JP2004012068A

JP2004012068A - 蓄熱システム

Info

Publication number: JP2004012068A
Application number: JP2002168591A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Saito; 齋藤　正文
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】空調用等に適用する蓄熱システムにおいて、躯体蓄熱だけでは蓄熱容量が十分でなく、電力の夜間移行率が３０％程度であり、また蓄熱された熱を、希望の時間帯に放熱させるようにコントロールすることは難しい。一方、水を熱媒体とする蓄熱システムでは、温水を貯留する比較的大型の蓄熱槽を必要とし、所要のスペースやコストが大きくなってしまうと共にポンプを連続的に運転しなければならない。
【解決手段】そこで本発明では、カプセル２内に潜熱蓄熱材３を封入して成る多数の蓄熱ボール１を、集熱側と放熱側に渡って移動経路６を介して移動可能に構成し、集熱側において潜熱蓄熱材に蓄熱を行った蓄熱ボールを放熱側に移動させて放熱させると共に、放熱側において放熱させた蓄熱ボールを集熱側に移動させて蓄熱を行わせる構成とした蓄熱システムを提案する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調や給湯等に利用する蓄熱システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建物の空調における省エネルギー化、夜間電力を利用したランニングコストの低減及び空調負荷のピークカット等を目的として、空調機を電力料金の単価が安い夜間に運転して、空調空気をボイドスラブ等の躯体に通して蓄熱を行い、この躯体に蓄熱された熱を空調時に放熱して空調に利用する躯体蓄熱を利用した空調システムが従来から種々提案されている。
【０００３】
このような躯体蓄熱を利用した蓄熱システムにおいては、躯体の蓄熱量はスラブの厚さや断熱仕様等に影響され、条件によっては蓄熱量、従って放熱量が十分でなく空調運転での有効利用の時間が限られ、最も有効に利用できる時間帯での利用ができない場合もある。躯体蓄熱を利用した蓄熱システムにおいて躯体の蓄熱量を増大することを目的として、特開平１１−１０８３９３号公報に記載の発明では、蓄熱を行う躯体に潜熱蓄熱材を配置している。
【０００４】
一方、水を蓄熱媒体とする蓄熱システムがあり、このような蓄熱システムでは、蓄熱槽と放熱側との間にポンプによる循環経路を構成し、蓄熱槽に貯留した水をポンプにより放熱側に連続的に循環移動することにより、蓄熱槽内の水に蓄熱された熱を徐々に放熱側に移動して利用する構成である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のシステムにおいては、次のような課題がある。
まず前者の躯体蓄熱を利用した空調システムでは、次のような課題がある。
１．躯体蓄熱だけでは蓄熱容量が十分でなく、電力の夜間移行率が３０％程度であるため、蓄熱容量の増大が望まれている。
２．潜熱蓄熱材を躯体に配置して蓄熱容量を増大する試みもあるが、蓄熱と放熱が同じ場所の躯体で行われる構成では、躯体と潜熱蓄熱材に蓄熱された熱を、希望の時間帯に放熱させるようにコントロールすることは難しく、例えば冷房期において、電力の平準化を目的とする場合には、午後の１３〜１６時により多くの放熱が必要になるのに対して、実際では、午前中に多く放熱されてしまって、午後の放熱量が少なくなってしまう。
【０００６】
一方、水を熱媒体とする蓄熱システムでは、次のような課題がある。
１．温水を貯留する比較的大型の蓄熱槽を必要とし、所要のスペースやコストが大きくなってしまう。
２．熱の利用時には、水の移動手段であるポンプを連続的に運転しなければならない。
そこで、本発明はこのような課題を解決することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために本発明では、カプセル内に潜熱蓄熱材を封入して成る多数の蓄熱ボールを、集熱側と放熱側に渡って移動経路を介して移動可能に構成し、集熱側において潜熱蓄熱材に蓄熱を行った蓄熱ボールを放熱側に移動させて放熱させると共に、放熱側において放熱させた蓄熱ボールを集熱側に移動させて蓄熱を行わせる構成の蓄熱システムを提案する。
【０００８】
また本発明では、以上の構成において、移動経路は、空気配管により構成し、多数の蓄熱ボールを空気圧により移動させる構成とすることを提案する。
【０００９】
また本発明では、以上の構成において、移動経路は、水配管により構成し、多数の蓄熱ボールを水圧により移動させる構成とすることを提案する。
【００１０】
以上の本発明によれば、蓄熱は、潜熱蓄熱材を用いて行うため、水を蓄熱媒体とする場合と比較して単位容積あたりの蓄熱量が大きくなり、小さなスペースで所望量の熱を蓄熱することができる。
【００１１】
そして、潜熱蓄熱材に蓄熱した熱は、蓄熱ボールを集熱側から移動経路を経て放熱側に移動させることにより、放熱側において利用することができる。また放熱側において蓄熱が利用された蓄熱ボールは、放熱側から移動経路を経て集熱側に移動させることにより、蓄熱を行わせることができる。
【００１２】
このように本発明においては、潜熱蓄熱材の蓄熱側と放熱側とを異なった場所に配置することができるので、放熱側において潜熱蓄熱材から放熱する時点を、蓄熱ボールを移動させるタイミングで制御することができると共に、蓄熱側における潜熱蓄熱材への蓄熱を効率的に行うことができる。
【００１３】
そして蓄熱ボールを移動させるための移動手段は、蓄熱ボールを、集熱側から放熱側に、及び放熱側から集熱側に移動する時にのみ動作させればよく、連続的に循環移動させる必要はないので、移動手段としてのブロワーやポンプを連続運転する必要がない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の蓄熱システムの構成を概念的に示すもので、また図２は本発明の蓄熱システムに使用する蓄熱ボールを概念的に示すものである。
図１、図２において符号１は蓄熱ボールを示すものであり、この蓄熱ボール１は球状等のカプセル２内に潜熱蓄熱材３を封入して構成する。カプセル２は、高密度ポリエチレン等のプラスチックスや金属等の硬い材料で構成する他、不溶性の高分子膜等の弾性変形可能な材料により構成することもできる。また潜熱蓄熱材３は、次の例に示すように、用途、従って温度域に応じて適宜に選択することができる。
【００１５】

【００１６】
次に図１において、符号４は集熱側に配置した集熱器、５は放熱側に配置した放熱器、６は集熱器４と放熱器５間に構成した、上記蓄熱ボール１の移動経路であり、また７は移動経路６を通して蓄熱ボール１を移動させるための移動手段である。尚、この例では移動経路６は、集熱器４から放熱器５への移動経路６ａと、放熱器５から集熱器４への移動経路６ｂとから構成している。
【００１７】
具体例を後述するように、移動経路６を空気配管により構成して、多数の蓄熱ボール１を空気圧により移動させる構成とすることができ、この場合はブロワ等の空気圧源が移動手段７となる。また移動経路６を水配管により構成して、多数の蓄熱ボール１を水圧により移動させる構成とすることができ、この場合はポンプが移動手段７となる。
【００１８】
以上の構成において、図１に１点鎖線で示すように、多数の蓄熱ボール１を集熱器４に移動させておくことにより、集熱器４において蓄熱ボール１内の潜熱蓄熱材３に潜熱の形で蓄熱を行うことができる。
【００１９】
集熱器４は、後に例示するように、熱源機により生成した熱（冷熱を含む）を蓄熱ボール１の潜熱蓄熱材３に与える構成としたり、太陽熱や地熱等の自然の熱を蓄熱ボール１の潜熱蓄熱材３に与える構成とすることができる。
【００２０】
集熱器４においては、多数の蓄熱ボール１の内部に封入した潜熱蓄熱材３に潜熱の形で蓄熱を行うため、水を蓄熱媒体とする場合と比較して単位容積あたりの蓄熱量が大きくなり、小さなスペースで所望量の熱を蓄熱することができる。
【００２１】
このように集熱器４において蓄熱が行われた蓄熱ボール１を、移動手段７の動作により移動経路６ａを通して放熱器５に移動することにより、蓄熱ボール１の潜熱蓄熱材３に蓄熱された熱を放熱器５において放熱して、空調等に利用することができる。
【００２２】
そして放熱器５において熱が利用された後に、蓄熱ボール１は、移動手段７の動作により移動経路６ｂを通して集熱器４に移動して、再び蓄熱を行うことができる。
【００２３】
このように蓄熱ボール１は、その中の潜熱蓄熱材３に潜熱の状態で蓄熱された熱を、自体の移動により全て移動させることができるので、移動手段７は、蓄熱ボール１を、集熱器４から放熱器５へ、及び放熱器５から集熱器４へと移動する時にのみ動作させればよく、集熱器４と放熱器５との間を連続的に循環移動させる必要はないので、移動手段７としてのブロワーやポンプを連続運転する必要はない。また、このことから移動経路６は、必ずしも集熱器４から放熱器５への移動経路６ａと、放熱器５から集熱器４への移動経路６ｂとから構成する必要はなく、一つの移動経路を兼用する構成とすることもできる。
【００２４】
次に、図３は本発明に係る蓄熱システムの実施の形態を概念的に示す系統説明図である。
図３において、符号８は建物の床を構成する中空スラブであり、この中空スラブ８は多数の中空部９が平行に設けられている。また符号１０は蓄熱ボールであり、この蓄熱ボール１０は上述した蓄熱ボール１と同様にカプセル内に潜熱蓄熱材を封入した構成である。符号１１は熱源機、１２は蓄熱槽であり、熱源機１１と蓄熱槽１２との間に、熱媒体としての冷温水をポンプ１３により循環させる冷温水循環経路１４を構成している。蓄熱槽１２は、冷温水と共に蓄熱ボール１０を貯留可能な構成としており、この蓄熱槽１２から上記中空スラブ８の中空部９の一方側に蓄熱ボール１０を移動させる往き経路１５ａと、中空スラブ８の他方側から蓄熱槽１２に蓄熱ボール１０を移動させる戻り経路１５ｂを構成しており、往き経路１５ａにポンプ１６を設けている。
【００２５】
以上の構成において、夜間には図中１点鎖線に示すように、蓄熱ボール１０を全て蓄熱槽１２内に移動させておき、この蓄熱槽１２において熱源機１１で生成した冷温水と熱交換させて蓄熱ボール１０内の潜熱蓄熱材に蓄熱を行う。
【００２６】
そして昼間の空調時においては、ポンプ１６を運転して多数の蓄熱ボール１０を往き経路１５ａを経て中空スラブ８の中空部９内に移動し、所定の蓄熱ボール１０が中空部９内に移動したらポンプ１６を停止する。
【００２７】
このように中空スラブ８の中空部９内に留まった蓄熱ボール１０は、内部の潜熱蓄熱材に潜熱として蓄熱されている熱を中空スラブ８に放熱し、こうして適宜の空調システムにおける建物の室内の空調負荷の低減を図ることができる。
【００２８】
尚、以上の動作において、多数の蓄熱ボール１０を中空スラブ８の中空部９内に移動させて、所定位置で停止させる機構としては、中空部９の出口側に蓄熱ボール１０のみを停止させる網状等のストッパーを出入自在に設けた構成等、適宜の機構を適用することができる。
【００２９】
以上の動作において蓄熱ボール１０の潜熱蓄熱材に蓄熱されていた熱が放熱された時には、再びポンプ１６を動作させて、中空スラブ８の中空部９内の多数の蓄熱ボール１０を戻り経路１５ｂを経て蓄熱槽１２内に戻すと、ここで再び蓄熱を行うことができる。
【００３０】
次に図４は、本発明に係る蓄熱システムの他の実施の形態を概念的に示す系統説明図である。
図４において、符号１７は建物であり、１８は室内等に設けた暖房用放熱器、１９は屋根等に設けた太陽熱集熱器である。本発明においては、暖房用放熱器１８と太陽熱集熱器１９との間に、暖房用放熱器１８から太陽熱集熱器１９への経路２０ａと、太陽熱集熱器１９から暖房用放熱器１８への経路２０ｂとから成る移動経路を構成し、これらの経路２０ａ，２０ｂにより暖房用放熱器１８と太陽熱集熱器１９との間に蓄熱ボール２１を移動可能に構成している。この場合、移動経路２０ａ，２０ｂは空気配管により構成しており、多数の蓄熱ボール２１を空気圧により移動させる構成としている。このために移動経路２０ａには空気圧源としてブロワ２２を設置している。この蓄熱ボール２１も上述の蓄熱ボール１と同様に、カプセルの内部に潜熱蓄熱材を封入したものである。
【００３１】
以上の構成では、暖房期の昼間に蓄熱ボール２１を太陽熱集熱器１９に移動させておいて、蓄熱ボール２１内の潜熱蓄熱材に太陽熱を集熱させる。そして潜熱蓄熱材に蓄熱された蓄熱ボール２１を夕方に移動経路２０ｂを経て暖房用放熱器１８内に移動して、そこで放熱させて暖房に供する。
【００３２】
この蓄熱システムでは、暖房用放熱器１８と太陽熱集熱器１９との間には高低差があるので、蓄熱ボール２１を、暖房用放熱器１８から太陽熱集熱器１９へはブロワ２２により移動経路２０ａを移動させ、太陽熱集熱器１９から暖房用放熱器１８へは重力による自然落下で移動させるように構成することもできる。
【００３３】
次に、図５〜図９は本発明の蓄熱システムを構成する集熱器の実施の形態を示すものである。
符号２３は集熱器３０の本体を構成する扁平な箱体であり、この箱体２３の対角線上の位置に、蓄熱ボール２４の入口２５と出口２６を構成している。入口２５側と出口２６側には、
対向して平行に配置された導入路２７と導出路２８とを構成しており、これらの間に複数の平行な溝形移動路２９を構成している。導入路２７は入口２５側が高くなるように若干傾斜させており、また導出路２８は出口２６側が低くなるように若干傾斜させている。一方、溝形移動路２９は導出路２８側と導入路２７側の夫々に段を形成していると共に、導出路２８側が導入路２７側よりも低くなるように若干傾斜させている。
【００３４】
以上の構成において、入口２５から多数の蓄熱ボール２４を順次導入すると、蓄熱ボール２４は導入路２７を低い側に転がって行き、その端部において溝形移動路２９に落下すると共に、
後から転がって来て、前の蓄熱ボール２４に邪魔をされた蓄熱ボール２４は、より手前側の溝形移動路２９に落下して、それらの溝形移動路２９を転がって行く。
【００３５】
このため、出口２６側に適宜のストッパーを設けて蓄熱ボール２４の導出を阻止している状態では、入口２５から順次導入される多数の蓄熱ボール２４が導入路２７、導出路２８及び溝形移動路２９上に縦横に拡がった整列状態に支持され、この状態において、箱体２３の上側又は下側から熱を供給して、蓄熱ボール２４内の潜熱蓄熱材に効率的に蓄熱を行うことができる。
【００３６】
こうして蓄熱が行われた後、上述したストッパー等を解除すると、箱体２３内の多数の蓄熱ボール２４は重力により転がり、出口２６から出て、放熱側に移動される。
【００３７】
次に図１０は本発明の蓄熱システムを構成する集熱器の他の実施の形態を示すもので、この実施の形態は、図５〜図９に示した集熱器の複数を横方向に並列に接続して構成したものであり、夫々の集熱器の構成は同様であるので、符号は図５〜図９のものと同一とする。
即ち、この実施の形態では３台の集熱器３０ａ、３０ｂ、３０ｃの夫々の入口２５を導入管３１で接続すると共に夫々の出口２６を導出管３２で接続して構成している。
【００３８】
この構成では、複数の集熱器を接続することにより、集熱面積を適宜調節することができる。
【００３９】
以上の集熱器３０の構成では、多数の蓄熱ボール２４を自然落下により縦横に拡がった整列状態に支持することができるので、例えば空気圧により圧送した多数の蓄熱ボール２４を一時貯留部に貯留した後、この一時貯留部から順次集熱器に供給するような構成とすることにより、効率的な蓄熱を行うことができる。この構成の集熱器は、例えば太陽熱集熱器として適している。
【００４０】
尚、以上の集熱器３０の構成は放熱器として適用することもできるものである。即ち、図１１は上記集熱器３０の構成と同様な構成により放熱器を構成した実施の形態を示すものであり、この放熱器３３は、その本体を構成する扁平な箱体３４が、上記集熱器３０を構成する箱体２３の上板を除いた構成である他は、導入路２７、導出路２８及びそれらの間の溝形移動路２９の構成が同様であるので、図５〜図１０と同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
この放熱器３３は空調用の空気ダクト３５内に設置されており、空気ダクト３５を流れる空気は、箱体３４により乱流となって、その内部に整列されている蓄熱ボール２４と接触し、熱交換して蓄熱ボール２４の潜熱蓄熱材に蓄熱されている熱を回収して、空調等に供される。
【００４１】
このような空調用ダクト内に設置する構成は、集熱器に適用できることは勿論である。
【００４２】
以上に説明した本発明に適用する蓄熱ボールの大きさは、用途等に応じて適宜設定でき、例えば、躯体蓄熱と併用する蓄熱システムや太陽熱を利用する蓄熱システムでは、１００φ程度の大きさが考えられる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は以上のとおりであるので、次のような効果がある。
ａ．蓄熱は、潜熱蓄熱材を用いて行うため、水を蓄熱媒体とする場合と比較して単位容積あたりの蓄熱量が大きくなり、小さなスペースで所望量の熱を蓄熱することができる。例えば、躯体にのみ蓄熱する方式では電力の夜間移行率が３０％程度なのに対して、これに蓄熱ボール内の潜熱蓄熱材の潜熱蓄熱を併用することにより、夜間移行率を理想的な５０％程度とすることができる。
ｂ．潜熱蓄熱材の蓄熱側と放熱側とを異なった場所に配置することができるので、放熱側において潜熱蓄熱材から放熱する時点を、蓄熱ボールを移動させるタイミングで制御することができると共に、蓄熱側における潜熱蓄熱材への蓄熱を効率的に行うことができる。
ｃ．蓄熱ボールを移動させるための移動手段は、蓄熱ボールを、集熱側から放熱側に、及び放熱側から集熱側に移動する時にのみ動作させればよく、連続的に循環移動させる必要はないので、移動手段としてのブロワーやポンプを連続運転する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蓄熱システムの構成を概念的に示す説明図である。
【図２】本発明の蓄熱システムに使用する蓄熱ボールを概念的に示す説明図である。
【図３】本発明に係る蓄熱システムの実施の形態を概念的に示す系統説明図である。
【図４】本発明に係る蓄熱システムの他の実施の形態を概念的に示す系統説明図である。
【図５】本発明の蓄熱システムを構成する集熱器の実施の形態を示す平面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】図５のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】図５のＣ−Ｃ断面図である。
【図９】図５のＤ−Ｄ断面図である。
【図１０】本発明の蓄熱システムを構成する集熱器の他の実施の形態を示す平面図である。
【図１１】本発明の蓄熱システムを構成する放熱器の実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１０，２１，２４　蓄熱ボール
２　　　　　　　　　　カプセル
３　　　　　　　　　　潜熱蓄熱材
４　　　　　　　　　　集熱器
５　　　　　　　　　　放熱器
６（６ａ，６ｂ）　　　移動経路
７　　　　　　　　　　移動手段
８　　　　　　　　　　中空スラブ
９　　　　　　　　　　中空部
１１　　　　　　　　　熱源機
１２　　　　　　　　　蓄熱槽
１３　　　　　　　　　ポンプ
１４　　　　　　　　　冷温水循環経路
１５ａ　　　　　　　　往き経路
１５ｂ　　　　　　　　戻り経路
１６　　　　　　　　　ポンプ
１７　　　　　　　　　建物
１８　　　　　　　　　暖房用放熱器
１９　　　　　　　　　太陽熱集熱器
２０ａ，２０ｂ　　　　経路
２２　　　　　　　　　ブロワ
２３，３４　　　　　　箱体
２５　　　　　　　　　入口
２６　　　　　　　　　出口
２７　　　　　　　　　導入路
２８　　　　　　　　　導出路
２９　　　　　　　　　溝形移動路
３０（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ）　集熱器
３１　　　　　　　　　導入管
３２　　　　　　　　　導出管
３３　　　　　　　　　放熱器
３５　　　　　　　　　空気ダクト

Claims

カプセル内に潜熱蓄熱材を封入して成る多数の蓄熱ボールを、集熱側と放熱側に渡って移動経路を介して移動可能に構成し、集熱側において潜熱蓄熱材に蓄熱を行った蓄熱ボールを放熱側に移動させて放熱させると共に、放熱側において放熱させた蓄熱ボールを集熱側に移動させて蓄熱を行わせる構成としたことを特徴とする蓄熱システム
移動経路は、空気配管により構成し、多数の蓄熱ボールを空気圧により移動させる構成としたことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム
移動経路は、水配管により構成し、多数の蓄熱ボールを水圧により移動させる構成としたことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム