JP6825875B2 - 空気調和システム - Google Patents

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Description

本発明は、空気調和システムに関する。
従来、室内空間の温度や湿度を適正に保つ方法として種々の設備が提案されており、例えば、図4に示す空気調和システムが知られている(特許文献1を参照)。
図4に示す空気調和システム100は、全熱交換器101、顕熱交換器102及び調湿装置103を備えている。また、この空気調和システム100は、全熱交換器101、顕熱交換器102、調湿装置103、顕熱交換器102、室内空間S、全熱交換器102の順に室外空気を流送する流路104を備えている。全熱交換器101では、室外から導かれた室外空気と室内空間Sから導かれた室内空気との間で顕熱及び潜熱の交換が行われ、顕熱交換器102では、全熱交換器101を通過した室外空気と調湿装置103を通過して湿度が調整された空気との間で顕熱の交換が行われる。また、調湿装置103では、顕熱交換器102から導かれた室外空気に対して、除湿又は加湿が行われる。空気の除湿を行う場合には、調湿装置103が備える冷媒コイル105内に低温冷媒を流すことによって、この冷媒コイル105の外表面を通過する空気を過冷却し、空気中に含まれる湿気を凝縮させることにより除湿が行われる。また、空気の加湿を行うには、調湿装置103が備える加湿器106の作用により空気中に水蒸気を付与することにより加湿が行われる。
空気調和システム100は、上記構成により、例えば、夏季における除湿運転時では、顕熱交換器102が、全熱交換器101を通過した室外空気と、調湿装置103を通過した低温低湿の空気との間で顕熱交換を行うため、室内空間Sに供給される空気を湿気の少ない状態に維持したまま再熱して適度な温度とすることができる。一方で、冬季における加湿運転時では、顕熱交換器102が、全熱交換器101を通過した室外空気と、調湿装置103を通過した高温多湿の空気との間で顕熱交換を行うため、室内空間Sに供給される空気を湿気の多い状態に維持したまま冷却して適度な温度とすることができる。
特開2008−164252号公報
例えば夏季において、上記構成の空気調和システム100を稼働させると、調温、調湿された室外空気の導入により室内空間Sが換気されるとともに適した温度・湿度に調整されるが、上記構成の空気調和システム100は、空調の立ち上がりが遅いため、空調が長時間停止して室温がかなり高くなった状態の室内空間Sでは、室内空間Sを適した温度に調整するのに時間を要するという課題がある。
本発明は、上記した課題に着目してなされたものであり、室内空間を適した温度及び湿度に素早く調整することができる空気調和システムを提供することを目的とする。
本発明の上記目的は、室内空間の空調を行う空気調和システムであって、顕熱の交換を行う顕熱交換器と、空気の湿度及び温度を調整する調湿装置と、室外の空気を前記顕熱交換器を介して室内空間に導く外気流路と、室内空間の空気を前記調湿装置に導く環気流路と、前記調湿装置を通過した空気を前記顕熱交換器を介して室内空間に導く給気流路と、を備える空気調和システムにより達成される。
本発明に係る空気調和システムは、前記外気流路の前記顕熱交換器よりも上流側に配置され、顕熱及び潜熱の交換を行う全熱交換器と、室内空間の空気を前記全熱交換器を介して室外に導く排気流路と、をさらに備えることが好ましい。
また、本発明に係る空気調和システムは、室内空間の天井、壁及び床のいずれかに設置された放射パネルをさらに備えることが好ましい。
また、本発明に係る空気調和システムは、複数の室内空間ごとに前記顕熱交換器、前記環気流路及び前記給気流路を備え、前記外気流路は、複数の第1支流路に分岐しており、室外の空気をそれぞれの前記第1支流路により各前記顕熱交換器を介して各室内空間に導くことが好ましい。
また、本発明に係る空気調和システムは、各前記環気流路又は各前記給気流路に、風量調整ダンパーが設けられていることが好ましい。
また、本発明に係る空気調和システムは、前記排気流路は、複数の第2支流路が合流しており、それぞれの前記第2支流路により各室内空間の空気が前記全熱交換器に導かれることが好ましい。
本発明の空気調和システムによると、室内空間を適した温度及び湿度に素早く調整することができる
本発明の一実施形態に係る空気調和システムの概略構成図である。 本発明の他の実施形態に係る空気調和システムの概略構成図である。 本発明の他の実施形態に係る空気調和システムの概略構成図である。 従来例の空気調和システムの概略構成図である。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る空気調和システム1の概略構成を示している。
本実施形態に係る空気調和システム1は、各種建物内における室内空間Sの調湿や調温を行うシステムであって、顕熱及び潜熱を交換可能な全熱交換器2と、顕熱のみを交換可能な顕熱交換器3と、空気の湿度及び温度を調整する調湿装置4とを備えている。
また、空気調和システム1は、室内空間Sを調湿、調温するとともに室内空間Sを換気するサイクルを構築するために、外気流路5と、環気流路6と、給気流路7と、排気流路8とをさらに備えている。なお、図1中において、OAは室外から室内空間Sに引き込まれる空気を指し、RAは室内空間Sから調湿装置4に引き込まれる空気を指し、SAは調湿装置4から室内空間Sに送り込まれる空気を指し、EAは室内空間Sから室外へ送り出される空気を指す。また、図1中において、符号9及び10は室内空間Sに設けられた温度センサ及び湿度センサであり、符号11A〜11Cはそれぞれ外気流路5、排気流路8及び給気流路7に接続されたファン(送風機)である。なお、ファン11Cは環気流路6に接続されていてもよい。
外気流路5は、室外空気を全熱交換器2及び顕熱交換器3を介して室内空間Sに導入するラインであり、全熱交換器2に室外空気を導いた後、顕熱交換器3に全熱交換後の室外空気を導き、顕熱交換後の室外空気を室内空間Sに導く。環気流路6は、室内空間Sの空気を調湿装置4に供給するラインである。給気流路7は、調湿装置4で温度や湿度が調整された空気(調和空気)を顕熱交換器3を介して室内空間Sに供給するラインである。排気流路8は、室内空間Sの空気を全熱交換器2を介して室外に排出するラインである。本実施形態の空気調和システム1では、外気流路5の室内空間Sにおける吐出口が環気流路6の室内空間Sにおける吸入口の近傍に配置されている。なお、「近傍」とは、互いの間隔が150mm〜300mm程度を指す。なお、必ずしも外気流路5の室内空間Sにおける吐出口と環気流路6の室内空間Sにおける吸入口とは近傍に配置されていなくてもよい。
全熱交換器2は、外気流路5により導かれた室外空気と、排気流路8により導かれた室内空間Sの空気との間で、顕熱及び潜熱の熱交換を行う装置である。
顕熱交換器3は、全熱交換器2を通過し外気流路5により導かれた室外空気と、調湿装置4を通過し給気流路7により導かれた調和空気との間で顕熱の熱交換を行う装置である。
調湿装置4は、室内空間Sの空気の温度や湿度を調整する装置であり、冷媒コイル40及び加湿器41を備えている。冷媒コイル40は、表面を通過する空気と内部を流れる冷媒との間で熱交換を行って空気を加熱又は冷却する装置である。加湿器41は、水道水などの水を気化させて空気中の湿度を高める装置であり、例えば気化式加湿器を用いることができる。この加湿器41は、必要に応じて作動されるものであり、例えば、夏季などにおいて空気の加湿が不要な場合には、加湿器41を作動させることなく、冷媒コイル40を通過した空気は加湿器41を通過して顕熱交換器3に導かれる。
次に、本実施形態の空気調和システム1における夏季の除湿運転及び冬季の加湿運転について説明する。
最初に、夏季における除湿運転について説明する。まず、室外空気は、外気流路5により全熱交換器2に導かれる。この室外空気は、排気流路8を介して全熱交換器2に導かれる室内空間Sの空気との間で全熱交換を行う。夏季の室外空気は高温多湿であり、室内空間Sの空気は室外空気よりも温度及び湿度が低いため、室外空気は、全熱交換器2における熱交換により温度及び湿度が低下した状態となる。
次に、温度及び湿度が低下した室外空気は、外気流路5により顕熱交換器3に導かれ、調湿装置4を通過した調和空気との間で顕熱交換を行う。調湿装置4を通過した調和空気は、後述のように低温かつ低湿度であるため、全熱交換器2から導かれた室外空気は、顕熱交換器3における熱交換により冷却され、絶対湿度を維持したまま温度のみが更に低下した状態となって、室内空間Sに導かれる。
次に、室内空間Sの空気は、環気流路6により調湿装置4に導かれる。調湿装置4において、除湿運転を行う場合には、冷媒コイル40に低温冷媒(冷水も含む)を供給して、冷媒コイル40を冷却コイルとして機能させる。これにより、室内空間Sから送り込まれた空気が冷媒コイル40の表面にて過冷却される結果、空気中に含まれる水分(湿気)が凝縮して凝縮水となるため、冷媒コイル40を通過した空気は、低温かつ絶対湿度が低い空気となる。除去された水分(湿気)は、図示しないドレンから外部に排出される。なお、除湿運転時においては、加湿器41を作動させずに、冷媒コイル40を通過した空気がそのまま顕熱交換器3に供給される。
調湿装置4で調整された低温低湿の空気は、給気流路7により顕熱交換器3に導かれ、上述した顕熱交換機3における熱交換により加熱され、低湿度を維持したまま温度のみが適度に上昇した状態となって、室内空間Sに供給される。これにより、室内空間Sの空気の湿度を下げることができるとともに温度を下げることができる。
室内空間Sの空気は、室内空間Sに居住する人間が発する熱や水蒸気、配置されるパソコン、オーディオ設備などが発する熱の影響を長時間受けると、温度及び湿度がともに上昇する。室内空間Sの空気は、排気流路8により室外に排出されるが、排出前に全熱交換器2に導かれて外気流路5により導かれた室外の空気との間で全熱交換を行うことにより、温度及び湿度が高められた状態で室外に排出される。
上述した除湿運転時においては、調湿装置4の冷媒コイル40に供給する低温冷媒の温度・流量などを制御することにより、調湿装置4を通過し顕熱交換器3に導かれる空気の温度や湿度を変化させることができる。そのため、室内空間Sに供給される空気の温度や湿度の制御を容易に行うことができ、室内空間Sを適当な温度や湿度に設定することができる。また、室外の空気が外気流路5により室内空間Sに取り入れられるとともに室内空間Sの空気が排気流路8により室外に排出されるので、室内空間Sの換気を行うことができる。
次に、冬季における加湿運転について説明する。まず、室外の空気は、外気流路5により全熱交換器2に導かれる。この室外の空気は、排気流路8を介して全熱交換器2に導かれる室内空間Sの空気との間で全熱交換を行う。冬季の室外の空気は低温低湿であり、排気流路8により導かれる室内空間Sは室外の空気よりも温度及び湿度が高いため、外気流路5により導かれた室外の空気は、温度及び湿度が高められた状態となる。
次に、温度及び湿度が高められた室外の空気は、外気流路5により顕熱交換器3に導かれ、調湿装置4を通過した調和空気との間で顕熱交換を行う。調湿装置4を通過した調和空気は、後述のように高温かつ高湿度であるため、全熱交換器2から導かれた室外の空気は、顕熱交換器3における熱交換により加熱され、絶対湿度を維持したまま温度のみが更に高められた状態で室内空間Sに導かれる。
次に、室内空間Sの空気は、環気流路6により調湿装置4に導かれる。調湿装置4において、加湿運転を行う場合には、冷媒コイル40に高温冷媒(温水も含む)を供給して、冷媒コイル40を加熱コイルとして機能させるとともに、加湿器41により空気中に水蒸気を付加する。これにより、室内空間Sから送り込まれた空気が冷媒コイル40の表面にて加熱された後、加湿器41により水蒸気の供給を受ける結果、高温かつ絶対湿度が高い空気となる。
調湿装置4で調整された高温多湿の空気は、給気流路7により顕熱交換器3に導かれ、上述した顕熱交換機3における熱交換により冷却され、高湿度を維持したまま温度のみが適度に低下した状態で室内空間Sに供給される。これにより、室内空間Sの空気の湿度を上げることができるとともに温度を上げることができる。
室内空間Sの空気は、室内空間Sに居住する人間が発する熱や水蒸気、配置されるパソコン、オーディオ設備などが発する熱の影響を長時間受けると、温度及び湿度がともに上昇する。室内空間Sの空気は、排気流路8により室外に排出されるが、排出前に全熱交換器2に導かれて外気流路5により導かれた室外の空気との間で全熱交換を行うことにより、温度及び湿度が低下した状態で室外に排出される。
上述した加湿運転時においても、調湿装置4の冷媒コイル40に供給する高温冷媒の温度・流量などを制御することにより、調湿装置4を通過し顕熱交換器3に導かれる空気の温度や湿度を変化させることができる。そのため、室内空間Sに供給される空気の温度や湿度の制御を容易に行うことができ、室内空間Sを適当な温度や湿度に設定することができる。また、室外の空気が外気流路5により室内空間Sに取り入れられるとともに室内空間Sの空気が排気流路8により室外に排出されるので、室内空間Sの換気を行うことができる。
また、上述した本実施形態の空気調和システム1によれば、室外の空気は外気流路5により全熱交換器2及び顕熱交換器3を通過した後、一旦、室内空間Sに導かれ、室内空間Sの空気が環気流路6により調湿装置4に導かれて、調温・調湿後の調和空気が給気流路7により室内空間Sに供給されるように構成されている。そのため、例えば夏季において、空調が長時間停止していて温度がかなり高くなった状態の室内空間Sについても、素早く冷却することができる。この点について以下に説明する。
従来から知られている図4に示すような空気調和システム100では、例えば夏季においては、調湿装置103で低温低湿の空気が生成されるので、室内空間Sに供給される空気は湿度が低い状態であるが、温度は顕熱交換器102での熱交換により高い状態(例えば25℃〜28℃程度)となっている。また、従来の図4に示す空気調和システム100では、換気と調温、調湿とが必ず連動しており、調温、調湿された外気が室内空間Sに供給されることで、室内空間Sの温度が調整されている。そのため、空調の立ち上がりが遅く、室内空間Sを冷却するのに時間を要する。このような事態を回避し、室内空間Sの温度を快適な状態に素早く冷却するためには、調湿装置103で生成される空気の温度をさらに低下させる必要があるが、冷媒コイル105の作動負荷が増大してエネルギー効率が悪いものになる。
これに対して、本実施形態の空気調和システム1では、換気と調温、調湿とが独立していることから、室内空間Sの調温、調湿のみを行うことができる。つまり、本実施形態の空気調和システム1では、ファン11A,11Bを停止させ、ファン11Cのみを作動させることで、外気流路5による全熱交換器2及び顕熱交換器3への室外の空気の取り込み及び排気流路8による室外への室内空間Sの空気の排出を止めて、環気流路6による室内空間Sの空気の調湿装置4への供給及び給気流路7による調和空気の室内空間Sへの供給のみを行うことができる。これにより、室内空間Sの高温の空気を直接、調湿装置4で調整して、低温低湿とした空気をそのまま室内空間Sに供給することができる。その結果、空調の立ち上がりが早くなるため、室内空間Sの温度がかなり高くなった状態であっても、調湿装置4(冷媒コイル40)の作動負荷を増大させることなく、素早く室内空間Sを冷却することができる。この結果、高い省エネルギー効果を得ることができ、システム全体のランニングコストを低減させることができる。
その後、室内空間Sの温度がある程度(所定の温度まで)低下すると、ファン11A,11Bを稼働させ、全熱交換器2及び顕熱交換器3への室外の空気の取り込みを開始することで、室内空間Sを快適な温度・湿度状態に維持できるとともに、室内空間Sの換気を行うことができる。
同様に、冬季における温度がかなり低くなった状態の室内空間Sについても、ファン11A〜11Cを制御することにより、素早く室内空間Sを加熱することができる。
また、本実施形態の空気調和システム1では、従来の図4に示す空気調和システム100と比較して、換気と調温、調湿とが独立していることから、ファン11A,11Bを作動させ、ファン11C及び調湿装置4を停止させることで、室内空間Sの換気のみを行うこともできる。
このように、本実施形態の空気調和システム1では、換気と調温、調湿とを同時に行うこともできるうえ、別々に実施することもできる。
さらに、本実施形態の空気調和システム1では、外気流路5の室内空間Sにおける吐出口と環気流路6の室内空間Sにおける吸入口とは近傍に配置されていることから、例えば夏季において外気流路5で湿度の高い外気を室内空間Sに取り込んでも、環気流路6で湿度の高い外気を速やかに取り込んで調湿装置4にて調温、調湿することができる。
なお、上述した加湿装置4の冷媒コイル40に供給する冷媒の温度・流量などの制御、加湿器41の作動制御、さらにはファン11A〜11Cの作動制御などは、図示しない制御装置により行われる。制御装置は、室内空間Sの温度や湿度を温度センサ9及び湿度センサ10により監視し、室内空間Sに設けられたコントローラ(図示せず)からの指示により各機器を制御することで、室内空間Sを所望の環境とすることができる。
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態においては、空調対象の室内空間Sが1つであるが、図2に示すように、複数(図示例では3つ)の室内空間S1,S2,S3を空調対象とすることもできる。
図2の実施形態の空気調和システム1では、複数の室内空間S1,S2,S3毎に顕熱交換器3、環気流路6及び給気流路7を備えている。また、外気流路5は、分配器12Aを介して複数の第1支流路50に分岐しており、室外空気をそれぞれの第1支流路50により各顕熱交換器3を介して各室内空間S1,S2,S3に導く。また、排気流路8は、分配器12Bを介して複数の第2支流路80が合流しており、それぞれの第2支流路80により各室内空間S1,S2,S3の空気が取り出され、合流後に全熱交換器2に導かれ、室外に排出される。各第1支流路50及び各第2支流路80には、それぞれ電動ダンパー15,16などが設けられている。各電動ダンパー15,16の開閉制御は、図示しない制御装置により行われる。
各給気流路7には、調湿装置4により調湿、調温された調和空気の送風量を制御する風量調整ダンパー12がそれぞれ設けられている。風量調整ダンパー12は例えばバタフライ弁方式であり、モータなどのアクチュエータ(図示せず)で開度が制御される。なお、各風量調整ダンパー12の開度の制御は、図示しない制御装置により行われる。
図2の実施形態の空気調和システムによれば、上記実施形態と同様に、各室内空間S1,S2,S3に対して調湿、調温及び換気を行うことができるとともに、室内空間S1,S2,S3の温度がかなり高い又は低い状態の場合には、室内空間S1,S2,S3の調温、調湿のみを行うことで、素早く室内空間S1,S2,S3を冷却又は加熱することができる。そのうえ、各室内空間S1,S2,S3の湿度を空間毎に個別に所望の湿度に調整することができるとともに、各室内空間S1,S2,S3を空間毎に個別に換気することができる。
具体的には、各室内空間S1,S2,S3の湿度は、調湿装置4の冷媒コイル40の温度を制御することにより調整されるが、各給気流路7に設けられた風量調整ダンパー12の開度を制御し、各室内空間S1,S2,S3に供給する調和空気の風量を調整することによっても、各室内空間S1,S2,S3の湿度を調整することができる。よって、制御装置が、各室内空間S1,S2,S3に設けられたコントローラ(図示せず)からの指示により、各室内空間S1,S2,S3の湿度及び/又は温度に基づいて各機器を制御することで、各室内空間S1,S2,S3の湿度を所望の湿度とすることができる。
一方で、換気を行いたい室内空間(例えばS1,S3)に接続されている各支流路50,80の電動ダンパー15,16を開き、その他の室内空間(例えばS2)に接続されている各支流路50,80の電動ダンパー15,16を閉じることで、ファン11A,11Bの稼働により室内空間S1,S3について換気を行うことができる。このとき、室内空間S1,S3に接続されている給気流路7の風量調整ダンパー12の開度を制御することで、室内空間S1,S3を調湿、調温してもよいし、調湿、調温しなくてもよい。また、換気を行わない室内空間S2については、給気流路7の風量調整ダンパー12を開くことで、素早く調湿、調温することができる。
また、上述した図1及び図2のいずれの実施形態の空気調和システム1においても、図3に示すように、放射パネル14を併用して室内空間Sの空調を行うように構成してもよい(なお、図3は図1に放射パネル14を設けている)。放射パネル14は、室内空間Sの天井、壁及び床のいずれかに設置することができるが、図3では天井に設置されている。放射パネル14は、冷媒としての冷水又は温水が流通する流通管とパネル本体とを備えており、流通管に冷水又は温水を流してパネル本体の温度を上昇又は下降させることで、パネル本体からの熱放射により冷暖房を行うものである。放射パネル14としては従来から公知のものを用いることができる。
放射パネル14を空気調和システム1と併用することにより、1(又は複数)の室内空間S(又はS1〜S3)について、調湿を空気調和システム1で行うとともに調温を放射パネル14により行うことができる。そのため、室内空間S(又はS1〜S3)を所望の温度及び湿度に省エネルギーで個別設定することができるうえ、室内空間S(又はS1〜S3)に居住する人間が発する熱や配置されるパソコン、オーディオ設備などが発する熱を放射パネル14が効率よく直接吸収するので、室内空間S(又はS1〜S3)毎に快適な環境を簡易に作り出すことができる。
また、上述したいずれの実施形態の空気調和システム1においても、全熱交換器2を備えており、外気流路5により導かれた室外空気と、排気流路8により導かれた室内空間S,S1〜S3の空気との間で顕熱及び潜熱の交換が行われることで、室内空間S,S1〜S3から室外に排出される空気の持つ熱エネルギーを有効的に利用して、室外空気が有する温度や湿度を所望の状態に調整して顕熱交換器3に導き、これにより、顕熱交換器3の作動負荷を低減させている。ただし、この全熱交換器2を省いた構成を採用することも可能である。
1 空気調和システム
2 全熱交換器
3 顕熱交換器
4 調湿装置
5 外気流路
6 環気流路
7 給気流路
8 排気流路
12 風量調整ダンパー
14 放射パネル
50 第1支流路
80 第2支流路
S,S1〜S3 室内空間

Claims (5)

  1. 室内空間の空調を行う空気調和システムであって、
    顕熱及び潜熱の交換を行う全熱交換器と、
    顕熱の交換を行う顕熱交換器と、
    室外の空気を前記全熱交換器及び前記顕熱交換器の順に導いた後に室内空間に導く外気流路と、
    空気の湿度及び温度を調整する調湿装置と、
    室内空間の空気を前記調湿装置に直接導く環気流路と、
    前記調湿装置を通過後の調和空気を前記顕熱交換器に導いた後に室内空間に導く給気流路と、
    室内空間の空気を前記全熱交換器に導いた後に室外に導く排気流路と、を備える空気調和システム。
  2. 室内空間の天井、壁及び床のいずれかに設置された放射パネルをさらに備える請求項に記載の空気調和システム。
  3. 請求項1又は2に記載の空気調和システムであって、
    複数の室内空間ごとに前記顕熱交換器、前記環気流路及び前記給気流路を備え、
    前記外気流路は、複数の第1支流路に分岐しており、室外の空気をそれぞれの前記第1支流路により各前記顕熱交換器を介して各室内空間に導く空気調和システム。
  4. 各前記環気流路又は各前記給気流路に、風量調整ダンパーが設けられている請求項に記載の空気調和システム。
  5. 前記排気流路は、複数の第2支流路が合流しており、それぞれの前記第2支流路により各室内空間の空気が前記全熱交換器に導かれる請求項3又は4に記載の空気調和システム。
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