JP3607770B2 - 蓄熱用中空杭及び蓄熱用中空杭を利用した空調システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力を利用するヒートポンプ方式によって、夏季の冷房や冬季の暖房を行う事務所ビル等昼間使用の空調システムにおいて、夜間の安価な余剰電力を活用して蓄熱媒体に所要の冷熱や温熱を蓄熱し、それを昼間に利用して昼間電力負荷を軽減する、いわゆる蓄熱式空調システムの蓄熱媒体を収容する蓄熱用中空杭及びこれを用いた空調システムに関する。
【０００２】
【従来技術及び発明が解決しようとする課題】
冷房時の排熱源である大気の温度は夏季は高温であり、逆に暖房時の吸熱源である大気の温度は冬季は低温になるので、所要の電力負荷が多大なものとなる。
【０００３】
特に夏季の昼間高温時にこれらの電力需要がピークに達し、それに対応するために電力会社の発電設備の設備費などが膨大となり、しかも昼間ピーク電力需要に対して、化石燃料を使用する発電所の稼働割合が大となり、地球環境保全のためにも好ましくない。電力会社では、いわゆる揚水式発電所などによって、昼夜電力の平準化を進めているが、立地制約などからして充分な域には程遠い状況である。昼夜電力平準化の一方策として、夜間余剰電力を利用して、夏季には冷水や氷の冷熱源を、冬季には温水の高熱源を作り、それらを昼間にそれぞれ冷房の排熱源や暖房の吸熱源として活用する蓄熱式空調システムが開発され利用されつつある。 通常の空調システムに比較して，蓄熱式空調システムでは、かなりの量の水などの熱媒体を使用するので、その配管系統や貯槽である蓄熱槽などの設備が余計に必要になる。殊に容積がかなり大きい蓄熱槽の設備場所が街中の中・小ビル等では確保し難いことも多い。多くの場合、ビルの屋上や地下などに設置するのであるが、いずれにしても蓄熱槽としてのハウジング設備の費用・場所などの解決すべき課題が残されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ビル等の地下に通常設置される基礎杭の中空杭の中空部分に着眼して、これを活用することに想到した。
【０００５】
蓄熱用中空杭は、両端が閉止される中空杭本体の内部に、パイプが下端付近で中空杭本体の底部に対して開放状態に、かつ上端が中空杭本体の上部を挿通して設けられ、空調システムの連絡配管に接続されるための開口が中空杭本体の上部に設けられている構造とする。
【０００６】
前記蓄熱用中空杭に、摺動隔板がパイプの外周および中空杭本体の内周に沿って摺動し、上下可動に設けられている。
【０００７】
空調システムは、前記蓄熱用中空杭に、該空調システムの室外機、室内機などの蓄熱媒体系統に連絡する所要の配管が、パイプの上端部及び中空杭本体の開口に連絡している構造とする。
摺動隔板は、摺動して上下可動するために外周が中空杭の内周よりやや小さく設定され、パイプの相当位置にはこれと相互に摺動して上下可動するために、パイプの外径よりやや大きい孔があけてある。
【０００８】
また、蓄熱用中空杭は、両端が閉止される中空杭本体の内部に、パイプが下端付近で中空杭本体の底部に対して開放状態に、かつ上端が中空杭本体の上部を挿通して設けられ、空調システムの連絡配管に接続されるための開口が中空杭本体の上部に設けられている構造に、蓄冷時に着氷させるブライン吸放熱器が、中空杭本体の上部を挿通して、中空杭本体の内部に導入、導出されるように設けられた構造でもよい。
【０００９】
その場合、空調システムは、該空調システムの室外機、室内機などのブライン系統に連絡する所要の配管が、中空杭本体の上部を挿通して中空杭本体内部に導入、導出され、蓄冷時に着氷させるブライン吸放熱器に連絡している構造とする。
【００１０】
とくに、鋼管杭の場合は、杭自体が断熱被覆されていることが必要である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、中空杭本体の内部を蓄熱に利用する場合の一形態を模式的に示したもの（比較例１）であり、中空杭本体１は鉄筋、鋼棒、コンクリートを用いたいわゆる中空のコンクリート杭や鋼管杭など内部が中空に形成される杭であり、その上下端が上端板２および下端板３で閉止されて全体として中空杭本体が形成される。上端板２および下端板３による閉止は、ネジ締結、溶接など公知の適当な手段でよく、また必要によりガスケット等の漏洩防止手段が併用される。更に地盤への中空杭設置状況によっては、いわゆる根固めや硬化球根などの手段により中空杭本体１の下端が閉止されることでも差し支えない（この場合には、下端板３は不要になる）。上端板２には空調システムのメイン設備への連絡配管に接続するための開口５が設けられる。開口５の先端は、フランジ、ガスケット、ネジなどによる締結接続、溶接による直結接続などに適合する形態に構成される。もちろん、中空杭の保管・輸送などにおいて、塵埃などが内部に入らないように一時的に盲蓋などを取付けるなどの処置は当然に行われるべきものである。
【００１２】
なお後記の図４（ｂ）および（ｃ）に示される運転では温水が開口５から流出するので、実際の装置の状況に応じて、短管が開口５から下方に垂下してある方が、上端板２の下部に空気が幾分滞留しても、温水が開口５から円滑に流出することになる。これらの配慮は配管設備の常法に従って当然に行われる。
【００１３】
このような空調システムの方式、容量などの仕様に合致する太さのパイプ４が、中空杭本体１の上部すなわちこの場合には上端板２を挿通し、その下端部を中空杭本体１の底部に対して開放状態すなわちこの場合には下端板３のやや上方で開放状態に設けられる。または下端の側面に切り欠きを設けたパイプ４を、下端板３に当接してもよい。パイプ４の支持や挿通部分のシールなどは公知の適当な手段によって行われる。
【００１４】
低熱伝導率の断熱性の材料からなるパイプ４、または断熱材で被覆された金属製のパイプ４など、パイプ４は実質的に断熱性能を有するもので、好ましくはパイプ４の内外が平滑で、蓄熱媒体が円滑に移動できるものが良い。パイプ４の上端は開口して空調システムのメイン設備への連絡配管に接続される。パイプ４の上端の形態は前記の開口５と同様に行われる。
【００１５】
使用に際しては通常のいわゆる基礎杭と同様に地盤中に設定されて、建物などの荷重支持に供されると共に、所要の連絡配管が接続されて蓄熱媒体の貯槽として蓄熱の役割をなすものである。このことについては後記で説明する。
【００１６】
図２は本願の請求項１および２の発明の実施の形態を模式的に示したものであり、中空杭本体１、上端板２、下端板３、パイプ４および開口５は、図１に示される比較例１の場合のそれぞれと同一である。それらに加えて、図２の場合は摺動隔板６などが設けられている。摺動隔板６は、摺動して上下可動するために外周が中空杭１の内周よりやや小さく設定され、パイプ４の相当位置にはこれと相互に摺動して上下可動するために、パイプ４の外径よりやや大きい孔７があけてある。この場合、摺動隔板６が最下端でパイプ４から抜け落ちないように中空杭本体１の内周壁に沿ってリング状のスペーサ８を挿入する。中空杭本体１の内周壁面の平滑度の状況などからして、摺動面の水密性に限界もあろうが、多少の漏洩があっても実質的に高温・低温の蓄熱媒体が隔離されればよいのである。
【００１７】
高温蓄熱媒体１１と低温蓄熱媒体１２とを確実に区分するために、摺動隔板６の全体の見掛密度は当該空調システムで使用する蓄熱媒体とほぼ同程度に設定されることが好ましい。例えば使用する蓄熱媒体が水である場合には、水が温水、冷水、氷の各状態で多少の差異があるが、摺動隔板６の見掛密度はほぼ１程度に設定される。摺動隔板６の構成材料が金属である場合には、その内部に適当な空間を設けることによって、全体として見掛密度が１程度になればよい。なお摺動隔板６が安定姿勢で円滑に摺動上下移動するためには、凧と同様に摺動隔板６は、上部が軽く（より低密度に）、下部が重く（より高密度に）、形成される方が好ましい。更にパイプ４及び中空杭本体１と摺動隔板６との摺動部には上下に張り出す筒体を設けることによって、摺動上下移動が一層円滑化される。蓄熱媒体の熱効率を高めるためには、摺動隔板６が断熱性能を有する方が好ましい。摺動隔板６自体が低熱伝導率の材料で構成されたり、金属主材が断熱材で被覆されても差し支えないが、全体の見掛密度は蓄熱媒体の密度と同程度に設定される方が好ましい。
【００１８】
図３は、図１の形態に対しブライン吸放熱器を加えた形態を模式的に示したもの（比較例２）であり、中空杭１、上端板２、下端板３、パイプ４および開口５は図１に示される請求項１の発明の実施の形態のそれぞれと同一である。それらに加えて、図３の場合には、室外機、室内機などのブライン系統に連絡されるための導管９Ａ、９Ｂが上端板２を挿通して中空杭本体１内に導入出して設けられている。一方は中空杭本体１の底部の方向に延在し他方は上部附近までとし、両者の間に蓄冷時に着氷させるブライン吸放熱器１０である蛇管が設けられる。請求項３の発明が利用される空調システムの方式、容量などの仕様に合致させて、ブライン吸放熱器１０は蛇管の他に、並列直管にするなど適当な形態を採用する。
【００１９】
図４は、請求項３の発明の実施の形態としての空調システムの模式配管系統を示したものであり、蓄熱用中空杭として請求項１の発明の実施の形態である図２のものが示されている。
【００２０】
空調システムには、種々のものが知られ、いろいろのタイプのものが実用され、蓄熱媒体、蓄熱槽を併用するシステムも種々のものが知られている。本発明は蓄熱媒体を併用する種々のシステムに適用できる。基本構成は、室内側熱交換器、室外側熱交換器、これらに空気を送るファン、冷温水系統、冷媒のポンプや圧縮機、ブライン、蓄熱媒体の熱交換器、蓄熱槽および連絡配管などである。図４では、説明の便宜から集約して、ブライン、蓄熱媒体の熱交換なども含めて、室内機１３および室外機１４とし、それらと蓄熱用中空杭が配管連絡されたものが示される。
【００２１】
図４（ａ）では、蓄熱媒体として水を使用し、夜間に生成された低温蓄熱媒体１２としての冷水（およびシャーベット氷）が蓄熱用の中空杭本体１に貯えられている状態で、夏季の昼間に冷房運転する状況が示されている。低温蓄熱媒体１２は、中空杭１の底部分でパイプ４の開放下端からパイプ４に導入されてその内部を上昇し、室内機１３の所要部分に導かれる。低温蓄熱媒体１２の冷熱は冷房に有効利用される。
【００２２】
低温蓄熱媒体１２を利用しない通常の空調システムの大気に直接排熱する電力負荷に比較して、低温蓄熱媒体１２を利用する空調システムの電力負荷は小さい。冷房に供されて温度上昇して温水になった高温蓄熱媒体１１は、中空杭本体１上端の開口５に連絡する配管系統を経由して、中空杭本体１の上部に戻される。
【００２３】
低温蓄熱媒体１２の冷熱蓄熱量を増大するためには、冷水とシャーベット氷が混在する低温蓄熱媒体１２とする運転条件（後記する図４（ｂ）の蓄冷運転）が採用されるが、その場合に低温蓄熱媒体１２の冷水の上部のシャーベット氷の上に高温蓄熱媒体１１である温水が戻されるので、両者の密度大小の関係から、両者が循環対流して両者間で熱交換し、空調システムの熱効率が低下する。図２の蓄熱用中空杭が利用される場合には、摺動隔板６が両者を隔離するので、そのような熱効率低下が防止される。
【００２４】
夜になって冷房運転終了時には、蓄熱用中空杭の内部は温水で充満し、摺動隔板６が設けられている場合には、それは蓄熱用中空杭の下部に位置している。（因みに当然のことながら、通常、建物を支持する杭は多数設定されるので、空調システムの容量に応じた量の蓄熱媒体を収容するために、所要の数の蓄熱用中空杭が利用されることになる。それらの蓄熱用中空杭内の蓄熱媒体を均等に有効利用するために、それらの配管系統に所要の定流量弁を設けるなど常套手段が講じられる）。安価な夜間電力を利用して、夏季夜間に蓄冷運転する状況を示す図４（ｂ）において、蓄熱用中空杭内の高温蓄熱媒体である温水は上端の開口５から室外機１４に送られる。室外機１４では温水の熱が大気に排熱されて、温水は低温蓄熱媒体１２である冷水（およびシャーベット氷）に変わる。低温蓄熱媒体１２はパイプ４を経由して蓄熱用中空杭内に充満して行く。前記のように、低温蓄熱媒体１２がシャーベット氷を含む場合には、摺動隔板６によって、高温蓄熱媒体１１と低温蓄熱媒体１２を隔離する方が好ましい。
【００２５】
前記の夏季冷房運転と逆に冬季昼間には、図４（ｃ）に示されるように高温蓄熱媒体１１である温水を室内機１３に送って暖房に供し、降温した低温蓄熱媒体１２である冷水をパイプを経て蓄熱用中空杭内に戻す。冬季夜間には図４（ｄ）に示されるように、低温蓄熱媒体１２である冷水は、パイプ４を経て、室外機１４に送られ、ここで大気から吸熱して昇温し、高温蓄熱媒体１１である温水になり、蓄熱用中空杭の上部に戻される。
【００２６】
図５は、図３に示される蓄熱用中空杭を用いた空調システムの模式配管系統を示したもの（比較例３）である。図３の蓄熱用中空杭以外のシステムの構成は図４について前記したものと同様であるが、異なる点はブラインの系統が蓄熱用中空杭の内部に設けられていることである。蓄熱媒体として水が利用され、これに適合する冷媒がブラインとして使用される。
【００２７】
冷房運転を示す図５（ａ）では、後記の図５（ｂ）で図説する蓄冷によって、ブライン吸放熱器１０の大部分の外表面周囲には大量に着氷１５が生成付着し、中空杭本体１内部の水は低温蓄熱媒体１２である冷水になっている。低温蓄熱媒体１２は、中空杭本体１の底部分でパイプ４の開放下端からパイプ４に導入されてその内部を上昇し、室内機１３の所要部分に導かれる。低温蓄熱媒体１２の冷熱は冷房に有効利用される。冷房に供されて昇温して温水になった高温蓄熱媒体１１は、中空杭本体１の上部に戻され、着氷１５によって冷却されて、低温蓄熱媒体１２になって、再び冷房に供される。潜熱大である着氷１５は冷熱源として有効なものである。図４（ａ）で前記したように電力負荷は小さい。
【００２８】
安価な夜間電力を利用して、夏季夜間に蓄冷運転する状況を示す図５（ｂ）において、室外機１４などで圧縮・冷却など所要の過程を経たブラインは、導管９Ｂからブライン吸放熱器１０に導かれて蒸発するなどして、周囲すなわち温水である高温蓄熱媒体１１から吸熱する。吸熱が進行すると、冷水となった低温蓄熱媒体１２は更に冷却進行して、ブライン吸放熱器１０の外表面周囲に氷結して着氷１５として成長する。つまり冷熱が潜熱大なる氷の形で蓄冷されることになり、冷房の効果を高める。
【００２９】
前記の夏季冷房運転と逆に冬季昼間には、図５（ｃ）に示されるように高温蓄熱媒体１１である温水を室内機１３に送って暖房に供し、降温した低温蓄熱媒体１２である冷水をパイプ４を経て蓄熱用中空杭内に戻す。冬季夜間には図５（ｄ）に示されるように、室外機１４などで吸熱・圧縮などを所要の過程を経たブラインは導管９Ａからブライン吸放熱器１０に導かれて放熱して周囲すなわち冷水である低温蓄熱媒体１２を加熱する。冷水は昇温して温水である高温蓄熱媒体になる。
【００３０】
【発明の効果】
事務所ビル等の空調に於いて、夏季冷房時に排熱源の温度が高く、冬季暖房時に吸熱源の温度が低いために生ずる、電力消費の増大、とりわけ昼間の電力消費の集中を緩和するために、比較的電力消費の少ない夜間の余剰電力を利用して、蓄冷、蓄温を行い冷房、暖房にそれぞれ寄与せしめる、蓄熱式冷暖房システムが行われる。この際、大量の比熱の大きい蓄熱媒体が不可欠であり、その貯留槽を必要とする。本発明によれば、建築物の基礎部分に埋設された中空杭の中空空間を有効利用するため、該熱媒体の貯留槽を新たに設ける必要はない。
【００３１】
また、中空杭内部に摺動隔板を設けることにより、単一の熱媒体貯留槽に、高温の熱媒体と低温の熱媒体を同居させても、対流による熱移動は生ぜず高温、低温の熱媒体が混合して蓄冷、蓄温の効果を失うような不都合は起こらない。
【００３２】
またブライン吸放熱器を、熱媒体の貯留槽となる中空杭の中に設ければ、ブライン吸放熱器の外表面に着氷効果をもたらし、蓄冷効果を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】中空杭本体の内部を蓄熱に利用する場合の一形態（比較例１）の模式断面図である。
【図２】本願の請求項１および２に係る発明の実施の形態を示す模式断面図である。
【図３】図１の形態に対しブライン吸放熱器を加えた形態（比較例２）の模式断面図である。
【図４】請求項３に係る発明の実施の形態としての空調システムの模式配管系統図である。(a) は冷房運転、(b) は蓄冷運転、(c) は暖房運転、(d) は蓄温運転の状況を示す模式図である。
【図５】図３に示される蓄熱用中空杭を用いた空調システムの模式配管系統図である。(a) は冷房運転、(b) は蓄冷運転、(c) は暖房運転、(d) は蓄温運転の状況を示す模式図である。
【符号の説明】
１…中空杭本体、２…上端板、３…下端板、４…パイプ、５…開口、６…摺動隔板、７…孔、８…スペーサ、９Ａ…導管、９Ｂ…導管、１０…ブライン吸放熱器、１１…高温蓄熱媒体、１２…低温蓄熱媒体、１３…室内機、１４…室外機、１５…着氷

Claims (3)

1. 両端が閉止される中空杭本体の内部に、パイプが、下端付近で中空杭本体の底部に対して開放状態に、かつ上端が中空杭本体の上部を挿通して設けられ、さらに、閉止された前記中空杭本体の上部に開口が設けられ、前記パイプおよび開口に空調システムの連絡配管を接続するようにした蓄熱用中空杭であって、前記パイプの外周に、外周が中空杭の内周よりやや小さく設定され、前記パイプの相当位置にはパイプの外径よりやや大きい孔があけられた摺動隔板が、パイプの外周および中空杭本体の内周に沿って摺動し、上下可動に設けられていることを特徴とする蓄熱用中空杭。
2. 中空杭本体の下部にはパイプの最下端で摺動隔板が抜け落ちるのを防止するためのリング状のスペーサが挿入されていることを特徴とする請求項１記載の蓄熱用中空杭。
3. 空調システムの室外機、室内機などの蓄熱媒体系統に連絡する所要の配管が、パイプの上端部及び中空杭本体の開口に連絡していることを特徴とする請求項１または２記載の蓄熱用中空杭を利用した空調システム。

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