(57)【要約】【課題】  デシカント空調システムにおいて、エアヒータの温熱源として高価な燃料を消費するボイラを利用したくない。また、ＣＯ２冷媒を用いたヒートポンプを利用したデシカント空調システムに対してより安価なシステムを構築したい。【解決手段】  上記課題を解決するために本発明は、冷水と温水を同時に生成できるＲ１３４ａを冷媒とした水冷式ヒートポンプを設置して冷水をエアクーラの冷熱源として用い、さらに、温水をエアヒータの温熱源として用いる。【選択図】図１
2010112633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
除湿ロータ、顕熱交換器、エアヒータ、エアクーラを有するデシカント空調システムにおいて、８０℃以上の温水を生成できるＲ１３４ａを冷媒とした臨界点以下の圧力のサイクルをもつ水冷式ヒートポンプにより生成される温水をエアヒータの温熱源とするとともに、同時に生成される冷水をエアクーラの冷熱源とする方法。
【請求項２】
請求項１の方法を用いた省エネルギー除湿空調装置。
【請求項３】
請求項２の除湿装置において、余剰の冷熱源を空調機の冷熱源として利用することにより水冷式ヒートポンプの熱バランスをとるという方法を特徴とする、省エネルギー除湿空調装置。
【請求項４】
請求項２の除湿装置において、水冷式ヒートポンプを連結型にすることにより様々な容量に対応しつつ開発コストを抑えるという方法を特徴とする省エネルギー除湿空調装置。
【請求項５】
請求項２の除湿装置において、余剰の温熱源を冷却塔で放熱することにより水冷式ヒートポンプの熱バランスをとるという方法を特徴とする、省エネルギー除湿空調装置。
【請求項６】
請求項２の除湿装置において、四方弁を用いて水冷式ヒートポンプの凝縮器と凝縮器を逆にするという方法により、室内空気の加熱・加湿を行うことが可能となることを特徴とする除湿・加湿・空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デシカント空調とヒートポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の除湿装置は非特許文献１で公知のように、空気を冷却して空気中の水蒸気を凝縮させて水分と水を分離することにより除湿を行い、冷却した空気を再加熱することにより冷えすぎた空気を暖めてから室内に空気を送る。家庭用エアコンでは除湿は蒸発器で空気を冷却した後に凝縮熱の一部を再加熱で利用する方式がすでに存在するが、ダクトを用いる大型の空調システムでは、冷熱源と加熱源がそれぞれ必要である。
【０００３】
図２は従来のダクトを用いる大型の除湿システムの１例であり、空冷式チラー３３より生成される冷水を冷熱源として除湿コイル２３で外気を冷却・除湿し、温水ボイラ２４より生成される温水を温熱源として再熱コイル２５で空気を加熱する除湿空調システムである。
【０００４】
それに対して、デシカント空調システムは吸湿材を付着させた除湿ロータに湿度の高い空気を通過させることにより水分が流路壁面に吸着され、除湿された空気がロータから排出されるとともに、ロータに高温空気を通すことにより吸着された水分を脱着させてロータ外へ排出させることにより継続的に除湿を行う除湿空調システムである。このように、ロータに高温空気を通すことにより吸着された水分を脱着させてロータ外へ排出させること過程は再生と呼ばれている。一般に、デシカント空調は、図２のような従来の冷却・加熱による除湿空調システムに比べて、過度に冷却して再加熱する必要がなく、顕熱除去の冷却だけで良いため冷却に要するエネルギーが少ない。
【０００５】
図３は従来のデシカント空調システムであり、プレクーラ、アフタークーラの冷熱源を空冷ヒートポンプ３３で賄っており、除湿ロータ再生のための温熱源をボイラ２４で賄っている。
【０００６】
また、デシカント空調の公知技術として、特許文献１に、ＣＯ２冷媒ヒートポンプを採用したデシカント空調システムにおいて、超臨界ガスと空気とを熱交換するエアヒータと、ＣＯ２冷媒の蒸発ガスと空気と熱交換するエアクーラを用いる方式が示されている。また、特許文献２に、ＣＯ２冷媒ヒートポンプを採用したデシカント空調システムにおいて、超臨界ガスと空気とを熱交換するエアヒータと、ＣＯ２冷媒の蒸発ガスと空気を直接的または間接的に熱交換するエアクーラを用いる方式が示されている。
【特許文献１】特開２００７−３２７６９３
【特許文献２】特開２００８−７００６０
【非特許文献１】初歩と実用シリーズ  デシカント空調システム  究極の調湿システムを目指して  ｐｐ．４〜５  財団法人ヒートポンプ・蓄熱センター  低温排熱利用機器調査研究会  著  日本工業出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
デシカント空調システムのエアヒータの温熱源としてボイラを用いるのは、近年の原油高のために利用しない方が望ましい。
【０００８】
また、デシカント空調システムにおいてエアヒータの温熱源とエアクーラの冷熱源をヒートポンプで同時に賄うことにより省エネルギー化が期待できるが、ＣＯ２冷媒を用いた場合、８０℃以上の再生用空気を作り出すためには冷媒が超臨界となり、圧力が１０ＭＰａ以上となる。したがって、高圧対応のエアヒータ用熱交換器が必要となるためそのコストが大きくなる。また、エアヒータで直接ＣＯ２冷媒を空気と熱交換させる場合、ＣＯ２圧縮機の容量制御を行うときにエアクーラ用の冷却能力も変化するため、安定した加熱と冷却の制御が難しい。また、ＣＯ２冷媒を直接エアヒータで空気と熱交換するデシカント空調システムは容量に応じてエアヒータの容量に応じたＣＯ２冷媒対応の熱交換器を用いなければならず、また、ＣＯ２冷媒圧縮機も容量に応じて異なる圧縮機を用いなければならいため、開発コストがかかり多様な市場での競争力がない。また、エアヒータとしてＣＯ２冷媒を用いた超臨界熱交換は凝縮がなく超臨界熱交換なので、エアヒータ用熱交換器内での冷媒の温度変化が大きいため、空気と温水の熱交換に比べ、空気とＣＯ２冷媒の温度差が小さくなってしまうため、熱交換面積が多く必要である。
【０００９】
本発明の目的は、ＣＯ２冷媒を用いたヒートポンプを利用したデシカント空調システムに対して、より安価で、より制御性が高く、多様な容量に対応したデシカント空調システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係るデシカント空調システムは、除湿ロータ、顕熱交換器、エアヒータ、エアクーラを有するデシカント空調システムにおいて、８０℃以上の温水を生成できるＲ１３４ａを冷媒とした臨界点以下の圧力のサイクルをもつ水冷式ヒートポンプにより生成される温水をエアヒータの温熱源とするとともに、同時に生成される冷水をエアクーラの冷熱源とする手段を用いる。
【００１１】
また、水冷式ヒートポンプから生成される温水と冷水について、エアヒータの温水負荷が少ない場合は余剰の熱を冷却塔に放熱し、プレクーラとアフタークーラの冷水負荷が少ない場合は空調機の冷熱源として利用する。
【００１２】
また、水冷式ヒートポンプは冷媒ではなく水配管を連結することにより容易に連結が可能であるため、基本的な水冷式ヒートポンプで様々な容量のデシカント空調システムに対応ができ、圧縮機の発低による簡単な台数制御による容量制御が可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る除湿空調装置システムによれば、Ｒ１３４ａ冷媒を用いたヒートポンプで８０℃以上の温水を生成する場合でも、Ｒ１３４ａの臨界温度が１０１℃、臨界圧力が４．０ＭＰａであり、臨界圧力以下でのヒートポンプサイクルとなり、ＣＯ２による超臨界サイクルに比べて圧力が非常に低いため、ヒートポンプとしては汎用的な熱交換器を利用できる。
【００１４】
また、エアヒータやエアクーラも汎用の水−空気熱交換を用いることができるため開発コストがかからない。
【００１５】
また、Ｒ１３４ａ冷媒ヒートポンプを用いた場合の凝縮は、ＣＯ２冷媒ヒートポンプのガスクールに比べて、冷媒の温度変化が小さいため、熱交換器面積を小さくすることができる。
【００１６】
また、ＣＯ２圧縮機を用いたデシカント空調システムにおけるＣＯ２圧縮機の容量制御は圧縮機のインバータ制御による複雑な制御方法になるが、本発明のＲ１３４ａ冷媒ヒートポンプを用いた冷温水間接熱交換方法によれば、ヒートポンプの台数制御が可能であり、余剰温水を冷却塔から放熱し、余剰冷水を年間冷房の空調機の冷熱源として利用することが可能である。
【００１７】
また、Ｒ１３４ａ冷媒水冷式ヒートポンプによる複数台連結と台数制御を行うことにより、少数のヒートポンプの機種により様々な容量のデシカント空調システムに対応できるため、デシカント空調システムの開発コストが低減できるため、競争力のあるシステムが構築できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
まず、図１を用いて実施例１を説明する。図１は本実施例に係るデシカント空調システムの全体系統図である。
【００２０】
ダクトを通して外気をファン８により吸気して除湿・冷却して室内７に流入させ、室内空気をファン９によりダクトを通して屋外に排気するのがデシカント空調システムの基本であるが、その吸気経路で外気は順にプレクーラ４、除湿ロータ１、顕熱交換器２、アフタークーラ５を通り、排気経路で室内空気は顕熱交換器２、エアヒータ３、除湿ロータ１を通る。
【００２１】
システムによっては顕熱交換器２がない場合もあり、プレクーラ４またはアフタークーラ５がない場合もある。図１の例は１００％外気の換気が行われる例であるが、場合によっては室内空気の一部を外気と混合して室内に送る場合もある。
【００２２】
プレクーラ４、アフタークーラ５、エアヒータ３はアルミフィンチューブ熱交換器などの汎用の水−空気熱交換器である。ただし、プレクーラ４、アフタークーラ５には冷水が流されることにより通過する空気を冷却し、エアヒータ３には温水が流されることにより通過する空気を加熱する。
【００２３】
水冷式ヒートポンプ１６によりエアヒータ３の温熱源となる温水を生成すると同時に、プレクーラ４、アフタークーラ５の冷熱源となる冷水を生成する。水冷式ヒートポンプ１６は圧縮機１０、凝縮器１１，膨張弁１２、蒸発器１３とそれらをサイクルで結ぶ配管から構成され、配管内にはＲ１３４ａ冷媒と圧縮機油のみが封入されている。凝縮器１１、蒸発器１３は冷媒−水熱交換器であり、汎用的なプレート式熱交換器や２重管熱交換器などが用いられる。
【００２４】
温水を生成できる冷水と温水を同時に取り出しが可能な水冷式ヒートポンプ冷凍機については、ＪＩＳＢ８６１３−１９９４におけるヒートポンプ加熱において過負荷条件の出口水温は５０℃であり、８０℃を越える温度については想定されていない。そこで、Ｒ１３４ａ冷媒を用いた水冷式ヒートポンプを製作し、性能試験を行ったところ、温水入口温度７５℃、温水出口温度８３℃、冷水入口温度１５℃、冷水出口温度１０℃の条件で、加熱ＣＯＰが１．９、冷却ＣＯＰが１．０であり、冷却と加熱の合計のＣＯＰは２．９である。このようにデシカント空調システムにＲ１３４ａを冷媒とした水冷式ヒートポンプを用いれば高効率なシステムが構築できる。
【００２５】
除湿ロータ１はハニカム状の流路の束でできており、流路表面にはシリカゲル系吸着剤や高分子収着材などがしみこませてある。湿度の高い外気が除湿ロータの流路内を通過する間に水分が流路表面に吸着され、除湿された空気が除湿ロータから排出される。一方、吸着された水分はエアヒータ３によって加熱された高温空気を通すことにより脱着され、除湿ロータの外へ排出される。このようにして継続的に外気の除湿が行われる。
【００２６】
シリカゲル系の吸着剤では再生のためには８０℃程度の高温空気が必要であり、Ｒ１３４ａ冷媒を用いた水冷式ヒートポンプで８０℃以上の温水を生成すればエアヒータを通して８０℃程度まで加熱することが可能である。また、高分子収着剤の場合は５０〜７０℃の再生空気で良いため、水冷式のヒートポンプの温水温度を下げることができるためサイクルの凝縮温度、凝縮圧力が低下するためＣＯＰはさらに向上する。
【００２７】
顕熱交換器２は排気する空気の熱を吸気する空気と熱交換することにより熱を回収する装置であり、回転型や静止型がある。回転型はアルミシートを段ボール状に加工して円筒状に巻いた形状のハニカムロータが１０ｒｐｍ程度の速度で回転する構造であり、排気する高温空気をハニカムロータに通過させ、空気の熱をロータに蓄熱し空気は冷却されて排気され、一方、蓄熱したロータは吸気側に回転し、取り入れた空気がロータ内を通過するときにロータに蓄えていた熱を受け取って熱い空気となって吸気される。静止型は互いに独立した２つの流路を交互に積み重ねた構造をしており、２つの空気流は混ざり合うことなく流れ、アルミシートを介して伝熱により熱交換する。顕熱交換器２がなくてもデシカント空調装置としての役割を果たすが、省エネルギーのためには顕熱交換器を採用した方がよい。
【００２８】
図１には記載されていないが、空気経路のダクト内や機器に埃などが付着しないように、外気を取り入れるダクトの入口付近や、室内空気を外気に排気するダクトの入り口にフィルタを設置する。
【００２９】
水冷式ヒートポンプ１６で生成した温水と冷水はすべての熱量が使用されるわけではないので、余剰の熱は別に利用するか排出する必要がある。余剰温水は冷却塔４１で放熱が可能であり、余剰冷水は空調機４２の冷熱源として利用可能である。
【００３０】
温水配管や冷水配管にはクッションタンクを設置してもよい。クッションタンクを設置することにより保有水量が増えるため急激な負荷変動に対応できる。
【実施例２】
【００３１】
次に、図４を用いて実施例２を説明する。図４は本実施例に係るデシカント空調システムの全体系統図であり、図１とは水冷式ヒートポンプ部分のみ異なっており、その他の部分は図１と同じ仕組みである。水冷式ヒートポンプ１６は連結型となっており、水冷式ヒートポンプそれぞれの温水入口、温水出口、冷水入口、冷水出口を連結して大容量化を行っている。図では３連結であるが連結数に制限はない。配管はリバースリターンとなるのが望ましい。このように水冷式ヒートポンプを連結することにより圧縮機を停止するのみで容量制御が容易にできる。
【実施例３】
【００３２】
次に、図５を用いて実施例３を説明する。図５は本実施例に係るデシカント空調システムを暖房・加湿システムにも利用できることを示す全体系統図である。図５は図１の水冷式ヒートポンプ部分のみを変更した図となっており、水冷式ヒートポンプ４３は四方弁５３が追加されることにより、凝縮器と蒸発器を切り替えることができる。図５の冷媒配管３５の矢印は暖房・加湿運転を行う場合の冷媒流れの向きを示す。図１の冷水配管１８は図５では温水配管４６となり、図１の温水配管１７は図５では冷水配管となる。図１のエアクーラ４、エアクーラ５は図５ではそれぞれエアヒータ４８、エアヒータ４９となり、図１のエアヒータ３は図５ではエアクーラ５０となる。外気はエアヒータにより加熱され、加熱された空気は除湿ロータを再生するときに脱着された水分を含むことになるので加湿が行われ、顕熱交換器２を通過して、さらにエアヒータ４９により適切な温度まで空気を暖めることができる。室内空気の排気は顕熱交換器２を通過して、エアクーラ５０により冷却され、除湿ロータ１で排気の水分を吸着して排気する。
【００３３】
四方弁５３の向きが変われば図１と全く同じ動作となり、冷房・除湿システムとなる。
【００３４】
このように、四方弁付き水冷式ヒートポンプを用いれば冷房・除湿が行えるだけでなく、暖房・加湿運転も可能となる。
【００３５】
当発明によれば、コージェネレーションの排熱などの別熱源がなくてもデシカント空調システムを構築できるため、現場に設置するのが容易である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
当発明のデシカント空調システムは、室内の湿度と温度を調整して快適環境を提供するとともに従来の冷却・加熱による除湿システムに比べて省エネルギーとなるため、ありとあらゆる室内環境に対して有効である。業種・施設の例としては、食品製造業、化学工業、電機・機械製造業などの工場、スーパーマーケット、研究施設・学校、病院・福祉施設、事務所、プール・フィットネス、映画館・展示場、倉庫、航空機・船舶などの運輸業などが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明装置の第１実施例の全体構成図である。
【図２】空冷チラーによる冷却と温水ボイラによる再加熱による従来の除湿空調システムを示した図である。
【図３】空冷チラーによる冷却と温水ボイラによる加熱による従来のデシカント空調システムを示した図である。
【図４】本発明装置の第２実施例の全体構成図である。
【図５】本発明装置の第３実施例の全体構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  除湿ロータ
２  顕熱交換器
３  水−空気熱交換器（エアヒータ）
４  水−空気熱交換器（エアクーラ、プレクーラ）
５  水−空気熱交換器（エアクーラ、アフタークーラ）
６  水−空気熱交換器（エアハンドリングユニット又はファンコイル）
７  室内
８  吸気ファン
９  排気ファン
１０  圧縮機
１１  蒸発器
１２  膨張弁
１３  凝縮器
１４  ポンプ
１５  ポンプ
１６  水冷式ヒートポンプ
１７  温水配管
１８  冷水配管
１９  冷媒配管
２０  冷房空気経路
２１  吸気ファン
２２  排気ファン
２３  水−空気熱交換器（除湿コイル）
２４  温水ボイラ
２５  水−空気熱交換器（再熱コイル）
２６  ポンプ
２７  ポンプ
２８  圧縮機
２９  凝縮器（冷媒−空気熱交換器）
３０  膨張弁
３１  蒸発器
３２  ファン
３３  空冷ヒートポンプ
３４  冷水配管
３５  冷媒配管
３６  水−空気熱交換器（エアハンドリングユニット又はファンコイル用）
３７  冷房空気経路
３８  温水配管
３９  吸気空気経路
４０  排気空気経路
４１  冷却塔
４２  空調機
４３  水冷式ヒートポンプ（四方弁付き）
４４  凝縮器（兼蒸発器）
４５  蒸発器（兼凝縮器）
４６  温水配管（兼冷水配管）
４７  冷水配管（兼温水配管）
４８  エアヒータ（兼エアクーラ）
４９  エアヒータ（兼エアクーラ）
５０  プレクーラ（兼エアヒータ）
５１  加熱塔（兼冷却塔）
５２  暖房空気経路（兼冷房空気経路）
５３  四方弁
【図１】
2010112633.tif 000003
【図２】
2010112633.tif 000004
【図３】
2010112633.tif 000005
【図４】
2010112633.tif 000006
【図５】
2010112633.tif 000007