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JP2010002162A - 空気調和設備 - Google Patents

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Kiyoshi Yanagimachi
潔 柳町
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YANAGIMACHI TAKU
YANAGIMACHI YASUKO
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KATO KIKUE
YANAGIMACHI TAKU
YANAGIMACHI YASUKO
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Abstract

【課題】在来の空調設備を改善して無駄をなくし、大幅な省エネルギー化の実現を図る。
【解決手段】除湿と冷却を別けて除湿には夜間電力を使用して得られる氷蓄熱の低温冷水を使用し、顕熱冷却には間違っても結露事故が発生しないように、チラーの蒸発温度を室内空気の露点温度より高い温度に上げ、冷水の温度を２０℃とし冷媒圧縮機の圧縮比を大幅に下げて無駄な冷却を全て改善し、冬季を含む概ね半年間は冷凍機を運転せず、冷却塔のみによるフリークーリングで２０℃の冷水を賄う。
【選択図】図１

Description

大規模ビルの空気調和設備に関する。
これまでの空気調和設備では空気調和の２大要素である除湿と冷却とを一つの熱交換器と一種類の温度レンジの冷水で、全く区別せずに行っている。
この発明は、近年必要性の高まりつつある地球環境保護の目的に添って、大規模ビルの空調設備に関する大幅な省エネルギーを図る。
今日一般に行われている空気調和設備は８０年以上昔に米国のキャリアー博士が湿り空気について研究し、そこから導いた理論によって、除湿と冷却の双方を一つの熱交換と一種類の温度レンジの冷熱源で、装置露点温度と風量を適切な値に決めれば満足出来ると言う事実を示して以来、さまざまな空調方式は実在するが、一つの熱交換器と一種類の温度レンジの冷熱源で行う点では全く変わらない。
処が、建築技術の進歩により、サッシュの気密性が改善され、高温多湿の隙き間風がゼロになり、また人件費節減の社会的要求からＯＡ化が進み、在室者数が減った結果、除湿の負荷が小さくなり、逆に、照明の照度は増し、ガラス窓の面積が大きくなり太陽輻射の影響をもろに受ける様になり、冷却負荷が激増した。
４・５０年昔は室内空調負荷に占める除湿負荷の比率は２５％〜３０％程度はあるのが通常であったものが、近年では５％を切る処まで変化して来た。室内から除湿を行うには室内空気の露点温度より低い温度まで空気を冷却除湿することが絶対条件で、実際には室内空気の条件２５℃：５０％に対して、ターボ冷凍機に例を採れば５℃の低温冷水を使用し、露点温度１４℃より低い１２℃〜１３℃程度まで空気を冷却除湿して、空気調和機の熱交換器では除湿も冷却も同時に行われている。５℃まで冷水を冷却するためにはターボ冷凍機の蒸発器における冷媒の蒸発温度は２℃程度までの低温となっている。
除湿には確かに５℃の低温冷水が必要であるか、実際に必要なのは僅か５％以下に過ぎず、冷却のためには２５℃の室温より数度低い常温の冷水があれば充分に役立つのに、在来の空調では熱交換器が除湿も冷却も共用であり、冷熱源も一種類であるがために、９５％の圧倒的大部分にも無駄に５℃の不必要な低温冷水を使用して、貴重なエネルギーを垂れ流しているのである。
 発明が解決しようとする課題
この９５％の無駄な５℃の低温冷水のために浪費される熱エネルギーを抑えることが重要な課題である。
課題を解決するための手段
そこで本発明では除湿と冷却とを別け、除湿用と冷却用の２台の別々の熱交換器を用意して、それぞれに最適な２種類の温度レンジの冷水を使用して、除湿と冷却とを独立させて制御を行うようにして、除湿には氷蓄熱で出来る０℃に近い低温冷水を使用し、冷却に使用する冷水の温度は２０℃程度の常温とし、チラーの冷媒の蒸発温度を室内の空気の露点温度より高い範囲で運転すれば、省エネルギーは間違いなく大幅な改善が可能で、さらに間違っても結露事故を生じる可能性もゼロである。
在来５℃の低温冷水を使用して１２℃〜１３℃の給気温度で空調を行っているので、室温と給気温度の温度差が１２℃〜１３℃取れるのに対して、２０℃の常温に近い冷水を使用すると、給気温度は精々２２℃程度でそれ以下には下げられないため、室温と給気温度の温度差は３℃程度と極めて小さくなり、風量は４倍程度まで増すことになる。
在来の空調の４倍ほどの大風量を、通常の空気吹出口、吸込口で処理するのは極めて困難であり、本発明では通常、空調と比較すると数倍の天井の面積を使用している照明器具と一体化を図った。これによって、緩い風速で騒音も振動もなく、快適な環境で、大風量を処理することが初めて可能となった。
発明の効果
５％の除湿負荷の処理には、夜間電力を利用して氷蓄熱を行って得られる０℃に近い低温冷水を使用すれば、除湿効果は確実で、蓄熱調整契約により、極めて廉価な電力を使用でき、結果的に、原子力発電による夜間の余剰電力を有効に活かす事が出来、ＣＯ２地球温暖化ガスの排出も大きく抑える事が出来る。
９５％の冷却には２０℃の常温の冷水を使用するため、フロン冷媒を圧縮するターボ冷凍機の圧縮比が１／３程度まで小さくなり、その上、冬季を中心とする約半年間はターボ冷凍機を運転しないでも冷却塔とポンプの運転のみで、２０℃までの冷却であれば可能となるため、ターボ冷凍機の消費電力を１／６以下まで削減することが可能となり、極めて大きい省エネルギー効果が発揮出来る。
３．３ｍ２に１台程度配置される照明器具と一体化した本発明による冷却用ユニットは吸込口に照明器具を組み込み、照明の発熱を確実に直接吸込空気で冷却することが可能で、照明器具の負荷の分だけ風量を減らすことが出来、極めて有効であり、照明の照度の均一性と同じ空調の温度分布も高い均一性が得られる。
除湿と冷却とを別ける方法は色々考えられるが、最も最良の方法は除湿を外気系統で行い、冷却を再循環系統で行うことである。外気調和機には入口側にフィルターを置き、第１から第４まで４台の水・空気熱交換器を置き、最後に外気ファンを取り付けてダクトで空調を行う部屋の天井懐に給気する。
第１の熱交換器と第３の熱交換器は相互に水の循環回路と循環ポンプを持ち、夏季には第１の熱交換器で直接暑い外気によって３０℃程度まで昇温した水は、第２の熱交換器で氷蓄熱槽からの低温冷水によって８℃〜９℃程度に冷却除湿された空気と熱交換して、空気は２０℃〜２５℃程度まで再熱され、水は１０℃程度まで冷たくなって、第１熱交換器へ戻り、そこで３５℃の外気と接して外気を２３℃程度まで予冷して、水は３０℃程度まで昇温し、その後は同様に繰り返し循環し続ける。２０℃〜２５℃程度に再熱された外気は室内に給気されても室内温度には殆ど影響を与えず、湿度だけを処理することが出来る。
外気が余り暑くない時季は外気による再熱の効果が期待出来ないので、第１熱交換器と第３熱交換器の相互間の水循環は行わず、第４熱交換器に、照明器具と一体化された室内の天井ユニットで室内空気から顕熱を吸収して２３℃程度まで昇温した常温よりやや高い冷水を通して、除湿外気の再熱を行う様にした。
本発明による実施例を図面に沿って説明する。図１は本発明による空気調和設備のフロー図であり、図中１はインバーター駆動式のターボ冷凍機で夜間電力供給時間帯には氷蓄熱槽の高温側端部２から氷蓄熱水冷却ポンプ３によって組み上げた冷水を蒸発器４で氷点下の温度まで一時的に過冷却状態にして氷蓄熱槽の低温側端部５に戻し、既に周知の技術を利用してシャーペット状の製氷を行う。
夜間電力供給時間帯以外は冷水管６の切替３方弁７を切り替えて、氷蓄熱槽とは縁を切り、上層階までに及ぶ常温冷水循環回路８にターボ冷凍機１の蒸発器４が組み込まれ、インバーター制御によりターボ冷凍機１の圧縮機の回転数を下げて圧縮比を小さくし、各階に設けられたインバーター駆動の一次側常温冷水循環ポンプ９によって常温冷水を循環し、ターボ冷凍機１の蒸発器４で１８℃の蒸発温度で冷媒を蒸発させて一次側常温冷水の往き温度を１９℃まで冷却する。図中１０は各階に設けられた一次側常温冷水循環ポンプ９のインバーター制御が働いて総合的に蒸発器４を通る常温冷水の量が下限値に達すると自動運転され、蒸発器４を通る常温冷水の水量を下限値の状態で確保するためのインバーター駆動の常温冷水補助循環ポンプである。
各階のパイプシャフトには当該階専用の熱交換器１１があり、一次側回路には当該熱交換器１１に専用の一次側常温冷水循環ポンプ９によってターボ冷凍機１からの１９℃の一次側常温冷水が流れ、当該熱交換器１１に専用の二次側常温冷水循環ポンプ１２によって二次側常温冷水循環回路１３を流れる二次側常温冷水を２０℃まで冷却する。この２０℃の温度調節は当該熱交換器１１の二次側回路出口に取り付けられた二次側常温冷水の温度センサー１４の信号に従い、一次側常温冷水循環ポンプ９のインバーターの回転数制御によって行われる。
各階の二次側常温冷水循環回路１３はパイプシャフトから出て当該階の天井懐を巡り、天井面に設置された照明器具と一体化した多数のインバーターまたはサイリスタ制御で風量自動調節を行う機能を備えた顕熱冷却専用空調ユニット１５に分配接続され、ここで２０℃の二次側常温冷水から室内との循環空気へと冷熱を伝えてこれを冷却し、グループで設ける室内サーモスタットまたは顕熱冷却専用空調ユニット１５個々に取り付けた還気サーモスタットの信号によって風量を調節して室内温度を保つ。なお、二次側常温冷水循環回路１３は天井配管となるが重力真空配管方式により管内は真空に保たれているので漏水事故の懸念はない。
ターボ冷凍機１の蒸発器４の出口管は次位に第１氷蓄熱水利用熱交換器１６があり、氷蓄熱に余裕がある場合は、氷蓄熱槽の低温側端部３に設けられたインバーター駆動の第１氷蓄熱水ポンプ１７が運転されて０℃に近い低温の冷水を組み上げて、前記第１氷蓄熱水利用熱交換器１６の二次側流路に通水し、同じく一次側流路を通過する一次側常温冷水を補助的に冷却して、ターボ冷凍機１の負荷を軽減し、通常１８℃の蒸発温度で運転する処を更に高い１９℃或いは２０℃程度の蒸発温度で緩速運転し、または、停止していても済む状態も期待される。この辺りの調節は第１氷蓄熱水利用ポンプ１７のインバーターを利用して、別に設けるコンピュータによる氷蓄熱有効利用のための自動予測回路の働きを以って行う。
除湿に関しては、氷蓄熱槽の低温側端部４に設置された第２氷蓄熱水ポンプ１８を運転し第２氷蓄熱水利用熱交換器１９の一次側に氷点に近い一次側低温冷水を通水し、二次低温冷水循環ポンプ２０によって、上層階の各階のパイプシャフトまたは機械室に設置された外気調和機２１に分配接続されている二次低温冷水循環回路２２を流れる二次低温冷水を３℃まで冷却する。
外気調和機２１は外気シャフトから外気導入ダクト２３によって接続され、先ず外気フィルター２４、入口エコノマイザー熱交換器２５、除湿用熱交換器２６、出口エコノマイザー熱交換器２７、再熱用熱交換器２８が直列に並んで、最後に外気ファン２９が設置され、その先は調和済み外気給気ダクト３１を経て、空調を行う各部屋の天井懐３２に開口している。
入口エコノマイザー熱交換器２５と出口エコノマイザー熱交換器２７は相互に配管で連絡され、エコノマイザーポンプ３０を運転すると両熱交換器の間を不凍液（冬季凍結防止用）が往復循環する。夏季３５℃の暑い外気は外気シャフトから外気導入ダクト２３へと外気ファン２９の吸い込み圧力によって吸い込まれ、入口エコノマイザー熱交換器２５、除湿用熱交換器２６、出口エコノマイザー熱交換器２７、再熱用熱交換器２８を通過して、外気ファン２９で加圧され調和済み外気給気ダクト３１を通って、空調を行っている各部屋の天井懐３２に至る。
この間、入口エコノマイザー熱交換器２５では出口エコノマイザー熱交換器２７からエコノマイザーポンプ３０によって循環供給される１０℃程度に冷えたエコノマイザー循環不凍液と熱交換し、３５℃の取り入れ外気は２３℃程度まで予冷され、エコノマイザー循環不凍液は３０℃程度まで昇温する。２３℃に予冷された外気は除湿用熱交換器２６に接続されている二次低温冷水回路２３から３℃の二次低温冷水の循環供給を受けて熱交換を行い、更に８℃〜９℃程度の低温まで冷却除湿する。
８℃〜９℃まで冷却除湿された外気は出口エコノマイザー熱交換器２７を通過する際に、入口エコノマイザー熱交換器２５で３０℃程度まで昇温したエコノマイザー循環不凍液と熱交換して２０℃〜２５℃程度まで再熱され、外気ファン２９によって空調を行っている部屋の天井懐３２に給気され、エコノマイザー循環不凍液は出口エコノマイザー熱交換器２７を出るときは１０℃程度まで冷却されて以降は再度繰り返し循環し、外気は予冷、冷却除湿、再熱されて、空調を行っている部屋の天井懐３２に連続的に供給される。
外気温度が充分に高くない場合でも、再熱用熱交換器２８には天井設置の顕熱冷却専用空調ユニット１５で空気冷却に使用して２３℃に昇温した二次常温冷水の戻り管が接続されているので２０℃程度までの再熱を確保できる。
この様に常時室温かまたは室温近くまで再熱された除湿力のある調和済み外気は、空調を行っている部屋の天井懐３２を満たしているので、前記、顕熱冷却専用空調ユニット１５の外気吸込口から同ユニット内部に吸引され、天井下からの室内空気の還気と混合されて室内に供給され、室内の除湿を行う事になる。
冬季を中心とする１１月後半頃から翌年４月前半頃までは外気の湿球温度が低く、密閉型冷却塔３３のファン３４と散水ポンプ３５の運転のみで、冷凍機を運転せずに２０℃の常温冷水を循環冷却が可能となる。その場合は冷却水管に設置したフリークーリング切替弁３６を切り替えて、常温冷水循環回路８をターボ冷凍機１との接続から替えて密閉型冷却塔３３に接続する。日中に外気温度が急激に上昇して、循環常温冷水の温度が２０℃を越える場合は第１氷蓄熱水利用ポンプ１７を運転し、第１氷蓄熱水利用熱交換器１６で冷却の不足分を補い、２０℃を越えない様に制御することが出来る。
 産業上の利用の可能性
本発明は以上の様に構成したので、室内空調負荷の９５％を占める顕熱冷却には在来では考えられない２０℃と言う冷水とも言えない温度レベルの高い冷水を使用する事によって、フロンの冷凍機圧縮機の蒸発温度、蒸発圧力を上げ、凝縮器との温度差、圧力差を極端に減らして圧縮機の入力を１／３以下にまで節減し、更に１１月から翌年の４月までは冷凍機圧縮機を運転せずに、冷却塔とポンプのみの運転で冷却を行う事を可能にし、夜間電力による氷蓄熱も積極的に使用したので、省エネルギー性、経済性、さらに地球温暖化ガスの排出量削減についても高い性能が得られるので、産業上の利用の可能性は極めて高い。
省エネルギー性能の高さについて、茲に５℃の冷水を使用する場合と２０℃の冷水を使用する場合のターボ冷凍機の理論効率の比較をする。次表は２００３年〜２００７年の５年間の４月〜１１月の東京気象台による月別平均の外気温度、相対湿度、その両方から求めた湿球温度、エンタルピ、同外気条件で標凖冷却塔に１００％の負荷を掛けた場合の各月の平均的冷却水出入口温度を示す。また、冷水用の蒸発温度が露点温度より高いため結露による事故の懸念は不要である。
Figure 2010002162
上に示した冷却水の冷却塔人口温度と１℃のアプローチを採り、蒸発温度を１℃だけ高く採った場合の各月のターボ冷凍機の５℃冷水温度、３℃蒸発温度と、２０℃冷水で１９℃蒸発温度の場合の各月の理論成績係数を計算で以下に示す。
４月
ＣＯＰ５−４ ＝（２７３℃＋ ３℃）／（２６．８℃− ３℃）＝１１．６
ＣＯＰ１９−４＝（２７３℃＋１９℃）／（２６．８℃−１９℃）＝３７．４
１／１１．６＝０．０８６ １／３７．４＝０．０２７
５月
ＣＯＰ５−５ ＝（２７３℃＋ ３℃）／（２９．５℃− ３℃）＝１０．４
ＣＯＰ１９−６＝（２７３℃＋１９℃）／（２９．５℃−１９℃）＝２７．８
１／１０．４＝０．０９６ １／２７．８＝０．０３６
６月
ＣＯＰ５−６ ＝（２７３℃＋ ３℃）／（３２．８℃− ３℃）＝ ９．２
ＣＯＰ１９−６＝（２７３℃＋１９℃）／（３２．８℃−１９℃）＝２１．２
１／９．２＝ ０．１０９ １／２１．１＝０．０４７
７月
ＣＯＰ５−７ ＝（２７３℃＋ ３℃）／（３４．１℃− ３℃）＝ ８．９
ＣＯＰ１９−７＝（２７３℃＋１９℃）／（３４．１℃−１９℃）＝１９．３
１／８．９＝ ０．１１２ １／１９．３＝０．０５２
８月
ＣＯＰ５−８ ＝（２７３℃＋ ３℃）／（３５．３℃− ３℃）＝ ８．５
ＣＯＰ１９−８＝（２７３℃＋１９℃）／（３５．３℃−１９℃）＝１７．９
１／８．５＝ ０．１１８ １／１７．９＝０．０５６
９月
ＣＯＰ５−９ ＝（２７３℃＋ ３℃）／（３２．９℃− ３℃）＝ ９．２
ＣＯＰ１９−９＝（２７３℃＋１９℃）／（３２．９℃−１９℃）＝２１．０
１／９．２＝ ０．１０９ １／２１．０＝０．０４８
１０月
ＣＯＰ５−１０ ＝（２７３℃＋ ３℃）／（２９．５℃− ３℃）＝１０．４
ＣＯＰ１９−１０＝（２７３℃＋１９℃）／（２９．５℃−１９℃）＝２７．８
１／１０．４＝０．０９６ １／２７．８＝０．０３６
１１月
ＣＯＰ５−１１ ＝（２７３℃＋ ３℃）／（２６．７℃− ３℃）＝１１．６
ＣＯＰ１９−１１＝（２７３℃＋１９℃）／（２６．７℃−１９℃）＝３７．９
１／１１．６＝０．０８６ １／３７．９＝０．０２６
５℃冷水の場合１１月〜４月の成績係数は１１．６の一定と仮定して通年の平均成績係数の逆数の合計を試算すると
（０．０８６×６＋０．０９６＋０．１０９＋０．１１２＋０．１１８＋０．１０９＋０．０９６）＝１．２４２
他方１９℃冷水の場合は１１月〜４月の圧縮機入力をゼロとして、４月〜１１月の間の実質７カ月間の成績係数の逆数を合計すると
（０．０２７＋０．０３６＋０．０４７＋０．０５２＋０．０５６＋０．０４８＋０．０３６）＝０．３０１
５℃冷水と２０℃冷水の圧縮機に関する消費電力の比率は
０．３０１／１．２４２＝０．２４ ７６％の省エネルギーとなる。更に氷蓄熱の低温冷水を除湿に使用した他は全て顕熱冷却に使用すればターボ冷凍機の蒸発温度は２１℃程度まで上がるので更に２０％近く改善される事が見込まれる。
は本発明による空気調和設備のフロー図を示す。
符号の説明
１．ターボ冷凍機
２．氷蓄熱槽の高温側端部
３．氷蓄熱水冷却ポンプ
４．氷蓄熱槽の低温側端部
５．ターボ冷凍機の蒸発器
６．冷水管
７．切替３方弁
８．常温冷水循環回路
９．一次側常温冷水循環ポンプ
１０．常温冷水補助循環ポンプ
１１．熱交換器
１２．二次側常温冷水循環ポンプ
１３．二次側常温冷水循環回路
１４．温度センサー
１５．顕熱冷却専用空調ユニット
１６．第１氷蓄熱水利用熱交換器
１７．第１氷蓄熱水ポンプ
１８．第２氷蓄熱水ポンプ
１９．第２氷蓄熱水利用熱交換器
２０．二次低温冷水循環ポンプ
２１．外気調和機
２２．二次低温冷水循環回路
２３．外気導入ダクト
２４．外気フィルター
２５．入口エコノマイザー熱交換器
２６．除湿用熱交換器
２７．出口エコノマイザー熱交換器
２８．再熱用熱交換器
２９．外気ファン
３０．エコノマイザーポンプ
３１．調和済み外気給気ダクト
３２．空調を行う各部屋の天井懐
３３．密閉型冷却塔
３４．ファン
３５．散水ポンプ
３６．フリークーリング切替弁

Claims (2)

  1. 空気調和を行う室内の空気の温湿度によって定まる当該空気の露点温度より高い蒸発温度で運転されるチラーによって冷却される常温（２０℃）に近い冷水で当該室内の顕熱冷却を行い、別途冷却して得られる当該室内空気の露点温度より低い低温冷水で当該室内の除湿を必要に応じて行い、冬季を中心に冷却塔とポンプのみの運転で常温に近い冷水が得られる時季には、前記チラーに替えて冷却塔に接続し、前記チラーを運転せずに空調を行う事を特色とする空気調和設備。
  2. 請求項１の常温に近い冷水で室内の顕熱冷却を行うに際し、天井に取り付けられる照明器具の上方に接して冷却用熱交換器とファンとを設けて、照明器具の部分を空気吸込口に、照明器具の周囲を空気吹出口になるよう、ケーシングで照明器具と一体化して成る空気冷却器を使用することを特色とする請求項１の空気調和設備。
JP2008186538A 2008-06-22 2008-06-22 空気調和設備 Revoked JP2010002162A (ja)

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