JP2010175101A - 循環給湯システムの運転方法および循環給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】循環給湯システムにおいて、その運転条件を特定することにより、何ら特別の装置を付加することなしに、配管内面の潰食の発生を顕著に抑制することを可能とする循環給湯システムの運転方法と該運転方法を実施するための循環給湯システムを提供する。
【解決手段】密閉型貯湯槽１、加熱手段８、密閉型貯湯槽から各給湯栓までの配管（往管）２、各給湯栓の手前から密閉型貯湯槽までの配管（還管）３、還管の途中に配置された循環ポンプ６を含み、還管が銅管または銅合金管からなる循環給湯システムの運転において、循環ポンプの入側配管における循環ポンプ運転時の水圧をＰ１、循環ポンプの出側配管における循環ポンプ運転時の水圧をＰ２としたとき、（Ｐ２−Ｐ１）≦０．１２ＭＰａの条件下で運転する時間帯を設けることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、循環給湯システムの運転方法および該運転方法を実施するための循環給湯システムに関する。

ホテル、病院、集合住宅等の大型建物における給湯システムには、中央給湯方式の強制循環給湯システムが採用されることが多い。強制循環給湯システムは、図１にその系統図を例示するように、一般に、密閉型貯湯槽１、密閉型貯湯槽１から各給湯栓５までの配管である往管２、各給湯栓５の手前から密閉型貯湯槽１までの配管である還管３、膨張タンク４、および循環ポンプ６から構成されている。なお、図１は略式に作成されたものである。

この構成において、高架水槽７に貯えられた水は、地上あるいは地下に設置された密閉型貯湯槽に送られて加熱され、この密閉型貯湯槽より出た湯は往管２を通して各客室及び設備に供給され、給湯栓５の開放によって使用され、過剰の湯は還管３を通って密閉型貯湯槽１に戻り再び加熱されるようになっており、水は使用した分だけ、高架水槽７から密閉型貯湯槽１に補給される。図１は、循環ポンプを下層階に設置した下向き給湯方式の一例であり、図１の給湯方式においては、密閉型貯湯槽１に送られた水はボイラー８で加熱される。９は、密閉型貯湯槽１からボイラー８で水を送り、ボイラー８から密閉型貯湯槽１へ加熱された湯を送るための循環ポンプである。

このような循環給湯システムは、例えば、非特許文献１、特許文献１〜２に記載されており、図１の例のように、密閉型貯湯槽、ボイラー、循環ポンプ、膨張タンクなどを配置した機械室を、下層階に設置することが多い。

上記の循環給湯システムにおいては、往管、還管などの配管として、りん脱酸銅などの銅管もしくは銅合金管が使用されることが多い。銅管や銅合金管が使用される理由は、レジオネラ属菌などの細菌に対する抗菌性に優れているとともに、施工性に優れ、一般に通水とともに管内面に亜酸化銅、酸化銅などの安定な皮膜が形成され、良好な耐食性が付与されるためである。鉄管を使用した場合には、赤さび発生の問題が生じ好ましくない。

循環給湯システムの配管材として銅管もしくは銅合金管を使用した場合、使用環境、運転条件によっては、II型孔食や潰食などの腐食による漏洩の問題を生じることが経験されている。

特開平１１−２１１１２１号公報 特開２００７−２６３５２３号公報

伸銅技術研究会誌（１９９７年）３６巻、第１５４〜１６０頁「強制循環給湯配管における銅管の潰食現象とその対策」

このような腐食のうち、潰食は銅管の表面の保護皮膜が物理的作用を受けて継続的に除去されて起こる腐食形態であり、循環給湯システムにおいては、下層階の還管に発生し易い。

潰食の発生は、過飽和の溶存空気が、圧力変動によって気泡化し、乱流とともに前記管内面に形成された亜酸化銅、酸化銅などの皮膜の剥離作用を促進することに起因する可能性が高いことが判ってきている。

発明者らは、上記潰食の発生を抑制するため、潰食発生の原因となる配管中の微細気泡の発生状況を観察するための模擬実験装置を作製した。模擬実験装置は、その系統図を図４に示すように、循環ポンプを下層階の還管に設置した下向き給湯システム（図１）と同じ方式のもので、配管材料は、往管２、還管３ともに銅管（保温）、バルブＶａ、Ｖｂ、Ｖｃはステンレス鋼鋳鋼製、循環ポンプ６はステンレス鋼製とし、還管３の循環ポンプの上流側に、気泡発生を観察するためのポリカーボネート製の透明管Ｔを配置し、循環ポンプの上流側透明管の直上の水圧（循環ポンプの入側配管における水圧）Ｐ１、循環ポンプの下流側直下の水圧（循環ポンプの出側配管における水圧）Ｐ２の測定を行う。

水圧Ｐ１はバルブＶａの位置での水圧とすることができ、Ｐ２はバルブＶｂの位置での水圧とすることができる。循環ポンプ出側直近の水圧（バルブＶｂの位置での水圧）は、密閉型貯湯槽１における水圧と略等しいから、Ｐ２を密閉型貯湯槽における水圧とすることができ、Ｐ２を密閉型貯湯槽における水圧とすることにより水圧管理が行い易くなるという利点がある。なお、循環ポンプの揚程は４３．５ｍ、循環水は５０〜６０℃に加熱した水道水、流量は２２０Ｌ／分とした。

実用の循環給湯システムにおいては、循環ポンプは基本的に常時運転を行うが、模擬実験装置による試験、検討の過程において、循環ポンプを運転することにより、循環ポンプの入側配管において、還管の循環ポンプ入側配管（吸引側）に著しい水圧の低下がみられることがあり、水圧の低下により、還管中に溶解していた酸素などが微細な気泡となって分離し、透明管内に微細気泡の発生が観察された。

本発明は、上記の知見に基づいてさらに試験、検討を重ねた結果としてなされたものであり、その目的は、循環給湯システムにおいて、その運転条件を特定することにより、何ら特別の装置を付加することなしに、配管内面の潰食の発生を顕著に抑制することを可能とする循環給湯システムの運転方法および当該運転方法を実施するための循環給湯システムを提供することにある。

上記の目的を達成するための請求項１による循環給湯システムの運転方法は、密閉型貯湯槽、加熱手段、密閉型貯湯槽から各給湯栓までの配管（以下、往管）、各給湯栓の手前から密閉型貯湯槽までの配管（以下、還管）、還管の途中に配置された循環ポンプを含み、還管が銅管または銅合金管からなる循環給湯システムの運転において、循環ポンプの入側配管における循環ポンプ運転時の水圧をＰ１、循環ポンプの出側配管における循環ポンプ運転時の水圧をＰ２としたとき、（Ｐ２−Ｐ１）≦０．１２ＭＰａの条件下で運転する時間帯を設けることを特徴とする。

請求項２による循環給湯システムの運転方法は、請求項１において、前記（Ｐ２−Ｐ１）≦０．１２ＭＰａの条件下で運転する時間帯を、全運転時間の８２％以上とすることを特徴とする。

請求項３による循環給湯システムは、請求項１または２記載の循環給湯システムの運転方法を実施するための循環給湯システムであって、循環ポンプの揚程が５ｍ以下で、且つ往管もしくは還管が設置される最高位置と最低位置との差が１０ｍ以上５０ｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、循環給湯システムの運転条件を特定することにより、何ら特別の装置を付加することなしに、配管内面の潰食の発生を顕著に抑制することを可能とする循環給湯システムの運転方法および当該運転方法を実施するための循環給湯システムが提供される。本発明は、循環ポンプを下層階に設置した下向き循環給湯システム（図１）のみでなく、循環ポンプを下層階に設置した上向き循環給湯システム（図２）、循環ポンプを上層階に設置した下向き循環給湯システム（図３）にも適用することができる。なお、図２、図３において、同じ構成部材、構成部品には図１と同じ符号を付した。

循環ポンプを下層階の還管に設置した下向き循環給湯システムの実施例を示す系統図である。 循環ポンプを下層階の還管に設置した上向き循環給湯システムの実施例を示す系統図である。 循環ポンプを上層階の還管に設置した下向き循環給湯システムの実施例を示す系統図である。 潰食発生の原因となる配管中の微細気泡の発生状況を観察するために作製した、循環ポンプを下層階の還管に設置した下向き給湯システム（図１）と同じ方式の模擬実験装置の系統図である。

前記のように、循環ポンプを運転することにより、還管の循環ポンプ入側配管（吸引側
）にしばしば著しい水圧の低下が見られ、このような水圧の低下により、還水中に溶解していた酸素などが微細な気泡となって分離する。

微細気泡は、還水流によって配管内壁を物理的にアタックし、配管内壁に形成されてい
る保護皮膜の剥離作用を促進し、潰食を引き起こす。とくに、エルボなどの配管継手部など、乱流が発生し易い部位においては、保護皮膜剥離作用が顕著となる。

このような水圧の急激な低下は、循環ポンプ入側配管から、その上流側の還管にも影響を及ぼす。一般に、還管は湯の著しい温度低下を抑制して密閉型貯湯槽へ戻すために、往管と比較して管径が細く設計されている。往管の管径(内径)は、一般に３０〜１００ｍｍ、還管の管径(内径)は、一般に１５〜５０ｍｍ程度である。このため、循環ポンプ入側配管における水圧の急激な低下は、還管を上流側へ遡った下層階の還管（図１中に一点鎖線で囲んだ領域Ａ）まで影響を及ぼし、この部位においても、潰食を発生させる。

潰食の発生を抑制するためには、循環ポンプの運転による還管の循環ポンプ入側配管で
の水圧を低下させない運転が必要となる。すなわち、循環ポンプの入側配管における水圧を循環ポンプ出側配管における水圧に近い状態での運転を継続させることにより、循環ポンプ入側配管における水圧の急激な低下が抑えられ、微細気泡の顕著な発生を無くして、潰食の発生を抑制することが可能となると考えられる。

このことを確認するために、模擬実験装置を用い、透明管Ｔ内の流速を４．０ｍ／秒として試験を行った。透明管Ｔ内の圧力、すなわち（Ｐ２−Ｐ１）は、バルブＶａ、Ｖｂを調整することにより０〜２．０ＭＰａまで変動させ、透明管内の気泡の発生状況を観察した。

その結果、（Ｐ２−Ｐ１）が０〜０．１２ＭＰａでは、微細気泡の発生による透明管内の白濁はみられなかったが、（Ｐ２−Ｐ１）＝０．１３ＭＰａで、気泡が発生し始め、（Ｐ２−Ｐ１）が大きくなるに従って気泡の発生が増大し、（Ｐ２−Ｐ１）が０．２ＭＰａを超えると、顕著な気泡の発生が認められた。（Ｐ２−Ｐ１）の値を減じるようバルブＶａ、Ｖｂを調整し、（Ｐ２−Ｐ１）＝０．１２ＭＰａとなった時点で白濁（微細気泡の発生）は消滅した。

従って、潰食の発生を抑制するためには、循環ポンプの入側配管における水圧Ｐ１、循環ポンプ出側配管における水圧Ｐ２をとの関係を、Ｐ２−Ｐ１≦０．１２ＭＰａにすることが必要であることが認められた。

循環ポンプ運転時に常時、Ｐ２−Ｐ１≦０．１２ＭＰａであることが最も望ましいが、実際の運転においてこれを完全に達成することは難しい。（Ｐ２−Ｐ１）が０．１２ＭＰａを超える運転時間を出来るだけ少なくすることが、致命的な潰食発生を防止することにつながる。発明者らは、長期間に渡る試験を重ねた結果、致命的な潰食が発生しないためには、循環ポンプ全運転時間のうち、Ｐ２−Ｐ１≦０．１２ＭＰａとなる運転時間帯が全運転時間の８２％以上あればよいことを認めた。

以下、上記の運転条件を確認するための試験結果について説明する。
図４に示す模擬実験装置において、透明管の部分に供試管（材質：りん脱酸銅管、寸法：外径１５．８８ｍｍ、肉厚０．７１ｍｍ）を設置し、長期間の循環運転による潰食による供試管の管厚の変化（減肉）の状況を調査した。

循環ポンプの揚程は４３．５ｍとし、運転条件は以下のとおりとした。
循環水：５０〜６０℃に加熱した水道水を使用。
流速Ｖ：バルブを調整することによって、０．８ｍ／秒、１．５ｍ／秒、３．０ｍ／秒、４．０ｍ／秒の４条件から選択。なお、４．０ｍ／秒は、通常の循環給湯システムにおける循環ポンプの運転における流速の最大値である。
（Ｐ２−Ｐ１）：０．１２ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．２８ＭＰａの３条件から選択。

供試管の減肉状況調査は、一定期間の連続運転実施後、一旦、運転を休止し、供試管を取り出して管の肉厚を調査した。総運転期間は１年間とした。各試験条件での供試管の減肉速度（ｍｍ／年）を表１に示す。

（Ｐ２−Ｐ１）＝０．１２ＭＰａの条件下では流速によらず減肉速度は略０であった。（Ｐ２−Ｐ１）が０．２ＭＰａを超えると減肉速度は大きくなる。流量が大きいほど減肉速度は大きくなる傾向があり、その最大減肉速度は０．２０ｍｍ／年に達した。

また、Ｖ＝３．０ｍ／秒とし、途中で（Ｐ２−Ｐ１）を変えた試験を行った。例えば、（Ｐ２−Ｐ１）を当初は０．２０ＭＰａ、途中で０．１２ＭＰａに変え、最後に再度０．２０ＭＰａとし、条件（Ｐ２−Ｐ１）＝０．１２ＭＰａの運転時間を種々変えて試験を行ったところ、（Ｐ２−Ｐ１）＝０．２０ＭＰａで運転している間の減肉速度は０．１７〜０．２０ｍｍ／年であったが、（Ｐ２−Ｐ１）＝０．１２ＭＰａでの運転に変えた時点で潰食の発生は無くなり、減肉はほとんど０となった。

通常の循環給湯システムにおける潰食の限度を、通常使用される還管のうち肉厚の薄い外径１５．８８ｍｍ、肉厚０．７１ｍｍの銅管が、通湯時間１０年間で、その肉厚のおよそ５０％を減じるのを潰食による減肉の限界（減肉速度＝０．０３５ｍｍ／年）とすると、上記の試験により、全運転時間の８２％以上の時間帯を潰食が発生せず減肉が生じない（Ｐ２−Ｐ１）≦０．１２ＭＰａの条件で運転すれば、例えその残り時間を減肉速度が最大となる条件(減肉速度が０．２０ｍｍ／年)で運転しても、平均減肉速度を０．０３５ｍｍ／年以下とすることができることが認められた。

前記の運転方法を実現するためには、循環ポンプの揚程を５ｍ以下とすることが望ましい。通常の循環給湯システムにおいて、循環ポンプの上流側の水圧が急激に低下する ような状況は頻繁に起こるものではなく、例えば、ホテルにおける循環給湯システムの場合においては、夕刻などに各部屋でシャワーを集中して使用するような時間帯がこれに該当し、他の多くの時間帯においてはこのような状況となることは少ない。

このように、水圧が急激に低下するような状況においても、循環ポンプの揚程が５ｍ以下である場合は、５ｍを超える場合に比べ水圧の低下の程度は緩やかである。揚程が５ｍを超える循環ポンプによっても、その運転条件を常時適正に制御することによって、循環ポンプ入側配管における水圧の急激な低下を抑制することは可能であるが、ポンプ揚程を５ｍ以下とすることによって、比較的容易に運転制御を行うことが可能となる。

図１に示す循環給湯システムにおいて、往管もしくは還管が設置される最高位置と最低位置との差Ｈが５０ｍ以下であるビルなどにおいては、通常、必要なポンプの能力としては、揚程が３ｍもあれば十分である。循環ポンプの揚程は３ｍ以上で、できるだけ５ｍに近いポンプを選択することが望ましい。また、往管もしくは還管が設置される最高位置と最低位置との差Ｈは１０ｍ以上５０ｍ以下であることが必要である。

１ 密閉型貯湯槽
２ 往管
３ 還管
４ 膨張タンク
５ 給湯栓
６ 循環ポンプ
７ 水槽
８ ボイラー
９ 循環ポンプ
Ｔ 透明管
１１ 上流側透明管の直上の水圧（循環ポンプの入側配管における水圧）Ｐ１を測定すべき個所
１２ 循環ポンプの下流側直下の水圧（循環ポンプの出側配管における水圧）Ｐ２を測定すべき個所
Ｖａ バルブ
Ｖｂ バルブ
Ｖｃ バルブ

Claims (3)

1. 密閉型貯湯槽、加熱手段、密閉型貯湯槽から各給湯栓までの配管（往管）、各給湯栓の手前から密閉型貯湯槽までの配管（還管）、還管の途中に配置された循環ポンプを含み、還管が銅管または銅合金管からなる循環給湯システムの運転において、循環ポンプの入側配管における循環ポンプ運転時の水圧をＰ１、循環ポンプの出側配管における循環ポンプ運転時の水圧をＰ２としたとき、（Ｐ２−Ｐ１）≦０．１２ＭＰａの条件下で運転する時間帯を設けることにより、還管に生じる潰食を防止することを特徴とする循環給湯システムの運転方法。
2. 前記（Ｐ２−Ｐ１）≦０．１２ＭＰａの条件下で運転する時間帯を、全運転時間の８２％以上とすることを特徴とする請求項1記載の循環給湯システムの運転方法。
3. 請求項１または２記載の循環給湯システムの運転方法を実施するための循環給湯システムであって、循環ポンプの揚程が５ｍ以下で、且つ往管もしくは還管が設置される最高位置と最低位置との差が１０ｍ以上５０ｍ以下であることを特徴とする循環給湯システム。

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