JP4964439B2 - 冷却コイルによる蓄熱量増強システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、混合型蓄熱槽の蓄熱温度低温化及び潜熱蓄熱による冷却コイルによる蓄熱量増強システムに関する。

近年、電力負荷平準化を目的として夜間電力のエネルギを有効利用する空調設備などの蓄熱システムが知られている。
空調は一般に１０℃程度（７℃〜１２℃）の冷水により冷却されるので、ランニングコストの面から水蓄熱システムでは５℃程度の冷水として冷凍機により冷却されて多槽の冷水蓄熱槽に貯留されている。

この種の蓄熱システムとして以下の提案がある。
特開平６−４２７８２号公報に示す例では、熱負荷の冷房負荷が低い時に、所定蓄熱量のうち一定量以下の部分を水槽へ蓄熱すると共に一定量を超える部分を氷槽へ蓄熱し、高負荷時に先ず水槽の水を二次ポンプにより送り管に送り、優先的に水槽の冷熱を熱負荷に供給し、氷槽の冷熱は開閉弁付連通管装置を通じた自然対流により補助的に供給され、水槽の冷熱を使い切った場合には戻り管に設けた三方弁により熱負荷１からの戻り水を水槽及び氷槽に適宜配分し、一部戻り水を強制的に氷槽内を循環させて水槽へ送り込み、氷槽の冷熱を水槽を介して熱負荷に供給し、低冷房負荷時又は暖房時には連通管装置を閉鎖して氷槽を切り離し、水槽のみから熱負荷１へ熱供給している（特許文献１）。

また特開２００５−１５６０５０号公報に示す例では、氷蓄熱槽の水を高温槽に送水するための循環ポンプ及び循環パイプを氷蓄熱槽と高温槽との間に設け、循環ポンプを運転させて、氷蓄熱槽の保有する１５℃の水を循環パイプを通じて高温槽へ送水し、低温槽の保有する５℃の水を氷蓄熱槽に流入させ、氷蓄熱槽の保有する水を５℃の水に変換し、氷蓄熱槽の保有する水が５℃の水に変換された時点で、循環ポンプを停止させ、ブライン冷凍機とブライン循環ポンプとを運転させて氷蓄熱槽において氷を生成するようになっている（特許文献２）。

特開平６−４２７８２号公報 特開２００５−１５６０５０号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２に示すような従来の蓄熱システムでは、氷槽（氷蓄熱槽）と水槽（低温槽）とが独立し、別々に運転されているため、運転に融通性を欠き、連通管の開閉手段等駆動部が多く、保守が煩雑である。
さらに夜間電力を有効利用する関係上、蓄熱システム自体が極めて大がかりなものであるため、リニューアル性の改善を図り、新たに蓄熱量を増強するには改善の余地がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、リニューアルに最適で蓄熱量を増強可能な冷却コイルによる蓄熱量増強システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の冷却コイルによる蓄熱量増強システムの運転方法のうち請求項１記載の発明は、放熱器からの熱媒を貯留する蓄熱高温槽と、前記蓄熱高温槽の熱媒の温度よりも低い第１の蓄熱温度で熱媒を貯留する蓄熱低温槽と、前記蓄熱低温槽の熱媒を前記放熱器に供給するために前記蓄熱低温槽に設けられた冷水循環路と、前記蓄熱高温槽の熱媒を前記蓄熱低温槽に送出するための循環路上に設けられ、熱媒を第１の蓄熱温度に冷却するための冷凍機と、前記蓄熱低温槽に貯留する熱媒に浸漬された冷却コイルにより、熱媒を第１の蓄熱温度よりも低い第２の蓄熱温度に冷却するための冷却システムとを備え、前記蓄熱低温槽と前記蓄熱高温槽とは、前記循環路とは別に連通口を介して接続された蓄熱量増強システムにおいて、前記蓄熱低温槽及び前記蓄熱高温槽の熱媒の温度が前記第２の蓄熱温度になるまで蓄熱することを特徴とする。

このような本発明の冷却コイルによる蓄熱量増強システムでは、例えば熱媒として水を使用すると、２℃以下の冷水で蓄熱可能であるので、蓄熱量を増強することができるという効果を有する。
また本発明では冷却システムを設置するだけで蓄熱量を増強することができるので、例えば、既設の蓄熱器を改良する場合や建物内未使用の地下ピットを蓄熱槽に改良する場合に好適に適用することができる。
したがって、本発明は、リニューアル性に優れているという効果を有する。

本発明の冷却コイルによる蓄熱量増強システムは、放熱器から還って来た熱媒を貯留する蓄熱高温槽２ｃと、熱媒に冷熱を与え、第１の蓄熱温度に冷却する冷凍機４と、少なくとも第１の蓄熱温度に冷却された熱媒を貯留する蓄熱低温槽２ａと、蓄熱低温槽２ａに貯留する熱媒に冷熱を与え、第２の蓄熱温度に冷却する冷却システム２０とを備え、蓄熱低温槽２ａと蓄熱高温槽２ｃとが循環可能に連通しており、蓄熱低温槽２ａ及び蓄熱高温槽２ｃの熱媒の温度が第２の蓄熱温度になるまで蓄熱する構成を有している（符号は図１を参照）。

熱媒は具体的には空調機などの冷却水（例えば１０℃の冷水）であり、この１０℃の冷水を本発明では冷却して第１の蓄熱温度、例えば５℃の冷水にし、さらに第２の蓄熱温度、例えば２℃にまで冷却する。
したがって、第１の蓄熱温度は例えば略５℃であり、第２の蓄熱温度は例えば略２℃であり、このような温度にした冷水を貯留することにより冷熱を蓄熱する。

以下、図１に基づき、本発明による冷却コイルによる蓄熱量増強システムの好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る冷却コイルによる蓄熱量増強システムを示す概略構成図である。
図１を参照して、実施形態に係る冷却コイルによる蓄熱量増強システム１０は、多槽の混合型冷水蓄熱槽２と、放熱器からの還り温度１０℃の水を受け入れる蓄熱高温槽２ｃと、この蓄熱高温槽２ｃ内の水に冷熱を与え５℃の水に冷却する第１の冷凍機４と、この５℃の水、つまり冷熱を蓄熱する蓄熱低温槽２ａと、この蓄熱低温槽２ａ内の５℃の水に冷熱を与え２℃の水にする冷却システム２０とを備えている。
もっとも蓄熱低温槽２ａと蓄熱高温槽２ｃとは連通しており、１０℃の水を受け入れ、５℃の水を蓄熱した後、隣接する蓄熱槽に水が流出して蓄熱槽内の水温がやがて均一化する。
５℃の水や２℃の水は厳密にこのような温度である必要はなく、ある程度の幅を持った略５℃、略２℃であればよい。

この冷却システム２０は多槽の混合型冷水蓄熱槽２の低温槽側に設置されている。
また混合型冷水蓄熱槽２の各槽には温度センサ（図示せず）が設けられており、この温度センサの温度に基づいて各冷凍機及び冷水ポンプが制御可能になっている。
なお、混合型冷水蓄熱槽２には、図示していないが、通気管、通気口、マンホール、吸水管、オーバフロー、排水ピット、水位計などが設けられている。

熱負荷としての放熱器（図示せず）と多槽の混合型冷水蓄熱槽２とは、第１の冷水ポンプ３により第１の冷水循環路５を形成しており、冷水蓄熱槽２に貯留されていた冷水が例えば昼間に冷房などの熱負荷の冷却に供されるようになっている。
さらに蓄熱低温槽２ａ、冷水蓄熱槽２ｂ、…、蓄熱高温槽２ｃの多槽の混合型冷水蓄熱槽２と第１の冷凍機４とは、第２の冷水ポンプ６により第２の冷水循環路８を形成している。

この第２の冷水循環路８は、蓄熱時に、冷水蓄熱槽２の高温部である蓄熱高温槽２ｃから低温部である蓄熱低温槽２ａに送水し、蓄熱低温槽２ａから蓄熱高温槽２ｃへの強制流れを形成する。
したがって、貯留されていた冷水を熱負荷へ送水する際、つまり放熱運転時の冷水の流れとは逆になっている。

さらに、第２の冷水循環路８は、第１の冷凍機４を作動させず又は冷凍機自体を省略し、第２の冷水ポンプ６のみを作動させることにより、混合型冷水蓄熱槽２の冷水を強制的に循環させるバイパス循環路としても使用可能になっている。
このようなバイパス循環路は別途設けるようにしても良い。
なお、図１中の白矢印は冷水の循環方向を示す。

したがって、本実施形態では、冷水蓄熱槽（蓄熱低温槽）２ａの下部の連通口１２から隣の冷水蓄熱槽２ｂへ水が流れると、冷水蓄熱槽２ｂの上部の連通口１４から隣の冷水蓄熱槽へ水が流れ、最終的に前段の冷水蓄熱槽と冷水蓄熱槽（高温槽）２ｃとを区画する連通口１６から水が流入し、冷水つまり熱媒が循環可能になっている。

冷却システム２０は、蓄熱低温槽２ａに浸漬された冷却コイル２２と、ブラインポンプ２４と、ブライン冷凍機２６とを備え、ブラインポンプ２４によりブラインの循環路２８が形成されている。
この冷却システム２０では、５℃の水に冷熱を与え２℃に冷却して隣接する冷水蓄熱槽２ｂに送出するが、冷却コイル２２の廻りに氷が形成される程度に冷却可能である。
この冷却コイル２２は、第２の冷水循環路８の吐出口の下流側にあって吐出口と同一の蓄熱低温槽２ａに設置されている。
なお、図１の冷却システム２０中の黒矢印はブラインの循環方向を示す。

ブライン循環路２８には三方弁３２と弁３４とが設けられて第２のブライン循環路３３が形成されており、これらの弁の切換により冷却システム２０は、他系統の空調機などの熱交換器３６に使用可能になっている。
したがって、夜間電力を有効に利用するために冷却システム２０を使用した後、第２のブライン循環路３３に切り換えることにより、昼間は冷却システム２０を他系統の冷房機や冷蔵庫等に使用することができる。

さらに蓄熱低温槽２ａで冷却コイル２２の周囲に製氷し、その後の冷熱をブラインの循環により他系統に供給することができる。具体的には三方弁３２の熱交換器３６側を開き、ブラインポンプ２４側を閉じ、弁３４を開ければよい。

なお、本実施形態では安定で廉価なことから熱媒として水を使用したが、これに限らず、例えばブラインが使用可能である。
また本実施形態では多槽の混合型冷水蓄熱槽２について説明したが、多槽でなくてもよく、単槽であってもよい。
なお、単層の蓄熱槽は小槽で区画されていないため、単層の場合、放熱器などの熱負荷からの還水が戻される部位を蓄熱高温槽、冷却コイル２２の浸漬される部位を蓄熱低温槽と称する。
また本実施形態では、完全混合型冷水蓄熱槽を例として説明したが、連結温度成層等の蓄熱槽にも適用可能である。

次に本実施形態の作用について説明する。
一般に空調に必要とされる冷水は７℃〜１２℃であるので、便宜上１０℃の水が多槽の混合型冷水蓄熱槽２全体に貯留されている場合を説明する。

廉価な夜間電力により本実施形態に係る冷却コイルによる蓄熱量増強システム１０を稼動するが、先ず第２の冷水ポンプ６により第１の冷凍機４へ混合型冷水蓄熱槽２の水（熱媒）を循環させて、１０℃の水に冷熱を与えて５℃の水として蓄熱低温槽２ａに貯留していく。
このとき第１の冷凍機４により、水の温度は、１０℃から５℃になっていき、混合型冷水蓄熱槽２の水が冷熱を蓄熱していく。

そして、蓄熱高温槽２ｃの水温が５℃になったとき、冷却システム２０の稼動に切り換えて、ブラインポンプ２４によりブライン冷凍機２６へ、ブライン循環路２８を通じてブラインが循環する。
このとき冷却コイル２２が、第２の冷水循環路８によって流動かつ循環する冷水の途中に存在することにより、冷水蓄熱槽（蓄熱低温槽）２ａから送り出される水の温度は、５℃から２℃になっていき、混合型冷水蓄熱槽２の水が２℃の冷熱を蓄熱していく。

なお、蓄熱高温槽２ｃの水温が５℃になったとき、冷却システム２０の稼動に切り換えたが、所定温度、例えば７℃になったときに、冷却システム２０を併用して稼動してもよい。
また第１の冷凍機４の稼動とともに冷却システム２０を稼動するようにしてもよい。

このように本実施形態では、第１の冷凍機４で５℃に冷却するシステムと、冷却システム２０で２℃に冷却するシステムとを同時に併用して使用可能になっている。

さらに蓄熱高温槽２ｃの水温が５℃になって第１の冷凍機４をオフにするとき、第２の冷水循環路８を混合型冷水蓄熱槽２の冷水を強制的に循環させるバイパス循環路として使用するのが好ましい。
また別途バイパス循環路が別途設けられている場合には、そのバイパス循環路を機能させ、混合型冷水蓄熱槽２の冷水を循環させるのが好ましい。

最後に、蓄熱高温槽２ｃの水温が２℃になったとき、冷却システム２０をオフにして、蓄熱が完了する。

このように本実施形態に係る冷却コイルによる蓄熱量増強システム１０では、従来の蓄熱温度よりも更に低温化が可能であり、蓄熱量の増強を図ることができる。

また、本実施形態に係る冷却コイルによる蓄熱量増強システム１０の蓄熱量を更に増やす場合、冷却システム２０を製氷運転、即ち、冷却コイル２２廻りに氷が着くようにすればよい。
このようにすれば冷水は２℃以下となり、冷却コイル廻りの氷による潜熱蓄熱が可能になる。

さらに昼間、ビルディングなどの空調設備が稼動している場合、第２のブライン循環路３３を使用することにより、本実施形態に係る冷却システム２０を他系統の冷房や物品の冷却に使用することができ、冷却システム２０の有効利用ができる。
建物が２４時間運転されている場合には製氷後のブラインを同様に利用することができる。

本実施形態に係る冷却コイルによる蓄熱量増強システムは、第１の冷凍機４を備えているが、水（熱媒）に冷熱を与えるものとして、冷却システム２０とバイパス循環路、例えば第１の冷凍機４なしの第２の冷水循環路８（ポンプとバイパス配管）の組み合わせを備えるものであってもよい。
したがって、既存の蓄熱設備に冷却システム２０を備えるだけで蓄熱量増強システムを構築可能であり、リニューアルに最適である。

具体的には、熱負荷としての放熱器と冷水蓄熱槽との間を循環する第１の冷水循環路、及び第１の冷凍機４を備えた第２の冷水循環路８は、その流れ方向を含め一般的な蓄熱槽としての構成である。
この一般的な構成に本実施形態に係る冷却システム２０の冷却コイル２２を、第２の冷水循環路８の吐出口のある蓄熱低温槽２ａにて、吐出口の下流に設けることで蓄熱槽２内に均一に増強された冷熱を蓄えることができる。

さらにブライン冷凍機２６が他系統の負荷の冷却のために既に設置されていれば、三方弁３２の新設と、蓄熱槽内への冷却コイル２０の設置と、既設管と、それらに連通する新設配管の接続だけで設備能力を格段に増強することができる。
なお、発明者の試算では後述の省エネルギー効果により新設備費を３．６年で回収することができる。

なお、本実施形態の蓄熱運転は夜間に限られるものではなく、蓄熱量がなくなった場合など適宜運転可能である。

５℃の蓄熱を２℃の蓄熱とする本実施形態では、例えば、混合型冷水蓄熱槽２の体積を１７００ｍ³、第１の冷凍機４の冷凍能力を６００Ｒｔ（冷凍トン）、ブライン冷凍機２６の冷凍能力を３６０Ｒｔとすれば、夜間電力を使った蓄熱により年間電力コストの低減は従来と比べ約５６００千円／年と試算できる。

以上のように、本発明に係る冷却コイルによる蓄熱量増強システムは、蓄熱媒体が水のみであるため、省エネルギー及び安全性に優れた蓄熱量増強システムとして極めて有用である。

本発明の実施形態に係る冷却コイルによる蓄熱量増強システムを示す概略構成図である。

符号の説明

２ 混合型冷水蓄熱槽
２ａ 蓄熱低温槽
２ｂ 冷水蓄熱槽
２ｃ 蓄熱高温槽
３ 第１の冷水ポンプ
４ 第１の冷凍機
５ 第１の冷水循環路
６ 第２の冷水ポンプ
８ 第２の冷水循環路
１０ 冷却コイルによる蓄熱量増強システム
１２、１４、１６ 連通口
２０ 冷却システム
２２ 冷却コイル
２４ ブラインポンプ
２６ ブライン冷凍機
２８ ブライン循環路
３２ 三方弁
３３ 第２のブライン循環路
３４ 弁
３６ 熱交換器

Claims (1)

1. 放熱器からの熱媒を貯留する蓄熱高温槽と、
   前記蓄熱高温槽の熱媒の温度よりも低い第１の蓄熱温度で熱媒を貯留する蓄熱低温槽と、
   前記蓄熱低温槽の熱媒を前記放熱器に供給するために前記蓄熱低温槽に設けられた冷水循環路と、
   前記蓄熱高温槽の熱媒を前記蓄熱低温槽に送出するための循環路上に設けられ、熱媒を第１の蓄熱温度に冷却するための冷凍機と、
   前記蓄熱低温槽に貯留する熱媒に浸漬された冷却コイルにより、熱媒を第１の蓄熱温度よりも低い第２の蓄熱温度に冷却するための冷却システムとを備え、
   前記蓄熱低温槽と前記蓄熱高温槽とは、前記循環路とは別に連通口を介して接続された蓄熱量増強システムにおいて、
   前記蓄熱低温槽及び前記蓄熱高温槽の熱媒の温度が前記第２の蓄熱温度になるまで蓄熱することを特徴とする蓄熱量増強システムの運転方法。

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