JP2004212008A - 蓄熱システムおよびその蓄熱システムを備えた構造物 - Google Patents
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Abstract
【課題】混合域が形成されにくい蓄熱効率に優れた蓄熱システムを提供する。
【解決手段】媒体が入出可能な上部流通口と下部流通口とが鉛直方向に離間して設けられ、内部に温度が異なる媒体からなる温度成層が形成される蓄熱槽と、前記蓄熱槽に供給される前記媒体を設定温度とする熱源機器と、前記蓄熱槽から供給される熱を利用する熱利用手段と、前記蓄熱槽に前記媒体を供給する供給手段に設けられ、前記蓄熱槽に供給される前記媒体の流量を制御する流量制御手段とを備えた蓄熱システムとする。
【選択図】 図１
【解決手段】媒体が入出可能な上部流通口と下部流通口とが鉛直方向に離間して設けられ、内部に温度が異なる媒体からなる温度成層が形成される蓄熱槽と、前記蓄熱槽に供給される前記媒体を設定温度とする熱源機器と、前記蓄熱槽から供給される熱を利用する熱利用手段と、前記蓄熱槽に前記媒体を供給する供給手段に設けられ、前記蓄熱槽に供給される前記媒体の流量を制御する流量制御手段とを備えた蓄熱システムとする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄熱システムおよびその蓄熱システムを備えた構造物に関し、より詳細には、隣接する温度成層を良好に分離できる蓄熱効率に優れた蓄熱システムと、前記蓄熱システムを備えたエネルギーを有効に利用できる構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、集合住宅やビルなどの構造物に備えられ、空調などに利用される熱エネルギーを貯蔵する様々な蓄熱システムが提案されている。エネルギーを効率よく利用できる蓄熱システムとしては、段階的に熱を利用する温度成層型の蓄熱システムが挙げられる。温度成層型の蓄熱システムは、蓄熱媒体である水の温度による密度差を利用して、蓄熱槽内に垂直方向に温度成層を形成させて蓄熱するものであり、蓄熱槽内の温度レベルが均一化してしまうことによる熱効率の低下を防止することができる。
【０００３】
しかしながら、従来の温度成層型の蓄熱システムでは、高温層の水と低温層の水とが混合し、隣接する温度成層間に混合域が形成されて、温度成層が乱されることにより、熱効率が低下してしまうことが問題となっている。
この問題を解決する方法として、高温層の水と低温層の水とが混合されるのを防ぐことができるＳ字型連通管を利用して、蓄熱槽の流通口を形成する方法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｓ字型連通管を利用しても、隣接する温度成層間に混合域が形成されてしまう場合があり、熱効率を向上させる効果が十分に得られなかった。また、Ｓ字型連通管を利用しても、熱効率を向上させる効果が十分に得られないため、蓄熱槽の全ての流通口を、Ｓ字型連通管を利用して形成する必要があった。このため、蓄熱槽が複数の槽からなる場合には、使用するＳ字型連通管の数が非常に多くなり、蓄熱システムの設置や管理に要する手間や費用も非常に多くなってしまうことが問題となっていた。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、混合域が形成されにくく、隣接する温度成層を良好に分離できる蓄熱効率に優れた蓄熱システムを提供することを目的としている。
また、上記の蓄熱システムを備えたエネルギーを有効に利用できる構造物を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の蓄熱システムは、媒体が入出可能な上部流通口と下部流通口とが鉛直方向に離間して設けられ、内部に温度が異なる媒体からなる温度成層が形成される蓄熱槽と、前記蓄熱槽に供給される前記媒体を設定温度とする熱源機器と、前記蓄熱槽から供給される熱を利用する熱利用手段と、前記蓄熱槽に前記媒体を供給する供給手段に設けられ、前記蓄熱槽に供給される前記媒体の流量を制御する流量制御手段とを備えたことを特徴とする。
本明細書において「設定温度」とは、蓄熱槽に畜冷または蓄熱させる場合に予め設定される温度であり、蓄熱槽に供給される媒体に熱源機器が与える温度である。
本明細書において「流量」とは、一定の時間内に流される媒体の容量のことを意味する。
【０００７】
上記の蓄熱システムによれば、蓄熱槽に媒体を供給する供給手段に、蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御する流量制御手段が備えられているので、蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御することができ、上部流通口または下部流通口での媒体の流速を制御することができる。
混合域は、主に、媒体が貯留されている蓄熱槽に、貯留されている媒体と異なる温度の媒体が流入されて、蓄熱槽に貯留されていた媒体からなる温度成層が乱され、蓄熱槽に流入された媒体と蓄熱槽に貯留されていた媒体とが混合されることによって形成され、媒体が供給される上部流通口または下部流通口での媒体の流速が速くなればなるほど多く形成される。
したがって、上部流通口または下部流通口での媒体の流速を制御することで、蓄熱槽に媒体が流入されることによって生じる混合域の形成を抑止することができる。よって、従来の蓄熱システムと比較して、優れた熱効率を得ることが可能となる。
【０００８】
また、上記の蓄熱システムにおいて、流量制御手段は、蓄熱槽に媒体を流入し始めてから、蓄熱槽に流入された媒体からなる温度成層が形成されるまでの間が、蓄熱槽に流入された媒体からなる温度成層が形成された後よりも少なくなるように、流量を制御するものとしてもよい。
本発明者らは、鋭意研究を重ね、上記の蓄熱システムにおいて、形成される混合域の量が、蓄熱槽に流入される媒体の流量を多くすればするほど多くなり、少なくすればするほど少なくなるという知見を得た。したがって、形成される混合域の量を少なくするには、蓄熱槽に流入される媒体の流量を少なくすればよい。しかし、蓄熱槽に流入される媒体の流量を少なくすると、蓄熱に要する時間が長くなってしまうという不都合が生じてしまう。
【０００９】
そこで、本発明者らは、さらに鋭意研究を重ね、混合域が形成されるのは、主に、蓄熱槽に媒体を流入し始めてから、蓄熱槽に流入された媒体が蓄熱槽に貯留されていた媒体と分離されて新たな温度成層を形成するまでの間であることを見いだし、上記の蓄熱システムを見いだした。
すなわち、上記の蓄熱システムによれば、混合域が主に形成される間の流量を少なくすることができるので、効果的に混合域の形成を防ぐことができる。しかも、蓄熱槽に流入された媒体からなる温度成層が形成された後に、流量を多くすることで、混合域の形成を防ぐために長くなる蓄熱時間を抑制することができる。
【００１０】
また、上記の蓄熱システムにおいて、流量制御手段は、蓄熱槽内に配置された制御弁を備え、制御弁は、制御弁を取り囲む媒体の温度に応じて開閉されるものであり、制御弁の開閉により流量が制御されるものとすることができる。
このような蓄熱システムとすることで、制御弁を取り囲む媒体の温度が設定温度でないときは、制御弁が自動的に閉じられて、制御弁が開かれたときよりも流量が少なくなるように制御され、制御弁を取り囲む媒体の温度が設定温度であるときは、制御弁が自動的に開かれて流量が多くなるように制御される蓄熱システムを実現することができる。
【００１１】
例えば、蓄熱槽に媒体を流入し始めてから、蓄熱槽に流入された媒体が蓄熱槽内の制御弁が配置された高さに到着するまでの間は、自動的に流量が少なくなるように制御され、蓄熱槽内の制御弁が配置された高さに、蓄熱槽に流入された媒体が到着した段階で、自動的に流量が多くなるように制御される蓄熱システムを実現することができる。
よって、上記の蓄熱システムによれば、効果的に混合域の形成を防ぐことができ、なおかつ、混合域の形成を防ぐために長くなる蓄熱時間を効果的に抑制することができる。
【００１２】
また、上記の蓄熱システムにおいては、制御弁が、温度変化に対応する形状記憶合金の変形を利用して開閉されるものとすることができる。
このような蓄熱システムとすることで、制御弁を取り囲む媒体の温度に応じて自動的に開閉される制御弁を備えた蓄熱システムを容易に得ることができる。
【００１３】
また、上記の蓄熱システムにおいて、蓄熱槽は、複数の槽からなり、複数の槽は、媒体が流入される槽から媒体が流出する槽まで直列に連結されているものであってもよい。
本明細書において「直列に連結された」とは、連通管を適切な位置に設ける方法などにより各槽間が連結され、蓄熱槽内に鉛直方向に形成される温度成層を保ったまま、高温側から低温側に向かって、または低温側から高温側に向かって、媒体が各層間を移動可能とされていることを意味する。
【００１４】
このような蓄熱システムとすることで、蓄熱槽の高さを鉛直方向に高くすることなく蓄熱槽の容量を増大させることができ、しかも、蓄熱槽の高さを鉛直方向に高くした場合と同様に温度成層が形成される蓄熱システムとすることができる。このため、構造物に蓄熱システムを設置する際に、蓄熱槽を設ける場所を容易に確保することができる。例えば、構造物の基礎部の空間などを利用して蓄熱槽を設けることが可能である。
また、上記の蓄熱システムにおいては、蓄熱槽に畜冷させるか蓄熱させるかを、蓄熱槽に貯留される媒体の温度と熱利用手段によって利用される熱の温度との関係によって決定することができる。また、蓄熱槽に畜冷させるか蓄熱させるかは、季節や用途などに応じて選択することができ、適宜変更することができる。
【００１５】
また、上記のいずれかの蓄熱システムにおいては、媒体は、利用可能なものであればいかなるものであってもよく、特に限定されないが、取り扱い易さや、蓄熱温度範囲の任意性、比熱の大きさなどの観点から、水であることが望ましい。
【００１６】
また、上記の課題を解決するために、本発明の建造物は、上記のいずれかの蓄熱システムを備えたことを特徴とする。
このような建造物とすることで、熱効率に優れた蓄熱システムを備えたエネルギーを有効に利用できる構造物を実現することができる。
また、上記の建造物では、特に、熱利用手段が空調設備である場合に、エネルギーの有効利用が効果的に実現される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の蓄熱システムおよび構造物をより詳細に説明する。
図１は、本発明の蓄熱システムの一例を説明するための概略図である。図１に示す蓄熱システム１は、媒体が入出可能な上部流通口８２と下部流通口８１とを備え、媒体である水を貯留することによって蓄熱する蓄熱槽１０と、蓄熱槽１０に供給される水を設定温度とするものであり、ヒートポンプなどが用いられる熱源機器２０と、蓄熱槽１０から供給される熱を利用する熱利用手段である空調設備３０と、熱源機器２０または空調設備３０と上部流通口８２または下部流通口８１との間を接続する供給手段７１、７２とを備えている。
【００１８】
さらに、図１に示す蓄熱システム１は、蓄熱時に使用される蓄熱用ポンプ２１と、熱利用時に使用される熱利用手段用ポンプ３１と、蓄熱システム１の利用状況に応じて水の流れを制御するための弁６１、６２、６３、６４、６５、６８とを備えている。
【００１９】
蓄熱槽１０は、第１槽１１と第２槽１２と第３槽１３と第４槽１４とを備え、第１槽１１と第２槽１２と第３槽１３と第４槽１４とが、連通管４１、４２、４３によって直列に連結されている。また、第１槽１１の底部には、上部流通口８２が配置され、第４槽１４の水面近くには、下部流通口８１が配置され、第１槽１１が低温側、第４槽１４が高温側となるように、各槽の間を貫通して隣接する低温側の槽の水面近くと高温側の槽の底部とを連結する連通管４１、４２、４３が形成され、水が流入される槽から水が流出する槽に向かって、温度成層を保ったまま水が移動できるようにされている。
【００２０】
また、上部流通口８２および下部流通口８１は、一対の平面視円形の整流板１２３、１２４を備え、対向する整流板１２３、１２４の間の隙間を介して水が入出されるようになっている。整流板１２３、１２４の寸法は、特に制限されるものではない。
【００２１】
供給手段７１、７２は、熱源機器２０から蓄熱槽１０に供給される設定温度とされた水（以下、「設定温度媒体」という）の流量を制御する制御弁５１、５２（特許請求の範囲における「流量制御手段」に相当する）を備えている。制御弁５１は、第１槽１１に配置され、下部流通口８１から蓄熱槽１０に供給される設定温度媒体の流量を制御するものである。
【００２２】
また、制御弁５２は、第４槽１４に配置され、上部流通口８２から蓄熱槽１０に供給される設定温度媒体の流量を制御するものである。また、制御弁５１、５２は、完全に閉じた状態で得られる最小流量が混合域の形成を抑止可能な流量となり、完全に開かれた状態で得られる最大流量が熱源機器２０のエネルギー供給能力を最大限使用した場合の流量となるように、予め設定されている。
【００２３】
制御弁５１、５２は、制御弁５１、５２を取り囲む水の温度に応じて開閉されるものであり、制御弁５１は、設定温度以下である場合に開かれ、制御弁５２は、設定温度以上である場合に開かれる。
なお、図１に示す蓄熱システムを利用して空調する場合、制御弁５１における設定温度は、畜冷時に熱源機器２０によって低温度とされる設定温度媒体の温度に応じて決定され、制御弁５２における設定温度は、蓄熱時に熱源機器２０によって高温度とされる設定温度媒体の温度に応じて決定される。
【００２４】
制御弁５１、５２は、図１に示すように、温度変形バネ１１２を備えたものであり、温度変形バネ１１２の変形を利用して開閉される。温度変形バネ１１２は、形状記憶合金からなり、所定の範囲内の温度変化に対応して長さが著しく変化するものである。温度変形バネ１１２の長さが著しく変化する温度の範囲は、形状記憶合金の材質によって決定される。したがって、温度変形バネ１１２は、使用する形状記憶合金の材質を適切に選択することによって、制御弁５１にも制御弁５２にも好ましく使用される。
【００２５】
次に、図１に示す蓄熱システムを利用して空調する方法の一例を説明する。
はじめに、図１に示す蓄熱システムを利用して畜冷、冷房する場合について説明する。図１に示す蓄熱システムを利用して畜冷、冷房する場合には、弁６４、６５が閉じられ、弁６２、６３が開けられる。
【００２６】
（畜冷時）
畜冷する場合には、弁６８が閉じられ、弁６１が開けられ、蓄熱用ポンプ２１が機動される。そして、蓄熱用ポンプ２１の搬送動力により、熱源機器２０によって例えば５℃程度の所定の低温度とされた設定温度媒体が下部流通口８１から供給される。
【００２７】
畜冷が開始されると、図２に示すように、設定温度媒体９１と蓄熱槽１０に貯留されていた蓄熱槽１０に熱源機器２０から流入される設定温度媒体と異なる温度の水（以下、「設定温度外媒体」という）である貯留媒体９２とによって温度成層が形成される。
【００２８】
制御弁５１は、設定温度媒体９１の流入が開始されてから、制御弁５１を構成する温度変形バネ１１２が配置された位置に設定温度媒体９１が到着するまで自動的に閉じられる。また、設定温度媒体９１が、制御弁５１を構成する温度変形バネ１１２が配置された位置に到着すると、制御弁５１が自動的に開かれる。制御弁５１が開かれた時点では、図３に示すように、蓄熱槽１０内に設定温度媒体９１からなる温度成層が形成されている。
そして、供給された設定温度媒体９１が、上部流通口８２が配置された位置に到着することにより、蓄熱槽１０内の換水が終了し、畜冷が完了する。
【００２９】
（冷房時）
冷房する場合には、弁６８が開けられ、弁６１が閉じられ、熱利用手段用ポンプ３１が機動される。そして、熱利用手段用ポンプ３１の搬送動力により、設定温度媒体９１が下部流通口８１から空調設備３０に供給され、蓄熱槽１０から空調設備３０に畜冷された熱が供給されるとともに、空調設備３０に利用されることよって熱エネルギーが消費されて設定温度外の温度とされた例えば１５℃程度の設定温度外媒体であって、畜冷時における貯留媒体９２が上部流通口８２から供給される。
【００３０】
次に、図１に示す蓄熱システムを利用して畜熱、暖房する場合について説明する。図１に示す蓄熱システムを利用して畜熱、暖房する場合には、弁６４、６５が開けられ、弁６２、６３が閉じられる。
【００３１】
（畜熱時）
畜熱する場合には、弁６８が閉じられ、弁６１が開けられ、蓄熱用ポンプ２１が機動される。そして、蓄熱用ポンプ２１の搬送動力により、熱源機器２０によって例えば５０℃程度の所定の高温度とされた設定温度媒体が上部流通口８２から供給される。
【００３２】
暖房する場合の畜熱時と上述した冷房する場合の畜冷時とでは、蓄熱槽１０に流入された設定温度媒体の移動方向が反対方向となるが、暖房する場合も畜熱が開始されると、上述した冷房する場合の畜冷時と同様に、温度成層が形成される。
【００３３】
制御弁５２は、設定温度媒体の流入が開始されてから、制御弁５２を構成する温度変形バネ１１２が配置された位置に設定温度媒体が到着するまで自動的に閉じられる。また、設定温度媒体が、制御弁５２を構成する温度変形バネ１１２が配置された位置に到着すると、制御弁５２が自動的に開かれる。制御弁５２が開かれた時点では、蓄熱槽１０内に設定温度媒体からなる温度成層が形成されている。
そして、供給された設定温度媒体が、下部流通口８１が配置された位置に到着することにより、蓄熱槽１０内の換水が終了し、蓄熱が完了する。
【００３４】
（暖房時）
暖房する場合には、弁６８が開けられ、弁６１が閉じられ、熱利用手段用ポンプ３１が機動される。そして、熱利用手段用ポンプ３１の搬送動力により、設定温度媒体が上部流通口８２から空調設備３０に供給され、蓄熱槽１０から空調設備３０に蓄熱された熱が供給されるとともに、空調設備３０に利用されることよって熱エネルギーが消費されて設定温度外の温度とされた例えば４０℃程度の設定温度外の温度とされた設定温度外媒体であって、蓄熱時における貯留媒体が下部流通口８１から供給される。
【００３５】
なお、図１に示す蓄熱システムにおいて、設定温度媒体と設定温度外媒体との温度差は、特に限定されないが、図１に示す蓄熱システムを利用して空調する場合、優れた熱効率を得るために、５℃〜２０℃の範囲とすることが望ましく、１０℃〜１５℃の範囲とすることがより望ましい。
【００３６】
このような蓄熱システムにおいては、完全に閉じた状態で得られる最小流量が混合域の形成を抑止可能な流量となる制御弁５１、５２が備えられ、設定温度媒体の流入が開始されてから、制御弁５１、５２を構成する温度変形バネ１１２が配置された位置に設定温度媒体が到着するまで、制御弁５１、５２が自動的に閉じられる。よって、蓄熱槽１０に設定温度媒体が流入されることによって貯留媒体９２からなる温度成層が乱されて生じる混合域の形成を抑止することができ、従来の蓄熱システムと比較して、優れた熱効率が得られる。
【００３７】
また、制御弁５１、５２を温度変化に対応する形状記憶合金の変形を利用して開閉されるものとしたので、制御弁５１、５２を取り囲む水の温度に応じて自動的に開閉されるものとなる。
また、制御弁５１、５２が、設定温度媒体の流入が開始されてから温度変形バネ１１２が配置された位置に設定温度媒体が到着するまで自動的に閉じられ、設定温度媒体が温度変形バネ１１２が配置された位置に到着すると自動的に開かれるので、設定温度媒体を流入し始めてから設定温度媒体からなる温度成層が形成されるまでの間の流量が、混合域の形成を抑止可能な最小流量となり、設定温度媒体からなる温度成層が形成された後の流量が、熱源機器２０のエネルギー供給能力を最大限使用した最大流量となる。
よって、蓄熱槽１０に畜冷させる場合であっても、蓄熱槽１０に蓄熱させる場合であっても、効果的に混合域の形成を防ぐことができ、なおかつ、混合域の形成を防ぐために長くなる蓄熱時間を抑制することができる。
【００３８】
また、蓄熱槽１０が、第１槽１１と第２槽１２と第３槽１３と第４槽１４の４槽からなり、第１槽１１と第２槽１２と第３槽１３と第４槽１４とが、連通管４１、４２、４３によって直列に連結されているので、構造物に蓄熱システムを設置する際に、蓄熱槽１０を設ける場所を容易に確保することができる。
【００３９】
また、上部流通口８２および下部流通口８１が、対向する整流板１２３、１２４の間の隙間を介して水が入出されるようになっているので、例えば、対向する整流板１２３、１２４のうちのいずれか一方を取り外した状態で水が入出される場合と比較して、上部流通口８２および下部流通口８１の開閉が蓄熱槽１０内の温度成層の形成に支障をきたすことを防止できる。
【００４０】
なお、本発明の蓄熱システムは、上述した例に限定されるものではなく、例えば、上述した例における制御弁に代えて、設備機器などにおける凍結防止弁や過熱防止弁などに使用され、温度変化に対応する容積変化を利用して開閉されるワックス弁と呼ばれるタイプのものを使用してもよい。
【００４１】
また、本発明の蓄熱システムにおいては、槽の数は何槽でもよく、蓄熱槽の容量や設置場所の条件などに応じて決定することができ、特に限定されない。
また、上部流通口８２および下部流通口８１の形状も、上述した例に限定されるものではなく、例えば、供給手段を構成する配管を単に切断した形状とされていてもよい。
また、整流板１２３、１２４の形状は、蓄熱槽１０内に形成される温度成層への影響を防ぐために、平面視円形であることが望ましいが、対向する整流板１２３、１２４のうちのいずれか一方または両方が、矩形など他の形状とされていてもよい。
【００４２】
さらに、上述した例においては、本発明の蓄熱システムの一例として、畜冷時および蓄熱時に、蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御する蓄熱システムを例に挙げて説明したが、例えば、より一層熱効率を高めるために、畜冷時および蓄熱時だけでなく、畜冷時および蓄熱時と同様にして冷房時および暖房時も蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御するものとしてもよい。また、畜冷時および蓄熱時でなく冷房時および暖房時に、蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御するものとしてもよい。この場合にも、従来の蓄熱システムと比較して、優れた熱効率を得ることが可能となる。
【００４３】
図４は、本発明の建造物の一例を説明するための概略図である。
図４に示す建造物は、図１に示す蓄熱システムを備えたものである。図４において、符号Ｇ．Ｌは地表面の位置を示し、符号２０１は基礎部に設けられた地下ピットを示している。地下ピット２０１には、蓄熱システムを構成する蓄熱槽が設けられ、蓄熱槽から供給される熱が各階に備えられた空調設備３０によって利用されるようになっている。
【００４４】
このような建造物は、上述した蓄熱システムを備えたものであるので、エネルギーを有効に利用できる。
また、地下ピット２０１を利用して蓄熱槽を設けることができる。
【００４５】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御することができ、上部流通口または下部流通口での媒体の流速を制御することができるので、蓄熱槽に媒体が流入されることによって生じる混合域の形成を抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蓄熱システムの一例を説明するための概略図である。
【図２】図１に示す蓄熱システムを利用して空調する方法の一例を説明するための図である。
【図３】図１に示す蓄熱システムを利用して空調する方法の一例を説明するための図である。
【図４】本発明の建造物の一例を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１…蓄熱システム
１０…蓄熱槽
１１…第１槽
１２…第２槽
１３…第３槽
１４…第４槽
２０…熱源機器
２１…蓄熱用ポンプ
３０…空調設備
３１…熱利用手段用ポンプ
４１、４２、４３…連通管
５１、５２…制御弁
６１、６２、６３、６４、６５、６８…弁
７１、７２…供給手段
８１…下部流通口
８２…上部流通口
９１…設定温度媒体
９２…貯留媒体
１１２…温度変形バネ
１２３、１２４…整流板
２０１…地下ピット
Ｇ．Ｌ…地表面の位置
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄熱システムおよびその蓄熱システムを備えた構造物に関し、より詳細には、隣接する温度成層を良好に分離できる蓄熱効率に優れた蓄熱システムと、前記蓄熱システムを備えたエネルギーを有効に利用できる構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、集合住宅やビルなどの構造物に備えられ、空調などに利用される熱エネルギーを貯蔵する様々な蓄熱システムが提案されている。エネルギーを効率よく利用できる蓄熱システムとしては、段階的に熱を利用する温度成層型の蓄熱システムが挙げられる。温度成層型の蓄熱システムは、蓄熱媒体である水の温度による密度差を利用して、蓄熱槽内に垂直方向に温度成層を形成させて蓄熱するものであり、蓄熱槽内の温度レベルが均一化してしまうことによる熱効率の低下を防止することができる。
【０００３】
しかしながら、従来の温度成層型の蓄熱システムでは、高温層の水と低温層の水とが混合し、隣接する温度成層間に混合域が形成されて、温度成層が乱されることにより、熱効率が低下してしまうことが問題となっている。
この問題を解決する方法として、高温層の水と低温層の水とが混合されるのを防ぐことができるＳ字型連通管を利用して、蓄熱槽の流通口を形成する方法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｓ字型連通管を利用しても、隣接する温度成層間に混合域が形成されてしまう場合があり、熱効率を向上させる効果が十分に得られなかった。また、Ｓ字型連通管を利用しても、熱効率を向上させる効果が十分に得られないため、蓄熱槽の全ての流通口を、Ｓ字型連通管を利用して形成する必要があった。このため、蓄熱槽が複数の槽からなる場合には、使用するＳ字型連通管の数が非常に多くなり、蓄熱システムの設置や管理に要する手間や費用も非常に多くなってしまうことが問題となっていた。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、混合域が形成されにくく、隣接する温度成層を良好に分離できる蓄熱効率に優れた蓄熱システムを提供することを目的としている。
また、上記の蓄熱システムを備えたエネルギーを有効に利用できる構造物を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の蓄熱システムは、媒体が入出可能な上部流通口と下部流通口とが鉛直方向に離間して設けられ、内部に温度が異なる媒体からなる温度成層が形成される蓄熱槽と、前記蓄熱槽に供給される前記媒体を設定温度とする熱源機器と、前記蓄熱槽から供給される熱を利用する熱利用手段と、前記蓄熱槽に前記媒体を供給する供給手段に設けられ、前記蓄熱槽に供給される前記媒体の流量を制御する流量制御手段とを備えたことを特徴とする。
本明細書において「設定温度」とは、蓄熱槽に畜冷または蓄熱させる場合に予め設定される温度であり、蓄熱槽に供給される媒体に熱源機器が与える温度である。
本明細書において「流量」とは、一定の時間内に流される媒体の容量のことを意味する。
【０００７】
上記の蓄熱システムによれば、蓄熱槽に媒体を供給する供給手段に、蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御する流量制御手段が備えられているので、蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御することができ、上部流通口または下部流通口での媒体の流速を制御することができる。
混合域は、主に、媒体が貯留されている蓄熱槽に、貯留されている媒体と異なる温度の媒体が流入されて、蓄熱槽に貯留されていた媒体からなる温度成層が乱され、蓄熱槽に流入された媒体と蓄熱槽に貯留されていた媒体とが混合されることによって形成され、媒体が供給される上部流通口または下部流通口での媒体の流速が速くなればなるほど多く形成される。
したがって、上部流通口または下部流通口での媒体の流速を制御することで、蓄熱槽に媒体が流入されることによって生じる混合域の形成を抑止することができる。よって、従来の蓄熱システムと比較して、優れた熱効率を得ることが可能となる。
【０００８】
また、上記の蓄熱システムにおいて、流量制御手段は、蓄熱槽に媒体を流入し始めてから、蓄熱槽に流入された媒体からなる温度成層が形成されるまでの間が、蓄熱槽に流入された媒体からなる温度成層が形成された後よりも少なくなるように、流量を制御するものとしてもよい。
本発明者らは、鋭意研究を重ね、上記の蓄熱システムにおいて、形成される混合域の量が、蓄熱槽に流入される媒体の流量を多くすればするほど多くなり、少なくすればするほど少なくなるという知見を得た。したがって、形成される混合域の量を少なくするには、蓄熱槽に流入される媒体の流量を少なくすればよい。しかし、蓄熱槽に流入される媒体の流量を少なくすると、蓄熱に要する時間が長くなってしまうという不都合が生じてしまう。
【０００９】
そこで、本発明者らは、さらに鋭意研究を重ね、混合域が形成されるのは、主に、蓄熱槽に媒体を流入し始めてから、蓄熱槽に流入された媒体が蓄熱槽に貯留されていた媒体と分離されて新たな温度成層を形成するまでの間であることを見いだし、上記の蓄熱システムを見いだした。
すなわち、上記の蓄熱システムによれば、混合域が主に形成される間の流量を少なくすることができるので、効果的に混合域の形成を防ぐことができる。しかも、蓄熱槽に流入された媒体からなる温度成層が形成された後に、流量を多くすることで、混合域の形成を防ぐために長くなる蓄熱時間を抑制することができる。
【００１０】
また、上記の蓄熱システムにおいて、流量制御手段は、蓄熱槽内に配置された制御弁を備え、制御弁は、制御弁を取り囲む媒体の温度に応じて開閉されるものであり、制御弁の開閉により流量が制御されるものとすることができる。
このような蓄熱システムとすることで、制御弁を取り囲む媒体の温度が設定温度でないときは、制御弁が自動的に閉じられて、制御弁が開かれたときよりも流量が少なくなるように制御され、制御弁を取り囲む媒体の温度が設定温度であるときは、制御弁が自動的に開かれて流量が多くなるように制御される蓄熱システムを実現することができる。
【００１１】
例えば、蓄熱槽に媒体を流入し始めてから、蓄熱槽に流入された媒体が蓄熱槽内の制御弁が配置された高さに到着するまでの間は、自動的に流量が少なくなるように制御され、蓄熱槽内の制御弁が配置された高さに、蓄熱槽に流入された媒体が到着した段階で、自動的に流量が多くなるように制御される蓄熱システムを実現することができる。
よって、上記の蓄熱システムによれば、効果的に混合域の形成を防ぐことができ、なおかつ、混合域の形成を防ぐために長くなる蓄熱時間を効果的に抑制することができる。
【００１２】
また、上記の蓄熱システムにおいては、制御弁が、温度変化に対応する形状記憶合金の変形を利用して開閉されるものとすることができる。
このような蓄熱システムとすることで、制御弁を取り囲む媒体の温度に応じて自動的に開閉される制御弁を備えた蓄熱システムを容易に得ることができる。
【００１３】
また、上記の蓄熱システムにおいて、蓄熱槽は、複数の槽からなり、複数の槽は、媒体が流入される槽から媒体が流出する槽まで直列に連結されているものであってもよい。
本明細書において「直列に連結された」とは、連通管を適切な位置に設ける方法などにより各槽間が連結され、蓄熱槽内に鉛直方向に形成される温度成層を保ったまま、高温側から低温側に向かって、または低温側から高温側に向かって、媒体が各層間を移動可能とされていることを意味する。
【００１４】
このような蓄熱システムとすることで、蓄熱槽の高さを鉛直方向に高くすることなく蓄熱槽の容量を増大させることができ、しかも、蓄熱槽の高さを鉛直方向に高くした場合と同様に温度成層が形成される蓄熱システムとすることができる。このため、構造物に蓄熱システムを設置する際に、蓄熱槽を設ける場所を容易に確保することができる。例えば、構造物の基礎部の空間などを利用して蓄熱槽を設けることが可能である。
また、上記の蓄熱システムにおいては、蓄熱槽に畜冷させるか蓄熱させるかを、蓄熱槽に貯留される媒体の温度と熱利用手段によって利用される熱の温度との関係によって決定することができる。また、蓄熱槽に畜冷させるか蓄熱させるかは、季節や用途などに応じて選択することができ、適宜変更することができる。
【００１５】
また、上記のいずれかの蓄熱システムにおいては、媒体は、利用可能なものであればいかなるものであってもよく、特に限定されないが、取り扱い易さや、蓄熱温度範囲の任意性、比熱の大きさなどの観点から、水であることが望ましい。
【００１６】
また、上記の課題を解決するために、本発明の建造物は、上記のいずれかの蓄熱システムを備えたことを特徴とする。
このような建造物とすることで、熱効率に優れた蓄熱システムを備えたエネルギーを有効に利用できる構造物を実現することができる。
また、上記の建造物では、特に、熱利用手段が空調設備である場合に、エネルギーの有効利用が効果的に実現される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の蓄熱システムおよび構造物をより詳細に説明する。
図１は、本発明の蓄熱システムの一例を説明するための概略図である。図１に示す蓄熱システム１は、媒体が入出可能な上部流通口８２と下部流通口８１とを備え、媒体である水を貯留することによって蓄熱する蓄熱槽１０と、蓄熱槽１０に供給される水を設定温度とするものであり、ヒートポンプなどが用いられる熱源機器２０と、蓄熱槽１０から供給される熱を利用する熱利用手段である空調設備３０と、熱源機器２０または空調設備３０と上部流通口８２または下部流通口８１との間を接続する供給手段７１、７２とを備えている。
【００１８】
さらに、図１に示す蓄熱システム１は、蓄熱時に使用される蓄熱用ポンプ２１と、熱利用時に使用される熱利用手段用ポンプ３１と、蓄熱システム１の利用状況に応じて水の流れを制御するための弁６１、６２、６３、６４、６５、６８とを備えている。
【００１９】
蓄熱槽１０は、第１槽１１と第２槽１２と第３槽１３と第４槽１４とを備え、第１槽１１と第２槽１２と第３槽１３と第４槽１４とが、連通管４１、４２、４３によって直列に連結されている。また、第１槽１１の底部には、上部流通口８２が配置され、第４槽１４の水面近くには、下部流通口８１が配置され、第１槽１１が低温側、第４槽１４が高温側となるように、各槽の間を貫通して隣接する低温側の槽の水面近くと高温側の槽の底部とを連結する連通管４１、４２、４３が形成され、水が流入される槽から水が流出する槽に向かって、温度成層を保ったまま水が移動できるようにされている。
【００２０】
また、上部流通口８２および下部流通口８１は、一対の平面視円形の整流板１２３、１２４を備え、対向する整流板１２３、１２４の間の隙間を介して水が入出されるようになっている。整流板１２３、１２４の寸法は、特に制限されるものではない。
【００２１】
供給手段７１、７２は、熱源機器２０から蓄熱槽１０に供給される設定温度とされた水（以下、「設定温度媒体」という）の流量を制御する制御弁５１、５２（特許請求の範囲における「流量制御手段」に相当する）を備えている。制御弁５１は、第１槽１１に配置され、下部流通口８１から蓄熱槽１０に供給される設定温度媒体の流量を制御するものである。
【００２２】
また、制御弁５２は、第４槽１４に配置され、上部流通口８２から蓄熱槽１０に供給される設定温度媒体の流量を制御するものである。また、制御弁５１、５２は、完全に閉じた状態で得られる最小流量が混合域の形成を抑止可能な流量となり、完全に開かれた状態で得られる最大流量が熱源機器２０のエネルギー供給能力を最大限使用した場合の流量となるように、予め設定されている。
【００２３】
制御弁５１、５２は、制御弁５１、５２を取り囲む水の温度に応じて開閉されるものであり、制御弁５１は、設定温度以下である場合に開かれ、制御弁５２は、設定温度以上である場合に開かれる。
なお、図１に示す蓄熱システムを利用して空調する場合、制御弁５１における設定温度は、畜冷時に熱源機器２０によって低温度とされる設定温度媒体の温度に応じて決定され、制御弁５２における設定温度は、蓄熱時に熱源機器２０によって高温度とされる設定温度媒体の温度に応じて決定される。
【００２４】
制御弁５１、５２は、図１に示すように、温度変形バネ１１２を備えたものであり、温度変形バネ１１２の変形を利用して開閉される。温度変形バネ１１２は、形状記憶合金からなり、所定の範囲内の温度変化に対応して長さが著しく変化するものである。温度変形バネ１１２の長さが著しく変化する温度の範囲は、形状記憶合金の材質によって決定される。したがって、温度変形バネ１１２は、使用する形状記憶合金の材質を適切に選択することによって、制御弁５１にも制御弁５２にも好ましく使用される。
【００２５】
次に、図１に示す蓄熱システムを利用して空調する方法の一例を説明する。
はじめに、図１に示す蓄熱システムを利用して畜冷、冷房する場合について説明する。図１に示す蓄熱システムを利用して畜冷、冷房する場合には、弁６４、６５が閉じられ、弁６２、６３が開けられる。
【００２６】
（畜冷時）
畜冷する場合には、弁６８が閉じられ、弁６１が開けられ、蓄熱用ポンプ２１が機動される。そして、蓄熱用ポンプ２１の搬送動力により、熱源機器２０によって例えば５℃程度の所定の低温度とされた設定温度媒体が下部流通口８１から供給される。
【００２７】
畜冷が開始されると、図２に示すように、設定温度媒体９１と蓄熱槽１０に貯留されていた蓄熱槽１０に熱源機器２０から流入される設定温度媒体と異なる温度の水（以下、「設定温度外媒体」という）である貯留媒体９２とによって温度成層が形成される。
【００２８】
制御弁５１は、設定温度媒体９１の流入が開始されてから、制御弁５１を構成する温度変形バネ１１２が配置された位置に設定温度媒体９１が到着するまで自動的に閉じられる。また、設定温度媒体９１が、制御弁５１を構成する温度変形バネ１１２が配置された位置に到着すると、制御弁５１が自動的に開かれる。制御弁５１が開かれた時点では、図３に示すように、蓄熱槽１０内に設定温度媒体９１からなる温度成層が形成されている。
そして、供給された設定温度媒体９１が、上部流通口８２が配置された位置に到着することにより、蓄熱槽１０内の換水が終了し、畜冷が完了する。
【００２９】
（冷房時）
冷房する場合には、弁６８が開けられ、弁６１が閉じられ、熱利用手段用ポンプ３１が機動される。そして、熱利用手段用ポンプ３１の搬送動力により、設定温度媒体９１が下部流通口８１から空調設備３０に供給され、蓄熱槽１０から空調設備３０に畜冷された熱が供給されるとともに、空調設備３０に利用されることよって熱エネルギーが消費されて設定温度外の温度とされた例えば１５℃程度の設定温度外媒体であって、畜冷時における貯留媒体９２が上部流通口８２から供給される。
【００３０】
次に、図１に示す蓄熱システムを利用して畜熱、暖房する場合について説明する。図１に示す蓄熱システムを利用して畜熱、暖房する場合には、弁６４、６５が開けられ、弁６２、６３が閉じられる。
【００３１】
（畜熱時）
畜熱する場合には、弁６８が閉じられ、弁６１が開けられ、蓄熱用ポンプ２１が機動される。そして、蓄熱用ポンプ２１の搬送動力により、熱源機器２０によって例えば５０℃程度の所定の高温度とされた設定温度媒体が上部流通口８２から供給される。
【００３２】
暖房する場合の畜熱時と上述した冷房する場合の畜冷時とでは、蓄熱槽１０に流入された設定温度媒体の移動方向が反対方向となるが、暖房する場合も畜熱が開始されると、上述した冷房する場合の畜冷時と同様に、温度成層が形成される。
【００３３】
制御弁５２は、設定温度媒体の流入が開始されてから、制御弁５２を構成する温度変形バネ１１２が配置された位置に設定温度媒体が到着するまで自動的に閉じられる。また、設定温度媒体が、制御弁５２を構成する温度変形バネ１１２が配置された位置に到着すると、制御弁５２が自動的に開かれる。制御弁５２が開かれた時点では、蓄熱槽１０内に設定温度媒体からなる温度成層が形成されている。
そして、供給された設定温度媒体が、下部流通口８１が配置された位置に到着することにより、蓄熱槽１０内の換水が終了し、蓄熱が完了する。
【００３４】
（暖房時）
暖房する場合には、弁６８が開けられ、弁６１が閉じられ、熱利用手段用ポンプ３１が機動される。そして、熱利用手段用ポンプ３１の搬送動力により、設定温度媒体が上部流通口８２から空調設備３０に供給され、蓄熱槽１０から空調設備３０に蓄熱された熱が供給されるとともに、空調設備３０に利用されることよって熱エネルギーが消費されて設定温度外の温度とされた例えば４０℃程度の設定温度外の温度とされた設定温度外媒体であって、蓄熱時における貯留媒体が下部流通口８１から供給される。
【００３５】
なお、図１に示す蓄熱システムにおいて、設定温度媒体と設定温度外媒体との温度差は、特に限定されないが、図１に示す蓄熱システムを利用して空調する場合、優れた熱効率を得るために、５℃〜２０℃の範囲とすることが望ましく、１０℃〜１５℃の範囲とすることがより望ましい。
【００３６】
このような蓄熱システムにおいては、完全に閉じた状態で得られる最小流量が混合域の形成を抑止可能な流量となる制御弁５１、５２が備えられ、設定温度媒体の流入が開始されてから、制御弁５１、５２を構成する温度変形バネ１１２が配置された位置に設定温度媒体が到着するまで、制御弁５１、５２が自動的に閉じられる。よって、蓄熱槽１０に設定温度媒体が流入されることによって貯留媒体９２からなる温度成層が乱されて生じる混合域の形成を抑止することができ、従来の蓄熱システムと比較して、優れた熱効率が得られる。
【００３７】
また、制御弁５１、５２を温度変化に対応する形状記憶合金の変形を利用して開閉されるものとしたので、制御弁５１、５２を取り囲む水の温度に応じて自動的に開閉されるものとなる。
また、制御弁５１、５２が、設定温度媒体の流入が開始されてから温度変形バネ１１２が配置された位置に設定温度媒体が到着するまで自動的に閉じられ、設定温度媒体が温度変形バネ１１２が配置された位置に到着すると自動的に開かれるので、設定温度媒体を流入し始めてから設定温度媒体からなる温度成層が形成されるまでの間の流量が、混合域の形成を抑止可能な最小流量となり、設定温度媒体からなる温度成層が形成された後の流量が、熱源機器２０のエネルギー供給能力を最大限使用した最大流量となる。
よって、蓄熱槽１０に畜冷させる場合であっても、蓄熱槽１０に蓄熱させる場合であっても、効果的に混合域の形成を防ぐことができ、なおかつ、混合域の形成を防ぐために長くなる蓄熱時間を抑制することができる。
【００３８】
また、蓄熱槽１０が、第１槽１１と第２槽１２と第３槽１３と第４槽１４の４槽からなり、第１槽１１と第２槽１２と第３槽１３と第４槽１４とが、連通管４１、４２、４３によって直列に連結されているので、構造物に蓄熱システムを設置する際に、蓄熱槽１０を設ける場所を容易に確保することができる。
【００３９】
また、上部流通口８２および下部流通口８１が、対向する整流板１２３、１２４の間の隙間を介して水が入出されるようになっているので、例えば、対向する整流板１２３、１２４のうちのいずれか一方を取り外した状態で水が入出される場合と比較して、上部流通口８２および下部流通口８１の開閉が蓄熱槽１０内の温度成層の形成に支障をきたすことを防止できる。
【００４０】
なお、本発明の蓄熱システムは、上述した例に限定されるものではなく、例えば、上述した例における制御弁に代えて、設備機器などにおける凍結防止弁や過熱防止弁などに使用され、温度変化に対応する容積変化を利用して開閉されるワックス弁と呼ばれるタイプのものを使用してもよい。
【００４１】
また、本発明の蓄熱システムにおいては、槽の数は何槽でもよく、蓄熱槽の容量や設置場所の条件などに応じて決定することができ、特に限定されない。
また、上部流通口８２および下部流通口８１の形状も、上述した例に限定されるものではなく、例えば、供給手段を構成する配管を単に切断した形状とされていてもよい。
また、整流板１２３、１２４の形状は、蓄熱槽１０内に形成される温度成層への影響を防ぐために、平面視円形であることが望ましいが、対向する整流板１２３、１２４のうちのいずれか一方または両方が、矩形など他の形状とされていてもよい。
【００４２】
さらに、上述した例においては、本発明の蓄熱システムの一例として、畜冷時および蓄熱時に、蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御する蓄熱システムを例に挙げて説明したが、例えば、より一層熱効率を高めるために、畜冷時および蓄熱時だけでなく、畜冷時および蓄熱時と同様にして冷房時および暖房時も蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御するものとしてもよい。また、畜冷時および蓄熱時でなく冷房時および暖房時に、蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御するものとしてもよい。この場合にも、従来の蓄熱システムと比較して、優れた熱効率を得ることが可能となる。
【００４３】
図４は、本発明の建造物の一例を説明するための概略図である。
図４に示す建造物は、図１に示す蓄熱システムを備えたものである。図４において、符号Ｇ．Ｌは地表面の位置を示し、符号２０１は基礎部に設けられた地下ピットを示している。地下ピット２０１には、蓄熱システムを構成する蓄熱槽が設けられ、蓄熱槽から供給される熱が各階に備えられた空調設備３０によって利用されるようになっている。
【００４４】
このような建造物は、上述した蓄熱システムを備えたものであるので、エネルギーを有効に利用できる。
また、地下ピット２０１を利用して蓄熱槽を設けることができる。
【００４５】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、蓄熱槽に供給される媒体の流量を制御することができ、上部流通口または下部流通口での媒体の流速を制御することができるので、蓄熱槽に媒体が流入されることによって生じる混合域の形成を抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蓄熱システムの一例を説明するための概略図である。
【図２】図１に示す蓄熱システムを利用して空調する方法の一例を説明するための図である。
【図３】図１に示す蓄熱システムを利用して空調する方法の一例を説明するための図である。
【図４】本発明の建造物の一例を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１…蓄熱システム
１０…蓄熱槽
１１…第１槽
１２…第２槽
１３…第３槽
１４…第４槽
２０…熱源機器
２１…蓄熱用ポンプ
３０…空調設備
３１…熱利用手段用ポンプ
４１、４２、４３…連通管
５１、５２…制御弁
６１、６２、６３、６４、６５、６８…弁
７１、７２…供給手段
８１…下部流通口
８２…上部流通口
９１…設定温度媒体
９２…貯留媒体
１１２…温度変形バネ
１２３、１２４…整流板
２０１…地下ピット
Ｇ．Ｌ…地表面の位置
Claims (8)
- 媒体が入出可能な上部流通口と下部流通口とが鉛直方向に離間して設けられ、内部に温度が異なる媒体からなる温度成層が形成される蓄熱槽と、
前記蓄熱槽に供給される前記媒体を設定温度とする熱源機器と、
前記蓄熱槽から供給される熱を利用する熱利用手段と、
前記蓄熱槽に前記媒体を供給する供給手段に設けられ、前記蓄熱槽に供給される前記媒体の流量を制御する流量制御手段とを備えたことを特徴とする蓄熱システム。 - 前記流量制御手段は、前記蓄熱槽に前記媒体を流入し始めてから、前記蓄熱槽に流入された前記媒体からなる前記温度成層が形成されるまでの間が、前記蓄熱槽に流入された前記媒体からなる前記温度成層が形成された後よりも少なくなるように、前記流量を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。
- 前記流量制御手段は、前記蓄熱槽内に配置された制御弁を備え、
前記制御弁は、前記制御弁を取り囲む前記媒体の温度に応じて開閉されるものであり、前記制御弁の開閉により前記流量が制御されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の蓄熱システム。 - 前記制御弁が、温度変化に対応する形状記憶合金の変形を利用して開閉されることを特徴とする請求項３に記載の蓄熱システム。
- 前記蓄熱槽は、複数の槽からなり、
前記複数の槽は、媒体が流入される槽から媒体が流出する槽まで直列に連結されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の蓄熱システム。 - 前記媒体が水であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の蓄熱システム。
- 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の蓄熱システムを備えたことを特徴とする建造物。
- 前記熱利用手段が、空調設備であることを特徴とする請求項７に記載の建造物。
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