JP3517524B2 - 氷蓄熱システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電力の負荷を平
準化するために、夜間電力を利用して電気エネルギを冷
熱エネルギとして貯蔵して、昼間にその冷熱エネルギを
利用するシステムであって、特にビルディング等の建物
から出る排水を再利用した氷蓄熱システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】氷蓄熱システムは、水道水を貯めた水槽
の水を、安価な夜間電力の利用により製氷機等を動作さ
せて氷として製造し、その冷熱を氷蓄熱する装置によっ
て、昼間の冷房負荷に供給させるようにしたもので、水
槽中の冷熱の供給は、水や冷媒を用いて循環させるよう
にしている。（参考文献：エネルギ貯蔵システム；エネ
ルギ・資源学会発行、第９章氷蓄熱システム） 上記文献に記載の氷蓄熱装置の分類としては、製氷方式
による分類が大別して２分類（詳細は８分類以上）あ
り、熱源方式による分類が３分類あり、施工方式による
分類が２分類あるように多種多彩な氷蓄熱装置が提案さ
れていて、主流となるシステムも定まっていないのが現
状である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した氷蓄熱装置に
より氷を製造するために使用される水道水は、循環して
利用するために、循環水の清浄化機能が必要である。こ
れとともに、水道水を循環して用いるためには、特別な
フィルタ等を設置して水質管理を行い、かつ定期的なメ
ンテナンスを行わなければならない問題がある。０℃の
氷を製氷するには、どの程度の冷却温度が最適であるか
が方式により異なるために、過度な冷凍を行ってしま
い、製氷時の冷凍機の成績係数の低下が生じ、システム
の投資コストと運転コストを上げてしまう問題がある。
また、冷却管上に直接製氷する構成の装置では、氷の熱
伝導率が小さいので、急速には製氷できない。このた
め、このような装置では、急速冷凍等によるエネルギ貯
蔵速度の柔軟な制御ができない問題がある。

【０００４】上記の装置の他に、冷熱を供給中に、追加
製氷するようなことが出来ない構成の装置では、負荷変
動による柔軟冷却運転が出来なかったり、冷水を冷媒と
して直接利用しない装置では、ブライン混入により２次
冷却水との熱交換器が必要になって装置が複雑化する等
の問題がある。

【０００５】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、ビルディング等から出る排水を夜間電力を利用し
て凍結して純粋な氷を得、その氷を水槽中に蓄積して、
冷熱として氷蓄熱し、昼間には冷房負荷の要求に応じて
柔軟に対応し、昼間の冷房用電力を低減するとともに、
排水の再利用による水道水の節約とビルディング等から
の排出物の環境負荷の低減を図ることができる氷蓄熱シ
ステムを提供することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を達成するために、第１発明は、建物などより排出され
る排水と空調機より排出される復水を導入して氷を製造
する製氷機と、この製氷機にて製造された氷を蓄積し、
その蓄熱を前記空調機に供給する氷蓄熱水槽と、前記製
氷機より排出された汚水を導入し、処理する汚水処理装
置と、前記空調機、製氷機、氷蓄熱水槽および汚水処理
装置を制御する制御装置とを備え、 前記製氷機は、排水
や復水が導入される槽と、この槽内の水中に配設され、
外部から供給されるエアで槽内の水に気泡を連続的に吹
き出す散気管と、前記槽内の水に一部分が没し、他の部
分は水面上に位置するように配設された氷塊搬送体と、
この搬送体が水に没する位置に設けられ、この位置の搬
送体の内側に配設された冷却部と、この冷却部により前
記搬送体が冷却され、前記散気管からの気泡が搬送体に
吹き付けされて氷の結晶が成長されて氷が生成される氷
生成部とからなる、ことを特徴するものである。

【０００７】第２発明は、前記空調機の復水を貯水する
復水貯水槽と、夜間電力が利用される冷凍機とを設け、
この冷凍機の蒸発器は前記製氷機の氷塊搬送体内側の冷
却部に配設され、かつ冷凍機の凝縮器は前記復水貯水槽
の貯水にて放熱するように構成したことを特徴とするも
のである。

【０００８】

【０００９】第３発明は、前記氷蓄熱水槽には、製氷機
で製造された氷が導入される導入路と、空調機からの復
水が導入される復水導入路と、空調機へ冷水を供給する
冷水供給路とが設けられ、復水導入路には水槽内に散水
器および浮輪状復水出口が設けられたことを特徴とする
ものである。

【００１０】第４発明は、前記氷塊搬送体の水面上に位
置する部位に、搬送体に生成された氷の表面に付着した
汚れをヒータで融して洗い落とした後、その氷を搬送体
から離脱させる融解装置を設けたことを特徴とするもの
である。

【００１１】第５発明は、前記冷水供給路の水槽内に設
けられる冷水吸水口は、水槽の底面に向けて配置させ、
冷水を一定温度で吸水するようにしたことを特徴とする
ものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態を示
す概略構成図で、図１において、１はビルディング等か
ら出る各種排水を貯蔵する排水槽で、この排水槽１に貯
蔵された水は、製氷機２に送られる。製氷機２は監視制
御装置３によって制御された夜間電力により純粋な氷を
製造するもので、この製氷機２で製造された純氷は、氷
蓄熱水槽４に蓄積される。このように、純氷を氷蓄熱水
槽４に蓄熱するので、水道水の使用量を大幅に節約でき
る。なお、製氷機２には、汚水を分離する機能（詳細は
後述する）が備えられている。製氷機２で分離された汚
水は、汚水処理装置５に導入され、この汚水処理装置５
により監視制御装置３を用いた夜間電力の利用による制
御で、汚水は固液分離、脱水性の良い汚泥を生成する。

【００１３】６は負荷側空調機で、この空調機６に使用
した復水も復水貯水槽７に導入され、この復水貯水槽７
を監視制御装置３で制御して、復水も定期的に製氷機２
で純氷にされる。このため、復水の循環水の清浄化装置
が不要になり、メンテナンスフリーにもなる。なお、復
水の一部は氷蓄熱水槽４に導入される。

【００１４】前記製氷機２は０℃近辺で純氷が生成され
る機能に構成されているために、監視制御装置３の制御
運転により、製氷条件（流入水量、製氷速度、必要電力
量等）をコントロールし、冷凍機の能力を最大限活用で
きるようになる。また、製氷機２は、連続的に製氷する
機構であるため、負荷側空調機６の負荷変動に応じた急
速製氷もできるようになるので、柔軟な負荷追従制御が
監視制御装置３によって可能となる。

【００１５】前記氷蓄熱水槽４の製氷量と冷水量は監視
制御装置３により製氷機２および復水貯水槽７を制御し
て、負荷側空調機６の負荷変動に応じた量に設定でき
る。また、氷蓄熱水槽４の貯水容量を空調負荷が１日に
必要とする冷水量より大きくすると、夜間電力の貯蔵が
週間あるいは月間でできるような制御が監視制御装置３
により行うことができる。さらに、氷蓄熱水槽４は既存
の水槽に、簡単な氷の付着防止機構と一定温度（約４
℃）の冷水吸水機構を付加しているので、監視制御装置
３を用いて蓄熱氷をすべて解氷できるように制御でき
る。

【００１６】上記実施の形態によれば、比較的大きな純
氷が製造でき、かつその氷が大変純粋であり、融かした
水が飲料水としても再利用可能になる。また、空調使用
後の水を洗浄水、洗車水、景観水、トイレ用水等に使用
できるため、水道水の利用量を激減できる。さらに、夜
間電力の貯蔵が水槽の大きさにより、週間あるいは月間
の夜間電力貯蔵が可能になるとともに、その貯蔵が自由
に制御できる。この他に、冷凍機の能力を最大限引き出
せるとともに、貯水槽の冷水を直接空調負荷に流せるた
めに、冷却効率の低下を防ぐことができる。特に昼間の
冷房用の電力を節約するために、エネルギ的にも経済的
にも最適な制御運転ができる。

【００１７】次ぎに前述した製氷機２の汚水分離機能に
ついて述べるに、まず、排水中の固形物や溶解物等を分
離して、水だけを純粋な氷に凍結する方法は困難である
ことについて述べる。例えば、北極の海氷は一部分は純
氷であっても氷全体としては高濃度の塩水を内部に含有
して凍結している。すなわち、水は液体である限り、各
種の気体、液体、固体を十分に溶解し、また、各種の液
体、固体を混合する。従って、水を凍結して氷に固化す
るためには、これらの溶解物や混合物を排除して、純氷
だけを析出するような方法にしなければならない。

【００１８】そこで、前述のように、水は非常に良く各
物質を溶解し、混合するが、氷になるときには、分子レ
ベルの大きさではすべての溶質、混合物を排除して、純
粋な氷分子の結晶になることを利用する。しかし、氷塊
のレベルの大きさでは、氷分子の結晶と結晶の間に水に
含んでいた溶質、混合物を内包している氷塊になる。こ
のため、純氷だけを結晶として大きく成長させることは
大変難しい。従って、分子レベルの氷の結晶を氷塊レベ
ルの大きさまでに、他の不純物を内包しないようにし
て、結晶成長させる方法が必要になる。

【００１９】その方法の一つに半導体の製造の際に用い
るシリコン結晶精製方法がある。この方法は、氷の結晶
に適用するには難しいので、今一つの方法について述べ
る。この方法は、分子レベルで純粋に結晶成長している
氷の表面から不純物を常に排除して、０℃の冷水に置換
し、純氷に結晶化する条件を設定するものである。置換
した冷水の過冷却状態が急激に破れると、不純物を内包
した氷の結晶が成長する。また、冷水の過冷却が大き
く、結晶成長表面での温度勾配が大きい場合には、樹枝
上の結晶成長となり、その樹枝の間に排除すべき溶質や
混合物が内包されることを用いる。

【００２０】以上の条件に適合する方法として、細かい
気泡を氷の結晶表面に連続的に吹き付ける方法がある。
図２は氷の板状結晶２１の表面に連続的に気泡２２を吹
き付けることにより、常に不純物が排除できる様子を示
した説明図で、２３は冷却板である。図２に示すよう
に、連続的に気泡２２を吹き付けることは、冷水に微小
な振動を与えて、過冷却状態を常に破っていることにな
る。従って、連続的な気泡２２の吹き付けは、０℃の冷
水を連続的に供給することと同じになる。また、氷の結
晶成長表面では、急激な温度勾配ができないために、樹
枝状結晶の成長が起こらずに、平らな結晶の表面の成長
を維持することになる。

【００２１】図３は上記の原理を具体化した製氷機にお
ける純氷製造装置の概略構成図で、図３において、槽３
１には図１に示す排水槽１から排水が導入されるととも
に、その内底部には散気管３２が配置される。散気管３
２にはエアポンプ３３からエアが供給され、散気管３２
からは気泡が連続的に吹き出される。このときにおける
エアの温度は槽３１内の水温を０℃に維持するために
は、その温度も０℃が好ましい。３４は回転ベルトで、
この回転ベルト３４は一部分が排水中に没し、他の部分
は槽３１の水面上部に出ている。３５ａ，３５ｂ，３５
ｃはローラで、その内少なくとも１つは駆動ローラとし
て形成される。回転ベルト３４の内側には冷却部３６と
ヒータ部３７が配設され、その冷却部３６は排水中に没
する回転ベルト３４の内側に、また、ヒータ部３７は槽
３１の上部の回転ベルト３４の内側にそれぞれ配設され
る。３８は温風ヒータ、３９は氷塊である。

【００２２】上記のように構成された純氷製造装置にお
いて、エアポンプ３３を回転させて、散気管３２より気
泡を連続的に吹き出させる。この気泡により排水は撹拌
されると同時に、過冷却状態にはならず０℃を保持す
る。冷却部３６の表面では、連続的な気泡の吹き付けに
より不純物を排除しながら、氷の結晶が成長して行く。
回転ベルト３４に成長した氷の結晶は、回転ベルト３４
で搬送され、ヒータ部３７の位置に到達すると、ヒータ
部３７と温風ヒータ３８により氷の表面が暖められて氷
の表面の一部が融けて水となり、氷の表面に付着した不
純物は水で洗われて流れ去ってしまう。このため、純氷
（純粋な氷塊）となり、その純氷の塊は回転ベルト３４
から外れて、純粋な氷塊３９が連続的に生成される。こ
のような純氷が安価な夜間電力を利用して連続的に生成
することができる。

【００２３】図４は図１で示した氷蓄熱水槽４の具体的
な構成図で、４１は水槽で、この水槽４１には製氷機２
で製造された純氷が導入される管路４２、復水貯水槽７
からの復水導入管路４３および負荷側空調機６へ冷水を
供給する供給管路４４が設けられる。水槽４１内には復
水導入管路４３に連通された配管路４５が配設され、そ
の配管路４５には所定箇所に復水のシャワー具４６が設
けられている。４７は浮輪状の復水出口である。供給管
路４４には配管路４８が連通されて、それが水槽４１の
内底部まで導かれる。導かれた配管路４８には、所定箇
所に冷水吸水口４９が水槽の底に向けて取り付けられて
いる。図中小丸印は氷塊５０である。

【００２４】上記のように構成した水槽４１において、
水槽４１の内壁等に氷が付着するのを防止するために、
負荷側空調機６からの復水を管路４３、配管路４５およ
びシャワー具４６から水槽４１の表面に浮いている氷塊
５０へ、一様にシャワーリングしているとともに、水槽
壁面との氷の付着を防止するために、水槽壁面を一周す
る浮輪を巡らし、その浮輪状の側面からも復水がシャワ
ー状に吹き出るようにしている。また、空調機６へ冷水
を供給するためには、冷水を一定温度で吸水する必要が
ある。このために、冷水吸水口４９を水槽内底面の方向
に向けて少し浮かせて設置するようにしている。このよ
うな構造にするのは、水の最大密度が４℃であるからこ
れを利用しただけである。

【００２５】上記のように既存の水槽に上記の構成を設
けただけで簡単に氷蓄熱水槽が構成できるので、施工上
の制約がなくなる。また、水槽内で製氷しないで、純氷
製造装置で製氷した氷を蓄積するため、氷製造部と蓄熱
水槽とが分離して設置でき、施工、配管等の工事に柔軟
性がある。この他、従来から設置されている地下スラブ
や水槽に簡単な工事で取り付けられる利点がある。これ
らの利点から、この水槽は、多目的貯水槽として、冷熱
水槽以外にも、消化用水槽、災害時雑用水槽、再利用水
槽、循環型給水槽、高温水蓄熱槽等に用途を拡大でき
る。

【００２６】図５はこの発明の他の実施形態を示し、８
は冷凍機であり、この冷凍機８は製氷機２と復水貯水槽
７との間に設置される。冷凍機８の冷却側である蒸発器
８１は製氷機２側に配置されて製氷用に使用され、放熱
側である凝縮器８２は復水貯水槽７側に配置されてい
る。冷凍機８自体は夜間電力を利用して運転される。な
お、図５において、図１と同一部分には同一符号を付し
て示した。

【００２７】図６は製氷のための概略構成を示してもの
で、回転ベルト３４に沿って設けられる冷却部３６ａ，
３６ｂには、冷凍機８の蒸発器８１がそれぞれ配設され
ている。この実施形態によれば、冷凍機８は夜間電力を
利用して電気エネルギの有効利用が計れるとともに、冷
凍機８の凝縮器８２は復水貯水槽７によって効率的に放
熱されるので、システムとしての総合効率は極めて高い
ものとなる。なお、図６において、９１は氷生成部、９
２は氷の膜であり、その他の符号は図３と同一部分には
同一符号を付して示した。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
建物等からの排水を処理して純氷と高濃度に濃縮された
廃棄物にする排水処理機能を備え、排水の再利用による
水道水の節約と、建物等からの排出物の環境負荷の低減
を図ることができるとともに、純氷を水槽中に蓄積し
て、冷熱として氷蓄熱し、冷房の負荷要求に応じて柔軟
に対応することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態を示す概略構成図。

【図２】不純物が排除できる様子を示した説明図。

【図３】製氷機における純氷製造装置の概略構成図。

【図４】氷蓄熱水槽の具体的な構成図。

【図５】この発明の他の実施形態を示す概略構成図。

【図６】製氷機における純氷製造装置の概略構成図。

【符号の説明】

１…排水槽 ２…製氷機 ３…監視制御装置 ４…氷蓄熱水槽 ５…汚水処理装置 ６…負荷側空調機 ７…復水貯水槽

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−18069（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−71579（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−39579（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−271643（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24F 5/00 102 C02F 1/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 建物などより排出される排水と空調機よ
   り排出される復水を導入して氷を製造する製氷機と、こ
   の製氷機にて製造された氷を蓄積し、その蓄熱を前記空
   調機に供給する氷蓄熱水槽と、前記製氷機より排出され
   た汚水を導入し、処理する汚水処理装置と、前記空調
   機、製氷機、氷蓄熱水槽および汚水処理装置を制御する
   制御装置とを備え、 前記製氷機は、排水や復水が導入される槽と、この槽内
   の水中に配設され、外部から供給されるエアで槽内の水
   に気泡を連続的に吹き出す散気管と、前記槽内の水に一
   部分が没し、他の部分は水面上に位置するように配設さ
   れた氷塊搬送体と、この搬送体が水に没する位置に設け
   られ、この位置の搬送体の内側に配設された冷却部と、
   この冷却部により前記搬送体が冷却され、前記散気管か
   らの気泡が搬送体に吹き付けされて氷の結晶が成長され
   て氷が生成される氷生成部とからなる、 ことを特徴する氷蓄熱システム。
2. 【請求項２】 前記空調機の復水を貯水する復水貯水槽
   と、夜間電力が利用される冷凍機とを設け、この冷凍機
   の蒸発器は前記製氷機の氷塊搬送体内側の冷却部に配設
   され、かつ冷凍機の凝縮器は前記復水貯水槽の貯水にて
   放熱するように構成したことを特徴とする請求項１記載
   の氷蓄熱システム。
3. 【請求項３】 前記氷蓄熱水槽には、製氷機で製造され
   た氷が導入される導入路と、空調機からの復水が導入さ
   れる復水導入路と、空調機へ冷水を供給する冷水供給路
   とが設けられ、復水導入路には水槽内に散水器および浮
   輪状復水出口が設けられたことを特徴とする請求項１記
   載の氷蓄熱システム。
4. 【請求項４】 前記氷塊搬送体の水面上に位置する部位
   に、搬送体に生成された氷を搬送体から離脱させる融解
   装置を設けたことを特徴とする請求項１記載の氷蓄熱シ
   ステム。
5. 【請求項５】 前記冷水供給路の水槽内に設けられる冷
   水吸水口は、水槽の底面に向けて配置させ、冷水を一定
   温度で吸水するようにしたことを特徴とする請求項３記
   載の氷蓄熱システム。