JP2008309347A - 空調システム - Google Patents

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Abstract

【課題】2配管で負荷側に冷水、温水を供給可能とすると共に、中央熱源装置の熱源水の循環水量を低減して、個別熱源装置の稼動時におけるシステム全体のCOPを向上させる。
【解決手段】中央熱源装置11からの高温冷水は、主往管12、接続管14、主還管13を経て循環する。ゾーン空調機1は、主往管12からの高温冷水によって負荷を処理する。ヒートポンプ31は、主還管13からの還水を熱源として低温冷水を製造し、ゾーン空調機1に供給可能である。外気処理空調機2の1次処理側熱交換器2aは、主往管12からの高温冷水によって外気を1次処理する。ヒートポンプ51は、主還管13からの還水を熱源として低温冷水を製造し、1次処理後の外気に対して2次処理を行なう2次処理側熱交換器2bに供給可能である。
【選択図】 図1

Description

本発明は、中央熱源装置と個別熱源装置とを備えた空調システムに関するものである。
大規模建物等に採用される空調システムにおいては、熱源機器の駆動源の使用割合、すなわち燃料方式と電気方式の使用割合を最適化することが重要であり、かかる点に鑑み、例えば延べ床面積が10000m〜30000m規模の建物では、いわゆる中央熱源装置+水マルチ方式の設計例が増加している。
しかしながら中央熱源装置+水マルチ方式では、一般に冷水+温水の4管式が必要となり、設備費が高騰する。
かかる点を改善するものとして、地域冷暖房システムにおいて採用されることを前提とした、複数の需要家それぞれに主の需要家側冷熱源と従の需要家側温熱源とを設け、前記需要家側冷熱源と地域冷房用プラントのプラント側冷熱源とを、主送り配管と需要家側送り配管、および、需要家側戻り配管と主戻り配管とを介して接続し、前記需要家側戻り配管の途中箇所と前記需要家側温熱源への供給用配管とを接続するとともに、需要家側温熱源からの排出用配管と前記主戻り配管とを接続する技術が提案されている(特許文献1)。
またその他に、同じく地域冷暖房システムにおいて採用されることを前提としたものとして、中央熱源プラントと需要家との間を供給配管と戻り配管の2本の配管で結び、需要家側にはそれらの配管に、冷水用熱交換器と冷水汲上ポンプ及び温熱専用のヒートポンプと熱源水汲上ポンプを設置した配管を、それぞれ接続し、中央熱源プラントでは、供給配管と戻り配管を熱交換器を介した配管によって接続して循環回路を構成し、該熱交換器では循環水を冷却する冷却用熱交換と循環水を加温する加温用熱交換を行い、該循環回路は需要家の冷熱需要と温熱需要の変化に応じて水流を逆転できるように構成したものが提案されている(特許文献2)。
一方出願人は、先にエクセルギーのコンセプトを採用してエネルギーのより有効な利用を図る空調システムとして、外気負荷や内部負荷などの熱負荷特性(潜熱負荷か顕熱負荷か)に応じて、各空調空間に設置される空調機や空調機コイルの役割分担を最適化することにより、熱源装置により相対的に高温の冷水(または、相対的に低温の温水)のみを製造し、それを一系統の供給系を介して各個別空調機を循環させて、顕熱負荷及び潜熱負荷の双方を効率的に処理することができる空調システムを提案している(特許文献3)。
特許第3053698号公報 特許第2707362号公報 特許第3439004号公報
しかしながら特許文献1に開示の技術は、一の負荷の還水を他の負荷の往水に利用する単純な直列の関係になっており、冷房ピーク負荷、中間期、厳冬期における建物内の個別のしかも様々な需要に対応するには、柔軟性が低い。また特許文献2に開示の技術は、中央熱源プラントから供給される冷水に関し、有効エネルギーの異なった低温冷水、高温冷水という概念はなく、省エネルギーという観点でさらなる改善の余地がある。
この点特許文献3に開示の技術は、中央熱源からエクセルギーの低い低温冷水、高温冷水を空調機に供給するようにしているので、省エネルギーの点では大きく改善されている。但し、この特許文献3に開示の技術は、個別熱源装置として機能しているヒートポンプは、様々な需要に対処するために、基本的には運転がフリーであり、そのためヒートポンプの熱源としては、中央熱源からの熱源水往水を供給するようにしている。そのため、ヒートポンプ稼動時においては、COPの向上の点で改善の余地があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、2配管で負荷側に冷水、温水を供給可能とすると共に、中央熱源装置の熱源水の循環水量を低減して、個別熱源装置の稼動時における、システム全体としてのCOPを向上させることを目的としている。
前記目的を達成するため、本発明は、冷水および温水を切り替えて製造可能な中央熱源装置と、個別熱源装置とを備えた空調システムであって、前記中央熱源装置で製造された冷水または温水を負荷側に供給するための主往管と、負荷側から戻る主還管と、前記主往管からの冷水または温水を熱源とするゾーン空調ユニットと、前記主往管および主還管と、前記ゾーン空調ユニットとの間に接続される負荷側往管および負荷側還管と、前記主還管を流れる還水を熱源とする個別熱源装置と、前記個別熱源装置と、前記負荷側往管および負荷側還管との間に接続される往管および還管と、前記個別熱源装置からの還水を前記主還管に戻す個別還管と、前記主還管における前記個別還管の接続地点よりも上流側の地点と、前記個別熱源装置との間に接続され、前記個別熱源装置の熱源として前記主還管を流れる還水を取水するための個別往管と、を有している。そして前記主往管と主還管とは、主往管における負荷側往管の接続地点の下流側かつ主還管における負荷側還管の接続地点の上流側で接続されて、ループ管路が形成されていることを特徴としている。
本発明によれば、中央熱源装置はベース負荷を担い、負荷側の状況に応じて変水温制御を行なう。具体的には、例えば夏期、中間期は冷水を製造し、厳冬期は温水を製造する。
また個別熱源装置は、中央熱源装置で製造された冷水または温水の還水を熱源水として、ゾーンの空調を直接担うゾーン空調ユニットに対して熱源水を供給するものであり、ゾーンのピーク負荷、負荷種別(冷房、暖房)に応じて、中央熱源装置から冷水が供給されるときは、還管を流れる高温冷水または低温温水から、各々低温冷水または温水を製造し、中央熱源装置から温水が供給されるときは、還管を流れる低温温水から冷水を製造する。
そしてゾーンの空調を直接担うゾーン空調ユニット(例えばファンコイルユニット、循環空調機)に対しては、負荷の種別、状況(程度)に応じて、中央熱源装置で製造された冷水または温水を主往管から直接熱源水として供給するか、あるいは個別熱源装置で製造された低温冷水あるいは温水、または冷水を、往管を通じて供給することができ、適切で効率のよい空調を実施することができる。個別熱源装置で製造された低温冷水あるいは温水、または冷水は、もともと主還管を流れる還水であるから、熱回収を行ないつつ効率のよい空調を実施することができる。
さらに前記主往管と主還管とは、主往管における負荷側往管の接続地点の下流側かつ主還管における負荷側還管の接続地点の上流側で接続されて、ループ管路が形成され、個別熱源装置は、還管を流れる還水を利用しているので、熱源水のローカル循環利用が図られ、熱源水循環水量が低減する。したがって中央熱源装置の省エネルギーが向上する。また主還管を流れる還水を熱源とする個別熱源装置の稼動は、それがヒートポンプである場合、高温冷水還水からの温水製造、低温温水還水からの冷水の製造となるので、COPが向上する。また循環系の空調機で除湿が可能であり、快適な高品位の空調を実施することができる。
このような空調システムに対して、さらに外気処理空調機と、前記主往管および主還管と、前記外気処理空調機の1次処理側熱交換器との間に接続される第2の負荷側往管および第2の負荷側還管と、前記主還管を流れる還水を熱源とする第2の個別熱源装置と、第2の個別熱源装置と、前記外気処理空調機の2次処理側熱交換器との間に接続される第2の往管および第2の還管と、第2の個別熱源装置からの還水を前記主還管に戻す第2の個別還管と、前記主還管における第2の個別還管の接続地点よりも上流側の地点と、第2の個別熱源装置との間に接続され、第2の個別熱源装置の熱源として前記主還管を流れる還水を取水するための第2の個別往管とを付加してもよい。
これによって、たとえばゾーン空調ユニットによって顕熱負荷を処理する一方、主往管を流れる高温冷水で外気を外気処理用空調機の1次処理側熱交換器によって1次処理した後に、冷水還水を熱源とする個別熱源装置からの低温冷水によって、外気処理用空調機の2次処理側熱交換器による2次処理を実施することができる。したがって顕熱と潜熱を分離して熱処理することができ、システム全体としてのCOPが大幅に向上する(発明者らの知見によれば、熱負荷の約80%が主往管を流れる高温冷水による顕熱処理が可能である)。
前記した個別熱源装置、第2の個別熱源装置は、例えば水熱源ヒートポンプを使用することができる。
また前記中央熱源装置からの排熱処理を行なう冷却塔と中央熱源装置との間に配管された冷却水往管と冷却水還管に、各々熱交換器を巡る冷却塔往管、冷却塔還管が接続され、前記熱交換器と前記主往管、主還管との間に、前記熱交換器を巡る補助還管、補助往管が接続されてもよい。
かかる構成により、主還管を流れる還水が前記補助往管を流れて前記熱交換器によって熱交換された後に、補助還管を通じて主往管に流すことが可能になり、その結果、中間期、冬期においては、中央熱源装置を稼動させずに、いわゆる冷却塔のフリークーリングによって冷水を製造することができ、さらに自然エネルギーを利用したシステムを構築できる。
本発明によれば、2配管で負荷側に冷水、温水を供給可能であり、また中央熱源装置の熱源水の循環水量を低減し、個別熱源装置の稼動時におけるCOPを大幅に向上させることが可能であり、省エネルギーの下で高品位の空調を実施することができる。またゾーンの空調負荷の種別、レベルに応じて最適な空調を効率よく実施することが可能である。
以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。なお以下において使用する「高温冷水」、「冷水」、「低温冷水」は、冷水を基準とした相対的な温度差による表現であり、高温冷水、冷水、低温冷水の順に温度が低い。たとえば高温冷水は13℃、冷水は10℃、低温冷水は5〜7℃である。同様に低温温水は、温水よりも温度が低いものである。
図1は、実施の形態にかかる空調システムの系統の概要を示している。この例では複数ある空調対象のゾーンZ1〜Znに対して、各々ゾーンごとに適切に空調を実施するシステムとして構成されており、ゾーンZ1に対して直接空調を実施するのは、ファンコイルユニットや循環空調機(ゾーン内を循環する空気に対して温調する空調機)などのゾーン空調機1と、外気処理空調機2であり、これら2つの空調機が1ユニットとして構成されている。なお1ユニットは、階やゾーンに対し、1つのゾーンごとに、たとえばゾーン空調機1が複数台、外気処理空調機2は1台設置されている。
この例では、例えば吸収冷凍機などの燃料系の駆動源を備えた中央熱源装置11を採用しており、温水、冷水を適宜切り替えて製造可能である。この中央熱源装置11は、ベース負荷を担い、負荷の状況に応じて変水温制御運転が可能である。中央熱源装置11で製造された温水や冷水は、主往管12を通じて負荷側へと供給され、降温した後の低温温水や、昇温した後の高温冷水は、還水として主還管13によって中央熱源装置11へと戻される。そして主往管12と主還管13とは端部において接続管14によって接続されており、循環路が形成されている。より詳述すれば、主往管12と主還管13とは、主往管12における後述の負荷側往管21の接続地点の下流側で、かつ主還管13における後述の負荷側還管22の接続地点の上流側にて、接続管14に接続されて、循環路が形成されている。別の観点からいうと、主往管12と主還管13の中央熱源装置11から遠い側の端部に接続管14が設けられている。この接続管14は主往管12と主還管13と同じ口径である。そして中央熱源装置11の熱交換器と、主往管12、接続管14、主還管13でループ管路が構成されている。
ゾーン空調機1と、主往管12と主還管13との間には、各々負荷側往管21と負荷側還管22が接続されており、ゾーン空調機1は、主往管12、負荷側往管21を経て流れる冷水または温水を熱源水として、所定の空調を実施する。そして熱源として使用した熱源水は、負荷側還管22を通じて主還管13へと戻される。
このゾーン空調機1に対しては、さらに補助的な熱源装置として機能する個別熱源装置としてのヒートポンプ31からの熱源水が切り替え供給可能になっている。ヒートポンプ31と主還管13との間には、個別往管32と個別還管33が配管され、主還管13から取水して個別往管32から流れる還水を熱源として、水熱源方式のヒートポンプとして機能する。熱源として利用した後の還水は、個別還管33を通じて主還管13へと戻される。そして個別往管32の主還管13に対する接続地点は、個別還管33の主還管13に対する接続地点よりも上流側に設定されている。これによってヒートポンプ31は、主還管13を流れる還水の上流側の還水を熱源水として利用し、利用した後の熱源水は下流側へと戻される。
そしてヒートポンプ31からの熱源水は、ヒートポンプ31と負荷側往管21との間に配管された往管34を通じてゾーン空調機1へと供給可能であり、熱源として利用された後は、ヒートポンプ31と負荷側還管22との間に配管された還管35を通じてヒートポンプ31へと戻される。このとき、バルブV3とバルブV4は全閉で、バルブV5とバルブV6が開放される。なお前述のように、ゾーン空調機1は複数台設置されているが、他のゾーン空調機1は、負荷側往管21と負荷側還管22からそれぞれ枝管を介して分岐し(図示せず)、例えば設置されている負荷特性に応じて、当該枝管には、手動弁、自力弁、あるいは自動弁(冷媒流量自体を変化させるほどの負荷が見込まれる場合)のいずれかが設けられている。
外気処理空調機2は、外気を1次処理する1次処理側熱交換器2aと、1次処理した後の空気を2次処理する2次処理側熱交換器2bとを有している。そして1次処理側熱交換器2aと主往管12との間には、第2の負荷側往管41が配管され、1次処理側熱交換器2aと主還管13との間には、第2の負荷側還管42が配管されている。これによって1次処理側熱交換器2aは、主往管12を流れる冷水または温水を熱源として、外気を1次処理することが可能である。
外気処理空調機2の2次処理側熱交換器2bと、個別熱源装置としてのヒートポンプ51との間には、第2の往管52と第2の還管53が配管されている。そしてヒートポンプ51自体の熱源は、主還管13を流れる還水が使用される。すなわちヒートポンプ51と主還管13との間には、第2の個別往管54と第2の個別還管55が配管され、主還管13から取水して第2の個別往管54から流れる還水を熱源として、ヒートポンプ51は、水熱源方式のヒートポンプとして機能する。熱源として利用した後の還水は、第2の個別還管55を通じて主還管13へと戻される。そして第2の個別往管54の主還管13に対する接続地点は、第2の個別還管55の主還管13に対する接続地点よりも上流側に設定されている。これによってヒートポンプ51は、主還管13を流れる還水の上流側の還水を熱源水として利用し、利用した後の熱源水は下流側へと戻される。
中央熱源装置11の排熱側は水冷式であり、その排熱部と冷却塔61との間には、冷却水往管62と冷却水還管63が配管され、これによって中央熱源装置11の排熱は、冷却塔61によって行なわれる。
主往管12、主還管13と熱交換器71との間には、各々補助還管72、補助往管73が配管され、熱交換器71と、冷却水往管62、冷却水還管63との間には、各々冷却塔往管74、冷却塔還管75が配管されている。この熱交換器71は後述するフリークーリングに用いられる。
また配管75には、膨張タンク81に通ずる配管82が接続され、この配管82には、往管34、第2の往管から分岐した配管83、84が接続されている。さらに主還管13には、膨張タンク85に通ずる配管86が接続されている。
なお図中、P1〜P6は、各配管に設けられたポンプであり、またV1〜V20は、たとえば電磁弁等のバルブである。
実施の形態にかかる空調システムは以上のような主要な構成を有しており、次にその運転例について説明する。
(冷房ピーク負荷時)
このとき、バルブV15、バルブV16は閉止、バルブV5、バルブV6は後述の高負荷時(たとえば盛夏時における午後2時前後など、冷房時期の空調間の20%程度)以外は閉止されている。その他のバルブについては、バルブV3、V4が、バルブV5、V6が開放のときに閉止する他は全て開放である。そしてこの場合には、中央熱源装置11において、高温冷水を製造し、ゾーン空調機1は、主往管12、負荷側往管21を通じて供給される高温冷水によって顕熱負荷を処理する。一般的に、通常のオフィスビルにおいて冷房負荷の80%は、高温冷水によって顕熱処理することが可能である。ただし、負荷がさらに大きい場合には、適宜負荷の状況に応じて、ヒートポンプ31で冷熱が製造されて往管34、負荷側往管21を通じて供給される低温冷水を使用することができる。
このとき、バルブV3、V4を全閉してバルブV5、V6を開放すれば、循環空気に低温冷水の冷熱を付与してゾーンごとに減湿ができる。この減湿運転と主往管12からの冷水による運転を間欠的に切り替えて省エネルギーを図ってもよい。
一方、外気処理空調機2では、主往管13、第2の負荷側往管54を通じて供給される高温冷水によって、1次処理側熱交換器2aで外気を1次処理する。そして1次処理された後の外気は、主還管13からの還水を熱源として稼動するヒートポンプ51によって製造されて第2の往管52から供給される低温冷水によって、2次処理側熱交換器2bで、2次処理され、減湿される。
これによって顕熱と潜熱とが分離して熱処理され、システム全体としてのCOPは従来よりも向上している。しかもヒートポンプ31、51は、主還管13からの還水を熱源として稼動するものであり、中央熱源装置11で製造された熱源水(高温冷水)のローカル的な循環利用が図られており、熱源水循環水量の低減が図られる。
(中間期)
中間期では、中央熱源装置11は変水温制御を基本として、前記した高温冷水よりも低温の冷水(前記した低温冷水よりは高温)を製造する。これによって、ゾーン空調機1は、必要な冷房運転を実施し、一方梅雨時など、外気温度が相対的に低く湿度が相対的に高い場合には、ヒートポンプ51を稼動することができる。このモードでは外気処理空調機2の1次処理側熱交換器2aで冷水による減湿処理を行い、2次処理側熱交換器2bで再熱する。この際ヒートポンプ51は、主還管13を流れる還水(高温冷水)から、温水を製造し負荷側に供給する(バルブV12、V13、V14閉止)。このときゾーン空調機1は停止か、もしくは冷水を受け入れる運転(バルブV3、V4は開放、バルブV5、V6、V7、V8は閉止)となる。したがって、この運転モードでは熱回収を行ないつつ、微細な温度制御の下で減湿処理による高品位な空調、省エネルギー効果の高い空調を実施することができる。このような運転モードは、特に梅雨時等、減湿が必要な施設での適合性が高い。また高温冷水からの温水製造であるから、システム全体としてのCOPは向上している。
(厳冬期)
厳冬期では、中央熱源装置11は変水温制御を基本として、温水を製造する。これによって、ゾーン空調機1は、必要な暖房運転を実施する。一方ヒートポンプ31、51は、主還管13を流れる還水(低温温水)から、冷水を製造し、必要に応じて負荷側に供給することが可能である。したがって厳冬期でも、たとえばコンピュータ室やOAゾーンなど、冷房が必要なゾーンに対して適切に対応でき、しかも熱回収を行なった冷房であるから、システム全体として省エネルギー効果の高い空調を実施できる。そして低温温水からの冷水製造であるから、システム全体としてのCOPは高いものである。
以上説明したように、実施の形態にかかる空調システムでは、冷房ピーク負荷期、中間期、厳冬期とも、システム全体してCOPの高い空調運転が実施でき、しかも各期においても、種々の負荷状況に応じて最適な空調を実施することが可能である。もちろん中央熱源装置11からの配管は、主往管12、主還管13のいわゆる2配管系統であるから、設備費も4管方式よりも低廉に抑えることが可能である。
なお前記実施の形態にかかる空調システムにおいては、主往管12、主還管13と熱交換器71との間に、各々補助還管72、補助往管73が配管され、熱交換器71と、冷却水往管62、冷却水還管63との間には、各々冷却塔往管74、冷却塔還管75が配管されているので、中間期、冬期においては、冷却塔61によるいわゆるフリークーリングによって冷水を製造することが可能である。すなわち、かかる場合には、バルブV1、V2を閉止して中央熱源装置11を停止し、冷却塔61の稼動によって冷水製造用の熱源水を製造し、熱交換器71による熱交換によって必要な冷水を製造し、主往管12に流すことが可能である。これによって自然エネルギーを利用してさらなる省エネルギーを図ることができる。
なおゾーンZ1以外のゾーンは、ゾーンZ1と同様に主往管12、主還管13に接続される。
本発明は、大規模建物,特に建物内に様々な空調負荷が存在する建物の空調に有用である。
実施の形態にかかる空調システムの系統の概略を模式的に示した説明図である。
符号の説明
1 ゾーン空調機
2 外気処理空調機
2a 1次処理側熱交換器
2b 2次処理側熱交換器
11 中央熱源装置
12 主往管
13 主還管
14 接続管
21 負荷側往管
22 負荷側還管
31、51 ヒートポンプ
32 個別往管
33 個別還管
34 往管
35 還管
41 第2の負荷側往管
42 第2の負荷側還管
52 第2の往管
53 第2の還管
54 第2の個別往管
55 第2の個別還管
61 冷却塔
62、75 冷却塔往管
63、74 冷却塔還管
P1〜P6 ポンプ
V1〜V20 バルブ
Z1、Zn ゾーン

Claims (5)

  1. 冷水および温水を切り替えて製造可能な中央熱源装置と、個別熱源装置とを備えた空調システムであって、
    前記中央熱源装置で製造された冷水または温水を負荷側に供給するための主往管と、負荷側から戻る主還管と、
    前記主往管からの冷水または温水を熱源とするゾーン空調ユニットと、
    前記主往管および主還管と、前記ゾーン空調ユニットとの間に接続される負荷側往管および負荷側還管と、
    前記主還管を流れる還水を熱源とする個別熱源装置と、
    前記個別熱源装置と、前記負荷側往管および負荷側還管との間に接続される往管および還管と、
    前記個別熱源装置からの還水を前記主還管に戻す個別還管と、
    前記主還管における前記個別還管の接続地点よりも上流側の地点と、前記個別熱源装置との間に接続され、前記個別熱源装置の熱源として前記主還管を流れる還水を取水するための個別往管と、を有し、
    前記主往管と主還管とは、主往管における負荷側往管の接続地点の下流側かつ主還管における負荷側還管の接続地点の上流側で接続されて、ループ管路が形成されていることを特徴とする、空調システム。
  2. 前記個別熱源装置は、水熱源ヒートポンプであることを特徴とする、請求項1に記載の空調システム。
  3. 外気処理空調機と、
    前記主往管および主還管と、前記外気処理空調機の1次処理側熱交換器との間に接続される第2の負荷側往管および第2の負荷側還管と、
    前記主還管を流れる還水を熱源とする第2の個別熱源装置と、
    第2の個別熱源装置と、前記外気処理空調機の2次処理側熱交換器との間に接続される第2の往管および第2の還管と、
    第2の個別熱源装置からの還水を前記主還管に戻す第2の個別還管と、
    前記主還管における第2の個別還管の接続地点よりも上流側の地点と、第2の個別熱源装置との間に接続され、第2の個別熱源装置の熱源として前記主還管を流れる還水を取水するための第2の個別往管と、
    をさらに有することを特徴とする、請求項1または2に記載の空調システム。
  4. 前記第2の個別熱源装置は、水熱源ヒートポンプであることを特徴とする、請求項3に記載の空調システム。
  5. 前記中央熱源装置からの排熱処理を行なう冷却塔と、前記中央熱源装置との間に配管された冷却水往管と冷却水還管に、各々熱交換器を巡る冷却塔往管、冷却塔還管が接続され、前記熱交換器と前記主往管、主還管との間に、前記熱交換器を巡る補助還管、補助往管が接続されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の空調システム。
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