JP2006317011A - 散水蒸発冷却式電動ターボチラー - Google Patents

Abstract

【課題】 大規模ビルの空気調和設備に使用されているターボ冷凍機のエネルギー消費効率を現在の６．０から３倍以上の２０程度まで引き上げ、かつ、半年間は冷凍機を運転せずに外気と散水の蒸発潜熱を利用してフリークーリングによって冷却する様にして、ターボ冷凍機の省エネルギー性能を大幅に改善すること。
【解決手段】 ターボ冷凍機の放熱側の冷却方法を水冷式からこれまでにない散水蒸発冷却式に改め、散水蒸発冷却式凝縮器の冷媒ガス凝縮管に平行にフリークーリング用冷水冷却管を設けて凝縮器との一体化を図り、極めて簡単にフリークーリングを行うことを可能とした。
【選択図】 図３

Description

空気調和設備に使用する電動ターボチラーに関する。

ターボ冷凍機は在来水冷式が圧倒的に多く、一時期、空冷式も製造され、最近では空冷式の金属フィン付き凝縮器に散水を懸けて効率を高めるものがあるが、真夏の設計使用条件におけるエネルギー消費効率がまだ充分でなく８．０〜９．０を越えていない。また省エネルギー空調に不可欠なフリークーリングの機能を備えているものはなかった。。

本発明は年々高まる省エネルギー化要求のポテンシャルに対応し、空気調和設備の主たる冷熱源機であるターボ冷凍機の年間を通じてのエネルギー消費効率の大幅な引き上げを図る。

本発明ではこれまでの冷凍機の凝縮器にはない材料自体に通水性のある通風散水蒸発式充填材を使用し冷却管との組み合わせによって散水蒸発冷却式凝縮器を構成し、空冷式では勿論のこと、水冷式や一部の空冷式凝縮器に散水を行う程度の凝縮器では得られない低い凝縮温度で冷媒ガスを凝縮し、蒸発器については、除湿を別系統に委ねてターボ冷凍機を顕熱冷却負荷専用に使用することによって、室内空気の露点温度より高い温度の冷水を冷却循環供給するシステムによる高い蒸発温度とよって、大きなエネルギー消費効率を実現し、さらに、凝縮器の冷媒ガス凝縮管に並行にフリークーリング用冷水冷却管をも併設し、外気の寒冷な時期を中心とする半年間程度のフリークーリングによる冷水の循環供給を可能とする。

在来の水冷式ターボ冷凍機はエネルギー消費効率が改善されて、近年、真夏の設計使用条件ではその値も６．０程度まで高まっているが、さらに
本発明を実施することによってエネルギー消費効率を３倍以上の２０まで改善できフリークーリング機能を冷凍機本体に備えることで、極めてコンパクトに利便性高くフリークーリングを実施することが可能になり、外気温度の低い約半年間は圧縮機を運転しないで、自然のエネルギーと散水の蒸発潜熱の利用によって空調用の冷水の循環供給が得られる。これを計算に入れると、年間効率は６倍近くまで向上し、大規模ビルの空位調和設備の省エネルギー化に大きく貢献する。

多数の冷却管を多段、数列に間隔を明けて平行に水平に配列し、その上下の管群の間隙に、ポリエステル樹脂など無公害な熱可塑性材料による微細繊維を熱で固化してシート状にしたものや、グラスウール微細繊維をバインダーで固化してシート状にし、充分な通水性のあるものをプリーツ状に折り曲げて、同材料またはステンレス鋼などの串をプリーツ幅の中心に貫通させて、プリーツの間隔を保ち、高さを前記の管群の上下の間隙の寸法にきつく嵌合するように、予め製作された通風散水蒸発式充填材を充填してなる凝縮器用熱交換器を用意し、上方から散水を充分に散布して、各段の充填材を濡らして冷却管表面に水膜を形成せしめ、ここに送風機でプリーツに沿って充填材の部分と冷却管の周囲に通風を行って、散水を蒸発させて管内を通過するフロンなどの冷媒を外気と散水の蒸発潜熱によって冷却凝縮する様に構成した。

フリークーリング機能を持たす場合は冷媒用冷却管とフリークーリング用冷水冷却管を各段に交互に配列し、外気温度の変化によってターボ冷凍機の運転によって冷却を行うか、フリークーリングによって冷却を行うか判断をして何れかを選択して使用する。この際、冷却管は１段おきの使用となるが、通風散水蒸発式充填はすべての段のものが有効になり、使用していない冷却管の表面も散水の蒸発冷却面として有効に使用できる。

上のように構成した冷却管群を２列並行に間隔を空けて配置し、中央上部に１台または複数台の軸流送風機を設置し、これを運転して双方の冷却管群の外側から空気を吸い込んで、冷却管群の間隙に填め込んだ通風散水蒸発式充填材にプリーツに並行に冷却管群を通過させて、送風機で上方に排気する。冷却管群の上方には散水槽を下方には散水受け皿を用意し、散水受け皿から散水ポンプで散水槽へ揚水して適当な散水分配材を通して冷却管群に均一に散水できる構造の凝縮器とし、この凝縮器の冷媒凝縮管の両端部をそれぞれ集合してヘッダーを設ける。

前記凝縮器とは別にこれと並行して冷水冷却用蒸発器とターボ圧縮機のブロックを設置し、ターボ圧縮機の吐出管と冷水冷却用蒸発器液入口管とを、前記凝縮器の両端部のヘッダーにそれぞれ接続し、散水蒸発冷却式ターボチラーを組み立てる。

本発明の実施例を図面に従って説明する。〔図１〕は本発明による通水性の良い材料で作成した通風散水蒸発シートをプリーツ状に成型し、冷却管群に装着した凝縮器の実施例の一部分を示す説明図で、図中１は直径１０ｍｍ、長さ３ｍの冷却管で、水平に７本が２５ｍｍピッチで平行にＵベンド２で接続され上下方向にも２５ｍｍピッチで１５ｍｍの間隔をもって両端部と中間２カ所の支持材３により支持されていて、上下の冷却管１の各間隙にはポリエステル微細繊維を１ｍｍの厚さに熱で固化させた１８０ｍｍ幅の散水蒸発シート４を１６ｍｍ幅のプリーツ５状に折り曲げたものの中央に竹ひごの串６を２カ所で貫通させ、プリーツ５を８ｍｍの等間隔に固定した充填材ブロック７を支持材３の間隔約９６０ｍｍ長さに調整して嵌めてある。〔図２〕は充填材ブロック７のみの外形を示す鳥瞰説明図である。

同じ材料による通水性の高い散水蒸発シート４を底部に重ねて栫８を作った上部散水槽９に注がれた水は一番上の充填材ブロック７に滲み出して、これに接触しているその下段の冷却管１の表面を伝わり、さらにその下に同様に接触している２段目の充填材ブロック７に滲みだし、次々と各段の充填材ブロック７の表面と冷却管１の表面を充分に濡れた状態とする。この充填材ブロック７のプリーツに５に沿って水平に、冷却管１に直角に送風機で２．５ｍ／ｓの速度で外気を通風させる。

このような構成により散水蒸発シート４の表面積は冷却管１の表面積の４〜５倍となって、かつ、散水蒸発シート４の表面はその通水性によって常にすみずみまで充分に水を含んで濡れた状態になり、全面が空気流に接して良くその水分の蒸発が起こり、冷却管１の表面もたっぷりとその冷却された水に濡れて、さらに周囲の気流による蒸発に助けられて冷却管内部を流れる冷媒を凝縮させたり、冷水を冷却することが出来る。

〔図３〕は上に述べたと同様の構造で長さ３ｍの散水蒸発冷却式凝縮器ブロック１０を２台、ターボ圧縮機１１を冷水冷却用蒸発器１２の上に載せて一体化したターボ圧縮機蒸発器ブロック１３に平行に設置し、圧縮機１１出口の冷媒ガス吐出管１４と冷水冷却用蒸発器１２の入口の液冷媒管１５とを、平行して設置された散水蒸発冷却式凝縮器ブロック１０の凝縮器入口管１６と凝縮器出口管１７のそれぞれのヘッダー１８に接続した平面と立面を示す。

ターボ圧縮機１１はモーター１９と直結され長さ６．２ｍ、幅、高さともに１．２ｍの冷水冷却用蒸発器１２の上部中央に設置され一体化されている。散水蒸発冷却式凝縮器ブロック８は長さ３ｍ、幅１．２ｍ、高さ２．７ｍの外形寸法の製品を２台連続して設置されており、それぞれに直径８００ｍｍの軸流送風機２０が３台、中央上部に取り付けられて、軸流送風機２０の両脇下部にやや傾斜を付けてＶ字型に組み合わせてある。

冷却管の総延長は１００段×７×２×３ｍｍ^３２＝８４００ｍ、通風式散水蒸発冷却シートの全表面積は８４００ｍ×０．０１ｍ×π×６．８＝１８００ｍ^２、冷却空気量は３ｍ×２．５ｍ×２×２．５ｍ／ｓ×６０ｍ^３×２＝４５００ｍ^３／ｍｉｎとなる。この散水蒸発冷却式凝縮器は外気湿球温度２７℃の場合に９６００００ｋｃａｌ／ｈの熱量を凝縮温度３０℃で放熱する能力となる。

一方、このターボチラーの蒸発器で冷却される冷水は通常の空調用の除湿と冷却を同時に行うための５℃〜７℃の冷水ではなく、除湿を別の冷熱源を使用して行い、このターボチラーの系統の冷水は冷却専用に使用するため、室内空気の露点温度より低く保つ必要がなく、出口温度２１℃、戻り温度２４℃で運転されるため、冷媒の蒸発温度は２０℃で運転できる。

今日、通常の水冷式ターボチラーは冷却水入口温度３２℃、出口温度３７℃で冷水出口温度７℃、入口温度１２℃、蒸発温度６℃、凝縮温度３８℃の運転条件の場合にエネルギー消費効率が６．０であることから、本発明による散水蒸発冷却式電動ターボチラーを蒸発温度２０℃、凝縮温度３０℃で運転すれば、熱力学の第２法則から導かれる計算式によって、本発明による散水蒸発冷却式ターボチラーのエネルギー消費効率は次のごとく導き出され、その値は２０を越える。
（２７３＋２０）÷（３０−２０）×６．０／（２７３＋６）÷（３８−６）＝２０．１６

フリークーリング用の冷水冷却管を冷媒ガス凝縮管に併設したフリークーリング機能付き散水蒸発冷却式凝縮器では、外気湿球温度が１２℃を切ればターボ圧縮機の運転を取りやめて、空調機などの空調負荷を吸収して２４℃に昇温した冷水の回路を弁で切り替えてを蒸発器を通さずに、直接フリークーリング用の冷水冷却管に通し、温度の低い外気と散水の蒸発の潜熱を巧みに利用して２１℃まで冷却し循環供給が可能となる。エネルギー消費効率が６．０から２０．１６まで３．３６倍に向上した上に、半年間は圧縮機運転をしないで冷水の冷却が可能になる事から、エネルギー消費効率が７倍に改善されたと同様の効果が得られる。

大規模ビルでは冬季ペリメーターゾーンでは暖房、インテリアーゾーンでは冷房の要求があり、前者には冷温水、後者には冷水の配管が設備され、夏には両者とも冷水を、冬には前者には温水、後者には冷水を循環供給して空調の要求に対応する。例えば熱量、水量的に前者が１、後者が３だとすると、本発明による、フリークーリング機能付き散水蒸発冷却式凝縮器を予めその機能を１：３に分割しておき、ターボ圧縮機からの吐出管とヘッダーの間にはそれぞれ１：３になるよう締切弁を設けておく。

冬季に前者に温水を後者に冷水を循環供給する場合は後者の循環冷水の一部分をターボチラーの蒸発器を通過させて、ターボ圧縮機を２５％風量で運転し、１：３のうち１の締切弁のみを開くことによって、蒸発器を通過するインテリアゾーンへ循環する一部分の冷水を蒸発器で冷やし、これを熱源としてヒートポンプで１：３に分割された１の蒸発器を通過するペリメーターゾーンの温水を加熱循環させる事ができ、インテリアゾニンの循環冷水の他の部分は１：３の３の部分の凝縮器のフリークーリング冷却管を通過する際に外気によって冷却される。なお、この場合１：３に分割されている１の部分の冷却ファンは運転せずに、散水ポンプのみを運転して冷媒ガス凝縮管とフリークーリング用の水冷却管との間でペリメーターゾーン暖房用の熱交換が行われるようにして使用する。

在来、大規模ビルでは冬季にはダブルバンドル式ターボ冷凍機で全水量についてターボ冷凍機による冷房を行い、暖房用凝縮器をペリメーターの温水循環に使用し、他方の凝縮器を冷却塔に接続して放熱を行っていた。

本発明のフリークーリング機能付き散水蒸発冷却式ターボチラーでは、それ単体でインテリアゾーン冷房用には圧縮機を使用しないフリークーリングで対応し、その一部分の冷水はターボチラーの蒸発器を通過させて、ターボ圧縮機のヒートポンプ熱源として冷却使用しペリメーターゾーンの暖房に役立てることが可能で、フリークーリングを行いながら、必要に応じてヒートポンプ暖房も並行して使用出来、極めて便利かつ省エネルギー性の高い運転が可能となる。

大規模ビルの屋上に本発明による散水蒸発冷却式ターボチラーを設置し、除湿のみを別系統の在来のチラーで行うようにすると、在来、エネルギー消費効率が６．０程度であった冷水循環供給を３倍以上の２０程度で行うことができる。

今日のＯＡ化の進んだビルでは在室者数が少なく、パソコン、コピー機、照明などの熱密度が高く、空調負荷に占める除湿負荷の割合は５％程度と極めて小さく９５％は冷却負荷であることからエネルギー消費効率が真夏でも２０を越える運転が可能な本発明による散水蒸発冷却式ターボチラーは極めて大きな省エネルギー化を実現する。

さらに、本発明によるフリークーリング機能付き散水蒸発冷却式ターボチラーを使用すれば、大規模ビルの空調を半年間は冷凍機の運転をしないで、間接的な外気冷房を極めて簡単に実現出来る。

またさらに、本発明による凝縮器を分割して部分的ヒートポンプ機能を備えた散水蒸発冷却式ターボチラーを使用すれば、冬季にはインテリアーゾーンの外気冷房をしながら、インテリアゾーンの廃熱を利用して必要に応じてペリメーターゾーンのヒートポンプ暖房をも可能にする。

本発明は上に述べた通り、大規模ビルの空調には極めて大きな利便性と極めて大きな省エネルギー性を与えるので、その使用の可能性は充分に期待出来る。

は本発明による散水蒸発冷却式凝縮器の実施例の一部分を示す説明図、 は散水蒸発シートを加工してプリーツ状にした充填材ブロックの外形図、 は本発明による散水蒸発冷却式ターボチラーの全体を示す説明図である。

符号の説明

１．冷却管
２．Ｕベンド
３．支持材
４．散水蒸発シート
５．プリーツ
６．竹ひごの串
７．充填材ブロック
８．栫
９．上部散水槽
１０．散水蒸発冷却式凝縮器ブロック
１１．ターボ圧縮機
１２．冷水冷却用蒸発器
１３．ターボ圧縮機蒸発器ブロック
１４．冷媒ガス吐出管
１５．液冷媒管
１６．凝縮器入口管
１７．凝縮器出口管
１８．冷媒ヘッダー
１９．モーター
２０．軸流送風機

Claims (5)

1. 通風散水蒸発式充填材と冷却管群または散水蒸発冷却式プレートフィンチューブ熱交換器、冷却ファン、散水ポンプ、散水装置、散水受け皿、構造体からなる散水蒸発冷却式凝縮器のブロックとターボ圧縮機並びに冷水冷却用蒸発器のブロックを併設し、据え付け現場にて双方を冷媒ガス管、冷媒液管で連結組み立てする散水蒸発冷却式電動ターボチラー。
2. 前記散水蒸発冷却式凝縮器にフリークーリング用冷水冷却コイルを併設した請求項１の散水蒸発冷却式電動ターボチラー。
3. 前記散水蒸発冷却式凝縮器にフリークーリング用冷水冷却用コイルを併設し、凝縮器全体を２分割して、冷水冷却用蒸発器とターボ圧縮機のブロックの両側に併設してなる請求項目１の散水蒸発冷却式電動ターボチラー。
4. 蒸発温度を空調室内の露点温度に極めて近い摂氏１２℃以上の温度で、凝縮温度を夏季設計外気乾球温度より３℃を超えない温度で連続運転することを標準設計条件とする請求項１、請求項２、請求項３の散水蒸発冷却式電動ターボチラー。
5. 冬季にペリメーターゾーンで暖房が必要で、インテリアーゾーンでは同時に冷房が要求される場合、凝縮器の一部の冷却ファンを停止してその部分のフリークーリング用冷水冷却管にペリメーターゾーンの循環水を通し、ターボ圧縮機を小風量運転することによっ当該部分で冷媒ガスを凝縮させて、ペリメーターゾーンの循環水を加熱して暖房に使用し、他の部分は冷媒ガスの締切弁を閉じておき、インテリアーゾーンの循環水は暖房熱源に見合う水量だけを蒸発器に通過させて冷却し、他を冷水は残りの部分の凝縮器の冷却ファンを運転してフリークーリング用冷水冷却用コイルで冷却出来るような配管構成を施した請求項２、請求項３の散水蒸発冷却式電動ターボチラー。

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