JP2510888B2 - 氷蓄熱空調システムの運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，過冷却水から微細な氷を製造して空調用蓄
熱に利用する氷蓄熱空調システムにおいて空調熱源運転
を実施しているときに併せて製氷運転を実施するか否
か，実施するとすればその時間をどれだけの長さにする
かを決定する運転方法に関する。

〔従来の技術〕

建物内に配設したフアンコイルユニットや水熱源ヒー
トポンプユニットの水側熱交換器に冷温水を循環させて
冷暖房を行なうさいに，冷房時の冷熱を蓄熱槽内におい
て氷の形態で蓄えるいわゆる氷蓄熱方式が注目されてお
り，一時稼働されるようになった。これは，例えば夜間
電力で冷凍機を駆動して製氷し，氷の状態で多量の冷熱
を蓄熱槽で蓄えたうえ，冷房運転時にその氷の冷熱を冷
水として取出して二次側熱交換器（負荷側熱交換器と呼
ぶ）に循環するものであり，水の潜熱を利用するので小
規模装置でも多量の冷熱を蓄えることができる。

この氷蓄熱方式には，製氷法の相違によって蓄える氷
の形態が氷塊状（ソリッド状）のものとシャーベット状
（微細氷と水とが混在したリキッド状またはスラリー
状）のものとに分けられる。両者にはそれぞれ得失があ
るが，氷塊方式では氷塊を蓄熱水槽で生成させる（熱交
換器の表面で生成させる）場合の氷層が厚くなるとそれ
に伴って熱の伝導が低下するので大きな厚みにすること
には限界があり，したがって，氷の充填率（I.P.F.）は
10％前後にしかならず，蓄熱効率が悪くなることは避け
られない。一方シャーベット状の氷を製造する場合には
I.P.F.は非常に大きくすることができるが，大容量の水
をシャーベット状にするには一般には非常に大規模な設
備を必要とする。このため，零度℃以下に過冷却された
過冷却水の流れから微細な氷を析出させる方式が開発さ
れた。例えば同一出願人に係る特開昭63−217171号公報
および特開昭63−231157号公報に，過冷却水から微細な
氷を製氷する方法および装置を提案し，また，この過冷
却水を伝熱管で連続製造することを要件として，特開昭
63−271074号公報，特開昭64−75869号公報，特開昭64
−90973号公報，特開平１−114682号公報，実開昭63−1
39459号公報，実開平１−88235号公報，実開平１−8823
6号公報，実開平１−88237号公報，実開平１−97135号
公報，実開平１−112345号公報，実開平１−120022号公
報，実開平１−125940号公報，実開平１−136832号公
報，実開昭１−148538号公報，実開平１−178528号公
報，実開平２−527号公報等に様々な提案を行った。い
ずれにしても，これらに提案した過冷却水からシャーベ
ット状の氷を製造する製氷システムの過冷却器は，水が
その中を通水する伝熱管を冷却容器内に配置し，この冷
却容器内に冷却媒体として冷凍機のブラインを通液する
か，或いは冷却容器をヒートポンプ装置の蒸発器として
機能するように構成し，これによって伝熱管の内壁温度
を零度℃以下ではあるが−5.8℃以上に維持すれば水の
入口温度や流量等の変動に拘わらず管内で凍結を起こす
ことなく過冷却水の連続流れが製造できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ソリッド状，シャーベット状を問わず，かような氷蓄
熱システムでは，氷蓄熱槽内の水を熱源水として負荷側
熱交換器に循環させる空調熱源運転を実施しているさい
に製氷運転も同時に実施するいわゆる追い掛け運転を行
うのが総合的な経済性を確保するためには有利となる。
この追い掛け運転の発停は，蓄熱槽内の残氷量と負荷予
測が基準となるが，残氷量の検出や負荷予測を正確に行
うには難点も多い。特にソリッド状氷蓄熱システムで
は，夜間の製氷運転開始時に熱交換器表面に氷が残って
いるとトラブルの原因となるし，製氷時には氷量の増加
とともに冷凍機の成績係数が低下する。したがって，空
調熱源運転終了時に氷が完全に融解していることが条件
となり，この条件を満たしたうえで追い掛け運転の発停
制御を組み込まざるを得ず，その制御が一層複雑化する
し，熱負荷に完全に対応するようには高い精度の負荷予
測も必要となる。

一方，過冷却水によるシャーベット状氷蓄熱システム
では，前記のような制約条件はなく，氷生成の進行によ
る成績係数の低下もない。したがって追い掛け運転は夜
間電力の利用率或いは熱負荷への対応を考慮してその発
停を制御すればよい。また外気温度に拘わらず冷却能力
が一定であり且つ蓄熱終了時の蓄熱量も一定であるとい
う特性も有している。このようなことから，過冷却水型
の氷蓄熱システムでは追い掛け運転の発停制御の基準化
ができれば非常に有利であり，これによって氷蓄熱シス
テムの経済性を一層高めることができる。

本発明はこの要求を満たすことを目的としたものであ
る。

〔発明の構成〕

前記の目的を達成せんとする本発明の要旨とするとろ
は，蓄熱槽内の水を槽外に設置した過冷却器に通水して
零度℃以下の過冷却水としたうえその過冷却状態を解除
して微細な氷を析出させて該蓄積槽に蓄える製氷運転
と，該蓄熱槽内の水を負荷側熱交換器に通水したあと該
蓄熱槽に戻す空調熱源運転とを行う氷蓄熱空調システム
において，空調熱源運転を実施しながら製氷運転を実施
する追い掛け運転の発停制御を行うにあたり，蓄熱槽か
ら負荷側熱交換器に入る前の往水温度と蓄熱槽に戻る還
水温度の差を検出し，この温度差に基いて該追い掛け運
転の時間を決定することを特徴とする。

〔作用〕

熱源水の負荷側熱交換器への循環量がほぼ一定であれ
ば，その往水温度と還水温度の温度差をもって熱負荷の
代用値とすることができる。すなわち熱源水の循環量×
温度差が熱負荷となるから，熱負荷は温度差で代用させ
ることができる。一方熱負荷の一般的な特性として，そ
の熱負荷パターン（熱負荷の経時変化）は個々の建物や
その使用の仕方によって異なるが，一つの既設建物では
その日の熱負荷パターンと総熱負荷量の関係は特別なこ
とがない限り定型的なものであり，経験的に判読でき
る。したがって，或る時刻における熱負荷が計測される
と（該温度差から予測されると），その日の総熱負荷量
を推定することができる。したがって，空調熱源運転を
行っている当日の比較的早い時刻に該温度差を検出して
その日の熱負荷状態を知れば，当日の総熱負荷量を推定
でき，これによって追い掛け運転が必要か否か，また必
要な場合にはどれだけの時間が必要かを決定することが
できる。

以下に図面を参照しながら，本発明に従う氷蓄熱空調
システム例とその運転方法を具体的に説明する。

〔実施例〕

第１図は過冷却型製氷蓄熱システムの一実施例を示し
たものである。１は蓄熱槽,2は過冷却器,3は循環ポンプ
であり，蓄熱槽１内の水はポンプ３の駆動により熱源側
循環水路４を経て過冷却器２に連続供給され，この過冷
却器２によって零度℃以下の過冷却水５となって大気中
に吐出し，この過冷却水５の吐出流は，場合によっては
過冷却状態解除装置６に衝突したうえ，蓄熱槽１内に戻
される。過冷却状態が解除するさいに微細な氷となり，
蓄熱槽１内にはシヤーベット状の氷８が溜まる。

他方，蓄熱槽１内の冷水が空調用の負荷側熱交換器12
に通じたあと再び蓄熱槽に戻る負荷側循環水路13が形成
される。すなわち，蓄熱槽１の冷水はフイルタ14,負荷
側ポンプ15,負荷側熱交換器12,散水装置16を経て槽内に
戻る。負荷側熱交換器12としては通常は液・液熱交換器
を使用し，建物内のフアンコイルユニットやヒートポン
プユニットの水側熱交換器を循環する二次側冷温水と熱
交換する。場合によってはこの負荷側熱交換器12自身を
空調器の熱交換器として使用することもできる。14およ
び９は氷捕集用のフイルターを示す。

熱源側循環水路４の過冷却器２は，多数本の伝熱管
（チユーブ）17をシエル18内に配置したシエルアンドチ
ユーブ型熱交換器からなっている。各チユーブ17（以下
伝熱管17と言う）は，シエル18（以下冷却容器18と呼
ぶ）を貫通して配置され，一方の端は水入口ヘッダー部
20に開口し，他方の端は大気に開放していることから，
水入口ヘッダー部20に導入された水は各伝熱管17内を流
れて他方の開口端よりも大気中に吐出する。シエル側の
冷却容器18はヒートポンプ装置の蒸発器として機能する
ように構成されている。すなわち,24は圧縮機,25は凝縮
器,27は膨脹弁を示しており，これらの間に冷媒配管す
ることによってヒートポンプ装置を構成している。この
ヒートポンプ装置を稼働し，蒸発器である冷却容器18内
の冷媒の蒸発温度を制御して伝熱管17の内壁温度を零度
℃以下で−5.8℃以上となるように冷却することによ
り，伝熱管17の吐出口から過冷却水の連続流れ５が吐出
し，これが傾斜衝突板，分配板，回転板等からなる吐出
流に衝撃を付与する過冷却状態解除装置６に触れること
により微細な氷を析出しつつ蓄熱槽１内に溜まる。

第２図，過冷却器２を満液型の蒸発器として構成した
以外は，実質上第１図と同様の設備を示しており，第１
図と同じ符号を付した機器は第１図で説明したのと同じ
内容のものである。第２図の設備では，ヒートポンプ装
置稼働中は冷却容器18内に液冷媒21が伝熱管17を浸すに
充分な量で，つまりその液面22が器内の伝熱管17より上
方に位置するように，満たされており，液面22の上方空
間が低圧に維持され且つ伝熱管17によって液冷媒21が加
熱されることによって液が沸騰する状態に置かれる。す
なわち，冷却容器18の下部に液冷媒導入口29が設けられ
ることにより，器内の液冷媒21の層内にその下方から膨
脹弁27を経た冷媒が導入される。冷却容器18の上部に設
けられた気体冷媒導出口30から圧縮機24に気体冷媒が吸
引されることにより冷却容器18内は低圧に維持されるの
で，また伝熱管17の中を通流する熱源水によって熱が付
与されるので，液冷媒21は沸騰を起こす。なお26は受液
器であり，凝縮器25で凝縮した液冷媒を一たんここで受
け，液・液熱交換器10を経たあと膨脹弁27を介して冷却
容器18内に送られる。液・液熱交換器10では凝縮液冷媒
が有する熱を過冷却器２の伝熱管17に入る前の水に付与
する作用を果たす。凝縮器25は空冷式のフインチューブ
型熱交換コイルからなり，フアン28の駆動によって空気
を通流することにより，圧縮機24から吐出する高圧冷媒
の凝縮熱を放熱する。11はバッフアタンクを示す。第２
図の設備でも蒸発器である冷却容器18内の冷媒液の蒸発
温度と圧力が適正に制御されることにより，第１図の設
備と同様に，伝熱管17の吐出口からは過冷却水が連続的
に吐出し，その過冷却状態が解除されると微細なシャー
ベット状の氷を析出し，蓄熱槽１内に蓄えられる。

第１図や第２図の設備において，この製氷運転は通常
は夜間に実施し，建物の稼働時間帯であるその他の時間
帯において蓄熱槽内の水を負荷側熱交換器12に循環する
空調熱源運転を実施する。この空調熱源運転を実施なが
ら製氷運転を実施する追い掛け運転は，その日の総熱源
量をまかなうには夜間に製造した氷が足りないときに実
施するのであるが，その発停制御のために本発明では次
のような機器構成を採用する。先ず，負荷側循環水路13
において，蓄熱槽１から負荷側熱交換器12に入る前の往
水管路にその往水温度を検出するための温度検出器32を
取付けると共に，負荷側熱源水12を経て蓄熱槽１に戻る
還水管路にその還水温度を検出するための温度検出器33
を取付ける。そして両検出器32の33の検出信号を温度差
計34に入力し，ここで往水温度と還水温度の差を計測
し，その計測値を信号変換器35に送信する。この信号変
換器35ではその建物の熱負荷パターンと総負荷量との記
録された関係から，入力時刻の温度差に基いて追い掛け
運転が必要であるか否か，また必要な場合の運転時間を
判断し，必要な運転時間が判断された場合にはタイマー
36にヒートポンプ装置の発停制御信号を出力する。タイ
マー36はリモート設定可能なものを使用する。そして，
このタイマー36は，ヒートポンプ装置のスイッチ回路37
をオン・オフ動作させる。このオン・オフ動作は熱源側
循環水路４に介装されたポンプ３および圧縮機24の電源
側に設けられたリレー回路の断続動作である。

第３図は或る建物の冷房負荷の時刻変化を表した熱負
荷パターン図であり、ａ曲線は６月,b曲線は８月,c曲線
は10月のそれぞれ月別合計を表している。このように盛
夏時と中間期とではパターンは異なるが，数日間の単位
で見れば熱負荷パターンはおよそ決まった挙動を示す。
したがって空調熱源運転当日の比較的早い時刻例えば８
時に冷房負荷がどの程度であるかが判読されると，その
日の負荷パターンが決まり，これによってその日の総負
荷量（パターン曲線の積分値）が推定できる。先述のよ
うに温度差計34の出力はその時刻の熱負荷に対応する。
したがって例えば８時に計測された温度差計の出力から
その日のパターンが決まり，総負荷量が推定できる。こ
の推定総負荷量が夜間に製氷された氷量ではまかなえな
いと判断された場合に，信号変換器35がその不足する製
氷運転時間を演算し，タイマー36にその運転時間を登録
し，ヒートポンプ装置のリレー回路37を発停する。これ
によって追い掛け運転がその時間幅だけ実施され，実施
後はヒートポンプ装置を停止する。

第４図はシステム全体の制御フローを示したものであ
る。同図の追い掛け運転時間設定が前記の温度差計34の
出力に基づく操作となる。なお，この追い掛け運転は蓄
熱槽の水温が設定値（例えば１℃）以下を維持していて
も実施するものを意味し，設定値以上となった場合に実
施する製氷運転とは一応区別される。

〔効果〕

以上のように，本発明は過冷却水から微細な氷を製造
する空調用製氷蓄熱システムにおいて，追い掛け運転の
必要性とその運転時間の決定が往水温度と還水温度の差
に基いて判断されるので，追い掛け運転を行うためのヒ
ートポンプ装置の発停制御が極めて単純に行うことがで
き，これによって当該システムによる一層経済的且つ合
理的な運転が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は過冷却器に気化型蒸発器を用いた空調用製氷蓄
熱システムの機器配置図，第２図は過冷却器に満液型蒸
発器を用いた空調用製氷蓄熱システムの機器配置図，第
３図は或る建物における熱負荷の経時変化を示す月別パ
ターン図，第４図は製氷蓄熱システムの制御フロー図で
ある。 １……蓄熱槽,2……過冷却器， ３……ポンプ,4……熱源側循環水路， ５……過冷却水,6……過冷却解除装置， ９……フイルタ,10……液・液熱交換器， 11……バッファタンク,12……負荷側熱交換器， 13……負荷側循環水路,18……伝熱管 19……冷却容器,21……液冷媒， 22……液冷媒の液面,24……圧縮機， 25……凝縮器,26……受液器， 27……膨脹弁,29……液冷媒導入口， 30……気体冷媒導出口,32……往水温度検出計， 33……還水温度検出計,34……温度差計， 35……信号変換器,36……タイマー， 37……ヒートポンプ装置のスイッチ回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蓄熱槽内の水を槽外に設置した過冷却器に
   通水して零度℃以下の過冷却水としたうえ，その過冷却
   状態を解除して微細な氷を析出させて該蓄積槽に蓄える
   製氷運転と，該蓄熱槽内の水を負荷側熱交換器に通水し
   たあと該蓄熱槽に戻す空調熱源運転とを行う氷蓄熱空調
   システムにおいて，空調熱源運転を実施しながら製氷運
   転を実施する追い掛け運転の発停制御を行うにあたり，
   蓄熱槽から負荷側熱交換器に入る前の往水温度と蓄熱槽
   に戻る還水温度の差を検出し，この温度差に基いて該追
   い掛け運転の時間を決定することを特徴とする氷蓄熱空
   調システムの運転方法。