JP7528345B1 - 冷温水式潜顕分離空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】 空冷式チラーと水冷式チラーを併用した高効率空調システムを得る。【解決手段】 熱源水で熱交換した空調用空気を被空調空間に給気する冷温水式空調機（１）と、熱源水を温度調整する熱源装置（３）と、を備える。熱源装置（３）が、空冷式チラーと水冷式チラーを備える。空冷式チラーの熱源水を使う冷温水式空調機（１）で構成した第１空調グループ（Ａ）と、水冷式チラーの熱源水を使う冷温水式空調機（１）で構成した第２空調グループ（Ｂ）と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は冷温水式潜顕分離空調システムに関するものである。

従来の冷温水式の空調システムは、空冷チラーから熱源水を空調機に送水して空調するセントラル式が一般的であった。この空調システムには、熱源水である冷水と温水を切換えて冷暖房する２管式と、冷水と温水を同時に送水して冷暖同時運転が可能な４管式とがある。

特開２０１６－８５０１３号公報

空冷チラーのみでは空気熱源のためエネルギー変換効率が悪く、夏場の排熱でヒートアイランド現象を誘発したり、冬場のデフロストで空調ムラが生じる懸念があった。また、冷房運転・暖房運転の混在が必要な空調エリアでは、２管式では対応できないために快適性が劣り、４管式にすると設備及び運転のコストが過大となる問題があった。

本発明は上記課題を解決するため、熱源水と空調用空気とを熱交換して被空調空間に前記空調用空気を給気する冷温水式空調機と、前記熱源水を温度調整する熱源装置と、前記冷温水式空調機と前記熱源装置とに前記熱源水を循環させる熱源水回路と、を備え、前記熱源装置が、チラー用空気熱源ヒートポンプで前記熱源水を温度調整する空冷式チラーと、チラー用水熱源ヒートポンプで前記熱源水を温度調整する水冷式チラーと、を備え、前記空冷式チラーの前記熱源水で前記空調用空気を熱交換して前記被空調空間を空調する前記冷温水式空調機で構成した第１空調グループと、前記水冷式チラーの前記熱源水で前記空調用空気を熱交換して前記被空調空間を空調する前記冷温水式空調機で構成した第２空調グループと、を備えたことを最も主要な特徴とする。

請求項１と２の発明によれば、地域寒暖差などの外気条件や地下水などの熱利用に応じて、空冷式チラーの第１空調グループと水冷式チラーの第２空調グループの設置割合を設定することで、熱源のエネルギー変換効率を高めて排熱問題や空調ムラを抑制できる。中間期などの低空調負荷の場合、熱源装置を停止して空冷式外調機のみで冷暖フリー運転ができ、省エネ性と快適性が向上する。４管式が不要で設備及び運転コストの低減を図れる。空気熱源ヒートポンプで還気の熱を利用して外気を熱交換して外気導入するので、さらに省エネを図れる。
請求項３の発明によれば、低層エリアでは、水冷式チラーの熱源水としてビル排水などを、ポンプを使わずに自重で集めて熱源として活用でき省エネとなる。

本発明の建物への設置例を示す簡略図である。 本発明の全体構成を示す簡略図である。 第１空調グループの熱源装置の簡略説明図である。 第２空調グループの熱源装置の簡略説明図である。 冷温水式空調機と空冷外調機の簡略説明図である。 外調用空気熱源ヒートポンプの簡略説明図である。

図１と図２は、本発明の冷温水式潜顕分離空調システムの一実施例である。この潜顕分離空調システムは、第１空調グループＡと第２空調グループＢとを備え、ビルなどの建物の上層エリア乃至中層エリアに第１空調グループＡを設置すると共に、建物の下層エリアに第２空調グループＢを設置する。

第１空調グループＡと第２空調グループＢは、冷温水式空調機１、空冷式外調機２、熱源装置３、熱源水回路４及び制御装置５を、備える。これらの冷温水式空調機１、空冷式外調機２、屋外、室内などの被空調空間に、空調用空気（外気、還気、給気、排気）が流れるように、ダクト６（太線で簡略化して示す）で接続する。

図３と図４に示すように、熱源装置３は、チラー用空気熱源ヒートポンプ１１で熱源水を冷却又は加熱して温度調整する空冷式チラー１２と、チラー用水熱源ヒートポンプ２１で熱源水を冷却又は加熱して温度調整する水冷式チラー２２と、を備える。

第１空調グループＡは、空冷式チラー１２の熱源水で空調用空気を熱交換して被空調空間を空調する冷温水式空調機１で構成し、第２空調グループＢは、水冷式チラー２２の熱源水で空調用空気を熱交換して被空調空間を空調する冷温水式空調機１で構成する。

空冷式チラー１２は、外気の熱で循環冷媒を熱交換するチラー用空気熱源ヒートポンプ１１と、外気（熱源空気）を空気熱源ヒートポンプ１１の熱源用空気熱交換器１３に通して熱交換させる放熱ファン１４と、これらを収容するケーシング１５と、を備える。

空気熱源ヒートポンプ１１は、熱源用空気熱交換器１３、熱源水用水熱交換器１６、圧縮機１７、膨張弁１８、四方弁１９及び冷媒配管回路２０によって構成され、循環する冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この冷媒と熱交換する空気と熱源水に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うものである。

熱源用空気熱交換器１３は、プレートフィン群に挿着した伝熱管群を備え（図示省略）、これらを介して、空気と、伝熱管群を流通する冷媒と、を熱交換する。熱源水用水熱交換器１６は、内部を流通する熱源水と冷媒とを仕切る伝熱板を、備え（図示省略）、この伝熱板を介して、熱源水と冷媒を熱交換する。空冷式チラー１２は、建物の屋上などに設置する。

水冷式チラー２２の熱源装置３は、蓄熱槽２３及び保護用水熱交換器２４を備えている。水冷式チラー２２は、チラー用水熱源ヒートポンプ２１と、これを収容するケーシング２６と、を備え、水熱源ヒートポンプ２１の循環冷媒と、蓄熱槽２３の蓄熱水と、を、保護用水熱交換器２４と蓄熱水用水熱交換器２５の間を流れる循環水を介して熱交換する。蓄熱水は、ビル排水や下水、河川水、地下水などを用いる。

水熱源ヒートポンプ２１は、蓄熱水用水熱交換器２５、熱源水用水熱交換器２７、圧縮機２８、膨張弁２９、四方弁３０及び冷媒配管回路３１によって構成され、循環する冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この冷媒と熱交換する熱源水と循環水に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うものである。水熱交換器２５、２７は、空冷式チラー１２の熱源水用水熱交換器１６と同様構成である。

蓄熱水用水熱交換器２５と保護用水熱交換器２４の間を流れる循環水は、保護用水熱交換器２４で蓄熱槽２３の蓄熱水と熱交換され、蓄熱水用水熱交換器２５で循環冷媒と熱交換される。保護用水熱交換器２４を流通した蓄熱水は外部に排水される。

図５に示すように、冷温水式空調機１は、内部を流通する冷水又は温水の熱源水で空調用空気を熱交換する冷温水コイル３５と、熱源水の流通量を増減させて冷温水コイル３５の熱交換能力（空調用空気の冷却又は加熱の能力）を調整する水量制御弁３６と、被空調空間に空調用空気を給気する給気ファン３７と、これらを収納するケーシング３８と、を備えている。冷温水コイル３５は、空冷式チラー１２の熱源用空気熱交換器１３と同様構成で、内部を熱源水が流通する。冷温水式空調機１は、空調用空気を冷却又は加熱して被空調空間に給気して空調する。

図５と図６に示すように、空冷式外調機２は、還気の熱を利用して外気を熱交換する外調用空気熱源ヒートポンプ４１と、空気熱源ヒートポンプ４１の一部を構成すると共に空気熱源ヒートポンプ４１の出力を増減させて空冷式外調機２の熱交換能力（空調用空気の冷却又は加熱の能力）を調整する外調用圧縮機４７と、外気を加湿すると共に加湿量を増減させて外気の湿度を調整する加湿器５１と、屋外から取り込んだ外気を冷温水式空調機１へ給気する外気ファン４２と、被空調空間から取り込んだ還気を屋外へ排気する排気ファン４３と、これらを収容するケーシング４４と、を備える。

空気熱源ヒートポンプ４１は、外気用空気熱交換器４５、排気用空気熱交換器４６、外調用圧縮機４７、膨張弁４８、四方弁４９及び冷媒配管回路５０によって構成され、循環する冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この冷媒と熱交換する空気に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、四方弁４９で冷暖運転（空調用空気の冷却と加熱）を切換える。外気用空気熱交換器４５及び排気用空気熱交換器４６は、空冷式チラー１２の熱源用空気熱交換器１３と同様構成である。

屋外からの外気は空冷式外調機２を介して冷温水式空調機１に給気する。冷温水式空調機１は、空冷式外調機２からの外気と、被空調空間からの空気（還気）と、を取り込んで被空調空間に給気する。還気の一部は被空調空間から空冷式外調機２に取り込んで屋外に排気する。空調用空気の気流方向は太い点線の矢印で図示する。図例では、加湿器５１は蒸気で空気を加湿する蒸気式としているが、気化式やその他の方式でもよい。

図２示すように、熱源水回路４は、水配管で構成される往路５５、還路５６と、これらに熱源水を流通させる送水ポンプ５７と、を備えており、熱源装置３と冷温水式空調機１の冷温水コイル３５とに熱源水が循環する。

往路５５は、熱源水が熱源装置３から冷温水式空調機１の冷温水コイル３５に分流しながら還路５６に至って合流して混合するように設ける。還路５６は、冷温水式空調機１の冷温水コイル３５を流通して出た熱源水が熱源装置３に至るように設ける。

熱源水温度が設定水温範囲外の場合、熱源装置３の運転を開始することで冷却又は加熱して設定水温範囲内に温度調整する。熱源水の温度範囲の一例をあげると、冷水は７～１２℃、温水は４０～４５℃であるが、これ以外の温度範囲とするも自由である。

図５に示すように、制御装置５は、リモコン６１、外調機冷房制御部６２、空調機冷房制御部６３、外調機暖房制御部６４、空調機暖房制御部６５及び給気ファン制御部６６を、を備えている。リモコン６１は、スイッチ、各種設定の入力ボタン及び表示部等を備え、被空調空間（還気）の設定温度及び設定湿度と、冷房又は暖房の空調モードと、を設定すると共に、空調運転の開始や停止、温湿度調整などの操作を制御装置５を介して行う機能を有している。

制御装置５は、被空調空間が設定温度及び設定湿度の範囲外の場合は、水量制御弁３６、外調用圧縮機４７、加湿器５１及び給気ファン３７の駆動を連動制御して被空調空間が設定温度及び設定湿度となるように空調すると共に、被空調空間が設定温度の範囲内の場合は水量制御弁３６を閉じて熱源水の流通を停止し、外調用圧縮機４７及び加湿器５１の駆動を制御して被空調空間が設定温度及び設定湿度となるように空調する機能を有している。制御装置５は、マイクロプロセッサ、各種センサー、その他の制御機器で構成する。

外調機冷房制御部６２は、熱源水が冷水で空調モードが冷房の場合に、外気温度が設定温度を超えかつ外気湿度が設定湿度以下の範囲では空冷式外調機２で外気を顕熱冷却して設定温度で給気する外調機冷房冷却運転と、外気温度が設定温度以下でかつ外気湿度が設定湿度以下の範囲では空冷式外調機２で外気を温湿度調整せずに給気する外調機冷房送風運転と、外気湿度が設定湿度を超える範囲では空冷式外調機２で外気を冷却減湿して設定比エンタルピーの露点温度で給気する外調機冷房除湿運転と、のうちのいずれかの運転を行う。設定比エンタルピーは、設定温度及び設定湿度から算出する。

空調機冷房制御部６３は、熱源水が冷水で空調モードが冷房の場合に、還気温度が設定温度を超えかつ還気湿度が設定湿度以下の範囲では冷温水式空調機１で空調用空気を顕熱冷却して被空調空間を設定温度にする空調機冷房冷却運転と、還気温度が設定温度以下でかつ還気湿度が設定湿度以下の範囲では冷温水式空調機１で空調用空気を温湿度調整せずに給気する空調機冷房送風運転と、還気湿度が設定湿度を超える範囲では冷温水式空調機１で空調用空気を冷却減湿して設定比エンタルピーの露点温度で給気する空調機冷房除湿運転と、のうちのいずれかの運転を行う。

外調機暖房制御部６４は、熱源水が温水で空調モードが暖房の場合に、外気温度が設定温度未満でかつ外気湿度が設定湿度以上の範囲では空冷式外調機２で外気を加熱して設定温度で給気する外調機暖房加熱運転と、外気温度が設定温度以上でかつ外気湿度が設定湿度未満の範囲では加湿器５１で外気を加湿して設定湿度で給気する外調機暖房加湿運転と、外気温度が設定温度以上でかつ外気湿度が設定湿度以上の範囲では空冷式外調機２で外気を温湿度調整せずに給気する外調機暖房送風運転と、外気温度が設定温度未満でかつ外気湿度が設定湿度未満の範囲では空冷式外調機２及び加湿器５１で外気を加熱及び加湿して設定温度及び設定湿度で給気する外調機加熱加湿運転と、のうちのいずれかの運転を行う。

空調機暖房制御部６５は、熱源水が温水で空調モードが暖房の場合に、還気温度が設定温度未満の範囲では冷温水式空調機１で空調用空気を加熱して被空調空間を設定温度にする空調機暖房加熱運転と、還気温度が設定温度以上の範囲では冷温水式空調機１で空調用空気を温湿度調整せずに給気する空調機暖房送風運転と、のうちのいずれかの運転を行う。

給気ファン制御部６６は、給気ファン３７の給気風量の増減により時間当たりの給気熱量を制御して還気温度（被空調空間の温度）と設定温度との差を抑制する。これにより、冷温水式空調機１や空冷式外調機２の最少空調能力より空調負荷が少ない中間期などでも、給気ファン３７の給気熱量のオーバーシュートやアンダーシュートを抑えて、被空調空間の温度と設定温度のずれや温度ムラの少ない快適な空調を行える。

リモコン６１にて空調運転を開始すると、空冷式外調機２で外気を冷却又は加熱して被空調空間の設定温度にすると共に、空冷式外調機２及び加湿器５１で外気を除湿又は加湿して被空調空間の設定湿度にし、冷温水式空調機１に給気する。冷温水式空調機１は、被空調空間の温度を設定温度に近づけるように空調用空気（外気と還気）を冷却又は加熱する。空調負荷が少なくなれば、給気ファン３７の給気風量制御で被空調空間を細かく温度調整する。このように、冷温水式空調機１や空冷式外調機２を単独のリモコン６１で連動制御させて空調でき、操作が簡単になり設備コスト低減と省力化を図れる。

なお、本発明は上述の実施例に限定されない。例えば、空冷式チラーの第１空調グループと水冷式チラーの第２空調グループの設置割合を変えたり、第１空調グループＡと第２空調グループＢを図例とは上下逆のエリアにしたり、エリアを細分化して交互設置するなど変更は自由である。さらに、第１空調グループＡと第２空調グループＢの一方のみで潜顕分離空調システムを構成しても良く、冷温水式空調機１と空冷式外調機２の台数の増減変更も自由である。また、冷温水式空調機１は、冷温水コイル３５と給気ファン３７を一体にしたものでなく、冷温水コイル３５と給気ファン３７を別個のユニットにしたものをダクト接続したセパレートタイプにしてもよく、それらの組合わせや設置場所の変更も自由である。

１ 冷温水式空調機
２ 空冷式外調機
３ 熱源装置
４ 熱源水回路
５ 制御装置
１１ チラー用空気熱源ヒートポンプ
１２ 空冷式チチラー
２１ チラー用水熱源ヒートポンプ
２２ 水冷式チチラー
３５ 冷温水コイル
３６ 水量制御弁
４１ 外調用空気熱源ヒートポンプ
４７ 外調用圧縮機
５１ 加湿器
６２ 外調機冷房制御部
６３ 空調機冷房制御部
６４ 外調機暖房制御部
６５ 空調機暖房制御部
Ａ 第１空調グループ
Ｂ 第２空調グループ

Claims (3)

1. 熱源水と空調用空気とを熱交換して被空調空間に前記空調用空気を給気する冷温水式空調機（１）と、前記熱源水を温度調整する熱源装置（３）と、前記冷温水式空調機（１）と前記熱源装置（３）とに前記熱源水を循環させる熱源水回路（４）と、を備え、
   前記熱源装置（３）が、チラー用空気熱源ヒートポンプ（１１）で前記熱源水を温度調整する空冷式チラー（１２）と、チラー用水熱源ヒートポンプ（２１）で前記熱源水を温度調整する水冷式チラー（２２）と、を備え、
   前記空冷式チラー（１２）の前記熱源水で前記空調用空気を熱交換して前記被空調空間を空調する前記冷温水式空調機（１）で構成した第１空調グループ（Ａ）と、前記水冷式チラー（２２）の前記熱源水で前記空調用空気を熱交換して前記被空調空間を空調する前記冷温水式空調機（１）で構成した第２空調グループ（Ｂ）と、を備え、
   前記空調用空気として外気と還気を取り込んで前記被空調空間に給気する前記冷温水式空調機（１）と、前記外気を前記冷温水式空調機（１）に給気すると共に前記還気を屋外に排気する空冷式外調機（２）と、を備え、
   前記冷温水式空調機（１）は、内部を流通する冷水又は温水の前記熱源水で前記空調用空気を熱交換する冷温水コイル（３５）と、前記熱源水の流通量を増減させて前記冷温水コイル（３５）の熱交換能力を調整する水量制御弁（３６）と、を備え、
   前記空冷式外調機（２）は、前記還気の熱を利用して前記外気を熱交換する外調用空気熱源ヒートポンプ（４１）と、前記外調用空気熱源ヒートポンプ（４１）の一部を構成すると共に前記外調用空気熱源ヒートポンプ（４１）の出力を増減させて前記空冷式外調機（２）の熱交換能力を調整する外調用圧縮機（４７）と、前記外気を加湿すると共に加湿量を増減させて前記外気の湿度を調整する加湿器（５１）と、を備え、
   前記被空調空間が設定温度及び設定湿度の範囲外の場合は前記水量制御弁（３６）、前記外調用圧縮機（４７）及び前記加湿器（５１）の駆動を制御して前記被空調空間が前記設定温度及び前記設定湿度となるように空調すると共に前記被空調空間が前記設定温度の範囲内の場合は前記水量制御弁（３６）を閉じて前記外調用圧縮機（４７）及び前記加湿器（５１）の駆動を制御して前記被空調空間が前記設定温度及び前記設定湿度となるように空調する制御装置（５）を、備えたことを特徴とする冷温水式潜顕分離空調システム。
2. 前記制御装置（５）は、
   前記熱源水が前記冷水の場合に
   外気温度が前記設定温度を超えかつ外気湿度が前記設定湿度以下の範囲では前記空冷式外調機（２）で前記外気を顕熱冷却して前記設定温度で給気する外調機冷房冷却運転と
   前記外気温度が前記設定温度以下でかつ前記外気湿度が前記設定湿度以下の範囲では前記空冷式外調機（２）で前記外気を温湿度調整せずに給気する外調機冷房送風運転と
   前記外気湿度が前記設定湿度を超える範囲では前記空冷式外調機（２）で前記外気を冷却減湿して設定比エンタルピーの露点温度で給気する外調機冷房除湿運転と
   のうちのいずれかの前記運転を行う外調機冷房制御部（６２）と、
   前記熱源水が前記冷水の場合に
   前記還気温度が前記設定温度を超えかつ前記還気湿度が前記設定湿度以下の範囲では前記冷温水式空調機（１）で前記空調用空気を顕熱冷却して前記被空調空間を前記設定温度にする空調機冷房冷却運転と
   前記還気温度が前記設定温度以下でかつ前記還気湿度が前記設定湿度以下の範囲では前記冷温水式空調機（１）で前記空調用空気を温湿度調整せずに給気する空調機冷房送風運転と
   前記還気湿度が前記設定湿度を超える範囲では前記冷温水式空調機（１）で前記空調用空気を冷却減湿して前記設定比エンタルピーの前記露点温度で給気する空調機冷房除湿運転と
   のうちのいずれかの前記運転を行う空調機冷房制御部（６３）と、
   前記熱源水が前記温水の場合に
   前記外気温度が前記設定温度未満でかつ前記外気湿度が前記設定湿度以上の範囲では前記空冷式外調機（２）で前記外気を加熱して前記設定温度で給気する外調機暖房加熱運転と
   前記外気温度が前記設定温度以上でかつ前記外気湿度が前記設定湿度未満の範囲では前記加湿器（５１）で前記外気を加湿して前記設定湿度で給気する外調機暖房加湿運転と
   前記外気温度が前記設定温度以上でかつ前記外気湿度が前記設定湿度以上の範囲では前記空冷式外調機（２）で前記外気を温湿度調整せずに給気する外調機暖房送風運転と
   前記外気温度が前記設定温度未満でかつ前記外気湿度が前記設定湿度未満の範囲では前記空冷式外調機（２）及び前記加湿器（５１）で前記外気を加熱及び加湿して前記設定温度及び前記設定湿度で給気する外調機加熱加湿運転と
   のうちのいずれかの前記運転を行う外調機暖房制御部（６４）と、
   前記熱源水が前記温水の場合に
   前記還気温度が前記設定温度未満の範囲では前記冷温水式空調機（１）で前記空調用空気を加熱して前記被空調空間を前記設定温度にする空調機暖房加熱運転と
   前記還気温度が前記設定温度以上の範囲では前記冷温水式空調機（１）で前記空調用空気を温湿度調整せずに給気する空調機暖房送風運転と
   のうちのいずれかの前記運転を行う空調機暖房制御部（６５）と、
   を備えた請求項１に記載の冷温水式潜顕分離換気空調システム。
3. 前記第１空調グループ（Ａ）を建物の上層エリア乃至中層エリアに設置すると共に、前記第２空調グループ（Ｂ）を建物の下層エリアに設置した請求項１又は２に記載の冷温水式潜顕分離空調システム。

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