JP2011033302A

JP2011033302A - 調湿換気装置

Info

Publication number: JP2011033302A
Application number: JP2009182134A
Authority: JP
Inventors: Takumasa Watanabe; 琢昌渡邊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】
換気強化に伴う空調負荷、とりわけ除湿や加湿の調湿負荷の増大は電力消費の増大に直結し、地球温暖化防止の観点から解決すべき課題である。その一方でデシカント（除湿剤）を用いる調湿技術が導入されつつあるが、それらは大型でコスト的にも一般家庭を対象としたものでは無かった。
【解決手段】
空気の相対湿度差により、空気中からの水蒸気吸着と空気中への水蒸気放出を繰り返す除湿剤２を容器内に収納し、該容器に接続される室内側配管３と室外側配管４に通気方向が異なる1組のファン６と温度調節装置部５を設置し、当該ファン６と温度調節装置部５の運転を制御装置７にて制御することで、給気運転と排気運転を交互に行い、給気に伴う室内気の湿度条件を所定値に近づけ、空調装置の負荷を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、住居、オフィス、商業施設、体育館、イベント会場などの室内空間を快適な温度・湿度状態に維持しながら、室内空気の換気を可能とする換気装置に関する。

近年、地球温暖化の傾向が顕著となり、その対策として主たる温室効果ガスである二酸化炭素の排出量を削減すべく化石燃料の高効率使用（省エネルギー活動）が進められている。

特に民生分野（家庭、業務）の空調設備は現在も導入件数が増加しつつあり、エネルギー使用量は拡大しつつあるため、その使用量削減に向けた空調機器・システムの効率改善は喫緊の課題である。

ところが、民生分野での省エネルギー対策の一環として実施されている住宅やオフィスビルの高気密化は、家具や建材から発生する有害化学物質などに起因するシックハウス症候群などの弊害をもたらしている。この対策として導入されたのが住宅などでの換気（基準）強化である。しかしながら、換気強化は外気による空調負荷、とりわけ除湿や加湿などの潜熱負荷増大を招くことから効果的な調湿換気装置が不可欠となる。

近年、空気の調湿を冷却除湿や電気加熱加湿などに頼らないデシカント調湿技術が提案されている。例えば下記特許文献１では、２つのデシカント（水分吸脱装置部内に設置された除湿剤）を処理空気と再生空気の流通経路に交互に切り換え接続可能な状態に配置し、一方のデシカントで処理空気中の水分を吸着する時に、他方のデシカントを再生空気によって再生するようにした空調システムが記載されている。

特開２００７−０３２９１２号公報

しかしながら、前記特許文献１記載のデシカント空調システムでは、給気モード運転と排気モード運転の切り替えにおいて、三方弁を制御する手法を採用しているため、装置の大型化とコストアップが避けらなかった。この対策として、三方弁を小型化する取り組みも行われたが、通過空気の流速が増大し通風損失が適用範囲を超えてしまうという問題があった。

また、従来のデシカント調湿装置に用いられる除湿剤の多くは、吸湿材を含む粘土状物質を成形後に加熱固化するもの（いわゆる焼き物）であるため、製造時のエネルギー使用量が多く、かつ大型のものは価格も高いことなどから業務用を中心として利用されているものの、家庭などの民生部門での普及が進んでいない。

ところで、東南アジアや中近東沿岸部など通年して高温多湿な環境となる地域においては、除湿を確実に実施するために空調機で処理対象の空気を露点以下まで冷却し、空気中の水分（水蒸気）を水に凝縮変換して除去する運転を行っている。

一般に、空調機の冷房時理論COP（成績係数）は作動媒体の蒸発温度（Ｔeva）と凝縮温度（Tcon）による次式にて規定される。
（理論COP）＝（Ｔeva）／[(Tcon）−(Ｔeva)] （但し、温度は絶対温度）。
このため、空調機にて除湿運転を行う場合、前記凝縮温度(Tcon）は外気温度で決まるものの、前記蒸発温度（Ｔeva）を露点以下とする必要があり、その結果、[(Tcon）−(Ｔeva)]の値が大きくなってしまい、冷房時の理論COPは小さくなり、エネルギー効率が悪化していた。

従って、空調機による冷却除湿が不要となれば、空調機は２４℃程度まで空気温度を低下させるだけで良く、（Ｔeva）が高くなり理論ＣＯＰが向上する。

例えば、夏季運転（例：気温33℃、相対湿度60％の外気を気温26℃、相対湿度50％まで冷却する場合）で、Ｔeva＝8℃、Tcon＝43℃の条件では、
（理論COP）＝（8＋273）／（43−8）＝8.0 となる。
これに対し、除湿不要の場合は、Ｔeva＝19℃、Tcon＝43℃ と見積もれることから、
（理論COP）＝（19＋273）／（43−19）＝12.2 となり、
理論効率で50％上昇し、かつ冷却負荷も凝縮熱分が入らないので空調機のエネルギー消費量を大幅に改善することが可能となる。

同様に、冬季や乾燥季には外気が乾燥するため、換気に際し加湿が不可欠となる。室内加湿には電気加熱による水蒸気発生装置などが用いられる。
これに対し、室内から外気へ排出される空気に含まれる水分を分離回収し、これを外気からの導入空気に添加できれば加湿負荷が低減され、やはり省エネルギー性が確保される。

このように、われわれの住環境における湿度調整には多大なエネルギーが使われており、換気に伴う除湿、加湿の手段の高効率化、省エネルギー化が地球温暖化対策に有効であると言える。

そこで本発明の主たる課題は、換気強化に伴う空調負荷の増大を防止すべく、室内空気と外気との間で水分交換を行いながら調湿換気が可能なデシカント装置での、システムの小型化と簡易構成化によるメンテナンス性の改良ならびに低価格化を実現する調湿換気装置を提供することにある。

本発明によれば、外気を室内へ供給する給気モードと、室内気を室外へ排出する排気モードとを有する換気装置において、除湿剤を内蔵し流通空気の除湿又は流通空気の加湿を行う水分吸脱装置部を備えるとともに、前記水分吸脱装置部に接続される室内側配管と室外側配管の途中にそれぞれの通風方向を逆とした少なくとも１組の送風装置（以下ファン）を設置し、室内側配管に設置されたファンの稼働時には室外側配管に設置されたファンを停止させ、室外側配管に設置されたファンの稼働時には室内側配管に設置されたファンを停止させる制御を行うことで、給気モード運転と排気モード運転をそれぞれの配管に設置されたファンのオン・オフ制御により交互に繰り返し行うようにしたので、三方弁などの流路切り替え装置などを設置することなく、給気モード運転と排気モード運転の切り替えが容易に実施できる。
これにより、簡潔な構成で軽量コンパクトかつメンテナンスが容易であることを特徴とする調湿換気装置が提供される。

また、夏季や梅雨時などのように、空調条件として設定される室内空気の絶対湿度が外気に比して低い条件においては、排気モード運転時に室内気が加熱用の温度調節装置部を経由した後に、水分吸脱装置部内にある除湿剤に導かれる構成であるため、除湿材を乾燥（再生）させる再生運転が行われるので、排気モード運転の次の給気モード運転では、水分を多量に含む外気は水分吸脱装置部内に設置されている除湿剤にて除湿された後に室内へ導入される結果、室内には絶対湿度の低い外気が供給されることを特徴とする調湿換気装置が提供される。

同様に、冬季や乾燥季のように空調条件として設定される室内空気の絶対湿度が外気に比して高い条件においては、給気モード運転時に外気が加熱用の温度調節装置部を経由した後に、水分吸脱装置部内にある除湿剤に導かれる構成であるため、除湿剤を乾燥（再生）させる再生運転が行われ、結果的に導入される外気の水分保持量が増大するので、冬季換気時においても室内の絶対湿度を外気に比して高く維持できることを特徴とする調湿換気装置が提供される。

このように、室内気と外気の換気を行う調湿換気装置の給気モード運転時と排気モード運転時に、室内気と外気の絶対湿度を測定する絶対湿度検出装置を設置したので、絶対湿度の低い空気を温度調節装置部にて加熱した後に前記水分吸脱装置部内の除湿剤を通過させることにより、より効果的に室内へ適切な絶対湿度の給気を可能とする調湿換気装置が提供される。

さらに、このような機能を有する調湿換気装置を複数台設置し、これらの給気モード運転と排気モード運転のタイミングをずらすことで、室内換気が常時連続的に実施されるように構成することが可能である。これにより、室内空気の連続換気を特徴とする調湿換気装置が提供される。

更に、本発明では加熱用の温度調節装置部として、電気ヒータのみでは無く、排熱を利用した熱交換器あるいは空調用エアコンの凝縮熱交換器を用いる構成としているので、加熱のための熱源として排熱あるいは排熱に準じるエネルギーを活用できる。これにより、省エネルギー性の高い調湿換気装置が提供される。

本発明では水分吸脱装置部の内部に設置される除湿剤として、断面がダンボール形状となる紙や樹脂の表面に除湿剤として高分子収着剤あるいはイモゴライトの粒子を塗布して使用しているため、極めて軽量な除湿剤を用いることが可能となった。これにより装置全体の重量が軽量化され、かつ総合的に安価で信頼性の高い調湿換気装置が提供される。

以上説明したとおり本発明の調湿換気装置を用いれば、シックハウス症候群への対策として義務付けられた換気強化を実施しても、それに伴う空調負荷の増大を最小限度に抑制することができる。また、既存の空調システムの除湿負荷を低減できるので、従来に比しても省エネルギー効果のある調湿換気が可能となる。

本発明の本質は絶対湿度に差がある室内空気と外気との間で水分のみの交換が可能である所にある。すなわち一定時間毎に給気と換気を繰り返す調湿換気装置であることから、室内側配管と室外側配管に設置した通風方向が異なる少なくとも1組のファンのオン・オフにて除湿剤の吸着行程と乾燥（再生）行程の切り替えを実施すると共に、室内気と外気のうち絶対湿度の低い空気を加熱することで低相対湿度の空気を形成するようにしたので、除湿剤に流入する室内気と外気の相対湿度に明確な差が生じ、除湿剤による高効率な水分交換が可能となっている。

さらに、従来は流路切り替えに不可欠であった三方弁を使用しないでも通気の逆転が可能となったので、装置の小型化とともに、軽量コンパクトでメンテナンスが容易な調湿換気装置の提供が可能となった。

主に夏季の運転時の本発明に係る調湿換気装置１０を形成する水分吸脱装置部１、その内部に設置された除湿剤２、温度調節装置部５、ならびに水分吸脱装置部１に接続される室内側配管３、室外側配管４、ファン６の関係概要図。水分吸脱装置部１と高分子収着剤を塗布したダンボール状の除湿剤２の構成説明図。室内気の絶対湿度が外気に比して低い夏季や梅雨時の排気モード運転時における流路各部の空気温度と湿度の状態を示した図である。室内気の絶対湿度が外気に比して高い冬季の給気モード運転時における流路各部の温度と湿度の状態を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

図１は、夏季の排気モード運転時における本発明に係る水分吸脱装置部１、その内部に設置された除湿剤２と温度調節装置部５、ならびに水分吸脱装置部１に接続される室内側配管３、室外側配管４、さらにファン６、制御装置７から構成される調湿換気装置全体を示したものである。

水分吸脱装置部１は、除湿剤２と温度調節装置部５を内蔵し、通過する空気の除湿又は加湿を行うものである。また、温度調節装置部５ａ、５ｂは通過する空気の加熱を行う。室内側配管３と室外側配管４の各配管途中にファン６ａ、６ｂがそれぞれ設置されている。室内側配管３と室外側配管４に設置されるファン６は互いに送風方向が逆で、制御装置７によりその運転が制御される。即ち、室内側配管３に設置されたファン６ａが稼働している時は、室外側配管４に設置されたファン６ｂは停止状態にあり、室外側配管４に設置されたファン６ｂが稼働状態にある時は、室内側配管３に設置されたファン６ａは停止している。また、夏季や梅雨時のように外気の絶対湿度が高い条件では、排気モード運転時のみに室内側にある温度調節装置部５ａが稼働され排気される室内気を加熱する。ファン６ａ、６ｂならびに温度調節装置部５ａの稼働、停止は制御装置７にて調整されていることは言うまでもない。因みに夏季や梅雨時の運転では温度調節装置部５ｂは稼働されることは無い。

図２は水分吸脱装置部１の内部に設置されている除湿剤２の形状を示した構成図である。図２において水分吸脱装置部１は矩形断面を持つ箱状であり、内部の除湿剤２も水分吸脱装置部１の形状に合致させた直方体形状であるが、比較的容量の小さい調湿換気装置では、水分吸脱装置部１ならびに除湿剤の形状を共に円筒型形状としても良い。この場合、除湿剤２はダンボール状の平板を螺旋状に巻回して形成することが可能である。

図３はこのように構成された調湿換気装置１０において、空調時に設定される室内気の絶対湿度が外気の絶対湿度に比して低い夏季の排気モード運転時における各部を通過する空気の温度と湿度の状態を示した図である。

同様に、室内気の絶対湿度が外気の絶対湿度に比して高い冬季の給気モード運転時における各部を通過する空気の温度と湿度の状態を図４に示す。
冬季においては、図１に示す水分吸脱装置部１の内部に設置された温度調節装置部５ｂが給気モード運転時に稼働し導入される外気を加熱する。因みに、冬季の運転では温度調節装置部５ａは稼働されることは無い。

また、一つの部屋に対して複数台の調湿換気装置１０を使用し、共通の制御装置７により、それぞれの調湿換気装置１０の運転タイミングを調整する事で、常に室内へ外気を導入すると共に、室内気を室外へ排気することが可能となる。

調湿換気装置の構成と作用
調湿換気装置１０の構成と作用に付いて説明する。
図２に示されるように、水分吸脱装置部１の内部に通気可能な状態で設置される高分子収着剤が塗布された除湿剤２が設置されている。外気または室内気は制御装置７の指令により発停を繰り返すファン６の作用で適当なインターバルにて除湿剤２を通過し、給気運転モードと排気運転モードを繰り返す。

外気と室内気が除湿剤を通過する際の除湿剤入り口における両空気の相対湿度差を原動力として、空気中の水分（水蒸気）は除湿剤２に吸着されたり離脱したりする。

従って、冬季において絶対湿度の低い外気を温度調節装置部５ｂにて加熱し、その相対湿度を更に低くする。低相対湿度となった外気を除湿剤２へ導くと、外気は除湿剤２から水分を受領し適度な絶対湿度となり室内へ流入する。

同様に夏季は外気の絶対湿度が高いので、除湿剤２を通過する外気から水分を吸湿し、絶対湿度を下げてから外気を室内へ流入させる。このためには、室内からの排気を温度調節装置部５ａで加熱し、その相対湿度を下げ除湿剤へ導く。低相対湿度の室内気へ除湿剤は水分を放出する結果、除湿剤は再生される。
図１および図２の例では、温度調節装置部５ａを通過した２６℃程度の室内気を４０℃以上まで加熱し、相対湿度を低下させた後に除湿剤を通過させることで、除湿剤２の再生を行うとともに、室内気の絶対湿度を増大させて室外へ排気している。

給気モード運転時はファン６ｂが運転され、室外から外気を取り込み、水分吸脱装置部１を通過させた後に、停止状態にあるファン６ａを経由し室内へ外気を導く。同様に排気モード運転時にはファン６ａが運転され、室内から室内気を吸い込み水分吸脱装置部１を通過させた後に、停止状態にあるファン６ｂを経由して室外へ排気する。

ファン６ａとファン６ｂの通気方向は逆であり、一方の運転時に他方は休止状態となることから、基本的に停止状態にあるファンによる通風抵抗が発生する。しかしながら、通風抵抗の発生により停止中ファンは自由回転を行うため、通風抵抗値は比較的小さく、電力消費量の増大はファンを逆回転させ通風抵抗を減少させる運転時と遜色ないことが確認できた。ファンの逆回転のための制御によるファンアップを考えれば、むしろ積極的に停止（自由回転）状態に置くことが望ましい。

水分吸脱装置部１の内部に通風可能な状態で設置される除湿剤２は、図２に示されるように、ハニカムやコルゲート加工されたダンボール形状の断面であることが望ましい。勿論、蚕棚に粒状の除湿剤を置いただけの形状でも類似効果を持つと考えられるが、通風特性と吸脱性能の観点からは前者が望ましい。

ハニカムやコルゲート加工されたダンボール形状の断面を有する除湿剤には既に多くのものが市販されている。市販品の多くは回転型のデシカント装置に使用されるために、円筒型で両端面はシールとの摺動接触を行うことから円滑平面に仕上げられている。一方、本発明による水分吸脱装置部１の内部に通風可能な状態で設置される除湿剤２は、固定状態であり摺動する部分が無いことから、その端面の平滑仕上げも不要であり、本質的に量産性に富むと言える。

前述のように、除湿剤２に要求される条件は通風性が主体であることから、ロータとして製造する必要が無く、使用する除湿剤の選択幅が広がることは勿論である。また、ファンも安価なパイプファンが適当であり大幅なコスト低減が可能となる。また、本発明では除湿剤２として紙や樹脂に実績のある高分子収着剤を塗布し、これをダンボール状に仕上げて使用しているので、軽量であり、装置全体の重量を軽減でき輸送などにも有利である。

調湿換気装置の運転状態
次に調湿換気装置の運転状態例について詳述する。
図３は夏季の排気モード運転時（再生運転）における装置各部を通過する空気の温度・湿度状態を示した図である。夏季の場合、室内気は概ね26℃、50％RHであるが、この室内気がファン６ａにて温度調節装置部５ａを通過すると、温度43℃、相対湿度25％RH（以下、それぞれの単位のみの表記とする）となる。これに対し夏季の外気は温度30℃、60％ＲＨ程度であるから、室内気（再生空気）25％と外気60％との相対湿度差35ポイントが確保出来る。これにより相対湿度の高い外気の除湿が可能となっている。

一方、空調時に設定される室内気の絶対湿度が外気の絶対湿度に比して高い冬季の給気モード運転時には、温度調節装置部５ｂを稼働可能な状態とし、給気モード運転時にファン６ｂとともに稼働させる。

冬季の給気モード運転時には、図４に示されるように、先ず、ファン６ｂにて外気（10℃、50％RH）が温度調節装置部５ｂに導かれ、38℃、10％RH程度となって除湿剤２へ流入する。除湿剤２を通過後の外気は温度28℃、30％RHとなって室内へ導かれる。室内空気は26℃、45％RH程度であるので、外気と室内気の相対湿度差は35ポイントが確保されている。

このような調湿換気装置の運転により、外気の絶対湿度を室内条件に近づけて室内に供給できるので、換気に伴い発生する空調機の除湿負荷や加湿器負荷が大幅に削減でき、快適性を損なうこと無くエネルギー消費増大を抑制する調湿換気装置の提供が可能となる。

１・・・水分吸脱装置部、
２・・・除湿剤、
３・・・室内側配管、
４・・・室外側配管、
５ａ・・・室内側温度調節装置部、
５ｂ・・・室外側温度調節装置部
６ａ・・・室内側ファン、
６ｂ・・・室外側ファン、
７・・・制御装置、
１０・・・調湿換気装置

Claims

外気を室内へ供給する給気モードと、室内気を室外へ排出する排気モードを有する換気装置において、除湿剤を内蔵し流通空気の除湿又は流通空気の加湿を行う水分吸脱装置部を備えるとともに、前記水分吸脱装置部に接続される室内側配管と室外側配管の途中にそれぞれの通風方向を逆とした少なくとも１組の送風装置（以下ファン）を設置し、室外側配管に設置されたファンの稼働時には室内側配管に設置されたファンを停止させ、室内側配管に設置されたファンの稼働時には室外側配管に設置されたファンを停止させる制御を行うことで、給気モード運転と排気モード運転をファンの稼働制御により交互に繰り返し行うことを特徴とする調湿換気装置。
外気を室内へ供給する給気モードと、室内気を室外へ排出する排気モードを有する換気装置において、除湿剤を内蔵し流通空気の除湿又は流通空気の加湿を行う水分吸脱装置部を備えるとともに、前記水分吸脱装置部に内蔵される除湿剤の前後に流通空気の加熱を行う1組の温度調節装置部を備えるとともに、前記水分吸脱装置部に接続される室内側配管と室外側配管の途中にそれぞれの通風方向を逆とした少なくとも１組のファンを設置し、室内側配管に設置されたファンの稼働時には室外側配管に設置されたファンを停止させ、室外側配管に設置されたファンの稼働時には室内側配管に設置されたファンを停止させるとともに、外気あるいは室内気の内、除湿剤の再生を行う空気の流通時に該空気を加熱するように一方の温度調節装置部を稼働させる制御を行うことで、給気モード運転と排気モード運転とを交互に繰り返し行うようにしたことを特徴とする調湿換気装置。
請求項１または請求項２記載の調湿換気装置を複数台設置し、異なる調湿換気装置の給気モード運転と排気モード運転の位相をずらすことで、換気が常時連続的に実施されるように構成したことを特徴とする調湿換気装置。
請求項２記載の調湿換気装置において、室内気の絶対湿度に比して外気の絶対湿度が高い条件においては、排気モード運転時に排出される室内気を除湿剤の手前で加熱するように、室内側にある温度調節装置部を稼働させ、室内気の絶対湿度に比して外気の絶対湿度が低い条件においては、給気モード運転時に導入される外気を除湿剤の手前で加熱するように、室外側にある温度調節装置部を稼働させるように制御する湿度検出手段を設置したことを特徴とする調湿換気装置。
請求項２または請求項４記載の調湿換気装置において、温度調節装置部の加熱源は電気ヒータ、あるいは、温排水を利用した熱交換器、あるいは空調用エアコンの凝縮熱交換器であることを特徴とする調湿換気装置。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の調湿換気装置において、前記水分吸脱装置部内にある除湿剤は、高分子収着剤またはイモゴライトの水分吸着剤を塗布あるいは漉き込みなどの手段により担持した紙、樹脂、ガラス繊維、あるいは金属などの単体、あるいは混合体から形成される薄板平板と、該薄板平板をコルゲート（波板状）加工した波板を交互に積層することで形成したダンボール状の構造体であることを特徴とする調湿換気装置。