JP2014081167A - 水冷式空調システム及びその運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中・小規模建物の空調システムとして好適な水冷式空調システムを提供する。
【解決手段】空調機４の冷房需要の低下により、二次側循環ポンプ３ｇによる循環水量が減少する。一方、１次側循環ポンプ２ｂによる循環水量は変化しないため、水量差分はバイパス配管２ｇ側に供給され、その分の冷熱がバイパス配管２g経路内の蓄放熱装置５に蓄熱される。この状態から、さらにヘッダー間差圧が予め設定された最小値を下回った場合には、空調機側の冷房負荷がさらに小さいと判定され、熱源機２ａ及び一次側循環ポンプ２ｂを停止し、二方弁２ｈを閉鎖する。これにより、蓄放熱装置５からの放熱により空調機４の冷房が行われる。
【選択図】図１（ａ）

Description

本発明は水冷式空調システムに係り、特に、中・小規模建物の空調システムとして好適な水冷式空調システムに関する。

図６を参照して、従来の水冷式空調システム１００は、往水ヘッダー１０１と還水ヘッダー１０２とをバイパス配管１０３で結び、熱源機１０４、往水ヘッダー１０１及び還水ヘッダー１０２間を結ぶ一次冷水循環回路１０５と、往水ヘッダー１０１、各空調機１０４及び還水ヘッダー１０２間を結ぶ二次冷水循環回路１０６と、により構成され、熱源機１０４で製造した冷水を二次冷水循環回路１０６側に供給する。この場合、空調機１０４側の冷房負荷が小さい場合には、バイパス配管１０３側に冷水を循環させて熱源機１０４は出口温度一定（例えば７℃）制御により運転される。

このような空調システムにおいては、一般に負荷率５０％以下の部分負荷での運転が全運転時間の約７０％以上を占めている。このため、この間の運転効率低下を防止するため、大規模建物の空調システムでは、低負荷運転対応として熱源機の台数制御、部分負荷効率の高い熱源機の採用、搬送系の変流量化、蓄熱システム導入による負荷平準化などが行われている（例えば特許文献１）。

特開２００９−６３２３１号公報

しかしながら、中・小規模の空調システムにおいては、熱源機の台数制御は熱負荷が小さいため適用が制限される。また上記負荷平準化には空調システムの大幅変更を伴うため、採用が困難である。このような理由により、中・小規模の空調システムにおいては、低負荷時における運転効率低下に対してほとんど対策が取られていない実状がある。
本発明は上記課題を解決するためのものであって、大幅なシステム変更を要することなく、低負荷時の運転効率低下を回避可能な水冷式空調システム技術を提供するものである。

本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係る水冷式空調システムは、
（１）熱源機（２ａ）で製造した冷水を、往水ヘッダー（６）及び還水ヘッダー（２ｆ）を介して１以上の空調機（４）に循環供給する水冷式空調システムにおいて、
空調機（４）を迂回して、往水ヘッダー（６）と還水ヘッダー（２ｆ）とを結ぶ空調機バイパス配管（２ｇ）と、
空調機バイパス配管（２ｇ）経路内に潜熱蓄熱材を充填した蓄放熱装置（５）と、
を備えて成り、かつ、
熱源機（２ａ）、往水ヘッダー（６）、空調機（４）及び還水ヘッダー（２ｆ）間を結ぶ回路を用いて、冷水を蓄放熱装置（５）側に供給することなく、空調機（４）側に供給する通常運転モードと、
熱源機（２ａ）、往水ヘッダー（６）、蓄放熱装置（５）及び還水ヘッダー（２ｆ）間を結ぶ回路を用いて、冷水の少なくとも一部を蓄放熱装置（５）側に循環供給する蓄熱運転モードと、
往水ヘッダー（６）、空調機（４）、還水ヘッダー（２ｆ）及び蓄放熱装置（５）間を結ぶ回路を用いて、蓄熱運転モード中に蓄放熱装置（５）に蓄熱した冷熱を、空調機（４）に循環供給する放熱運転モードと、
を適宜、運転切り替え可能に構成したしたことを特徴とする。

（２）上記発明において、前記蓄放熱装置を迂回する蓄放熱装置バイパス配管（３１）を、さらに備え、
かつ、前記放熱運転モードにおいて、前記蓄放熱装置出の冷水に、還水ヘッダーに戻る還水を混合可能に構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る水冷式空調システムの運転制御方法は、
（３）上記水冷式空調システムにおいて、前記空調機側の冷房負荷に対応して、前記蓄放熱装置出の冷水と還水との還水割合を制御することを特徴とする。

本発明によれば、大幅なシステム変更を伴うことなく簡易な設備追加により低冷房負荷時の運転効率低下を回避できるという効果がある。
さらに、大幅なシステム変更を必要としないため、既存建物の約９割を占める中・小規模建物の空調システムについても採用が容易であり、我が国の省エネ推進の要請に応えることができる。

第一の実施形態に係る水冷式空調システム１の全体構成を示す図である。 蓄放熱装置５の詳細構成を示す図である。 水冷式空調システム１の通常運転モードにおける冷水循環流路を示す図である。 水冷式空調システム１の蓄熱運転モードにおける冷水循環流路を示す図である。 水冷式空調システム１の放熱運転モードにおける冷水循環流路を示す図である。 第二の実施形態に係る水冷式空調システム３０の全体構成を示す図である。 水冷式空調システム３０の蓄熱運転モードにおける冷水循環流路を示す図である。 水冷式空調システム３０の放熱運転モードにおける冷水循環流路を示す図である。 第三の実施形態に係る水冷式空調システム４０の全体構成を示す図である。 水冷式空調システム４０の蓄熱運転モードにおける冷水循環流路を示す図である。 水冷式空調システム４０の放熱運転モードにおける冷水循環流路を示す図である。 第四の実施形態に係る水冷式空調システム５０の全体構成を示す図である。 水冷式空調システム５０の蓄熱運転モードにおける冷水循環流路を示す図である。 水冷式空調システム５０の放熱運転モードにおける冷水循環流路を示す図である。 第五の実施形態に係る水冷式空調システム６０の全体構成を示す図である。 水冷式空調システム６０の蓄熱運転モードにおける冷水循環流路を示す図である。 水冷式空調システム６０の放熱運転モードにおける冷水循環流路を示す図である。 従来の水冷式空調システム１００の構成を示す図である。

以下、本発明に係る空調システムの実施形態について、図１（ａ）乃至５（ｃ）を参照してさらに詳細に説明する。各図において同一構成には同一符号を用いて示し、重複説明を省略する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

＜第一の実施形態＞
図１（ａ）を参照して、空調システム１は、一次側冷水循環系統２と二次側冷水循環系統３とにより構成されている。
一次側冷水循環系統２は、冷水発生源である熱源機２ａと、熱源機２ａで作られた冷水を往水ヘッダーユニット６に供給する熱源機出口配管２ｃと、配管２ｃ経路内に介装される二方弁２ｈと、還水ヘッダー２ｆからの還水を熱源機２ａに戻す熱源機入口配管２ｄと、両ヘッダー間を直接結ぶバイパス配管２ｇと、により構成されている。往水ヘッダーユニット６は、一次側往水ヘッダー２ｅ、二次側往水ヘッダー３ｅ及び二次側循環ポンプ３ｇにより構成されている。バイパス配管２ｇ経路内には、蓄放熱装置５が介装されている。また、熱源機入口配管２ｄ経路内には、一次側循環ポンプ２ｂが介装されている。詳細図示を省略するが、空調機４は熱交換器、送風機を備えたＡＨＵ（Air Handling Unit）もしくはＦＣＵ（Fan Coil Unit）であり、冷水と室内空気を熱交換させて冷風を空調対象室内に供給可能に構成されている。
なお、一次側循環ポンプ２ｂは熱源機２ａの下流、熱源機出口配管２ｃ側に配置してもよい。

図１（ｂ）を参照して、蓄放熱装置５は外側容器５ｂ、断熱層５ｃの内側に小球状の潜熱蓄熱材５ａが充填された構成を備えている。潜熱蓄熱材５ａとしては、パラフィン系潜熱蓄熱材等を用いることができる。

二次側冷水循環系統３は、往水ヘッダーユニット６と、往水配管３ａと、分岐配管３ｃと、還水配管３ｂと、分岐配管３ｃ経路内に介装される空調機４と、二方弁３ｄと、を主要構成として備えている。なお詳細図示を省略するが、二次側冷水循環系統３には複数の二次側冷水循環系統３’が含まれる。
往水ヘッダー２ｅと還水ヘッダー２ｆ間には、ヘッダー間の差圧（Ｐｒ）を計測できる差圧センサＳ１が設置されており、Ｐｒが一定値になるよう二次側循環ポンプ３ｇを制御するように構成されている。
なお、二次側の要求水量が１台目の循環ポンプ３ｇの下限水量を下回るケースを想定して、一次側往水ヘッダー２ｅ、二次側往水ヘッダー３ｅ間をバイパスする配管を持つ場合がある。

水冷式空調システム１は以上のように構成されており、次に図１（ｃ）乃至１（ｅ）を参照して、本実施形態における空調機側への冷水供給の制御フローについて順次説明する。なお、以下のフローでは制御の安定化を考慮して、各ステップは所定の時間間隔で行われるものとする。また、本実施形態の制御指令は、不図示の制御部により実行される。以下のフローにおいて、各運転条件下における二方弁２ｈ、循環ポンプ２ｂの作動状態は表１の通りである。

制御開始時において、熱源機２ａは出口温度一定（例えば７℃）制御により運転されている。一次側循環ポンプ２ｂは運転状態、二方弁２ｈは開状態にあるものとする。また、二次側循環ポンプ３ｇは、ヘッダー間差圧（Ｐｒ）を一定値に維持するよう制御を行っている。この状態における冷水循環は、図１（ｃ）太線に示す通りである。

その後、例えば空調機４の冷房需要の低下により、制御弁３ｄの開度が小又は全閉になることにより、二次側循環ポンプ３ｇによる循環水量が減少する。一方、１次側循環ポンプ２ｂによる循環水量は変化しないため、その水量差分はバイパス配管２ｇ側に供給され、その分の冷熱がバイパス配管２g経路内に設置された蓄放熱装置５に蓄熱されることになる。この状態における冷水循環は、図１（ｄ）太線の通りとなる。

この状態から、さらにヘッダー間差圧（Ｐｒ）が予め設定された最小値（P_min）を下回った場合には、空調機側の冷房負荷がさらに小さいと判定され、熱源機２ａ及び一次側循環ポンプ２ｂを停止し、二方弁２ｈを閉鎖する。これにより、冷水循環は図１（ｅ）の通りとなり、蓄放熱装置５からの放熱により空調機４の冷房が行われることとなる。

その後、ヘッダー間差圧（Ｐｒ）が最小値（P_min）を超えるに至った場合には二方弁２ｉを開放し、熱源機２ａ及び一次側循環ポンプ２ｂの運転を再開する。
なお、本実施形態では熱源機運転から蓄放熱装置５の放熱運転への切り替えをヘッダー間差圧（Ｐｒ）により制御する例を示したが、冷凍機の負荷率や、循環水量の変化、蓄放熱装置５内の潜熱蓄熱材の蓄熱状態（例えば内部温度）により判定する態様とすることもできる。

また、熱源機２ａ及び一次循環ポンプ２ｂが、故障又は保守点検などで停止する場合も、上記と同様に、二方弁２ｈを閉鎖することで、蓄放熱装置５に蓄熱された熱の放熱により、空調機４の冷房を行うことが可能となる。

＜第二の実施形態＞
さらに本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、蓄放熱装置５による放熱時に一次側循環ポンプを利用し、かつ、放熱時に負荷に応じて還水を混合して送水温度を調整し、放熱運転の長時間化を図る形態に関する。

図２（ａ）を参照して、本実施形態に係る水冷式空調システム３０の構成が上述の水冷式空調システム１と異なる点は、一次側循環ポンプ３６が熱源機出口配管２ｃ側に介装されていることである。また、熱源機出口配管２ｃとバイパス配管２ｇとを結ぶ循環ポンプバイパス配管３７が設けられている。さらに、蓄放熱装置５をバイパスして還水ヘッダー２ｆとバイパス配管３７とを結ぶ蓄放熱装置バイパス配管３１が設けられている。さらに、熱源機２ａと往水ヘッダー２ｅを結ぶ配管経路内には二方弁３２、３３、３５及び三方弁３４が介装されている。なお、水冷式空調システム１の配管２ｃ経路内に介装されているバイパス二方弁２ｈは設けられていない。
その他の構成は水冷式空調システム1と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、水冷式空調システム３０の蓄熱運転モード及び放熱運転モードにおける冷水循環の態様について説明する。なお、通常運転モードにおける冷水循環流路は上述の各実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。
各運転条件下における制御弁、循環ポンプの作動制御は表２の通りである。

上表において、放熱運転モードの三方弁３４は、温度センサＳ３１の温度が設定値となるように、配管３１側、３７側の開度を制御する（※１）。
上表の弁制御により、蓄熱運転モード、放熱運転モードにおける冷水循環はそれぞれ図２（ｂ）、図２（ｃ）の循環流路となり、水冷式空調システム１と同様の通常運転、蓄熱運転、放熱運転が行われる。

＜第三の実施形態＞
さらに本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は放熱運転モードに二次側循環ポンプを利用し、かつ、放熱時に負荷に応じて還水を混合して放熱運転の長時間化を図る形態に関し、特に熱源機故障等の緊急時の空調確保を可能とする態様である。

図３（ａ）を参照して、本実施形態に係る水冷式空調システム４０の構成が上述の水冷式空調システム1と異なる点は、蓄放熱装置５をバイパスして還水ヘッダー２ｆと往水ヘッダー２ｅとを結ぶ還水バイパス配管４３が設けられていることである。また、還水バイパス配管４３とバイパス配管２ｇの合流点には三方弁４１が介装されている。さらに、往水ヘッダー２ｅ出口近傍には温度センサＳ４１が配設されている。その他の構成は水冷式空調システム1と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、水冷式空調システム４０の通常運転モード、蓄熱運転モード及び放熱運転モードにおける冷水循環の態様について説明する。各運転条件下における制御弁、循環ポンプの作動制御は表３の通りである。

（※２）放熱運転モードの三方弁４１は、温度センサＳ４１の温度が設定値となるように、配管２ｇ側、４３側の開度を制御する。

上表の弁制御により、蓄熱運転モード、放熱運転モードにおける冷水循環はそれぞれ図３（ｂ）、図３（ｃ）の循環流路となる。放熱運転モードにおいて、蓄放熱装置５からの出の冷水（例えば７℃）と還水バイパス配管４３を介する再循環冷水（例えば１２℃）を空調機４の運転に支障のない範囲で混合し、空調機４側に供給するため、冷房能力は減少するものの、放熱運転モード時間の長時間化が可能となる。

＜第四の実施形態＞
さらに本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、システム全体の冷水循環を循環ポンプ２ｂのみで行う形態に関する。

図４（ａ）を参照して、本実施形態に係る水冷式空調システム５０の構成が水冷式空調システム１と異なる点は、二次側冷水循環系統３において往水ヘッダー５７が二次側往水ヘッダー、二次側循環ポンプ、配管３ｆを備えていないことである。
また、バイパス配管２ｇと熱源機入口配管２ｄを結ぶ配管５１、熱源機２ａをバイパスする配管５２が設置されている。さらに、バイパス配管２ｇには二方弁５３が、配管５１には二方弁５４が、配管５２には二方弁５５が、それぞれ介装されていることである。その他の構成は水冷式空調システム1と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、水冷式空調システム５０の蓄熱運転モード及び放熱運転モードにおける冷水循環の態様について説明する。
各運転条件下における制御弁、循環ポンプの作動制御は表４の通りである。

上表の弁制御により、蓄熱運転モード、放熱運転モードにおける冷水循環はそれぞれ図４（ｂ）、図４（ｃ）の循環流路となり、上述の各実施形態と同様の通常運転、蓄熱運転、放熱運転が行われる。

＜第五の実施形態＞
さらに本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、放熱運転モード時に冷房負荷に応じて還水を適宜、往水に混合することにより、放熱運転の長時間化を図る態様に係る。

図５（ａ）を参照して、本実施形態に係る水冷式空調システム６０の構成が上記の水冷式空調５０と異なる点は、熱源機入口配管２ｄと配管５１とを接続するバイパス配管６１と、両配管の合流点に三方弁６２と、が設置されていることである。
その他の構成は水冷式空調システム６０と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、水冷式空調システム６０の各運転モードにおける冷水循環の態様について説明する。各運転条件下における制御弁、循環ポンプの作動制御は表５の通りである。

（※３）放熱運転モードにおいて、三方弁６２は温度センサＳ７１の温度が設定値となるように、配管２ｇ側、５７側の開度を制御する。
上表の弁制御により、蓄熱運転モード、放熱運転モードにおける冷水循環はそれぞれ図５（ｂ）、図５（ｃ）の循環流路となり、水冷式空調システム１と同様の通常運転、蓄熱運転、放熱運転が行われる。

本発明は、熱源、冷媒、建築構造等の種類を問わず、水冷式空調システムに広く適用可能である。

１、３０、４０、５０、６０・・・・水冷式空調システム
２・・・・一次側冷水循環系統
２ａ・・・熱源機
２ｂ・・・一次側循環ポンプ
２ｅ、５７・・・往水ヘッダー
２ｆ・・・還水ヘッダー
２ｇ・・・空調バイパス配管
３・・・・二次側冷水循環系統
４・・・・空調機
５・・・・蓄放熱装置
６・・・・往水ヘッダーユニット
２ｈ、３２、３３、３５、４２、５３〜５６、６３〜６５・・・・二方弁
３４、４１、６２・・・・三方弁
Ｓ１・・・・差圧センサ
Ｓ３１、Ｓ４１、Ｓ７１・・・・温度センサ

Claims (3)

1. 熱源機（２ａ）で製造した冷水を、往水ヘッダー（６）及び還水ヘッダー（２ｆ）を介して１以上の空調機（４）に循環供給する水冷式空調システムにおいて、
   空調機（４）を迂回して、往水ヘッダー（６）と還水ヘッダー（２ｆ）とを結ぶ空調機バイパス配管（２ｇ）と、
   空調機バイパス配管（２ｇ）経路内に潜熱蓄熱材を充填した蓄放熱装置（５）と、
   を備えて成り、かつ、
   熱源機（２ａ）、往水ヘッダー（６）、空調機（４）及び還水ヘッダー（２ｆ）間を結ぶ回路を用いて、冷水を蓄放熱装置（５）側に供給することなく、空調機（４）側に供給する通常運転モードと、
   熱源機（２ａ）、往水ヘッダー（６）、蓄放熱装置（５）及び還水ヘッダー（２ｆ）間を結ぶ回路を用いて、冷水の少なくとも一部を蓄放熱装置（５）側に循環供給する蓄熱運転モードと、
   往水ヘッダー（６）、空調機（４）、還水ヘッダー（２ｆ）及び蓄放熱装置（５）間を結ぶ回路を用いて、蓄熱運転モード中に蓄放熱装置（５）に蓄熱した冷熱を、空調機（４）に循環供給する放熱運転モードと、
   を適宜、運転切り替え可能に構成したことを特徴とする水冷式空調システム。
2. 前記蓄放熱装置を迂回する蓄放熱装置バイパス配管（３１）を、さらに備え、
   かつ、前記放熱運転モードにおいて、前記蓄放熱装置出の冷水に、還水ヘッダーに戻る還水を混合可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の水冷式空調システム。
3. 請求項１に記載の水冷式空調システムにおいて、
   前記空調機側の冷房負荷に対応して、前記蓄放熱装置出の冷水と還水との還水割合を制御することを特徴とする水冷式空調システムの運転制御方法。
   
   

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