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吸着式デシカント空調プロセスの性能向上に関する 研究

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(1)

吸着式デシカント空調プロセスの性能向上に関する 研究

著者 安藤 幸助

著者別名 Ando, Kosuke

雑誌名 博士学位論文要旨 論文内容の要旨および論文審査

結果の要旨/金沢大学大学院自然科学研究科

巻 平成19年3月

ページ 137‑143

発行年 2007‑03‑01

URL http://hdl.handle.net/2297/14602

(2)

氏名 学位の種類 学位記番号 学位授与の日付 学位授与の要件 学位授与の題目 論文審査委員(主査)

論文審査委員(副査)

安藤幸助 博士(工学)

博甲第774号 平成18年3月22日

課程博士(学位規則第4条第1項)

吸着式デシカント空調プロセスの性能向上に関する研究 児玉昭雄(自然科学研究科・助教授)

山越憲一(自然科学研究科・教授),田中一郎(自然科学研究科・教授),

臼田松男(自然科学研究科・教授),汲田幹夫(自然科学研究科・助教授)

Summary

Desiccantcoolingprocessisoneofthemostimportanttechnologiestobedevelopedfmmviewpointsofthe globalenvironment、Inthisstudybaninfluenceofevapomtivecoolerattheinletofregenemtionairstreamofan adsorptivedesiccantcoolingprocessontheCooling/dehumidifyingperfbrmancewasinvestigatedtoimprovethe perfbImanceof2-rotordesiccantcoolingprocessconsistingofahoneycombrotordehumidifierandasensible heatexchangenAlso,adoublestageregenerationconceptwasappliedtothecoolingprocess・Especiallyぅ mfIuenceofthearearatioofthesetwozonesontheprocessperfbrmanceandenergyeff1ciencywasdiscussed・

ExperimentalresultsindicatedthatthearearatiooftheheatmgregenerationzOneshouIdbeoptimizedtoproduce asuffTcientdehumidifying/coolingperfblmancewithhigh-energyefficiency§consideringhumidityreqUestedin

s叩plyain

HoweveE2-Mordesiccantcoolingprocesscannotproduceasufficientdehumidifyingperfbrmanceinhigh humidityregion・Therefbre,4-rotordesiccantcoolingprocessequippedwithadoublestagedehumidificationwas proposedandinvestigate。、Inthisprocess,regenemtiontemperaturearound60oCcouldproduceasufficient dehumidifyingperfbnnanceevenathigllambienthumidity、Furthennore,reqUiredscalesizeofthesedesiccant coolingprocesseswasestmatedwithexperimentalresultconsideringthepracticaluseofthistypedesiccant cooling・Inthisresult,4-rotordesiccantcoolingprocessequippedwithsmaHerdesiccantrotorproducedarequired dehulnidifyingperfbrmancecomparingwiththeconventional2-rotorprocess.

1.緒言

地球温暖化問題の一因である二酸化炭素の排 出量削減は京都議定書の策定などにより世界各 国の共通認識となっている1,2)。この中で吸着式デ

シカント空調プロセスは二酸化炭素排出量削減

に直接作用できる排熱・自然エネルギー駆動型空 調装置として今後の普及が期待される技術であ る。この吸着式デシカント空調プロセスは100℃

以下の熱で冷房領域の冷熱を製造できるため、工 場排熱の再利用だけでなく、太陽熱などの自然エ ネルギーの利用を促進できる空調設備である。ま た、固体高分子形燃料電池やマイクロガスターピ ンなどの分散型発電施設との=ジェネレーショ ン化により、一層のエネルギー利用効率向上も期 待できる。

Fig.1に除湿機、顕熱交換器、再生用加熱器から 成る従来型デシカント空調プロセスの概略図を

示す。吸着式デシカント空調プロセスについては

除湿機内の吸脱着挙動解析や再生熱源の種別な ど様々な観点から研究が行われている3-1o)。しか しながら、吸着材の再生方法やデシカント空調プ ロセスに付加される周辺機器の影響などについ て具体的に言及されている報告は少ない。本研究 は従来型デシカント空調プロセスの性能改善を 目的とし、付加されることの多い還気側蒸発冷却 器の導入効果と効率的な除湿機再生方法(段階再 生手法)について検討を行った。

次いで、新プロセス構成として高湿度対応と低 温駆動の両立を目指し、除湿操作を2度行うこと で高湿度条件下でも高い除湿性能を維持できる2 段除湿型プロセスを提案し、様々な外気条件での プロセス性能を調べた。また、デシカント空調プ

ロセスの導入指針を得るために、事務室およびコ

ンビニエンスストアへの設置を想定し、実験条件

(3)

3.還気側加湿操作の導入効果

本節では還気側加湿器の導入効果を明確にす ることを目的とし、様々な外気温湿度および再生 温度においてプロセスの性能に及ぼす還気側加 湿操作の影響を述べる。

本研究では外気を再生空気とする外気再生プ ロセスと、部屋からの還気を1CO%利用する還気

再生プロセスの2つを対象とした。Fig.2に外気再

生プロセスにおけるプロセス内空気状態変化に 与える還気側加湿操作の影響を示す。また、除湿 量など評価指標に与える影響を外気・還気再生プ ロセスともにTHblelに示す。実験条件は再生温度

70℃、外気温湿度30℃、159/k9,還気温湿度27℃、

''、29/kgである。図中の実線が還気側加湿操作有

り、破線が還気側加湿操作無しの結果である。除 湿量について、再生プロセス関係なく加湿操作を 有するプロセスが低い値を示した。これは除湿機 再生用空気の相対湿度上昇により有効吸着量が 減少し、吸着材再生が阻害されたためである6一 方で、加湿冷却により熱交換対象の給気温度およ びエンタルピーが低減したため、加湿操作を有す る場合が冷却効果は高い値となった。なお、冷房 成績係数COPmは加湿操作有りの場合が大きい値 を得た。つまり、本実験条件では再生側熱交換器 出口の空気温度低下による熱投入量増加よりも、

冷房性能に与える顕熱除去効果が大きく、冷房性

能向上には顕熱交換器の性能改善が重要である ことがわかった。また、還気再生プロセスは温湿

度ともに外気再生プロセスよりも低いため、除

湿.冷房性能は加湿操作によらず増加した。

に基づいて装置サイズなどの推算も行った。

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Fig.1Schematicdiagramofthe2とmtoradsolptive dehumidifyingsystemconsistingofahoneycomb dehumidifierandsensibleheatexchangeⅢ (EvaporativecoO1ersareoption.)

2.記号および評価指標

2.1記号および添字

Qp:定圧比熱[kJ/kgK]

COP:冷房成績係数H CP:冷房出力[kW]

〃閻熱投入量[kW]

ル:エンタルピー[kJ/kg]

”:風量[㎡/s]

9:室内熱負荷[kJ/h]

SHF:顕熱比[-]

T:温度[℃]

〃:絶対温度[kg/kg]

〃:電力量[kW]

〃:空気密度[kg/㎡]

添字

C:冷却器

DC:デシカント空調プロセス

皿:排気

L:潜熱 OA:外気 1M:還気 8:顕熱 肌:給気 T:全熱

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2.2評価指標

評価指標と

評価指標として主に除湿量、冷却効果

CE(CoolingEHbct、外気と給気のエンタルピー差)

および装置基準の冷房成績係数COPmを用い、次

の式で定義した。 -10OIO2030405060708090IOO TcmpDmurB(℃)

Fig.2:Influenceoftheambienttemperatureontheair statesduringprocesShlgmthedesiccantcyclewith/

withoutawatersprayevaporatoratretumairinlet(Air velocity=2m/s,Regenerationtelnperature=70℃,

OA/RAtemperatureandhumidity=30℃,159/kg)

CE=Aod-hsA

(1)

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(4)

nblel:Influenceoftheambienttemperatureonthe perfbnnanceinthedesiccantcyclewith/withouta watersprayevaporatoratretumairinlet

気温度領域では吸着量が少なく、加熱再生ゾーン 面積が小さくてもプレ再生過程とともに脱着に 必要なエネルギーを供給することができるから である。しかしながら高外気湿度領域では大きな 加熱再生ゾーン面積比率が必要となる。よって、

求められる給気湿度によっては加熱再生ゾーン 面積を調整することでエネルギー投入量の削減 が可能であることがわかった。また、高温度外気 領域では除湿量変化が小さいが、これは吸着材の 吸着等温線形状および吸着速度に起因し、今後の デシカント空調プロセス用途吸着材開発の重要

な検討課題の一つである。

Regenerahon

process

Dehumidifying perfbmmancc CoolingeHbct

COPO71076lq62qSS

(Airflowrate=2m/s,Regenerationtemperature=

70℃,OAtempeIHtureandhumidity=159/k9,30℃,

RAtemperatureandhumidity=27℃)

4.高効率再生手法(段階再生手法)の導入効果

段階再生型吸着式デシカント空調機の設計指 針の構築を最終目標とし、様々な外気湿度、除湿 機再生温度における再生ゾーン分割率と除湿性 能の関係を調べるとともに段階再生手法の省エ ネルギー効果を検討した.

4.3省エネルギー効果

再生温度70℃を例にFig4に加熱再生ゾーン面 積比率と相対冷却効果CE/CE,(ゾーン1-6全てを

加熱再生した場合に得られる冷却効果に対する

各加熱再生ゾーン面積比率の冷却効果の比)およ

び投入熱量比kWノkW,(ゾーン1-6全てを加熱再生 した場合に得られる投入熱量に対する各加熱再 生面積比率の投入熱量の比)の関係を示す。加熱再 生ゾーン面積比率が小さくなるにつれて熱投入 量は直線状に減少しているのに対し、相対冷却効

果は当初緩やかに減少する。この結果、例えば加

熱再生ゾーン面積比率0.67(ヒーター1-4on)の場合、

投入熱量比は0.75に対し、相対冷却効果は0.9程 度を維持し、COP、値は20%の向上がみられ、エ ネルギー効率が向上した。

4.1段階再生手法

段階再生手法とは顕熱交換器を通過した還気;

を再生ヒーター手前で2つに分け、1つは加熱器 により昇温して本再生空気とし、もう一方は顕熱 交換器の熱回収により余熱された空気をプレ再 生空気として加熱器を通過させず除湿機の再生 前段部分に通気させることで再生効率の向上が 期待できる手法である。実験方法は除湿機の加熱 再生ゾーンを6分割し、それぞれに電気ヒーター を再生前面に取り付け、これを独立制御すること で任意の加熱再生ゾーン面積比率に設定できる ようにした。本研究で設定した加熱再生ゾーン面 積比率をTHble2に示す。

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0510152025

Ambienthumidity[g/kg]

Fig.3:hfluenceofairvelocityandheatingarea ratioonthes叩plyairhumidity(OA/RAair velocity=2m/s,regenerationtemperature=70℃).

4.2加熱再生面積比率の影響

Fig.3に除湿量に与える加熱再生ゾーン面積比

率の影響の一例を示す。実験条件は空気流速2m/s、

再生温度70℃である。外気湿度が低い場合、加熱 再生ゾーン面積比率の影響が小さい。これは低外

RegCncmtion

DroceSs Rcmnairregcneration Ambicntair rcReneration With/Without

cvaporator With evaporator

Without cvapomtor

With evaporator

WiUlout cvaporator DChumidifying

pcrfb

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5.89/k9 6.39/k9

4.99/k9

5.59/k9 CoolingcfIect

16.5kJ/k9 13.6kJノk9 12.1kJ/k9

10.1kJ/k9

COP 0.79 0.76 0.62 0.55

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(5)

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また、実質的な熱エネルギー利用効率の向上を目

的とした異温度再生方式(プロセス内熱カスケー ド利用型)も2つの加熱器に同温度の熱を供給す る同温度再生方式には若干劣るが、良好な除湿量

を得ることができた。異温度再生方式はFig.6(b)

に示す冷却効果は若干同温度再生方式より劣る ものの、Fig.6(C)に示すCOP、値が高いことから、

実質的なエネルギー利用効率の観点からは有効 な流路構成であるといえる。

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5.2ローター幅の影響

2段除湿型デシカント空調プロセスは装置が大 型化するデメリットを有する。そこで省スペース 化を図るために通常用いられることが多い除湿

ローター幅0.2mの半分である幅0.1mの除湿ローダ

0.4 0.4 0.330.500.670.831.00

A『ea旧tioofheatingzonetotheregeneraUonzoneH

Fi9.4:EnelgDノsavingbythe2-rotordesiccant processnnprovedwithdouble-stageregenerationat variouslevelofambienthumidity.(regeneration

temDerature=70℃〕

ParallelSerlal(2-1mode)Conventlonal Marklst2ndMarklst2ndMarklst2nd O5050◇506050-

□6060×608060-

△808080

5.2段除湿型デシカント空調プロセスの性能 高湿度対応と低温駆動の両立を目指し、2段除

湿型デシカント空調プロセスを提案した。Fig5

に2段除湿型プロセスの装置概略図を示す。この プロセスは1段目除湿機で外気を除湿し、外気あ るいは室内からの還気と熱交換を行い、再び2段 目除湿機で除湿操作を行うことにより、高湿度条 件下においても十分な除湿能力を得るものであ る。本研究では、様々な外気条件でのプロセス性

能(冷却効果CE、冷房成績係数COPm等)を調べる

とともに、考え得るいくつかの流路構成について 性能評価を行った。

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Heater

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DehumidifierHeatE

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30 HeatExchangerDehumidifierHeatExchanger

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Fig.5Schematicdiagramoftheexperimentset-up ofdesiccantcoolingprocesswithadoublestage

dehumidification

5.1プロセス性能

Fig.6(a)に除湿量に与える外気湿度の影響を示 す。比較のために従来型プロセスの結果もあわせ て示す。従来型プロセス単体では対応することが 困難な高温度条件下でも2段除湿型プロセスは高 い除湿性能を維持した。これは2度の除湿操作に 加え、除湿機間の顕熱交換器により吸着熱が除去 され、有効吸着量の低下が抑制されたためである。

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Hcatsupply

Parallel Seriall2-1mode) Conventional Mark lst 2,. Mark 1st 2,. Mark 1st 2,.

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(6)

1.4 6.2段除湿型プロセスの導入指針

2段除湿型デシカント空調プロセスの導入指針 を提供することを最終目標とし、事務室(全熱負荷 92W/㎡)あるいはコンビニエンスストア(212W/

㎡)への導入を想定し、必要となる除湿ローター直

径や換気量を推算した。なお、通常2m/s-4m/sの

面風速で操作されることの多いデシカント空調 機であるが、実験結果の制約もあり、ここでは面

風速2m/s一定として検討を進める。

■:(襲圭 6.1計算モデル

本研究ではデシカント空調プロセスで潜熱処 理のみを行うこととし、給気湿度を目的湿度に到 達するために必要な処理風量を水の蒸発潜熱を 2501kJ/kgとし、以下の式を用い推算した''-13)。

0.2

AnbienthLmlidity[g/kg]

Fig.6Influencesofambienthumidityand regenerationtemperatureon(a)dehumidifying

perfbnnanCe,(b)coolingeffectand(c)thevalueof COPm.(Thicknessofdesiccantrotor=0.2m)

_を用い実験を行い、Fig.7に除湿量に与える除湿「

ローター幅の影響についてまとめた。この結果、:

高湿度条件下では、0.2,幅除湿ローターを用いた 2段除湿型プロセスと比較しても性能低下は10%

程度に留まったことより装置の省スペース化は 可能であることがわかった。

腕翅= QL

p×2501×△w×3600

(3)

ここで△wは対象室(11.29/kg)と給気の絶対温度差

である。給気の絶対湿度は本研究で得られた実験 値を用いた。

顕熱負荷はCOP=1.0の冷却装置を用い処理す るものとし、デシカント空調プロセスによる顕熱 負荷を除去するために必要な冷却装置の冷房出 力は式(4)で計算した。

CP=AT×巾翅×CP×P (4)

ここで△Tは給気温度と室内空気温度(27℃)の差 である。給気温度は本研究で得られた実験値を用

いている。

次に冷房プロセス全体(デシカント空調プロセ ス+冷却装置)のエネルギー効率を得るために冷 房成績係数COPは、式(5)で計算する。

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COP= 97 (5)

HDC+凪

ここでqTは室内全熱負荷、HDCはデシカント空調 プロセスに必要な熱投入量、WCは冷却装置の電 力量を表す。なお、HDCは以下の式で求める○

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HDC=腕翅×△ノカ×p

(6)

Fig.71,fluenceofthicknessofdesiccantrotor

ondehumidifyingperfbrmance(Rotationspeedof

desiccantrotor=361ph) ここで△hはデシカント空調内の加熱器前後のエ

ンタルピー差を表す。

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1ststage 2,.stage

Rogenemtlon

tempeI面tu”、Cl ThIcknessof de81ccantmtonm] Regen

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(7)

(3)2段除湿型デシカント空調プロセスは従来型 プロセスでは十分な除湿性能が得られない高 温度条件下でも高い除湿性能を維持すること ができた。また、装置の省スペース化を図る ために、通常の半分であるローター幅0.1mの 除湿ローターを導入した結果、高温度条件下 でも性能低下は10%程度に留まった。

6.2導入効果

Fig.8(a)に100㎡(容積240㎡)の事務室を想定し

た空間にデシカント空調プロセスを導入した場 合に必要な除湿ローター直径と外気湿度の関係 を示す。従来型デシカント空調プロセスは高温度 になるに従い、ローター直径が急激に増加し、外

気湿度189kg以上では対応することは不可能と

なる。これに対し、2段除湿型プロセスは高温度 条件下でも高い除湿性能が得られるために、外気 湿度上昇に伴う処理風量の増加、すなわちロータ

ー直径の増大は抑制できる。また、冷却装置に求 められる冷房出力をFig.8(b)に示すが、処理風量

が少ないことから高温度条件下でも80℃の同温 度再生方式の場合、10kW以下で対応できる。こ

の結果、Fig.8(c)に示す冷房プロセス全体のCOP

値は高く、実用上のエネルギー効率が優れている ことがわかった。また、再生温度の影響について、

2段除湿型プロセスは60℃の同温度再生方式でも

高湿度条件では80℃の従来型プロセスよりも除

湿性能は高いことから、外気湿度によっては2段 除湿型プロセスを導入することで省エネルギー 効果も期待できる。

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7.結言

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本論文ではまず従来型デシカント空調プロセ

ス(除湿機1台十顕熱交換器1台)の性能向上を目的:

として研究を行い、さらに高湿度・低温駆動の両 立を可能とする2段除湿型デシカント空調プロセ スについて検討を行い、以下の知見を得た。

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(1)還気側加湿操作の影響について、還気側加湿

を行うことで除湿機再生用空気の湿度上昇に より吸着材再生が阻害され除湿量は低下した。

しかし、加湿冷却により熱交換対象の給気温 度は低下し、冷却効果は増加した。よって、

潜熱除去と顕熱除去のいずれかを重視するか

によって加湿量あるいは加湿器の導入自体を

検討する必要がある。

(2)段階再生手法の導入効果について、外気湿度

と求められる給気湿度によっては加熱再生ゾ ーン面積比率を小さくしても対応可能である ことがわかった。また、加熱再生面積比率が 小さくなるに従い、投入熱量比は直線的に減 少するが、相対冷却効果は当初緩やかに減少 する。このため、加熱再生面積比率を減少さ せることにより冷却効果は若干低下するもの の、省エネルギー効果は期待できる。

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(8)

Fig.7:Influenceofambienthumidityandregeneration

temperatureon(a)diameterofdesiccantroton(b)

requiredcoolingpowerand(c)thevalueofCOP

derivedattheuseinanofficeroom(100㎡)

(nlicknessofdesiccantrotor=0.2m)

気候変化,科学的根拠政策決定者向けの要約,

(2001)

3)YJ・Dai,R・ZWang,HRZhang:Int.』・Thenn.Sci.,

40,400-408(2001)

4)濱本芳徳:冷凍,78(909),48(2003)

5)S・Tbchajunta,S・Chirarattananon,R、H・BExell:

RenewableEnelgyb17,549-568(1999)

6)RMavroudaki,C/B/Beggs,EASleigh,Sm Halliday:AppliedmennalEngineering,22,

1129-1140(2002)

7)PLDharbS・KSingh:Appliedmermal Engineering,21,119-134(2001)

8)』.M・Ceijudo,R・Moreno,A・Cari]lo:Energyand buildmg,34,837-844(2002)

9)J・LNiu,LZZhang:IntemationalJournalofHeat andMassTransfbM5,571-578(2002)

IC)小森潤,高杉直正,窪田光宏,渡辺藤雄,小

林敬幸,架谷昌信:2004年度日本伝熱シンポジウ ム講演論文集H151(2004)

11)大蔵将史,児玉昭雄,広瀬勉:日本冷凍空調 学会論文集,22(3),269-278(2005)

12)文部省!「空気調和設備」,14-30,コロナ社,

東京(1988)

13)空気調和・衛生工学会編:「空気調和設備計画 設計の実務の知識改訂第2版」,75-81,オーム 社,東京(2002)

(4)2段除湿型プロセスの導入指針を得るために 実験結果に基づく装置サイズの推算を行った 結果、2段除湿型プロセスは除湿性能が高いこ とから高温度条件下でも快適な空間を提供で き、顕熱処理装置を含めた空調プロセス全体 のCOP値も高い。

以上の結果より、従来型デシカント空調プロセ スは条件に応じて還気側加湿操作を調節するこ とや、段階再生手法を用いることで効率化を図る ことが可能である。また、本研究で提案した2段 除湿型プロセスは従来型プロセス単体では対応 が困難な高温度条件下でも安定した除湿・冷房性 能を維持することができた。2段除湿型プロセス の実空間への導入を検討した結果、従来型プロセ スと比較すると外気湿度上昇に伴う処理風量の 増加すなわちローター直径の増大が抑制できる ことにより実用化に耐えうるプロセスであるこ とが示された。

(参考文献)

l)京都メカニズムプラットホーム http://WWW・kyomecha・olg/indexhml

2)IPCC第三次評価報告書~第一作業部会報告書,

学位論文審査結果の要旨

当該学位論文に関し、平成18年2月1曰に第1回学位論文審査委員会を開催し、平成18年2月7曰に 口頭発表ならびに第2回審査委員会を開催して慎重に審議した結果、以下のように判定した。

本論文は熱駆動型除湿・空調装置の一つである吸着式デシカント空調プロセスの性能向上施策を除湿機本 体およびシステム構成の点から研究したものである。まず、ハニカム回転型除湿機と顕熱交換器から構成さ れる2ローター型デシカント空調機について、還気側蒸発冷却器の導入効果を様々な再生用空気条件下で調 べ、吸着材ローターの除湿能力および熱交換器における顕熱除去能力との関係を明確にしている。さらに、

除湿機再生ゾーンを2分割して2段階で吸着材再生を行う段階再生手法を小型実験機に適用し、その省エネ ルギー効果の定量化を行っている。システム構成については、除湿操作を2回繰り返すことで、高温度空気 に対しても十分な除湿性能を発揮することができる2段除湿型デシカント空調プロセスを提案し、特に低温 度再生における性能向上を実証した。また、空調熱負荷の異なるいくつかの空間への設置を想定し、必要と なる除湿ローター径や空調システム全体のエネルギー効率を推算し、本プロセスの導入指針を与えている。

以上、本論文は従来型デシカント空調プロセスの効率化に加えて、低温度熱駆動と高温度対応を両立する 2段除湿型プロセスを提案し、その導入指針を示した有益な論文と評価できる。したがって、その内容は博

士(工学)論文に値するものと判定する。

参照

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