JP2596674B2 - 水槽と氷槽併用の蓄熱方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空調設備に蓄熱槽を設
置することによりオフピーク時の電力利用を図ると共に
経済性を享受する蓄熱方法及び装置に関し、特に水槽と
氷槽を併用した蓄熱方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】空調設備、特に熱源が電気方式の場合、
電力需要平準化の要請に応えるため、蓄熱槽を設置して
（１）低料金の深夜電力を利用して従量料金を節減し、
（２）契約電力を小さく抑えて基本料金をも節減するこ
とが行われている。

【０００３】蓄熱槽の容量及び蓄熱量の設計を図２を用
いて説明する。図２（Ａ）に示す冷暖房日積算負荷の年
間変動を大きさの順に並べた発生頻度分布を図２（Ｂ）
に示す。最近のインテリジェント化された事務所などで
は、ＯＡ機器類の発熱等内部発熱が大きいため暖房に比
べて冷房の負荷が大きく、冷房のピーク熱負荷により熱
源容量を設計すれば暖房負荷はその容量で十分対応でき
る。一方、年間冷房負荷における高負荷の時期は１カ月
程度の短期間であり、その他の冷房期間はピーク熱負荷
の半分以下である。従って図２（Ｂ）に示すように、日
積算冷房熱負荷のピーク値の５０％を蓄熱可能な蓄熱槽
を設ければ、年間の冷房熱負荷の８０％程度をその蓄熱
槽により供給できることになる。

【０００４】従来蓄熱方法としては、水槽への水蓄熱又
は氷槽への氷蓄熱の何れかが採用されていた。

【０００５】図５、図６を参照して従来の温度成層形水
槽による蓄熱方法を説明する。温度成層形水槽とは、水
槽の深さ方向に温度分布を有する水槽であって、混合損
失が少ない利点を有する。図５（Ａ）で夜間に翌日の日
積算負荷予測量を水冷却機13により水槽10へ蓄熱する。
冷房負荷時間帯には、図５（B1）に示す送り管５を介し
水槽10から送り管５に連通する熱負荷１へ冷熱を供給
し、蓄えた冷熱を使いきった場合には図５（B2）のよう
に水冷却機13を作動して熱負荷１へ冷熱を供給する。暖
房時には温度成層形水槽の熱入出力の関係が冷房時と逆
になるため、図６（Ａ）に示すように配管接続を切り替
えた後翌日の日積算負荷予測量の温熱を水槽10に蓄熱す
る。又暖房負荷時間帯には、図６（B2）のように配管接
続を切り替えて水槽10から熱負荷１へ温熱を供給する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来の水蓄熱又
は氷蓄熱には、次のような問題点があった。 （１）水蓄熱は、水冷却機の成績計数は良好だが、水の
顕熱（1kcal/kg/degC）のみを利用するため大きな容積
を必要とする。 （２）氷蓄熱は、水の溶解潜熱（80kcal/kg） と顕熱を
利用するため容積を小さくできるが、凍らせるために氷
蓄熱用冷凍機の蒸発温度を低くする必要から成績係数が
悪くなり効率が悪化する。

【０００７】本発明の目的は、水槽と氷槽との併用によ
り、蓄熱槽全体の容積、従って床面積を水蓄熱槽単独の
ものに比し大幅に抑え、しかも成績係数の悪化を防いだ
蓄熱方法及び装置を提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】図１の実施例を参照する
に、本発明の蓄熱方法は、熱負荷１の冷房負荷が低い時
に所定熱量、例えば予定蓄熱量のうち一定量以下の部分
を水槽10へ蓄熱すると共に前記一定量を超える部分を氷
槽20へ蓄熱する。水槽10と氷槽20とを開閉弁付連通管装
置30で接続し、熱負荷１の冷房負荷が高い時に、水槽10
及び氷槽20両槽の蓄熱を水槽10を介して熱負荷１に供給
する。

【０００９】好ましくは、熱負荷１の負荷が高い時で、
水蓄熱を使いきった場合に、熱負荷１からの戻り水を水
槽10及び氷槽20に適宜配分することにより、水槽10及び
氷槽20両槽の蓄熱を熱負荷１に供給する。この配分によ
り、氷槽からの冷熱供給を調節し、適切な温度の冷水を
供給する。

【００１０】更に好ましくは、水槽10を単独又は直列に
連通した複数の温度成層形水槽とし、氷槽20をスタティ
ック形とし、前記温度成層形水槽10の最低温側端と前記
スタティック形氷槽20とを連通する。単独又は直列に連
通した複数の温度成層形水槽10を用いるのは、混合損失
を防止するためである。スタティック形氷槽20とは、ブ
ライン又は冷媒を氷槽用一次ポンプ24(図１)により循環
させることにより冷却コイル25の外側に氷を形成するも
ので、小容量で多量の冷熱を蓄えることができる利点を
有する。

【００１１】本発明の蓄熱装置は、水冷却機13に接続し
た水槽10、氷蓄熱用冷凍機23に接続した氷槽20、水槽10
と氷槽20を連通する開閉弁付連通管装置30、水槽10を熱
負荷１に連通する送り管５、及び熱負荷１を三方弁３経
由で水槽10及び氷槽20に連通する戻り管６を備えてなる
構成を有する。図示例の開閉弁付連通管装置30は、上下
配置の２本の連通管30a 、30b からなる。

【００１２】好ましくは、水槽10を単独又は直列に連通
した複数の温度成層形水槽とし、氷槽20をスタティック
形とし、前記温度成層形水槽10の最低温側端と前記スタ
ティック形氷槽20とを開閉弁付連通管装置30により連通
する構成とする。

【００１３】

【作用】図１及び図４の実施例を参照して、本発明の作
用を説明する。例えば翌日の日積算負荷予測量などの所
要熱量うち一定量以下の部分を水槽10に蓄熱し、前記一
定量を超過する部分がある場合には当該超過部分を氷槽
20に蓄熱する。前記一定量としては、例えば水槽10の最
大蓄熱容量とすることができる。図４（Ａ）のように、
水槽10への蓄熱は水槽用一次ポンプ14により水冷却機13
へ水を循環させることにより行い、氷槽20への蓄熱は氷
槽用一次ポンプ24により氷蓄熱用冷凍機23からブライン
又は冷媒を循環させ、冷却コイル25の外側に氷を形成す
ることにより行う。水冷却機13及び氷蓄熱用冷凍機23と
しては、適当な従来構造のものを使うことができる。蓄
熱運転を夜間に行うことにより低料金の深夜電力を利用
することができる。但し蓄熱運転は夜間に限定されるも
のではなく、蓄熱を使いきった場合には昼間であっても
運転を行う。

【００１４】日積算冷房負荷の予想値が比較的大きく水
蓄熱・氷蓄熱併用する場合には、先ず図４（B1）に示す
ように二次ポンプ４により水槽10から水を送り管５に送
り、送り管５に連通する冷房熱負荷１に冷熱を供給す
る。又氷槽20の冷熱は、水槽10及び氷槽20両槽を連通す
る開閉弁付連通管装置30、水槽10、及び送り管５を介し
て熱負荷１に供給する。即ち、水槽10及び氷槽20両槽の
冷熱を共に水槽10を介して熱負荷１に供給する。水槽10
と氷槽20の水を対流させるため、開閉弁付連通管装置30
を２本の管路によって構成することができる。この場合
氷槽20からの冷熱は対流による自然循環によって徐々に
供給されるため、水槽10から優先的に冷熱が供給され
る。

【００１５】水槽10の冷熱を使いきった場合、熱負荷１
からの戻り管６に図４（B2）に示す三方弁３を設け、熱
負荷１からの戻り水を水槽10及び氷槽20に適宜配分し、
一部戻り水を強制的に氷槽20内を循環させて水槽10へ送
り込み、氷槽20の蓄熱を水槽10を介して熱負荷１に供給
する。戻り水を適宜配分する制御手段としては、例えば
三方弁構造を用いることができる。

【００１６】低負荷時又は暖房時に、連通管30を閉鎖し
て氷槽20を水槽10から切離し且つ三方弁３によって戻り
水を水槽10へのみ戻すことにより、水槽10のみから熱負
荷１へ熱供給することができる。

【００１７】こうして本発明の目的である、「水槽と氷
槽併用の蓄熱方法及び装置の提供」が達成される。

【００１８】

【実施例】図３、図４を参照して本発明による実施例を
説明する。図示例の水槽10は温度成層形水槽であり、好
ましくは図１に示すように直列に連通した複数の成層型
水槽10を設け、一の水槽10の下部を隣の槽10の上部へパ
イプで結んで連通してなる多数連続槽方式とする。但
し、水槽10は温度成層形に限定されるものではない。水
槽10を温度成層形とする場合には、その最低温側端と氷
槽20とを開閉弁付連通管装置30により連通する。また図
示例では、氷槽20をブライン又は冷媒を循環させる氷槽
用一次ポンプ24以外に可動部がなく冷却コイル25上に氷
を形成するスタティック形とするが、本発明における氷
槽20はスタティック形に限定されるものではない。

【００１９】図３（Ａ）に冷房ピーク時の冷房負荷全て
を蓄熱する場合の水槽10及び氷槽20の設計例を示す。本
発明者の試算によれば、水蓄熱と氷蓄熱との蓄熱量を等
しくした場合、典型的な気温変化の１年につき暖房時全
期間及び冷房時のうち１３０日程度は水蓄熱運転のみに
より対応可能であり、冷房ピーク時を含む５０日程度の
み氷蓄熱・水蓄熱併用運転を行うことになる。水蓄熱運
転モードと氷蓄熱・水蓄熱併用運転モードとの選択は、
翌日の日積算負荷予測量に基づき前日蓄熱開始前に日単
位で行う。水蓄熱のみで対応可能な水蓄熱運転モードで
は、図４（B3）に示すように開閉弁付連通管装置30の弁
31a、31bを閉じ、図５、図６の従来技術と同様に水槽10
への蓄熱及び熱負荷１への熱供給を行う。

【００２０】氷蓄熱・水蓄熱併用運転モードでは、図４
（Ａ）に示すように開閉弁付連通管装置30の弁31a、31b
を閉じ、例えば低料金の深夜電力を使用できる夜間に、
翌日の日積算負荷予測量のうち水槽10の最大蓄熱容量を
先ず水槽10へ水冷却機13により蓄熱し、最大蓄熱容量を
超える熱量を氷槽20に氷蓄熱用冷凍機23により蓄熱す
る。負荷時間帯の始期においては図４（B1）に示すよう
に開閉弁付連通管装置30の弁31a、31bを開け、水槽10と
氷槽20との間の自然対流を可能にする。二次ポンプ４で
水槽10の水を送り管５を介し熱負荷１へ送り、熱負荷１
からの戻り水の全量を三方弁３により水槽10へ戻し、同
時に戻り水と同量の水を水槽10から送り管５に送り出
す。こうして、水槽10の蓄熱を送り管５に連通する熱負
荷１へ熱供給する。

【００２１】本発明の重要な特徴として、このとき水槽
10の送り管５側の水温を４゜Cより高い温度例えば５−７
゜Cとなる様にし、氷槽20の底に溜っている比重の最も重
い約４゜Cの水を比重差により開閉弁付連通管装置30の下
側連通管30a を通じて水槽10側に流入させ、同時に同量
の水を上側連通管30b を通じて氷槽20側へ流入させる。
即ち水槽10及び氷槽20両槽の間に自然対流を生じさせ、
氷槽20の蓄熱が水槽10を介し水槽10の蓄熱と共に送り管
５を通して熱負荷１に供給される様にする。

【００２２】水槽10の蓄熱の消費状況を、二次ポンプ４
近傍に設けた温度センサー（図示せず）による送り管５
の水温測定によって監視する。この水温が例えば８゜C以
上に上昇した時は、図４（B2）に示すように開閉弁付連
通管装置30の弁31a を閉じて弁31b のみを開けると共
に、三方弁３により戻り水を水槽10及び氷槽20両槽へ配
分する。一部戻り水を強制的に氷槽20内を循環させて水
槽10へ送り込み、氷槽20の蓄熱を水槽10を介して熱負荷
１に供給する。この場合、送り管５の送り水温が例えば
７゜Cになるように、水槽10及び氷槽20への戻り水の配分
を三方弁３により制御する。

【００２３】図３（Ｂ）、図３（Ｃ）にそれぞれ年間冷
房負荷のピーク値の２/３又は１/２を蓄熱する場合の水
槽10及び氷槽20の容量の設計例を示す。熱負荷１が蓄熱
量を超えた時は、例えば負荷時間帯に送り管５の水温８
゜C以上の検出により水蓄熱及び氷蓄熱共使いきったこと
を検知した時は、図４（B3）に示すように開閉弁付連通
管装置30の弁31a、31bを閉じ、水冷却機13を直接利用し
て熱負荷１に供給する。更に熱源能力が不足する場合に
は、図４（B4）に示すように開閉弁付連通管装置30の弁
31a を閉じて弁31b のみを開け、氷蓄熱用冷凍機23をも
直接利用して熱負荷１に供給する。

【００２４】本発明者の試算によれば、以上のように水
蓄熱と氷蓄熱との蓄熱量を等しくして水槽10及び氷槽20
の容量設計を行うことにより、従来の水蓄熱槽単独の蓄
熱と比べて蓄熱槽全体の容積を１／２ないし２／３程度
に小さくすることができる。又水蓄熱と氷蓄熱との蓄熱
量比率を変えることにより、更に蓄熱槽全体の容積を小
さくすることも可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明による水槽と
氷槽併用の蓄熱方法及び装置は、所定負荷熱量のうち一
定量部分を水槽へ蓄熱すると共に一定量超過部分を氷槽
へ分けて蓄熱し、氷槽の蓄熱を水槽を介して負荷に供給
するため、次の顕著な効果を奏する。

【００２６】（イ）水蓄熱槽単独の蓄熱に比し、同量蓄
熱に際し蓄熱槽全体の容積を１／２ないし２／３程度に
小さくできるので、建物床面積の利用効率向上を期待で
きる。

【００２７】（ロ）冷水負荷ピーク時以外は水槽と氷槽
とを切り離して使用できる。即ち、年間５０日程度氷蓄
熱を利用するが、水蓄熱を優先して使用するため水蓄熱
のみの場合に比して所要電力量の増分は比較的少ないの
で、年間を平均すれば水蓄熱単独とほぼ同等の良好な効
率で熱源を運転できる。

【００２８】（ハ）水蓄熱装置に氷蓄熱装置を組合せる
ことにより設備費増加はあるが、蓄熱することによって
熱源の能力を小さく設定できることによる設備費削減と
深夜電力の割引及び電気基本料金の低減による運転費削
減により、経済的に正当化できる範囲内の増加に止める
ことができる。

【００２９】（ニ）氷蓄熱を直接負荷に供給するのでは
なく水蓄熱槽を介して供給するため、氷槽から熱負荷へ
の熱供給のための配管設備が不要である。

【００３０】（ホ）熱負荷からの戻り水の水槽・氷槽間
配分の適正化により、高効率運転をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す説明図である。

【図２】空調熱負荷の年間変化を示すグラフである。

【図３】本発明の水槽及び氷槽の容量選択の説明図であ
る。

【図４】水蓄熱・氷蓄熱併用運転の説明図である。

【図５】従来の水蓄熱による冷房の説明図である。

【図６】従来の水蓄熱による暖房の説明図である。

【符号の説明】

１ 熱負荷 ２ 各階の空調機・ファンコイル ３ 三方弁 ４ 二次ポンプ ５ 送り管 ６ 戻り管 8a、8b、9a、9b 切り替え弁 10 水槽 13 水冷却機 14 水槽用一次ポンプ 16a、16b、17a、17b 切り替え弁 20 氷槽 23 氷蓄熱用冷凍機 24 氷槽用一次ポンプ 25 冷却コイル 30 開閉弁付連通管装置 30a、30b 連通管 31a、31b 開閉弁

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷房低負荷時に所定熱量のうち一定量以
   下の部分を水槽へ蓄熱すると共に前記一定量を超える部
   分を氷槽へ蓄熱し、前記水槽と前記氷槽とを開閉弁付連
   通管装置で接続し、冷房高負荷時に前記両槽の蓄熱を前
   記水槽を介して熱負荷に供給してなる水槽と氷槽併用の
   蓄熱方法。
2. 【請求項２】 請求項１の蓄熱方法において、前記冷房
   高負荷時に前記負荷からの戻り水を前記水槽及び前記氷
   槽に適宜配分してなる水槽と氷槽併用の蓄熱方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は２の蓄熱方法において、前
   記水槽を単独又は直列に連通した複数の温度成層形水槽
   とし、前記氷槽をスタティック形とし、前記温度成層形
   水槽の最低温側端と前記スタティック形氷槽とを連通し
   てなる水槽と氷槽併用の蓄熱方法。
4. 【請求項４】 水冷却機に接続した水槽、氷蓄熱用冷凍
   機に接続した氷槽、前記両槽を連通する開閉弁付連通管
   装置、前記水槽を熱負荷に連通する送り管、及び前記熱
   負荷を三方弁経由で前記水槽及び前記氷槽に連通する戻
   り管を備えてなる水槽と氷槽併用の蓄熱装置。
5. 【請求項５】 請求項４の蓄熱装置において、前記水槽
   を単独又は直列に連通した複数の温度成層形水槽とし、
   前記氷槽をスタティック形とし、前記温度成層形水槽の
   最低温側端と前記スタティック形氷槽とを前記開閉弁付
   連通管装置により連通してなる水槽と氷槽併用の蓄熱装
   置。
6. 【請求項６】 請求項４又は５の蓄熱装置において、前
   記開閉弁付連通管装置に上下に間隔をおいて平行配置し
   た２本の開閉弁付連通管を含めてなる水槽と氷槽併用の
   蓄熱装置。