JP4896623B2 - Air conditioning system - Google Patents
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本発明は、建物内の空調負荷から蓄熱槽に戻される熱源水の運動エネルギーを電力に変換して回収することが可能な空調システムに関する。 The present invention relates to an air conditioning system capable of converting and recovering kinetic energy of heat source water returned from an air conditioning load in a building to a heat storage tank.
従来より、ビル、工場など建物の空調システムとして、安価な深夜電力を利用して加熱もしくは冷却した熱源水を蓄熱槽に貯めておき、空調負荷が発生する昼間に、貯めておいた熱源水を空調負荷である空調機に循環供給して空調する蓄熱式の空調システムが採用されている。かような空調システムでは、ビル内で揚水された熱源水は、空調負荷に供された後、還水管を通ってビル下方の蓄熱槽まで戻される。この場合、特にビルの高層階まで揚水された熱源水が還水管内を高速で落下することを防止するために、蓄熱槽に近い位置で還水管に落水防止弁が設けられている。また、還水管内が負圧になることを回避するために、ビル屋上にサージタンクなどを設けている。 Conventionally, as an air conditioning system for buildings, factories, etc., heat source water heated or cooled using inexpensive late-night electricity is stored in a heat storage tank, and the stored heat source water is stored during the daytime when air conditioning loads occur. A regenerative air conditioning system that circulates and supplies air conditioning to an air conditioner that is an air conditioning load is employed. In such an air conditioning system, the heat source water pumped up in the building is supplied to the air conditioning load and then returned to the heat storage tank below the building through the return pipe. In this case, in order to prevent the heat source water pumped up to the high floor of the building from falling at high speed in the return water pipe, a water fall prevention valve is provided in the return water pipe at a position close to the heat storage tank. In order to avoid negative pressure in the return water pipe, a surge tank is provided on the roof of the building.
また、このような蓄熱式の空調システムにおいて、例えば特許文献1〜3に示されるように、空調負荷から蓄熱槽に戻される熱源水の運動エネルギーを、還水管に設けた水車によって電力に変換して回収することも知られている。即ち、特許文献1、2には、水車によって回収した電力を、揚水ポンプの駆動電力として活用する空調システムが開示されている。また、特許文献3には、還水管に設けた落水防止弁の上流から蓄熱槽へ分岐して熱源水を導く分岐管を設け、この分岐管の途中にエネルギー回収装置を取付けたシステムが開示されている。
In such a heat storage type air conditioning system, for example, as shown in Patent Documents 1 to 3, the kinetic energy of heat source water returned from the air conditioning load to the heat storage tank is converted into electric power by a water wheel provided in the return water pipe. It is also known to be recovered. That is,
しかしながら、熱源水を蓄熱槽に戻す還水管内における動圧は非常に高くなり、かつ落水防止弁等の弁構造体があるがゆえに、狭隘部などにおいて局所的な低圧部が生じ、熱源水温度に相応する蒸気圧以下でキャビテーションが生ずる。これらの相乗的な作用が原因となり、比較的高い頻度で激しい浸食を受け、落水防止弁など故障させる場合がある。 However, the dynamic pressure in the return water pipe that returns the heat source water to the heat storage tank is very high, and there is a valve structure such as a water fall prevention valve. Cavitation occurs below the vapor pressure corresponding to. Due to these synergistic effects, there is a case where severe erosion is caused at a relatively high frequency, and the water fall prevention valve is broken.
本発明の目的は、蓄熱槽に戻す熱源水を、還水管内においてキャビテーションを発生させることなく流すことができ、熱源水のもつポテンシャルエネルギーを効率よく電力に変換して回収可能な空調システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an air conditioning system that can flow heat source water returned to a heat storage tank without causing cavitation in the return water pipe, and efficiently convert potential energy of the heat source water into electric power and recover it. There is to do.
かかる課題を解決するために、本発明によれば、建物の下方に配置された蓄熱槽から、建物内の空調負荷に熱源水を循環供給する空調システムにおいて、前記空調負荷から前記蓄熱槽に熱源水を戻す還水管に、空調負荷から落下してくる熱源水の流れを水平方向に変換させる屈曲部と、熱源水を水平方向に流す水平部を設け、前記水平部に、熱源水の運動エネルギーを回収する水車と圧力調整弁を熱源水の流れに順に配置し、前記屈曲部の曲率半径を、前記還水管の配管径Dの1.5倍以上とし、前記水平部の始端部から前記水車までの距離を、前記還水管の配管径Dの6倍以上とし、前記水車に加わる熱源水の静水頭を検出する水頭検出器を備え、この検出された静水頭が制御目標値になるように前記圧力調節弁の開度が制御されることを特徴とする、空調システムが提供される。 In order to solve this problem, according to the present invention, in an air conditioning system that circulates heat source water from a heat storage tank disposed below a building to an air conditioning load in the building, the heat source is supplied from the air conditioning load to the heat storage tank. The return pipe for returning water is provided with a bent portion for converting the flow of the heat source water falling from the air conditioning load in the horizontal direction and a horizontal portion for flowing the heat source water in the horizontal direction, and the kinetic energy of the heat source water is provided in the horizontal portion. A water turbine and a pressure regulating valve are sequentially arranged in the flow of the heat source water, the radius of curvature of the bent portion is 1.5 times or more the pipe diameter D of the return water pipe, and the water wheel is started from the start end of the horizontal portion. And a water head detector that detects the hydrostatic head of the heat source water applied to the water turbine, and the detected hydrostatic head is set to a control target value. that opening of the pressure regulating valve is controlled The symptom, the air conditioning system is provided.
この空調システムにあっては、建物内の空調負荷から落下してくる熱源水の流れが、還水管の配管径Dの1.5倍以上の曲率半径を有する屈曲部で水平方向に変換させ、その後、水平部において配管径Dの6倍以上の距離を流れてから、熱源水が水車に供給される。 In this air conditioning system, the flow of the heat source water falling from the air conditioning load in the building is converted into a horizontal direction at a bent portion having a curvature radius of 1.5 times or more of the pipe diameter D of the return water pipe, Thereafter, the heat source water is supplied to the water turbine after flowing a distance of 6 times or more the pipe diameter D in the horizontal portion.
この空調システムにおいて、前記水車の上流に、配管径Dを縮径させるノズル部を設けても良い。また、前記水車として、設計計算によって選定される能力よりも定格能力の小さい水車を採用しても良い。また、前記水車を迂回して前記蓄熱槽に熱源水を戻すバイパス管を設け、このバイパス管に流量調整弁を設けても良い。また、前記水車の上流側と下流側との差圧もしくは前記水車の回転数に基づいて前記流量調整弁を制御する制御装置を設けても良い。 In this air conditioning system, a nozzle portion for reducing the pipe diameter D may be provided upstream of the water wheel. Further, as the water wheel, a water wheel having a smaller rated capacity than the capacity selected by design calculation may be adopted. Further, a bypass pipe that bypasses the water wheel and returns the heat source water to the heat storage tank may be provided, and a flow rate adjusting valve may be provided in the bypass pipe. Moreover, you may provide the control apparatus which controls the said flow regulating valve based on the differential pressure | voltage of the upstream and downstream of the said water turbine, or the rotation speed of the said water turbine.
本発明によれば、還水管中でのキャビテーションの発生を防止し、水車に対して渦流れを発生させることなく熱源水を供給することができ、熱源水のもつポテンシャルエネルギーを効率よく回収できるようになる。なお、水車の上流に、配管径Dを縮径させるノズル部やポンプを設けることにより、熱源水の速度を増大させて水車に供給できるようになる。また、水車を迂回して蓄熱槽に還水管を戻すバイパス管を設けて、このバイパス管に流量調整弁を設ければ、流量調整弁を適宜制御することによって、水車のメンテナンス性等を向上させることができるようになる。 According to the present invention, it is possible to prevent the occurrence of cavitation in the return water pipe, supply the heat source water without generating vortex flow to the water turbine, and efficiently recover the potential energy of the heat source water. become. In addition, by providing a nozzle part and a pump for reducing the pipe diameter D upstream of the water wheel, the speed of the heat source water can be increased and supplied to the water wheel. Also, if a bypass pipe is provided that bypasses the water turbine and returns the return water pipe to the heat storage tank, and the flow adjustment valve is provided in the bypass pipe, the maintenance performance of the water turbine is improved by appropriately controlling the flow adjustment valve. Will be able to.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照にして説明する。図1は、本発明の実施の形態にかかる空調システムの全体図である。図2は、空調システムの要部の拡大図である。図3は、ノズル部21の説明図である。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall view of an air conditioning system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the air conditioning system. FIG. 3 is an explanatory diagram of the
図1に示すように、蓄熱槽1が、ビルなどの図示しない建物の下方に設けられている。この蓄熱槽1には、図示しないヒートポンプなどの熱源装置により安価な深夜電力を利用して加熱もしくは冷却された熱源水aが貯められている。 As shown in FIG. 1, a heat storage tank 1 is provided below a building (not shown) such as a building. The heat storage tank 1 stores heat source water a that is heated or cooled by using inexpensive late-night power by a heat source device such as a heat pump (not shown).
この蓄熱槽1から、建物内に設けられた空調負荷である空調機2に熱源水aを供給する往水管3には、蓄熱槽1から熱源水aを汲み上げて空調機2まで送水する揚水ポンプ5と、往水管3内における熱源水aの逆流を防ぐ逆止弁6が設けられている。なお、実際には、空調機2は、建物内において、各階ごとに配置され、また、方位や空調付加に応じて、それぞれの階に適宜複数台ずつ設けられている。そして、それら複数の空調機2から出た熱源水aが合流し、主管としての還水管10を通じて蓄熱槽1に戻されるようになっている。
From the heat storage tank 1, a pumping pump that pumps the heat source water a from the heat storage tank 1 to the
また、空調機2から蓄熱槽1に熱源水aを戻す還水管10には、還水管10内を流れる熱源水aの運動エネルギーを回収する水車11が設けられている。なお、図示はしないが、還水管10内が負圧になることを回避するためのサージタンクを建物屋上などに備えている。
The
後述するノズル部21を除き、還水管10はいずれも配管径Dの円管で構成されている。また、還水管10には、水車11を迂回して熱源水aを流すことができるバイパス管12が接続してある。バイパス管12には、流量調整弁13が設けられている。この流量調整弁13は、いわゆるノーマルクローズの弁であり、後述するように、通常は閉じているが、制御装置からの指令によって、適宜開かれて開度が調整されるようになっている。
All of the
図2に示すように、還水管10の下流部分には、空調負荷2から落下してきた熱源水aの流れを水平方向に変換させる屈曲部10aと、熱源水aを水平方向に流す水平部10bと、熱源水aを蓄熱槽1に流下させる流下部10cが形成されている。バイパス管12の上流端12aは、水平部10bの始端部(屈曲部10aと水平部10bの接続位置)よりも下流側に分岐接続されている。バイパス管12の下流端は、流下部10cに合流接続されている。
As shown in FIG. 2, a
屈曲部10aは、配管径Dの1.5倍以上の曲率半径ρを有しており、空調機2から還水管10内を流下してきた熱源水aは、この屈曲部10a内を流れる間に徐々に流れ方向を水平方向に変換させられるようになっている。なお、屈曲部10aの曲率半径ρは、屈曲部10aの中心線を基準に定められる。この屈曲部10aには、例えば配管部品の一種であるエルボ(Elbow)、ベンド(Bend)が用いられる。これらエルボ、ベンドは、その曲がり角度によって45°、90°、180°に分類されるが、空調機2から垂直に流下してきた熱源水aの流れ方向を水平方向に変換させる場合であれば、曲がり角度が90°のエルボ、ベンドを用いればよい。また、エルボ、ベンドには、曲率半径ρの大小により,それぞれショートエルボ、ロングエルボ、ショートベンド、ロングベンドがある。それらの曲率半径ρは、ショートエルボでは配管径Dの約1倍、ロングエルボでは配管径Dの約1.5倍、ショートベンドでは配管径Dの約4倍、ロングベンドでは配管径Dの約5倍である。従って,本発明では,屈曲部10aには、ロングエルボ、ショートベンド、ロングベンドのいずれかを使用すればよい。
The
水平部10bの始端部から水車11までの距離Lは、配管径Dの6倍以上に設定されている。なお、配管径Dは、還水管10の内径で定義される。ただし、肉厚を考慮しなければ、還水管10の外径で近似しても良い。
The distance L from the starting end of the
また、還水管10の水平部10bには、バイパス管12の上流端12aの分岐取出位置よりも下流側において、熱源水aの流れ方向の順に、開閉弁20、ノズル部21、水車11、圧力調整弁22および開閉弁23が設けられている。開閉弁20および開閉弁23は、通常は開いており、例えば水車11の点検や修理などの場合に、これら開閉弁20および開閉弁23が閉じられる。
Further, the
図3、4に示すように、ノズル部21は、入り口側の直径は配管径Dであるが、出口側は配管径Dよりも小さい直径dとなっている。このため、ノズル部21では、入り口側から出口側に流れる間に、熱源水aの流速が次第に高められるようになっている。なお、ノズル部21の内部は、図3に示すように、内径の中心高さを水平にして縮径する形状でも良いし、図4に示すように、底部の高さを水平にし、内径の中心高さを下流に向かって下降するような形状でも良い。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
水車11には、熱源水aの流れによって回転させられるインペラが内蔵され、熱源水aの運動エネルギーが、水車11によって回収されるようになっている。なお、水車11の接続は、内蔵されているインペラに対して熱源水aの流れが法線方向になるようにしてトルクを確保する。そして、水車11によって回収された運動エネルギーにより、発電機25で交流電力を発生させる。発電機25には、発生した交流電力の周波数を任意に変換可能な周波数変換装置26が接続してあり、この周波数変換装置26によって適当な周波数にインバータ変換させられた交流電力が、配電盤27を経由して、建物内に設けられた各種機器に供給されるようになっている。
The
なお、発電機25には、誘電発電機ではなく、同期交流発電機が用いられる。誘電発電機は、励磁コイルの電流制御ができず、発電した電力の行き場がなくなく焼損するために系統連係が必須である。系統連係すると、各種機器に供給する電力について電圧と周波数を保障するよう、電力会社から要求される。これに対して、同期交流発電機であれば、励磁コイルに流す電流を調節して電圧を一定に制御でき、系統連係が不要となる。この場合、電力を供給する機器として照明設備や空調機器(空調・換気用のモータ動力等)などに対象を限定することで、系統連係を不要とし、過剰な設備投資が防げることになる。
The
圧力調整弁22は、いわゆるノーマルオープンの弁であり、後述するように、通常は開放された状態になっているが、制御装置からの指令によって、圧力調整弁22は適宜開度が調整されるようになっている。
The
以上のように構成された本発明の実施の形態にかかる空調システムにおいて、空調運転を行う場合、揚水ポンプ5の稼動により、蓄熱槽1に貯められた熱源水aを汲み上げて空調機2に送水し、適宜冷房もしくは暖房を行う。こうして、建物内の空調負荷によって熱を消費した熱源水aは、空調機2から還水管10内を落下して、建物下方の蓄熱槽1に戻され、その際、還水管10内を流れる熱源水aの運動エネルギーが水車11で回収される。ここで水車11の上流で管内が満水状態であると、発電効率を確保するのに好ましい。こうして、回収した運動エネルギーによって発電機25で交流電力を発生させ、周波数変換装置26で適当な周波数に変換させられた交流電力が、配電盤27を経由して建物内の各種機器に供給される。
In the air conditioning system according to the embodiment of the present invention configured as described above, when the air conditioning operation is performed, the heat source water a stored in the heat storage tank 1 is pumped up and supplied to the
この場合、還水管10に設けられている屈曲部10aが配管径Dの1.5倍以上の曲率半径ρを有し、かつ、水平部10bの始端部から水車11までの距離Lが配管径Dの6倍以上に設定されているので、還水管10内において空調機2から落下してくる熱源水aの流れを緩やかに水平流れに方向変換して、キャビテーションや渦流れを発生させることなく水車11に流すことができ、熱源水aのもつポテンシャルエネルギーを効率よく電力として回収できるようになる。また、還水管10に設けられた各弁20,22,23等の破損も防止できる。加えて、水平部10bでは、垂直配管よりも静圧を高めることができ、空気混入のリスクを低減し、常時満水状態でエネルギー回収できるようになる。
In this case, the
また、水車11の上流に、配管径Dを直径dまで縮径させるノズル部21を設けていることにより、ノズル部21において熱源水aの速度を増大させて水車11に供給でき、水車11の回転数不足を回避できる。この場合、水車11の上流側では常に満水状態を維持することができるようになる。
Further, by providing the
次に、この空調システムの制御装置は次のように構成される。先ず、水車11に加わる熱源水aの静水頭Hが水頭検出器30で検出されている。そして、この検出された静水頭Hが制御目標値になるように圧力調節弁22の開度を比例積分動作で制御している。この場合、圧力調節弁22は、最大静水頭以下を制御目標値に設定して開度を閉塞側に調節する。これにより、水車11と圧力調節弁22は落水防止弁の機能を兼ね、しかも還水管10内を常時満水にしてキャビテーションの発生を防止している。なお、水車11と圧力調節弁22が従前の落水防止弁の機能を兼ねるために、落水防止弁を省略できる。なお、圧力調節弁22は、無制御信号電流ないし無通電時に開放するノーマルオープン型を用いているので、異常時でも空調システムの機能停止を防止することができる。
Next, the control device of the air conditioning system is configured as follows. First, the hydrostatic head H of the heat source water a applied to the
また、還水管10の水平部10bにおいて、これら水車11と圧力調節弁22の前後にかかる熱源水aの差圧が差圧検出器31で検出されている。そして、この検出された差圧ΔPに基づいて、流量調整弁13が制御される。
Further, in the
即ち、差圧ΔPが許容範囲内にある場合は、ノーマルクローズの流量調整弁13は、そのまま閉じられた状態を維持する。このため、熱源水aは、バイパス管12には流れない。
That is, when the differential pressure ΔP is within the allowable range, the normally closed flow
一方、差圧ΔPが許容範囲を超えた場合は、流量調整弁13の開度が比例制御によって開かれる。これにより、還水管10内を流れる熱源水aの一部がバイパス管12に流れて、水平部10bに流れる熱源水aが減り、水車11と圧力調節弁22に過度の水圧がかかることを防止することができる。これにより、キャビテーションや渦流れの発生を回避できる。この場合、差圧ΔPが許容範囲を超えたことを検出して表示ランプの点灯等を行っても良い。
On the other hand, when the differential pressure ΔP exceeds the allowable range, the opening degree of the
また、水車11の回転数が、例えば発電機25(同期交流発電機)の極数で決まる回転数の1.5倍以上になった場合に、発電機25が内蔵している周波数検出用の発電機出力を制御信号として、流量調整弁13の開度を比例制御しても良い。この場合も同様に、還水管10内を流れる熱源水aの一部がバイパス管12に流れて、水平部10bに流れる熱源水aが減り、水車11の回転数異常を回避できる。
Further, when the rotational speed of the
また、水車11や圧力調節弁22の点検、修理などの必要が生じた場合、流量調整弁13を開放し、水平部10bに設けた開閉弁20および開閉弁23を閉じる。これにより、空調システムの運転を止めることなく水車11や圧力調節弁22の点検、修理などが可能となり、メンテナンス性等を向上させることができる。
Moreover, when the necessity of inspection, repair, etc. of the
以上、本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば、水車11の直前にノズル部21を設けた例を示したが、水車11の回転数不足が発生しないのであれば、ノズル部21を省略しても良い。なお、ノズル部21を設ける場合、入り口側の直径(配管径D)に対する出口側の直径dの比d/Dは0.4以下とすることが好ましい。
As mentioned above, although an example of preferable embodiment of this invention was demonstrated, this invention is not limited to the form of illustration. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or modifications can be made within the scope of the ideas described in the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. It is understood that it belongs. For example, although the example which provided the
また、ノズル部21を設ける代わりに、水車11の回転数をより高速にするために、水車11として標準よりも小型の水車を採用することで、コスト的な不利益を回避できる。なお、水車11として採用される標準よりも小型の水車とは、設計計算によって選定される能力よりも定格能力の小さい水車である。この水車としては、例えば汎用のポンプで番手を1番下げたものを利用できる。かかるポンプはトルクは小さいが、インペラが小さいため回転速度を上げることができる。このポンプの上流側では、ポンプの吸い込み開口に合わせてノズル部21等の手段によって配管が縮径されると熱源水aの流れがスムーズになるが、必ずしもポンプ吸い込み側にノズル部21等の手段を設ける必要はない。また、屈曲部10aは、1個の90°エルボでも良いが、2個の45°エルボを用いて構成しても良い。
Moreover, in order to make the rotation speed of the
本発明は、蓄熱槽を有する空調システムに適用できる。 The present invention can be applied to an air conditioning system having a heat storage tank.
a 熱源水
1 蓄熱槽
2 空調機
3 往水管
5 揚水ポンプ
10 還水管
10a 屈曲部
10b 水平部
10c 流下部
11 水車
12 バイパス管
13 流量調整弁(ノーマルクローズ)
22 圧力調整弁
25 発電機
30 水頭検出器
31 差圧検出器
a Heat source water 1
22
Claims (5)
前記空調負荷から前記蓄熱槽に熱源水を戻す還水管に、空調負荷から落下してくる熱源水の流れを水平方向に変換させる屈曲部と、熱源水を水平方向に流す水平部を設け、
前記水平部に、熱源水の運動エネルギーを回収する水車と圧力調整弁を熱源水の流れに順に配置し、
前記屈曲部の曲率半径を、前記還水管の配管径Dの1.5倍以上とし、
前記水平部の始端部から前記水車までの距離を、前記還水管の配管径Dの6倍以上とし、
前記水車に加わる熱源水の静水頭を検出する水頭検出器を備え、この検出された静水頭が制御目標値になるように前記圧力調節弁の開度が制御されることを特徴とする、空調システム。 In the air conditioning system that circulates heat source water from the heat storage tank located below the building to the air conditioning load in the building,
A return pipe that returns the heat source water from the air conditioning load to the heat storage tank is provided with a bent portion that horizontally converts the flow of the heat source water falling from the air conditioning load, and a horizontal portion that causes the heat source water to flow in the horizontal direction,
In the horizontal portion, a water wheel for collecting the kinetic energy of the heat source water and a pressure regulating valve are sequentially arranged in the flow of the heat source water,
The radius of curvature of the bent portion is 1.5 times or more the piping diameter D of the return water pipe,
The distance from the start end of the horizontal portion to the water wheel is at least 6 times the pipe diameter D of the return water pipe ,
An air conditioner comprising a water head detector for detecting a hydrostatic head of heat source water applied to the water turbine, and the opening of the pressure control valve is controlled so that the detected hydrostatic head becomes a control target value. system.
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JP2008064321A (en) | 2008-03-21 |
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