(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
室内に第１通路と第２通路とが接続され、前記第１通路は室内側から熱交換器、加熱手段、除湿ロータ、第１ファンの順に、前記第２通路は熱交換器、除湿ロータ、第２ファンの順に配置され、前記室内の空気を排気及び外気を室内へ給気することにより室内が冷房除湿、あるいは暖房加湿されるデシカント空調システムにおいて、
前記第１通路の熱交換器、膨脹弁、前記第２通路の熱交換器、圧縮機を順次配管接続して冷凍サイクルを構成した圧縮機式空調機を備え、
冷房除湿運転する場合、前記第１通路で室内空気が排気、前記第２通路で外気が給気され、前記第１通路の熱交換器が凝縮器となるように、前記第２通路の熱交換器が蒸発器となるように前記圧縮式空調機が運転され、
暖房加湿運転する場合、冷房運転から暖房運転に切り替えるために、前記第１ファンと前記第２ファンの回転方向を逆にし、冷房時排気となる前記第１ファンを暖房時給気ファンとし、冷房時給気となる前記第２ファンを暖房時排気ファンとして用いることを特徴とするデシカント空調システム。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記加熱手段は固体高分子型燃料電池の排熱を利用したことを特徴とするデシカント空調システム。
【請求項３】
請求項１に記載のものにおいて、前記加熱手段はマイクロタービンの排熱を利用したことを特徴とするデシカント空調システム。
【請求項４】
請求項１に記載のものにおいて、冷房除湿運転をする場合、換気量、目標温度、目標湿度を設定し、前記除湿ロータの回転数は前記除湿ロータ出口の絶対湿度が前記目標湿度に等しくなるように決定し、前記除湿ロータ出口の温度が前記目標温度より高ければ前記圧縮式空調機を運転することを特徴とするデシカント空調システム。
【請求項５】
請求項１に記載のものにおいて、暖房加湿運転をする場合、前記第２ファンが排気方向に、前記第１ファンが給気方向に回転され、前記除湿ロータは停止させ、外気が前記除湿ロータを通過してから前記加熱手段で加熱し、さらに凝縮器とされた前記第１通路の熱交換器に水を振り掛けて加湿し、その温度が目標温度より低ければ、前記圧縮式空調機を運転することを特徴とするデシカント空調システム。
【請求項６】
請求項５に記載のものにおいて、加湿された外気が前記目標温度より高ければ、前記圧縮式空調機は停止させて前記加熱手段の加熱量を制御することを特徴とするデシカント空調システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、室内の冷房除湿運転あるいは暖房加湿運転を高効率に行うデシカント空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧縮式空調機では、省エネを達成するために、蒸発温度が上がり、十分な除湿ができず、換気も十分にはできなかった。そこで、室内空気を加湿器へ送り水を蒸発させてより低温空気にしてから顕熱熱交換器に入れ、その後、加熱してゆっくり回転する除湿ロータの水分を蒸発させて外部に排気し、一方、外気を除湿ロータへ送り込んで除湿し、その吸着熱による温度上昇を顕熱熱交換器で加湿器から顕熱熱交換器に入れられた室内空気と熱交換して室内に給気するデシカント空調システムが知られ、例えば、特開平５−３０１０１４号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、外気から給気される空気の温度と室温の差が２℃程度しか取れなく、十分な冷房能力が得られなかった。また、給気の出口に蒸発冷却器を設けて温度を下げたり、除湿によって温度の上がった乾燥空気を一旦外気によって冷却したりするなどの方法があるが、いずれも装置が複雑、大型化し、コストが高くなることは避けられなかった。
【０００４】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、十分な除湿能力を持った省エネ効果の高い、デシカント空調システムを提供することにある。また、換気風量を必要最小限に抑え、低騒音とすることにある。さらに、換気、冷房、除湿のみならず、暖房、加湿を可能とし、快適な環境を創り出すことにある。さらに、所定の室内温度、湿度を容易に実現することにある。
なお、本発明は、上記目的の少なくとも一つを解決することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、室内に第１通路と第２通路とが接続され、前記第１通路は室内側から熱交換器、加熱手段、除湿ロータ、第１ファンの順に、前記第２通路は熱交換器、除湿ロータ、第２ファンの順に配置され、前記室内の空気を排気及び外気を室内へ給気することにより室内が冷房除湿、あるいは暖房加湿されるデシカント空調システムにおいて、前記第１通路の熱交換器、膨脹弁、前記第２通路の熱交換器、圧縮機を順次配管接続して冷凍サイクルを構成した圧縮機式空調機を備え、
冷房除湿運転する場合、前記第１通路で室内空気が排気、前記第２通路で外気が給気され、前記第１通路の熱交換器が凝縮器となるように、前記第２通路の熱交換器が蒸発器となるように前記圧縮式空調機が運転され、暖房加湿運転する場合、冷房運転から暖房運転に切り替えるために、前記第１ファンと前記第２ファンの回転方向を逆にし、冷房時排気となる前記第１ファンを暖房時給気ファンとし、冷房時給気となる前記第２ファンを暖房時排気ファンとして用いるものである。
【０００６】
さらに、加熱手段は固体高分子型燃料電池の排熱を利用したことことが望ましい。
さらに、加熱手段はマイクロタービンの排熱を利用したことが望ましい。
【０００７】
さらに、冷房除湿運転をする場合、換気量、目標温度、目標湿度を設定し、除湿ロータの回転数は除湿ロータ出口の絶対湿度が目標湿度に等しくなるように決定し、除湿ロータ出口の温度が目標温度より高ければ圧縮式空調機を運転することが望ましい。
さらに、暖房加湿運転をする場合、第２ファンが排気方向に、第１ファンが給気方向に回転され、除湿ロータは停止させ、外気が除湿ロータを通過してから加熱手段で加熱し、さらに凝縮器とされた第１通路の熱交換器に水を振り掛けて加湿し、その温度が目標温度より低ければ、圧縮式空調機を運転することが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、加湿された外気が目標温度より高ければ、圧縮式空調機は停止させて加熱手段の加熱量を制御することが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明による一実施の形態を説明する。
図１に本発明デシカント空調システムのシステム全体図を示し、１は、空調を必要とする空間（室内）で、この空間に第１通路１１と第２通路１２とが接続されている。第１通路１１には、凝縮器１９、加熱手段１５、除湿ロータ１６の再生部分、第１ファン１７が組み込まれている。第２通路１２には第２ファン１８、除湿ロータ１６の除湿部分、蒸発器２０が組み込まれている。除湿ロータ１６は、円筒状で内部にシリカゲル、活性炭などの吸着剤が充填され、一方が第１通路１１へ他方が第２通路１２に置かれ、ゆっくり回転される。
【００１１】
凝縮器１９、膨脹弁２２、蒸発器２０、圧縮機２１は順次配管接続され、冷凍サイクルを構成し、圧縮式空調機となっている。圧縮機２１は第１通路１１及び第２通路１２の外部に設けられ、配管で各通路１１、１２の内部へ通じている。
【００１２】
蒸発器２０の前後には温度および湿度センサー３１、３２が設置され、圧縮式空調機の運転をするための信号を出すようになっている。加熱手段１５には、固体高分子型燃料電池を冷却した温水が送られてきて、除湿ロータ１６の吸着剤中の水分を除去して再生させるための熱源を供給している。
【００１３】
図中の点線内は固体高分子型燃料電池の系統を示し、６１が水素極、６３が酸素極である。水素極６１と酸素極６３は、電解質膜６２を挟むように配置されている。水素極６１から酸素極６３に向かって、電解質膜６３の中を水素陽子が移動するので、外部回路に電子が流れ、発電する。固体高分子型燃料電池は発熱するので、冷却器６４を設け、効率の良い８０℃に保っている。冷却器６４の中には水が流れ、燃料電池で発生した熱を冷却水で除去する。また、冷却水は、配管６５を通って排気ガスの加熱手段１５に導かれる。この加熱により、排気ガス温度を８０℃近辺まで上げることができ、除湿装置１６の吸着材の中に吸着した水分を追い出すことができ、その結果吸着材を再生することができる。
【００１４】
図２は、図１の固体高分子型燃料電池による加熱手段１５から、マイクロタービンに変えた場合のシステム全体図である。点線内がマイクロタービンの系統図であり、マイクロタービンの吸入空気５６は、圧縮機５１で圧縮され、再生熱交換器５５で予熱され、燃焼器５２でさらに高温にされてタービン５３に入る。タービン５３を回すことにより、発電機５４を回転させ、発電する。タービン５３を出た排気ガスは、７００℃近い温度であり、再生熱交換器５５に入れて燃焼器入口空気を予熱する。再生熱交換器５５を出た排ガスは、２００℃くらいの温度を保ち、除湿ロータ１６の吸着材を再生する。
【００１５】
図３は図１の一部を拡大したもので、冷房除湿運転の詳細を示し、第１通路１１は排気通路とされ、室内の空気が２０℃、５０％で凝縮器１９に入る。凝縮器１９で加熱された排気空気は、加熱手段１５によってさらに８０℃まで加熱され、除湿ロータ１６に入る。除湿ロータ１６では、シリカゲルなどの吸着剤中の水分を除去して吸着剤を再生させる。その後、室外に排気される。
【００１６】
第２通路１２は給気とされ、外気の温度、湿度が３３℃、６０％であるとすると、除湿ロータ１６で水蒸気が吸着され乾燥空気となるが、吸着熱で加熱されるので、除湿ロータ１６出口では６０℃、６％の空気となる。これを蒸発器２０によって冷却するが空気中の水分量は変わらないので、２０℃まで冷却すると湿度は７０％となる。この時に必要な圧縮式空調機の冷房能力は、風量を３ｍ３／minと仮定すると、２.５ｋＷ程度となり、出力１ＨＰクラスのエアコンの冷房能力で充分満たされる値である。３ｍ３／minの換気量は、８畳間の全室内空気を１時間で４回換気できる量であり、普通の居間では十分な換気量であり、従来のものに比べ換気風量を必要最小限に抑え、省エネ、騒音低減となっている。
【００１７】
給気空気の設定温度、湿度を変える場合には、その設定値を実現するのに最も省エネとなる除湿ロータと圧縮式空調機の運転組み合わせがあり、それをあらかじめプログラムで予測計算し、それに基づいて運転制御すれば、省エネ、低騒音、快適な空調を小型、コンパクトで実現できる。
【００１８】
図４は、同様に暖房加湿運転時の空気の温度、湿度変化を示し、第１通路１１と第２通路１２を冷房運転時と切り替えるために、第１ファン１７と第２ファン１８の回転方向を逆にし、冷房時排気となる第１ファン１７を暖房時給気ファンとし、冷房時給気となる第２ファン１８を暖房時排気ファンとして用いる。これにより、加熱手段１５の位置の変更や、圧縮式空調機の冷暖房切り変えが不要になり、装置の単純化を図ることができる。また、図は暖房加湿運転時の空気温度、湿度の変化を示している。
【００１９】
第１通路１１では、０℃、３０％の外気が導入され、除湿ロータ１６は停止しており、加熱手段１５で温度を６０℃まで加熱すると、絶対湿度は変わらなくても相対湿度は２％に低下する。そこで凝縮器１９にスプレーで水を振り掛け、水の蒸発潜熱によって空気温度は５０℃に低下するが、相対湿度は２０％まで上昇する。この時、圧縮式空調機は停止しており、凝縮器は単なる加湿器として機能している。一方、第２通路１２では、２５℃、４０％の室内空気をそのまま排気として捨てている。このようにすると、除湿ロータも圧縮式空調機も使わずに、燃料電池あるいはマイクロタービンなどの排熱を利用した加熱手段のみで、新鮮な外気を導入でき、省エネとなる。また、排熱が十分に得られない場合は、圧縮式空調機を運転し、暖房能力を補えば良い。
【００２０】
暖房加湿時にも、外気条件から給気の設定温度、湿度を達成する最も省エネとなる運転方法を予測計算で見つけ、それを実現するプログラムを組み込んでおくと、省エネ、低騒音、快適な空調が小型、コンパクトに実現できる。
【００２１】
図５は、冷房除湿運転時の運転制御の一例であり、換気量が小さいほど省エネと低騒音が可能であるので、最初に必要換気量を設定し、さらに、目標温度Ｔ０、目標湿度ｘ０を設定する。外気の温度、湿度をＴ３、ｘ３とする（図３では、３３℃、６０％）。除湿ロータ１６出口、すなわち蒸発器２０入口の給気側空気の温度、湿度をＴ２、ｘ２とする（図３では６０℃、６％）。
【００２２】
除湿ロータ出口の絶対湿度ｘ２が目標湿度ｘ０に等しくなるように、除湿ロータ１６の回転数を決め、その値となるように回転数を調節する。この時の温度Ｔ２は測定によって求め、Ｔ２がＴ０より高ければ、圧縮式空調機を冷房運転して、蒸発器２０出口温度Ｔ１を目標値Ｔ０に近づける。
【００２３】
除湿量が小さければ、除湿ロータ１６出口の温度Ｔ２はあまり高温にならないので、圧縮機２１の冷房運転負荷は小さくなり、省エネとなる。したがって、図５に示したような運転制御を行えば、必要以上に除湿しないので省エネ化を図ることができ、目標とする温度、湿度を達成することができる。
【００２４】
暖房運転時の運転制御も冷房運転時と同様であり、図６に示し、先ず必要換気量を最小限に抑えるように設定し、目標温度Ｔ０、湿度ｘ０を設定する。暖房時には、除湿する必要はないので、除湿ロータは停止させておく。外気温度Ｔ３、湿度ｘ３はそのままの状態で除湿ロータを通過し、排熱による加熱手段１５により温度がＴ２（６０℃程度）まで加熱される。この時の湿度ｘ２はｘ３と等しい。ｘ２は目標湿度ｘ０より小さいことが多いので、圧縮式空調機の凝縮器１９に水を振り掛けて加湿する。加湿すると水の蒸発潜熱によって、凝縮器出口温度はＴ１まで低下する。Ｔ１は、蒸発潜熱、温度などより計算して予測する。Ｔ１が設定温度Ｔ０より低ければ、圧縮式空調機を暖房運転して加熱する。Ｔ１が設定温度Ｔ０より高ければ、圧縮式空調機は停止させたまま、加熱手段１５の加熱量を低く抑えるように制御する。このようにして暖房運転、加熱量を制御することで余分な負荷を要せず省エネ運転とすることができる。
【００２５】
図７は、加熱手段１５の詳細を示し、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の冷却水を加熱手段として用いている。ＰＥＦＣ本体では、水素極６１の水素と酸素極６３の酸素が、電解質膜６２を介して反応し、水を作ると同時に発電する。発電効率は４０％程度であるから、残りの６０％は熱となる。これを冷却し、ＰＥＦＣ本体を約８０℃に保つため冷却水を冷却器６４と加熱手段１５の間を冷却水配管６５の中を循環させる。冷却水の温度は８０℃以下であり、このような低温排熱は、今まで給湯や暖房の他にあまり使い道がなかったが、デシカント空調システムとして、この排熱を暖房、加湿だけでなく、冷房、除湿に利用する。
【００２６】
ＰＥＦＣ本体の冷却水と第１通路（冷房加湿運転時：排気）内の空気６７との熱交換器としては、図に示すような自動車用コンデンサに多く使われているパラレルフロー型熱交換器６６が好適である。排気が通過するフィンはアルミのコルゲートフィンであり、冷却水が流れる通路は小さな矩形流路が平行に並んだアルミチューブから構成されている。パラレルフロー型熱交換器６６の代わりにプレートフィン型熱交換器で、水側の通路を小さくしても良い。
【００２７】
図８は、加熱手段１５をマイクロタービンの排ガスを用いた場合を示し、マイクロタービンの吸入空気５６は、圧縮機５１で圧縮され、再生熱交換器５５で予熱され、燃焼器５２でさらに高温にされてタービン５３に入る。そして、タービンを回すことにより、発電機５４を回転させ、発電する。タービンを出た排気ガスは、７００℃近い温度があるので、再生熱交換器５５に入れて燃焼器入口空気を予熱する。再生熱交換器５５を出た排ガスは、２００℃くらいの温度を保っているので、除湿ロータ１６の吸着材を十分に再生することができる。マイクロタービンの場合には再生熱交換器５５の出口排ガスを加熱手段１５に導入しているので、５７は排ガス通路となる。マイクロタービンの排ガスはクリーンなので、直接排気ダクトに導入することも可能であるが、暖房時には室内に給気するので、間接的に加熱することが望ましい。ガス−ガス熱交換器としては、図に示すような直交流プレートフィン型熱交換器５８を用いる。５９は、デシカント空調システムの排気あるいは給気である。マイクロタービンの排ガス温度は、再生熱交換器の出口でも２００℃程度あるので、さらに吸収式冷凍機、温水ボイラー、給湯などに利用し、８０℃近辺まで下がった排ガスを使用する。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、デシカント空調システムにおいて、圧縮式空調機の蒸発器、凝縮器を排気または給気通路に組み込んだので、十分な除湿能力を持ち、換気、冷房、除湿のみならず、暖房、加湿を可能とし、所定の室内温度、湿度を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一実施の形態によるデシカント空調システムの全体を示すブロック図。
【図２】  他の実施の形態によるデシカント空調システムの全体を示すブロック図。
【図３】  一実施の形態によるデシカント空調システムの冷房除湿時の動作説明図。
【図４】  一実施の形態によるデシカント空調システムの暖房加湿時の動作説明図。
【図５】  一実施の形態によるデシカント空調システムの冷房除湿時の運転制御を示すフローチャート。
【図６】  一実施の形態によるデシカント空調システムの暖房加湿時の運転制御を示すフローチャート。
【図７】  一実施の形態による加熱手段のブロック図。
【図８】  他の実施の形態による加熱手段のブロック図。
【図９】  従来のデシカント空調装置を示す動作説明。
【符号の説明】
１…空調を必要とする空間、１１…第１排気通路（冷房加湿運転時：排気）、１２…第２給気通路（冷房加湿運転時：給気）、１５…加熱手段、１６…除湿ロータ、１７…第１排気ファン（冷房加湿運転時：排気）、１８…第２ファン（冷房加湿運転時：給気）、１９…凝縮器、２０…蒸発器、２１…圧縮機、２２…膨張弁、６１…水素極、６２…電解質膜、６３…酸素極、６４…冷却器、６５…冷却水配管、６６…パラレルフロー型熱交換器。
【図１】
0003821031.tif 000002
【図２】
0003821031.tif 000003
【図３】
0003821031.tif 000004
【図４】
0003821031.tif 000005
【図５】
0003821031.tif 000006
【図６】
0003821031.tif 000007
【図７】
0003821031.tif 000008
【図８】
0003821031.tif 000009
【図９】
0003821031.tif 000010