると図６の様に収着量が減少するが、本発明では水分の気化冷却効果により処理空気の温度が低下し、かつ二酸化炭素の収着によって生ずる収着熱も気化冷却によって除去されることで、ハニカムや原料ガスの温度上昇が抑制され、高効率に二酸化炭素など汚染質ガスを収着することが出来る。例えば３５℃、５０％RHの外気を導入すると通過空気とハニカムはこのときの湿球温度２６℃に近づくように気化冷却効果を生じる。また、還気２５℃、５０％RHの還気であれば、湿球温度１８℃に近づくように気化冷却効果を生じる。

吸湿水および、または結露水の第三の効果は、アミン系イオン交換樹脂等の二酸化炭素収着材は、イオン交換基の水和により吸湿し、乾燥状態よりも吸湿状態の方が二酸化炭素収着能力も高くなるので、その意味でも収着性能向上効果がある。また水和状態の方が安定性が高く、従って耐熱、耐酸化性も向上する。アミン系吸収剤を活性炭等に含浸添着する場合も同様の効果があり、アミン系吸収剤の耐久性を向上する効果がある。

在室者によって室内空気中の酸素が消費されるが、前述したように酸素は大気中に約２１％もあり、１〜２％程度の消費では特に問題とならないが、酸素の消費と同時に排出される二酸化炭素１〜２％は人間に対して致命的な濃度である。濃縮脱着された二酸化炭素やＶＯＣ等汚染質の排出によって室内が負圧になれば、窓やドアから外気が隙間風として侵入し、又は濃度差による拡散によって酸素が供給される。つまり室外に排出される汚染質排気の量とほぼ等しい量の外気が隙間風として供給され、この中に２１％近い酸素があるため酸素量が不足することはない。

そして本件発明の換気装置の排気は、二酸化炭素濃度が高くなっているため、排気をビニールハウスなどの植物工場の育成室に導くと植物の成長が早くなるとともに、大気への二酸化炭素の排出を抑制できる。

このように室内のわずか数ｐｐｂ〜数百ｐｐｍの汚染物質を排気するために、多量の空気を室外へ排出するのと比較して、エネルギーの無駄を削減することができる。また二酸化炭素センサーを設けて、二酸化炭素濃度が所定値以上になった時だけ飽和蒸気を導入して脱着再生運転するようにすると、さらにエネルギーの無駄を防止できる。

以上の説明のとおり、排熱を利用して発生させた飽和水蒸気によって脱着再生しているため省エネ性が向上し、少ない換気量によって室内の二酸化炭素やＶＯＣ等汚染質が排出され、換気に伴うエネルギーのロスも防止することができる。また外気中に汚染質が含まれていても、換気量が少ないために室内への侵入量は最小に抑えられ、局所換気やドア等から侵入した汚染質はロータを通過するときに吸着排気されるので問題がない。

本発明は、少量の換気で室内の二酸化炭素やＶＯＣ等汚染質を外気放出可能な換気装置を提供するものであり、排熱を利用して、換気に伴うエネルギー消失を防止でき、省スペースな省エネ換気空調装置を提供することができる。

１ ハニカムロータ
２ 換気空調装置

Claims (7)

1. 二酸化炭素やＶＯＣガス等汚染質の吸着又は吸収機能を持つハニカムロータを有し、前記ハニカムロータを、少なくとも処理ゾーンと再生脱着ゾーンを備えるロータ回転装置内に配置して、処理空気を前記処理ゾーンに通して二酸化炭素等汚染質を除去して給気すると共に、再生脱着ゾーン入口に設けた熱交換器に水を直接噴霧又は滴下させて、生じた水膜を加熱蒸発させて発生させた飽和蒸気を導入して、二酸化炭素等汚染質を脱着して屋外に排出し、前記飽和蒸気が冷却によって前記ハニカムロータのハニカム内表面に吸湿または結露して、前記ハニカムロータが濡れたまたは湿った状態で前記ハニカムロータの回転により前記処理ゾーンに移動し、気化冷却現象が発生するようにしたことを特徴とする換気空調方法。
2. 二酸化炭素やＶＯＣガス等汚染質の吸着又は吸収機能を持つハニカムロータを有し、前記ハニカムロータを、少なくとも処理ゾーンと再生脱着ゾーンを備えるロータ回転装置内に配置して、処理空気を前記処理ゾーンに通して二酸化炭素等汚染質を除去して給気すると共に、再生脱着ゾーン入口に設けた熱交換器に水を直接噴霧又は滴下させて、生じた水膜を加熱蒸発させて発生させた飽和蒸気を導入して、二酸化炭素等汚染質を脱着して屋外に排出し、前記飽和蒸気が冷却によって前記ハニカムロータのハニカム内表面に吸湿または結露して、前記ハニカムロータが濡れたまたは湿った状態で前記ハニカムロータの回転により前記処理ゾーンに移動し、気化冷却現象が発生するようにしたことを特徴とする換気空調装置。
3. 熱交換器が温水コイルであることを特徴とする請求項２に記載の換気空調装置。
4. 熱交換器が直膨式ヒートポンプのコンデンサコイルであることを特徴とする請求項２に記載の換気空調装置。
5. 熱交換器がプレート式の顕熱交換器であり、高温側に排ガスを通し、低温側に水をスプレー又は滴下させて飽和蒸気を発生させることを特徴とする請求項２に記載の換気空調装置。
6. 請求項３、４、５に記載の前記熱交換器から滴下した水を、ポンプでくみ上げて再度前記熱交換器に直接噴霧または滴下して循環させる請求項２に記載の換気空調装置。
7. 脱着再生用の飽和蒸気を、前記飽和蒸気発生用の熱交換器の後段で、ロータの手前に設けたヒータで再熱して導入する請求項２に記載の換気空調装置。