JP4996350B2 - 氷蓄熱システム - Google Patents

Description

本発明は、製氷して冷熱を蓄積し、空調に使用する氷蓄熱システムに関する。

事務所ビルのエネルギー消費は約１／４が熱源として使用されており，また近年の高気密・高断熱化の効果により，熱源需要の大半が年間を通じ冷房需要である。その冷房需要に対応するため空調機器を設置するが，環境性の観点から，１）設備容量が小さくて済む，２）空調機器の高効率な領域での一定運転が可能，３）夜間の外気を利用して蓄熱することができるという理由により，蓄熱システムが採用されることが多い。また，経済性から見ても，電力負荷は昼夜で大きな差があるため、平準化を図るために、夜間の電気料金は安く設定される場合が多い。割引率は電力供給事業者によっても相異するが、例えば、昼間の１／３〜１／４の料金で同量の電力を利用できる。従って、電気料金が安価な深夜の電力を利用して蓄熱材に熱を蓄え、昼間に屋内空気と熱交換することにより空調を行う蓄熱システムが提供されている。

このうち、同程度の冷熱量を蓄熱するのに１／７程度のスペースで済むことから，氷蓄熱システムが採用される場合も多い。氷蓄熱システムは，夜間の外気を利用して製氷することによって冷熱を蓄え、氷の融解潜熱を利用して昼間の冷房等に用いるシステムである。

氷蓄熱システムは、家庭用の小規模のものから、複数階に亘るビルなどを対象とした中規模以上のものまで、さまざまな構成のものが提供されている。規模にかかわらず基本的な原理は同じであり、製氷により冷熱を蓄えた蓄熱ユニットから空調機（ＡＨＵ：Air Handling Unit）に冷水を巡回させ、送風により室内空気と熱交換を行う。

図９は、従来の中規模以上の氷蓄熱システムを説明する図である。図９に示す従来の氷蓄熱システム２００は、設置した氷蓄熱槽２０２内に製氷部２０４を備え、冷熱を氷として蓄えている。そこから一次ポンプ２０６によって熱交換器２０８まで揚水し、熱交換器２０８を介して冷熱利用側の水を冷却する。この冷水を大揚程の二次ポンプ２１０によって各階に揚水し、空調機２１２によって室内空気と熱交換する。なお氷蓄熱槽２０２と空調機２１２との間に熱交換器２０８を介しているのは、水流の縁を切って、冷熱利用側の水圧が氷蓄熱槽２０２および蓄熱槽付属のポンプにかかることを防ぐためである。

氷蓄熱システムは空調設備の小型化を図れるという利点があるため、近年は中規模以上のオフィスビルに採用される傾向にある。しかし氷蓄熱システムは、その原理上冷水搬送ポンプが必要である。そこで氷蓄熱システムの高効率化を図るために、従来からも様々な提案がなされている。

特許文献１（特開２００１−３２４１７８）には、真空ポンプを備えた縦型のパイプを複数設け、各パイプの上端から各階の空調機に氷水を供給する構成が記載されている。特許文献１によれば、常に氷が高密度に充填されている場所で戻り水の冷却が行われるため、安定した冷水を得ることができるとしている。

特許文献２（特開平５−８６６３７）には、水が充填された有底筒状のパイプと、下端部に設けられた製氷装置と、上端部側方に設けられ浮上した氷が流入する受水槽とを備えた構成が記載されている。特許文献２によれば、氷を溶かして清浄な水を得ることができ、氷の浮力を利用して揚水のエネルギー増大を防止できると共に、パイプに空調機を接続すれば冷房に利用できるとしている。
特開２００１−３２４１７８号公報 特開平５−８６６３７号公報

しかし、図９に示した構成にあっては、冷水搬送ポンプを設置および運転しなくてはならず、ポンプの設備コストおよび搬送動力が多大になってしまう。また熱交換器を介することによって冷熱利用側の水の冷却には限界があり、通常は５℃〜７℃程度までしか下げることができなかった。

また上記特許文献１の構成は、各階ごとに水面高さを変えなくてはならず、複数の縦型パイプそれぞれに真空ポンプを備えている。しかし仮に完全に真空にしたとしても、大気圧による水の揚程は１０ｍ程度であって、３階程度までしか届かない。したがって４階以上の高い建物には使用できないという問題がある。

上記特許文献２の構成は、氷はパイプの最上部に浮上して滞留してしまうため、中途部から冷水を供給したとしても、必ずしも最適な冷水を得られるわけではない。

そこで本発明は、大揚程の冷水搬送ポンプを設置することなく、高層の建物にも効率的に低温の水を配給しうる氷蓄熱システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる氷蓄熱システムの代表的な構成は、水が充填される蓄熱槽と、蓄熱槽の下部に配置された製氷部と、上下方向に複数配置され蓄熱槽の水の冷熱によって空調を行う空調機と、蓄熱槽とそれぞれの空調機との間に水を循環させる複数の水循環部と、蓄熱槽の内部であって複数の水循環部近傍に配置した、上昇する氷を受け止めて滞留させる氷滞留部材とを備え、氷滞留部材は、滞留させた氷を開放可能であることを特徴とする。

上記構成によれば、氷の搬送は氷の浮力を用いており、また各階の水循環部は高さ方向の揚程がほとんどないため、水の搬送動力を極めて小さくすることができる。したがって高層の建物にも効率的に低温の水を配給することができる。また各階の空調機（熱交換器）に対する水循環部近傍に氷を滞留させたことにより、各空調機に搬送される水の温度を限りなく０℃に近づけることができるため、高密度な使い勝手のある冷熱を供給することができる。

また氷滞留部材は、滞留させた氷を開放可能である。例えば建物の一部の階において冷房が行われていたとき、稼働している階の氷が多く消費される。このように氷を多く必要とする需要階に対し、それよりも下の階に滞留している氷を開放して供給することにより、適切に氷を分配することができる。氷滞留部材は、例えば網状の庇（ひさし）や、網を張り巡らせた籠によって構成することができる。

製氷部は、例えば外周面に螺旋状に突条を設けた可撓性ホースに氷点以下のブラインを供給し、ブラインの圧力を一時的に上昇させることによって可撓性ホースを伸張させて氷を剥離させる構成とすることができる。これにより連続的に多量の氷を放出することができる。

複数の氷滞留部材は、平面に投影した位置において互いにずらして配置していてもよい。これにより、浮上する氷を各階の氷滞留部材に均等に滞留させることができる。

氷滞留部材を氷を滞留させる状態と開放させる状態とを切り替える制御部を備えていてもよい。蓄熱槽内部に駆動機構を備えることにより、外部から氷滞留部材の制御を行うことが可能となる。これにより各階の氷滞留部材に対する氷の分配を適宜行うことができる。

氷滞留部材の移動は、上下方向への回転移動（開閉運動）のほか、蓄熱槽中心に向かって庇が伸縮する構成であってもよい。

氷滞留部材に滞留した氷の量を検知する氷量検知手段を備え、制御部は、一の氷滞留部材において滞留した氷の量が少ないと検知したときに、氷滞留部材の下に位置する氷滞留部材を氷を開放させる状態にするよう構成してもよい。これにより氷の量が不足したときには自動的に補充することができ、安定的に各階の氷滞留部材に氷を分配することができる。

氷量検知手段としては、氷滞留部材にかかる氷の浮力を利用して、圧力センサや機械スイッチによって検知することができる。また氷の遮光性（乱反射）を利用して、遮光センサ、超音波センサ、マイクロ波センサなどの非接触センサを用いることもできる。

なお、各階の氷滞留部材に対して浮上する氷を導くフラップを設けてもよく、当該フラップを可動式として需要階に優先的に導くように構成してもよい。

また製氷部の氷放出領域を複数に分け、これに対応して浮上する氷を導く複数の誘導路を設けて、各階の氷滞留部材に氷を導くよう構成してもよい。これにより、需要階に対応する誘導路に対向する領域において製氷し放出すれば、効率的に氷を分配することができる。

本発明によれば、氷の搬送は氷の浮力を用いており、また各階の水循環部は高さ方向の揚程がほとんどないため、水の搬送動力を極めて小さくすることができる。したがって高層の建物にも効率的に低温の水を配給することができる。また各階の空調機（熱交換器）に対する水循環部近傍に氷を滞留させたことにより、各空調機に搬送される水の温度を限りなく０℃に近づけることができるため、高密度な使い勝手のある冷熱を供給することができ、空調機における送風量も少なくすることができる。さらにシステム全体も簡素化されるため、よりきめ細やかな制御を容易に行うことができる。

本発明にかかる氷蓄熱システムの実施形態について説明する。なお、以下の実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。

図１は氷蓄熱システムを説明する図、図２は製氷部を説明する図である。

図１に示す氷蓄熱システム１００は、水が充填される縦型の蓄熱槽１０２と、蓄熱槽１０２の下部に配置された製氷部１０４と、製氷部１０４に冷媒（ブライン）を供給する冷凍機１０６と、上下方向に複数配置された空調機１０８と、蓄熱槽１０２とそれぞれの空調機１０８との間に水を循環させる複数の水循環部１１０とを備えている。そして複数の水循環部１１０の近傍には、上昇する氷を受け止めて滞留させる氷滞留部材１１２を備えている。以下にそれぞれについて説明する。

蓄熱槽１０２は、建物の内部または外壁に沿って設置される縦型の水槽であって、数階から十数階の建物と同じ高さを有している。蓄熱槽１０２の内部には水が充填されている。

図２は製氷部の構成を示す図である。製氷部１０４は、蓄熱槽１０２の下端において製氷し、破砕した氷を水中に放出する。製氷部の構成としては既知の任意のものを用いることができ、図２に示す構成は一例である。

図２（ａ）に示すように、製氷部１０４では、外周面に螺旋状に突条１０４ｂを設けた可撓性ホース１０４ａに冷凍機１０６から氷点以下のブラインを供給し、可撓性ホース１０４ａの周囲に氷結させる。ブラインの経路には、ブラインを搬入するためのポンプ１０４ｃ、および戻りの経路に配置したバルブ１０４ｄを備えている。そして図２（ｂ）に示すように、ポンプ１０４ｃを稼働させたままバルブ１０４ｄを短時間閉塞することにより、一時的に可撓性ホース１０４ａ内の圧力を上昇させて伸張させ、その周囲に氷結していた氷を破砕して剥離、放出することができる。このような構成により、連続的に多量の氷を放出することができる。

また図２（ｃ）に示すように、製氷部１０４の氷放出領域を複数に分け、それぞれが独立して製氷、放出できるように、ブラインの経路を複数設けてもよい。これにより追いかけ運転（追加的に製氷する動作）をする場合に、適切な量の氷を製氷することができる。

空調機１０８（ＡＨＵ：Air Handling Unit）は、水循環部１１０によって蓄熱槽１０２から取り込まれた水（冷水）にファンなどの送風手段（不図示）によって気流を当てて、室内空気と熱交換するものである。水循環部１１０は各階において独立し、それぞれにポンプ１１１を備えている。したがって各階の居住者が必要に応じて空調機１０８を使用し、その交換した熱量に応じて水循環部１１０は空調機１０８に水を供給することができる。

氷滞留部材１１２は、蓄熱槽１０２の内部であって各階の水循環部１１０の近傍に設置されている。氷滞留部材１１２は、図１に示すように、浮上する氷片Ｐを受け止めるものである。氷滞留部材１１２は水循環部１１０の蓄熱槽１０２に対する取水口または排水口、もしくはその両方の近傍に設置されている。取水口の近傍に設ければ、氷が充填された部位から取水することができるため、空調機１０８に限りなく０℃に近い冷たい水を供給することができる。排水口の近傍に設ければ、空調機からの戻り水を流速があるうちに氷に当てることができるため、急速に冷却することができ、蓄熱槽１０２の内部を全体的に常に低温にすることができる。取水口と排水口の両方にまたがって氷滞留部材１１２を設ければ、上記両方の利益を得ることができる。なお、図１において取水口と排水口とを上下方向に描いているが、理解を容易とするためであって、図示の配置に限定するものではない。

図３は氷滞留部材の構成例を示す図である。氷滞留部材は浮上する氷を受け止められるものであればよく、例えば図３（ａ）に示す氷滞留部材１１２のように網状の庇（ひさし）としたり、図３（ｂ）に示す氷滞留部材１１４のように網や垂れ幕を張り巡らせた籠とすることができる。網ではなく平板状であっても差し支えないが、水流を妨げないためには氷片Ｐのみを受け止めるものであることが好ましい。

上記構成によれば、氷の搬送は氷の浮力を用いており、また各階の水循環部１１０は高さ方向の揚程がほとんどないため、水の搬送動力を極めて小さくすることができる。また水循環部１１０の動力は需要階のみで行えばいいため、ポンプ動力は極めて少なくすることができる。

図１に示した本実施形態の構成（実施例）と、図９に示した従来の構成（比較例）との間で、６階建てのオフィスビルの実測負荷を用いてポンプ搬送動力の比較を行った。比較例としては、氷蓄熱槽２０２を１階に設置し、熱交換器２０８を介して各階に冷水を搬送した。冷水搬送は中央一括で行い、インバータ制御により流量の制御を行った。実施例としては、６階建てのオフィスビルの壁面に沿って蓄熱槽１０２を設置する場合を想定した。各階に冷水搬送用の水循環部１１０を設置し、熱交換器を介さず、蓄熱槽１０２内の冷水を直接搬送した。また流量調整はインバータ制御を行った。

図４に実施例と比較例の搬送動力の比較の結果を示す。図からわかるように、比較例の構成では、氷蓄熱槽２０２から熱交換器２０８に水を搬送する１次ポンプ２０６の動力はある程度以上大きくならないが、熱交換器２０８から空調機２１２に揚水する二次ポンプ２１０の消費電力は大きなものになる。これに対し実施例の構成では、夏季であっても大幅に消費電力が大きくなることはなく、年間積算の搬送動力を比較すると、比較例に対して８０％以上の搬送動力低減を図ることができた。

上記の結果より、高層の建物にも効率的に低温の水を配給することができることがわかる。また各階の空調機１０８に対する水循環部１１０近傍に氷を滞留させたことにより、需要階にそれぞれ蓄熱されることから、各空調機１０８に搬送される水の温度を限りなく０℃に近づけることができる。このため、送風動力も小さくすることができ、高密度な使い勝手のある冷熱を供給することができる。さらに、システム全体も簡素化されているため、よりきめ細やかな制御を容易に行うことができる。

［他の実施形態］
上記構成の氷蓄熱システム１００の効率を高めるための他の構成について説明する。

図５は氷滞留部材の配置を説明する図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図である。図に示すように、各階に設けた複数の氷滞留部材１１２は、平面に投影した位置において互いにずらして配置していてもよい。なお図示していないが、水循環部１１０の取水口および排水口は氷滞留部材１１２の近傍に配置する。このように構成することにより、浮上する氷を各階の氷滞留部材１１２に均等に滞留させることができる。

図６は氷滞留部材の他の構成を説明する図であって、氷滞留部材１１２に氷を滞留させる状態と開放させる状態とに移動させる駆動機構を備え、滞留させた氷を開放可能とした例である。図６（ａ）に示すように、氷滞留部材１１２はヒンジ１１２ａによって上下方向への回転移動（開閉運動）可能に軸支されている。そして水圧シリンダーなどの駆動機構１１６が取り付けられており、開閉制御可能となっている。

また氷滞留部材１１２の近傍かつ下方には、滞留した氷の量を検知する氷量検知手段の例として遮光センサ１２０が設置されている。駆動機構１１６および遮光センサ１２０は制御部１２２に接続されている。

例えば図６（ｂ）に示すように、建物の一部の階（図の上の階）において冷房が行われていたとき、稼働している階の氷が多く消費される。すると遮光センサ１２０によって氷が検知されなくなるため、制御部１２２はその下の階の氷滞留部材１１２を移動させ、滞留している氷を開放する。なお、下の階の氷滞留部材１１２にはさらに下の階の氷滞留部材１１２から氷を補充し、最下段の氷滞留部材１１２には製氷部１０４から氷を補充する。

このように氷を多く必要とする需要階に対し、それよりも下の階に滞留している氷を開放して供給することにより、適切に氷を分配することができる。また氷の量が不足したときには自動的に補充することができ、安定的に各階の氷滞留部材に氷を分配することができる。

なお氷量検知手段としては遮光センサ１２０の他に超音波センサ、マイクロ波センサなどの非接触センサを用いることができる。また氷滞留部材１１２にかかる氷の浮力を利用して、圧力センサや機械スイッチによって検知することもできる。

図７は他の氷滞留部材の構成例を示す図である。上記実施形態において氷滞留部材１１２は上下方向への回転移動（開閉運動）をするものとして説明したが、図７に示す氷滞留部材１２４のように、蓄熱槽１０２の中心に向かって庇が伸縮する構成であってもよい。

なお、図示しないが、各階の氷滞留部材１１２に対して浮上する氷を導くフラップを設けてもよく、当該フラップを可動式として需要階に優先的に導くように構成してもよい。

また図８は浮上する氷片の誘導路を設けた例を説明する図である。図８に示すように、製氷部１０４の氷放出領域を複数に分け、これに対応して浮上する氷を導く複数の誘導路１２６を設けて、各階の氷滞留部材１１２に氷を導くよう構成してもよい。これにより、需要階に対応する誘導路１２６に対向する領域において製氷し放出すれば、効率的に氷を分配することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想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。

本発明は、製氷して冷熱を蓄積し、空調に使用する氷蓄熱システムに関する。

氷蓄熱システムを説明する図である。 製氷部を説明する図である。 氷滞留部材の構成例を示す図である。 実施例と比較例の搬送動力の比較の結果を示す図である。 氷滞留部材の配置を説明する図である。 氷滞留部材の他の構成を説明する図である。 他の氷滞留部材の構成例を示す図である。 浮上する氷片の誘導路を設けた例を説明する図である。 従来の中規模以上の氷蓄熱システムを説明する図である。

符号の説明

Ｐ …氷片
１００ …氷蓄熱システム
１０２ …蓄熱槽
１０４ …製氷部
１０４ａ …可撓性ホース
１０４ｂ …突条
１０４ｃ、１１１ …ポンプ
１０４ｄ …バルブ
１０６ …冷凍機
１０８ …空調機
１１０ …水循環部
１１２、１１４、１２４ …氷滞留部材
１１２ａ …ヒンジ
１１６ …駆動機構
１２０ …遮光センサ
１２２ …制御部
１２６ …誘導路

Claims (4)

1. 水が充填される蓄熱槽と、
   前記蓄熱槽の下部に配置された製氷部と、
   上下方向に複数配置され前記蓄熱槽の水の冷熱によって空調を行う空調機と、
   前記蓄熱槽とそれぞれの空調機との間に水を循環させる複数の水循環部と、
   前記蓄熱槽の内部であって前記複数の水循環部近傍に配置した、上昇する氷を受け止めて滞留させる氷滞留部材とを備え、
   前記氷滞留部材は、滞留させた氷を開放可能であることを特徴とする氷蓄熱システム。
2. 前記複数の氷滞留部材は、平面に投影した位置において互いにずらして配置していることを特徴とする請求項１記載の氷蓄熱システム。
3. 前記氷滞留部材を氷を滞留させる状態と開放させる状態とを切り替える制御部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の氷蓄熱システム。
4. 前記氷滞留部材に滞留した氷の量を検知する氷量検知手段を備え、
   前記制御部は、一の氷滞留部材において滞留した氷の量が少ないと検知したときに、該氷滞留部材の下に位置する氷滞留部材を氷を開放させる状態にすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の氷蓄熱システム。

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