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する 熱源システム構成を図 に示す 真空管型太陽熱集熱器と CGS は並列接続されており これらの混合温水が排熱投入型吸収冷温水 機 デシカント空調機の再生コイル 暖房用熱交換器 給湯用熱交換器の順にカスケード利用される 図 2 にデシカント空調機の概要と計測点を示す 対象建物は地下ピットを利用した

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Academic year: 2021

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夏期における種々の運用条件下

での乾式デシカント空調機の挙

動の分析と性能の評価

ANALYSIS ON BEHAVIOR AND

EVALUATION ON PERFORMANCE OF

SOLID DESICCANT AIR HANDLING

UNIT UNDER VARIOUS OPERATION

CONDITION IN SUMMER

日本建築学会技術報告集 第 21 巻 第 49 号,1133-1138,2015 年 10 月 AIJ J. Technol. Des. Vol. 21, No.49, 1133-1138, Oct., 2015

鵜飼真貴子———— * 1 田中宏明— ———— * 2 田中英紀— ———— * 3 奥宮正哉— ———— * 4 キーワード : 乾式デシカント,挙動分析,性能評価,エネルギー消費量,除湿性能, 成績係数,井水利用 Keywords:

Solid desiccant, Analysis of behavior, Performance evaluation, Energy consumption, Performance of solid desiccant wheel, Coefficient of performance, well water

Makiko UKAI———————— * 1 Hiroaki TANAKA—ーーー * 2 Hideki TANAKA—————— * 3 Masaya OKUMIYA—ーー * 4 System behavior analysis and performance evaluation of solid desiccant air handling unit using polymer sorbent are conducted under various operation condition in summer. In this system, solar thermal and CGS is used for regeneration coil and well water is supplied to pre- and after-coil. The system performance is determined with not only performance of solid desiccant wheel, but also inlet water temperature to pre-coil and temperature maximum limitation of regeneration air.

*1 名古屋大学大学院環境学研究科 博士後期課程 JSPS 特別研究員 DC (〒 464-0818 名古屋市千種区不老町 ES 総合館)

*2 ㈱日建設計 主管・博士(工学)

*3 名古屋大学施設・環境計画推進室 特任教授・博士(工学)

*4 名古屋大学大学院環境学研究科 教授・工博

*1 Doctoral Candidate, Graduate School of Environmental Studies, Nagoya Univ., JSPS Research Fellow

*2 Mechanical Engineer Associate, NIKKEN SEKKEI LTD., Dr. Eng.

*3 Designated Prof., Campus Planning & Environment Management Office, Nagoya Univ., Dr. Eng.

*4 Prof., Graduate School of Environmental Studies, Nagoya Univ., Dr. Eng.

夏期における種々の運用条件下

での乾式デシカント空調機の挙

動の分析と性能の評価

ANALYSIS ON BEHAVIOR AND

EVALUATION ON PERFORMANCE OF

SOLID DESICCANT AIR HANDLING

UNIT UNDER VARIOUS OPERATION

CONDITION IN SUMMER

鵜飼真貴子 *1 田中宏明 *2 田中英紀 *3 奥宮正哉 *4 キーワード: 乾式デシカント、挙動分析、性能評価、エネルギー消費量、除湿性能、成績 係数、井水利用 Keywords:

Solid desiccant, Analysis of behavior, Performance evaluation, Energy consumption, Performance of solid desiccant wheel, Coefficient of performance, well water

Makiko UKAI 1 Hiroaki TANAKA *2

Hideki TANAKA 3 Masaya OKUMIYA *4

System behavior analysis and performance evaluation of solid desiccant air handling unit using polymer sorbent are conducted under various operation condition in summer. In this system, solar thermal and CGS is used for regeneration coil and well water is supplied to pre- and after-coil. The system performance is determined with not only performance of solid desiccant wheel, but also inlet water temperature to pre-coil and temperature maximum limitation of regeneration air.

1.はじめに 2014 年 4 月に東日本大震災後初のエネルギー基本計画(第四次)1) が閣議決定された。最終エネルギー消費の現状は熱利用を中心とし た用途が過半数を占めているため、熱を効率的に利用することが重 要であり、特に二次エネルギー構造の在り方については、コージェ ネレーションシステム(以下、CGS)や再生可能エネルギー熱の利用促 進が必要であると示されている。 潜熱顕熱分離空調は、温度に由来する顕熱と絶対湿度に由来する 潜熱を別々のプロセスで処理する空調方式であり、潜熱処理には多 くの建物でデシカントシステムが採用されている 2)3)。高温多湿と なる夏期においては、室の快適性を満足するために室負荷と外気負 荷を十分に処理する必要がある。しかし、1970 年に制定された「建 築物における衛生的環境の確保に関する法律」(建築物衛生法)にお いて温度 17℃以上 28℃以下、相対湿度 40~70%を建築物環境衛生管 理基準(管理基準)とし、この範囲を満たさない場合を不適合とする と、温度の不適合率は 20%前後であるが、相対湿度の不適合率は 年々増加傾向にあり、特に事務所ビルにおいては 50%近くの建物で 管理基準を満足しない4)というのが実態である。田辺ら5)によれば、 室温が 28℃の場合は、温冷感や快不快感に対する相対湿度の影響が 大きくなるとされており、クールビズで 28℃が推奨されている昨今 は湿度制御が重要となる。 乾式デシカントシステムは、吸着材や収着材を利用して空気中の 水蒸気を除去する方法である。吸着材として例えばシリカゲルやゼ オライトを利用した場合には、100℃程度の再生温度範囲が必要にな るが、高分子収着材を利用した場合には、水蒸気付着の結合力が弱 いため低温再生(40~80℃)が可能である6)。したがって、後者の場 合は、太陽熱などの自然エネルギーや CGS の排熱温水を収着材の再 図 1 熱源システムの概要 生熱源として利用できる。除湿剤としてシリカゲル等の吸着材を採 用した場合の性能検討は多くみられるが 7)8)、高分子収着材を採用 した実物件の運用状況を詳細に分析した例は少ない。デシカント空 調機の挙動と性能は、設定された給気温湿度に向けて、再生温度や 冷却部に供給される冷水温度条件による空調機内部のバランスによ って決まる。しかし、デシカント空調機に関する既往の報告では、 デシカントローター単体での報告9)が多く、予冷コイル等の他要素 を組み合わせてデシカント空調機全体の実測解析を行ったものは少 ない10)11)。本論文では、除湿剤として高分子収着材を採用した乾式 デシカント空調機に再生熱源として中温水である太陽熱と CGS 排熱 を利用し、さらに冷却部に井水を活用する空調機の夏期における 種々の運用条件下での挙動の分析と性能評価を行う。 2.対象デシカント空調機の概要 対象建物は、屋上に外気処理のために高分子収着材を採用したデ シカント空調機を 1 台設置し、2~4 階の執務空間に処理外気を供給 *1 名古屋大学大学院 環境学研究科 博士後期課程 JSPS 特別研究員 DC (〒464-0818 名古屋市千種区不老町 ES 総合館)

*1 Doctoral Candidate, Graduate School of Environmental Studies, Nagoya University, JSPS Research Fellow

*2 (株)日建設計 主管・博士(工学) *2 NIKKEN SEKKEI LTD., Mechanical Engineer Associate, Dr.Eng.

*3 名古屋大学 施設・環境計画推進室 特任教授・博士(工学) *3 Designated Prof., Campus Planning & Environment Management Office, Nagoya University, Dr.Eng.

*4 名古屋大学大学院 環境学研究科 教授・工学博士 *4 Prof., Graduate School of Environmental Studies, Nagoya University Dr.Eng. H C 熱回収 2次ポンプ 排温水 ポンプ 集熱 タンク KW25 温水還 25 KWKW25 貯湯 タンク 排熱投入型 冷温水機 給水 加熱ポンプ 循環ポンプ 給湯 熱交換器 真空型集熱器 熱回収 1次ポンプ 太陽熱 熱交換器 CGS 暖房用熱交換器 温水1次ポンプ デシカント外調機 再生コイル 排熱投入型 冷温水機 温水往 デシカント空調機 再生コイル 真空管型 太陽熱集熱器

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する。熱源システム構成を図 1 に示す。真空管型太陽熱集熱器と CGS は並列接続されており、これらの混合温水が排熱投入型吸収冷温水 機、デシカント空調機の再生コイル、暖房用熱交換器、給湯用熱交 換器の順にカスケード利用される。 図 2 にデシカント空調機の概要と計測点を示す。対象建物は地下 ピットを利用したアースチューブを導入しており、外気(①)とアー スチューブ出口空気(②)の状態を比較した上で、新鮮外気がデシカ ント空調機に供給される。図 2 において新鮮外気(③)を冷却用の予 冷コイルにて予冷・予除湿した後(④)、除湿ローターを通過させて (⑤)、設定給気露点温度まで除湿する。その後、還気との顕熱交換 (⑥)、冷水コイルで冷却し、室に給気(⑦)する。井水を連結混合型 井水蓄熱槽に貯留後、デシカント空調機の予冷コイルと冷水コイル へ供給する。井水蓄熱槽内の水温が上限値(22℃)を超えた場合、吸 収冷温水機からの冷水をデシカント空調機に送水する。井水は雑用 水源にも利用しており、雑用水使用量に相当する井水汲み上げを行 い、その相当量分をデシカント空調機に利用できる。 還気(⑧)は、顕熱ローターで給気と熱交換した後(⑨)、太陽熱及 び CGS を熱源とする再生コイルで昇温され(⑩)、除湿ローターの再 生を行った後に排気(⑪)される。表 1 にデシカント空調機の仕様を 示す。除湿ローターの回転数は 30 回転/h である。 顕 熱 ロー ター 除 湿 ロー ター 井水熱利用ポンプ 予 冷 コ イ ル 再 生 コ イ ル 冷 水 コ イ ル 井水熱利用 1次ポンプ 井水汲上げポンプ 雑用給水 ポンプ 給水 井水熱蓄熱槽 (雑用水槽兼用 ) アースチューブ 切替 ダンパ OA EA 外気 外気 CGS排温水・太陽熱温水 SA RA 給気 還気 熱交換 冷水(往) ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ⑪ 冷水(還) T T T,RH,u T,DP,u T T T,RH T,RH 図 2 対象デシカント空調機概要と計測点 3.実測結果 3.1 各部状態の測定と推定 実測は 2013 年 7 月より連続計測している。表 2 に計測機器の概要 を示す。空気温湿度とともにコイル出入口水温、ダクト通過風速、 配管通過流量を時間間隔 1 分で連続計測している。また、外気温湿 度状態は 1 時間間隔で計測している。給気及び還気風量は、実測値 である風速にダクト断面積を乗じて算出した。デシカント空調機の 内部の未計測点は、表 3 に示す仮定と計算式を用いて推定した。 3.2 運用条件及び主要制御条件 本デシカント空調機は給気露点温度で再生コイルの流量を比例制 御する。ただし、再生コイル出口空気温度には上限を設けている。 また給気温度で冷水コイル流量を、さらに予冷コイル出口空気温度 で予冷コイル流量を各々比例制御している。表 4 に 2013 年と 2014 年の運用条件を示す。2013 年には井水が予冷コイルと冷水コイルに 送水されたが、2014 年は冷水コイルのみに井水の送水を限定した。 3.3 代表日における推移 2013 年及び 2014 年の 7 月において、外気温湿度が高い日を代表 表 1 デシカント空調機仕様 ローター断面積 3.77 ㎡ (φ=2.19m) 給気(処理側)風量 11,000 ㎥/h 還気(再生側)風量 7,800 ㎥/h 予冷コイル 103kW 入口 10℃→出口 18℃ 185ℓ/min 再生コイル 93kW 入口 85℃→出口 80℃ 267ℓ/min 冷水コイル 29kW 井水利用時 入口 22℃→出口 32℃ 42ℓ/min 冷水利用時 入口 10℃→出口 18℃ 52ℓ/min 給気ファン動力 7.5kW 還気ファン動力 3.7kW 除湿ローター動力 0.2kW 顕熱ローター動力 0.75kW 表 2 計測機器概要 計測点 測定原理 精度(測定範囲) ① 温度 Pt100Ω ±0.25℃(0~60℃) 湿度 高分子容量型 ±3% ②⑧ 温度 PTC センサー ±0.4℃(0~30℃) 湿度 高分子抵抗式 ±4%RH30~70%RH(10~ 40℃) ③④⑩⑪ 温度 PTC センサー ±0.5℃(-15~75℃) ⑦ 温度 PTC センサー ±0.4℃(0~30℃) 露点温度 高分子抵抗式 -20~+80℃DP 風速計 セラミック白金抵抗体 0.2~20.0m/s 流量計 電磁式 0.15~3.0m/s 温度計 トランジスター式 ±0.9℃ 表 3 未計測点推定における仮定と算出式 ③ 絶対湿度 ②点の絶対湿度と等しい X③=X② ④ 温度 実測値ではあるが、露点温度以下になる場合は 露点温度として補正 絶対湿度 温度 T③と絶対湿度 X③から算出した H③と予冷コ イル水側熱量から出口エンタルピーH④を算出 し、H④と T④から算出 H④=H③-Qpre/(ρa×VSA) X④=(H④-1.006×T④)/(1.805×T④+2501) ⑤ 温度 顕熱ローターの熱交換から算出 T=T-VRA×(T-T)/VSA 絶対湿度 ⑦点の絶対湿度と等しい X⑤=X⑦ ⑥ 温度 冷水コイル熱量から算出 T=T+Qafter/(ρa×Ca×VSA) 絶対湿度 ⑦点の絶対湿度と等しい X⑥=X⑦ ⑨ 温度 ⑩点の温度と再生コイル熱量から算出 T=T-Qre/(ρa×Ca×VSA) 絶対湿度 ⑧点の絶対湿度と等しい X⑨=X⑧ ⑩ 絶対湿度 ⑧点の絶対湿度と等しい X⑩=X⑧ ⑪ 絶対湿度 ⑧点の絶対湿度に除湿ローター除湿量を加算 X⑪=X⑧+(X④-X⑤)×(Vsa/Vra) ※表中の番号は図 2 の計測点及び推定点の番号に対応している 表 4 各年の運用条件 2013 年 2014 年 井水送水先 予冷コイル・冷水コイル 冷水コイル 設定給気温度 22℃ 26℃ 設定給気露点温度 12℃(8.73g/kg') 10℃(7.63g/kg') 設定再生コイル 出口空気上限温度 50℃ 60℃ 予冷/冷水コイル 入口水温 (井水利用時を除く) 7/1~7/12: 8℃程度 それ以降: 14℃程度 7/1~7/28,8/6~ 8/15: 12℃以下 それ以外: 14℃程度 再生コイル入口水温 70℃程度 70℃程度 稼働時間 8:00~22:00 9:00~18:00 日として抽出し 1 日の推移を示す。他の日においては外気条件によ ってデシカント空調機内の各部の状態は異なるが、運用条件ならび に制御条件による推移への影響は同様であった。 図 3 に代表日である 2013 年 7 月 9 日及び 2014 年 7 月 16 日の各コ 計測点 T:温度[℃] RH:相対湿度[%] DP:露点温度[℃DP] u:風速[m/s]

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(a)2013 年 7 月 9 日 (b)2014 年 7 月 16 日 (a)2013 年 7 月 9 日 (b)2014 年 7 月 16 日 図 3 各コイル入口水温推移(5 分平均値) 図 4 処理(給気)側・再生(還気)側風量推移(5 分平均値) (a)処理側温度推移 (b)処理側絶対湿度推移 (c)再生側温度推移 図 5 2013 年 7 月 9 日(5 分平均値) (a)処理側温度推移 (b)処理側絶対湿度推移 (c)再生側温度推移 図 6 2014 年 7 月 16 日(5 分平均値) イル入口水温の 5 分平均値の推移を示す。再生コイル入口水温は約 72℃であり、冷温水機からの冷水供給時には予冷及び冷水コイル入 口水温は 8~10℃である。2013 年代表日の 13:30~16:00、2014 年代 表日の 13:00~17:00 に約 20℃の井水が送水されている。2 章で示し たように、利用できる井水量は雑用水に利用された分のみであると いう制限があるなかで、予冷コイルに井水を送水せず冷水コイルの みに井水を利用しているため、2014 年は 2013 年よりも冷水コイル における井水の利用時間が 2.5 時間から 4 時間まで増加した。 図 4 に処理側及び再生側風量の 5 分平均値の推移を示す。処理側 風量は CO2濃度により制御され、これに連動して再生側風量も制御 される。また同時に、処理側風量はデシカント空調機出口静圧を確 保するように制御されており、デシカント空調機と並列につながっ ている空調機が停止すると出口静圧が大きく低下し、それに伴って 処理側風量が急激に増加している(2013 年 7 月 9 日 20:30 以降、2014 年 7 月 16 日 18:30 以降)。 図 5 及び図 6 に各年代表日における処理側空気温度、処理側絶対 湿度及び再生側空気温度の 5 分平均値の推移を示す。顕熱ローター 出口空気温度は給気温度と冷水コイル冷却熱量(コイル出入口水温 と流量より算出)を用いて推定しているが、流量が変動するためそれ に伴って変動している。さらに処理側除湿ローター出口空気温度は 顕熱ローター出口空気温度を用いて推定しているので同様の変動性 状を示す。図 5(c)で示すように、再生コイル出口空気温度は、上限 設定を 50℃とした 2013 年に終日上限値程度で推移しており、60℃ 設定の 2014 年は図 6(b)のように給気絶対湿度を制御しつつ図 6(c) のように変動している。2013 年は、図 5(b)のように井水利用時にお いて予冷コイルでの予除湿を確保できず、さらに再生コイル出口空 気温度上限が 50℃に設定されていたため、除湿ローターでも十分に 除湿できず、給気露点温度を満足しない。2014 年は、図 6(b)のよう に設定給気露点温度を下げたが、再生コイル出口空気温度の上限を 60℃と設定し、さらに予冷コイルに井水を利用しないため、設定給 気露点温度と給気温度をともに満足している。2013 年における井水 未利用時(12 時)と井水利用時(14 時)の空気線図上での状態変化を 10 20 30 40 50 60 6 8 10 12 14 16 18 20 22 温度 [℃ ] 時刻 5 10 15 20 6 8 10 12 14 16 18 20 22 湿度 [g /k g' ] 時刻 8.73 10 20 30 40 50 60 6 8 10 12 14 16 18 20 22 温度 [℃ ] 時刻 22 10 20 30 40 50 60 6 8 10 12 14 16 18 20 22 温度 [℃ ] 時刻 5 10 15 20 6 8 10 12 14 16 18 20 22 湿度 [g /k g' ] 時刻 7.63 10 20 30 40 50 60 6 8 10 12 14 16 18 20 22 温度 [℃ ] 時刻 26 予冷コイル での予除湿量 除湿ローター での除湿量 井水利用時 井水利用時 井水利用時 井水利用時 ⑤除湿ローター出口(推定) ⑥顕熱ローター出口(推定) ⑦給気 ③予冷コイル入口 ④予冷コイル出口 ③予冷コイル入口 ⑦給気 ⑩再生コイル出口 ⑨顕熱ローター出口(推定) ⑧還気 ⑪排気 ④予冷コイル出口(推定) ⑤除湿ローター出口(推定) ⑥顕熱ローター出口(推定) ③予冷コイル入口 ⑦給気 ④予冷コイル出口 予冷コイル での予除湿量 除湿ローター での除湿量 ③予冷コイル入口 ⑦給気 ④予冷コイル出口(推定) ⑩再生コイル出口 ⑨顕熱ローター出口(推定) ⑧還気 ⑪排気 再生コイル入口水温 予冷コイル入口水温 冷水コイル入口水温 0 10 20 30 40 50 60 70 80 6 8 10 12 14 16 18 20 22 温度 [℃ ] 時刻 0 10 20 30 40 50 60 70 80 6 8 10 12 14 16 18 20 22 温度 [℃ ] 時刻 井水利用時 井水利用時 0 2000 4000 6000 8000 10000 6 8 10 12 14 16 18 20 22 風量 [㎥ /h ] 時刻 0 2000 4000 6000 8000 10000 6 8 10 12 14 16 18 20 22 風量 [㎥ /h ] 時刻 処理側風量 処理側風量 再生側風量 再生側風量

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図 7 及び図 8 に示す。2014 年の空気線図上の状態変化は 2013 年 7 月の井水未利用時と同様の傾向であった。井水未利用時は給気条件 を満足しているが、井水利用時は予冷コイルでの予除湿が不十分で あり、かつ再生コイル出口空気温度上限を 50℃に制限したために除 湿ローターでの除湿量も不十分となり、さらに冷水コイルでの給気 冷却熱量が不十分であったため、給気条件を満足しない。 3.4 デシカント空調機の挙動分析 図 5 及び図 6 で示したように 5 分平均値の推移は変動が大きいた め、本節では 1 時間平均値を用いて各年 7 月における 1 か月間の評 価を行う。 図 9 に再生側質量風量あたりの再生熱量と除湿ローターでの除湿 量の関係を予冷コイル入口水温別に示す。2013 年は、図 9(a)に示す ように 10℃以下の冷水が供給されている場合、予冷コイルで十分に 予除湿が可能であるため、予冷コイル出口絶対湿度が低下し、設定 給気露点温度までの必要除湿量が減少して、除湿ローターでの除湿 量は減少する。一方、予冷コイルへの冷水が 14℃以上の場合には、 予冷コイルでの予除湿が十分にできないため出口絶対湿度は低下せ ず、除湿ローターでの除湿量が増加している。この時、給気露点温 度は設定条件を満足する値であった。しかし、図 8 で示すように、 20℃程度の井水が予冷コイルに投入される場合には、予冷コイルで の予除湿が全くできず設定給気露点温度を満足しない。 2014 年は予冷コイルに井水を投入せず、8~14℃程度の冷水が送 水されている。水温が十分低いため予冷コイル出口絶対湿度は安定 し、図 9(b)に示すように質量風量当たりの再生コイル熱量が増加す れば除湿ローターの除湿量も増加するという正の相関がみられる。 図 10 に予冷コイル入口水温別の再生側質量風量当たりの再生コ イル熱量と給気露点温度の関係を示す。2013 年は、3.3 で述べたよ うに再生コイル出口空気温度の上限設定値を 50℃としたために、再 生熱量もほとんど上限値で頭打ちとなり、設定給気露点温度 12℃を 大きく上回る場合がある。それに対し、上限値を 60℃に上げた 2014 年では、再生熱量の増加により給気露点温度が下がるという関係が 見られるとともに、給気露点温度が 10℃前後に制御されている。 図 11 に再生コイル熱量と冷水コイル熱量を給気露点温度別に示 す。2014 年は 2013 年と比較し設定給気露点温度を下げ再生コイル 出口空気温度の上限設定値を上げているため、再生コイル熱量が増 加しているが、冷水コイル熱量は減少している。したがって、2014 年の傾きは 2013 年よりも小さくなっている。 以上より、20℃程度の井水を予冷コイルに利用する場合、給気露 点温度を満足するためには再生コイル出口空気温度の上限設定値を 高く設定する必要がある。一方 14℃程度の冷水を利用する場合には 予冷コイルでの予除湿が十分に確保できるため再生コイル出口空気 の上限設定値を 50℃程度と比較的低い設定でも給気露点温度を満 足できる。 3.5 デシカント空調機の性能評価

デシカント空調機は時間単位の処理側 COP (COPpre)、デシカント

COP (COPdes)をそれぞれ式(1)及び式(2)で定義し、評価を行う。

after pre SA a SA pre pre Q Q V H H COP + − =( )ρ (1) re after pre SA a SA pre des Q Q Q V H H COP + + − =( )ρ (2) 5 10 15 20 25 15 20 25 30 35 40 45 50 55 絶対湿度( g/ kg ) 温度(℃) 処理側 再生側 給気温湿度設定条件 ① ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ⑪ 図 7 2013 年 7 月 9 日 12 時における空気線図上の状態変化 (井水未利用時) 5 10 15 20 25 15 20 25 30 35 40 45 50 55 絶対湿度( g/ kg ) 温度(℃) 処理側 再生側 給気温湿度設定条件 ① ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ⑪ 図 8 2013 年 7 月 9 日 14 時における空気線図上の状態変化 (井水利用時) (a)2013 年 7 月 (b)2014 年 7 月 図 9 予冷コイル入口水温別の質量風量あたりの再生コイル熱量と 除湿ローター除湿量 (a)2013 年 7 月 (b)2014 年 7 月 図 10 予冷コイル入口水温別の質量風量あたりの再生コイル熱量 と給気露点温度 t<=8 8<t<=10 10<t<=12 12<t<=14 t>14 井水利用時 予冷コイル入口水温 t<=8 8<t<=10 10<t<=12 12<t<=14 t>14 井水利用時 予冷コイル入口水温 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 除湿ロ ー タ ー 除湿量 [k g/ kg'] 再生側質量風量あたりの 再生コイル熱量[MJ/kg] 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 除湿ロ ー タ ー 除湿量 [k g/ kg'] 再生側質量風量あたりの 再生コイル熱量 [MJ/kg] 8 10 12 14 16 18 20 0 0.01 0.02 0.03 0.04 給気露点温度 [℃ ] 再生側質量風量あたりの 再生コイル熱量[MJ/kg] (20℃) (20℃) 8 10 12 14 16 18 20 0 0.01 0.02 0.03 0.04 給気露点温度 [℃ ] 再生側質量風量あたりの 再生コイ ル熱量[MJ/kg]

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図 12 に、給気露点温度と処理側 COP の関係を予冷コイル入口水温 別に示す。2013 年 7 月は、予冷コイル水温が 14℃以下の時、処理側 COP は約 0.5~1.5 で推移している。一方、予冷コイルに 20℃程度の 井水が投入されている場合は、図 8 で示すように除湿ローターの処 理側出口空気温度が高くなり、顕熱交換ローターの交換熱量が増加 するため処理側 COP が高くなる。一方、2014 年 7 月は、14℃以下の 冷水が投入され十分に予除湿されるため処理側 COP は 1.1 程度とな り、井水を利用する場合と比較して低くなった。 図 13 に予冷コイル入口水温別の除湿ローター除湿量とデシカン ト COP の関係を示す。除湿ローターでの除湿量が多いほどデシカン ト COP が向上する。2013 年は除湿ローターでの必要除湿量が 2014 年と比較して多く、再生コイル出口空気温度の上限値を 50℃と低く 設定したためにデシカント COP は高くなっている。 図 14 に各月の処理熱量及び投入熱量を、図 15 に処理側 COP 及び デシカント COP の推移を示す。予冷コイルに井水が利用されている 場合は、図 8 で示したように利用されていない場合と異なる傾向を 示すため、それぞれ分けて評価を行う。2014 年は 2013 年と比較し て稼働時間が短縮されたため、処理熱量が大きく減少した。また表 4 に示すように、2013 年にはほとんどの時間で吸収冷温水機からの 冷水が 14℃で送水されており、送水温度が 12℃以下である 2014 年 に比べて、処理側 COP が約 1.1 から 1.3 近くまで上昇している。ま た井水が予冷コイルと冷水コイルに送水されている場合は、図 12 で述べたように顕熱交換ローターの交換熱量が増加し処理側 COP は 大きくなるが、図 8 に示すように設定給気条件を満足できない。2014 年は、12℃以下の冷水が多くの時間で予冷コイルに送水され、かつ 再生コイル出口温度条件を高く設定したことで十分に再生コイル熱 量が投入され設定給気条件を満足したが、2013 年と比較してデシカ ント COP は 0.8 から 0.6 程度まで下がった。 4.まとめ 本論文では、乾式デシカント空調機の夏期における種々の運用条 件下での挙動の分析と性能評価を行い、以下の結果が得られた。 1)井水を予除湿が必要となる予冷コイルよりも冷水コイルのみで利 用する方が、井水利用可能時間が増加し、効率的に利用できる。 冷水コイルのみで井水を利用することで、2014 年は冷水コイル投 入熱量の 42%を井水で賄うことができた。 2)本論文で対象とした負荷に対しては、20℃程度の井水を予冷コイ ルに利用し、再生コイル出口空気温度の上限設定値を 50℃にした 場合には設定湿度条件を満足できない。20℃程度の冷水を除湿が 必要な予冷コイルに利用しながら設定湿度条件を満たすためには、 再生コイル出口空気温度上限値を高く設定する必要がある。一方、 14℃程度の冷水を予冷コイルで利用する場合には、予冷コイルと 除湿ローターでの除湿が十分に可能であるため再生コイル出口空 気温度上限値を 50℃と比較的低く設定できる。 3)予冷コイル入口水温を低くすると、予冷コイルでの除湿がなされ 除湿ローターの除湿要求が減り、再生コイルでの加熱量を減らす ことができ、温水温度を下げることができる。冷水コイルについ ては、給気出口温度を満たせるのであれば、井水を利用すること もでき自然エネルギーの利用につながる。デシカント空調機の性 能は、要求される除湿量に対する予冷コイルと除湿ローターの処 (a)2013 年 7 月 (b)2014 年 7 月 図 11 給気露点温度別の再生コイル熱量と冷水コイル熱量 (a)2013 年 7 月 (b)2014 年 7 月 図 12 予冷コイル入口水温別の給気露点温度と処理側 COP (a)2013 年 7 月 (b)2014 年 7 月 図 13 予冷入口水温別の除湿ローター除湿量とデシカント COP 0 10 20 30 40 50 60 70 80 GJ /mo nt h 処理熱量 予冷コイル熱量 冷水コイル熱量 再生コイル熱量 201307 201308 201407 201408 井水利用時 (予冷 /冷水コ イ ル) 井水未利用時 2013 年 7 月合計 井水利用時 (予冷 /冷水コ イ ル) 井水未利用時 2013 年 8 月合計 井水利用時 (冷水コ イ ル) 井水未利用時 2014 年 7 月合計 井水利用時 (冷水コ イ ル) 井水未利用時 2014 年 8 月合計 図 14 月別の井水利用・未利用時の処理熱量と各コイル投入熱量 t<=8 8<t<=10 10<t<=12 12<t<=14 t>14 井水利用時 予冷コイル入口水温 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 デ シ カン トC OP [-] 除湿ローター除湿量[kg/kg'/h] t<=8 8<t<=10 10<t<=12 12<t<=14 t>14 井水利用時 予冷コイル入口水温 y = 0.3495x R² = 0.1345 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 20 40 60 80 100 120 140 160 冷水コ イ ル熱量 [M J/ h] 再生コイル熱量[MJ/h] 給気露点温度 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 8 10 12 14 16 18 20 22 処理側 COP [-] 給気露点温度[℃] (20℃) (20℃) DP<=10 10<DP<=11 11<DP<=12 DP>12 y = 0.4912x R² = 0.519 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 20 40 60 80 100120140160 冷水コ イ ル熱量 [M J/ h] 再生コイル熱量 [MJ/h] 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 8 10 12 14 16 18 20 22 処理側 COP [-] 給気露点温度[℃] 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 デ シカ ン トC OP [-] 除湿ロ ーター除湿量[kg/kg'/h]

(6)

理分担割合、それに伴う必要再生空気温度、設定給気温度に対す る冷水コイル入口水温度によって定まる。 4)本論文では、3)の関係を実測値により分析したが、冷温水温度設 定は熱源の性能に影響を持ち、流量、ポンプ動力にも関係するた め、これらを含めたシステムとしての評価、最適化が必要であり、 これは今後検討を行う。 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 COP [-] 処理側COP デシカ ン トCOP 201307 201308 201407 201408 井水利用時 (予冷 /冷水コ イ ル) 井水未利用時 2013 年 7 月合計 井水利用時 (予冷 /冷水コ イ ル) 井水未利用時 2013 年 8 月合計 井水利用時 (冷水コ イ ル) 井水未利用時 2014 年 7 月合計 井水利用時 (冷水コ イ ル) 井水未利用時 2014 年 8 月合計 図 15 月別の井水利用・未利用時の処理側 COP とデシカント COP 記号表 Ca :空気の定圧比熱(=1.006) [kJ/kg'K]

COPpre :処理側 COP [-]

COPdes :デシカント COP [-]

DP :露点温度 [℃DP] Hpre :予冷コイル入口空気エンタルピー [kJ/kg'] HSA :給気エンタルピー [kJ/kg'] Qafter :冷水コイル投入熱量 [MJ/h]又は[MJ/月] Qpre :予冷コイル投入熱量 [MJ/h]又は[MJ/月] Qre :再生コイル投入熱量 [MJ/h]又は[MJ/月] RH :相対湿度 [%] T :温度 [℃] u :風速 [m/s] VRA :再生側(還気)風量 [m 3/h] VSA :処理側(給気)風量 [m 3/h] X :絶対湿度 [kg/kg'] ρa :空気密度(=1.2) [kg/m 3] 参考文献 1)第四次 エネルギー基本計画,資源エネルギー庁,2014 2)吉川准平 ほか:太陽熱と井戸水利用デシカント空調システムにおける室 内温熱環境と省エネルギーの検討,空気調和・衛生工学会論文集 No.155, pp.19~27,2010 3)高博也 ほか:ZEB を目指した都市型町構想オフィスビルの研究(第 3 報) デシカント空調機の運転状況,空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集, pp.101~104,2013 4)東賢一 ほか:建築物における衛生環境とその維持管理の事態に関する調 査解析,空気調和・衛生工学会論文集 No.179,pp.19~26,2012 5)田辺新一 ほか:オフィスにおける湿度が熱的快適性に与える影響 (そ の 1.オフィス環境試験室における被験者実験結果),空気調和・衛生工学 会学術講演会講演論文集,pp.433~436,1994 6)稲葉英男 ほか:湿り空気による粉末状有機系収着材流動層の水蒸気収着 特性,日本機械学会論文集(B 編) 67 巻 660 号,pp.237~244,2001 7)趙旺熙 ほか:デシカント空調システムにおける機能性吸着剤ローターの 性能評価に関する研究(その 1)実機による除湿性能検証実験,日本建築 学会大会学術講演梗概集,pp.313~314,2007 8)小林信裕 ほか:オフィスに導入した水式太陽熱暖房・除湿システムの実 証研究 その1 除湿運転の実測結果,日本建築学会大会学術講演梗概集, pp.1315~1316,2013 9)鈴木俊介 ほか:常温再生型デシカント空調システムの性能評価(第 1~3 報),空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集,pp.2961~2972,2012 10)山口福太郎 ほか:太陽熱利用と冷房効率向上を同時に実現する居住系施 設向け空調システムの研究開発 その 16 開発したデシカント空調機の夏 期実測による性能調査,日本建築学会大会学術講演梗概集,pp.1307~1308, 2013 11)川本光一 ほか:非結露型次世代空調システムに関する研究 第 4 報-CO2 ヒートポンプを組み込んだデシカント外調機システムの冷房期通期での評 価,空気調和・衛生工学会論文集 No.110,pp.1~8,2006 [2015 年 2 月 18 日原稿受理 2015 年 4 月 13 日採用決定]

図 7 及び図 8 に示す。2014 年の空気線図上の状態変化は 2013 年 7 月の井水未利用時と同様の傾向であった。井水未利用時は給気条件 を満足しているが、井水利用時は予冷コイルでの予除湿が不十分で あり、かつ再生コイル出口空気温度上限を 50℃に制限したために除 湿ローターでの除湿量も不十分となり、さらに冷水コイルでの給気 冷却熱量が不十分であったため、給気条件を満足しない。  3.4  デシカント空調機の挙動分析   図 5 及び図 6 で示したように 5 分平均値の推移は変動が大きいた め、本

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