JP2002243216A

JP2002243216A - ダイナミック型氷蓄熱システム及びその運転方法と予測方法

Info

Publication number: JP2002243216A
Application number: JP2001041633A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Okamura; 明彦岡村; Yoshiyuki Ozawa; 由行小澤; Masayuki Yano; 正幸谷野
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2001-02-19
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2021-02-19
Also published as: JP5000042B2

Abstract

(57)【要約】【課題】製氷コストをなるべく少なく抑えつつ，先鋭
的で大きな熱負荷が発生しても，０℃近くの低温の冷水
を連続して得ることが可能なダイナミック型氷蓄熱シス
テム及びその運転方法を提供する。【解決手段】氷１２を蓄える蓄熱槽１０と，蓄熱槽１
０から取水した水１１を冷却し，氷・水スラリーにして
蓄熱槽１０に供給する製氷サイクル２０と，蓄熱槽１０
から取水した水１１を熱交換し，昇温した水１１を蓄熱
槽に戻す解氷サイクル５０とを備えたダイナミック型氷
蓄熱システム１において，予め設定された冷却負荷の時
間的変化に基づいて，蓄熱槽１０から取水される水１１
の温度を冷却負荷の運転終了まで演算し，この演算され
る水１１の温度が冷却負荷の運転終了まで所定の上限温
度に達しない範囲で，製氷サイクル２０の運転を停止可
能な最大時間Ｘを求め，この最大時間Ｘの間，製氷サイ
クル２０の運転を停止させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，ダイナミック型氷
蓄熱槽システム及びその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】氷の融解潜熱を利用して冷熱をより小さ
い蓄熱槽に蓄える氷蓄熱システムが普及している。製氷
方式の氷蓄熱システムには，蓄熱槽内の伝熱管の廻りに
ブロック状の氷を製造し，製氷過程，蓄氷過程，解氷過
程を同一の蓄熱槽内で行うスタティック型氷蓄熱システ
ムと，蓄熱槽外の製氷機で製造した氷・水スラリーを蓄
熱槽に供給するダイナミック型氷蓄熱システムがあり，
スタティック型氷蓄熱システムは，ビル空調システムの
熱源機器や，工場での製造プロセスの冷却などで採用さ
れている。一方，ダイナミック型氷蓄熱システムは，近
年では，ビル空調システムの熱源機器などに採用されて
いる。

【０００３】一般に，製造プロセスの冷却では，ビル空
調システムと比べて，低温の冷水を連続（例えば２４時
間運転など）して供給する必要がある。特に食品や医薬
品，半導体その他の電子部品等の製造プロセスなどにあ
っては，先鋭的で大きな冷却負荷（ピーク的な冷却負
荷）が発生した場合においても，常に０℃近くの低温の
冷水を供給することが要求される。このように低温の冷
水を昼夜通して連続して供給する場合，蓄熱槽内の水を
昇温させる解氷工程と蓄熱槽内の水を冷却する製氷工程
とが同時に行われることになる。

【０００４】ここで，スタティック型氷蓄熱システムに
おいて，このように解氷工程と製氷工程とが同時になさ
れた場合，スタティック型氷蓄熱システムでは，氷の成
長と融解が限定された伝熱管の廻りで行われるので，蓄
熱槽内での熱源水（水）を冷却する能力は，伝熱管の表
面積あるいは氷の表面積に限定されてしまう。このため
スタティック型氷蓄熱システムでは，先鋭的で大きな熱
負荷に対しては，０℃近くの低温の冷水を連続して得る
ことが難しくなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一方，ダイナミック型
氷蓄熱システムでは，蓄熱槽外で製造した氷・水スラリ
ーを供給した蓄熱槽内にシャーベット状の氷を蓄えるの
で，製氷工程と解氷工程が分離されている。空調用途の
一般的なダイナミック型氷蓄熱システムでは，製氷工程
と解氷工程が同時には行われないのが通常であるが，仮
にダイナミック型氷蓄熱システムにおいてそれらの工程
が同時になされた場合，蓄熱槽内の氷融解に係わりな
く，氷・水スラリーを蓄熱槽に供給でき，より先鋭的で
大きな熱負荷に対しても，０℃近くの低温の冷水を連続
して得ることが可能になる。ところが，ダイナミック型
氷蓄熱システムにおいて，このように製氷工程と解氷工
程を同時に行った場合，電力などのエネルギー費が高い
日中に製氷工程を行うことが回避し難くなる。

【０００６】従って本発明の目的は，製氷コストをなる
べく少なく抑えつつ，先鋭的で大きな熱負荷が発生して
も，０℃近くの低温の冷水を連続して得ることが可能な
ダイナミック型氷蓄熱システム及びその運転方法を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に，本発明によれば，冷却負荷を冷却するダイナミック
型氷蓄熱システムであって，氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱
槽から取水した水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱
槽に供給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を
熱交換し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルと，
蓄熱槽から製氷サイクルへの取水を制御する制御装置を
備え，制御装置は，予め設定された冷却負荷の時間的変
化に基づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を冷却負
荷の運転終了まで演算し，該演算される取水の温度が冷
却負荷の運転終了まで所定の上限温度に達しないよう
に，製氷サイクルの運転を制御することを特徴とする，
ダイナミック型氷蓄熱システムが提供される。

【０００８】また本発明によれば，氷を蓄える蓄熱槽
と，蓄熱槽から取水した水を冷却し，氷・水スラリーに
して蓄熱槽に供給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水
した水を熱交換し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイ
クルとを備えたダイナミック型氷蓄熱システムの運転方
法であって，予め設定された冷却負荷の時間的変化に基
づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を冷却負荷の運
転終了まで演算し，該演算される水の温度が冷却負荷の
運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サ
イクルの運転を停止可能な最大時間Ｘを求める工程と，
この最大時間Ｘの間，製氷サイクルの運転を停止させる
工程を有することを特徴とする，ダイナミック型氷蓄熱
システムの運転方法が提供される。

【０００９】この運転方法にあっては，最大時間Ｘが所
定の下限停止時間（たとえば，冷凍機の再起動防止タイ
マーの時間）を超えていない場合は，製氷サイクルの運
転を停止させないものであっても良い。また，蓄熱槽か
ら取水した水を製氷サイクルにおいて氷・水スラリーに
して蓄熱槽に供給する工程と，蓄熱槽から取水した水を
解氷サイクルにおいて熱交換して昇温した水を蓄熱槽に
戻す解氷工程を，時期的に重複して行うことも可能であ
る。

【００１０】本発明によれば，変化する冷却負荷の要求
に対し冷熱の供給が下回ることはなく，製氷サイクルの
運転時間を短縮しつつ，冷却負荷の運転終了まで，水の
温度を所定の上限温度に達しない範囲に制御でき，冷却
負荷に対して所定の温度以下に冷却した熱媒を運転終了
まで供給することが可能となる。また本発明によれば，
氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水した水を冷却し，
氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する製氷サイクル
と，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇温した水を蓄
熱槽に戻す解氷サイクルとを備えたダイナミック型氷蓄
熱システムを運転するにあたり，予め設定された冷却負
荷の時間的変化に基づいて，蓄熱槽から取水される水の
温度を冷却負荷の運転終了まで演算し，該演算される水
の温度が冷却負荷の運転終了まで所定の上限温度に達し
ない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可能な最大時間
Ｘを求めることを特徴とする，ダイナミック型氷蓄熱シ
ステムにおける最大時間Ｘの予測方法が提供される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下，本発明の好ましい実施の形
態を図面を参照にして説明する。図１に示されるよう
に，本発明の実施の形態にかかるダイナミック型氷蓄熱
システム１（以下，「氷蓄熱システム１」）において，
蓄熱槽１０の内部に水１１が充填されている。また，こ
の蓄熱槽１０の内部の水１１に，次に説明する製氷サイ
クル２０によって生成されたシャーベット状の氷１２が
蓄えられている。蓄熱槽１０の底部には温度センサー１
３が装着されており，蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１
が，この温度センサー１３によって検知されている。

【００１２】製氷サイクル２０は，蓄熱槽１０の下部
（底部または氷の存在しない範囲の下方）から取水する
製氷取水管２１と，この製氷取水管２１に設けられたポ
ンプ２２の稼働によって蓄熱槽１０から取水した水１１
を予熱する予熱器２３と，この予熱器２３による予熱後
において，水１１を氷点下温度まで冷却させる製氷のた
めの過冷却器２４を備えている。製氷取水管２１には，
流量センサー２５と温度センサー２６が装着されてお
り，製氷取水管２１によって送液される水１１の流量Ｆ
１が流量センサー２５によって検知され，予熱器２３を
経て過冷却器２４に送液される水１１の温度Ｔ２が，温
度センサー２６によって検知されている。

【００１３】予熱器２３には，冷却負荷の一例としての
製造プロセス３０との間で熱媒水を循環させる熱媒循環
回路３１が導入されている。予熱器２３においては，こ
うして熱媒循環回路３１を経て製造プロセス３０に循環
供給される熱媒水と，製氷取水管２１を送液される水１
１とが熱交換を行い，熱媒水は冷却され，水１１は加熱
される。これにより，製造プロセス３０には予熱器２３
にて冷却された熱媒水が循環供給され，過冷却器２４に
は予熱器２３にて加熱された水１１が供給される。

【００１４】過冷却器２４には，冷凍機４０で冷却され
たブライン（不凍液）が，ポンプ４１の稼働によって，
ブライン往管４２及びブライン還管４３を経て循環供給
されている。冷凍機４０は，ブラインを氷点下温度まで
冷却するための冷凍機凝縮器や冷却塔などを備える。

【００１５】過冷却器２４では，製氷取水管２１を経て
供給された水１１を，ブラインの冷熱により−２〜−３
℃の過冷却状態に冷却させる。こうして過冷却状態に冷
却させられた水１１が過冷却器２４から吐出され，過冷
却解除パイプ４５において水の状態から氷の状態に相変
化し，氷・水スラリーとなって蓄熱槽１０内に供給され
るようになっている。これにより，蓄熱槽１０の内部に
は，水１１にシャーベット状の氷１２が蓄えられた状態
となる。

【００１６】冷凍機４０から過冷却器２４にブラインを
送液するブライン往管４２には，流量センサー４６と温
度センサー４７が装着されており，ブライン往管４２に
送液されるブラインの流量Ｆ２が流量センサー４６によ
って検知され，過冷却器２４に送液されるブラインの温
度Ｔ３が，温度センサー４７によって検知されている。
ブライン還管４３には，温度センサー４８が装着されて
おり，ブライン還管４３を経て冷凍機４０に戻されるブ
ラインの温度Ｔ４が，温度センサー４８によって検知さ
れている。

【００１７】解氷サイクル５０は，蓄熱槽１０の下方か
ら冷水を取水する解氷取水管５１と，この解氷取水管５
１に設けられ，蓄熱槽１０から水１１を取水して冷熱を
負荷に供するためのポンプ５２と，製造プロセス３０の
熱媒水を水１１と熱交換させる冷却器５３を備えてい
る。なお，取水を直接製造プロセス３０に供給するシス
テムであっても良い。その場合，水１１と例えば飲料を
直接熱交換する熱交換器が冷却器５３に該当する。解氷
取水管５１には，流量センサー５５と温度センサー５６
が装着されており，解氷取水管５１によって送液される
水１１の流量Ｆ３が流量センサー５５によって検知さ
れ，水１１の温度Ｔ５が，温度センサー５６によって検
知されている。

【００１８】冷却器５３には，製造プロセス３０との間
で熱媒水を循環させる熱媒循環回路３２が導入されてい
る。冷却器５３においては，こうして熱媒循環回路３２
を経て製造プロセス３０に循環供給される熱媒水と，解
氷取水管５１を送液される水１１とが熱交換を行い，熱
媒水は冷却され，水１１は加熱される。これにより，製
造プロセス３０には冷却器５３にて冷却された熱媒水が
循環供給され，冷却器５３にて加熱された水１１は，解
氷取水管５１から蓄熱槽１０の上方に再び戻される。昇
温した水１１は槽内の氷１２を解氷する。

【００１９】製造プロセス３０は，往ヘッダ３５と還ヘ
ッダ３６を備えている。前述のように予熱器２３から熱
媒循環回路３１を経て供給された熱媒水と冷却器５３か
ら熱媒循環回路３２を経て供給された熱媒水は，往ヘッ
ダ３５で合流された後，供給管３７によって製造プロセ
ス３０の所望の場所に適宜供給されている。一方，製造
プロセス３０の各箇所から戻り管３８を経て戻された熱
媒水は，還ヘッダ３６で合流された後，先に説明した熱
媒循環回路３１及び熱媒循環回路３２を経て予熱器２３
と冷却器５３に分配されて戻される。

【００２０】製造プロセス３０は，例えば飲料や薬品原
料などの冷却が必要なものであり，製造プロセス３０に
は，常に０℃近くの低温の冷水を供給することが要求さ
れている。製造プロセス３０において要求される冷却負
荷の時間的変化は予め設定されており，この氷蓄熱シス
テム１に備えられた制御装置６０に入力されている。ま
た，先に説明した温度センサー１３によって検知された
水１１の温度Ｔ１，温度センサー２６によって検知され
た水１１の温度Ｔ２，温度センサー４７によって検知さ
れたブラインの温度Ｔ３，温度センサー４８によって検
知されたブラインの温度Ｔ４，温度センサー５６によっ
て検知された水１１の温度Ｔ５と，流量センサー２５に
よって検知された水１１の流量Ｆ１，流量センサー４６
によって検知されたブラインの流量Ｆ２，流量センサー
５５によって検知された水１１の流量Ｆ３が，制御装置
６０にそれぞれ入力されている。後に説明するように，
制御装置６０は，こうして入力された冷却負荷の時間的
変化と，各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，流量Ｆ
１，Ｆ２，Ｆ３に基づいて演算を行い，製氷サイクル２
０において製氷取水管２１に設けられたポンプ２２，冷
凍機４０及びポンプ４１の稼働を制御するようになって
いる。なお，取水される水の温度は予熱器側，冷却器側
で同じ温度であり，温度センサーは符号２６，４７のい
ずれか一方のものであってもかまわない。

【００２１】さて，以上のように構成された氷蓄熱シス
テム１において，製氷サイクル２０にあっては，ポンプ
２２の稼働により，蓄熱槽１０の下部から取水された水
１１が製氷取水管２１を経て，予熱器２３，過冷却器２
４の順に送液される。そして，予熱器２３では，熱媒循
環回路３１を送液される熱媒水と熱交換を行うことによ
り，水１１は氷点を超える温度（例えば約０．５℃程
度）まで加熱され，過冷却器２４まで送液される（な
お，取水温度が例えば約０．５℃以上の場合は，加熱さ
れない）。過冷却器２４では，こうして供給される水１
１を，冷凍機４０からブライン往管４２及びブライン還
管４３を経て循環供給されるブラインの冷熱により，−
２〜−３℃の過冷却状態に安定して冷却させる。こうし
て過冷却状態に冷却させられた水１１が過冷却器２４か
ら吐出され，過冷却解除パイプ４５において水の状態か
ら氷の状態に相変化し，氷・水スラリーとなって蓄熱槽
１０内に供給する。こうして，蓄熱槽１０の内部には，
水１１にシャーベット状の氷１２が充填された状態とな
る。また，予熱器２３において水１１と熱交換をしたこ
とにより冷却された熱媒水は熱媒循環回路３１を経て製
造プロセス３０に循環供給される。

【００２２】一方，解氷サイクル５０にあっては，ポン
プ５２の稼働により，蓄熱槽１０の底部から取水された
水１１が，解氷取水管５１を経て冷却器５３に送液され
る。そして，冷却器５３では，熱媒循環回路３２を送液
される熱媒水と熱交換を行うことにより水１１は加熱さ
れ，こうして昇温した状態となって水１１は，解氷取水
管５１から蓄熱槽１０の上方に再び戻される。また，冷
却器５３において水１１と熱交換をしたことにより冷却
された熱媒水は熱媒循環回路３２を経て製造プロセス３
０に循環供給される。

【００２３】こうして，製造プロセス３０には，予熱器
２３及び冷却器５３にて冷却された熱媒水が供給される
こととなり，製造プロセス３０に対して，常に０℃近く
の低温の冷水を供給することが可能となる。

【００２４】ここで，以上のように構成された氷蓄熱シ
ステム１にあっては，製造プロセス３０において要求さ
れる冷却負荷の時間的変化は予め設定されており，この
冷却負荷の時間的変化は制御装置６０に入力されてい
る。図２に示すように，先ず氷蓄熱システム１が起動さ
れると（Ｓ１），制御装置６０には，温度センサー１３
によって検知された水１１の温度Ｔ１，温度センサー２
６によって検知された水１１の温度Ｔ２，温度センサー
４７によって検知されたブラインの温度Ｔ３，温度セン
サー４８によって検知されたブラインの温度Ｔ４，温度
センサー５６によって検知された水１１の温度Ｔ５と，
流量センサー２５によって検知された水１１の流量Ｆ
１，流量センサー４６によって検知されたブラインの流
量Ｆ２，流量センサー５５によって検知された水１１の
流量Ｆ３が，それぞれ入力される（Ｓ２）。

【００２５】次に制御装置６０は，こうして入力された
各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，流量Ｆ１，Ｆ
２，Ｆ３に基づいて演算を行い，先ず，蓄熱槽１０に残
っている残蓄熱量（冷熱量）を求める（Ｓ３）。ここ
で，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）の時間
的変化は，蓄熱槽１０への冷熱の単位時間あたりの供給
量と，蓄熱槽１０からの冷熱の単位時間あたりの取り出
し量（「製造プロセス３０の熱媒水に供給される単位時
間あたりの冷熱量」に等しい）との差として表すことが
できる。そして，このように表される時間的変化を経時
的に積算（積分）することにより，蓄熱槽１０に残って
いる残蓄熱量（冷熱量）を求める。

【００２６】なお，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量
（冷熱量）を求めるにあたり，蓄熱槽１０への冷熱の単
位時間あたりの供給量は，冷凍機４０からブライン往管
４２を経て過冷却器２４に供給されるブラインの温度Ｔ
３と，過冷却器２４からブライン還管４３を経て冷凍機
４０に戻されるブラインの温度Ｔ４との温度差Ｔ３−Ｔ
４及びブライン往管４２及びブライン還管４３を送液さ
れるブラインの流量Ｆ２に基づいて，ブラインの比熱及
び比重を考慮して求めることができる。蓄熱槽１０から
の冷熱の単位時間あたりの取り出し量は，予熱器２３に
よって水１１から取り出される単位時間あたりの冷熱量
と，冷却器５３によって水１１から取り出される単位時
間あたりの冷熱量の和である。予熱器２３によって水１
１から取り出される単位時間あたりの冷熱量は，蓄熱槽
１０内の水１１の温度Ｔ１と過冷却器２４に送液される
水１１の温度Ｔ２との差Ｔ１−Ｔ２及び製氷取水管２１
を送液される水１１の流量Ｆ１に基づいて，水１１の比
熱及び比重を考慮して求めることができる。冷却器５３
によって水１１から取り出される単位時間あたりの冷熱
量は，蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１と冷却器５３か
ら蓄熱槽１０に戻される水１１の温度Ｔ５との差Ｔ１−
Ｔ５及び解氷取水管５１を送液される水１１の流量Ｆ３
に基づいて，水１１の比熱及び比重を考慮して求めるこ
とができる。

【００２７】こうして蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量
（冷熱量）を求めた後，次に制御装置６０は，前述のよ
うに予め設定された製造プロセス３０において要求され
る冷却負荷の時間的変化に基づいて，蓄熱槽１０から取
水される水の温度Ｔ１（蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ
１に等しい）を，冷却負荷である製造プロセス３０の運
転終了まで演算する。こうして，演算された水１１の温
度Ｔ１が冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了ま
で所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクル２０
の運転を停止可能な最大時間Ｘを求める（Ｓ４）。

【００２８】ここで，最大時間Ｘは次のようにして求め
られる。即ち，図３に示すように，先ず，最初に最大時
間Ｘ＝０と仮定する（Ｓ１０）。なお，最大時間Ｘ＝０
とは，製氷サイクル２０の運転を停止せずに，製造プロ
セス３０の運転終了まで製氷サイクル２０を連続運転さ
せる状態を意味する。こうして先ず最大時間Ｘ＝０と仮
定と仮定して，蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１
を，製造プロセス３０の運転終了まで演算する（Ｓ１
１）。

【００２９】ここで，蓄熱槽１０から取水される水の温
度Ｔ１の時間的変化ｄＴ１／ｄｔは，次式（１）によっ
て表すことができる。Ｃ・ρ・η・Ｖ’（ｄＴ１／ｄｔ）＝Ｑ１−Ｑ２ …（１）

【００３０】この式（１）において，Ｑ１は，予め制御
装置６０に設定されている冷却負荷の時間的変化であ
る。Ｑ２は，蓄熱槽１０内に浮遊している氷１２の融解
熱量である。Ｃは，水の比熱である。ρは，水の比重で
ある。Ｖ’は蓄熱槽１０内にあるシャーベット状の氷１
２以外の水１１の領域の容積を示し，Ｖ’＝Ｖ・ηであ
る。Ｖは，蓄熱槽１０の容積である。ηは，蓄熱の利用
率を示し，η＝１−（残蓄熱量／最大蓄熱量）である。
なお，Ｑ２は別途の実験整理式（蓄熱槽の寸法，運転条
件（Ｔ５，Ｆ３），ηなどの関数）から求めることがで
きる。

【００３１】そして，このように表される時間的変化
（ｄＴ１／ｄｔ）を経時的に積算（積分）することによ
り，蓄熱槽１０から取水される水１１の温度Ｔ１を，製
造プロセス３０の運転終了まで演算する。

【００３２】なお，実際には過冷却解除パイプ４５から
蓄熱槽１０内には氷・水スラリーが供給されており，図
４に模式的に示すように，蓄熱槽１０内には氷１２が浮
遊している氷層６５の部分と，過冷却解除パイプ４５か
ら落下した水１１が蓄熱槽１０内において氷１２に接触
せずに，蓄熱槽１０の下部まで流れるバイパス部分６６
が存在する。この図４に示す計算モデルにおいては，蓄
熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１の時間的変化ｄＴ
１／ｄｔは，次式（２）によって表すことができる。Ｃ・ρ・Ｖ’・（ｄＴ１／ｄｔ）＝Ｃ・ρ・Ｆ３・Ｔｂ＋Ｃ・ρ・Ｆｂｗ・Ｔｂｗ−Ｃ・ρ・（Ｆ３＋Ｆｂｗ）・Ｔ１ …（２）

【００３３】この式（２）において，Ｔｂは，氷層６５
の融解で蓄熱槽１０の底部に形成される水域と氷層６５
との境界温度である。Ｆｂｗは，バイパス部分６６を流
れる水１１の流量である。Ｔｂｗは，過冷却解除パイプ
４５から落下した水１１の温度（バイパス部分６６を流
れる水１１の温度に等しい）である。なお，Ｔｂは，次
式（３）のＱ２との関係から求めることができる。Ｑ２＝Ｃ・ρ・Ｆ３・（Ｔｂ−Ｔ５） …（３）

【００３４】そして，図４に示す計算モデルにおいて，
こうして表される時間的変化（ｄＴ１／ｄｔ）を経時的
に積算（積分）することにより，蓄熱槽１０から取水さ
れる水１１の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了
まで演算することができる。

【００３５】こうして蓄熱槽１０から取水される水１１
の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了まで演算し
た後，図３に示すように，水１１の温度Ｔ１の温度が製
造プロセス３０の運転終了までの間において，所定の上
限温度未満であるか否かを判定する（Ｓ１２）。ここ
で，所定の上限温度は，製造プロセス３０の要求によっ
て定められ，例えば飲料を冷却する製造プロセスなどに
あっては，例えば１．５℃程度に定められる。

【００３６】そして，このＳ１２の判定にて，製造プロ
セス３０の運転終了までの間において，水１１の温度Ｔ
１の温度が常に所定の上限温度未満である場合は，最大
時間Ｘ＝Ｘ＋ΔＸとする（Ｓ１３）。次に，このように
ΔＸだけ増やした最大時間Ｘについて，先と同様に，再
び蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１を，製造プロ
セス３０の運転終了まで演算する（Ｓ１１）。その後，
水１１の温度Ｔ１の温度が製造プロセス３０の運転終了
までの間において，所定の上限温度未満であるか否かを
判定する（Ｓ１２）。こうして，製造プロセス３０の運
転終了までの間において，水１１の温度Ｔ１の温度が常
に所定の上限温度未満である限り，最大時間ＸをΔＸず
つ増やし続ける。

【００３７】一方，このＳ１２の判定にて，水１１の温
度Ｔ１の温度が製造プロセス３０の運転終了までの間に
おいて，所定の上限温度以上となった場合は，最大時間
Ｘを決定する（Ｓ１４）。この場合，最大時間Ｘは，水
１１の温度Ｔ１の温度が所定の上限温度以上となる直前
の時間とする。こうして，最大時間Ｘが求められる。

【００３８】次に，図２に示すように，こうして求めた
最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えているか否かを
判定する（Ｓ５）。ここで，所定の下限停止時間は，冷
凍機４０によって定められ，例えば冷凍機４０の再起動
防止タイマーの値で定められる。

【００３９】そして，このＳ５の判定にて，最大時間Ｘ
が所定の下限停止時間を越えている場合は，製氷サイク
ル２０の運転を停止させる（Ｓ６）。この場合，製氷取
水管２１に設けられたポンプ２２，冷凍機４０及びポン
プ４１の稼働を停止させることにより，製氷サイクル２
０の運転を停止させる。なお，冷凍機４０に，上述した
ような下限停止時間がない場合は，このＳ５に示す判定
は省略し，最大時間Ｘが０である場合を除いて，直ちに
製氷サイクル２０の運転を停止させて良い。

【００４０】こうして製氷サイクル２０の運転を停止さ
せた後，先と同様に，制御装置６０は，その時点の各温
度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５及び各流量Ｆ１，Ｆ
２，Ｆ３に基づいて再び演算を行い，蓄熱槽１０に残っ
ている残蓄熱量（冷熱量）を求める（Ｓ３）。その後，
制御装置６０は，予め設定された製造プロセス３０にお
いて要求される冷却負荷の時間的変化に基づいて，蓄熱
槽１０から取水される水の温度Ｔ１（蓄熱槽１０内の水
１１の温度Ｔ１に等しい）を，冷却負荷である製造プロ
セス３０の運転終了まで再び演算し，水１の温度Ｔ１が
冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで所定の
上限温度に達しない範囲で，製氷サイクル２０の運転を
停止可能な最大時間Ｘを，先に図３で説明した工程に従
って求める（Ｓ４）。そして，最大時間Ｘが所定の下限
停止時間を越えているか否かを判定する（Ｓ５）。こう
して，最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えなくなる
まで，製氷サイクル２０の運転を停止させる。なお，冷
凍機４０に，上述したような下限停止時間がない場合
は，最大時間Ｘが０になるまで，製氷サイクル２０の運
転を停止させる。

【００４１】一方，Ｓ５の判定にて，最大時間Ｘが所定
の下限停止時間を越えなくなった場合は，製氷サイクル
２０の運転は停止させない。なお，冷凍機４０に，上述
したような下限停止時間がない場合は，最大時間Ｘが０
である場合，製氷サイクル２０の運転を停止させないよ
うにする（なお，冷凍機４０に，上述したような下限停
止時間を例えば別に設けた冷凍機の稼働や冷系統の冷熱
などでまかなうなど，顧慮する必要のない場合で最大負
荷がない場合は，最大時間Ｘが０である場合，製氷サイ
クル２０の運転を停止させないようにする）。

【００４２】こうして製氷サイクル２０の運転を停止さ
せない場合も，先と同様に，制御装置６０は，常にその
時点の各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５及び各流量
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に基づいて再び演算を行い，蓄熱槽１
０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求め（Ｓ３），以
下同様に，水１の温度Ｔ１が冷却負荷である製造プロセ
ス３０の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲
で，製氷サイクル２０の運転を停止可能な最大時間Ｘを
求める（Ｓ４）。こうして，最大時間Ｘが所定の下限停
止時間を越えているか否かを判定するか（Ｓ５），もし
くは最大時間Ｘが０になったか否かを判定し，製氷サイ
クル２０の運転を制御する。

【００４３】こうして，図１で説明した氷蓄熱システム
１は，製氷サイクル２０の運転時間を短縮しつつ，冷却
負荷である製造プロセス３０の運転終了まで，水１の温
度Ｔ１を所定の上限温度に達しない範囲に制御すること
ができる。これにより，製造プロセス３０に対し，所定
の温度以下に冷却した熱媒水を運転終了まで供給するこ
とが可能となる。必要十分な製氷がされるので省エネル
ギー的である。

【００４４】以上，本発明の好ましい実施の形態の一例
を説明したが，本発明はここで説明した形態に限定され
ない。例えば，冷却負荷の一例として食品などの製造プ
ロセス３０を示して説明したが，本発明において冷却負
荷はそのような製造プロセスに限られるものではなく，
例えば空調（建物の冷房など）や他の熱源器（冷蔵，シ
ョーケースの冷却，ケーブルトンネルの冷却）など，製
造プロセス以外の冷却負荷について本発明を適用しても
良い。

【００４５】

【実施例】以下，本発明の実施例を説明する。図１で説
明した氷蓄熱システムにおいて，本発明に従って運転を
行った場合についてシミュレーションした。図５中の実
線７０は，横軸を時間，左側の縦軸を単位時間あたりの
冷却負荷として表した，一日における冷却負荷の変化を
示している。製造プロセスの運転時間は０時から２２時
過ぎまでで，２２時１５分以降から２４時には製造プロ
セスが運転されず，運転中は実線７０で示したように冷
却負荷が変化すると想定した。また，製造プロセスの冷
却負荷は連続的には発生せず，一時間の間にも３０分間
程度の先鋭的な負荷の発生と，残りの３０分間程度の無
負荷の状態があると想定した。蓄熱槽の大きさは１１×
１４×２．２７ｍＨ（容積３５０ｍ^３）で，製氷サイク
ルの能力（製氷能力）は１２１０Ｍｃａｌ／ｈ（１４１
０ｋＷ），製氷サイクルに循環する水の定格流量は４８
３ｍ^３／ｈ，解氷サイクルに循環する水の定格流量は５
８０ｍ^３／ｈである。蓄熱槽には，運転前に氷充填率Ｉ
ＰＦ＝４０％の氷が蓄えられている。以上のような氷蓄
熱システムにおいて，運転中，常に１．５℃以下の低温
の水を得るように制御した。

【００４６】その結果，図５中の一点鎖線７１（横軸が
時間，右側の縦軸が流量で表される）で示すように，１
３時〜１６時の間は冷凍機と冷凍機に送液するポンプの
稼働を停止し，製氷サイクルに循環する水とブラインの
流量を０ｍ^３／ｈとすることができ，製氷サイクルの運
転を停止できた。なお，図５中の実線７２（横軸が時
間，右側の縦軸が流量で表される）で示すように，氷蓄
熱システムの運転中は，解氷サイクルは運転を続けてお
り，４時１５分〜６時の間を除いて解氷サイクルには常
に水が循環している。氷蓄熱システムの運転中，１３時
〜１６時以外の間は，製氷サイクルの運転と解氷サイク
ルが運転が両方とも行われる。図５中には，加えて，予
熱器２３での交換熱量の経時的変化を一点鎖線７３（横
軸が時間，左側の縦軸が単位時間あたりの冷却負荷で表
される）で示し，冷却器５３での交換熱量の経時的変化
を点線７４（横軸が時間，左側の縦軸が単位時間あたり
の冷却負荷で表される）で示した。

【００４７】図６は冷水温度と残蓄熱率の関係を示すグ
ラフである。図６中の一点鎖線８０（横軸が時間，左側
の縦軸が温度で表される）で示すように，氷蓄熱システ
ムの運転中，常に１．５℃以下の低温の水を蓄熱槽から
取水できることが演算された。なお図６中には，加え
て，過冷却器に供給される水の温度の経時的変化を実線
８１（横軸が時間，左側の縦軸が温度で表される）で示
し，解氷サイクルから蓄熱槽へ戻される水の温度の経時
的変化を実線８２（横軸が時間，左側の縦軸が温度で表
される）で示し，残蓄熱率（残蓄熱量／運転前の蓄熱
量）の経時的変化を実線８３（横軸が時間，左側の縦軸
が残蓄熱率）で示した。なお，運転を停止できる最大時
間は上述のように求めるが，その最大時間を割り振る時
刻は，最も電力料金が高価な時間帯とする。この例では
真昼であり，その製氷サイクルの運転停止中（１３時〜
１６時）も残蓄熱量を演算した。但し，氷蓄熱システム
の運転を行わない４時１５分〜６時の間は残蓄熱量の演
算はせず，製氷もしていない。残蓄熱比（残蓄熱量／運
転前の蓄熱量）を０．４以上に維持することで，１．５
℃以下の低温の冷水が常に得られた。また，運転終了時
には運転前の蓄熱量に戻すことができ，翌日の運転が可
能になった。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば，製氷サイクルの運転時
間を短縮しつつ，冷却負荷の運転終了まで，水の温度を
所定の上限温度に達しない範囲に制御でき，冷却負荷に
対して所定の温度以下に冷却した熱媒を運転終了まで供
給することが可能となる。そして，製氷サイクルの運転
時間を短縮することにより，製氷コストをなるべく少な
く抑えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかるダイナミック型氷
蓄熱システムの概略的な構成を示す説明図である。

【図２】本発明の実施の形態にかかるダイナミック型氷
蓄熱システムにおける，制御装置の演算工程を示すフロ
ーチャートである。

【図３】最大時間Ｘを求める演算工程を示すフローチャ
ートである。

【図４】最大時間Ｘを求める別の計算モデルの説明図で
ある。

【図５】本発明の実施例における，冷却負荷の時間的変
化と製氷サイクルの運転の制御を示すグラフである。

【図６】本発明の実施例における，蓄熱槽から取水され
る水の温度の時間的変化と残蓄熱率の時間的変化を示す
グラフである。

【符号の説明】

１氷蓄熱システム１０蓄熱槽１１水１２氷１３，２６，４７，４８，５６温度センサー２０製氷サイクル２１製氷取水管２２，４１，５２ポンプ２３予熱器２４過冷却器２５，４６，５５流量センサー３０製造プロセス３１，３２熱媒循環回路３５往ヘッダ３６還ヘッダ４０冷凍機４２ブライン往管４３ブライン還管４５過冷却解除パイプ５０解氷サイクル５１解氷取水管５３冷却器６０制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷却負荷を冷却するダイナミック型氷蓄
熱システムであって，氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から
取水した水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供
給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換
し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルと，蓄熱槽
から製氷サイクルへの取水を制御する制御装置を備え，
制御装置は，予め設定された冷却負荷の時間的変化に基
づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を冷却負荷の運
転終了まで演算し，該演算される水の温度が冷却負荷の
運転終了まで所定の上限温度に達しないように，製氷サ
イクルの運転を制御することを特徴とする，ダイナミッ
ク型氷蓄熱システム。
【請求項２】氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水し
た水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する
製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇
温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルとを備えたダイナ
ミック型氷蓄熱システムの運転方法であって，予め設定
された冷却負荷の時間的変化に基づいて，蓄熱槽から取
水される水の温度を冷却負荷の運転終了まで演算し，該
演算される水の温度が冷却負荷の運転終了まで所定の上
限温度に達しない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可
能な最大時間Ｘを求める工程と，この最大時間Ｘの間，
製氷サイクルの運転を停止させる工程を有することを特
徴とする，ダイナミック型氷蓄熱システムの運転方法。
【請求項３】最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越え
ていない場合は，製氷サイクルの運転を停止させないこ
とを特徴とする，請求項２のダイナミック型氷蓄熱シス
テムの運転方法。
【請求項４】蓄熱槽から取水した水を製氷サイクルに
おいて氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する工程と，
蓄熱槽から取水した水を解氷サイクルにおいて熱交換し
て昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷工程を，時期的に重複
して行うことを特徴とする，請求項２又は３のダイナミ
ック型氷蓄熱システムの運転方法。
【請求項５】氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水し
た水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する
製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇
温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルとを備えたダイナ
ミック型氷蓄熱システムを運転するにあたり，予め設定
された冷却負荷の時間的変化に基づいて，蓄熱槽から取
水される水の温度を冷却負荷の運転終了まで演算し，該
演算される水の温度が冷却負荷の運転終了まで所定の上
限温度に達しない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可
能な最大時間Ｘを求めることを特徴とする，ダイナミッ
ク型氷蓄熱システムにおける最大時間Ｘの予測方法。