デシカント除湿空調システムの数値解析手法代表的なデシカント空調システムの構成 2ロータデシカント除湿空調システムの数値解析手法 6 代表的なデシカント空調システムの構成 1ロータ + 間接気化冷却器デジカント空調システム究極の調湿システムを目指してよりデジカント空調システム究極の調湿シ

(1)

桃井

良尚

（大阪大学）

2012.11.29 日本機械学会環境工学部門NEE研究会第16回講演討論会

デシカント除湿空調システムの数値

解析手法

除湿の方式

1. 冷却式

湿り空気を露点温度以下の物体に接触させ（一般には冷却コイルを用いる），

除湿する。再熱が必要。露点温度が

0 ℃以下では使えない。外気温湿度が高い

ほど高効率。

2. 圧縮式

空気を等温加圧し凝縮水を除去した後に，減圧する。圧縮に要するエネル

ギーは冷却や加熱に要するものより大きい。

3. 吸収式

湿り空気を塩化リチウム，臭化リチウム，塩化カリウム，トリエチレングリコール

などの吸収液に接触させることにより除湿する。吸収液の再生が必要。金属腐

食性があり，あまり用いられない。

4. 吸着式

湿り空気をシリカゲル，ゼオライト，活性アルミナ，活性炭，高分子収着剤など

の固体吸着材に接触させることにより除湿するもの。吸着材の再生が必要。

デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 3

デシカント空調

従来方式：

冷却することによって水分を凝縮させ，水分を分離させる

デシカント方式：

吸湿材によって水分を除去し，分離する

代表的なデシカント空調システムの構成

• 1

ロータ

+

冷却装置

「デジカント空調システム「デジカント空調システム「デジカント空調システム 「デジカント空調システム―究極の調湿システムを目指して」より究極の調湿システムを目指して」より究極の調湿システムを目指して」より究極の調湿システムを目指して」より

(2)

代表的なデシカント空調システムの構成

• 2

ロータ

「デジカント空調システム「デジカント空調システム「デジカント空調システム 「デジカント空調システム―究極の調湿システムを目指して」より究極の調湿システムを目指して」より究極の調湿システムを目指して」より究極の調湿システムを目指して」よりデシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 6

代表的なデシカント空調システムの構成

「デジカント空調システム「デジカント空調システム「デジカント空調システム 「デジカント空調システム―究極の調湿システムを目指して」より究極の調湿システムを目指して」より究極の調湿システムを目指して」より究極の調湿システムを目指して」より

• 1

ロータ

+

間接気化冷却器

デシカント方式のメリット

・従来方式のように過度に冷却して

再加熱する必要がない

。

・ロータ中の室分を脱着させる際の温度は，

80 ℃程度であり，

高温を必要としない

。

→再生熱に排熱等を用い、消費エネルギーの少ないアフター

クーラーを工夫すれば

COP10

以上

も可能。

・湿度と温度を独立して制御することができる。

・

かび、ダニ、細菌の温床

とならない。

・

フロン

を使用しない。

■

用途と導入目的

・食品スーパー：冷凍，冷蔵ショーケースのコールドアイルの解消

・病院，食品工場：湿度管理によるバクテリア・カビなどの繁殖抑制

・映画館：大量の外気導入による潜熱負荷の処理

・温水プール：快適性の向上，結露防止

デシカント空調システムに関する参考書

■デジカント空調システム

―

究極の調湿システムを目指して

(

初歩と実用シリーズ

)

ヒートポンプ蓄熱センター低温排熱利用機器調査研ヒートポンプ蓄熱センター低温排熱利用機器調査研ヒートポンプ蓄熱センター低温排熱利用機器調査研ヒートポンプ蓄熱センター低温排熱利用機器調査研究会究会究会究会(著著著著) 出版社出版社出版社出版社: 日本工業出版日本工業出版日本工業出版日本工業出版(2006/12) 発売日：発売日：発売日：発売日：2006/12

■空気調和・衛生工学

2008

年

8 月号

月号

Vol.82 no.8

特集「調湿」

(3)

研究動向（国内）

児玉昭雄（熊本大学児玉昭雄（熊本大学児玉昭雄（熊本大学 児玉昭雄（熊本大学→金沢大学）金沢大学）金沢大学）金沢大学）広瀬勉先生。排熱利用デシカント空調システムの開発・高度化、低温度再生技術広瀬勉先生。排熱利用デシカント空調システムの開発・高度化、低温度再生技術広瀬勉先生。排熱利用デシカント空調システムの開発・高度化、低温度再生技術広瀬勉先生。排熱利用デシカント空調システムの開発・高度化、低温度再生技術稲葉英男（岡山大学）稲葉英男（岡山大学）稲葉英男（岡山大学）稲葉英男（岡山大学）低温度再生型高分子収着剤、リキッドデシカント、圧縮式冷凍機との複合空調、堀部先生低温度再生型高分子収着剤、リキッドデシカント、圧縮式冷凍機との複合空調、堀部先生低温度再生型高分子収着剤、リキッドデシカント、圧縮式冷凍機との複合空調、堀部先生低温度再生型高分子収着剤、リキッドデシカント、圧縮式冷凍機との複合空調、堀部先生濱本芳徳（東京農工大学濱本芳徳（東京農工大学濱本芳徳（東京農工大学 濱本芳徳（東京農工大学→九州大学）九州大学）九州大学）九州大学）柏木先生、秋澤先生とともにデシカントローターのモデル化による吸着挙動の解析、柏木先生、秋澤先生とともにデシカントローターのモデル化による吸着挙動の解析、柏木先生、秋澤先生とともにデシカントローターのモデル化による吸着挙動の解析、柏木先生、秋澤先生とともにデシカントローターのモデル化による吸着挙動の解析、除湿能力の評価除湿能力の評価除湿能力の評価除湿能力の評価齋藤潔・山口誠一（早稲田大学）齋藤潔・山口誠一（早稲田大学）齋藤潔・山口誠一（早稲田大学）齋藤潔・山口誠一（早稲田大学）多段階除湿ロータ、リキッドデシカント、ロータの高精度数理モデル多段階除湿ロータ、リキッドデシカント、ロータの高精度数理モデル多段階除湿ロータ、リキッドデシカント、ロータの高精度数理モデル多段階除湿ロータ、リキッドデシカント、ロータの高精度数理モデル長野克則（北海道大学）長野克則（北海道大学）長野克則（北海道大学）長野克則（北海道大学）稚内珪質頁岩を用いたデシカント空調の開発稚内珪質頁岩を用いたデシカント空調の開発稚内珪質頁岩を用いたデシカント空調の開発稚内珪質頁岩を用いたデシカント空調の開発加藤信介（東京大学）・小金井真（朝日工業社加藤信介（東京大学）・小金井真（朝日工業社加藤信介（東京大学）・小金井真（朝日工業社 加藤信介（東京大学）・小金井真（朝日工業社→山口大学）山口大学）山口大学）山口大学）住宅用バッチ式デシカント空調システムの開発住宅用バッチ式デシカント空調システムの開発住宅用バッチ式デシカント空調システムの開発住宅用バッチ式デシカント空調システムの開発神戸正純・高塚威（新日本空調）神戸正純・高塚威（新日本空調）神戸正純・高塚威（新日本空調）神戸正純・高塚威（新日本空調）岡野浩志（西部技研）岡野浩志（西部技研）岡野浩志（西部技研）岡野浩志（西部技研）

研究背景・目的

デシカント空調システムの性能を決定するパラメータ・デシカント材の吸放湿特性・寸法・風量・処理/再生部分割比・回転数・再生温度・空隙率・デシカント材の予冷の程度 etc. 実験で適切な組み合わせを見出すには極めて多くの時間と労力を要する。デシカントローターの回転を考慮した熱・水分移動の数値解析手法の開発 →デシカント空調機の最適設計研究フェーズ ①デシカントエレメント内の熱・水分移動現象を定式化し、数値計算のアルゴリズムを検討 ②その妥当性を確認するために、計算結果と既往の実験結果を比較 ③システム最適化の予備検討として、いくつかのパラメータが除湿性能に及ぼす影響について検討 ④計算モデルから簡易に装置出口温湿度を予測する手法を検討 ⑤全体システムシミュレーションに入力し、年間効果の予測及びシステムの最適化検討デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 11

デシカントエレメントのモデル化

x

∆

y

z

∆

デシカント流路

u

x

デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 12 x ∆ ∆y z ∆ デシカント流路

u

x

デシカントエレメント内の熱・水蒸気輸送方程式

s)

(kg/m

3

t

w

γ

x

X

'

λ

x

ε

x

X

ρ

u

ε

t

X

ερ

a a a a a a

_∂

∂

−













∂

+

∂

−

=

∂

流路を流れる空気の熱輸送方程式

(

)

(J/m

3

s)

_a _d a a a a a a a a

α

S

θ

x

θ

λ

x

ε

x

θ

C

ρ

u

ε

t

θ

ρ

C

ε



−











∂

+

∂

−

=

∂

(

1

)

_d _d d

(

1

)

_d d Lα'S

(

X_a X_b

)

αS

(

θ_a θ_d

)

　　　(J/m3s) x θ λ x ε t θ ρ C ε + − + −      ∂ ∂ ∂ ∂ − = ∂ ∂ −

デシカント材（固体中）の熱輸送方程式

(

X

_a

X

_b

)

(kg/m

3

s)

S

'

α

t

w

γ

=

−

∂

⋅

(

) (

)

(kg/kg

_d

)

　　d b a a

,

θ

f

X

,

θ

X

f

w

=

脱着式

物質移動係数

平衡含水率曲線

流路を流れる水蒸気の熱輸送方程式

(4)

数値計算のアルゴリズム

　 t w γ x X ' λ x ε x X ρ u ε t X ερ a a a a a a _∂ ∂ −       ∂ ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ − = ∂ ∂ ・流路を流れる空気の水蒸気輸送方程式

(

X_a X_b

)

　　 S ' α t w γ = − ∂ ∂ ⋅ ・吸脱着式

(

) (

)

　　　d b a a,θ f X ,θ X f w= = ・流路を流れる空気の熱輸送方程式

(

)

　　　　　　　　　　　 d a a a a a a a a a θ θ S α x θ λ x ε x θ C ρ u ε t θ ρ C ε − −       ∂ ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ − = ∂ ∂

( )

(

)

(

)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　 _a _d b a d d d d d θ θ S α X X S ' α L x θ λ x ε t θ ρ C ε − + − +       ∂ ∂ ∂ ∂ − = ∂ ∂ − 1 1 ・デシカント材（固体中）の熱輸送方程式・空間の離散化：コントロールボリューム法・完全陰解法 TDMA（３重対角行列解法） a X X_b θ_a　 θ_d　

w

(1) (2) (3) (4) (5) 線形補間法で(4)、(5)両式を満たす仮のを求める 1 + n b X 仮のを求める 1 + n a X 仮のを求める 1 + n a θ 仮のを求める 1 + n d θ ガウスザイデル法による収束計算でを確定 1 + n a X θ_an+1 θdn+1 1 + n b X 1 + n w 1 + n w n=n+1 時点を進める収束? No Yes

• 5つの未知数

平衡含水率測定の概要

• 実験装置

P

ポンプ温湿度計 ② ② ② ② 制御ユニット制御ユニット制御ユニット制御ユニット ① ① ① ① 恒温槽恒温槽恒温槽恒温槽 ③③③③ 定温空気定温空気定温空気定温空気供給装置供給装置供給装置供給装置マスフローコントローラー測定チャンバーデシカントローター入口側露点計電子天秤出口側露点計バブリングタンクシリカゲルタンク

分流式精密湿度発生装置を用いたチャンバー法

（

JIS A1475, AIJES-H001-2006

）

直径

150mm,

厚さ

100mm

シリカゲル系ローター

恒温槽内設定温度：

25 ℃

, 70

℃

相対湿度：

10 ％～

95 ％

• 実験条件

デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 15 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 相対湿度 φ (%) 質量含水率 w ( k g / k g d ) 0 20 40 60 80 100 吸湿量 W ( g ) 吸湿過程放湿過程 25℃ 70℃

(

)

a

f

w

=

ϕ

,

θ

0 0 .0 2 0 .0 4 0 .0 6 0 .0 8 0.1 0 .1 2 0 .1 4 0 .1 6 0 .1 8 0.2 0 0 .0 10.020 .0 30.040 .0 50 .060 .0 70 .080 .0 9 0.1 絶対湿度 Xa (kg/kg') 質量含水率 w ( k g / k g d ) 25℃ 40℃ 50℃ 55℃ 60℃ 65℃ 70℃ 10%RH 20%RH 30%RH 40%RH 50%RH 60%RH 70%RH 80%RH 90%RH 30℃ 45℃ 35℃

(

X

a a

)

f

w

=

,

θ

平衡含水率曲線（吸着等温線）

• 質量含水率の定義

質量含水率

w

＝

材料の質量

m

－

乾燥材料の質量

m

₀

乾燥材料の質量

m

₀

( kg / kg

_d

)

物質移動係数測定の概要

• 実験装置

25

0

C，

17.5g/kg’

25

0

C，

5g/kg’

風量: 100 m

3

/h

(5)

測定結果と物質移動係数の同定

0 0 . 0 4 0 . 0 8 0 . 1 2 0 . 1 6 0 . 2 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 時間 (分) 質量含水率 w ( k g / k g d ) 2 . 0 4 2 . 0 6 2 . 0 8 2 . 1 0 2 . 1 2 2 . 1 4 ローター質量 W ( k g ) 吸湿過程放湿過程吸湿量ΔW

α’S

を未知とし収束計算により同定

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 時間 (分) α 'S ( k g / m 3 s ( k g / k g ' ) ) 放湿過程吸湿過程 0 1 0 2 0

(

)

(kg/m

3

s)

b a

X

S

'

α

t

w

γ

=

−

∂

⋅

dt dw

dw

dt

ローター固定時の吸放湿実験と数値解析の比較

• 吸脱着熱

15 20 25 30 35 40 45 時間(分) 空気温度 θ a ( ℃ ) 0 10 20 0 10 20

吸湿過程

放湿過程

Δθ Δθ

θ

2

θ

1

θ

1

θ

2 25 0 C 17.5g/kg’ 風量: 100 m3 /h 25 0 C 5.0g/kg’ 風量: 100 m3 /h

W

t

Q

C

L

a a

Δ

d

∫

∆

=

ρ

θ

Ca：空気の比熱(J/kg℃), ρ_a：空気密度(kg/m3), Q：風量(m3/s)

吸着熱

2.75MJ/kg

脱着熱

2.95MJ/kg

水の蒸発潜熱

2.44MJ/kg

（

at 25

℃）

＞

ローター固定時の吸放湿実験と数値解析の比較

実験装置

25

0

C，

9g/kg’

70

0

C，

9g/kg’

風量: 104.4 m

3

/h

(

X

_a

X

_b

)

(kg/m

3

s)

S

'

α

t

w

γ

=

−

∂

⋅

物質移動係数

ローターの大きさローターの大きさローターの大きさローターの大きさ 150φ150φ150φ150φ××××100100100100ｔｔｔｔ処理空気の流入条件処理空気の流入条件処理空気の流入条件処理空気の流入条件温度温度温度温度: 25 : 25 : 25 : 25 0 00 0 C C C C 絶対湿度絶対湿度絶対湿度絶対湿度: 9.0 g/kg’: 9.0 g/kg’: 9.0 g/kg’: 9.0 g/kg’ 再生空気の流入条件再生空気の流入条件再生空気の流入条件再生空気の流入条件温度温度温度温度: 70 : 70 : 70 : 70 0 00 0 C C C C 絶対湿度絶対湿度絶対湿度絶対湿度: 9.0 g/kg’: 9.0 g/kg’: 9.0 g/kg’: 9.0 g/kg’ 風量風量風量風量 104.4m104.4m104.4m104.4m 3 33 3 /h /h /h /h ローターの回転数ローターの回転数ローターの回転数ローターの回転数 5, 10, 20, 30 RPH5, 10, 20, 30 RPH5, 10, 20, 30 RPH5, 10, 20, 30 RPH デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 20

物質移動係数を実験から求める方法

0 5 10 15 20 25 30 0 60 120 180 240 300 360 時間 ( s ) α 'S ( k g / s m 3 ( k g / k g ') ) 脱着平衡 12分周期 6分周期 3分周期 2分周期 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 回転数 (r ph ) 物質移動係数 α ' S ( k g / m 3 s ( k g / k g ' ) ) 吸着脱着

(6)

平衡到達率の導入

平衡到達率

（吸着時）

見かけの見かけの見かけの見かけのデシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法

平衡到達率と見かけの湿気伝達率の関係

見かけの見かけの見かけの見かけのデシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 23

ローター固定時の吸放湿実験と数値解析の比較

ハブスポークデシカントエレメントリムハブスポークデシカントエレメントリム

形状のモデル化

デシカントローターの数値解析方法

100mm

300mm

風量: 100 m

3

/h

（風速1.16m/s）

( )

1 C C

( )

i−1 C

( )

i C

( )

i+1 C

( )

20

x

∆

1 2 ・・・ i‐1 i i+1 ・・・

x

u

20

u

処理側再生側吸着部吸着部脱着部脱着部吸着部脱着部

処理空気: 30

0

C,

14.7g/kg’

再生空気温度: 70

0

C,

10.7g/kg’

5 ・

・

10 ・

・

15 ・

・

20 ・

・

25 ・

・

30 ・

・

35 ・

・

40 ・

・

50 ・

・

60 RPH

計算方法

(7)

計算条件

表 2.3.4 デシカントロータの数値計算に用いた値空隙率ε　＝0.71 デシカント材表面積S＝2925 (m 2 /m 3 ）デシカント材の充填密度γ＝289 (kg d /m 3 ) デシカントの密度ρd＝988 (kg/m 3 ）空気の密度ρa＝101.3 / { 0.28706 (θa+273) (1+1.6078Xa) } (kg/m 3 ) 水の蒸発潜熱L＝2.85 (MJ/kg) 熱伝達率α＝60 (J/s･m 2 ･K) 湿気伝導率λ'＝0.000032｛kg/s･ｍ･(kg/kg’)｝空気の比熱 a C ＝1006 (J/kg･K) デシカントの比熱 w C Cd=583+ w⋅ (J/kg･K) 空気の熱伝導率 a λ ＝0.022 (J/s･ｍ･K) デシカントの熱伝導率 d λ ＝1.0 (J/s･ｍ･K)

ローター固定時の吸放湿実験と数値解析の比較

ローター回転時の吸放湿実験と数値解析の比較

• ローター通過後の温湿度

30 40 50 60 70 30 40 50 60 70 実験値 ( ℃) 計算値 ( ℃ ) (R PH) SA 5 60 60 5 ( R PH) EA 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 実験値 ( k g /k g ') 計算値 ( k g / k g ' ) ( R PH ) 60 5 60 5 ( R PH ) SA E A デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 27

ローター回転時の吸放湿実験と数値解析の比較

MRC

＝

ρ

a

Q

（

X

i

－

X

o

）

（

kg/h

）

ρ_a：空気密度(kg/m3)、Q：風量(m3/h)、X i：流入絶対湿度(kg/kg’)、 X o：流出絶対湿度(kg/kg’)

• 吸着速度

0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 10 20 30 40 50 60 70 ロータ回転数 (R PH) M R C ( k g / h r ) 実験計算デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 28

各種パラメータが除湿性能に及ぼす影響

表 2.3.7

計算条件

* は基本条件

熱伝達率 α（J/s･m

2

･K）

10*, 20, 40, 80

湿気伝達率 α’（kg/s･m

2

･ (kg/kg’)）

0.0145,0.029*,0.058,0.116

分割比（処理側：再生側）(-)

3:1, 2:1, 1:1*, 1:2, 1:3

流速 u (m/s)

0.5, 1.0*, 2.0

回転速度 Rs (rph)

10, 20*, 30, 40

デシカントロータの厚さ d (m)

0.025, 0.05*, 0.1, 0.2

再生温度 Tdesorp (℃)

60, 70*, 80, 90

見かけの見かけの見かけの見かけの

(8)

デシカントローターの厚さ及び回転速度が除湿量に及ぼす影響

0 0 .0 2 0 .0 4 0 .0 6 0 .0 8 0 .1 0 .1 2 0 .1 4 0 .1 6 0 .1 8 0 .2 0 0 .0 5 0 .1 0 .1 5 0 .2 0 .2 5 デシカントローターの厚さ ( m) 除湿量 ( k g / h ) 1 0 2 0 4 0 回転速度（rph）

各種パラメータが除湿性能に及ぼす影響

再生温度及び流速が除湿量に及ぼす影響

0 0 .0 2

0 .0 4

0 .0 6

0 .0 8

0 .1

0 .1 2

0 .1 4

0 .1 6

0 .1 8

0 .2

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

再生温度 ( ℃)

除

湿

量

(

k

g

/

h

)

0 .5

1 1 .5

流速（m/s ）

各種パラメータが除湿性能に及ぼす影響

ローター最適回転数の検討

0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 ロータ回転数 (RPH) 吸着速度 M R C 　 ( k g / h ) R =0.6 実験結果最適回転数 R=0.4 R=0.3 R=0.2 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0 0 .5 1 1 . 5 2 2 .5 3 通過流速 u (m/ s) 最適回転数 ( R P H ) R =0.6 R =0.4 R =0.3 R =0.2 デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 32

デシカントローターの数値解析方法

100mm

300mm

処理空気温度: 30

0

C

処理空気RH：90％

再生空気温度: 70

0

C

再生空気RH：6.4％

風量: 100 m

3

/h

（風速1.16m/s）

• 計算方法

( )

1 C C

( )

i−1 C

( )

i C

( )

i+1 C

( )

20

x

∆

1 2 ・・・ i‐1 i i+1 ・・・

x

u

20

u

処理側再生側吸着部吸着部脱着部脱着部吸着部脱着部

30RPH

（2分毎に切り替え）

(9)

0 0 .0 2 0 .0 4 0 .0 6 0 .0 8 0 .1 0 .1 2 0 .1 4 0 .1 6 0 .1 8 0 .2 0 0 .1 0 .2 0 .3 0.4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 相対湿度含湿率 [ k g / k g d ]

デシカント材料の状態変化

平衡含湿率曲線

x = 1 x = 10

(

)

(

)

　　　　(kg/kg _d) 　　 d b a a,θ f X ,θ X f w= = ( )1 C C(i-1) C( )i C(i+1) C( )20 x Δ Δ Δ Δ 1 ・・・・・・・・・・・・ i‐‐‐‐1 i i+1 ・・・・・・・・・・・・ u 20 u Adsorption Process Desorption Process ( )1 C C(i-1) C( )i C(i+1) C( )20 x Δ Δ Δ Δ 1 ・・・・・・・・・・・・ i‐‐‐‐1 i i+1 ・・・・・・・・・・・・ u 20 u Adsorption Process Desorption Process x = 20 吸着部吸着部脱着部脱着部吸着部脱着部 6.4％ 90％

デシカント材料の状態変化

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 M o i s t u r e c o n t e n t [ k g / k g d ] Ti me [s ] 0 60 120 Depth x [mm] 0 10 5 A ds orpti on proces s Des orpti on proces s 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 M o i s t u r e c o n t e n t [ k g / k g d ] Ti me [s ] 0 60 120 Depth x [mm] 0 10 5 A ds orpti on proces s Des orpti on proces s ( )1 C C(i-1) C( )i C(i+1) C( )20 x Δ Δ Δ Δ 1 ・・・・・・・・・・・・ i‐‐‐‐1 i i+1 ・・・・・・・・・・・・ u 20 u Adsorption Process Desorption Process ( )1 C C(i-1) C( )i C(i+1) C( )20 x Δ Δ Δ Δ 1 ・・・・・・・・・・・・ i‐‐‐‐1 i i+1 ・・・・・・・・・・・・ u 20 u Adsorption Process Desorption Process デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 35

湿り空気の状態変化

OA SA RA EA 吸着部吸着部脱着部脱着部吸着部脱着部 OA SA RA EA デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 36

出口空気の温湿度の予測方法

Parameter εF1 , εF2 Parameter εF1 , εF2 Input T_{OA ,}X_OA Output T_SA_,X_SA Output T_EA, X_EA Input TRA , X_RA Desiccant Wheel Input T_{OA ,}X_OA Output T_SA_,X_SA Output T_EA, X_EA Input TRA , X_RA Desiccant Wheel

デシカントローターの性能として必要なのは

処理側出口（SA）の温湿度

SA

RA

EA

OA

(10)

除湿係数の定義

2% 4% 6% 8% 1 0 % 1 5 % 2 0 % 3 0 % 4 0 % 5 0 % 6 0 % 7 0 % 8 0 % 9 0 % 比エンタルピー (k J / k g D A ) 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 0 .000 0 .005 0 .010 0 .015 0 .020 0 .025 0 10 20 3 0 40 50 6 0 70 80 温度(℃) 絶対湿度 ( k g / k g ') A b s o lu te h u m id it y [ k g /k g ’] OA RA SA (Ideal) EA (Ideal) Ideal process Ideal process EA Actual process SA F F F F １１１１SSSSAAAA -F FF F １１１１O A O A O A O A F F F F １１１１RA RA RA RA -F F F F １１１１O A OA OA O A F FF F １１１１ OA OA OA OA ＝＝＝＝----0.450.450.450.45 F FF F１１１１ R A R A R A R A ＝＝＝＝----0.3 60.3 60.3 60.3 6 F F F F １１１１ SA SA SA SA Temperature [degC] Sp ec ific en tha lpy [k J/k g’] Relative humidity [%] 2% 4% 6% 8% 1 0 % 1 5 % 2 0 % 3 0 % 4 0 % 5 0 % 6 0 % 7 0 % 8 0 % 9 0 % 比エンタルピー (k J / k g D A ) 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 0 .000 0 .005 0 .010 0 .015 0 .020 0 .025 0 10 20 3 0 40 50 6 0 70 80 温度(℃) 絶対湿度 ( k g / k g ') A b s o lu te h u m id it y [ k g /k g ’] OA RA SA (Ideal) EA (Ideal) Ideal process Ideal process EA Actual process SA F F F F １１１１SSSSAAAA -F FF F １１１１O A O A O A O A F F F F １１１１RA RA RA RA -F F F F １１１１O A OA OA O A F FF F １１１１ OA OA OA OA ＝＝＝＝----0.450.450.450.45 F FF F１１１１ R A R A R A R A ＝＝＝＝----0.3 60.3 60.3 60.3 6 F F F F １１１１ SA SA SA SA Temperature [degC] Sp ec ific en tha lpy [k J/k g’] Relative humidity [%] OA RA OA SA F

F

1

−

=

ε

8624 . 0 490 . 1 4.344 2865 1 X T F =− +

エンタルピーに関する除湿係数

ε F1 は、は、は、は、0に近いほど理想状態に近いほど理想状態に近いほど理想状態に近いほど理想状態デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 38

除湿係数の定義

2% 4% 6% 8% 1 0 % 1 5 % 2 0 % 3 0 % 4 0 % 5 0 % 6 0 % 7 0 % 8 0 % 9 0 % 比エンタルピー (k J / k g D A ) 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 0 .000 0 .005 0 .010 0 .015 0 .020 0 .025 0 10 20 3 0 40 50 6 0 70 80 温度(℃) 絶対湿度 ( k g / k g ') A b s o lu te h u m id it y [ k g /k g ’] OA SA (Ideal) EA (Ideal) Ideal process Ideal process EA Actual process SA F 2 F 2 F 2 F 2 S A S A S A S A--- -F 2 F 2 F 2 F 2 O A O A O A O A F2 F2 F2 F2 OA OA OA OA ＝＝＝＝---0.025-0.0250.0250.025 F2 F2F2 F2 R A R A R A R A ＝＝＝＝0 .190 .190 .190 .19 F2 F2 F2 F2 S A S A S A S A F 2 F 2 F 2 F 2 R A R A R A R A--- -F 2 F 2 F 2 F 2 O A O A O A O A Temperature [degC] Sp ec ific en tha lpy [k J/k g’] Relative humidity [%] RA 2% 4% 6% 8% 1 0 % 1 5 % 2 0 % 3 0 % 4 0 % 5 0 % 6 0 % 7 0 % 8 0 % 9 0 % 比エンタルピー (k J / k g D A ) 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 0 .000 0 .005 0 .010 0 .015 0 .020 0 .025 0 10 20 3 0 40 50 6 0 70 80 温度(℃) 絶対湿度 ( k g / k g ') A b s o lu te h u m id it y [ k g /k g ’] OA SA (Ideal) EA (Ideal) Ideal process Ideal process EA Actual process SA F 2 F 2 F 2 F 2 S A S A S A S A--- -F 2 F 2 F 2 F 2 O A O A O A O A F2 F2 F2 F2 OA OA OA OA ＝＝＝＝---0.025-0.0250.0250.025 F2 F2F2 F2 R A R A R A R A ＝＝＝＝0 .190 .190 .190 .19 F2 F2 F2 F2 S A S A S A S A F 2 F 2 F 2 F 2 R A R A R A R A--- -F 2 F 2 F 2 F 2 O A O A O A O A Temperature [degC] Sp ec ific en tha lpy [k J/k g’] Relative humidity [%] RA OA RA OA SA F

F

2

−

=

ε

07969 . 0 490 . 1 127 . 1 6360 2 T X F = −

相対湿度に関する除湿係数

ε F2 は、は、は、は、1に近いほど理想状態に近いほど理想状態に近いほど理想状態に近いほど理想状態デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 39 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 Ro tatio n al spe e d [rph ] ε [ -] ε_F2 ε_F1 7 0 o C 8 0 o C 6 0 o C 6 0 o C 7 0 o C 8 0 o C

実験及び数値計算法から算出した除湿係数

2% 4% 6% 8% 1 0 % 1 5 % 2 0 % 30 % 40% 5 0% 60% 70 % 8 0 % 9 0 % 比エンタルピー (k J / kg D A ) 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 0 .000 0 .005 0 .010 0 .015 0 .020 0 .025 0 10 20 3 0 40 50 6 0 70 80 温度(℃) 絶対湿度 ( k g / k g ') OA F F F F１＝１＝１＝１＝ ---- 0.4 50.4 50.4 50.4 5 F F F F１＝１＝１＝１＝---- 0.360.360.360.36 F2 F2 F2 F2 ＝＝＝-＝--- 0 .0250 .0250 .0250 .025 F2 F2F2 F2＝＝＝＝ 0.190.190.190.19 SA EA RA (5 rph) (5 rph) (5 rph) (5 rph) (60 rp h) (60 rp h) (60 rp h) (60 rp h) (5rph) (5rph)(5rph) (5rph) (60 rph) (60 rph) (60 rph) (60 rph) A b s o lu te h u m id it y [ k g /k g ’] Temperature [degC] Sp ec ific en tha lpy [k J/k g’] Relative humidity [%] 2% 4% 6% 8% 1 0 % 1 5 % 2 0 % 30 % 40% 5 0% 60% 70 % 8 0 % 9 0 % 比エンタルピー (k J / kg D A ) 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 0 .000 0 .005 0 .010 0 .015 0 .020 0 .025 0 10 20 3 0 40 50 6 0 70 80 温度(℃) 絶対湿度 ( k g / k g ') OA F F F F１＝１＝１＝１＝ ---- 0.4 50.4 50.4 50.4 5 F F F F１＝１＝１＝１＝---- 0.360.360.360.36 F2 F2 F2 F2 ＝＝＝-＝--- 0 .0250 .0250 .0250 .025 F2 F2F2 F2＝＝＝＝ 0.190.190.190.19 SA EA RA (5 rph) (5 rph) (5 rph) (5 rph) (60 rp h) (60 rp h) (60 rp h) (60 rp h) (5rph) (5rph)(5rph) (5rph) (60 rph) (60 rph) (60 rph) (60 rph) A b s o lu te h u m id it y [ k g /k g ’] Temperature [degC] Sp ec ific en tha lpy [k J/k g’] Relative humidity [%] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 30 40 50 60 回転数 [ r ph ] ε [ -] εF2 εF 1 Rotational speed [rph] ε ε ε ε F 2 F 2F 2 F 2 ε ε ε ε F1 F1 F1 F1 60 o_C 70 o_C 80 o_C 60 o_C 70 o_C 80 o_C 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 30 40 50 60 回転数 [ r ph ] ε [ -] εF2 εF 1 Rotational speed [rph] ε ε ε ε F 2 F 2F 2 F 2 ε ε ε ε F1 F1 F1 F1 60 o_C 70 o_C 80 o_C 60 o_C 70 o_C 80 o_C 実験実験実験実験計算計算計算計算・低回転数：・低回転数：・低回転数：・低回転数：ε F1、、、、ε F2 ともに小さくなるともに小さくなるともに小さくなるともに小さくなる・高回転数：・高回転数：・高回転数：・高回転数：ε_F2は大きいが、は大きいが、εは大きいが、は大きいが、_F1も大きくなるも大きくなるも大きくなるも大きくなる・再生温度による差異は非常に小さい・再生温度による差異は非常に小さい・再生温度による差異は非常に小さい・再生温度による差異は非常に小さい・実験と計算で算出される除湿係数は一致した・実験と計算で算出される除湿係数は一致した・実験と計算で算出される除湿係数は一致した・実験と計算で算出される除湿係数は一致したデシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 40

全体システム概要

単板ｶﾞﾗｽ平板型、選択吸収膜集熱板面積：30㎡(2㎡×15枚) 延床面積:77.6㎡（床暖房45㎡）ｼﾘｶｹﾞﾙﾛｰﾀ式+間接気化冷却機構処理風量：600㎥/h 温度成層型、容量:2000ℓ （500ℓ×4本、直列）ﾋｰﾄﾎﾟﾝﾌﾟ式深夜電気温水器定格COP:3.8、加熱能力:24.6[kW]（平均）新構造の水集熱式 ⇒集熱効率向上電気温水器との連携 ⇒補助熱源コスト低減低温集熱による床暖房 ⇒集熱効率向上、熱ロス低減凍結防止水抜き対策 ⇒水冷媒式の設置適用性向上太陽熱利用デシカント ⇒夏期余剰熱利用

(11)

開発システムの年間シミュレーション概要

使用計算ソフト：動的熱負荷計算ソフトTRNSYS16 気象データ：拡張アメダス標準年（東京）助走計算期間：1ヶ月計算時間間隔：1時間 ⑤ ⑤ ⑤ ⑤ デシカント空調デシカント空調デシカント空調デシカント空調 ④ ④ ④ ④ 床暖房床暖房床暖房床暖房 ① ① ① ① 集熱器集熱器集熱器集熱器 ③ ③ ③ ③ エコキュートエコキュートエコキュートエコキュート ② ② ② ② 貯湯槽貯湯槽貯湯槽貯湯槽

年間シミュレーション結果

• 夏期運転挙動

-40 -20 0 20 40 60 80 100 7/17 7/18 7/19 熱量 [ M J /hr ] 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 温度 [ ℃ ] 集熱器還水温集熱器送水温集熱量集熱面日射量デシカント熱量 HP熱量 -40 -20 0 20 40 60 80 100 7/17 7/18 7/19 熱量 [ M J / h r ] 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 温度 [ ℃ ] デシカント熱量集熱面日射量 H P熱量集熱器還水温集熱器送水温集熱量深夜焚上げ深夜焚上げ深夜焚上げ深夜焚上げ日中追炊き日中追炊き日中追炊き日中追炊きデシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 43

年間シミュレーション結果

• 太陽熱依存率

53.2 89.5 100 100 81.0 82.9 51.5 43.4 42.9 65.2 39.6 75.9 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月12月熱量 [ G J ] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 太陽熱依存率 [ % ] 熱生産熱消費集熱量 HP熱量床暖熱量デシカント熱量タンク熱損失太陽熱依存率 79.5 66.3 78.7 46.7 35.6 61.5 39.0 42.1 51.5 97.0 71.1 82.3 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月11月 12月熱量 [ G J ] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 太陽熱依存率 [ % ] 熱生産熱消費集熱量 HP熱量床暖熱量デシカント熱量タンク熱損失太陽熱依存率＝集熱量(GJ/month)／全取得熱量(GJ/month)×100 (%) 深夜焚上げ深夜焚上げ深夜焚上げ深夜焚上げ日中追炊き日中追炊き日中追炊き日中追炊きデシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 44

PCM

・デシカントシステムの概要

■想定するシステム構成

■湿り空気線図上での状態変化

(12)

デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 45 収支 1｜空隙部の熱移動

ε ∂ρ

a

C

a

θ

a

∂

t

= −

ε

∂

(

u

ρ

_a

C

_a

θ

_a

)

∂

x

+

ε ∂

∂

x

λ

a

∂θ

a

∂

x













₋

_α

S

_d

(

θ

_a

−

θ

_b

)

−

α

S

_p

(

θ

_a

−

θ

_p

)

4｜PCM表面の熱移動

ε

_p

∂

ρ

d

C

p. pcm

θ

p

∂

t

=

α

S

p

(

θ

a

−

θ

p

)

(

a d

)

d

(

a b

)

d d d d d S L S X X t C ₌ ₋ ₊ _′ ₋ ∂ ∂ρ θ _α _θ _θ _α ε 3｜除湿材表面の熱移動 2｜空隙部の水分移動

ε ∂ρ

a

X

a

∂

t

= −

ε

∂

(

u

ρ

_a

X

_a

)

∂

x

+

ε ∂

∂

x

λ

a

′

∂

X

_a

∂

x













_{− ′}

_α

S

_d

(

X

_a

−

X

_b

)

γ

∂w ∂t = ′

α

S X

(

a−Xb

)

5｜吸着速度式 w= f X

( )

b,

θ

d 6｜平衡含水率の式（実験式）未知数が求まる

６つの式を

連成して解く

解析モデル

［除湿材：PCM］混合比が与える影響

解析条件

PCMの融解完了

出口と入口の

絶対湿度差

流出空気の温度変化

解析結果

流出空気の温度変化

出口と入口の絶対湿度差

デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法デシカント除湿空調システムの数値解析手法 48 出口と入口の絶対湿度差流出空気の温度変化