JP2637510B2 - 蓄熱冷暖房装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、蓄熱冷暖房装置に係り、特に、熱源機器の
熱出力を蓄熱槽に蓄熱し、これを負荷に対応して有効に
取出すのに好適な蓄熱冷暖房装置に関するものである。

［従来の技術］ 近年、エネルギの有効利用のため、蓄熱システムの関
心が高くなってきているが、従来の蓄熱システムは設備
費が高く、また蓄熱の利用効率が悪くて蓄熱冷暖房装置
としての効果が十分発揮されていないので、経済性が必
ずしも成立たず、一部の用途にしか普及していないのが
実状であった。

蓄熱冷暖房装置は、主に冷凍機やヒートポンプ等の冷
熱あるいは温熱を出力する熱源機器と、これら出力熱を
蓄える蓄熱槽とから構成されるが、従来の蓄熱冷暖房装
置は、この熱源機器および蓄熱槽の両者の容量の選定に
二つの方式がとられていた。

その一つは、大形の蓄熱槽を設置する方式で、例えば
夜間蓄熱して昼間これを冷暖房に利用する場合、昼間の
負荷のすべてを蓄熱でまかなえるだけの蓄熱槽を設置す
る方式である。

この方式では、熱源機器の容量は蓄熱槽に所定の熱量
を蓄えるに必要な大きさでよく、蓄熱時間を十分にとれ
れば蓄熱槽がない場合に比べて熱源機器の容量を小さく
できるものである。

他の一つは、蓄熱槽を小さくして蓄熱の利用効率を高
めるものである。この場合、負荷の大きい日には蓄熱量
ですべての負荷をまかなえず、蓄熱をすべて使ったあと
のピーク負荷は熱源機器で対応しなければならないの
で、熱源機器の容量は昼間のピーク負荷に対応できる大
きさにする必要があった。

［発明が解決しようとする課題］ 前述の大形の蓄熱槽を設置した蓄熱冷暖房装置では、
大きな蓄熱槽を設けるので設備費が高く、広い設置スペ
ースを必要とし、また、負荷の小さい日には、蓄熱量の
一部しか利用しないので、冷暖房期間を通しての蓄熱の
利用効率が悪く、経済的ではない。したがって、大形ビ
ルで地下スラブを利用して蓄熱槽を作る場合などの特殊
な場合に採用されるのみであった。

また、前述の蓄熱槽を小さくした蓄熱冷暖房装置で
は、熱源機器の容量を昼間のピーク負荷に対応できる大
きさにする必要がある。

したがって、蓄熱槽をもたない通常の熱源設備とくら
べた場合、熱源機器の大きさは同じであり、蓄熱槽およ
びその関連設備の費用がそのまま設備費の増加となり、
また、蓄熱は負荷の一部をまかなうだけなので、蓄熱の
効果に比して設備費の増加が大きく、本方式も経済性が
不十分で、普及するにいたっていなかった。

なお、上記２方式のうち、前者をさらに具体的に氷蓄
熱式冷熱源装置を例にして説明すれば次のとおりであ
る。

従来の氷蓄熱式冷熱源装置では、蓄熱の効果を大きく
するため氷蓄熱槽内の氷の量を多くした装置とすると、
冷房負荷の小さい日は氷を全量融解できず一部が残る。
このような負荷の小さい日が続くと、氷が残ったまま製
氷，不完全融解を繰返すので、氷が局部的に成長して氷
蓄熱槽を破損するおそれがあり信頼性に欠ける。このこ
とから、氷の量を多くした装置にできず、氷蓄熱の利点
を十分に活用することができなかった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、その第一の目的は、設備費の増加を少な
くし、かつ、蓄熱の利用効率を最大限に発揮させうる、
経済性の良い蓄熱冷暖房装置を提供することにある。

また、本発明の第二の目的は、氷蓄熱槽内の氷の局部
的成長が抑制され、氷蓄熱槽の破損などの事故が防止さ
れる、信頼性の高い蓄熱冷暖房装置を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 上記第一の目的を達成するため、本発明の蓄熱冷暖房
装置に係る第一の発明の構成は、熱源機器と、この熱源
機器に接続する蓄熱槽とを備え、この蓄熱槽に蓄えた蓄
熱を負荷に対応して使用する蓄熱冷暖房装置であって、
蓄熱の使用量を検出する手段と、蓄熱の使用量を制御す
る手段と、基準となるべき蓄熱使用パターンを予め入力
して記憶する手段を内蔵し、負荷に対応する蓄熱の使用
量を検知して前記蓄熱使用パターンに沿うように蓄熱の
使用量を制御せしめる制御装置とを備えた蓄熱冷暖房装
置において、前記制御装置は、予め最大負荷日の負荷パ
ターンを入力し、この負荷パターンから蓄熱槽の蓄熱と
熱源機器との負荷分担を求めて蓄熱使用パターンを設定
したものである。

また、上記第二の目的を達成するため、第二の発明の
構成は、上記第一の発明において、制御装置は、氷が全
量解けなかった日が一定日数連続したと判断した場合、
夜間の蓄熱を停止するとともに、その日以降の最大負荷
日の負荷パターンを予め入力するものである。

なお、本発明を開発した考え方を第６図および第７図
を参照して説明する。

ここに第６図は、最大負荷時の蓄熱および負荷運転パ
ターンの線図、第７図は、低負荷時の蓄熱および負荷運
転パターンの線図である。

熱源機器と蓄熱槽とからなる蓄熱冷暖房装置におい
て、最も理想的なシステム構成と運転方法は、第６図の
如く最大負荷時において負荷の全体（積算負荷）を蓄熱
量のすべてと熱源機器の運転でまかなえるように蓄熱槽
と熱源機器の容量を選定し、低負荷時は第７図の如く蓄
熱量のすべてを使いきり、残りの熱源機器の部分負荷運
転でまかなうようにすることである。

こうすることにより、蓄熱槽の容量も熱源機器の容量
も約1/2と小さくすることができ、設備費の増加を低く
抑えることができるとともに、負荷の低いときでも蓄熱
量を全量使うことができるので蓄熱の利用効率も高く、
経済的に優れた装置となり蓄熱システムの普及が期待さ
れる。

しかし、このように蓄熱槽容量も熱源機器容量も小さ
くすると、蓄熱を早く消費した場合は、途中で蓄熱量が
なくなり、熱源機器だけの運転となって負荷に対応でき
なくなったり、逆に低負荷時に熱源機器を高負荷で運転
して蓄熱の消費を抑えすぎた場合、蓄熱を使い切れず残
してしまうことになり、経済的でなくなってしまうな
ど、制御がむずかしくなかなか理想的な運転ができな
い。適切な制御方法がないため、上記のシステム構成が
優れていることがわかっているにも拘らず、実用に供さ
れていなかった。

［作用］ 本発明は、負荷の高い日も低い日も蓄熱を適切に使う
ように制御することにより、上記のシステム構成を可能
にしたものであり、次のような作用効果がある。

すなわち、あらかじめ負荷の時間的変化（負荷パター
ン）を想定し、この負荷パターンと蓄熱容量および熱源
機器容量とから、蓄熱使用の時間的変化（蓄熱使用パタ
ーン）を設定し、この蓄熱使用パターンに沿って蓄熱の
使用を制御するものである。

最大負荷時には、蓄熱の熱源機器とで負荷に対応でき
るように蓄熱使用パターンが設定されているので、蓄熱
を早く使いすぎて負荷に対応できなくなるようなことも
なく、また低負荷時にも、蓄熱を蓄熱使用パターンに沿
って使い、熱源機器の負荷を低くするように制御するの
で、負荷が蓄熱量より小さくならない限り、蓄熱量を全
量使い切ることができる。

［実施例］ 以下、本発明の各実施例を第１図ないし第５図ならび
に第８図を参照して説明する。

まず、第１図は、本発明の一実施例に係る蓄熱冷暖房
装置の系統図、第２図は、最大負荷日の負荷パターンを
示す線図、第３図は、熱源機器を部分負荷で運転する蓄
熱使用パターンの説明図で、（ａ）は、その蓄熱，熱源
機器の負荷分担関係図、（ｂ）は、蓄熱使用パターンの
線図、第４図は、熱源機器を100％負荷で運転する蓄熱
使用パターンの説明図で、（ａ）は、その蓄熱，熱源機
器の負荷分担関係図、（ｂ）は、蓄熱使用パターンの線
図、第５図（ａ），（ｂ）は、近似した蓄熱使用パター
ンの例を示す線図である。

第１図において、１は、冷凍機やヒートポンプ等の熱
源機器、２は、熱源機器１の冷熱あるいは温熱の熱出力
を、水，氷あるいはその他の蓄熱体４に一次蓄熱して蓄
える蓄熱槽、３は、その蓄熱槽２内にある熱交換チュー
ブである。

５は、熱源機器１の熱出力である熱媒と負荷からの戻
り水との熱交換を行うための熱交換器、６は、空気調和
機などの負荷、７は、熱源機器１と蓄熱槽２の熱交換チ
ューブ３とを接続する配管、８は、配管７から分岐し熱
媒を熱交換器５へ循環させるための配管、９は、蓄熱槽
２の蓄熱利用側の配管で、この配管９は、蓄熱槽２、負
荷６、および熱交換器５を図のように接続している。

10は、配管７に設けた熱媒ポンプ、11は、配管９に設
けた冷温水ポンプ、12は、熱源機器１の熱出力側の配管
７に設けた三方切替弁、13は、蓄熱槽２の蓄熱利用側の
配管９に設けた三方切替弁で、これらは蓄熱の使用量を
制御する手段として機能する。

14は、蓄熱槽２に設けた温度センサ、15は、蓄熱槽２
の蓄熱の使用量を計測する流量計、16は、蓄熱槽２の蓄
熱利用側配管の出入口温度差を計測する差温センサで、
これらは蓄熱の使用量を検出する手段として機能する。

17は、蓄熱の使用量を制御するための制御装置で、こ
の制御装置17は、少なくとも、基準となるべき蓄熱使用
パターンを予め入力して記憶する手段すなわち記憶装置
を内蔵している。

冷凍機やヒートポンプ等の熱源機器１の熱出力である
冷熱あるいは温熱は、熱媒ポンプ10で、その熱出力の熱
媒を熱源機器１、配管７、蓄熱槽２を循環させることに
より、蓄熱槽２の内部に設けられた熱交換チューブ３か
ら蓄熱体４に伝えられ、ここで蓄熱される。

蓄熱された冷熱あるいは温熱は、冷温水ポンプ11で、
その冷温水を蓄熱槽２、配管９、負荷６を循環させるこ
とにより負荷６に伝えられる。

蓄熱槽２の蓄熱がなくなったとき、または蓄熱の使用
と併せて熱源機器１で直接冷温水に熱を伝えたいときの
ために、熱交換器５が配設されている。そして、三方切
替弁12は、熱源機器１の熱出力を蓄熱するときは配管７
を介して蓄熱槽２へ、一方、直接に負荷を使うときは配
管7,8を介して熱交換器５へ、それぞれ熱媒を循環させ
るように流路を切換えるものである。

また、三方切替弁13は、蓄熱の使用量を制御するため
のもので、流量計15で計測した蓄熱槽２を流れる冷温水
の流量と、差温センサ16で計測した出入口温度差との
積、および温度センサ14で計測した蓄熱体４の温度の変
化などから求めて、三方切替弁13の開度を調節すること
により蓄熱の使用量を制御することができる。

第２図は、最大負荷日の負荷パターンの一例を、横軸
に時刻、縦軸に負荷をとって示した線図である。

この負荷パターンから、蓄熱をすべて使い、かつ、そ
の残りの負荷を熱源機器１の容量でまかなえるように、
蓄熱槽２の蓄熱と熱源機器１の負荷分担を求めて蓄熱使
用パターンを求める。

その例を第３図（ａ），（ｂ）、第４図（ａ），
（ｂ）に示す。

第３図は、熱源機器を部分負荷で運転させる場合で、
（ａ）図に破線で示す18が熱源機器容量であり、それよ
り低い実線で示す部分負荷で運転する。斜線部が蓄熱の
負荷分担を示すもので、（ｂ）図に示す蓄熱使用パター
ンは、（ａ）図の斜線部に相当するパターンとなってい
る。

第４図は、熱源機器を100％負荷で運転し運転時間を
短くすることで負荷に対応させる例を示している。
（ａ）図の斜線部が蓄熱の負荷分担を示し、それに相当
する蓄熱使用パターンを（ｂ）図に示している。

この蓄熱使用パターンを制御装置17に内蔵された記憶
装置に、運転に先立ち予め入力しておく。

入力する蓄熱使用パターンは第３図（ｂ）、第４図
（ｂ）のように複雑な曲線でもよいが、これを近似し
て、第５図（ａ），（ｂ）に示すような蓄熱使用パター
ンを用いてもよい。

負荷運転に際しては、制御装置17に記憶されている蓄
熱使用パターンと実際に負荷に使われた熱量の実測値と
を比較し、蓄熱使用パターンのその時刻までの積分値
と、その時刻までに使用した蓄熱量とが一致するように
制御装置17の指令に従って三方切替弁13と熱源機器１と
を制御する。すなわち、蓄熱の使用量が多ければ三方切
替弁13を作動させてバイパスを多くして蓄熱の使用を抑
え、熱源機器１の負荷を多くする。

蓄熱の使用量が少なければ、三方切替弁13を作動させ
てバイパスを少なくして蓄熱の使用を多くし、熱源機器
１の出力を小さくする。

その日の負荷の大小にかかわらず、蓄熱使用パターン
に沿って蓄熱を使用するように制御するので、使いすぎ
ることもなく、また負荷が蓄熱量を下まわるほど低負荷
できないかぎり、蓄熱量をすべて使いきることができ、
蓄熱を有効に活用することができる。

なお、制御装置17に演算機能をもたせ、最大負荷日の
負荷パターンを入力し、内部で演算をして蓄熱使用パタ
ーンを求めるようにしてもよい。

制御装置17は、このように、演算機能，記憶機能、お
よび入出力機能をもつ、例えばマイコンなどを適用すれ
ばよいことはいうまでもない。

本実施例によれば、蓄熱槽の大きさは従来の約1/2と
小さく、熱源機器の容量も蓄熱槽のない場合の約1/2に
することができる。

したがって、蓄熱システムを採用することによる設備
費の増加を小さく抑えることができ、かつ蓄熱を有効に
利用することができるので、運転費を大幅に節減するこ
とが可能となり経済性が成り立つ。

夜間電力を利用した冷暖房用の蓄熱システムを、蓄熱
槽を持たない一般の冷暖房用熱源装置と比較して試算し
た一例では、設備費の増加が約25％程度であるのに対
し、運転費の低減が約40％であり、設備費の増加は運転
費の低減により約３年で回収される。

さらに、設置スペースが小さくなる、重量も軽くなる
などの効果もあり、蓄熱システムの普及に寄与するとこ
ろ大である。

次に、本発明の他の実施例を第８図を参照して説明す
る。

ここに第８図は、本発明の他の実施例に係る氷蓄熱式
冷熱源装置の系統図である。

第８図において、21は熱源機器に係る冷凍機、22は蓄
熱槽に係る氷蓄熱槽、23は熱交換チューブに係る製氷パ
イプ、24は熱媒ポンプに係るブラインポンプ、25は冷水
ポンプ、26は負荷に係る空気調和機、27は、氷蓄熱利用
側の配管に設けた蓄熱の使用量を制御するための三方切
替弁、28は、氷蓄熱利用側の配管の冷水温度を計測する
温度センサ、29は、氷蓄熱槽22に設けた温度センサ、30
は制御装置である。

夜間の氷蓄熱時は、冷凍機１により０℃以下に冷却さ
れた不凍液（ブライン）を、ブラインポンプ24により氷
蓄熱槽22内に設けられた製氷パイプ23内に流し、氷蓄熱
槽22内の水を製氷パイプ23のまわりに凍結させて氷蓄熱
する。

昼間の空調時は、氷蓄熱槽22内の冷水を冷水ポンプ25
により空気調和機26に循環させ、氷蓄熱槽22内の氷を融
解しながら冷房を行う。

空気調和機26に流す冷水の温度を一定にするため、三
方切替弁27を設け、温度センサ28により管内の冷水温度
を検出して流量を制御し、つまり蓄熱の使用量を制御す
る。

これが氷蓄熱式冷熱源装置の基本系統である。

しかし、このままでは、氷蓄熱の効果を大きくするた
めに製氷パイプ23を氷蓄熱槽22内に多く設けて製氷量を
多くすると、冷房負荷が小さい日は氷が全量使い切れず
に残り、しかも氷蓄熱槽22内の冷水の流れの不均一など
によって氷の解け方も不均一で、製氷パイプ23に氷が偏
って付着して残る。

このような冷房負荷の小さい日が連続して、製氷，解
氷を繰り返すと、氷の偏った付着が累積拡大され、異常
付着により製氷パイプ23が破損するなどの事故をおこす
おそれがある。

そこで、氷蓄熱槽22内に温度センサ29を設け、温度セ
ンサ29の温度が冷房終了時に５℃以上にあがらないこと
をもつて、その日の負荷が小さく氷が全量解けなかった
と判断して制御装置30に記憶させる。これが一定日数連
続した場合、これを制御装置30が判断して、夜間の製氷
を停止して昼間の冷房運転のみを行い、温度センサ29が
５℃以上を検出したことをもつて完全に解氷できたと判
断し夜間の蓄熱を再開する。

これにより、氷蓄熱槽22内の製氷パイプ23への氷の異
常付着が防止できるので、製氷パイプ23を氷蓄熱槽22内
に密に設けることができ、氷蓄熱量を多くして、氷蓄熱
の利点を最大限に活用することができる。

なお、氷が全量解けないような低負荷の日の判定方法
として、外気温度で判定する方法、蓄熱残量を検出する
方法なども採用することができる。

本実施例によれば、氷蓄熱槽内の氷の局部的成長が制
限されるので、氷蓄熱槽の破損などの事故が防止されて
信頼性が向上するとともに、氷蓄熱槽内の製氷量を多く
して氷蓄熱量を多くできるので、氷蓄熱式冷熱源装置の
利点を最大限に活用することができる。

なお、第８図の実施例において、制御装置30に氷蓄熱
使用パターンを予め入力して記憶する記憶装置を内蔵さ
せ、負荷に対応する氷蓄熱の使用量を検知して前記氷蓄
熱使用パターンに沿うように氷蓄熱の使用量を、制御装
置30によって制御できることはいうまでもない。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明によれば、設備費
の増加を少なくし、かつ、蓄熱の利用効率を最大限に発
揮させうる、経済性の良い蓄熱冷暖房装置を提供するこ
とができる。

また、本発明によれば、氷蓄熱槽内の氷の局部的成長
が抑制され、氷蓄熱槽の破損などの事故が防止される、
信頼性の高い蓄熱冷暖房装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る蓄熱冷暖房装置の系
統図、第２図は、最大負荷日の負荷パターンを示す線
図、第３図は、熱源機器を部分負荷で運転する蓄熱使用
パターンの説明図で、（ａ）は、その蓄熱，熱源機器の
負荷分担関係図、（ｂ）は、蓄熱使用パターンの線図、
第４図は、熱源機器を100％負荷で運転する蓄熱使用パ
ターンの説明図で、（ａ）は、その蓄熱，熱源機器の負
担分担関係図、（ｂ）は、蓄熱使用パターンの線図、第
５図（ａ），（ｂ）は、近似した蓄熱使用パターンの例
を示す線図、第６図は、最大負荷時の蓄熱および負荷運
転パターンの線図、第７図は、低負荷時の蓄熱および負
荷運転パターンの線図、第８図は、本発明の他の実施例
に係る氷蓄熱式冷熱源装置の系統図である。 １……熱源機器、２……蓄熱槽,6……負荷、12,13,27…
…三方切替弁、14……温度センサ、15……流量計、16…
…差温センサ、17……制御装置、21……冷凍機、22……
氷蓄熱槽、26……空気調和機、28,29……温度センサ、3
0……制御装置。

フロントページの続き (72)発明者 坪田 祐二 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東京電力株式会社内 (72)発明者 小野田 利介 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所土浦工場内 (72)発明者 杉本 滋郎 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所土浦工場内 (72)発明者 奈良 安晃 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所土浦工場内 (56)参考文献 特開 昭62−141447（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−132345（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−134438（ＪＰ，Ａ) 実公 昭58−20840（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱源機器と、この熱源機器に接続する蓄熱
   槽とを備え、この蓄熱槽に蓄えた蓄熱を負荷に対応して
   使用する蓄熱冷暖房装置であって、 蓄熱の使用量を検出する手段と、蓄熱の使用量を制御す
   る手段と、基準となるべき蓄熱使用パターンを予め入力
   して記憶する手段を内蔵し、負荷に対応する蓄熱の使用
   量を検知して前記蓄熱使用パターンに沿うように蓄熱の
   使用量を制御せしめる制御装置とを備えた蓄熱冷暖房装
   置において、 前記制御装置は、予め最大負荷日の負荷パターンを入力
   し、この負荷パターンから蓄熱槽の蓄熱と熱源機器との
   負荷分担を求めて蓄熱使用パターンを設定したものであ
   ることを特徴とする蓄熱冷暖房装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て、 制御装置は、氷が全量解けなかった日が一定日数連続し
   たと判断した場合、夜間の蓄熱を停止するとともに、そ
   の日以降の最大負荷日の負荷パターンを予め入力するも
   のであることを特徴とする蓄熱冷暖房装置。