JP4257813B2

JP4257813B2 - 環境調和冷温熱供給システム

Info

Publication number: JP4257813B2
Application number: JP25747499A
Authority: JP
Inventors: 勝真田; 克己藤間; 浩佐藤
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: JP2001082771A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水を熱源とする圧縮式ヒートポンプの運転により冬期には氷を蓄氷しながら暖房運転を行ない、できた氷を融解しないように貯氷させ半年後の夏期の冷房シーズンに、前記圧縮式ヒートポンプの運転をすることなしに、貯氷された氷を融解しながら冷房負荷に対応させる。
さらに暖房時の余剰熱や夏期の凝縮熱を再生熱源としてシリカゲルやゼオライト等の固体吸着剤を用いた吸着式蓄熱槽を冷暖房負荷の不足冷温熱に対して吸着式ヒートポンプを冷凍運転させ適宜効率的に対応させるようにして、エネルギの効率的運用を可能にした環境調和冷温熱供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりビル空調、地域冷房等のエネルギ供給には夜間電力を用いる蓄熱方式が普及促進されてきているにも係わらず、シーズン期間だけでの冷熱需要ないし温熱需要への対応に終始してきたため、年間を通してのエネルギ使用の平準化、熱利用の効率向上が十分でなく何らかの対策が望まれている。
【０００３】
大局的には温暖化防止のためＣＯ_２排出を低減する化石燃料の削減によるエネルギ使用のミニマム化、もう一方はオゾン層保護のため水、アンモニア等の自然冷媒の使用を促進することである。また、従来まであまり利用されていない１００℃以下の低温廃熱を年間直接熱源として活用できる冷熱、温熱の発生手段が検討され実用化が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、ビルの空調や地域冷暖房においてシーズン毎に必要エネルギを消費しながら一方では熱エネルギを捨てている現状を改善し、捨てている熱エネルギを蓄熱して、夏冬通して冷熱と温熱の供給を効率的、省エネルギ的処理するとともに、環境調和に対応する自然冷媒を使用し、炭酸ガスの排出抑制とオゾン層保護に貢献できる、冷熱源としての製氷と加熱源としての低温水を作り作動する通期作動型の環境調和冷温熱供給システムの提供を目的としたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の環境調和冷温熱供給システムは、
冬期は温熱を供給し、夏期は冷熱を供給して地域の暖冷房、空調及び融雪をする温熱・冷熱供給システムにおいて、
河川水、海水、雨水、融雪水の熱源水を主体とする外部熱源により作動して冷熱と温熱を同時に造出する自然冷媒型の圧縮式ヒートポンプと前記外部熱源とよりなる冷温熱発生部と、
発生した冷熱と温熱を蓄熱してそれぞれ冷暖房負荷に逐次放出する温熱蓄熱槽と蓄氷槽とを含む蓄熱供給部と、
上記蓄熱供給部より供給する冷温熱が冷暖房負荷に対し供給不足のとき対応する補助冷温熱供給部と、
前記熱源水が不足した場合には大気を補助熱源として取込可能にする補助空気熱交換器とより構成し、
前記蓄氷槽への蓄氷は前記熱源水によって行い、冬期を通して前記温熱蓄熱槽と蓄氷槽への温熱及び冷熱の蓄熱を行い、前記温熱は前記温熱蓄熱槽を介して温熱負荷に逐次放出し、前記蓄氷槽に蓄熱された冷熱は、氷として融解しないように貯蔵し次期夏期冷房シーズンに冷房負荷に放出するように構成したことを特徴とする。
【０００６】
上記構成により本発明の環境調和冷温熱供給システムは、冷温熱発生部と、発生した冷温熱を蓄熱する蓄熱供給部と、蓄熱供給部において蓄熱した冷温熱が不足する場合に作動するようにした補助冷温熱供給部と、圧縮式ヒートポンプの熱源水の不足時のバックアップとしての補助空気熱交換器より構成してある。
【０００７】
そして、上記冷温熱発生部を構成するヒートポンプは、外部熱源の特に河川水、海水、雨水、融雪水等の単位当たりの蓄熱量の大きい水を外部熱源として作動させ、アンモニア、炭酸ガス、プロパン等の大気環境を破壊しない冷媒を使用して冷熱と温熱を同時に造出する自然冷媒型の圧縮式ヒートポンプを使用する構成とし、
冬期には熱源として水から製氷をしながら暖房を満たす温熱形成運転を行なわせるようにしたもので、上記氷は次期シーズンまで融解しないように蓄氷する。
そして半年後の夏期の冷房シーズンに前記圧縮式ヒートポンプを運転することなしに、前記蓄氷された氷を融解しながら冷房負荷に対応させるシステム的構成を形成させている。
【０００８】
そのためには上記蓄熱供給部が必要で、温熱は温熱蓄熱槽に温水又は蓄熱量を増す為のパラフィン等で充填された温熱蓄熱材を介して貯留して、暖房負荷に逐次対応放出するようにしてある。また、冷熱は蓄氷槽に蓄氷し、冷房負荷に対しては熱交換器を介して冷水として逐次放出するようにしてある。
【０００９】
また、請求項１記載の温熱は、前記圧縮式ヒートポンプにおいて、圧縮冷媒ガスの凝縮潜熱により形成された温水で構成し、冷熱は前記ヒートポンプの圧縮冷媒の蒸発潜熱により形成された二次冷媒を含む低温冷媒を介して形成された氷粒やブロック氷で構成したことを特徴とする。
【００１０】
なお、請求項１記載の発明により、温熱蓄熱槽と蓄氷槽とを設ける構成にしてあるため、温水と製氷を同時に行なっても冷温熱の負荷のバランスを取る設備的要素を特別に設ける必要はない。
【００１１】
また、前記圧縮式ヒートポンプの外部熱源は、河川水、海水、雨水、融雪水等の熱源水を主体とし、蓄氷に用いる熱源水が不足した場合は大気を補助熱源としたことを特徴とする。
かかる構成により、圧縮式ヒートポンプの熱バランスが取れないときのバックアップ用に外気を使用して対応できるようにしてある。
【００１２】
また、請求項１記載の補助冷温熱供給部は、再生脱着後の吸着式蓄熱槽を吸着作動条件にしたときに発生する吸着熱を不足温熱補給用として対応させるとともに不足冷熱には蒸発器を冷水発生器として作動するようにした、吸着式蓄熱槽と凝縮器及び蒸発器とよりなる吸着式ヒートポンプより構成したことを特徴とする。
【００１３】
上記請求項３記載の発明は、図２（Ａ）（Ｂ）に示す吸着式蓄熱槽２２と凝縮器２３と蒸発器２４とよりなる吸着式ヒートポンプの作用を使用したもので、吸着式蓄熱槽２２はシリカゲル、ゼオライト等の環境負荷の全くない吸着剤２２ａを熱交換器２２ｂの伝熱面と接触させ、かつ交互に配置するようにして真空容器である吸着蓄熱槽２２の中に封入し必要能力の大きさに構成したものである。
冷媒としては水、アルコール等を使用し、これらの蒸気が吸着剤２２ａに吸着されているとき脱着させるには図の（Ｂ）に示すように熱交換器に温水を通水して加熱乾燥させる。反対に蒸気を吸着剤に吸着させるときは図の（Ａ）に示すように吸着熱を除去させるため熱交換器に冷却水２２ｃを通水させる。
【００１４】
この蒸気の出し入れを蒸発器２４と凝縮器２３を設けて構成することによって可能とし、図の（Ａ）に示すように冷水２４ａを発生したり、または吸着蓄熱槽２２への冷却水２２ｃの流入量を低く抑えることにより、吸着熱の温度を高くして運転して温水として回収したりすることができる。
吸着式蓄熱槽は温度の顕熱として蓄熱させるのとは異なって温度損失がなく、冷媒蒸気を脱着させた状態で真空維持をさせることによって長時間に渡って状態を維持することが可能となり、必要時に作動させることによって冷熱、温熱の発生が可能となる。
【００１５】
即ち上記発明により、暖房負荷のピーク時や能力不足には吸着蓄熱槽と凝縮器と蒸発器とよりなる吸着式ヒートポンプを使用し、吸着蓄熱槽の吸着剤の再生には前記圧縮式ヒートポンプの凝縮熱により形成された略５０℃前後の温水で行い、脱着状態の吸着剤に冷媒蒸気を吸着させながら吸着熱を発生させ温熱のバックアップに使用する。
なお、付近にゴミ焼却場などの廃熱源があれば、この熱を再生用加熱源とし、蓄氷槽の融解水を熱源水として使用し、吸着式ヒートポンプとして作動させ、不足温熱のバックアップ用に使用しても良い。
【００１６】
また、夏期冷房時には蓄氷槽の氷を取出しプレート熱交換器で二次側冷水系に接続させ冷房負荷に対応させるが、蓄氷槽の氷が完全に融解したときは、前記吸着式ヒートポンプを冷凍運転させ蒸発器を冷水発生器として使用し、冷房のバックアップ用に使用する。
この場合、氷が融解した後の１５℃以上の水を吸着式の冷却水として利用することも可能である。
【００１７】
なお、蓄氷槽の大小によりシーズン中の全冷房負荷容量を満たすことができない場合は前記圧縮式ヒートポンプを冷水または製氷モードで運転を続けさせる。この場合の前記ヒートポンプの凝縮器からの温水は温蓄熱槽に貯留し、半年後の次期暖房シーズンに使用するようにする。
【００１８】
また、請求項３記載の吸着式蓄熱槽には、真空回収圧縮機を付設し急速再生時加熱熱量の不足時に対応させる構成としたことを特徴とする。
上記請求項４記載の発明により、吸着式蓄熱槽に真空ポンプを設け、吸着剤の脱着に際しての加熱温熱が不足したときに、一時的に前記冷媒蒸気を真空コンプレッサで吸引して真空度を下げて脱着を促進させる。且つこのときの吐出蒸気は熱交換器を介して回収し、不足温熱の補給に対処させる構成にしている。
【００１９】
また、請求項３記載の吸着式蓄熱槽の脱着用温水には前記圧縮式ヒートポンプの凝縮熱より形成された温水を使用するとともに、地域の廃熱源より形成された温水を使用する構成にしたことを特徴とする。
上記請求項５記載の発明により、ゴミ焼却場等からの廃熱が得られる場合は、吸着式蓄熱槽の再生用に用いたり、温熱蓄熱槽に直接温熱源として蓄熱する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される部品の形状その他の相対的配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の環境調和冷温熱供給システムの概略の構成を示すブロック系統図である。
【００２１】
本発明の環境調和冷温熱供給システムは、単位当たりの蓄熱量が多い水として河川水、海水、雨水、融雪水等の各種水を熱源水として冷熱と温熱の同時供給を可能とする圧縮式ヒートポンプよりなる主ヒートポンプを主体として冬期通期運転を行い、前記冷温熱を蓄熱し当期内ないし翌年の夏期または冬期に逐次放出を可能とするとともに、冷温熱不足時に対応できるようにしたものである。
【００２２】
図１に示すように、冷温熱発生部１０は、主ヒートポンプ１１と、該ヒートポンプ１１の水熱源を形成する河川水、海水、雨水、融雪水等よりなる熱源水１２と、空気熱交換器を介して取込可能にした補助熱源を形成する補助空気熱交換器１３と、製氷器１４ａとプレート熱交換器１４ｂとを備えた蓄氷槽１４と、温熱蓄熱槽１５とより構成し、補助冷温熱供給部２０は、吸着式蓄熱槽２２と凝縮器２３と冷水器（蒸発器）２４とよりなる吸着式ヒートポンプ２５と、吸着式蓄熱槽の再生時に加熱熱量が不足する場合作動するようにした真空回収圧縮機２６と、ゴミ焼却場や工場廃熱や温泉水の廃熱源２９とより構成する。
【００２３】
上記主ヒートポンプ１１の概略の構成は下記よりなっている。即ち、水以外のアンモニア、プロパン、ＣＯ_２等の大気環境を破壊しない自然冷媒を用い、自然冷媒は圧縮機１０ａにより圧縮された後熱源水１２の熱を汲み上げ、温水器（凝縮器）１１ａで凝縮された後クーラで蒸発し−１０℃〜５℃の冷媒蒸気となる。該冷媒蒸気は膨張弁１１ｂを介して製氷器１４ａに導入され、前記河川水、海水、雨水、融雪水等を結氷させ、結氷した氷粒は蓄氷槽１４に蓄氷させ、当期内ないし翌年の夏期にプレート熱交換器１４ｂを介して逐次放出を可能にして、冷熱負荷２７の需要に対応させている。
【００２４】
なお、前記冷媒蒸気は直接方式以外に二次ブラインを持つ間接方式でも使用できる。
また、前記主ヒートポンプの外部熱源は、上記したように河川水、海水、雨水、融雪水等の熱源水を主体としているが、蓄氷に用いる熱源水が不足した場合は補助空気熱交換器１３と膨張弁１３ａを介して大気を補助熱源として使用するようにしてある。
【００２５】
上記温熱蓄熱槽１５と蓄氷槽１４への温熱及び冷熱の蓄熱は、冬期を通して、行なわれ、温熱は温熱蓄熱槽１５を介して温熱負荷２８に対し逐次放出させ、
蓄氷槽１４に蓄熱された冷熱は、氷として融解しないように貯蔵され、半年後の夏期冷房シーズンにプレート熱交換器１４ｂを介して冷水として冷房負荷２７に逐次放出するようにし、互いに相反する熱需要を満たし、綜合効率を飛躍的に上げている。
【００２６】
そして、上記のように温熱蓄熱槽と蓄氷槽とを設ける構成にしてあるため、温水と製氷を同時に行なっても冷温熱の負荷のバランスを取る設備的要素を特別に設ける必要は生じない。
なお、上記プレート熱交換器１４ｂは直接氷が配管中に詰まりが生じないようにするためと河川水等で製氷した場合の汚れの影響を回避するために使用している。
また、蓄氷槽１４の容量の大小によりシーズン中の全冷房負荷容量を満たすことができない場合は主ヒートポンプは冷水または製氷モードで運転を続ける。その場合凝縮器からの温水は温蓄熱槽１５または吸着式蓄熱槽２２に貯蔵し半年後の次期暖房シーズに使用する。
【００２７】
前記補助冷温熱供給部は２０は、吸着式蓄熱槽２２と凝縮器２３と冷水器（蒸発器）２４とよりなる吸着式ヒートポンプ２５と、真空回収圧縮機２６と、廃熱源２９（付近にゴミ焼却場等の廃熱源が存在するとき）とより構成してある。
冬期暖房負荷２６に対し温蓄熱槽の温熱が不足した場合は、吸着式蓄熱槽２２に熱源水（蓄氷槽１４の残留水等）を通水させ内蔵する脱着済の吸着剤に冷媒蒸気を吸着させ、発生する吸着熱で温熱不足に対応させるようにしてある。
なお、上記熱源水には余剰冷房能力があればこれを用いることもできる。
【００２８】
上記吸着剤の急速脱着時に再生用加熱熱量が不足する場合は、真空回収圧縮機２６を稼働させ脱気させる。そして、圧縮時の圧縮排熱は熱交換器２６ａを介して加熱源側に回収する。
【００２９】
また、夏期に冷熱が不足する場合には、前記吸着式蓄熱槽２２の脱着済み吸着剤に冷水器（蒸発器）２４からの蒸気の吸着を行なわせ、吸着式ヒートポンプを冷凍運転させ冷房モードで使用し冷水器２４で蒸発潜熱を奪われ形成された冷水により、不足した冷熱を補給するようにしてある。
即ち、蓄氷槽１４内の氷スラリが全部融解し、且つ顕熱上昇を引き起こし冷房が出来ない温度になったとき、融解水を吸着式蓄熱槽２２に導入して冷却水として使用し、低圧下のもとに冷媒の盛んな蒸発を促し発生した蒸気は吸着式蓄熱槽２２の吸着剤に吸着させる、その蒸発潜熱により冷水器で冷水を放出させ不足冷熱に対応させている。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の環境調和冷温熱供給システムはヒートポンプを介して、通期運転と蓄熱槽を介しての年間を通したシステマティックな運用により、冷温熱の効率的供給が可能となり、総合効率を飛躍的に上げることができる。
そして、エネルギの使用効率を高め炭酸ガスの排出低下による環境保全を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の環境調和冷温熱供給システムの概略の構成を示すブロック系統図である。
【図２】吸着式ヒートポンプの吸着、脱着の状況を示す模式図である。
【符号の説明】
１０冷温熱供給部
１１主ヒートポンプ
１０ａ圧縮機
１１ａ温水器（凝縮器）
１２水熱源
１３補助空気熱交換器
１４蓄氷槽
１４ａ製氷器
１４ｂプレート熱交換器
１５温熱蓄熱槽
２０補助冷温熱供給部
２２吸着式蓄熱槽
２３凝縮器
２４冷水器（蒸発器）
２５吸着式ヒートポンプ
２６真空回収圧縮機
２７冷熱負荷
２８温熱負荷

Claims

冬期は温熱を供給し、夏期は冷熱を供給して地域の暖冷房、空調及び融雪をする温熱・冷熱供給システムにおいて、
河川水、海水、雨水、融雪水の熱源水を主体とする外部熱源により作動して冷熱と温熱を同時に造出する自然冷媒型の圧縮式ヒートポンプと前記外部熱源とよりなる冷温熱発生部と、
発生した冷熱と温熱を蓄熱してそれぞれ冷暖房負荷に逐次放出する温熱蓄熱槽と蓄氷槽とを含む蓄熱供給部と、
上記蓄熱供給部より供給する冷温熱が冷暖房負荷に対し供給不足のとき対応する補助冷温熱供給部と、
前記熱源水が不足した場合には大気を補助熱源として取込可能にする補助空気熱交換器とより構成し、
前記蓄氷槽への蓄氷は前記熱源水によって行い、冬期を通して前記温熱蓄熱槽と蓄氷槽への温熱及び冷熱の蓄熱を行い、前記温熱は前記温熱蓄熱槽を介して温熱負荷に逐次放出し、前記蓄氷槽に蓄熱された冷熱は、氷として融解しないように貯蔵し次期夏期冷房シーズンに冷房負荷に放出するように構成されてなることを特徴とする環境調和冷温熱供給システム。
前記温熱は、前記圧縮式ヒートポンプにおける圧縮冷媒ガスの凝縮潜熱により形成された温水で構成し、冷熱は前記圧縮式ヒートポンプの圧縮冷媒の蒸発潜熱により形成された低温冷媒を介して形成された氷粒やブロック氷で構成したことを特徴とする請求項１記載の環境調和冷温熱供給システム。
前記補助冷温熱供給部は、シリカゲル、ゼオライト等の吸着剤を用い、吸着式ヒートポンプの冷凍運転で吸着した吸着剤の脱着後の吸着時に発生する吸着熱を不足温熱の補給用として対処させるとともに不足冷熱には蒸発器に冷水発生器として作動するようにした、吸着式蓄熱槽と凝縮器及び蒸発器とよりなる吸着式ヒートポンプとより構成したことを特徴とする請求項１記載の環境調和冷温熱供給システム。
前記吸着式蓄熱槽には、真空回収圧縮機を付設し再生時の加熱熱量の不足時に対応させる構成としたことを特徴とする請求項３記載の環境調和冷温熱供給システム。
前記吸着式蓄熱槽の脱着用温水には前記圧縮式ヒートポンプの凝縮熱より形成された温水を使用するとともに、地域の廃熱源より形成された温水を使用する構成にしたことを特徴とする請求項３記載の環境調和冷温熱供給システム。