JP3947780B2 - 既設空調システムの改造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、既設の氷蓄熱式空調システムを、空調負荷側の冷熱媒体として水和物スラリを使用できるようにリニューアルするための改造方法に関する。なお、本明細書において「水和物スラリ」というのは、例えば、臭化テトラｎ−ブチルアンモニウム（ＴＢＡＢ）のごとき水和剤を水に溶解させたもので、この水溶液を冷却することによって得られる液体から固体粒子への相変化時の潜熱量（熱密度）が大きい液系包接水和物と水溶液の固液混相流体をいう。
【０００２】
【従来の技術】
ビルや地域冷暖房等を対象とする冷暖房システムには従来より水蓄熱式や氷蓄熱式の空調システムが使用されているところが多い。一例として図３に水蓄熱式空調システムを示す。図３において、１は冷熱媒体として水を貯蔵する水蓄熱槽、２は水蓄熱槽１内の水を冷却するための冷凍機、３は空調機、４は冷却塔、５は一次ポンプ、６は二次ポンプ、７ａ、７ｂは一次ポンプ５の入側ヘッダーおよび出側ヘッダー、８ｂは二次ポンプ６の出側ヘッダー、９は一次冷却水の流量制御のための三方弁、１０は冷却塔冷却水を冷凍機２へ送るポンプ、１１は各空調機３に設けられる流量制御弁である。
【０００３】
この空調システムにおける基本的な動作は、主に夜間電力を利用して水蓄熱槽１内の水を循環させながら冷凍機２により冷却し水蓄熱槽１に冷熱を蓄熱する。昼間は、夜間蓄熱された例えば５℃の冷水を各空調機３に送り熱交換により室内を冷房する。冷房に供された冷水は、例えば１２℃の温度に昇温されて水蓄熱槽１に戻ってきて、該水蓄熱槽１にて再び冷却される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のような水蓄熱式空調システムを導入しているビルや地域冷暖房システム等においては、システム導入時に比べて冷房負荷の需要が増加した場合、熱源機の更新などが実施されている。このとき、蓄熱量の増大化も要求されることがあるが、蓄熱槽の追加増設はスペース等の制約もあって困難である場合が多い。また、昼間の冷房電力負荷を低減する対策が要求されている。氷蓄熱式の空調システムにおいても同様の問題が存在する。
【０００５】
したがって、本発明は、既設の氷蓄熱式空調システムをリニューアルするにあたって、空調負荷側の配管口径の変更や氷蓄熱槽の大きさや追加増設等の変更を要することなく、空調負荷側への供給熱量を増大させることと、昼間の冷房電力負荷を低減することができる既設空調システムの改造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る改造方法は、既設の氷蓄熱式空調システムを空調負荷に水和物スラリを供給する水和物スラリ空調システムに改造する方法であって、水和物スラリを製造する水和物スラリ製造熱交換器と、既設の氷蓄熱槽と前記水和物スラリ製造熱交換器との間で冷媒を循環させる機構を設け、氷製造熱交換時に０℃以下の冷媒を氷蓄熱槽へ供給して氷を製造し、水和物スラリ製造時に氷蓄熱槽の氷を融解しながら水和物スラリ製造熱交換器へ１℃以上の冷媒を供給して水和物スラリを製造するようにして、水和物スラリ製造熱交換器と水和物スラリを空調負荷に輸送する水和物スラリ輸送ポンプとの間の配管は、その配管口径が水和物スラリ輸送ポンプの出口配管口径の１．５倍以上の配管とするように改造することを特徴としている。
【０００７】
本発明において利用される水和物スラリは、水和物が生成する際に大きい潜熱を有する液系包接水和物の固体粒子と水和物を生成する水和剤の水溶液の固液混相流体である。このような水和物（包接水和物）を生成する水和剤としては、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｎ−フォスフォニウム塩、トリｉｓｏ−アミルサルフォニウム塩などであり、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩の例として、フッ化テトラｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ4Ｈ9）4ＮＦ）、塩化テトラｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ4Ｈ9）4ＮＣｌ）、臭化テトラｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ4Ｈ9）4ＮＢｒ）などがある。
また、これらＦ，Ｃｌ，Ｂｒの代わりに酢酸（ＣＨ3ＣＯ2）、クロム酸（ＣｒＯ4）、タングステン酸（ＷＯ4）、シュウ酸（Ｃ2Ｏ4）、リン酸（ＨＰＯ4）でもよい。その他前記塩も同様に利用できる。特に臭化テトラｎ−ブチルアンモニウムの場合は、冷房に利用される５〜１２℃の温度域において、熱密度が７℃の場合、同じ温度差で水に比べて約４倍も大きい。
【０００８】
水和物スラリは水に比べて粘度が大きく、特に空調負荷側へ送り出すポンプ（以下、スラリポンプという）により水和物スラリを送り出す際に、吸い込み配管内での圧力損失が大きくなり、水和物スラリを吸い込むのに十分な吸引圧力を維持できないことがある。このような場合には、水和物スラリ中に水溶液の流路（以下、液みちという）が形成され、粘度の大きい水和物スラリを取り出せず、粘度の小さい水溶液だけを選択的に取り出すようになる問題が生じる。このように、吸い込み配管内の圧力損失が大きくなると水和物スラリを吸い込むことが困難となるため、スラリポンプの吸い込み口における圧力を大気圧以下に設定する必要がある。しかし、スラリポンプの圧力を大気圧以下にすると、水和物スラリ中の溶存空気がスラリポンプ内部あるいは接続する配管内部で気泡となるキャビテーション現象が発生する。スラリポンプのロータなどの下流では圧力は大気圧以上となり気泡は消滅するが、その際、気泡の周囲の水がぶつかり合って局所的に著しい高圧を生じ、その機械的衝撃によってスラリポンプ内面や配管内面が侵食される問題が生じる。そして、液みちは水和物スラリの流速が速い場合に形成されやすい。
【０００９】
したがって、本発明のように、水和物スラリ製造熱交換器とスラリポンプの間の配管口径を、スラリポンプの出口配管口径の１．５倍以上の配管にすることにより、その部分での水和物スラリの流速を緩やかなものとする。これにより、配管内の圧力損失を低減することができ、液みちやキャビテーションの生成を抑制できて、水和物スラリを効率よく空調負荷側へ輸送することが可能となる。その結果、空調負荷の需要増大に速やかに対処することができ、最適なシステム運転が可能になるとともに省エネルギ、コスト低減を図ることができる。
【００１０】
スラリポンプの吸い込み側の配管の内口径（Ｄ１）が、スラリポンプの吐出し口の配管の内口径（Ｄ２）の１．５倍以上であることが好ましい根拠を、スラリポンプの吸い込み側の配管系内に水和物スラリ貯槽を設けた場合を例に挙げて説明する。
【００１１】
水和物スラリ貯槽の水和物スラリの液面高さを２ｍ、配管内の水和物スラリの流速を２ｍ/sec、水和物スラリ貯槽とスラリポンプ間の配管長さを０．５ｍとした場合について、払い出し配管の圧力損失のポンプ吸込側揚程に対する比と、Ｄ１／Ｄ２との関係を実験により求めた結果を図２に示す。
【００１２】
スラリポンプの吸い込み側における圧力をスラリポンプの吸い込み下限圧力以上に保ち安定して吸い込ませるためには、安全率を１．１〜１．５とすると、払い出し配管の圧力損失のポンプ吸込側揚程に対する比を０．８程度以下にすることが必要であり、Ｄ１／Ｄ２を１．５以上とすることが好ましい。
【００１３】
他の液面高さ、流速などの条件での実験の結果からも、Ｄ１／Ｄ２を概ね１．５以上にすることが好ましいことが確認された。このようにスラリポンプの吸い込み側の配管内口径を出口配管口径の１．５倍以上とすることで、配管内の圧力損失を十分に低減させ、液みちの形成を抑制する効果が得られる。
【００１９】
また、本発明の改造方法によれば、潜熱が水和物のおよそ２倍もある既存の氷蓄熱を利用しながら、氷蓄熱槽を拡大することなく、空調負荷の需要増大に速やかに対処することができ、最適なシステム運転が可能になるとともに省エネルギ、コスト低減を図ることができる。
【００２０】
また、本発明の改造方法において、水和物スラリを空調負荷側へ送り出すポンプを、冷熱媒体を冷水から水和物スラリへ変更したことに伴う搬送流量の低減化に応じて、小型ポンプまたはインバータ方式のポンプに変更する。これにより、空調負荷側の冷熱媒体として水和物スラリを利用する改造後の空調システムにおいて、省エネルギ、コスト低減を図ることができる。
【００２１】
また、本発明の改造方法において、空調負荷側回路内に輸送熱量調整装置を設ける。これにより、冷熱負荷に適した輸送熱量の水和物スラリを供給することができて、冷水を用いた場合の約１／１０〜１／２に輸送動力を低減することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。
【００３５】
実施形態１．
図１は本発明の改造方法による改造後の空調システムを示す構成図である。
【００３６】
本実施形態の改造方法は、潜熱が大きい氷を蓄熱剤とし、冷水を空調負荷へ供給する既存の氷蓄熱式空調システムを、空調負荷側の配管の大口径化または流量の増大をすることなく、空調負荷の需要増大に対処できるように水和物スラリ空調システムに改造するものである。
【００３７】
既存の空調機３側に冷水を供給する氷蓄熱式空調システムにおいて、氷蓄熱槽４０内には氷を製造する熱交換コイル４１が設けられ、氷製造用冷凍機４２からブラインポンプ４３によってコイル４１に冷媒（ブライン）が送られる循環回路４４が設けられている。この循環回路４４に氷製造用冷凍機４２をバイパスして水和物スラリ製造熱交換器２２ｃに前記冷媒を供給する分岐循環回路４５と弁体４６，４７を設置する。また、空調機３側の回路２１内には分岐循環回路４５内の冷媒との間で熱交換を行い水和物スラリを製造する水和物スラリ製造熱交換器２２ｃを設置する。そして、氷製造熱交換時には、０℃以下（例えば−５℃）の冷媒を氷蓄熱槽４０内のコイル４１へ供給して氷を製造し、水和物スラリ製造時には、弁体４６，４７により管路を切り替えて氷蓄熱槽４０内のコイル４１の外表面の氷を融解しながら冷媒を冷却し、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃへ１℃以上（例えば３℃）の冷媒を供給して水和剤を含む水溶液を冷却して水和物スラリを製造できるようにして、空調負荷側の冷熱媒体として水和物スラリを利用できるようにする。
【００３８】
また、分岐循環回路４５に、循環回路４４の復路側配管に戻る分岐管４８と弁体４９を設置し、弁体４６及び弁体４９を通して、氷製造用冷凍機４２と氷蓄熱槽４０と水和物スラリ製造熱交換器２２ｃとの間でブラインポンプ４３により冷媒を循環させることができるようにする。これにより、夏季の昼間のように冷熱負荷が大きい場合には、氷製造用冷凍機４２を作動させ、ブラインポンプ４３により氷蓄熱槽４０、弁体４６、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃ、弁体４９の間で冷媒を循環させて水和物スラリを製造することが可能となる。このとき、氷製造用冷凍機４２の運転温度は氷を製造する場合に比べて高い温度であるため、氷製造用冷凍機４２の消費電力が少なくてすむ。
【００３９】
ところで、通常の負荷運転時には、コイル４１の外表面に付着した氷がコイル４１内部を流通する冷媒によって融解される。このとき、氷蓄熱槽４０内の氷または水は静止状態であるため、コイル壁を通して行われる熱伝達は、主に水の温度差に起因する密度の相違によって生じる自然対流に基づくものである。負荷が小さい間は自然対流で冷熱を取り出すことができるが、負荷が大きくなると大量の冷熱を取り出す必要が生じる。したがって、氷蓄熱槽４０内の水を循環させる配管５１と水循環ポンプ５２を設け、コイル４１の外表面に付着した氷が融解しはじめたときに、水循環ポンプ５２により氷蓄熱槽４０内の冷水を循環させ、機械的に強制対流を起こして熱伝達させることができるようにする。これにより、既存の氷蓄熱を利用しながら空調機３側の冷熱媒体として水和物スラリを利用する改造後の空調システムにおいて、水和物スラリ製造時の伝熱性能が高まり、水和物スラリを効率よく生成することができる。
【００４０】
また、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃと製造された水和物スラリを空調機３側へ送り出すスラリポンプ６の入側ヘッダー８ａとの間の配管５３と、入側ヘッダー８ａと各スラリポンプ６間の各配管５４を、それぞれ配管口径が各スラリポンプ６の出口配管口径の１．５倍以上の配管にそれぞれ取り替えて、それらの部分での水和物スラリの流速を緩やかなものとする。これにより、配管内の圧力損失を低減して、液みちやキャビテーションの生成を抑制し、水和物スラリを効率よく空調機３側へ輸送できるようにする。
【００４１】
また、分岐循環回路４５の往路と復路に、低温冷媒（ブライン）循環から水和物スラリよりも温度が高い冷媒（以下、これを高温ブラインという）循環に切り替えるための二方弁６３，６４を設置する。一方、冷却塔４と冷凍機４２間の管路２６に、管路５５と開度調整可能な三方弁５６，５７を設け、冷却塔４からの冷却水（水和物スラリよりも温度が高い温水）の一部を温水熱交換器５８に送れるようにする。さらに温水熱交換器５８と分岐循環回路４５の復路と往路の間には、前記復路側から二方弁６５、高温ブラインのバッファタンク６０ａ、高温ブラインポンプ５９ａを順次配置した配管６１ａと、途中に二方弁６６を設けた配管６１ｂとからなる高温ブラインの循環回路６１を設けるとともに、循環回路６１内における二方弁６５とバッファタンク６０ａ間の配管と、二方弁６６と温水熱交換器５８との間の配管とを、バイパス配管６７にて接続し、バイパス配管６７内に二方弁６２を設ける。そして、水和物スラリ製造時は、分岐循環回路４５の二方弁６３，６４を開き、高温ブラインの循環回路６１の二方弁６５，６６を閉じ、バイパス配管６７の二方弁６２を開き、調整弁すなわち三方弁５６，５７の開度を調整して冷却塔４からの冷却水（温水）の一部を管路５５に導入し、温水熱交換器５８に送れるようにする。これにより、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃにおいて、水和物スラリの水溶液または水和物スラリと分岐循環回路４５内を流れる低温冷媒（ブライン）が熱交換を行い、水和物スラリを製造するとともに、バッファタンク６０ａ内の高温ブラインが、高温ブラインポンプ５９ａにより循環回路６１に流れ、温水熱交換器５８において、冷却塔４からの冷却水（温水）との間で熱交換を行い、バイパス配管６７を通ってバッファタンク６０ａに戻り、蓄熱される。
【００４２】
また、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃの冷却面に水和物が付着したり、閉塞したときは、分岐循環回路４５の二方弁６３，６４を閉じ、高温ブラインの循環回路６１の二方弁６５，６６を開き、バイパス配管６７の二方弁６２を閉じ、バッファタンク６０ａ内の高温ブラインを、高温ブラインポンプ５９ａにより循環回路６１から分岐循環回路４５に流れるようにして、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃに高温ブラインを供給する。これにより、前記付着したり、閉塞した水和物を融解することが可能となり、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃの冷却性能を常に安定した状態に維持することができる。このため、低コストで、安定した水和物スラリの製造が可能となる。なお、この水和物スラリ製造熱交換器２２ｃへの高温ブライン循環時には、冷却塔４からの冷却水（温水）が全て温水熱交換器５８側へ流れるように三方弁５６，５７の開度を調整してもよい。
また、スラリポンプ６の下流側に輸送熱量調整器３５を設ける。これにより、復路配管２１ａから三方弁３３を介して注入される水溶液の量を調整して、水和物スラリ中の水和物固体粒子の重量比率である固相率を適正なものとすることができて、輸送熱量（冷熱負荷）に適した熱密度の水和物スラリとすることが可能となる。また、空調機３へ輸送する水和物スラリの温度、流量を調節して輸送熱量を調整してもよい。水和物スラリは冷水に比べて数倍以上の熱密度を有するので、同じ輸送熱量を供給するのに輸送流量を大幅に低減でき、冷水を用いた場合の約１／１０〜１／２に輸送動力を低減することができる。
また、前記輸送動力の低減化に応じて、既設の空調システムの冷水輸送ポンプに代えてスラリポンプ６として小型ポンプもしくはインバータ方式のポンプを使用する。これにより、空調負荷側の冷熱媒体として水和物スラリを利用する改造後の空調システムにおいて、冷水による既設空調システムに比べて輸送動力を低減でき、省エネルギ、コスト低減を図ることができる。
なお、改造に際し、既存配管の内面や腐食が進んだ既存配管内の凹部に、予め臭化テトラｎ−ブチルアンモニウム（ＴＢＡＢ）等の水和剤に対して耐久性の有る樹脂（塩ビ、エポキシ、フッ素樹脂等）を充填被覆することが望ましい。
また、水和剤の水溶液中にエチレングリコール、プロピレングリコールなどの融点降下剤（水よりも融点の低い物質）を混入させると、水溶液の凝固点は、この物質の混入量によって低下する。したがって、空調負荷により利用温度幅を下げる必要がある場合には、これらの物質を適量混入させる。
【００４３】
以上のように、既設空調システムつまり氷蓄熱式空調システムを改造することで、空調機３側の冷熱媒体として水和物スラリを利用する空調システムに構築し直すことができる。そして、改造後の空調システムにおいて、氷蓄熱槽４０と水和物スラリ製造熱交換器２２ｃとの間で冷却媒体（ブライン）を循環させ、また空調機３側の回路２１内で水和物スラリを循環させることによって、冷却媒体（ブライン）により所定温度に冷却された水和物スラリを製造し、空調機３側の冷熱媒体として利用することができる。なお、本実施形態では氷蓄熱槽４０から水和物スラリ製造熱交換器２２ｃへは例えば３℃の冷却媒体（ブライン）が送られる。そして水和物スラリ製造熱交換器２２ｃを介して熱交換された冷却媒体（ブライン）は例えば１０℃の温度に昇温されて氷蓄熱槽４０に戻ってきて、氷蓄熱槽４０内の氷により再び冷却される。また、空調機３へは５℃の水和物スラリが供給され冷房に供される。そして冷房に供された水和物スラリは、融解されて１２℃の水溶液となり、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃに戻ってきて、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃにて再び冷却されて水和物スラリに生成される。
【００４４】
このように、熱密度が水に比べてきわめて大きい水和物スラリにより空調機３側への輸送熱量を大幅に増大させることができ、空調負荷の需要増加に速やかに対処することができる。その結果、空調負荷側の配管口径を大きくすることなく、改造後の空調システムにおいては、最適なシステム運転が可能になるとともに、省エネルギを図ることができる。さらに、スペース制約上の問題もなく、また設備投資の面でも旧設備をほとんど利用できるので、はるかに有利である。また、水和物スラリは熱密度が大きいので、配管口径を小さくしたり、蓄熱槽の台数を減らすことが可能となり、この面でもコストの節減、スペースの有効利用を図ることができるなど、波及効果が大きいものである。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、既設の氷蓄熱式空調システムの設備を利用して、空調負荷側の冷熱媒体として熱密度が水に比べてきわめて大きい水和物スラリを利用する空調システムに改造することができる。このため、空調負荷側への供給熱量を増大させることができ、空調負荷の需要増加に速やかに対処することができる。その結果、最適なシステム運転が可能になるとともに省エネルギ、コスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１を示す改造後の空調システムの構成図である。
【図２】 払い出し配管の圧力損失のポンプ吸込側揚程に対する比と、スラリポンプの吸い込み側の配管の内口径の吐出し口配管内口径に対する比との関係を示すグラフである。
【図３】 従来の水蓄熱式空調システムの構成図である。
【符号の説明】
１ 水蓄熱槽
２ 冷凍機
３ 空調機（空調負荷）
６ スラリポンプ
２１ 空調負荷側回路
２２ｃ 水和物スラリ製造熱交換器
２６ 冷却塔から冷凍機へ冷却水を送る配管
５３，５４ ポンプ出口配管口径の１．５倍以上の配管
３５ 輸送熱量調整器
４０ 氷蓄熱槽
４１ コイル
４２ 氷製造用冷凍機
４４ 冷媒循環管路
４５ 分岐循環回路（冷媒が流れる分岐管路）
４６，４７ 冷媒循環切り替え用の弁体
５５ 管路（温水循環切り替え用の弁体に連なる分岐管）
５８ 温水熱交換器（熱交換器）
６０ａ バッファタンク
６１ 循環回路（温水循環切り替え用の弁体に連なる分岐管）
６３，６４ 二方弁（温水循環切り替え用の弁体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、既設の氷蓄熱式空調システムを、空調負荷側の冷熱媒体として水和物スラリを使用できるようにリニューアルするための改造方法に関する。なお、本明細書において「水和物スラリ」というのは、例えば、臭化テトラｎ−ブチルアンモニウム（ＴＢＡＢ）のごとき水和剤を水に溶解させたもので、この水溶液を冷却することによって得られる液体から固体粒子への相変化時の潜熱量（熱密度）が大きい液系包接水和物と水溶液の固液混相流体をいう。
【０００２】
【従来の技術】
ビルや地域冷暖房等を対象とする冷暖房システムには従来より水蓄熱式や氷蓄熱式の空調システムが使用されているところが多い。一例として図３に水蓄熱式空調システムを示す。図３において、１は冷熱媒体として水を貯蔵する水蓄熱槽、２は水蓄熱槽１内の水を冷却するための冷凍機、３は空調機、４は冷却塔、５は一次ポンプ、６は二次ポンプ、７ａ、７ｂは一次ポンプ５の入側ヘッダーおよび出側ヘッダー、８ｂは二次ポンプ６の出側ヘッダー、９は一次冷却水の流量制御のための三方弁、１０は冷却塔冷却水を冷凍機２へ送るポンプ、１１は各空調機３に設けられる流量制御弁である。
【０００３】
この空調システムにおける基本的な動作は、主に夜間電力を利用して水蓄熱槽１内の水を循環させながら冷凍機２により冷却し水蓄熱槽１に冷熱を蓄熱する。昼間は、夜間蓄熱された例えば５℃の冷水を各空調機３に送り熱交換により室内を冷房する。冷房に供された冷水は、例えば１２℃の温度に昇温されて水蓄熱槽１に戻ってきて、該水蓄熱槽１にて再び冷却される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のような水蓄熱式空調システムを導入しているビルや地域冷暖房システム等においては、システム導入時に比べて冷房負荷の需要が増加した場合、熱源機の更新などが実施されている。このとき、蓄熱量の増大化も要求されることがあるが、蓄熱槽の追加増設はスペース等の制約もあって困難である場合が多い。また、昼間の冷房電力負荷を低減する対策が要求されている。氷蓄熱式の空調システムにおいても同様の問題が存在する。
【０００５】
したがって、本発明は、既設の氷蓄熱式空調システムをリニューアルするにあたって、空調負荷側の配管口径の変更や氷蓄熱槽の大きさや追加増設等の変更を要することなく、空調負荷側への供給熱量を増大させることと、昼間の冷房電力負荷を低減することができる既設空調システムの改造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る改造方法は、既設の氷蓄熱式空調システムを空調負荷に水和物スラリを供給する水和物スラリ空調システムに改造する方法であって、水和物スラリを製造する水和物スラリ製造熱交換器と、既設の氷蓄熱槽と前記水和物スラリ製造熱交換器との間で冷媒を循環させる機構を設け、氷製造熱交換時に０℃以下の冷媒を氷蓄熱槽へ供給して氷を製造し、水和物スラリ製造時に氷蓄熱槽の氷を融解しながら水和物スラリ製造熱交換器へ１℃以上の冷媒を供給して水和物スラリを製造するようにして、水和物スラリ製造熱交換器と水和物スラリを空調負荷に輸送する水和物スラリ輸送ポンプとの間の配管は、その配管口径が水和物スラリ輸送ポンプの出口配管口径の１．５倍以上の配管とするように改造することを特徴としている。
【０００７】
本発明において利用される水和物スラリは、水和物が生成する際に大きい潜熱を有する液系包接水和物の固体粒子と水和物を生成する水和剤の水溶液の固液混相流体である。このような水和物（包接水和物）を生成する水和剤としては、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｎ−フォスフォニウム塩、トリｉｓｏ−アミルサルフォニウム塩などであり、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩の例として、フッ化テトラｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ4Ｈ9）4ＮＦ）、塩化テトラｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ4Ｈ9）4ＮＣｌ）、臭化テトラｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ4Ｈ9）4ＮＢｒ）などがある。
また、これらＦ，Ｃｌ，Ｂｒの代わりに酢酸（ＣＨ3ＣＯ2）、クロム酸（ＣｒＯ4）、タングステン酸（ＷＯ4）、シュウ酸（Ｃ2Ｏ4）、リン酸（ＨＰＯ4）でもよい。その他前記塩も同様に利用できる。特に臭化テトラｎ−ブチルアンモニウムの場合は、冷房に利用される５〜１２℃の温度域において、熱密度が７℃の場合、同じ温度差で水に比べて約４倍も大きい。
【０００８】
水和物スラリは水に比べて粘度が大きく、特に空調負荷側へ送り出すポンプ（以下、スラリポンプという）により水和物スラリを送り出す際に、吸い込み配管内での圧力損失が大きくなり、水和物スラリを吸い込むのに十分な吸引圧力を維持できないことがある。このような場合には、水和物スラリ中に水溶液の流路（以下、液みちという）が形成され、粘度の大きい水和物スラリを取り出せず、粘度の小さい水溶液だけを選択的に取り出すようになる問題が生じる。このように、吸い込み配管内の圧力損失が大きくなると水和物スラリを吸い込むことが困難となるため、スラリポンプの吸い込み口における圧力を大気圧以下に設定する必要がある。しかし、スラリポンプの圧力を大気圧以下にすると、水和物スラリ中の溶存空気がスラリポンプ内部あるいは接続する配管内部で気泡となるキャビテーション現象が発生する。スラリポンプのロータなどの下流では圧力は大気圧以上となり気泡は消滅するが、その際、気泡の周囲の水がぶつかり合って局所的に著しい高圧を生じ、その機械的衝撃によってスラリポンプ内面や配管内面が侵食される問題が生じる。そして、液みちは水和物スラリの流速が速い場合に形成されやすい。
【０００９】
したがって、本発明のように、水和物スラリ製造熱交換器とスラリポンプの間の配管口径を、スラリポンプの出口配管口径の１．５倍以上の配管にすることにより、その部分での水和物スラリの流速を緩やかなものとする。これにより、配管内の圧力損失を低減することができ、液みちやキャビテーションの生成を抑制できて、水和物スラリを効率よく空調負荷側へ輸送することが可能となる。その結果、空調負荷の需要増大に速やかに対処することができ、最適なシステム運転が可能になるとともに省エネルギ、コスト低減を図ることができる。
【００１０】
スラリポンプの吸い込み側の配管の内口径（Ｄ１）が、スラリポンプの吐出し口の配管の内口径（Ｄ２）の１．５倍以上であることが好ましい根拠を、スラリポンプの吸い込み側の配管系内に水和物スラリ貯槽を設けた場合を例に挙げて説明する。
【００１１】
水和物スラリ貯槽の水和物スラリの液面高さを２ｍ、配管内の水和物スラリの流速を２ｍ/sec、水和物スラリ貯槽とスラリポンプ間の配管長さを０．５ｍとした場合について、払い出し配管の圧力損失のポンプ吸込側揚程に対する比と、Ｄ１／Ｄ２との関係を実験により求めた結果を図２に示す。
【００１２】
スラリポンプの吸い込み側における圧力をスラリポンプの吸い込み下限圧力以上に保ち安定して吸い込ませるためには、安全率を１．１〜１．５とすると、払い出し配管の圧力損失のポンプ吸込側揚程に対する比を０．８程度以下にすることが必要であり、Ｄ１／Ｄ２を１．５以上とすることが好ましい。
【００１３】
他の液面高さ、流速などの条件での実験の結果からも、Ｄ１／Ｄ２を概ね１．５以上にすることが好ましいことが確認された。このようにスラリポンプの吸い込み側の配管内口径を出口配管口径の１．５倍以上とすることで、配管内の圧力損失を十分に低減させ、液みちの形成を抑制する効果が得られる。
【００１９】
また、本発明の改造方法によれば、潜熱が水和物のおよそ２倍もある既存の氷蓄熱を利用しながら、氷蓄熱槽を拡大することなく、空調負荷の需要増大に速やかに対処することができ、最適なシステム運転が可能になるとともに省エネルギ、コスト低減を図ることができる。
【００２０】
また、本発明の改造方法において、水和物スラリを空調負荷側へ送り出すポンプを、冷熱媒体を冷水から水和物スラリへ変更したことに伴う搬送流量の低減化に応じて、小型ポンプまたはインバータ方式のポンプに変更する。これにより、空調負荷側の冷熱媒体として水和物スラリを利用する改造後の空調システムにおいて、省エネルギ、コスト低減を図ることができる。
【００２１】
また、本発明の改造方法において、空調負荷側回路内に輸送熱量調整装置を設ける。これにより、冷熱負荷に適した輸送熱量の水和物スラリを供給することができて、冷水を用いた場合の約１／１０〜１／２に輸送動力を低減することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。
【００３５】
実施形態１．
図１は本発明の改造方法による改造後の空調システムを示す構成図である。
【００３６】
本実施形態の改造方法は、潜熱が大きい氷を蓄熱剤とし、冷水を空調負荷へ供給する既存の氷蓄熱式空調システムを、空調負荷側の配管の大口径化または流量の増大をすることなく、空調負荷の需要増大に対処できるように水和物スラリ空調システムに改造するものである。
【００３７】
既存の空調機３側に冷水を供給する氷蓄熱式空調システムにおいて、氷蓄熱槽４０内には氷を製造する熱交換コイル４１が設けられ、氷製造用冷凍機４２からブラインポンプ４３によってコイル４１に冷媒（ブライン）が送られる循環回路４４が設けられている。この循環回路４４に氷製造用冷凍機４２をバイパスして水和物スラリ製造熱交換器２２ｃに前記冷媒を供給する分岐循環回路４５と弁体４６，４７を設置する。また、空調機３側の回路２１内には分岐循環回路４５内の冷媒との間で熱交換を行い水和物スラリを製造する水和物スラリ製造熱交換器２２ｃを設置する。そして、氷製造熱交換時には、０℃以下（例えば−５℃）の冷媒を氷蓄熱槽４０内のコイル４１へ供給して氷を製造し、水和物スラリ製造時には、弁体４６，４７により管路を切り替えて氷蓄熱槽４０内のコイル４１の外表面の氷を融解しながら冷媒を冷却し、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃへ１℃以上（例えば３℃）の冷媒を供給して水和剤を含む水溶液を冷却して水和物スラリを製造できるようにして、空調負荷側の冷熱媒体として水和物スラリを利用できるようにする。
【００３８】
また、分岐循環回路４５に、循環回路４４の復路側配管に戻る分岐管４８と弁体４９を設置し、弁体４６及び弁体４９を通して、氷製造用冷凍機４２と氷蓄熱槽４０と水和物スラリ製造熱交換器２２ｃとの間でブラインポンプ４３により冷媒を循環させることができるようにする。これにより、夏季の昼間のように冷熱負荷が大きい場合には、氷製造用冷凍機４２を作動させ、ブラインポンプ４３により氷蓄熱槽４０、弁体４６、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃ、弁体４９の間で冷媒を循環させて水和物スラリを製造することが可能となる。このとき、氷製造用冷凍機４２の運転温度は氷を製造する場合に比べて高い温度であるため、氷製造用冷凍機４２の消費電力が少なくてすむ。
【００３９】
ところで、通常の負荷運転時には、コイル４１の外表面に付着した氷がコイル４１内部を流通する冷媒によって融解される。このとき、氷蓄熱槽４０内の氷または水は静止状態であるため、コイル壁を通して行われる熱伝達は、主に水の温度差に起因する密度の相違によって生じる自然対流に基づくものである。負荷が小さい間は自然対流で冷熱を取り出すことができるが、負荷が大きくなると大量の冷熱を取り出す必要が生じる。したがって、氷蓄熱槽４０内の水を循環させる配管５１と水循環ポンプ５２を設け、コイル４１の外表面に付着した氷が融解しはじめたときに、水循環ポンプ５２により氷蓄熱槽４０内の冷水を循環させ、機械的に強制対流を起こして熱伝達させることができるようにする。これにより、既存の氷蓄熱を利用しながら空調機３側の冷熱媒体として水和物スラリを利用する改造後の空調システムにおいて、水和物スラリ製造時の伝熱性能が高まり、水和物スラリを効率よく生成することができる。
【００４０】
また、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃと製造された水和物スラリを空調機３側へ送り出すスラリポンプ６の入側ヘッダー８ａとの間の配管５３と、入側ヘッダー８ａと各スラリポンプ６間の各配管５４を、それぞれ配管口径が各スラリポンプ６の出口配管口径の１．５倍以上の配管にそれぞれ取り替えて、それらの部分での水和物スラリの流速を緩やかなものとする。これにより、配管内の圧力損失を低減して、液みちやキャビテーションの生成を抑制し、水和物スラリを効率よく空調機３側へ輸送できるようにする。
【００４１】
また、分岐循環回路４５の往路と復路に、低温冷媒（ブライン）循環から水和物スラリよりも温度が高い冷媒（以下、これを高温ブラインという）循環に切り替えるための二方弁６３，６４を設置する。一方、冷却塔４と冷凍機４２間の管路２６に、管路５５と開度調整可能な三方弁５６，５７を設け、冷却塔４からの冷却水（水和物スラリよりも温度が高い温水）の一部を温水熱交換器５８に送れるようにする。さらに温水熱交換器５８と分岐循環回路４５の復路と往路の間には、前記復路側から二方弁６５、高温ブラインのバッファタンク６０ａ、高温ブラインポンプ５９ａを順次配置した配管６１ａと、途中に二方弁６６を設けた配管６１ｂとからなる高温ブラインの循環回路６１を設けるとともに、循環回路６１内における二方弁６５とバッファタンク６０ａ間の配管と、二方弁６６と温水熱交換器５８との間の配管とを、バイパス配管６７にて接続し、バイパス配管６７内に二方弁６２を設ける。そして、水和物スラリ製造時は、分岐循環回路４５の二方弁６３，６４を開き、高温ブラインの循環回路６１の二方弁６５，６６を閉じ、バイパス配管６７の二方弁６２を開き、調整弁すなわち三方弁５６，５７の開度を調整して冷却塔４からの冷却水（温水）の一部を管路５５に導入し、温水熱交換器５８に送れるようにする。これにより、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃにおいて、水和物スラリの水溶液または水和物スラリと分岐循環回路４５内を流れる低温冷媒（ブライン）が熱交換を行い、水和物スラリを製造するとともに、バッファタンク６０ａ内の高温ブラインが、高温ブラインポンプ５９ａにより循環回路６１に流れ、温水熱交換器５８において、冷却塔４からの冷却水（温水）との間で熱交換を行い、バイパス配管６７を通ってバッファタンク６０ａに戻り、蓄熱される。
【００４２】
また、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃの冷却面に水和物が付着したり、閉塞したときは、分岐循環回路４５の二方弁６３，６４を閉じ、高温ブラインの循環回路６１の二方弁６５，６６を開き、バイパス配管６７の二方弁６２を閉じ、バッファタンク６０ａ内の高温ブラインを、高温ブラインポンプ５９ａにより循環回路６１から分岐循環回路４５に流れるようにして、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃに高温ブラインを供給する。これにより、前記付着したり、閉塞した水和物を融解することが可能となり、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃの冷却性能を常に安定した状態に維持することができる。このため、低コストで、安定した水和物スラリの製造が可能となる。なお、この水和物スラリ製造熱交換器２２ｃへの高温ブライン循環時には、冷却塔４からの冷却水（温水）が全て温水熱交換器５８側へ流れるように三方弁５６，５７の開度を調整してもよい。
また、スラリポンプ６の下流側に輸送熱量調整器３５を設ける。これにより、復路配管２１ａから三方弁３３を介して注入される水溶液の量を調整して、水和物スラリ中の水和物固体粒子の重量比率である固相率を適正なものとすることができて、輸送熱量（冷熱負荷）に適した熱密度の水和物スラリとすることが可能となる。また、空調機３へ輸送する水和物スラリの温度、流量を調節して輸送熱量を調整してもよい。水和物スラリは冷水に比べて数倍以上の熱密度を有するので、同じ輸送熱量を供給するのに輸送流量を大幅に低減でき、冷水を用いた場合の約１／１０〜１／２に輸送動力を低減することができる。
また、前記輸送動力の低減化に応じて、既設の空調システムの冷水輸送ポンプに代えてスラリポンプ６として小型ポンプもしくはインバータ方式のポンプを使用する。これにより、空調負荷側の冷熱媒体として水和物スラリを利用する改造後の空調システムにおいて、冷水による既設空調システムに比べて輸送動力を低減でき、省エネルギ、コスト低減を図ることができる。
なお、改造に際し、既存配管の内面や腐食が進んだ既存配管内の凹部に、予め臭化テトラｎ−ブチルアンモニウム（ＴＢＡＢ）等の水和剤に対して耐久性の有る樹脂（塩ビ、エポキシ、フッ素樹脂等）を充填被覆することが望ましい。
また、水和剤の水溶液中にエチレングリコール、プロピレングリコールなどの融点降下剤（水よりも融点の低い物質）を混入させると、水溶液の凝固点は、この物質の混入量によって低下する。したがって、空調負荷により利用温度幅を下げる必要がある場合には、これらの物質を適量混入させる。
【００４３】
以上のように、既設空調システムつまり氷蓄熱式空調システムを改造することで、空調機３側の冷熱媒体として水和物スラリを利用する空調システムに構築し直すことができる。そして、改造後の空調システムにおいて、氷蓄熱槽４０と水和物スラリ製造熱交換器２２ｃとの間で冷却媒体（ブライン）を循環させ、また空調機３側の回路２１内で水和物スラリを循環させることによって、冷却媒体（ブライン）により所定温度に冷却された水和物スラリを製造し、空調機３側の冷熱媒体として利用することができる。なお、本実施形態では氷蓄熱槽４０から水和物スラリ製造熱交換器２２ｃへは例えば３℃の冷却媒体（ブライン）が送られる。そして水和物スラリ製造熱交換器２２ｃを介して熱交換された冷却媒体（ブライン）は例えば１０℃の温度に昇温されて氷蓄熱槽４０に戻ってきて、氷蓄熱槽４０内の氷により再び冷却される。また、空調機３へは５℃の水和物スラリが供給され冷房に供される。そして冷房に供された水和物スラリは、融解されて１２℃の水溶液となり、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃに戻ってきて、水和物スラリ製造熱交換器２２ｃにて再び冷却されて水和物スラリに生成される。
【００４４】
このように、熱密度が水に比べてきわめて大きい水和物スラリにより空調機３側への輸送熱量を大幅に増大させることができ、空調負荷の需要増加に速やかに対処することができる。その結果、空調負荷側の配管口径を大きくすることなく、改造後の空調システムにおいては、最適なシステム運転が可能になるとともに、省エネルギを図ることができる。さらに、スペース制約上の問題もなく、また設備投資の面でも旧設備をほとんど利用できるので、はるかに有利である。また、水和物スラリは熱密度が大きいので、配管口径を小さくしたり、蓄熱槽の台数を減らすことが可能となり、この面でもコストの節減、スペースの有効利用を図ることができるなど、波及効果が大きいものである。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、既設の氷蓄熱式空調システムの設備を利用して、空調負荷側の冷熱媒体として熱密度が水に比べてきわめて大きい水和物スラリを利用する空調システムに改造することができる。このため、空調負荷側への供給熱量を増大させることができ、空調負荷の需要増加に速やかに対処することができる。その結果、最適なシステム運転が可能になるとともに省エネルギ、コスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１を示す改造後の空調システムの構成図である。
【図２】 払い出し配管の圧力損失のポンプ吸込側揚程に対する比と、スラリポンプの吸い込み側の配管の内口径の吐出し口配管内口径に対する比との関係を示すグラフである。
【図３】 従来の水蓄熱式空調システムの構成図である。
【符号の説明】
１ 水蓄熱槽
２ 冷凍機
３ 空調機（空調負荷）
６ スラリポンプ
２１ 空調負荷側回路
２２ｃ 水和物スラリ製造熱交換器
２６ 冷却塔から冷凍機へ冷却水を送る配管
５３，５４ ポンプ出口配管口径の１．５倍以上の配管
３５ 輸送熱量調整器
４０ 氷蓄熱槽
４１ コイル
４２ 氷製造用冷凍機
４４ 冷媒循環管路
４５ 分岐循環回路（冷媒が流れる分岐管路）
４６，４７ 冷媒循環切り替え用の弁体
５５ 管路（温水循環切り替え用の弁体に連なる分岐管）
５８ 温水熱交換器（熱交換器）
６０ａ バッファタンク
６１ 循環回路（温水循環切り替え用の弁体に連なる分岐管）
６３，６４ 二方弁（温水循環切り替え用の弁体）
Claims (1)
- 既設の氷蓄熱式空調システムを空調負荷に水和物スラリを供給する水和物スラリ空調システムに改造する方法であって、
水和物スラリを製造する水和物スラリ製造熱交換器と、
既設の氷蓄熱槽と前記水和物スラリ製造熱交換器との間で冷媒を循環させる機構を設け、
氷製造熱交換時に０℃以下の冷媒を前記氷蓄熱槽へ供給して氷を製造し、
水和物スラリ製造時に前記氷蓄熱槽の氷を融解しながら前記水和物スラリ製造熱交換器へ１℃以上の冷媒を供給して水和物スラリを製造するようにして、
前記水和物スラリ製造熱交換器と水和物スラリを空調負荷に輸送する水和物スラリ輸送ポンプとの間の配管は、その配管口径が前記水和物スラリ輸送ポンプの出口配管口径の１．５倍以上の配管とすることを特徴とする既設空調システムの改造方法。
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