(57)【要約】本発明は、空気調整ユニットによって閉空間に供給される空気を除湿するための装置を提供する。その装置はハウジングの内部を供給部分と再生部分とに分ける仕切りを含む。供給部分は空気調整ユニットからの供給空気を受け入れる入口と、閉空間に空気を供給する出口とを有する。再生フアンは再生空気流を作る。装置は、ホイールの一部が供給部分内に延び、ホイールの他の一部が再生部分内に延びるように配置された能動的乾燥ホイールを含み、それによってホイールが供給空気流および再生空気流を介して回転でき、供給空気を除湿する。ヒータは、乾燥ホイールを再生するのに必要なだけ再生空気流を暖める。本発明は、空気調整と除湿の各構成要素を単一の一体ユニットに組み合わせるハイブリッドシステムを更に備えている。
2005531746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気調整システムによって閉空間に供給される空気を除湿するための装置であって、
ａ）内部を有するハウジングと、
ｂ）ハウジングの内部を、供給空気流を入れるための供給部分と、再生空気流を入れる再生部分とに分ける仕切りであって、供給部分が空気調整システムから供給空気を受け入れるための入口と、閉空間に空気を供給するための出口とを有し、再生部分が再生空気を受け入れるための入口と、再生空気を排出するための出口とを有する仕切りと、
ｃ）再生空気流を作るために空気の流れを再生部分と連通させるフアンと、
ｄ)回転可能な乾燥ホイールであって、そのホイールの一部が供給部分内に延び、ホイールの他の一部が再生部分内に延びるように配置され、それによってホイールが供給空気流と再生空気流とを介して回転し、供給空気を除湿することができる乾燥ホイールと、
e)再生空気流を介して回転させるときに、乾燥ホイールを再生するのに必要なだけ再生空気流を加熱できる熱源と
を備えた装置。
【請求項２】
熱源が直火ガスバーナーである請求項１の装置。
【請求項３】
再生空気流の温度を規制するために、熱源を調節する機構を更に備えた請求項１の装置。
【請求項４】
乾燥ホイールを選択的に迂回することによって乾燥ホイールを通過する供給空気の量を制御するために、供給部分の入口と出口との間に迂回ダンパーを更に備えた請求項１の装置。
【請求項５】
乾燥ホイールを通過する供給空気の量を規制するために、迂回ダンパーを調節する機構を更に備えた請求項３の装置。
【請求項６】
乾燥ホイールが、空気調整システムによって処理される空気の流れの一部を扱える寸法である請求項１の装置。
【請求項７】
空気調整システムが、コンデンサを囲う区画室を備え、装置が、再生入口空気を、コンデンサを囲う区画室に接続するダクトまたは開口を更に備え、それによって再生入口空気をコンデンサで予熱できる請求項１の装置。
【請求項８】
供給空気流から除去された水分量または供給空気流に伝達される熱量を制御するために、乾燥ホイールの回転速度を変えるための機構を更に備えた請求項１の装置。
【請求項９】
閉空間に供給される空気を、パッケージ化された加熱、換気および空気調整（HVAC）ユニットによって除湿するための装置であって、
ａ）内部を有するハウジングと、
ｂ）ハウジングの内部を、供給空気流を入れるための供給部分と、再生空気流を入れる再生部分とに分ける仕切りであって、供給部分がHVACを出る空気を受け入れるための入口と、閉空間に空気を供給するための出口とを有し、再生部分が再生空気を受け入れるための入口と、再生空気を排出するための出口とを有する仕切りと、
ｃ）回転可能な乾燥ホイールであって、そのホイールの一部が供給部分内に延び、ホイールの他の一部が再生部分内に延びるように配置され、それによってホイールが供給空気流と再生空気流とを介して回転し、供給空気を除湿することができる回転可能な乾燥ホイールと
d) 供給空気流から除去される水分の量および/または供給空気流に伝達される熱量を制御するために乾燥ホイールの回転速度を変えるための機構と、
e) 乾燥ホイールを選択的に迂回することによって、乾燥ホイールを通過する供給空気の量を制御するための、供給部分の入口と出口との間の迂回ダンパーと、
ｆ）再生空気流を作るためのフアンと、
ｇ）再生空気流を介して回転させるときに乾燥ホイールを再生させるのに必要なだけ再生空気流を加熱するためのガスバーナーと
を備えた装置。
【請求項１０】
閉空間に供給される空気の温度と湿度を制御できるハイブリッド空気調整・除湿装置であって、
ａ）内部を有するハウジングと、
ｂ）ハウジングの内部を、供給空気流を入れるための供給部分と、再生空気流を入れる再生部分とに分ける仕切りであって、供給部分が空気を受け入れるための入口と、閉空間に空気を供給するための出口とを有し、再生部分が再生空気を受け入れるための入口と、再生空気を排出するための出口とを有する仕切りと、
c) 再生空気流を作るために空気の流れを再生部分と連通させるフアンと、
d) 供給空気流を作るために空気の流れを供給部分と連通させるもう一つのフアンと、
e)供給空気流中に配置された冷却コイルと、
f)冷却コイルの下流に配置された、回転可能な乾燥ホイールであって、そのホイールの一部が供給部分内に延び、ホイールの他の一部が再生部分内に延びるように配置され、それによってホイールが供給空気流と再生空気流とを介して回転し、空気流間で水分および／または熱を交換する回転可能な乾燥ホイールと、
g)再生空気流を介して回転させるときに、乾燥ホイールを再生するのに必要なだけ再生空気流を加熱できる熱源と
を備えた装置。
【請求項１１】
熱源が直火ガスバーナーである請求項１０の装置。
【請求項１２】
再生空気流の温度を規制するために熱源を調節するための機構を更に備えた請求項１０の装置。
【請求項１３】
乾燥ホイールを選択的に迂回することによって乾燥ホイールを通過する供給空気の量を制御するために供給部分の入口と出口間に迂回ダンパーを更に備えた請求項１０の装置。
【請求項１４】
乾燥ホイールを通過する供給空気の量を規制する迂回ダンパーの位置を調節するための機構を更に備えた請求項１３の装置。
【請求項１５】
乾燥ホイールが、装置によって処理される空気の流れの一部を扱える大きさである請求項１０の装置。
【請求項１６】
装置がコンデンサを囲う区画室を更に備え、装置がコンデンサを囲う区画室に再生入口空気を結合し、それによって再生入口空気をコンデンサによって予熱できるダクトまたは開口を更に備えた請求項１０の装置。
【請求項１７】
供給空気流から除去される水分の量または供給空気流に伝達される熱量を制御するために、乾燥ホイールの回転速度を変えるための機構を更に備えた請求項１０の装置。
【請求項１８】
閉空間に供給される空気の温度と湿度を制御できる、パッケージ化されたハイブリッド加熱、換気および空気調整（HVAC）および湿度制御装置であって、
ａ）内部を有するハウジングと、
ｂ）ハウジングの内部を、供給空気流を入れるための供給部分と、再生空気流を入れる再生部分とに分ける仕切りであって、供給部分が空気を受け入れるための入口と、閉空間に空気を供給するための出口とを有し、再生部分が再生空気を受け入れるための入口と、再生空気を排出するための出口とを有する仕切りと、
c) 再生空気流を作るために空気の流れを再生部分と連通させる再生フアンと、
d) 供給空気流を作るために空気の流れを供給部分と連通させる供給フアンと、
e)供給空気流中に配置された冷却コイルと、
f)回転可能な乾燥ホイールであって、そのホイールの一部が供給部分内に延び、ホイールの他の一部が再生部分内に延びるように配置された回転軸を有し、それによってホイールが供給空気流と再生空気流を介して回転し、供給空気流を除湿および／または加熱することができる回転可能な乾燥ホイールと、
g)供給空気流から除去される水分の量または供給空気流に伝達される熱量を制御するために、乾燥ホイールの回転速度を変えるための機構と、
h) 乾燥ホイールを選択的に迂回することによって乾燥ホイールを通過する供給空気の量を制御するための、供給部分の入口と出口間の迂回ダンパーと、
i)再生空気流を介して回転するときに、乾燥ホイールを再生させるのに必要なだけ再生空気流を加熱できるガス燃焼ヒータと
を備えた、パッケージ化された、ハイブリッド加熱、換気および空気調整（HVAC）および湿度制御装置。
【請求項１９】
閉空間の温度および湿度を制御する方法であって、
a)供給出口を有する空気調整システムを備え付ける工程と、
ｂ）１）内部を有するハウジングと、
２）ハウジングの内部を、供給空気流を入れるための供給部分と、再生空気流を入れる再生部分とに分ける仕切りであって、供給部分が空気調整システムから供給空気を受け入れるための入口と、閉空間に空気を供給するための出口とを有し、再生部分が再生空気を受け入れるための入口と、再生空気を排出するための出口とを有する仕切りと、
３）再生空気流を作るために空気の流れを再生部分と連通させるフアンと、
４）回転可能な乾燥ホイールであって、そのホイールの一部が供給部分内に延び、ホイールの他の一部が再生部分内に延びるように配置され、それによってホイールが供給空気流と再生空気流とを介して回転でき、供給空気流を除湿および／または加熱する乾燥ホイールと、
５)再生空気流を介して回転させるときに、乾燥ホイールを再生するのに必要なだけ再生空気流を加熱できる熱源と
を備えた能動的乾燥モジュールを備え付ける工程と、
b)能動的乾燥モジュールの供給入口を空気調整システムの供給出口に接続する工  程と、
c)能動的乾燥モジュールの供給出口を閉空間に接続する工程と、
d)供給空気流を空気調整システムに通過させることによって冷却および/または  除湿する工程と、
e)供給空気流と再生空気流との間で水分および/または熱を交換するために両空  気流を介してホイールを回転させる間、能動的乾燥モジュールを通過させるこ  とによって空気調整システムを通過させた後、供給空気を除湿および/または  加熱する工程と、
f)能動的乾燥モジュールを出る供給空気を閉空間に供給する工程と
からなる閉空間の温度および湿度を制御する方法。
【請求項２０】
能動的乾燥モジュールが供給部分の入口と出口との間に迂回ダンパーを更に備え、供給空気流を除湿する工程が乾燥ホイールを選択的に迂回することによって除湿のレベルを制御する工程を更に備えてなる請求項１９の方法。
【請求項２１】
空気調整システムがコンデンサを囲む区画室を備え、方法がコンデンサを囲む区画室から再生入口空気を引き込むことによって該再生入口空気を予熱する工程を更に備えた請求項１９の方法。
【請求項２２】
供給空気流から除去される水分の量および/または供給空気流に伝達される熱量を制御するために乾燥ホイールの回転速度を変更する工程を更に備えた請求項１９の方法。
【請求項２３】
閉空間の温度および湿度を制御する方法であって、
a)供給出口を有するパッケージ化された、加熱、換気および空気調整（HVAC）ユニットを備え付ける工程と、
b)１）内部を有するハウジングと、
２）ハウジングの内部を、供給空気流を入れるための供給部分と、再生空気流を入れる再生部分とに分ける仕切りであって、供給部分がHVACを離れる空気を受け入れるための入口と、閉空間に空気を供給するための出口とを有し、再生部分が再生空気を受け入れるための入口と、再生空気を排出するための出口とを有する仕切りと、
３）回転可能な乾燥ホイールであって、そのホイールの一部が供給部分内に延び、ホイールの他の一部が再生部分内に延びるように配置され、それによってホイールが供給空気流と再生空気流とを介して回転し、供給空気を除湿することができる回転可能な乾燥ホイールと、
４)乾燥ホイールの回転速度を変更するための機構と、
５)乾燥ホイールを通過する供給空気の量を制御するための供給部分の入口と出口との間の迂回ダンパーと、
６）再生空気流を作るためのフアンと、
７）再生空気流を介して回転するときに乾燥ホイールを再生させるのに必要なだけ再生空気流を加熱するためのガスバーナーと
を備えた能動的乾燥モジュールを備え付ける工程と、
ｃ）能動的乾燥モジュールの供給入口をHVACユニットの供給出口に接続する工程と、
d)能動的乾燥モジュールの供給出口を閉空間に接続する工程と、
e)供給空気流をHVACユニットに通過させる工程と、
f)供給空気流と再生空気流との間で水分および/または熱を交換するために両空気流を介してホイールを回転させることによってHVACユニットを通過させた後、供給空気を除湿および/または加熱する工程と、
g)乾燥ホイールを選択的に迂回させることによって供給空気の除湿を制御する工程と、
h)供給空気流から除去される水分の量および/または供給空気流に伝達される熱量を制御するために乾燥ホイールの回転速度を変更する工程と、
i)能動的乾燥モジュールを出る空気を閉空間に供給する工程と
を備えた閉空間の温度および湿度を制御する方法。
【請求項２４】
閉空間の温度および湿度を制御する方法であって、
a)１）内部を有するハウジングと、
２）ハウジングの内部を、供給空気流を入れるための供給部分と、再生空気流を入れる再生部分とに分ける仕切りであって、供給部分が空気を受け入れるための入口と、閉空間に空気を供給するための出口とを有し、再生部分が再生空気を受け入れるための入口と、再生空気を排出するための出口とを有する仕切りと、
３) 再生空気流を作るために空気の流れを再生部分と接続させるフアンと、
４) 供給空気流を作るために空気の流れを供給部分と接続させるもう一つのフアンと、
５)供給空気流中に配置された冷却コイルと、
６)冷却コイルの下流に配置され、回転可能な乾燥ホイールであって、そのホイールの一部が供給部分内に延び、ホイールの他の一部が再生部分内に延びるように配置され、それによってホイールが供給空気流と再生空気流とを介して回転でき、両空気流間の湿度および／または熱を交換する乾燥ホイールと、
７）再生空気流を介して回転するときに、乾燥ホイールを再生するのに必要なだけ再生空気流を加熱できる熱源と
を備えたハイブリッド空気調整・除湿装置を備え付ける工程と、
b)冷却ユニットを通過させることによって供給空気流を冷却および/または除湿する工程と、
ｃ）供給空気流と再生空気流との間で水分および/または熱を交換するために両空気流を介してホイールを回転させることによって冷却コイルを通過させた後、供給空気を除湿および/または加熱する工程と、
d)能動的乾燥モジュールを出る供給空気を閉空間に供給する工程と
を備えた閉空間の温度および湿度を制御する方法。
【請求項２５】
装置が供給部分の入口および出口の間の迂回ダンパーを更に備え、供給空気流を除湿する工程が乾燥ホイールを選択的に迂回させることによって除湿のレベルを制御する工程を更に備えた請求項２４の方法。
【請求項２６】
供給空気流から除去される水分の量および/または供給空気流に伝達される熱の量を制御するために乾燥ホイールの回転速度を変更する工程を更に備えた請求項２４の方法。
【請求項２７】
ハイブリッド空気調整・除湿装置が、コンデンサを囲む区画室を更に備え、方法が、コンデンサを囲む区画室から引き込むことによって再生入口空気を予熱する工程を更に備えた請求項２４の方法。
【請求項２８】
閉空間の温度および湿度を制御する方法であって、
a)１）内部を有するハウジングと、
２）ハウジングの内部を、供給空気流を入れるための供給部分と、再生空気流を入れる再生部分とに分ける仕切りであって、供給部分が空気を受け入れるための入口と、閉空間に空気を供給するための出口とを有し、再生部分が再生空気を受け入れるための入口と、再生空気を排出するための出口とを有する仕切りと、
３) 再生空気流を作るために空気の流れを再生部分と接続させる再生フアンと、
４) 供給空気流を作るために空気の流れを供給部分と接続させる供給フアンと、
５)供給空気流中に配置された冷却コイルと、
６)回転可能な乾燥ホイールであって、そのホイールの一部が供給部分内に延び、ホイールの他の一部が再生部分内に延びるように配置された回転軸を有し、それによってホイールが供給空気流と再生空気流だけに回転し、供給空気流を除湿することができる回転可能な乾燥ホイールと、
７)乾燥ホイールを複数の速度で回転させるための機構と、
８) 乾燥ホイールを選択的に迂回することによって乾燥ホイールを通過する供給空気の量を制御するための、供給部分の入口と出口間の迂回ダンパーと、
９)再生空気流にだけ回転するときに、乾燥ホイールを再生させるのに必要なだけの再生空気流を加熱できるガス燃焼ヒータと
を備えたハイブリッド加熱、換気および空気調整（HVAC）および除湿装置を備え付ける工程と、
b)冷却コイルを通過させることによって供給空気流を冷却および/または除湿する工程と、
ｃ）供給空気流と再生空気流との間で水分および/または熱を交換するために両空気流を介してホイールを回転させる間、能動的乾燥モジュールを通過させることによって冷却コイルを通過させた後、供給空気を除湿および/または加熱する工程と、
d)乾燥ホイールを選択的に迂回させることによって除湿の程度を制御する工程と、
e)乾燥ホイールの回転速度を調整することによって供給空気流に伝達される湿度の量および/または熱量を制御する工程と、
ｆ)能動的乾燥モジュールを出る供給空気を閉空間に供給する工程と
を備えた閉空間の温度および湿度を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府の調査と進展に関する陳述
アメリカ政府は、この発明の支払済みのライセンスおよびその制限的状況での権利を持ち、それはエネルギー庁によって裁定された（DOE元契約No．DE-AC05-00OR22725,ORNL下請契約No.62X-SV044V）の規約によって規定されている適当な期間に他人にライセンスを供与することを特許権利者に要求するものである。
【０００２】
発明の背景
本発明は、暖房、換気、および空気調整（“ＨＶＡＣ”）の分野に属している。さらに詳しくは、この発明は、閉空間の温度と湿度を制御するためのシステムと方法に関する。
屋内空気の質は、多くの病気に関連し、かつ労働者の生産性に対し直接影響を持つことが明らかになった。新しい調査は、屋内の湿度レベルが建物の居住者の健康に重大な影響を持つことがあることを強く示唆している。例えば、かびや菌のようなより高い屋内湿度レベルで増殖する微生物が、有害有機化合物を放出することが明らかになってきた。直接の健康への影響に加えて、建物の居住者の第一の苦情が微生物活動に付随する不愉快なニオイであることがしばしばである。建物のオペレータは、しばしば外気量を増加させることによってニオイを除く努力をしている。これは、通常、増加する外気量がしばしば高い屋内空気湿度レベルとなり、これが反って微生物の活動をさらに助長するので、問題を悪化させることになる。
【０００３】
ＨＶＡＣ工業会は、これらの室内空気の質（“ＩＡＱ”）の懸念に、その業界団体、アメリカ暖房、冷凍および空調技術者協会（“ＡＳＨＲＡＥ”）を通じて回答した。ＡＳＨＲＡＥ標準規格６２−１９９９,許容できる屋内空気の質のための換気では、商業および公共用建物の最小換気速度およびその他の要件を設定する。標準規格委員会は、一般的に、被調整空間への外気の供給をその空間内を許容湿度レベルに維持させながら増加させることができるシステムを要求する。調査の大部分は、ＡＳＨＲＡＥ６２−１９９９により連続換気の必要性を支持し、その間は相対空間湿度を３０％と６０％との間に維持させる。許容できないニオイや微生物のＩＡＱ問題は、ＨＶＡＣシステムがこれらの設計基準を満たせないときにしばしば起こる。
【０００４】
商業および公共用設備は、しばしば“パッケージ”ユニットを用いるが、これは空気調整、暖房および時には空気取扱い装置を単独のハウジング内で組み合わせたものである。そのようなシステムは、一般に、安価な暖房および冷房を提供するよう設計される。そのようなパッケージユニットは、一般に、建物外面、しばしば地上または建物の屋根に備え付けられる。典型的なパッケージユニットは、供給フアンおよびフィルタ、排気フアン、加熱源（典型的には、間接ガス燃焼ヒータまたは電気加熱コイル）、外気入口、およびコンプレサ、冷却コイル、および屋外に熱を排出するフアン付きの凝縮コイルからなる機械式冷凍システムを含む。外気のわずかな一部は、建物からの排気の大部分と混合され、ユニットによって調整され、次いで供給および排気配管のシステムにより建物を介して循環されるのが一般的である。そのようなパッケージ装置の利点は、低い取得原価、簡潔さ、親しみ、およびコンパクト設計を含む。市場に販売された全空気調整システムの８０％以上は、コンプレッサを用いたパッケージ装置を含む。
【０００５】
そのようなパッケージＨＶＡＣユニットの重要な欠点は、それらが通常最少の外気を使うよう設計されることであり、そして、そのこと自体が、ＡＳＨＲＡＥ６２−１９９９ガイドラインに従うために必要な外気の増大する連続供給に対処できないことがたびたびあることである。これは、１００％外気システムのニーズがある、レストランやホテルの設備に対する補給空気のような用途では、特に真実である。高い居住密度が、ＨＶＡＣシステムによって非常に高い百分率で提供される外気のニーズをもたらす、学校、映画劇場およびその他の設備のような用途でも真実である。
【０００６】
ＡＳＨＲＡＥ標準規格の増大する外気の要件を満たすために、ＨＶＡＣの専門家は、特大のパッケージ装置を使って、より高い割合の外気に対応して増大する冷却負荷に適合させることを試みた。しかしながら、そのような特大のシステムは、一般に性能が標準以下に落ち、運転コストが高い。重要なことであるが、ピークの外気負荷状態を満たすために要求される特大の冷却能力は、ごく普通の一部負荷状態では過剰であることを証明し、コンプレッサのサイクル運転時間の減少による空間の過冷却や湿度制御不良からコイルの凍結やコンプレッサ寿命の短縮に及ぶ深刻な性能の問題が生じる。従って、外気を連続的に提供することは、従来のパッケージＨＶＡＣ装置に対する途方もない挑戦を提示することになる。
【０００７】
例えば、温和で湿った日には（部分負荷状態）、特大のパッケージユニットは、空間を素早く設定温度に冷却し、次いでコンプレッサを切る。もしエバポレータフアンが空間への外気の連続流れを維持する運転を保っている場合は、屋内湿度レベルは、通常、導入される外気の湿度レベルにより上昇する。この湿度の上昇は、空間温度がサ−モスタットによってもう一度冷却を要求される点に上昇するまで続く。この時間まで、パッケージＨＶＡＣシステムの冷却コイルに入る排気の湿度を上昇させる。排気の湿度の上昇は冷却コイルを離れるときの露点温度を上昇させることになる。システムは、空間温度を維持できるが、湿度制御を失い、居心地の悪い、冷たく、じとじとした状態になるのが一般的である。居住者は、しばしばサーモスタットの設定を低くすることによって対応するが、空間の相対湿度をさらに増加させてしまう。もしそのような高い湿度状態が続くと、微生物の増殖および他の水分関連ＩＡＱ問題が起きる。
【０００８】
外気を継続的に処理するために選択された特大のパッケージ装置に関連したもう一つの問題は、エバポレータコイル上に凝縮した水分の再蒸発によって生じる。ヘンダーソンほか（Henderson et al）（１９９８）とカッタルほか（Khattar et al）（１９８５）とが共にその現象を確認し、しばしば現場で観察したが、そこではパッケージＨＶＡＣユニットによって取り除かれた実際の水分は、発行された性能データに基づいて予想されたものより著しく少ない。それらの調査は、除湿能力のこの低下が、コイルのサイクル運転を切るが、フアンは作動し続けているときに、供給空気流中に蒸発して戻す膨張（ＤＸ）コイル上に直接凝縮した水分に起因することを示している。ヘンダーソン（１９９８）は、ＤＸコイル上に凝縮した水分の蒸発が実際の潜熱の移動を部分負荷状態でユニットの能力の５０％以下にまで低下させることができることを示した。（１）ヘンダーソン,エイチ.(Henderson,H）１９９８. 除湿性能に関する空気調整機の部分負荷運転の影響：潜在能力低下モデルの有効化（The Impact of Part Load Air Conditioner Operation on Dehumidification Performance: Validating a Latent Capacity   Degration Model）、議事録 ＡＳＨＲＡＥ ＩＡＱ ９８．（２）カッタル,エムほか（Khattar,M et al）１９８５.暖かく、湿った気候での空気調整機の水分除去性能に関するフアンのサイクル運転効果（Fan Cycling Effects on Air   Conditioner Moisture Removal Performance in Warm, Humid Climates.）、水分と湿度に関する国際シンポジュウムにて紹介、議事録 １９８５年４月ワシントンＤＣ  （３）ヘンダーソン, エイチ.(Henderson,H） 1990 ＳＥＥＲ手法におけるサイクル運転性能に関するコイルのウエットとドライ状態での効果の実験的研究（An Experimental Investigation of the Effects of Wet and Dry Coil Conditions on Cyclic Performance in the SEER Procedure）.ＵＳＮＣ／ＩＩＲの議事録 パデュー大学（Purdue University）、ウエスト ラファイエット（West Lafayette）、インデアナ.１９９０年７月での冷蔵会議
【０００９】
これらとその他の制限は、パッケージ屋上システムが高百分率の外気量を強制的に処理するときに、重要な問題を提示し、特に１００％屋外システムとして作動させる場合にそうである。全ての外気を処理するために従来のパッケージ屋上システムを用いる場合は、ピーク状態で必要となる冷房トンが従来のユニットの定格空気流れで可能な冷却出力よりかなり大きい。これは、大手のＨＶＡＣ装置製造業者によって市場で現在使用できる従来の標準パッケージ冷却装置が外気の比較的少部分のみ適応されるよう一般的に設計されることから生じる。
【００１０】
例えば、今日の市場で適応可能な典型的なパッケージ・ガス／電気・屋上ユニットは、ＡＲＩ標準２１０／２４０−９４による、周囲が華氏９５度（°Ｆ）、乾球に入るコイル８０°Ｆ、湿球に入るコイル６７°Ｆの定格冷却性能を有する。
乾球９５°Ｆおよび湿球７８°Ｆの典型的なＡＳＨＲＡＥ／ＡＲＩ外気冷却設計状態と、乾球７８°Ｆおよび相対湿度５０％の排気状態とを仮定すると、湿球８０°Ｆおよび６７°Ｆの冷却コイルに入る混合空気状態は、混合空気の単純計算に基づいてほぼ１２％外気に相当する。
【００１１】
従って、定格標準パッケージ冷却装置に使われる設計基準は、冷却コイルに引渡された空気の８０−９０％を空間からの制御された排気であると仮定する。この排気流は、必要とする冷却能力がピークの冷却設計状態下での生の外気よりかなり少ない。そのように、従来の標準パッケージ装置によって必要とされる全冷却能力は、かなり高い百分率の外気に適応するよう設計されると、だらに大きくなる。
【００１２】
例えば、１,５００ｆｔ3／分（cfm）の外気流を８５°Ｆおよび１３０グレイン（４０．８ＢＴＵ／ポンドのエンタルピー）から５６°Ｆ露点（２３．８ＢＴＵ／ポンドのエンタルピー）に調整するには、単純湿度計算に基づいてほぼ１０トンの冷却能力を必要とする（１５００cfm x 4.5 x (40.8-23.8)/12000 BTU/冷房トン）。しかしながら、霜付きやコンプレサ不良のような問題が潜在的に起こらないで、典型的な１０トンユニット（変形例１）によって処理できる空気容量の推奨最低量は、ほぼ３,０００cfm (300cfm/トン)である。もしユニットを、冷却コイルを通る３０００cfmの全体に対して５０％外気（１,５００cfm）と５０％排気（１,５００cfm）を提供するよう設定すると、冷却能力を、再循環空気の余分な１,５００cfmに関連して負荷を適応させるために１５トン（変形例２）ユニットに増加させなければならない。コイルの霜付きのような問題は、冷却コイルに対する混合空気温度が上述の８０°Ｆおよび６７°Ｆ湿球の設計状態にかなり近いので、多くの場合、避けられる。変形例１および２の実施例を以下に示す。
【００１３】
標準１０トンのシステムを、コイル（１５０cfm/トンのみ）を通過する１,５００cfmの空気で作動する場合や、この空気が全て外気の場合は、冷却の１０トン全量を５６°Ｆ露点で供給状態に到達させる必要がある。しかしながら、外気が、９５°Ｆおよび７８°Ｆ湿球のピーク設計状態から例えば７８°Ｆおよび６４°Ｆ湿球に下がるときには、１０トンのコンプレッサが３０°から３４°Ｆのできるだけ冷たい空気を引き渡す。この点では、冷凍圧力および温度は非常に低く、冷却コイル上に凝縮した水分を凍らせるに十分な低さである。この積霜は、冷却コイルの圧力損出を増加させることになり、空気流れの減衰となり、さらに重大な霜の形成に至る。従来のＤＸ冷却システムの減衰空気流れでの運転に関連する、これやその他の問題は工業および冷凍業者には周知のことである。
外気と排気である残りと外気３０００cfm、１５００cfmの全体を処理するために１５トンシステムを用いることによって、コイルに至る混合空気状態を、先の実施例で述べた９５°Ｆおよび７８°Ｆ湿球からほぼ８６．５°Ｆおよび７２°Ｆ湿球に減少させる。
【００１４】
ピークの状態では、１５トンはほぼ５６°Ｆの露点を有する供給状態を提供する。以前に使った部分負荷状態、７８°Ｆおよび６４°ｆでは、供給空気状態はほぼ４０°Ｆである。この状態では、冷媒温度は先の実施例ほど冷たくはなく、従ってコイルを部分負荷状態の下で凍ることなしに作動できる。
しかしながら、増加した冷房トンと供給空気流れを使うと、他の作動上の問題が生じるかもしれない。より高い３０００cfm供給空気流れの量は、例えば空間を、特に部分負荷状態で、過冷却するかもしれない。この冷却は、コンプレッサのサイクル運転を停止させ、供給空気フアンが運転し続けると、冷却コイルから蒸発した水分に加えて、高湿度空気を空間に直接引き渡すことになる。もし、第３の変形例として、１０トンユニットを全空気流れの３０００cfm、そのうちの１５００cfmは外気、を８５°Ｆと１３０グレインの典型的な冷却シーズンの潜在設計状態で処理するのに用いると、このサイズの大抵の従来のパッケージユニットは、ほぼ５９°Ｆの露点で空気を引き渡すことができるのみであり、好調でも７５°Ｆおよび６０％相対湿度の空気状態に戻り、従って、空間を所望の５０％の相対湿度に維持できない。それは、ほぼ５５°Ｆの露点は、人々や侵入によって発生した潜在負荷がない場合でも、必要だからである。
【００１５】
これらの問題を解消しようとして、特製の過冷却再加熱システムが用いられてきた。しかしながら、そのようなシステムは購入するにも作動させるにも高価に付く。さらに、そのようなシステムにしばしば採用される複雑な冷凍回路は修理が難しく、保守に高くつく。外気を効率的に調整するために装置のパッケージ部分を引き渡す必要が生じた複雑さの例は、最近、市場に導入されたＴＲＡＮＥ（登録商標）ＦＡＵ製品である。そのＴＲＡＮＥ（登録商標）応用検討会報（Applications Considerations Bulletin MUA-PRC004-EN）は、２つの別々のエバポレータ・コイル（外気用エバポレータと主エバポレータ）、３つの別々の凝縮コイル（再加熱コンデンサ、再加熱屋外コンデンサおよび主コンデンサ）、１つの再加熱コンプレッサ、３つの主コンプレッサ、２つの膨張弁、補助冷却器および多くの複雑な制御器を含むシステムを示す。
【００１６】
ＡＳＨＲＡＥ基準の外気および湿度水準の要件を満たすもう１つの試みは、“能動的”乾燥ベースシステムを通じて、空気から水分を取り除くために加熱された再生空気を用いる乾燥システムである。これらの能動的乾燥システムは、従来のＨＶＡＣシステムに、または被調整空間に直接導入する前に、外気の湿度を下げるために使用された。これは、パッケージ装置が、外気の要求が増大するにもかかわらず、空間湿度をうまく制御することを可能にする。乾燥剤は、比較的多量の水を吸引しかつ保持する能力を持つ固体または液体の物質であってもよい。乾燥剤を使う多くの市販用の空気調整用途は、乾燥剤が固体状で、調整される空気から水分を吸収する。これらのタイプの乾燥剤の実例は、シリカゲル、活性アルミナ、モレキュラ・シーブ、および潮解吸湿性塩（deliquescent hygroscopic salts）である。いくつかの場合、これらの乾燥剤は、調整される空気がその上を通過するベッドに収容される。しかしながら、何度も、乾燥剤は、“能動的乾燥ホイール”として知られるものに収容される。
【００１７】
能動的乾燥ホイールは、典型的には、乾燥剤の材料を被覆または含浸させた、狭い間隔の非常に薄い紙、ポリマー・フィルムまたは金属からなる装置である。そのホイールは、通常、配管または2つの部：供給部と再生部に分けられる空気ハンドリング・システムに収容される。そのホイールは、ホイールの与えられたゾーンが２つの部の晒されるように、その軸でゆっくり回転される。供給部では、乾燥剤を供給空気／外気によって接触させる。この部では、乾燥剤ホイールは、供給空気流／外気流を乾燥剤面上の空気から水分を吸収することによって、除湿する。再生部では、乾燥剤は再生空気流に接触する（例えば、空間から排出される排気／排気か、生の外気）。この再生空気は、供給空気／外気から吸着した水分を乾燥剤から脱着する。ヒータは、再生空気流を介して回転しながら乾燥ホイールを再生する（すなわち、乾燥させる）のに必要なだけ、しばしば再生空気流を加熱するのに用いられる。これら２つの空気流を介してホイールをサイクル運転することによって、ホイールの吸着／脱着機能が連続し、同時に起こる。
【００１８】
過去には、大抵の能動的乾燥剤前調整システムは、屋上パッケージ装置と連結されることはなく、一つだけの装置として用いられてきた。それらが屋上パッケージ装置と連結されるときは、従来の蒸気圧縮システムに入る空気の湿度を制御しようとパッケージユニットの上流に配置されてきた。そのようなシステムは、外気を、多くの潜在負荷（湿度制御）を処理するために、まず能動的乾燥ホイールを介して通過させ、次いで暖かくなり除湿された外気を被調整空間の温度要件を満たすのに必要なだけ後冷却することによって処理した。しかしながら、この取り組みは、そのようなシステムの比較的高い購買原価、高い機能原価、大きなサイズおよび効率の悪さのせいで、市場に受け入れてもらえなかった。
【００１９】
能動的乾燥除湿ホイールが空気流から水分を取り除くとき、回転に伴い高温再生空気流から暖かいホイール媒体内に収容された熱に加えて脱着工程として熱を放出する。水分が吸収されるとされるだけ熱が放出される。この熱は、供給空気温度を上昇させることが重要である。加えて、外気から多量の水分を取り除くには（例えば、６０グレイン）、乾燥剤を再生させるための高温空気流を必要とする。能動的乾燥ホイールでは、この高再生温度を外部熱源によって供給する（例えば、ガス燃焼ヒータ）。このように、乾燥ホイールに与えられた熱は、さらに供給空気温度を上昇させる。商業的に可能な能動的乾燥ホイールを最高に遂行・・・外気温度の６０グレインの低下が、外気温度の５０°Ｆの上昇を生む。ここには、能動的乾燥前調整の取り組みに重要な問題が存在する。もし乾燥ホイールが全てのまたは多くの外気潜在負荷を処理する場合は、除湿工程によって加えられる潜熱を取り除くのに必要な後冷却の量は、乾燥システム無しで湿度を取り除くのに必要なそれにしばしば類似している。その結果、この取り組みは、全システムのエネルギー消費量（全ＢＴＵｓ）を削減せず、むしろそれを増加させる。
【００２０】
これまで試みてきた乾燥前調整の取り組みのもう一つの欠点は、そのようなシステムが重要な潜在負荷を処理するために非常に大きな乾燥ホイールを必要としたことである。例えば、１５００cfmの外気のみを処理するために４２インチの大きな能動的乾燥ホイールを用いた。標準カセットと駆動組立て品を含めて、ホイールユニットの必要な高さと幅は、ほぼ５インチの高さであり、一方典型的な同じ空気量を処理する屋上ユニットはただ３３インチの高さである。大抵の以前の能動的乾燥システムの多くも、吸収処理の結果として得られた処理熱の多くを緩和するために第２の潜在だけのエネルギー回収ホイールを用いた。これら二つのホイールを適応させるために必要なシステム、再生および必要な部品のサイズは、比較できる屋上パッケージユニットの４−５倍のサイズである。これらの大きなシステムは備え付けがより難しく、より大きな構造的な補強を必要とし、また魅力に乏しいので、市販の屋上ＨＶＡＣ用途には特に好ましくない。建築学、工学、経済学および環境学での検討すべてが、そのようなパッケージＨＶＡＣ装置のサイズと重量を削減する要望を後押ししている。
従って、屋内空間の温度および湿度を効果的に制御でき、同時にその空間に多量の外気を提供する、エネルギー効率がよく、コンパクトなＨＶＡＣシステムに対する重要な必要性がある。本発明は、これらおよびその他の有利な結果をもたらす。
【００２１】
発明の要約
本発明は、閉空間に供給される空気の温度と湿度を制御するためのシステムおよび方法を提供する。
本発明の、空気調整システムによって供給される空気を除湿するための装置は、ハウジングを含み、該ハウジングはその内部を供給部と再生部とに分ける仕切りを有する。供給部は、空気調整システム冷却コイルの出口側から供給空気を受け取るための入口と、空気を閉空間に供給するための出口とを有する。再生部は再生空気を受け取るための入口と、再生空気を排出するための出口とを有する。フアンは、空気の流れを再生部分と連通させて、再生空気流を作る。
【００２２】
装置は、回転可能な乾燥ホイールを含み、該乾燥ホイールは空気調整システムによって処理される空気の流れのほぼ１／３を担う大きさにされるのが好ましい。乾燥ホイールは、実質的に仕切りと同一線上か、平行に配置されるのが好ましく、それによってそのホイールの一部は供給部に延び、ホイールのもう一つの一部は再生部に延びる。乾燥ホイールは、供給空気流と再生空気流とを介して回転し、供給空気流を除湿する。装置は、乾燥ホイールの回転速度を変えるための機構を含むのが好ましく、それによって供給空気流から除かれる水分の量または供給空気流に移動させる熱量を制御する。装置は、能動的乾燥ホイールの周りの供給空気部の入口側と出口側との間に迂回ダンパーを含むのが好ましい。また、乾燥ホイールを選択的に迂回することによって、外気や供給空気の状態を変えることを受け入れるよう迂回ダンパーを調節できる。
【００２３】
熱源（例えば、直火式ガスバーナー、間接火式ガスバーナーまたは加熱コイル）は、再生空気流を通って回転するときに乾燥ホイールを乾燥させるのに必要なだけ再生空気流を暖める。例えば、空気調整システム、製造プロセスおよび／または電気式生成プラントの副産物である加熱空気は、再生源として役立てても良い。装置は、またダクトまたは区画室に再生入口空気を接続する開口を含み、その区画室は、空気調整コンデンサを囲み、再生ヒータの入口空気をコンデンサ・コイルによって予め加熱することを可能にする。
本発明は、またハイブリッド空気調整除湿装置、およびその装置を閉空間に供給される空気の温度と湿度とを制御するために使用する方法を含む。ハイブリッドユニットは、仕切りを有するハウジングを含み、そのハウジングを仕切りが供給部分と再生部分に分ける。供給部分は、空気を受け入れるための入口と、空気を閉空間に供給するための出口を有する。再生部分は、再生空気を受け入れる入口と、再生空気を排出する出口とを有する。フアンは空気の流れを再生部分と連通させて再生空気流を作り、もう一つのフアンは空気の流れを供給部分と連通させて供給空気流を作る。冷却コイルは供給空気流を冷却および／または除湿する。
【００２４】
迂回ダンパーは、冷却コイルを離脱する供給空気の一部分が能動的乾燥ホイールの周りを迂回でき、好ましくは正規の作動状態では供給空気の流れのほぼ１／３が乾燥ホイールを通過できるよう供給部内に配置できる。冷却コイルの下流に配置される回転可能な乾燥ホイールが供給空気流を除湿する。乾燥ホイールの一部が供給部分内に延び、かつホイールの他の一部が再生部分内に延び、それによってホイールが供給空気流と再生空気流とを通って回転し、空気流間の水分を交換する。熱源は、再生空気流を通って回転するときに、乾燥ホイールを再生するのに必要なだけ再生空気流を加熱する。
【００２５】
本発明のこれら、およびその他の特徴、特性および利点は、次の詳細な記述、付属の請求の範囲および添付図面から更に明らかになろう。
図解の単純化と明確化のために、図の形状は一般的にどう構成されているかを図解し、また周知の特徴および技術の記述と詳細は、本発明を不必要に分かりにくくすることを避けるために除かれている。
【００２６】
好ましい実施態様の説明
本発明は、利点を最大限生かして設計された構成の空気調整ユニット（air conditioning unit）と協働する乾燥ホイール（desiccant wheel）と、組み合わされるシステムのサイズやコストを最小にしながら、非常に乾燥した空気を効率よく作る冷却コイルとを応用する。
【００２７】
図１および２は、空気調整ユニットを出て、被調整空間に入る空気の湿度を制御するためのシステムの一つの実施態様を図解する。能動的乾燥モジュール（active desiccant module）（ＡＤＭ）１０を、標準ＨＶＡＣユニット１２のエバポレータコイルの下流で外気を調整するために配置する。図示の実施態様では、空気調整システムはＨＶＡＣユニットである。しかしながら、システムの要求によっては、空気調整ユニット（加熱および／または換気部品を持たない）をＨＶＡＣの代わりに使用できる。ＨＶＡＣユニット１２は従来のどのＨＶＡＣユニットでもよい。好ましい実施態様においては、ＨＶＡＣユニット１２は、標準の市販パッケージＨＶＡＣユニット、例えば、ＴＲＡＮＥ（登録商標）ＶＯＹＡＧＥＲ（商標）の屋上ユニットである。ＨＶＡＣユニット１２を、標準の水平位置に備え付けるのが好ましい。短い移行ダクトがＨＶＡＣユニット１２をＡＤＭ１０の入口１４に接続する。ＨＶＡＣユニット１２を出る供給空気は、図１および２の矢印によって示される方向にＡＤＭ１０の供給空気入口に流れ込む。従来のＨＶＡＣユニット１２の供給フアンは、大抵の場合、追加の補助フアンを必要とすることなく、所望の空気流れを提供する。しかしながら、そのシステムは、所望により補助的な供給フアン１７を含めることができる。
【００２８】
ＡＤＭ１０は、ユニットを囲むハウジング１６を含む。仕切り１８はユニットを供給空気部分２０と再生空気部分２２とに分ける。再生空気流は、ＡＤＭ１０の再生部分２２を介して矢印で示される方向に流れる。乾燥ホイール２４を供給空気部分２０と再生空気部分２２との間に配置する。ホイール２４は、仕切り１８と実質的に同一線上か、平行に位置する回転軸２５を有するのが好ましい。乾燥ホイール２４を、ＡＤＭ１０の対応する部分を介して流れる別々の供給・再生空気流を介して回転するよう配置する。ホイール２４は、駆動ベルトを含むのが好ましく、該駆動ベルトは従来の駆動モータで作動し、ホイールを制御された速度で回転させる。ホイールハウジングは、空気シールを含むのが好ましく、回転ホイール２４の端部まわりで空気が漏れるのを防止する。ＡＤＭは、主システムが制御する主制御パネルハウジングを備えているのが好ましい。
【００２９】
乾燥ホイール２４は、一つの空気流から潜在エネルギー（湿度）を取り除き、この潜在エネルギーをもう一つの空気流に移す種々の装置のどれか一つを備えてもよい。好ましい実施態様では、能動的乾燥ホイール２４は、回転式で、乾燥剤を塗布したハニカム状のひだ付き基材（honeycomb fluted matrix）である。ハニカム状の基材は、非常に薄いアルミニウム、不織布（fibrous paper）または高分子材料のごとき下地材料に乾燥剤を塗布したものからなり、伝導性や熱伝達を最小にする。好ましい実施態様では、下地材料は、ハニカム状の基材に形成される前に、両面に一様で、かつ濃く塗布され、結果として得られるひだまたは流路（channels）の内壁が実質的に滑らかで、それによってホイール基材を介する寄生（parasitic）圧力損出を最小にし、かつ水分の保存能力を最大にすることを保証する。好ましい乾燥ホイールは、やや高いか低い再生温度も、ある条件下で用いてもよいけれども、ほぼ１７５°Ｆと２２０°Ｆとの間の適当な再生温度で作動したときに、除湿または水分の吸着／吸収能力の最大量を提供するのに最も効果的な乾燥剤の塗布を用いる。乾燥剤の塗布は、好ましくは、水分を冷却、飽和状態の空気流から非常に効果的に吸着または吸収し、次いでホイール媒体を再生空気流を介して回転させるときには直ちに水分を吸着すべきである。乾燥剤ホイールは、圧力ロス（水位計の約６インチ未満）を最小限に抑えながら能動的乾燥ホイール基材を介して、比較的高い前面速度（約５００フイート／分以上）での所望の水分の除去をもたらすのが好ましい。
【００３０】
乾燥ホイール２４は、好ましくは非常に低圧力損失のものが好ましく、それは、空間に空気を配送する唯一の手段としてＨＶＡＣユニット１２内に供給フアンを使うと好都合だからである。外部静容量（external static capability）は、大抵のパッケージユニットがカーブフアンの前で使うので制限される。乾燥ホイール２４を、適度の再生温度で、かつ飽和入口状態で性能を最適化するのが好ましい。乾燥剤は、ホイールが、できるだけ高い水吸収能力を有するのが望まれ、従ってホイール上に多量の使用可能な乾燥剤質量を有するように用いられ、技術的および経済的制限（望ましくは、１ｍｉｌ以上の塗り厚）と調和される。さらに、乾燥剤材料（desiccant material）を担持するのに非乾燥剤質量を必要とするけれども、そのような質量はホイールの重量を増し、ホイールの除湿能力を減らすので、ホイールはできるだけ非乾燥剤質量を有しないのが好ましい。
【００３１】
乾燥剤材料は、例えば、Ａ型、Ｘ型またはＹ型のモレキュラーシーブ、その他のゼオライト、種々のシリカゲル、活性アルミナ、塩化リチウムおよびその他の融解塩、疎水性ポリマー、または空気流から水蒸気を吸着または吸収できるその他の材料を含めてもよい。好ましい実施態様では、冷却コイルを出ることが望まれるのが特色である、冷たく、湿った空気流を処理する間、水蒸気中のそれ自体の重量を高い百分率で吸着／吸収し、かつ脱着する乾燥剤材料が望まれる。また、好ましい乾燥剤材料は、より高いか、低い再生温度を必要とする乾燥剤が受け入れられる状態を実現できるように形成できるけれども、約１７５°Ｆ〜約２２０°Ｆの範囲の適切な再生空気温度を使う設計状態で、所望の湿度除去能力を提供するために作動すべきである。最後に、水分を乾燥剤材料の表面上／下で吸収／吸着するときに発生する吸収エネルギー量を最小にすることが、価値あることであり、それによって、能動的乾燥ホイールを出る除湿された空気流に導入される熱量を所望により最少に維持できる。
【００３２】
基準を満たす等湿線を有する乾燥剤材料は、精選Ｙ型モレキュラーシーブや、最も多いシリカゲル乾燥剤を含み、特に、高い相対湿度環境にさらされたときにそれ自体の重量の非常に高い重量パーセントで吸収できる比較的大きな孔の低密度シリカゲル粉末を含む。
本発明の研究所および最近の現場テスト試作品は、セムコ  インコーポレーテッド（SEMCO Incorporated）によって開発された能動的乾燥ホイールを用いたが、それは受け入れられる性能を提供し、この部品のために先に概略を述べた基準を満たす。セムコモデルＬＴの能動的乾燥ホイールは、高さ：１．５ｍｍ、幅：４．２ｍｍの概略寸法を有し、比較的大きな、正弦曲線フルート状開口を持つ深い（深さ：２７０ｍｍ）乾燥ホイール媒体を用いる。この媒体は、低圧力損失の基準を満たす間は所望の除湿性能を可能にするが、その基準は、パッケージ屋上ユニット中に存在するフアンが、多くの場合、追加の補助フアンを必要とすることなく、能動的乾燥ホイールの周りやそれを介する所望の空気の流れを処理できることを求めるものである。
【００３３】
能動的乾燥ホイールは、表面積の大きいＹ型モレキュラシーブとシリカゲル乾燥剤材料の合成混合物で両側を塗布した、ほぼ１．２milsの厚みを有する非常に薄いアルミニュームの基板材料を使う。このホイールは、下の表１および２に提示されているように、所望の水分吸収能力および性能を提供できる。
所望の性能は、この特別の能動的乾燥ホイールを介して比較的高供給空気面速度を用いる間に得られた。例えば、試験で表１および２に提示された性能データを提供した標準５トンＨＶＡＣユニットには、ほぼ２０インチの径を有するホイールが使われた。供給空気流を処理するために配分された網面領域は、外側リム、内側ハブのカバープレート、スポークおよびシールを補正して、ほぼ０．９３フィート2であった。このホイールは、試験が完了して、表１および２に提示された性能データを得るまで、１４００トータルcfmのほぼ３６％、または５０４標準フィート3／分（ＳＣＦＭ）を処理した。網面領域の０．９３フィート2によって処理された５０４標準フィート3／分を分けることで、ほぼ５４２フィート／分のホイール面速度を確認した。
【００３４】
能動的乾燥ホイール２４の回転速度を、所期の除湿能力および／または再加熱能力の量を最適化するために調整してもよい。例えば、好ましい実施形態では、乾燥ホイールの速度は、除湿モードのときは最低の約１／８回転／分（rpm）から約１／２rpmに、外気の冬期加熱を提供するのに使うときは約８rpmほどの高さに変わる。乾燥ホイールの回転速度を調節することによって、供給空気流に伝達される再生熱量を変えることができる。
低い方の速度（例えば、１／８rpm）では、汽水共発（carry-over）加熱を少なくする。熱伝達量を減らすことは、できるだけ冷たい占有空間に除湿空気を提供することを望まれるときに、価値がある。そのような状態は、典型的には検知可能な空間の負荷が高い、暖かく、日が照って明るい日に生じる。
高い方の速度（例えば、１／２rpm）では、汽水共発加熱を増やす。熱伝達量を増やすことは、占有空間に除湿した暖かい空気を提供することを望まれるときに、価値がある。そのような状態は、典型的には、空間が高い潜在負荷や非常に低い感知負荷を有するとき、例えば、曇った、雨の日に生じる。
【００３５】
大抵の状態では、最適の除湿能力は、約１／５〜１／３rpmの間のホイール速度で達成される。これらの速度では、正常運転中の大抵の状態で水分の最大量を除去する。除湿能力は、ホイール速度がこの中間速度からかなり減少または増加するにつれて典型的に低下する。特に、システムが本発明により組み込まれるが、再生源に調節バルブ（可変再生温度能力）を組み合わせることを選択しないときは、より冷たく、乾燥の少ない空気をシステムから排出する代わりに除湿能力のいくらかを犠牲しながら、能動的乾燥ホイールの速度を最適な範囲以下に落とすことが好都合である。例えば、空間の湿度は満足であるが、追加の冷却から利益を受けることができる間は、ホイール速度は、空間の湿度がもはや満足なものではなくなるか、空間内の温度が所望のものではなくなるまで、徐々に低下する。反対に、より暖かく、乾燥の少ない空気をシステムから排出する代わりにいくらかの除湿能力を犠牲にしながら、能動的乾燥ホイールの速度を最適な範囲以上に上げることが好都合である。例えば、空間の湿度は満足であるが、所望のものより冷たい時間の間は、ホイール速度は、空間の湿度がもはや満足なものではなくなるか、空間内の温度が所望のものではなくなるまで、徐々に増加する。
【００３６】
乾燥ホイールの回転速度を調節することによって、本発明のシステムは、通常のＨＶＡＣユニット用の補助加熱を与える更なる利点を提供できる。加熱する季節の間、多くの標準パッケージ屋上ユニットは、非常に寒い日に高い百分率の外気を適応させるだけの十分な加熱能力を持っていない。典型的なパッケージユニットは、そのような加熱能力を欠くが、それは、ヒータに入る空気は大抵空間からの排気であり、通常は外気の最低量（約１５％）を処理するよう設計されているからである。例えば、ＴＲＡＮＥ（登録商標）１０トンパッケージユニットモデルＹＳＣ１２０Ａは２０２,５００ブリティッシュ熱ユニット（ＢＴＵ）出力間接燃焼ガス加熱部を有する。４,０００cfmの定格空気流れで、かつ２０°Ｆの外気を伴う供給空気温度は、ただ６７°Ｆであり、多くの空間を加熱するにはあまりにも冷たい。能動的乾燥ホイールを使う加熱に追加７３,０００ＢＴＵSを加えることによって、供給空気温度を８４°に上げることができる。これは、能動的乾燥ホイールを通過した１３５０cfm（全空気流れの１／３）の温度を５０°Ｆまで上げることによって達成される。外気の更なる除湿を避け、かつ乾燥ホイール（この実施例では、間接火式熱交換器として用いられた）の加熱効率機能を最適化させるために、ホイール速度をほぼ８rpmの最高の設定にまで上げることができる。
【００３７】
本発明の方法およびシステムは、電気ヒータを有する通常のＨＶＡＣユニットと協働して用いられると、特に有用である。ここで述べた除湿モジュールの初期の地域別市場は、屋外の湿度レベルが典型的に高い地域である（たびたび述べた熱く湿った気候）。そのような市場は、通常、長いか、極端な加熱の季節を経験しない。加熱の要求は最少なので、これらの地域で売られたパッケージＨＶＡＣユニットは典型的には電気加熱コイルを有する。提供された電気加熱能力は外気を高百分率で加熱するのに適していないことがしばしばである。例えば、標準ＴＲＡＮＥ（登録商標）モデルＴＣ０６１Ｃ３は２３kＷの最高の電気加熱出力を有する。この５トンユニットは、２,０００cfmを処理するが、それで外気流を３０°Ｆからただ６６°Ｆまで加熱できるだけである。ここで述べた除湿モデルによって提示された補助的な加熱能力は、外気の高い百分率にもかかわらず電気加熱の使用を容易にし、また必要とされる電気加熱コイルの大きさをできるだけ小さくすることを可能にする。
【００３８】
本発明の一つの実施態様では、ホイール速度減少と調節は、能動的乾燥ホイールを駆動するモータと連結された周波数インバータのごとき可変モータ速度コントローラによって達成される。その駆動モータは、ホイール、つまり能動的乾燥ホイールの外側リムにかかっている摩擦ホイールまわりのベルトを駆動できるか、乾燥ホイールの軸に直接連結できる。信号は、所望の供給空気状態を伝えるためにシステム制御モジュールまたはビルの自動システムから周波数インバータに供給される。
能動的乾燥ホイール２４は、ＨＶＡＣユニット１２の冷却コイルの下流に配置される。図５および６を参照して、下でより詳しく検討するように、もし能動的乾燥ホイールが冷却コイルの上流（前）に配置されると、乾燥ホイール２４は、はるかに大きくなければならない。冷却コイルの前に配置されたホイールは、外気流れのすべてを処理し、能動的乾燥ホイールを離れる所望の水分の内容物に届かなければならない。この配置で能動的乾燥ホイールによってサイクル運転を受けなければならないし、入り込む外気がウエット冷却コイルを離れるそれより低い相対湿度である。能動的乾燥ホイールを通る空気の速度は、もし同じホイールをここに述べたように冷却コイルの後に備え付ける場合は、それよりも多分低くなければならない。
【００３９】
能動的乾燥ホイールが、冷却コイルの前で外気を処理するよう配置されると、それははるかに多いポンドの水分を取り除かなければならず、もしここで述べるように冷却コイルの下流に配置されると、被調整空間に同じ所望の供給空気の水分程度にする。必要とされるかなり大きな水分負荷を取り除くために、冷却コイルの上流に配置される能動的乾燥ホイールは、冷却コイルの下流に配置される能動的乾燥ホイールによって必要より低い面速度か、および／またはかなり高い再生温度で作動する。冷却コイルの上流に備えられる能動的ホイールによって必要となった水分負荷および再生温度が高ければ高いほど、能動的乾燥ホイールを離れる空気に加えられるかなり大きな熱が加えられる結果となる。その結果、空気が被調整空間に供給される前に、より多くのエネルギーが空気を冷却するのに必要である。また、能動的乾燥剤の前調整が近づく前に、本発明のシステムより、はるかに多くの再生エネルギーを必要とし、それは乾燥ホイールが多くの空気を処理し、多くの水分を取り除くからである。
【００４０】
乾燥ホイール２４を、パッケージＨＶＡＣユニット１２の冷却／加熱コイルを横切る空気のほぼ３３％を処理する大きさにするのが好ましい。能動的乾燥ホイールの大きさを決め、全供給空気流のわずかのみを処理することは、能動的乾燥モジュールの全体寸法、性能および製造コスト、つまりこの技術を市場が受け入れるための最も重要な基準の三つである。以前の能動的乾燥システムは能動的乾燥ホイールを介して外気のすべてを処理するよう設計された。結果として、以前の能動的乾燥システムによって求められた乾燥ホイールのサイズは、ここで述べるシステムによって求められたものよりかなり大きい。もしホイールのサイズがより大きいと、システムの全体寸法がより大きい。能動的乾燥ホイールは、伝統的に最も高価な部品なので、より大きなホイールは、結果としてより高価な製造コストを招く。
能動的乾燥ホイールの配置に関連して、縮小されたサイズ、製造コストおよび高められたエネルギー効率、およびここに述べた本発明によって可能となった供給空気流の小さなフラクションのみ処理する能力は、提示された、より重要で意義ある利点のいくつかに過ぎない。例えば、改良された制御の選択の自由を含めて、他の同等の重要な利点も存在する。
【００４１】
本発明のもう一つの意義ある利点は、迂回空気量が潜在的でセンシブルな負荷の要求を満たすために、用途によって、または用途の範囲内で変更できることである。調節迂回ダンパー２６はＡＤＭ１０の供給空気部分に配置され、乾燥ホイール２４を介して所望の流れを維持する。供給空気流は迂回ダンパー２６および／または乾燥ホイール２４を通り、出口１５を介して被調整空間に流れる。迂回ダンパー２６を完全に閉じた位置から可変の開放位置に調節し、乾燥ホイール２４を通って流れるか、所望により加熱モード中に乾燥ホイール２４を完全に迂回してもよい。この構成は、飽和空気を乾燥ホイールに提供し、作動効果を最大にし、かつ必須の再生温度を最低にする。
【００４２】
この制御オプションによって提示された、いくつかの利点がある。乾燥ホイールを介してより多くの空気を動かすと、より乾いた、より暖かい空気をシステムによって引き渡せる。より多くの空気を迂回させると、より涼しい、より乾きの少ない空気を提供する。迂回空気のごく一部を調節する能力は、ユニットが、変化する空間の顕在／潜在負荷状態、特に再生エネルギーを確定したときにコスト効率よく応答することを可能にする。迂回空気調節によって提示されたもう一つの利点は、真の“倹約家”期間（屋外状態がさらに調整することなく空間に直接引き渡すに十分に冷たく、乾いているとき）乾燥ホイールを迂回させ、システムの内部静圧力を下げ、かつ空間にもっと多くの外気を提供することができる。
【００４３】
ダンパーを調節するための好ましい機構は、電気アクチュエータである。ダンパーの開放領域の百分率、つまり能動的乾燥ホイールを迂回させる空気量は、ベリモオア シーマン カンパニーズ(Belimo or Siemans companies)製のような調節アクチュエータ（例えば、ベリモ・モデルＣＭ−２４ＳＲ）の備え付けによって制御される。温度および／または湿度センサは、信号を制御モジュールに提供できる。この制御モジュールは、直接デジタル制御システムまたは簡易組合せ温度センサ制御器または空間サーモスタットであってもよい。制御器は、センサからのデータを処理し、信号（例えば、０−１０ボルト、または４−２０ｍＡ）をアクチュエータに送り、供給空気温度および／または湿度状態をユニットから提供するか、被調整空間内の状態を維持するのに必要な範囲内で、迂回ダンパーを開放、または閉鎖させる。当業者には、ダンパーを調節するために種々の他の機構が可能であることの良さが分かるであろう。
【００４４】
乾燥ホイール２４は、好ましくは能動的乾燥ホイールである。ここで使われているように、用語“能動的乾燥ホイール”は、外部熱源を用いてホイール媒体内で乾燥剤を再生する乾燥ホイールを参照する。図１および２に示された実施例では、ＡＤＭ１０の再生部分２２は、乾燥ホイール２４を再生するやめのヒータ２８からなる熱源を含む。再生ヒータを、再生空気流を通るときに乾燥ホイール２４を再生（ドライ）に必要なだけ熱を提供できる、どのような熱源（例えば、ガス、電気、熱湯、蒸気、ソーラ、空気調整からの廃熱、機械的または電気的再生システムなど）でも提供できる。例えば、ヒータ２８は、大気ラインバ−ナ（atmospheric line-burner）でも直火バーナでもよい。ヒータ２８は、熱湯または蒸気のコイルであってもよく、もし、廃熱を乾燥ホイール２４の再生のために用いる、例えばＡＤＭ１０を屋内で、または組合せ冷房、暖房および電力（ＣＣＨＰ）システムを用いる（オン・サイト発電が副産物として廃熱をもたらす）と好ましい。外気を、再生空気フアン３２によって再生空気入口３０を介して再生部分２２に吸引し、空気の流れを再生部分と連通させるのが好ましい。ここで用いる用語“空気の流れを連通させて”は、広くフアンや他の空気を動かす所望の空気流を作るように装置内外のいずれかに配置される手段を指す。加熱された再生空気流は、再生部分２２を介して回転する乾燥ホイール２４の部分を流れ、再生させる（乾燥させる）。乾燥ホイール２４と通過後、再生空気を再生空気出口３４を介して屋外に排出できる。
【００４５】
再生エネルギー入力を、直火ガスバーナを働かせる制御バルブによって調節し、所望の露点に達するのに必要な熱量のみを提供できる。この取り組みの典型的な用途は、学校の施設を空調することであり、その学校の施設での願いは除湿した外気の一定の供給を特定の露点に調整された各教室に行うことである。屋外の状態が変わると、再生温度を、所望の引き渡される外気状態が達成されるまで、変える。先に述べる再生エネルギー量を調整し、所望より冷たいあの空間に空気を引き渡すことを、仮に引き渡される露点を達成されても、避けることができる。同様に、エネルギー入力を能動的乾燥ホイールを補助加熱機能を提供するために用いるときに調節できる。
【００４６】
加熱装置に対するエネルギー入力を変える一般的な方法は多数あり、当業者にはこれらの方法に精通している。本発明のための好ましい再生源は直火ガスバーナーである。ガスの量、つまり加熱出力は、ガス配管中のバーナーモジュールの前か、“上流”に、調節蝶形弁を備え付けることによって制御される。次いで、この調節蝶形弁を必要なだけアクチュエータで開閉し、多くのタイプのものが使用可能であり、当業者には知られているものである。その良い実例はエクリプス  インコーポレイテッド（Eclipse Inc.）によって製造された回転アクチュエータ、型番ＡＣＴ００４である。温度および／または湿度センサは、信号を制御モジュールに提供する。この制御モジュールは、例えば、直接デジタル制御システム、または簡易組合せ温度センサ制御器、または空間サーモスタットでもよい。その制御器はセンサからのデータを処理し、信号（例えば、０−１０ボルトまたは４−２０mA）をアクチュエータに送り、出会う状態に対し所望の再生温度を提供するのに必要なだけ蝶形弁を開閉させる。
【００４７】
再生エネルギー入力もそのまま一定にし、調節弁や必要な制御部品の追加されるコストを削除できる。バーナーまたはその他の熱源を、標準屋上ユニットが冷却コイルと加熱源の両方をサイクル運転するのと同じ方法でよくサイクル運転できる。露点センサを閉空間に配置し、再生ヒータと冷却の適当な段階をサイクル運転をオン・オフ制御できる。露点センサは空間湿度が所望の値であることを検知すると、ＤＸ部が運転を続け、空間サーモスタットの設定に基いて、必要により実用的な冷却を提供するか、もし露点センサとサーモスタットが要求を満たす場合は、再生ヒータおよび冷却コイルの一段階または複数段階のサイクル運転をオフできる。
【００４８】
ホットガスまたは凝縮熱をＡＤＭの再生エネルギーの要求を増大するのに用いることができる。パッケージ屋上ＨＶＡＣユニットが最適の効率に設計されると凝縮熱の温度は典型的に１２５°Ｆの範囲にある。この熱は多くの“フリー”ＢＴＵの再生の可能性を作る。このフリー熱を、例えば第二コンデンサ・コイルをガス燃焼バーナーの前に配置することによって、用いることができる。しかしながら、この構成は、第二のコンデンサ・コイル、配管、制御バルブおよびセンサの追加に関連する装置の付加コストおよび制御の複雑さという欠点を持つ。また、ガスバーナーの上流に配置された第二コンデンサ・コイルを横切る追加の圧力低下が再生フアンの作動コストを上昇させ、かつしばしば必要なフアン・モータのサイズを大きくする。このフリー熱を用いる好ましい方法は、コンデンサ・フアン、コンデンサ・コイルおよびコンプレッサを囲む区画室から再生入口空気を取出すことであり、それによって再生ヒータに入る空気を予熱して、第二コンデンサ・コイルまたは制御の変更の必要性を少なくする。この構成は、装置のコストを上げることなしにエネルギー効率を改善させる。この取り組みにより、再生ヒータに入る入口空気の温度をほぼ２５°Ｆまで上昇させて、再生加熱に必要なエネルギーの有効な削減をもたらす。
【００４９】
本発明のシステムは、外気を高い百分率で被調整空間に提供するよう構成されているＨＶＡＣシステムと併せて採用すると、特に効果的である。しかしながら、当業者には、その取り組みを再循環空気をさらに必要とする用途に効果的に採用できることはありがたいことである。１００％でも外気システムは、非居住モードの結合からしばしば恩恵を受ける。例えば、もし本発明のシステムを学校に供給される外気を調整することに用いる場合、教室は、非常に高い百分率の時間ふさがらない。学校の設備は快適な冷却を必要としないが、それにもかかわらず、微生物の侵入を避けるため湿度制御を必要とする。本発明のシステムを、再循環空気に代りに外気の引渡を削減または縮小できるよう構成できる。再循環空気をＡＤＭを介して通すことによって、空間の湿度を非常に低い露点にまで最少の運転時間で除湿できる。さらに、除湿された空気を部屋の中間温度で効率的に引渡し、過冷却空間を最少の顕著な負荷で避けることができる。空間の露点をモニターでき、ＡＤＭを空間が除湿を必要とするときのみ作動させる。
【００５０】
本発明のもう一つの実施態様では、ＡＤＭは、完全統合ハイブリッド空気調整および除湿ユニットの一部として構成されている。ハイブリッドユニットは、ろ過装置、供給空気フアン、および上で検討したＡＤＭの部品と共に、標準屋上ＨＶＡＣユニットに主として見られるＤＸエバポレータ・コイル、凝縮部、加熱部および他の部品を、好ましくは単一パッケージシステムに一体化される。
図３および４は、閉空間の温度と湿度を制御するためのハイブリッド空気調整および除湿装置を図解する。ハイブリッドユニットは、装置を収納するためのハウジング１６を含む。仕切り１８は、ハウジングを供給空気流を収納するための供給部２０と、再生空気流を収納するための再生部２２とに分離する。
【００５１】
供給部２０は外気を受け入れる入口１４を有する。空気の流れを供給部２０と連通させる供給フアン４２は供給空気流を作り出す。供給空気を供給入口１４を介して、好ましくはフィルタ４４を介して引き込む。
供給空気流中に配置された冷却コイル４６は供給空気を冷却する。冷却コイル４６は、種々の通常の冷却装置のいずれか、例えば、直接膨張式または冷水式コイルであってもよい。一つの実施態様では、冷却コイル４６が通常の冷凍システムの一部である直接膨張式冷却コイルである。冷凍システムのコンプレッサ、コンデンサおよびコンデンサ・フアン部品を凝縮ユニット４８内に収納する。
【００５２】
冷却コイル４６を通過後、供給空気を乾燥ホイール２４によって除湿する。乾燥ホイール２４は、好ましくは、ホイールの一部が供給部分２０に延び、ホイールのもう一部が再生部分２２に延びるように、仕切り１８と同一線上か、平行に配置された回転軸２５を有する。ホイール２４は、供給空気流および再生空気流を介して回転し、供給空気流を除湿する。システムは、好ましくは、乾燥ホイール２４の回転速度を変え、供給空気流から取り除かれる水分量または供給空気流に移される熱量を制御するための機構を含む。システムは、また好ましくは、供給部分２０の入口１４と出口１５との間に、乾燥ホイールを選択的に迂回することによって乾燥ホイール２４を通過する供給空気量を制御するための迂回ダンパー２６を含む。
【００５３】
再生部分２２は、再生空気を受け入れるための入口３０と、再生空気を排出するための出口３４とを有する。再生フアン３２は、再生空気流を再生部分に作り出せるように、空気の流れを再生部分２２と連通させる。ヒータ２８（例えば、ガス燃焼バーナおよび／または何か他の熱源）は、再生空気流を介して回転しながら、乾燥ホイール２４を再生するのに必要なだけ再生空気流を加熱する。再生空気を周囲空気から引き入れてもよい。代わって、図１に関連して上で検討したように、再生空気をコンデンサ５０を収納する区画室４８から引き入れ、空気調整システムのコンデンサによって予熱された再生空気を提供してもよい。
【００５４】
当業者なら理解するように、図１，２、３および４に示されるシステムの実施態様の種々の部品を、本発明の範囲から離れないで種々の異なる構成に置くことができる。例えば、図３に示すハイブリッドシステムは、冷却コイル４６の左側に隣接する凝縮ユニット４８を有し、反対に図４では凝縮コイル４８が冷却コイル４６から分かれてシステムの右側にある。他に種々の変形を図解された実施態様に対して行うことができる。
図５および６は、冷却コイルの位置を乾燥ホイールの前にすることによってもたらされる利点を図解する。図５は、乾燥ホイールを冷却コイルの前に配置する従来の乾燥剤を前調整する取り組みで期待される性能を図解する。図６は、同じ状態で、本発明により乾燥ホイールを冷却コイルの下流に有するシステムの性能とデザインの実例を図解する。両実施例において、外気状態は、絶対湿度の８５°Ｆおよび１２５グレイン（相対湿度６８．５％）。各システムは、空気を１４００標準ft3/分にて、７７．５°Ｆおよび６８．５グレインで被調整空間に供給することが望まれる。
【００５５】
これらの供給空気状態を達成するために、図５に図解する従来のシステムは、ほぼ３４インチの直径を有する上述の型式の能動的乾燥ホイール２４を必要とする（外側リム、内側ハブ、カバープレート、スポークおよびシールの補正後の全ネットホイール面積を４．９ft2とする）。再生空気を上述の温度および湿度の状態で屋外から供給し、このサイズの乾燥ホイール、この量の空気の処理。これらの状態下では、能動的乾燥ホイール２４は湿度がほぼ５６．５グレインで取り除かれ、水分の６８．５グレインの所望の湿度レベルを達成する。冷却コイル４６に入る空気は１３６°Ｆの温度と６８．５グレインの絶対湿度有する。ほぼ７．４トンの冷却コイル４６は、空気の温度を７７．５°Ｆの所望供給空気状態まで下げる必要がある。これらの温度および湿度状態では、冷却コイル４６は追加の除湿をほとんど、または全く供しない。
【００５６】
図６は、ここに述べる、乾燥ホイール前で空気を処理するよう配置された冷却コイルを有するシステムの性能の実施例を図解する。所望の供給状態を達成するために、外気の１４００ＳＣＦＭを、空気をほぼ６４．６°Ｆに冷却する冷却コイル４６に引き渡される高温度および湿度状態まで５．７トンの冷却出力を供給する従来のＡＲＩ定格５トンパッケージシステムにまず通過させる。上述の従来の取り組みとは対照的に、冷却コイル４６に入る空気は飽和に近い。空気は冷却コイル４６により高い相対湿度で入るので、冷却コイル４６はそれを通過する空気を除湿できる意義は大きく、湿度の３８グレインを取り除く。冷却コイル４６によって提供される除湿の故に、乾燥ホイール２４は、所望の供給空気状態を形成するために空気の処理の１／３を必要とするだけである。依って、ホイール２４のサイズを縮小できる意義は大きい。図示の実施例では、システムによって必要となる能動的乾燥ホイールは、直径がほぼ２０インチである（従来の取り組みで必要となる３４インチと比較して）。リム、ハブおよびスポークを取り除いた後、２０インチホイールのネット面積はほぼ１．５５ft2である（従来の取り組みのホイールでは４．９ft2であるのと比較して）。結果として、冷却コイルの前に備え付けたホイールのサイズは、同じ機能を遂行するためには、直径で７０％大きく、面積で３１６％大きくなければならない。再生空気を屋外から上述の温度および湿度で供給すると仮定して、このサイズで、特定量の空気を処理する乾燥ホイールは、２００°Ｆおよび９０グレインの絶対湿度でほぼ２５０ＳＣＦＭの再生空気を作るために、３４,９９２ＢＴＵ／時間（従来のシステムで必要な１２８,５００ＢＴＵ／時間に比較して）の容量を有するヒータ２８を必要とする。
【００５７】
水分を能動的乾燥ホイールによってサイクル運転するにつれて、熱を放出する。熱の放出が大きいと、移送媒体を介する温度の上昇が大きい。図５に示す従来の構成においては、かなり大きな空気流からより多くの水分（より大きなグレインの差）を追い出す能動的乾燥ホイールで、かなり大きな熱が冷却コイルの前で外気流に本質的に加えられる。結果として、能動的乾燥ホイールの後に配置される冷却コイルによって提供される冷却エネルギーは、能動的乾燥ホイールを離れる温度を所望の７７．５°Ｆに下げるのに費やされる。冷却コイルは、本来は、除湿機能を実行しない（すなわち、ドライコイルとして作動する）。図５に示された本発明によるシステムの実施例では、冷却コイルは適宜除湿機能に加わり、それは、空気流れのほぼ１／３だけが能動的ホイールを介して通り、ずっと少ない熱が供給空気流に加わるだけだからである。重要なことであるが、加えられた熱の多くは、引き渡された空気の温度を部屋の中立状態にするのに望ましい。
【００５８】
かくして、図５および６に図解された実施例から、本発明により構成されたシステムが、同じ所望の供給空気調整を、より小さい乾燥ホイール、より小さい容量の冷却コイルおよびより少ない再生熱で行えることがわかる。そのように、本発明は、占める空間やエネルギーの消費をより少なくでき、従来の乾燥剤ベースの除湿システムより低コストで製造できるシステムを提供する。これらの利点は重要で、特にサイズと効率が最高であるパッケージ屋上ＨＶＡＣ用途に対してそうである。
【００５９】
システムの試験
本発明により構成された追加ＡＤＭおよび一体ハイブリッドシステムを、ミズリー州、コロンビアのセムコ インコーポレーテッドの本部にある空気試験研究所で設計し、製作し、機器に備え付け、テストした。当業者なら分かるように、本発明のシステムはいろいろな方法で構成できる。テストの目的で、追加ＡＤＭモジュールを、セムコによって作られた能動的乾燥ホイール、直火バーナー、再生フアン、迂回ダンパー、先に述べた電気パッケージおよびシステムの囲いで構成した。このモジュールを、短い長さで（１８インチの断熱配管）、標準、１段式で５トン（ton）のＴＲＡＮＥ（登録商標）ＶＯＹＡＧＥＲ（商標）のパッケージ屋上ユニットと連結した。ハイブリッドシステムを、モジュールに含まれた能動的乾燥ホイールとその他の部品を、標準５トンＶＯＹＡＧＥＲ（商標）のパッケージ屋上ユニットに含まれたすべての部品と一体にして、外見では標準屋上に似ているが（数フィート長いことを除いて）、接続配管を必要としない、一つの同質のシステムを形成したことを除いて同様に構成した。その一体のハイブリッドシステムは、ＴＲＡＮＥ（登録商標）ＶＯＹＡＧＥＲ（商標）のコンプレッサ、凝縮コイルおよびコンデンサフアンからなる凝縮部から直火バーナーに入る空気を引くために、再生エネルギーを節約する変更を組み込まれている。
【００６０】
試験施設は、パッケージＨＶＡＣユニットとハイブリットシステムに入る人工外気流を、所望の温度、湿度、および性能をモニターするための静圧力レベルに注意深く調整し制御することを可能にした。追加ＡＤＭモジュールパッケージユニットの組合せとハイブリッドシステムの両者を、試験設備と接続し、機器を十分取り付けた。すべての機器を中央データ収集システムとモニターステーションに接続し、リアルタイムのデータの再調査と収集を可能にした。施設の前調整システムによってなされた外気の状態も、直接デジタル制御システム（ＤＤＣ）を介して制御し、かつ維持した。そのシステムは試験研究モニターステーションの一体部分である。
【００６１】
ダクトを、ＨＶＡＣユニット（ＡＤＭの場合）の外気吸込み部とハイブリッドシステムの外気吸込み口とに直接接続した。凝縮部の周囲空気と再生空気を試験研究所から引き、ほぼ試験中を約８０°Ｆで９０グレインの絶対湿度に維持した。
期待通り、性能は屋上ＨＶＡＣユニットと一体ハイブリットシステムとの組み合わせで作動する両ＡＤＭと同じであった。下の表１と２は、試験から得られたキイとなる性能変数を要約する。
表１は、５トンの屋上ＨＶＡＣユニットとハイブリッドシステムを備えたＡＤＭのシステム性能を示す試験結果の要約である。
【００６２】
【表１】
2005531746.tif 000003
【００６３】
表２は、５トンの屋上ＨＶＡＣユニットとハイブリッドシステムを備えたＡＤＭの潜在性能を示す試験結果の要約である。
【表２】
2005531746.tif 000004
【００６４】
これらの研究で最適化された変数は、冷却コイルによって処理された、迂回空気の割合、乾燥ホイール速度およびcfm／tonを含む。迂回空気の割合の減少によって、乾燥空気をシステムから排出できたが、これは排出空気温度のわずかな増加をもたらすだろう。乾燥ホイールの回転速度を減少させることによって、より冷たい排出空気温度を、いくらかの除湿能力を犠牲にして得ることができた。冷却コイルによって処理された空気のcfm／tonを減らすことによって、より冷却され、乾燥された空気を、空気流れ容量を減らして排出できた。これらのシステムのために調節できたたくさんの変数がある。そのような柔軟性は本発明のシステムのオプションを制御することが関連しているので、試験の目的には、利点であるけれども、変数を、性能データを簡潔な方法で表示できるように固定しなければならない。
【００６５】
データの発表を簡単にするために、システムを１００％外気システムとして作動した。試験の目的で、標準５トンパッケージＨＶＡＣユニットを２８５cfm/
tonで作動した。供給空気の約６４％を能動的乾燥ホイールの周りに迂回させた。迂回の割合と再生温度を選択し、空間中立温度（約６８と７８°Ｆの間）と約５７°Ｆかそれより低い露点（湿度の７０グレイン／乾燥空気のポンド）で前調整された外気の排出を達成した。コンデンサ温度をそれを研究施設内に配置してからずっと試験中は８０°Ｆに維持した。再生入口湿度状態を９０グレインに維持した。ほぼ２００°Ｆの一定再生温度を、データを作るのに用いた。
試験システムの５トンネームプレート定格はＡＲＩ試験基準に沿っているが、従来のパッケージ屋上ユニットを、ＡＲＩ定格に使うより暖かく、湿った空気を冷却コイルに排出するのに用いるときは（例えば、８０°Ｆ乾球および６７°Ｆ湿球のＡＲＩ２１０／２４０−９４標準状態に対して、８５°Ｆ乾球および７６°Ｆ湿球）、５トンユニットによって引き渡された実際の冷房能力のＢＴＵSを、ほぼ１０％まで増加させ、それによって全システム効率を改善すると共にここで述べた本発明と関連するもう一つの利点を強調する。
【００６６】
表１は広範囲の外気状態を示す。これら各外気試験状態には、コイル出発状態（製造データの挿入に基づいて）に対する予測値を、試験中に測定された実際のデータに加えて示す。予想コイル出発状態と研究試験中に記録されたそれらの状態との間に良好な一致を見付けた。出発コイル状態に加えて、乾燥ホイールを離れる状態とシステムによって供給されたそれらの状態も存在する。
システムを、その能力を強調するために冷却コイル圧縮部を作動させる６５°Ｆ、８５グレインの外気状態で２度試験した。これは本発明によって提供されるもう一つの重要な利点を強調する。パッケージＤＫ冷却システム内のコイルは、外気が冷たく湿っている間外気の高％を作る霜状態に至る。それは、冷却外気状態は冷却サイクル運転が必要よりかなり大きいトンを作ることを可能にするからである。コンプレッサのサイクル運転を低負荷状態の下でオフする能力は、コイルの霜付きや圧縮不良が起こる危険性を少なくし、それによって高価な制御機構の必要性を少なくできる。それは、またコンプレッサのサイクル運転を、外気が冷たいが湿っているときは年間で多くの時間、オフできるので、エネルギー消費を著しく減少させる。
【００６７】
第一の６５°Ｆ／８５グレイン試験のポイントは、ＡＤＭ／屋上ＨＶＡＣの組合せによって、両者が運転中は、引き渡される熱（the temperature）を示す。４３グレイン（４１°の露点）ほどの空気をこの状態で引き渡しできる。第二のポイントは、対象の供給空気状態が、何ら機械的冷却を使用しなくてもＡＤＭを作動するのみで、いかに満たされるかを示している。
表２は、異なる方法で説明された試験データを提供し、ＡＤＭによって可能になった潜在能力の増加を強調する。示されるように、ＡＤＭは、従来の５トン屋上ＨＶＡＣユニットの潜在能力を著しく増加する。その潜在能力を、引き渡される空気流れや、用いられる従来の冷却能力量を増加することなく、潜在設計状態では８８％以上まで、部分負荷状態では１２５％以上まで増加させた。
再生入力を一定にして、変更可能な露点を引き渡すために、ＡＤＭを制御し、作動させることができる。この制御方法は、最も基本（最小費用）の制御案になろう。それが、今日の市場でパッケージ屋上ユニットを通常制御する方法と最も似ている。
【００６８】
空間温度または供給空気温度の状態を満足させるように、コンプレッサのサイクル運転をオン・オフすると、ＡＤＭを、現在の湿度レベルを達成するまで追加の除湿を引き渡すために再生バーナーを簡単にサイクル運転できるよう構成できる。この制御の取り組みは、表１に表示されたデータの根拠である。
再生バーナーまたはその他の温度再生源も、空間に所望の露点を引き渡すために調整し、作動できる。もしシステムが所望以上に乾燥した空気を作る場合は、再生空気流に引き渡された熱量を所望の供給空気状態を満たすまで減らすことができる。
表１および２に示された試験データを再検討すると、本発明により構成されたシステムは、従来の屋上ユニットがエネルギー効率の良い方法で部屋の中立温度で乾燥換気を提供することを可能にしたことを、当業者は喜ぶであろう。乾燥ホイールを出る非常に乾燥し暖かい空気は、エバポレータコイルを出るより冷たく、より湿った迂回空気と混合して、所望の温度と湿度状態を作り出す。
【００６９】
システムの比較
本発明によって提供される利点は非常に多い。それらの利点のいくつかを、従来のパッケージ冷却アプローチおよび以前に市販された能動的乾燥システムとの比較を通じて、以下に要約する。
表３は、ＡＤＭ／屋上パッケージＨＶＡＣの組合せと１００％外気を処理するように設計された特注生産の８．５トンパッケージユニットとの間で簡単に比較した結果を示す。その比較は、各システムが８５°Ｆおよび１２５グレインの冷却シーズン設計状態から５６°Ｆの露点までの外気の１,４００cfmを処理すると仮定する。空間の過冷却を避けるために外気を空間に導入する前に７０°Ｆに再加熱することも仮定し、またフアンの加熱が２度あると仮定する。エネルギーの分析は、連続運転と、電気に＄０．０７／kWh、ガスに＄４．５０／ミリオンＢＴＵの装置使用コストとを仮定する。
【００７０】
【表３】
2005531746.tif 000005
【００７１】
表３のように、第一の容易な利点は、本発明の取り組みに必要になる機械的冷却トンは、受注生産されたパッケージユニットによって必要になるものの５９％だけである。削減された電気的要求や電気的サービスの要求の容易な利点は別にして、これは、小さい方の屋上ＨＶＡＣユニットに、大部分の時間にフルに負荷を与えているので、コンプレッサのサイクル運転の量を削減する。これはまた、先に検討した冷却コイルからの凝縮液の再蒸発の問題を最小にする。
表３は、また両システムのエネルギー消費の概算を比較する。表のように、この分析は、ＡＤＭ／屋上ＨＶＡＣの組合せの運転コストが受注生産された屋上ＨＶＡＣパッケージユニットのそれより４１％少ないと提示する［ＤＥＣＴＲＯＮ（商標）またはＰＯＯＬ-ＰＡＣＫ（商標）で製造されたように、全外気を処理するために選定された冷却能力を有するＨＶＡＣユニット］。１００％の外気を処理するようパッケージシステムを設計することは、複合コンプレッサと、ホットガス迂回能力制御と、典型的には標準屋上ユニットに供給されるより多数列で使用される冷却コイルと、冷却サイクル運転で生じる電気またはホットガスのエネルギー（表３に示されたエネルギー分析に用いられたホットガス）になり得る再加熱コイルとを組み入れることを含む。提示されたエネルギーの節約は、冷却の季節の間ではガスの割合が季節的に低いか、奨励金をガス冷却に対して出るか、需要電力料金が高い市場では大きくできた。
【００７２】
ＡＤＭは、受注生産された屋上ＨＶＡＣには必要としない、再生のための第２のエネルギー入力を必要とする。しかしながら、表３に示すように、ピーク負荷状態での再生エネルギーは、受注生産された屋上ＨＶＡＣユニットによる再加熱に必要なエネルギーより著しく大きいとは言えない。もし再生入口空気を、コンプレッサを収容する凝縮部から引き出すと、結果として前加熱は、表３に示す再生エネルギー消費を２０％以上に容易に削減できる。さらに重要なことは、外気負荷が極端に少ないので、ＡＤＭが必要とする再生エネルギー量を、所望の供給空気の露点を維持している間は、削減できる。受注生産されパッケージユニットでは再加熱エネルギー量はそのまま一定である。受注生産されパッケージユニットを、冷凍サイクルから拒絶熱を使用し、“自由”再加熱を備えるよう設計できる。しかしながら、全冷却効率(KW/ton）の削減の両立を、再加熱の要求を満たすために必要とする。加えて、冷凍システムの凝縮コイルから引き渡された再加熱温度を制御することは容易ではない。もう一つの問題は、一部負荷状態では、例えば、一つのコンプレッサのみが所望の露点に空気を除湿する必要があり、所望の供給空気温度に再加熱するためには、冷却サイクルによって発生されたエネルギーは十分ではない。
【００７３】
本発明のシステムのもう一つの顕著な利益は、外気が冷たくて湿った部分負荷状態では、必要な除湿の全てを乾燥ホイールにとって提供できるので、ＡＤＭはＨＶＡＣコンプレッサのサイクル運転をオフすることを可能にする。これらの状態では、受注生産されパッケージユニットが、冷却コイルに霜が付くことや潜在的にコンプレッサを損傷させることを避けるために、凝った制御のホットガスの迂回または多段中継の追加を必要とする。冷たい周囲の状態の間、削減された能力をエバポレータのコイルに必要なときは、いつでも余分な能力を凝縮部によって提供する。しかるべき設計の考慮がなければ、これは、受け入れられない低い吸引温度（凍ったコイル）をもたらす。本発明の取り組みはこの問題を解決する。
その他の重要な制御オプションが、従来のシステムでは不可能な本発明の取り組みによって提供される。例えば、本発明のシステムは、空気を、ＤＸ冷却サイクルのみで可能な露点よりかなり低い露点で提供する能力を有する。空いている間は、再循環空気システムとして１００％外気のシステムを作動でき、それによって非常に乾燥した空気を空間に導入し、空間の過冷却無しの除湿を提供できる。
【００７４】
表４は、表３に似た分析要旨を提供するが、先に市販された二つの能動的乾燥システム構造とＡＤＭ／パッケージ屋上ＨＶＡＣの取り組みとを比較する。表４では、“ＡＤＭ付き屋上ＨＶＡＣ”は、ここで述べる本発明の実施態様を参照し、ここでは供給空気流のほぼ３３％のみを能動的乾燥ホイールによって処理し、その能動的乾燥ホイールをシステムの冷却コイルの下流に配置する。表４の“能動的乾燥前調整付き屋上ＨＶＡＣ”として参照される取り組みは、能動的乾燥ホイールをシステムの冷却コイルの上流に備え付け、外気の全てを能動的乾燥ホイールによって処理するシステムを参照する。“ＤＢＣ前調整付き屋上ＨＶＡＣ”として参照される取り組みは、伝統的な乾燥ベースの冷却（ＤＢＣ）システムであり、パッケージ屋上システムの上流に備え付けられた。能動的乾燥ホイールに加えて、ＤＢＣシステムは、顕在的な回収のみのホイールと蒸発的冷却部とを含む。これらの部品は、冷却システムに引き渡し前の外気流から多くの吸収熱を除去し、再生ヒータに入る再生入口空気流を前加熱する。
【００７５】
【表４】
2005531746.tif 000006
【００７６】
表４に示されたデータは、本発明の取り組みによって提示された利益を強調している。性能に関しては、本発明のＡＤＭは、能動的乾燥前調整の取り組み（冷却コイルの上流に備付）で必要となる７．４トンに比較し、機械的な冷却能力の５トンのみを用いる所望の除湿能力を提供する。それは、また、前調整の取り組みによって必要となる再生エネルギーの２４％を用いるに過ぎない。本発明のシステムの作動コストは、従来の能動的乾燥前調整システムを用いることによって必要となるコストのほぼ半分である。同様に重要なことであるが、そのシステムのサイズは、能動的乾燥前調整システムで必要となるサイズの３０％に過ぎない。
【００７７】
冷却コイルの上流に備え付けられる能動的ホイールで必要となる水分負荷や再生温度が高くなると、冷却コイルの下流に備え付けられる場合より、能動的乾燥ホイールを出る空気に、より多くの熱が加えられる結果になる。結果として、能動的乾燥前調整の取り組みにおいて能動的乾燥ホイールによって加えられる熱を移動させる必要がある冷却エネルギーは、本発明のＡＤＭ屋上ＨＶＡＣの組み合わせよりずっと多い全冷却能力を必要とすることになる（表４によって示される実施例では４８％以上）。また、もっと水分を移動させ、ずっと多い空気を処理するので、能動的乾燥前調整の取り組みは、ＡＤＭ屋上ＨＶＡＣの組み合わせよりずっと多い再熱エネルギーを必要とする（表４で示された実施例の３倍以上）。
【００７８】
伝統的なＤＢＣ前調整の取り組みで使用される、顕在的で回収のみのホイールを加えることによって、能動的乾燥前調整の取り組みによって必要となる後の冷却エネルギーおよび再生エネルギーを大幅に削減する。しかし、サイズおよび製造コストの増加は、ＡＤＭ屋上ＨＶＡＣの組合せのそれのそれぞれほぼ５．５および３倍である（表４に示す実施例に基ずく）。表４に示されるように、ＡＤＭ屋上ＨＶＡＣの組合せは、わずかな再生エネルギーとかなり少ないフアンの馬力エネルギー（図示しない）を使う間は、加えられた顕在ホイールと関連して圧力損出を解消するので、同じ供給状態を提供する。
【００７９】
これらの利点のいくつかは、従来のシステムが典型的に全量を処理しなければならない間は、能動的乾燥ホイールによって外気の流れの３３％のみを処理するように本発明のシステムを構成できるという事実から生まれる。能動的乾燥ホイールの直径における対応する減縮は、もっと小さな最終製品をもたらす。パッケージ冷却装置のそれと互換性があるモジュールサイズを維持することが重要な利点である。それはまた、かなり少ないフアンの馬力を、組み合わせたＡＤＭ屋上システムの取り組みによって使う結果になる。
【００８０】
提供された実施例は、１００％外気に基づいているけれども、この発明からの供給空気は、それが有益であれば、外気に加えていくらかの再循環空気を含んでもよい。例えば、もしＡＤＭモジュールを既存のパッケージ屋上ユニットに改良し、湿度制御を改良し、８０％の外気を必要とするだけだと、既存の経済的なダンパーの配置を、２０％の再循環空気を８０％外気に加えてＡＤＭに引き渡すよう設定できる。１００％外気以上に処理する価値があるところには、多数の他の例が存在する。
本発明は特定の実施態様を参照して述べられているけれども、本発明の精神または範囲から離れることなしに多様な変形が可能であることを当業者には理解されるであろう。例えば、ここに述べた詳細は、例えば、ＡＤＭおよびハイブリッドの好ましい実施態様の構成および作動に係る詳細を提供し、本発明の範囲を限定するために提供するものではない。依って、本発明の実施態様の記載は、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。本発明の範囲を限定するべきではない。本発明の範囲は、添付の請求の範囲によって要求される範囲にのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】空気調整システムによって閉空間に供給される空気を除湿するための装置の概略平面図である。
【図２】空気調整システムによって閉空間に供給される空気を除湿するための装置の一部を破断した斜視図である。
【図３】閉空間の温度と湿度を制御できるハイブリッド空気調整・除湿装置の概略平面図である。
【図４】閉空間の温度と湿度を制御できるハイブリッド空気調整・除湿装置の一部を破断した斜視図である。
【図５】従来の乾燥ベースの空気調整・除湿システムの期待の性能のサンプルを図示するダイアグラムである。
【図６】本発明による空気調整・除湿システムの期待の性能のサンプルを図示するダイアグラムである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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