JP5183236B2 - 置換空調システム - Google Patents

Description

本発明は、ホテルや病院など高空気質が要求される室内での結露発生を抑えることができる置換空調システムに関するものである。

従来、特許文献２、３に示されるように置換空調方式は、床面から低風速で給気し、天井部から排気して、室内に温度成層を形成するもので、室内排気温度を高くできるため、給気と排気の温度差が、一般の空調（混合方式）に比べて大きくなり、同じ熱負荷を処理するのに必要な風量が少なくなり、省エネになるとされている。

近年、国内での置換空調の採用例が増えてきたが、期待されたほどの省エネ効果が得られていないとの報告例が出されている。もともと北欧で始まった置換空調は、低温低湿の外気条件下で使用されるが、日本のような高温多湿の条件下では、除湿のニーズがあるため、これに対応可能な熱源方式まで含めたシステム全体の最適設計が求められる。

置換空調では、一般の空調に比べて吹出温度が高いため、除湿のニーズに応えようとすると、給気を露点以下にした後に再加熱する必要があり、エネルギーの無駄が生じる。また発生したドレンにより、空調系内での微生物が繁殖することが避けられない。

特に床全面吹き出し方式の置換空調とした場合、床下空調給気口から多孔カーペット吹出部間の空気温度の上昇度が大きいため、冷却減湿した空調空気を供給しても、設計・施工または制御を適正に行わないと床下に結露が発生することになる。

また、一般の空調（混合方式）においては、外調機コイル出口、室内側のファンコイルユニット出口のいずれにおいても相対湿度が９０％近くになり、ドレンパンやコイルでカビ、微生物が発生しやすい条件となる。微生物が発生しにくい条件とするためには、吹出口の相対湿度を７０％以下にする必要があるため、吹出温度を下げられず、２０℃前後に設定する必要がある。そのため、ドレンレスを一般の空調で行うとすると、吹出温度差が６℃程度しかとれない（室内設定温度２６℃−吹出温度２０℃）ために、吹出風量が増大してしまう問題がある。

本発明者等は、病院など高空気質を要求する空間への適用として、空調系内や室内での結露の発生を抑えること、このために、ＦＣＵとデシカント空調機を組み合わせることを提案した（特許文献１）。

このデシカント空調機による空調システムは、外気（３２℃、絶対湿度１９．５ｇ／ｋｇ（ＤＡ）程度）を、デシカントロータで、絶対湿度６ｇ／ｋｇ（ＤＡ）に下げ、吸湿で６５℃程度に昇温した外気を、エアクーラにより、２６℃まで下げて、室内に設置したＦＣＵ（ファンコイルユニット）に換気空気として供給し、これを、ＦＣＵで室内空気と混合して、吹出温度２０℃、相対湿度７０％以下として室内に吹き出すようにしている。

このデシカント空調機による空調システムでは、デシカント空調機で除湿・冷却した換気空気と室内の循環空気とを混合してＦＣＵで、設定温度に冷却するために、ＦＣＵは、顕熱のみを下げるだけですみ、結露を防止したドレンレス空調が行える。

特開２００７−２４４６７号公報 特開２００１−２４８８５９号公報 特開２００５−２４１１０５号公報

しかしながら、この特許文献１のドレンレス空調システムでは、ＦＣＵが室内の天井に設置されており、このＦＣＵを用いて、床面から空調空気を吹き出す置換空調システムを構築することはできない。

また、このドレンレス空調システムでは、デシカント空調機で、絶対湿度１９ｇ／ｋｇ程度の外気を絶対湿度６ｇ／ｋｇまで下げるために、デシカントロータの吸湿能力の高いものが必要となり、また脱湿により約６５℃に昇温した外気をエアクーラで２６℃まで下げるため、デシカント空調機の負荷が大きくなる問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＦＣＵを用いて、置換空調が行え、しかもデシカント空調機の負荷を少なくできる置換空調システムを提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、ビルなどの各室に設けられたファンコイルユニットと、デシカントロータと顕熱交換器と冷却コイルを備えたデシカント空調機を用い、室内の下部から空調空気を吹き出して上部から排出する置換空調を行うに際して、ファンコイルユニットに、空調空気を床面に沿って吹き出す吹出部を接続し、上記デシカント空調機に、導入する外気と排気する室内の換気用空気と熱交換する全熱交換器を設け、室内に導入する外気を、上記全熱交換器で、上記室からの換気用空気と顕熱・潜熱交換させた後、デシカントロータで除湿し、さらに上記冷却コイルを通して冷却してファンコイルユニットに供給し、この除湿冷却された導入外気とファンコイルユニットに吸い込まれて冷却された室内空気からなる空調空気を、２０℃前後、相対湿度７０％以下にして上記吹出部から吹き出すと共に上記室を上昇する速度が２〜６ｍｍ／ｓｅｃとなるようにし、天井部で３０℃前後となった室内空気の一部を、上記換気用空気として上記全熱交換器、顕熱ロータ、デシカントロータを通して排気することを特徴とする置換空調システムである。

請求項２の発明は、ファンコイルユニットが室の天井部に設けられ、吹出部が垂直ダクトを介してファンコイルユニットに接続される請求項１記載の置換空調システムである。

請求項３の発明は、吹出部の全風量に対して、０．２〜０．２５が換気用空気として、全熱交換器を有するデシカント空調機に供給され、換気空気と同量の外気が全熱交換器を有するデシカント空調機を介してファンコイルユニットに供給される請求項１又は２に記載の置換空調システムである。

請求項４の発明は、吹出部の全風量に対して０．７５〜０．８の室内空気が、ファンコイルユニットに供給され、全熱交換器を有するデシカント空調機で除湿冷却された外気と混合されて、吹出部から吹き出される請求項１〜３いずれかに記載の置換空調システムである。

本発明によれば、ファンコイルユニット（ＦＣＵ）とデシカント空調機を組合わせて置換空調を行う際に、デシカント空調機に全熱交換器を設けることで、ＦＣＵでの負荷を増大させず、しかもデシカント空調機の負荷も増大させずに置換空調が行える。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）において、１０は、ホテルや病院、オフィス等の建物で、ｍ階、ｎ室／階の室Ｒを備えている。

この各室Ｒの天井部Ｒｃには、ファンコイルユニット（ＦＣＵ）１１が設けられている。このＦＣＵ１１は、冷温水コイル１２と循環ファン１３を備え、その冷温水コイル１２が、冷水供給管１４と冷水排出管１５を介して建物１０の屋上に設置した冷温水供給機１６に接続される。

冷水供給管１４と冷水排出管１５は、各階の室Ｒを貫通するように設けられたダクトシャフト１７内に収容される。

ＦＣＵ１１には、天井部Ｒｃに達した室内空気を取り込む吸引ダクト１８が設けられ、また、冷温水コイル１２と循環ファン１３からの吹出空気を床面Ｒｆまで案内する垂直ダクト１９が接続され、床面Ｒｆには、垂直ダクト１９からの吹出空気を床面Ｒｆに沿って吹き出す吹出部２０が設けられる。

このＦＣＵ１１には、換気用空気を供給するデシカント空調機２１が接続される。

このデシカント空調機２１は、導入外気を除湿するデシカントロータ２２と、給気と排気を熱交換する顕熱ロータ２３と、排気と外気との顕熱と潜熱を交換する全熱交換器２４と、ヒートポンプ等で構成される冷却コイル２５及び補助ヒータ２６とで構成される。

先ずデシカントケーシング２７内には、上流側外気導入通路２８と下流側外気導入通路２９と排気通路３０とに区画され、上流側外気導入通路２８と下流側外気導入通路２９が接続ダクト３１で接続され、下流側外気導入通路２９が、給気ダクト３２を介して各ＦＣＵ１１に接続され、各室Ｒの天井部Ｒｃ近くに形成された換気口３３と排気通路３０とが排気ダクト３４にて接続される。

給気ダクト３２と排気ダクト３４は、冷水供給管１４と冷水排出管１５と共に、各階の室Ｒを貫通するダクトシャフト１７内に収容される。

全熱交換器２４は、クラフト紙等で積層構造にされたロータに吸湿材が多量に含浸されて構成され、そのロータが排気通路３０と上流側外気導入通路２８を横断するように回転自在に設けられ、上流側外気導入通路２８の外気Ａの熱と水分を吸収し、これを排気通路３０を通る排気に放出するように構成される。

デシカントロータ２２は、ハニカム構造体に吸着剤を担持したロータからなり、排気通路３０と下流側外気導入通路２９を横断するように回転自在に設けられ、下流側外気導入通路２９を通る外気中の水分を吸湿し、排気通路３０の排気で吸湿した水分を放出して再生するように構成される。

顕熱ロータ２３は、排気通路３０と下流側外気導入通路２９を横断するように回転自在に設けられ、両通路３０，２９の顕熱を交換する。

このデシカント空調機２１において、上流側外気導入通路２８には、全熱交換器２４が配置され、下流側外気通路２９には、外気の流れに沿って、デシカントロータ２２、顕熱ロータ２３、冷却コイル２５が順に配置され、排気通路３０には、その排気の流れに沿って、全熱交換器２４、顕熱ロータ２３、補助ヒータ２６、デシカントロータ２２の順に配置される。

冷却コイル２５の下流側の下流側外気通路２９には温湿度センサ３６が設けられ、その温湿度センサ３６にて、冷却コイル２５での冷却量と補助ヒータ２６の加熱量が制御される。この冷却コイル２５と補助ヒータ２６は、例えばヒートポンプで構成され、圧縮機で圧縮された冷水が凝縮器としての補助ヒータ２６に供給されて放熱（凝縮）し、減圧装置で減圧された後の冷水が蒸発器としての冷却コイル２５に供給されて吸熱（蒸発）し、圧縮機に戻されて再度圧縮、循環されるようになっている。

以上において、外気は、全熱交換器２４、デシカントロータ２２、顕熱ロータ２３、冷却コイル２５を通り、給気ダクト３２を介して室Ｒに設けたＦＣＵ１１に供給され、そこで、室Ｒの天井Ｒｃまで上昇し吸引ダクト１８に取り込まれた室内空気と混合され、さらに冷温水コイル１２で設定温度（２０．５℃±２℃）に冷却され、垂直ダクト１９より床Ｒｆに設置された吹出部２０から吹き出される。

また、換気用空気は、換気口３３から排気ダクト３４を介して全熱交換器２４に導入され、導入外気と全熱交換した後、顕熱ロータ２３を通って昇温し、補助ヒータ２６で加熱されてデシカントロータ２２で再生用空気として供給されて大気に排出される。

さて、吹出部２０から吹き出された空調空気（２０．５℃の場合）は、図１（ｂ）に室内温度分布線図に示すように、床面で２５．５℃、天井で３０．５℃、床面から１．５ｍの位置で２８℃となる温度分布Ｐとなる。

この温度分布Ｐとなる置換空調を行うことで、室内に吹き込まれた空調空気は徐々に昇温しながら上昇して排気されることとなり、その温度差は１０℃となるため、吹出風量を増大することなく、非結露型空調を実現することができる。

この吹出部２０から吹き出される空調空気量は、室Ｒの容積に対して１時間で２．５〜７倍程度の風量となるよう、また空気の上昇速度が２〜６ｍｍ／ｓｅｃとなるようにされ、例えば室Ｒが２６ｍ²、高さ３ｍ（容積７８ｍ³）であれば、全風量が２００〜５５０ｍ³程度（例えば設定全風量３６０ｍ³、上昇速度３．８ｍｍ／ｓｅｃ）となるように、また換気空気は、全風量の０．２〜０．２５、風量７０〜９０ｍ³（例えば換気風量８０ｍ³）となるようにする。

また、室Ｒからの換気空気は、デシカント空調機２１の全熱交換器２４に導入され、そこで導入される外気と全熱交換される。これにより外気は相対湿度が５０％以下に下げられ、その後デシカントロータ２２で、絶対湿度６ｇ／ｋｇ（ＤＡ）程度に除湿するため、除湿負荷が少なくてすみ、また、除湿後の外気の温度は５０℃程度であり、冷却コイル２５では、３０℃程度に冷却すればよいため、冷却コイル２５の負荷も少なくてすむ。

このように本発明においては、デシカント空調機２１とＦＣＵ１１を用いて置換空調を行うにおいて、デシカント空調機２１側に全熱交換器２４を設置し、換気用空気と外気を全熱交換することで、デシカント空調機２１側の除湿負荷を少なく、また除湿後の外気の冷却負荷も少なくすることができる。また置換空調による熱負荷処理のため、温度差が大きくとれ、風量を増大させずにすむため、ＦＣＵ１１は、汎用品が使用できる。

次に本発明の置換空調システムを図２に示した空気線図により説明する。

図２において、Ａ〜Ｌは、図１（ａ）で説明した各機器の出入口空気の状態を示したもので、外気Ａ（３２℃、相対湿度６５％）が全熱交換器２４にて、３１℃、相対湿度４８％の外気Ｂにされ、デシカントロータ２２で除湿されて、絶対湿度６ｇ／ｋｇ（ＤＡ）、温度４９．８℃の換気空気Ｃとされ、顕熱ロータ２３にて、絶対湿度はそのままで温度３６℃の換気空気Ｄとされ、冷却コイル２５で、３０℃に冷却された換気空気Ｅとされ、ＦＣＵ１１で、室内循環用空気と混合されることで、絶対湿度８．８ｇ／ｋｇ（ＤＡ）、温度３０．５℃の空気Ｆとされ、ＦＣＵ１１の冷温水コイル１２にて、絶対湿度はそのままで、相対湿度５８％、温度２０．５℃の空調空気Ｇとされて室Ｒの床面Ｒｃに沿って吹き出され、これにより床面で２５．５℃となり、室内を上昇して、高さ１．５ｍで、相対湿度４０％、絶対湿度９．４ｇ／ｋｇ（ＤＡ）、温度２８℃の空気Ｈとなり、天井部で３０．５℃の空気Ｉとなり、一部は、吸込ダクト１８からＦＣＵ１１に導入されて、空調空気として冷却循環され、残りは、換気口３３から給気ダクト３２を介して全熱交換器２４に流れ、そこで外気Ａと顕熱・潜熱交換して、絶対湿度１５．５ｇ／ｋｇ（ＤＡ）、相対湿度５４％、温度３１．５℃の排気空気Ｊとされ、顕熱ロータ２３で、絶対湿度はそのままで、温度４５℃の排気空気Ｋとされ、さらに補助ヒータ２６で、８０℃に昇温されて、デシカントロータ２２に再生用空気Ｌとして供給され、そこでデシカントロータ２２を再生した後、外気に排気される。

図３は、デシカント空調機を用いずに、外調機と全熱交換器を用いて、置換空調を行った場合の空調を、空気線図で示したもので、外気（３２℃、相対湿度６５％）が、全熱交換器で３１℃、相対湿度４８％にされ、外調機冷却コイルで、相対湿度９０％弱、温度２０．５℃にされ、室内循環空気（相対湿度３５％、温度３０．５℃）と混合されることで、相対湿度４４％、温度２８℃にされ、ＦＣＵで冷却されることで、相対湿度９０％、温度１３．５℃にされ、吹出口で２０．５℃の空調空気とされ、室の１．５ｍ高さで相対湿度４０％、温度２８℃となり、室内排出口で３０．５℃の空気となり、一部はＦＣＵに循環し、残りは全熱交換器から外調機を介して排気される。

この図２のデシカント空調機を用いたシステムと図３の従来の外調機を用いたシステムを比較すれば、本発明の図２での外調機冷却コイル２５と、ＦＣＵ１１の冷却能力は、図３の従来方式に比べて格段に低くすることができ、ＣＯＰ（消費エネルギー効率）で約１／２にすることができる。

以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものでなく、種々の変形が可能である。すなわちＦＣＵ１１は天井設置型で説明したが床置き型にも適用できる。この場合、床置きのＦＣＵから空調空気を吹き出し、天井側に吸込口を設け、その吸込口から吸引した置換空調後の空気をデシカント空調機２１側に流すと共にその一部を床置きのＦＣＵに循環するように構成する。さらに、非結露型の置換空調を説明したが、完全な非結露型でなくとも適用が可能である。

本発明の一実施の形態を示す図である。 本発明における置換空調システムを空気線図で説明した図である。 従来の外調機を用いた場合の置換空調システムを空気線図で説明した図である。

符号の説明

１１ ファンコイルユニット（ＦＣＵ）
２０ 吹出部
２１ デシカント空調機
２２ デシカントロータ
２４ 全熱交換器
Ｒ 室

Claims (4)

1. ビルなどの各室に設けられたファンコイルユニットと、デシカントロータと顕熱交換器と冷却コイルを備えたデシカント空調機を用い、室内の下部から空調空気を吹き出して上部から排出する置換空調を行うに際して、ファンコイルユニットに、空調空気を床面に沿って吹き出す吹出部を接続し、上記デシカント空調機に、導入する外気と排気する室内の換気用空気と熱交換する全熱交換器を設け、室内に導入する外気を、上記全熱交換器で、上記室からの換気用空気と顕熱・潜熱交換させた後、デシカントロータで除湿し、さらに上記冷却コイルを通して冷却してファンコイルユニットに供給し、この除湿冷却された導入外気とファンコイルユニットに吸い込まれて冷却された室内空気からなる空調空気を、２０℃前後、相対湿度７０％以下にして上記吹出部から吹き出すと共に上記室を上昇する速度が２〜６ｍｍ／ｓｅｃとなるようにし、天井部で３０℃前後となった室内空気の一部を、上記換気用空気として上記全熱交換器、顕熱ロータ、デシカントロータを通して排気することを特徴とする置換空調システム。
2. ファンコイルユニットが室の天井部に設けられ、吹出部が垂直ダクトを介してファンコイルユニットに接続される請求項１記載の置換空調システム。
3. 吹出部の全風量に対して、０．２〜０．２５が換気用空気として、全熱交換器を有するデシカント空調機に供給され、換気空気と同量の外気が全熱交換器を有するデシカント空調機を介してファンコイルユニットに供給される請求項１又は２に記載の置換空調システム。
4. 吹出部の全風量に対して０．７５〜０．８の室内空気が、ファンコイルユニットに供給され、全熱交換器を有するデシカント空調機で除湿冷却された外気と混合されて、吹出部から吹き出される請求項１〜３いずれかに記載の置換空調システム。

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