JP2004205127A - 冷熱蓄熱床を備えた低温空気層形成システムとその運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて小さな冷熱製造能力で低温空気層を効果的に形成することができる低温空気層形成システムとその運用方法を提供すること。
【解決手段】低温空気層形成に先立って、予め熱容量の大きい床を冷却して冷熱を蓄熱しておき、低温空気層形成時には前記冷熱が蓄熱された床を冷熱源として作用させて、床上部に冷却空気を噴出して厚い低温空気層を形成する。これにより、必要な冷熱製造能力を半減することが可能なためコストを低減でき、また、床の冷却は電気料金の安い深夜電力を使用することによりランニングコストを節減することができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、仕切られた空間の低層部（床上部）に冷却空気を噴出するとともに該空間の床を冷却剤（冷ブライン）で冷却して該床上部に低温空気層を形成する低温空気層形成システムに関し、前記空間の床を冷熱蓄熱容量が大きい床部材で構成し、低温空気層を必要としない時間帯にブラインチラーにより冷却された冷却剤（冷ブライン）で予め前記床を冷却して冷熱を蓄えておき、低温空気層が必要とされる時間には冷却空気の噴出のみで所要の低温空気層を形成することによって、ブラインチラーの小型化（小容量化）を図る、冷熱蓄熱床を備えた低温空気層形成システムとその運用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の低温空気層形成システムは、例えば図４に示すように、冷熱製造部１０’と低温空気層形成部２０’からなる。冷熱製造部１０’はブラインチラー（冷凍機）１’、冷却塔２’、及びブラインタンク３’からなり、低温空気層形成部２０’は空間仕切り壁６、該仕切り壁の下部に設けられた冷却空気噴出ダクト７、前記仕切り空間の床面をなす冷却床パネル１１、空気冷却器４、及び該空気冷却器４から冷却空気を前記冷却空気噴出ダクト７に導く冷却空気ダクト５からなっている。
【０００３】
ブラインタンク３’内のブラインはポンプ１３’によりブラインチラー１’との間を循環されて該ブラインチラー１’で冷却され、常に低温に保たれている。ブラインチラー１’ではブラインから奪った熱は冷却水との熱交換で冷却水に奪われ、該冷却水はポンプ１２’で冷却塔２’に送られてファン２ａ’で送風される外気で冷却されて再びチラー１’に戻る。ブラインタンク３’内の冷ブラインはポンプ１４により空気冷却器４に送られ、該空気冷却器４でファン４ａより送風される外気を冷却して温度が上昇し、再びブラインタンク３’に戻る。また、前記ブラインタンク３’の冷ブラインはポンプ１５により冷却床パネル１１にも送られて該床パネルを冷却して温度が上昇し、再びブラインタンク３’に戻る。
【０００４】
低温空気層形成部２０’では、図５に示されるように、ファン４ａを備えた空気冷却器４で冷却された空気が、冷却空気ダクト５を通って仕切り壁の下部に形成された冷却空気噴出ダクト７に導かれ、該冷却空気噴出ダクト７に設けられた多数の噴出口７ａから仕切り空間内の低層部に噴出される。該噴出孔は、例えば目の粗い布で形成したソックダクトなどが用いられる。前記冷却床パネル１１はブライン通路を有するパネルであり、冷却空気が冷却空気噴出ダクト７の噴出口７ａから噴出されている間中冷ブラインにより冷却されている。
【０００５】
上記のように、冷却空気噴出ダクト７の噴出口７ａから冷却空気を噴出するとともに床に冷却床パネル１１を配置して該床パネルを冷却すると、パネルの上側の低温空気層の温度が低くなり低温空気層の厚さも増大するのであるが、図６にその状況が示されている（非公知）。図６（Ａ）は床パネルの冷ブラインによる冷却を行わない場合、即ち冷却空気噴出ダクトの噴出口から噴出される冷却空気のみで低温空気層を形成する場合の冷却空気温度と外気温度と床面からの高さによる温度の相違を時間の経過に対して示したものであり、図６（Ｂ）は、冷却空気噴出ダクトの噴出口から冷却空気を噴出するとともに床パネルも冷ブラインを通して冷却した場合を示す。床冷却をしない（Ａ）の場合は、３〜４℃の冷却空気を連続して噴出しても、外気温度約２８℃に対して床上５ｃｍで約２０℃、７５ｃｍで約２２℃、９５ｃｍで約２４℃である。これに対して、床面を冷却した（Ｂ）の場合は、床面温度を０℃に冷却し約２℃の冷却空気を噴出した場合で、外気温度約２３℃に対して床上５ｃｍで約４℃、７５ｃｍで約１３℃、９５ｃｍで約１９℃であり、厚くて温度が低い低温空気層が形成される。
【０００６】
これは、床を冷却しない場合、床は外気温度に略等しい熱容量が無限大の物体として、床面に沿って噴出された冷却空気との温度差で冷却空気に熱を供給する、冷却空気にとっては熱源として作用するためである。床が床面に沿って噴出される冷却空気と略等しい温度に保たれている場合には、床と冷却空気との間の熱移動が殆んどなく、即ち空気が床により暖められることがなく、上記のように厚い低温空気層が形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
冷却空気噴出と床冷却を同時に行う場合、ブラインチラーの運転を開始し冷ブラインを空気冷却器及び床パネルに流し始めると、床パネルの熱容量が大きくない場合は床パネルの温度は冷却空気の温度よりも少し遅れて降下する。この場合、冷却空気製造に要する冷熱量と床冷却に要する冷熱量は大体５０：５０であり、ブラインチラーは１００の冷却能力を要する。即ち、冷熱製造部は、冷却空気のみで低温空気層を形成する場合に比べると２倍の冷熱製造能力が必要となり、ブラインチラーのみならず、ポンプ、配管、冷却塔等の付属装置の容量も大きくなる。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みなされたもので、できるだけ小さい容量の冷熱製造部で所要の低温空気層を形成できる低温空気層形成システムとその運用方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、冷熱製造部と低温空気層形成部からなり、前記冷熱製造部で製造された冷却剤（冷ブライン）により冷却された空気の床上部への噴出と前記冷却剤により冷却された冷却床の低温により低温空気層を形成する低温空気層形成システムにおいて、前記低温空気層形成部の床部材を前記冷却剤で冷却して冷熱蓄熱可能に構成することを特徴とする冷熱蓄熱床を備えた低温空気層形成システムを提案する。
【００１０】
そして、前記冷却空気を噴出させて低温空気層を形成する前に予め前記冷却剤を床の冷却に使用し、その後に前記冷却剤の流れを切り替えて空気の冷却に使用し冷却空気を床上部に噴出させるのがよい。即ち、前記冷却空気を噴出させない時間帯に前記冷却剤による冷却床の冷却を行わしめ、前記冷却空気を噴出させる時間帯には前記冷却剤による床の冷却を行わしめないようにシステムを運用するのがよい。その場合、前記ブラインチラーが電力を使用して作動するチラーの場合は、前記冷却剤による床の冷却は電力料金の安い深夜電力を用いて行うのがよい。これにより、床冷却に要する費用を少なくすることができる。
【００１１】
前記低温空気層形成部の床は前記冷熱製造部で製造した冷却剤で冷却し、冷熱を蓄熱することができるように構成してあるので、低温空気層を形成する必要がない時間帯に冷却空気の噴出は行わないで、前記冷却剤で床を冷却して冷熱を床部材に蓄熱しておき、低温空気層形成が必要な時間帯には前記冷却剤による床冷却は止めて前記冷却空気のみを噴出することにより、前記冷熱製造部で製造される冷熱を低温空気層形成時間帯と床蓄熱時間帯に分けて使用するので、前記冷熱製造部の冷熱製造能力は冷却空気噴出と床冷却を同時に行う場合に比べて略半分の能力で足りることになる。即ち、冷熱製造部は従来よりも小さい能力で従来よりも長い時間運転されることになり、設備の運用効率が約２倍に増大することになる。
【００１２】
そして、前記床部材は冷熱を蓄熱することができるので、冷却空気を噴出して低温空気層を形成する時間帯には床部材の冷却を行わなくても蓄熱した冷熱により冷熱源として作用する。
【００１３】
前記床部材はコンクリートに前記冷却剤が流通する前記冷却パイプを埋め込んだ床部材であってもよい。また、前記床部材は中空の部材であって中空内に前記冷却剤が流通する冷却パイプが配設され、中空内の残りの空間には凝固点が０℃よりも低い液体を充満するのもよい。流体が凝固すると、相変化により大低はその密度が減少し体積が膨張するので、前記中空床部材には大きな内圧が掛かり床部材の破損が惹起されることがあるが、液相で冷却する場合の温度による体積変化はブリーザ或は膨張タンクを設けることにより逃がすことができる。前記液体を０℃より低く凝固点よりも高い温度まで冷却することにより、液体状態での冷却温度を低くできる分だけ冷熱の蓄熱量を大きくすることができる。
【００１４】
また、前記床部材が中空の部材であって中空内に前記冷却剤が流通する冷却パイプが配設され、中空内の残りの空間には水をその凍結による膨張の余裕空間を残して入れるのもよい。水は０℃で氷に位相変化し、その際１ｋｇ当り８０ｋｃａｌという大きな潜熱を放出（冷熱を吸収）するので、水を氷になるまで冷却することにより、冷熱蓄熱量を大幅に増大することができる。
【００１５】
さらに、前記中空床部材をコンクリート床に埋設してもよい。中空部材の材料としては、鋼、アルミ等の金属材料やプラスチック等で製作することができるが、低温空気層に載置する物体が重量物であったり、人が出入りする場合には、それなりの強度が要求されるので、中空部材をコンクリートの床に埋設して、強度はコンクリート床に担わせるのがよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される寸法、材質、形状、その相対位置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１７】
図１は本発明の実施例に係わる蓄熱機能を備えた低温空気層形成システムの概略構成を示すブロック図であり、図２は図１における低温空気層形成部の床部材の構成を示す断面図である。図３は図１の床を冷却する場合の床表面温度の時間に対する経過と床冷却を止めて冷却空気を噴出する場合の前記床表面温度、冷却空気、及び低温空気層の温度の時間に対する経過を示すグラフである。
【００１８】
図１において、１０は冷熱製造部、２０は低温空気層形成部である。冷熱製造部１０はブラインチラー（冷凍機）１、冷却塔２、及びブラインタンク３からなり、低温空気層形成部２０は空間仕切り壁６、該仕切り壁の下部に設けられた冷却空気噴出ダクト７、前記仕切り空間の底面をなす蓄熱型冷却床８、空気冷却器４、及び冷却空気ダクト５からなる。なお図は仕切り空間の上方に開いているが、上方が閉じた仕切り空間であってもよいことは勿論である。
【００１９】
前記蓄熱型冷却床８には図２に示すように冷却管２１が配設してある。ブラインタンク３と空気冷却器４内の冷却管及び蓄熱型冷却床８に配設された冷却管２１は図１に示すポンプ１４、三方弁１６、１７を介して連結されている。前記蓄熱型冷却床８を冷却する時間帯には、ブラインタンク３内のブラインはポンプ１４により送出されて三方弁１６を通り蓄熱型冷却床８の冷却管に導かれ、床部材を冷却したブラインは三方弁１７を通ってブラインタンク３に戻る。床部材の冷却を止めて冷却空気を噴出させる時間帯には前記両三方弁１６、１７を切り替え、前記ポンプ１４により送出されたブラインは三方弁１６を通ってファン４ａを備えた空気冷却器４の冷却管に導かれ、該冷却器４でファン４ａにより送風される空気を冷却したブラインは三方弁１７を通ってブラインタンク３に戻る。
【００２０】
ブラインタンク３内の冷ブラインは、ポンプ１３によりブラインチラー１との間を循環されてブラインチラー１で冷却され、常に低温に保たれている。ブラインチラー１ではブラインから奪った熱は冷却水との熱交換で冷却水に奪われ、該冷却水はポンプ１２で冷却塔２に送られ、ファン２ａにより送風される外気で冷却されて再びブラインチラー１に戻る。
【００２１】
図１の実施例は、図４に示す従来のシステムとは異なり、ブラインタンク３内の冷ブラインは空気冷却器４の冷却管と床部材に配設された冷却管２１に同時に送給されることはなく、別々の時間帯に夫々に送給されるように切り替えられるので、図４におけるポンプ１５は不用となり、ブラインチラー１、冷却塔２、ポンプ１２、ポンプ１３の容量は図４の場合の対応するブラインチラー１’、冷却塔２’、ポンプ１２’、ポンプ１３’の容量よりも小さくすることができ、大体半分にすることができる。なお、図１の低温空気層形成部２０は図５の冷却床パネル１１が蓄熱型冷却床８に変わるのみで、他は同じである。
【００２２】
図３において、低温空気層を形成する前にまず蓄熱型冷却床８の冷却管２１に冷ブラインを通して熱容量の大きな蓄熱型冷却床８を冷却しておき、該蓄熱型冷却床８が所定の温度に降下した後に前記三方弁１６、１７を切り替えて前記蓄熱型冷却床８の冷却管２１への冷ブラインの流通を止めて前記空気冷却器４に冷ブラインを流し、ファン４ａを駆動して冷却空気を製造し冷却空気噴出ダクト７の噴出口７ａから噴出した場合の時間に対する床表面温度、噴出冷却空気の温度、及び低温空気層の温度（低温空気層の温度は床表面からの高さによって異なるが、ここでは床表面近くの代表的位置における温度を示す。）の経過が示されている。
【００２３】
同図において、床部材冷却開始により床表面温度は徐々に低下する。該床表面温度は床全体が略一様な温度になった床表面温度である。該床表面温度が規定温度まで下がった時点で床冷却を中止し、空気冷却器の作動を開始すると、冷却空気噴出ダクトの噴出口から噴出される冷却空気の温度は急激に低下して低温空気層が形成される。その際、床表面は低温にされているので、先に図６で説明したように、温度が低く厚い層の低温空気層が形成される。床部材は周囲からの伝熱により温度が上昇するが、床部材に蓄熱された冷熱が消費されて床表面温度は徐々に上昇する。この温度上昇の早さは１時間当り１℃以下となるようにすることができる。したがって、床冷却を行わなくても床表面温度をかなり長時間に亘って低温度に保つことができる。
【００２４】
図２は前記蓄熱型冷却床８の実施例を示し、（ａ）は厚いコンクリート床２２に冷却管２１を埋設した床部材である。冷却管２１は図１に示されるようにポンプ１４、三方弁１６、１７を介してブラインタンク３に連結される。図では冷却管２１は１列に配置されているが多列に配設してよいことは勿論である。
【００２５】
図２（ｂ）は床部材２３を中空に形成し、中空内に冷却管２１を配設し、残りの中空空間に凝固点が０℃よりも低い液体を充たした構成の実施例を示す。そして、通常、液体が凝固する際には体積が膨張し、中空床部材２３を破損することがあるので、液体の冷却温度は凝固点よりも高い温度に留める。図２（ｂ）の構成で、中空空間に水をその凍結による膨張に対する余裕空間を残して入れておくのはさらに好ましい。中空空間に水は充満されていないので、０℃で氷になって体積が膨張しても、中空床部材２３を破損することはない。水が凍る際の潜熱は約８０ｋｃａｌ／ｋｇと大きく、これは水を８０℃上昇させるための熱、或は８０℃降下させるための冷熱に相当するので、水を凍らせることにより床の蓄熱容量を大幅に増大することができる。また、凍った水が全て溶けるまでは、０℃が保たれるので、小さな体積の床で長時間その表面温度を０℃近くに保つことができる。
【００２６】
図２（ｃ）は図２（ｂ）の中空床部材２３をコンクリート床２４に埋設した構成の実施例を示す。前記中空部材の材質は鋼、アルミ等の金属材料或はプラスチック材料で製作することができるが、床上に載置される物体が重量物である場合や人が出入りする場合にはそれなりの強度が要求されるので、中空部材をコンクリート床２４に埋設して、主としてコンクリート床に強度を担わせるように構成した実施例を示したものである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記述されるような効果を奏する。
低温空気層形成部の床部材を蓄熱容量を大きく構成して内部に冷却管を配設し、ブラインチラーで製造される冷ブラインで床部材を冷却する場合と冷却空気を製造して噴出する場合とに切り替えることができるように構成し、低温空気層形成に先立って前記冷ブラインにより床を冷却して冷熱を蓄熱しておき、床が規定温度まで降下した後に前記冷ブラインの流れを切り替えて冷却空気を製造して噴出することにより低温空気層を形成するので、前記冷熱が蓄熱された床部材が低温空気層形成中に冷熱源として作用して床表面温度を低温に保ち、温度が低く厚い低温空気層を形成することができるとともに、前記冷熱製造部の冷熱製造能力を半減することが可能となり、冷熱製造部の設備費用を大幅に低減することができる。
【００２８】
床部材を中空の部材として該中空空間に冷却管を配設し、残りの空間を凝固点が０℃よりも低い液体で充たして凝固点よりは高い温度まで該液体に相変化を起こさせることなく冷却することができるようにして、小さな体積で大きな蓄熱容量を持つ床とすることができる。
【００２９】
床部材を中空の部材として該中空空間に冷却管を配設し、残りの空間に水をその凍結による膨張の余裕を残して入れておくことにより、水が完全に凍っても相変化による体積の膨張により中空部材が破損されることがなく、水を入れた中空床部材の蓄熱容量を格段に増大することができる。
【００３０】
中空床部材をコンクリート床に埋設することにより、床上に重量物が載置される場合や人が出入りする場合にも前記中空床部材に掛かる荷重を軽減することができ、中空部材に対する強度要求を緩和でき、床部材の製作コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係わる冷熱蓄熱床を備えた低温空気層形成システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１における低温空気層形成部の床部材の構成を示す断面図である。
【図３】図１の床を冷却する場合の床表面温度の時間に対する経過と床冷却を止めて冷却空気を噴出する場合の前記床表面温度、冷却空気、及び低温空気層の温度の時間に対する経過を示すグラフである。
【図４】従来の低温空気層形成システムの概略構成を示すブロック図である。
【図５】図４の低温空気層形成部を示す斜視図である。
【図６】低温空気層形成に際し、床冷却を行なわない場合と床冷却を行った場合の低温空気層の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
１ ブラインチラー
２ 冷却塔
３ ブラインタンク
４ 空気冷却器
５ 冷却空気ダクト
６ 空間仕切り壁
７ 冷却空気噴出ダクト
８ 蓄熱型冷却床
１０ 冷熱製造部
１１ 冷却床パネル
１２、１３、１４、１５ ポンプ
１６、１７ 三方弁
２０ 低温空気層形成部
２１ 冷却管
２２、２４ コンクリート床
２３ 中空床部材

Claims (7)

1. 冷熱製造部と低温空気層形成部からなり、前記冷熱製造部で製造された冷却剤（冷ブライン）により冷却された空気の床上部への噴出と前記冷却剤により冷却された冷却床の低温により低温空気層を形成する低温空気層形成システムにおいて、前記低温空気層形成部の床部材を前記冷却剤で冷却して冷熱蓄熱可能に構成することを特徴とする冷熱蓄熱床を備えた低温空気層形成システム。
2. 前記床部材はコンクリートに前記冷却剤が流通する冷却パイプを埋め込んだ床部材であることを特徴とする請求項１記載の冷熱蓄熱床を備えた低温空気層形成システム。
3. 前記床部材が中空の部材であって中空内に前記冷却剤が流通する冷却パイプが配設され、中空内の残りの空間には凝固点が０℃よりも低い液体が充満されていることを特徴とする請求項１記載の冷熱蓄熱床を備えた低温空気層形成システム。
4. 前記床部材が中空の部材であって中空内に前記冷却剤が流通する冷却パイプが配設され、中空内の残りの空間には水がその凍結により膨張する余裕空間を残して入れられていることを特徴とする請求項１記載の冷熱蓄熱床を備えた低温空気層形成システム。
5. 前記中空の部材がコンクリート床に埋め込まれていることを特徴とする請求項３或は４に記載の冷熱蓄熱床を備えた低温空気層形成システム。
6. 冷熱製造部と低温空気層形成部からなり、前記冷熱製造部で製造された冷却剤（冷ブライン）により冷却された空気の床上部への噴出と前記冷却剤により冷却された冷熱蓄熱容量の大きい床の低温により低温空気層を形成する低温空気層形成システムの運用方法であって、前記冷却空気を噴出させて低温空気層を形成する前に予め前記冷却剤を床の冷却に使用し、その後に前記冷却剤の流れを切り替えて空気の冷却に使用し冷却空気を床上部に噴出させることを特徴とする冷熱蓄熱床を備えた低温空気層形成システムの運用方法。
7. 前記冷却剤による床の冷却は電力料金の安い深夜電力を用いて行うことを特徴とする請求項６記載の冷熱蓄熱床を備えた低温空気層形成システムの運用方法。

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