JP4369331B2 - 過冷却水ダイナミック式氷蓄熱槽装置 - Google Patents

Description

本発明は、過冷却水を利用した氷蓄熱槽装置に関し、特に静置型でなく流水を過冷却するタイプのダイナミック式氷蓄熱槽装置に関する。

熱交換器（過冷却器）内で過冷却水を製造し、この過冷却水から密閉系の配管内で氷を生成して空調システム等に応用するダイナミック式氷蓄熱槽装置はすでに広く利用されているが、この製氷運転時において、蓄熱槽から取水した０℃の冷水には氷核が存在しているため、過冷却水生成時に凍結を起こす要因になる。そこで、この０℃の冷水を０℃を超える温度に加熱して、冷水中の氷核を完全に融解させてやる必要がある。これまで、氷蓄熱槽の底部付近から過冷却水製造用の熱交換器に至る戻り管を電気ヒーター等で加熱する方法や、加熱用熱交換器を挿入して他の系からの熱エネルギを吸収させる方法などが提案されてきた。

いくつかの従来技術では、氷蓄熱槽から取水した０℃の冷水を加熱するのに用いる熱交換器を介して、その冷熱を一般の冷房負荷、あるいは冷水蓄熱に利用している。

この種の従来技術の問題点として下記の点が挙げられる。
（１）戻り管内部で０℃であった冷水を０℃を超える温度まで加熱した熱量の分は、冷凍機側として余分に冷却しなければならないから、冷凍機の製氷能力は例えば約２０％低下することになる。その損失分を一般の冷房負荷で補おうとしても、製氷時は深夜の時間が多いので、夜間の冷房負荷として有効に利用できることが少ない
（２）冷水蓄熱に利用する場合は、氷蓄熱槽の他に水蓄熱槽が必要となり、スペースが増大して槽容積全体に対する蓄熱量が減少することになり、経済性を損なう
（３）一般の冷房負荷のみで冷水の加熱を行うと、冷房負荷の変動により、冷水の設定温度に対する制御が困難となる
（４）制御弁を用いて冷水温度を制御する場合、加熱用熱交換器の１次側負荷の状態により２次側冷水温度の制御が困難な場合がある。

本発明と関連する氷蓄熱装置の従来例として次のようなものがある。
特開平８−２１９５０３「過冷却水を利用した氷蓄熱装置」では、戻り管を流れる水の予熱に供した加熱側流体の冷熱を、他の空調装置の冷熱源として活用することを提案している。しかしながら、前述したように、空調負荷がない場合や空調負荷が小さい場合には、目的とする加熱量が空調システムから得られず、目的の温度まで戻り管の温度を上昇させることができないから、凍結を生じて製氷運転が不安定となるおそれがある。 特開平５−３２２３９５「氷蓄熱装置」では、氷蓄熱槽と過冷却器とを結ぶ冷水回路に、氷蓄熱槽から抽出された冷水と冷熱負荷とを熱交換させることによって冷水中に含まれる氷核を融解する氷核融解手段を設けている。氷核融解手段には、熱交換器、冷水温度検出器、流量調整弁及び開度制御装置が含まれる。 特開昭６３−１４０６３「過冷却式氷蓄熱装置」には、過冷却水製造熱交換器からの過冷却水を蓄氷槽の上部から放出して氷結させ、蓄氷槽の底部付近から引き抜いた冷水を空調システムに利用する技術が記載されている。

本発明の主たる目的は、過冷却水から密閉系の配管内で氷を生成する氷蓄熱槽装置において、戻り管内での氷結を安定した状態で防止すると共にその冷熱を有効に活用する手段を提供することにある。
本発明の他の目的は、氷蓄熱槽装置を含むシステム全体の高効率化を図ることにある。

前述した課題を解決するため、本発明は、水を過冷却水にする過冷却水製造熱交換器と、過冷却水から製造した氷を蓄える氷蓄熱槽と、前記氷蓄熱槽の底部付近からの冷水を前記過冷却水製造熱交換器へと案内する戻り管と、該戻り管の途中に配置した水循環ポンプと、前記氷蓄熱槽からの冷水を循環させる空調その他の二次系回路とを備える過冷却水ダイナミック式氷蓄熱槽装置の新規な構造を提供する。
すなわち、前記戻り管の途中にバイパス回路を設けてこのバイパス回路中に上流側から、冷水を吸入して加熱するための加熱ポンプと第１の熱交換器と第２の熱交換器とを直列に配置し、第１の熱交換器の２次側を夜間冷房負荷処理用空調システム系統に接続し、第２の熱交換器の２次側を空調システムの冷凍機へ通じる冷却水再冷却回路に接続し、前記夜間冷房負荷処理用空調システム系統として第１の熱交換器の２次側を建物の躯体蓄熱用冷却装置に接続する。
さらに前記戻り管の途中に温度センサを用いた第１の温度計とそれより下流側に第２の温度計を設置し、第１の温度計による感知温度が０．５℃以下なら最初に第１の熱交換器による躯体蓄熱用冷却装置を作動させ、続いて第２の温度計による感知温度が０．５℃以下なら第２の熱交換器による冷却水の再冷却を開始する。これにより、前記戻り管内の冷水温度を０℃を超える一定温度に制御することを特徴とする。

かかる構成に基づき、本発明によれば、
（１）製氷運転時には冷凍機と冷却塔の間で常時一定温度の冷却水が循環しているので、安定した凍結防止効果が得られる。すなわち、従来のように、空調負荷の大小によって加熱量不足を招き凍結を生じるようなことがない
（２）２つの熱交換器を用いることにより、空調負荷が変動しても戻り管の温度を安定した状態に制御することが可能になる
（３）冷房負荷が小さく全ての加熱分を利用できない場合でも、冷却水を用いているので、冷却水温度が低下し、冷凍機の効率が上昇する。すなわち、冷却水回路に蓄熱槽から取水した０℃の冷水の加熱を利用することで、通常の冷却水温度を低下させることができて、冷熱が有効に活用できると共に、冷凍機の運転効率を上げることができる
（４）安定した凍結防止、安定した制御、冷凍機の運転効率の上昇などにより、システム全体の効率を高めることができる。

第１の熱交換器の２次側は、各種の夜間冷房負荷処理用空調システム系統（空調負荷・躯体蓄熱・水蓄熱など）に接続することができるが、戻り管の加熱のための熱量は極めて大きいため、水蓄熱槽ではその保有水量が大きくなり、極端に大きな設置スペースを必要とする。従って、建物の躯体蓄熱用冷却装置に接続することが好適である。

躯体蓄熱の利点としては、
（１）水蓄熱槽を併設する必要がないので、省スペース化を図ることができる
（２）空調負荷に接続してリアルタイムで冷熱を消費するのではなく、躯体蓄熱に利用すれば実質的な蓄熱量（氷蓄熱＋躯体蓄熱）は大きくなり、昼間の空調電力量削減に大きく寄与できる
（３）躯体蓄熱負荷がなくても、冷却水で安定した凍結防止ができるので、躯体蓄熱を予備的な蓄熱として利用できることになる。

本発明による蓄熱槽装置の制御方法として、製氷運転時に躯体蓄熱を行なわない時は、冷凍機の冷却水回路を利用して、冷水を０℃を超える温度まで加熱し一定温度に制御する。
冷水を０℃を超える温度に一定に制御するのに、第１の加熱用熱交換器の２次側冷水量で先に制御し、設定温度に達しない時は、第２の加熱用熱交換器の２次側冷却水量で設定温度に制御することができる。
第１の加熱用熱交換器で先に０℃の冷水の加熱を行なうことで、優先的に躯体蓄熱へ冷熱を送ることができる。さらに０℃を超える一定温度まで達しない場合は、第２の加熱用熱交換器で冷却水回路を利用して冷水を加熱し、精度の高い温度制御を行なうことができる。

さらに好適には、上記の２台の熱交換器を一体型の熱交換器内に収納し、３回路型の熱交換器として１台にまとめることができる。
さらに好適には、躯体蓄熱に利用する第１の加熱用熱交換器の２次側冷水温度を制御するのに、冷水ポンプの回転数を制御して２次側冷水温度を制御することができる。

本発明による過冷却水ダイナミック式氷蓄熱槽装置は、その好適な態様として、次のようにして運転される。
（１）氷蓄熱運転時に、蓄熱槽から取水した冷水を０℃を超える温度に加熱する際に、その時得られる冷熱を建物構造体の躯体に蓄熱する
（２）躯体蓄熱を行なわない時は、冷凍機の冷却水を再冷し、冷凍機の運転効率を上げる
（３）０℃を超える任意の温度に一定に制御する手段として、２台の熱交換器のうち、先に躯体蓄熱用の熱交換器で２次側冷水を制御し、その後冷却水回路用の熱交換器で２次側冷却水を制御する
（４）躯体蓄熱用冷水ポンプの回転数を制御して、熱交換器の２次側冷水量を変化させ、２次側冷水の供給温度を制御する。

かくして、戻り管内での氷結を防止すると共にその冷熱を有効に活用する手段が提供され、氷蓄熱装置を含むシステム全体の高効率化を図ることができるなどの利点が得られる。さらに、２台の熱交換器を１台とすることで、設置スペースが少なくて済む。冷水ポンプの回転数を変えて温度制御することにより、ポンプ動力の省エネルギ化を図ると共に、高精度で負荷側冷水温度を制御できることになる。以下、添付図面の実施態様を参照しながら、本発明についてさらに説明する。

図１は本発明による過冷却水利用ダイナミック式氷蓄熱槽装置の全体を表す回路図であって、従来技術と同様に、過冷却水製造用熱交換器１０で作られた過冷却水が製氷機１２で製氷されて氷蓄熱槽１４へと供給される。氷蓄熱槽１４の底部付近から製氷放熱ポンプ（冷水ポンプ）１６で引き抜かれた冷水は、戻り管１８を通過し、氷核除去フィルタ２０を通過して過冷却水製造用熱交換器１０へと戻される。

過冷却水製造用熱交換器１０の他側にはブライン低温回路２６が配置されており、ブライン冷凍機２２からブラインポンプ２４により−３．３℃の低温液体が供給されている。ブライン冷凍機２２の他側は空調システム用の冷却塔４６へと接続されている。

戻り管１８の途中から分岐した冷水管２８は、放熱用の熱交換器３０を通過して氷蓄熱槽１４へと戻るが、この熱交換器３０は冷房負荷（空調機など）から冷水ポンプ３２によって運ばれてくる冷水と熱交換するために用いられる。

図２は図１における従来部分の一部を省略し本発明の特徴部分を拡大して示した図であり、戻り管１８の途中のバイパス回路５０として、第１の加熱用熱交換器５１と第２の加熱用熱交換器５２の各１次側回路が直列に挿入配置され、第１の熱交換器５１の２次側は建物の躯体蓄熱用冷却装置６０に通じる躯体蓄熱用回路３４に接続され、第２の熱交換器５２の２次側は空調システムの冷凍機２２に通じる冷却水再冷却回路３８に接続されている。バイパス回路５０の１次側は加熱ポンプ５８で冷水が送られる。躯体蓄熱用回路３４には冷水ポンプ３６が配置され、冷却水再冷却回路３８には冷水ポンプ４０，４２が配置されている。

建物の躯体蓄熱用冷却装置６０は、壁面に隣接するスラブ（床版）付近に設置した放熱器（熱交換器）で構成され、冷気を放出してスラブに冷熱を蓄えるようになっている。

ところで、このように外部負荷を利用して加熱を行なう場合、外部負荷は大きく変動するので、２つの熱交換器の回路における温度を調節し、例えば２次側冷水温度を一定に保ちながら製氷運転を行う必要がある。かかる目的のため、第１及び第２の熱交換器５１，５２のそれぞれの２次側回路に電動弁５３（ＭＶ１），５４（ＭＶ２）が配置され、各電動弁には戻り管１８の途中に配置された温度センサＴＥ１，ＴＥ２からの情報に基づいて電動弁を開閉あるいは切り換えるための制御信号が送られるようになっている。電動弁５３，５４にはそれぞれ蓄熱と再冷を解除させるためのバイパス回路５５，５６（図２）が設けられている。

さらに、本発明の他の特徴に基づき、躯体蓄熱用回路３４の途中にも温度センサＴＥ３が配置され、その情報に基づいて冷水ポンプ３６にその回転数を変化させるための制御信号（アナログ制御）が送られるようになっている。すなわち、ここでは冷水ポンプ３６の回転数を変えることにより第１の加熱用熱交換器５１の２次側冷水温度を一定に保つように制御しており、ポンプ動力の省エネルギ化を図ると共に、負荷側冷水温度を高精度に制御できるようなっている。

本発明では、第１と第２の加熱用熱交換器５１，５２を配置しているが、常に両方の熱交換器を作動させる必要はない。すなわち、冷水を０℃を超える温度に一定に制御するのに、第１の加熱用熱交換器５１の２次側冷水量で先に制御し、設定温度に達しない時は、第２の加熱用熱交換器５２の２次側冷却水量で設定温度に制御するようにする。

図１の実施態様では、さらに冷凍機の冷却水再冷却回路３８とブライン低温回路２６との間に、凍結解除用の熱交換器６４とブラインポンプ６６を含む凍結解除用回路６８が挿入配置されている。この回路６８は、ブライン冷凍機２２の動作によって配管が凍結した場合にその凍結を解除させるために用いられる。

さらに好適な実施態様として、２台の加熱用熱交換器５１，５２を一体型の熱交換器７０内に収納し、３回路型の熱交換器として１台にまとめることができる。これにより、スペースが節約され、配管・配線・メンテナンスなどが単純化されてコストを低減することができる。

さらに、図示した例では配管抵抗を増大させないように、加熱用熱交換器の回路をバイパス回路で構成しているが、第１と第２の熱交換器５１，５２はバイパス回路でなく戻り管の途中に直列で挿入できるように切り替え可能とすることもできる。

図３は、本発明による氷蓄熱槽装置を用いて戻り管の冷水を加熱する際の温度制御プロセスを流れ図にしたものである。
工程８１・・・製氷ポンプ１６・ブラインポンプ２４などを運転して製氷を開始する
工程８２・・・加熱ポンプ５８の運転を開始する
工程８３・・・温度センサＴＥ１での感知温度に応じて電動式制御弁５３でバイパス回路５５の開閉を判断する
工程８４・・・感知温度ＴＥ１が０．５℃以下なら電動式制御弁５３を切り換えてバイパス回路５５を閉鎖する。躯体蓄熱用回路３４に水が流れて躯体蓄熱が開始される
工程８５・・・感知温度ＴＥ１が０．５℃以上なら電動式制御弁５３を切り換えてバイパス回路５５を開放する。躯体蓄熱用回路３４の水が停止して躯体蓄熱が終了となる

工程８６・・・温度センサＴＥ２での感知温度に応じて電動式制御弁５４でバイパス回路５６の開閉を判断する
工程８７・・・感知温度ＴＥ２が０．５℃以下なら電動式制御弁５４を切り換えてバイパス回路５６を閉鎖する。冷却水再冷却回路３８に水が流れて冷却水の再冷が開始される
工程８８・・感知温度ＴＥ１が０．５℃以上なら電動式制御弁５４を切り換えてバイパス回路５６を開放する。冷却水再冷却回路３８の水が停止して冷却水の再冷が終了となる
工程８９・・・製氷ポンプ１６・ブラインポンプ２４などを停止させて製氷運転を終了させる
工程９０・・・加熱用ポンプ５８の運転を停止させる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、過冷却水から密閉系の配管内で氷を生成する際に、戻り管内での氷結を防止すると共にその冷熱を有効に活用する手段が提供され、氷蓄熱装置を含むシステム全体の高効率化を図ることができるなど、その技術的効果にはきわめて顕著なものがある。

本発明による氷蓄熱槽装置の全体を表す回路図。 本発明による氷蓄熱槽装置の特徴部分を拡大して表す回路図。 本発明による氷蓄熱槽装置の温度制御方法の一例を表す流れ図。

符号の説明

１０ 過冷却水製造用熱交換器
１４ 氷蓄熱槽
１６ 製氷ポンプ
１８ 戻り管
３４ 躯体蓄熱用回路
３６ 冷水ポンプ
３８ 冷却水再冷却回路
５０ バイパス回路
５１，５２ 加熱用熱交換器
５３，５４ 電動式制御弁
５５，５６ バイパス回路
５８ 加熱ポンプ
６０ 躯体蓄熱用冷却装置
７０ 一体型熱交換器

Claims (3)

1. 水を過冷却水にする過冷却水製造熱交換器と、
   過冷却水から製造した氷を蓄える氷蓄熱槽と、
   前記氷蓄熱槽の底部付近からの冷水を前記過冷却水製造熱交換器へと案内する戻り管と、
   該戻り管の途中に配置した水循環ポンプと、
   前記氷蓄熱槽からの冷水を循環させる空調その他の二次系回路とを備える氷蓄熱槽装置において、
   前記戻り管の途中にバイパス回路を設けてこのバイパス回路中に上流側から、冷水を吸入して加熱するための加熱ポンプと第１の熱交換器と第２の熱交換器とを直列に配置し、前記第１の熱交換器の２次側を夜間冷房負荷処理用空調システム系統に接続し、前記第２の熱交換器の２次側を空調システムの冷凍機へ通じる冷却水再冷却回路に接続し、前記夜間冷房負荷処理用空調システム系統として前記第１の熱交換器の２次側を建物の躯体蓄熱用冷却装置に接続し、
   さらに前記戻り管の途中に温度センサを用いた第１の温度計とそれより下流側に第２の温度計を設置し、
   前記第１の温度計による感知温度が０．５℃以下なら最初に前記第１の熱交換器による躯体蓄熱用冷却装置を作動させ、続いて前記第２の温度計による感知温度が０．５℃以下なら前記第２の熱交換器による冷却水の再冷却を開始し、これにより前記戻り管内の冷水温度を０℃を超える一定温度に制御することを特徴とする過冷却水ダイナミック式氷蓄熱槽装置。
2. 前記第１と第２の熱交換器はそれぞれ一体型の熱交換器の内部回路として形成されている請求項１記載の氷蓄熱槽装置。
3. 前記第１又は第２の熱交換器の２次側冷水温度を調節するのに冷水ポンプの回転数を制御して調節している請求項１記載の氷蓄熱槽装置。

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