JP5393269B2 - 蓄熱システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプチラーを使用した蓄熱システムに関し、より詳細には、地下変電所からの排熱を有効利用する蓄熱システムに関する。

大都市部においては、年々電力需要が増大しており、これに対応するために変電所の増設が求められているが、各種施設の密集する商業地域においては、変電所用の土地を確保することが難しい。この点に鑑み、近年、施設の地下に変電所を建設することが広く行なわれている。

このような地下変電所においては、防災上の観点から、変圧器の巻線の絶縁および冷却をＳＦ６ガス（六フッ化硫黄）で行なうガス絶縁変圧器が採用されることが多い。当該ガス絶縁変圧器からの発生する熱は、風冷式の場合、空気を熱媒として大気中へ放熱される。

一方、近年、電力消費量の平準化を企図して、電気料金の安い夜間電力を使用して地下の蓄熱水槽に貯留した水を昇温／冷却しておき、昼間に当該蓄熱水槽に貯留された温冷水を使用してビル内の空調を行なう蓄熱式空調システムが大都市部の商業地域において採用されはじめている。特開平１０−１９３２０号公報（特許文献１）は、安価な夜間電力を用いて、蓄熱水槽の水を加熱または冷却し、昼間にこれらの温冷水をビル内の冷暖房機器に供給する地域冷暖房システムを開示する。

ここで、仮に、特許文献１の蓄熱手段にヒートポンプチラーを採用することを想定した場合、冬期においては、夜間の外気温度が低いためＣＯＰ（成績係数：熱・冷熱量の、消費する電力量に対する割合）が悪化し、特に、寒冷地においては、ヒートポンプ蒸発器の表面温度が０℃以下になって頻繁に結霜が生じるため、デフロスト（除霜）等の保守コストが過大になるという問題がある。

特開平１０−１９３２０号公報

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、施設に近接して建設される地下変電所の排熱を利用して、蓄熱式空調システムのＣＯＰを向上させることのできる新規な蓄熱システムを提供することを目的とする。

本発明者は、施設の敷地内に建設される地下変電所の排熱を利用して、蓄熱式空調システムに用いられる蓄熱式空調システムのＣＯＰを向上させることのできる新規な蓄熱システムにつき鋭意検討した結果、地下変電所内で発生する排熱によって生じた暖気をヒートポンプチラーの熱交換器に接触させることによって、寒冷地において問題視されていた熱交換器表面の結霜が好適に防止され、加えて、当該暖気から多くの温熱エネルギーを抽出することができるため、夜間気温が氷点下になる環境においても、夜間電力を使用して、昼間の空調に供するための必要十分な温熱エネルギーを蓄熱することが可能になることを見出し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、地下変電所に近接する施設に設けられる蓄熱システムであって、ヒートポンプチラーと、前記ヒートポンプチラーと熱的に接続される蓄熱水槽とを含み、前記ヒートポンプチラーの熱交換器に対して、前記地下変電所内で発生する排熱によって生じた暖気を接触させることを特徴とする蓄熱システムが提供される。

本発明においては、前記熱交換器は、カバーによって包囲された空間内に配置され、前記地下変電所内には空冷式のガス絶縁変圧器が配置されており、前記ガス絶縁変圧器からの排気が導入されるチャンバールームと前記カバーによって包囲された空間とが流路によって接続されるように構成することができる。

また、本発明においては、前記チャンバールームは、電動ダンパーを経て前記流路に接続されており、前記流路は、送風ファンを経て前記カバーによって包囲された空間に接続されるように構成することができ、前記電動ダンパーは、冬期運転モードにおいて開き、該電動ダンパーの開状態に連動して前記送風ファンが稼働するように制御することができる。さらに、本発明においては、前記蓄熱水槽は、前記施設の地下に設けることができ、前記施設の空調システムに熱的に接続することができる。

上述したように、本発明によれば、施設の敷地内に建設される地下変電所の排熱を利用して、蓄熱式空調システムのＣＯＰを向上させることのできる新規な蓄熱システムが提供される。

本実施形態の蓄熱システムを示す図。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態である蓄熱システム１００を示す。図１に示す例においては、蓄熱システム１００は、地下変電所２００に近接するオフィスビル３００に適用されている。地下変電所２００は、大都市部の商業地域における土地不足に鑑みて、オフィスビル３００の敷地の地下に建設されており、オフィスビル３００をはじめ、近隣の施設に電力を供給している。本実施形態の蓄熱システム１００は、概ね、ヒートポンプ機構によって水を加熱・冷却するためのヒートポンプチラー１０と、オフィスビル３００の地下に設けられた蓄熱水槽２０と、地下変電所２００からの排熱によって昇温された空気（暖気）をヒートポンプチラー１０の熱交換器に接触させるための機構とを含んで構成されている。

最初に、蓄熱システム１００におけるヒートポンプチラー１０の機能について説明する。本実施形態におけるヒートポンプチラー１０は、ヒートポンプ機構によって水を加熱・冷却するものであり、好ましくは、スクリューヒートポンプチラーとすることができる。現在、電力会社は、蓄熱式空調システムを推奨しており、事業者は、電力会社と業務用蓄熱契約を結ぶことによって電気料金の大幅な割引を受けることができる。ヒートポンプチラー１０は、安い夜間電力を使用して蓄熱水槽２０に貯留される水を、例えば、夏期には８℃まで冷却し、冬期には６０℃まで加温するように構成されている。

具体的には、蓄熱水槽２０内の水に温熱を蓄熱する運転モード（以下、冬期運転モードという）において、ヒートポンプチラー１０は、以下のように作動する。すなわち、ヒートポンプチラー１０内を実線矢印方向に循環する熱媒は、圧縮機１２によって圧縮されて高温高圧になったのち、水冷式熱交換器１４において放熱して液化する。液化した熱媒は、膨張弁１６を通過後に減圧し、熱交換器１８に導入される。なお、冬期運転モードにおいては、熱交換器１８は蒸発器として機能する。

ヒートポンプチラー１０の水冷式熱交換器１４は、流路１９，１９によって蓄熱水槽２０に熱的に接続されており、ヒートポンプチラー１０の運転中、蓄熱水槽２０に貯留された水は、ポンプ２２によって水冷式熱交換器１４に導入された後、再び、蓄熱水槽２０に戻るように構成されている。よって、水冷式熱交換器１４内で加熱された水は、流路１９を経て蓄熱水槽２０内に回収され、その結果、蓄熱水槽２０内の水が加温される。

一方、蓄熱水槽２０内の水に冷熱を蓄熱する運転モード（以下、夏期運転モードという）において、ヒートポンプチラー１０は、以下のように作動する。すなわち、ヒートポンプチラー１０内を破線矢印方向に循環する熱媒は、圧縮機１２によって圧縮されて高温高圧になったのち、熱交換器１８において放熱して液化する。なお、夏期運転モードにおいては、熱交換器１８は凝縮器として機能する。

熱交換器１８において放熱して液化した熱媒が膨張弁１６を通過後に減圧して気化する際、水冷式熱交換器１４内で蓄熱水槽２０から導入される水から気化熱を奪って、これを冷却する。水冷式熱交換器１４内で冷却された水は、流路１９を経て蓄熱水槽２０内に回収され、その結果、蓄熱水槽２０内の水が冷却される。

なお、蓄熱水槽２０はオフィスビル３００内の各区画に備え付けられた空調装置と熱的に接続されている。具体的には、蓄熱水槽２０内の蓄熱した水（温水／冷水）は、昼間、ポンプ３０によって汲み上げられ、流路３２を通って、オフィスビル３００内の各区画に備え付けられた図示しない空調装置に導入されて空調に寄与した後、流路３３を通って、再び、蓄熱水槽２０に回収される。

以上、蓄熱システム１００におけるヒートポンプチラー１０の機能について説明してきたが、ヒートポンプチラー１０の熱交換器１８は、冬期運転モードにおいては、熱媒の気化熱を周辺空気から奪うため、当該空気が冷却されて結露が生じ、これが熱交換器１８の表面に付着する。夜間、気温が氷点下になる寒冷地においては、この結露が結霜となって固着し、熱交換器１８の熱交換効率を悪化させると同時に、デフロストのためのコストが増大するという問題がある。本実施形態においては、地下変電所２００から発生する排熱を利用して、この問題を解決する。以下、この点につき詳細に説明する。

最初に、地下変電所２００の構成について説明する。図１に示す例においては、地下変電所２００内には、複数のＳＦ６ガス絶縁変圧器５０が配置されている。ＳＦ６ガス絶縁変圧器５０は、変圧器の巻線をＳＦ６ガスで満たしたタンク内に密封し、当該タンクと空冷式熱交換器５２とを熱的に接続することによって構成されている。本実施形態におけるＳＦ６ガス絶縁変圧器５０は、その冷却方式として風冷式を採用しており、ＳＦ６ガス絶縁変圧器５０内で発生した排熱は、空冷式熱交換器５２を介して、送風ファン５４から送気される空気に伝熱される。

一方、各ＳＦ６ガス絶縁変圧器５０には、空冷熱交換器５２を覆う形で排気ダクト５６が配備されており、送風ファン５４から送気された空気は、空冷熱交換器５２を通過して排気ダクト５６から回収されるように構成されている。その結果、ＳＦ６ガス絶縁変圧器５０内で発生した熱は、送風に伴って生じる騒音を吸収するために設けられたサイレンサ６０を経て、チャンバールーム６２に導入される。なお、地下変電所２００には、図示しない給気流路が接続されており、外気が地下変電所２００内に導入されるように構成されている。チャンバールーム６２に導入された暖気は、最終的に吹出し口６４から屋外に放出される。

一方、本実施形態においては、ヒートポンプチラー１０の熱交換器１８は、カバー７０によって包囲された空間内に配置されており、当該空間とチャンバールーム６２とが、流路７２によって接続されている。また、チャンバールーム６２は、電動ダンパー７４を経て流路７２に接続されており、流路７２は、送風ファン７６を経てカバー７０によって包囲された空間に接続されている。

本実施形態においては、冬期運転モードの際に、電動ダンパー７４が開くように構成されており、電動ダンパー７４の開状態に連動して送風ファン７６が稼働するように構成されている。したがって、冬期運転モードの際には、地下変電所２００から発生する排熱によって生じた暖気は、チャンバールーム６２から流路７２を経てカバー７０内の熱交換器１８に吹付けられる。その結果、熱交換器１８に接触する空気の温度が、運転中、所定温度以上に保たれるため、寒冷地であっても、熱交換器１８表面の結霜の形成が好適に防止され、加えて、当該暖気から多くの温熱エネルギーを抽出することができるため、ＣＯＰが格段に向上する。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

以上、説明したように、本発明によれば、施設に近接して建設される地下変電所の排熱を利用して、蓄熱式空調システムのＣＯＰを向上させることのできる新規な蓄熱システムが提供される。本発明の蓄熱システムは、特に寒冷地において、ビル空調のトータルコストの大幅な軽減に寄与することが期待される。

１００…蓄熱システム、２００…地下変電所、３００…オフィスビル、１０…ヒートポンプチラー、１２…圧縮機、１４…水冷式熱交換器、１６…膨張弁、１８…熱交換器、１９…流路、２０…蓄熱水槽、２２…ポンプ、３０…ポンプ、３２…流路、３３…流路、５０…ＳＦ６ガス絶縁変圧器、５２…空冷式熱交換器、５４…送風ファン、５６…排気ダクト、６０…サイレンサ、６２…チャンバールーム、６４…吹出し口、７０…カバー、７２…流路、７４…電動ダンパー、７６…送風ファン

Claims (5)

1. 地下変電所に近接する施設に設けられる蓄熱システムであって、
   ヒートポンプチラーと、
   前記ヒートポンプチラーと熱的に接続される蓄熱水槽と、
   前記地下変電所からの排気が導入されるチャンバールームと、
   を含み、
   前記ヒートポンプチラーの熱交換器は、カバーによって包囲された空間内に配置され、
   前記チャンバールームは、電動ダンパーを経て流路に接続され、該流路は、送風ファンを経て前記カバーによって包囲された空間に接続され、
   前記電動ダンパーの開状態に連動して前記送風ファンを稼働することによって、前記熱交換器に対して、前記地下変電所内で発生する排熱によって生じた暖気を接触させることを特徴とする、
   蓄熱システム。
2. 前記地下変電所内には空冷式のガス絶縁変圧器が配置される、
   請求項１に記載の蓄熱システム。
3. 前記電動ダンパーは、冬期運転モードにおいて開くように制御される、請求項１または２に記載の蓄熱システム。
4. 前記蓄熱水槽は、前記施設の地下に設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱システム。
5. 前記蓄熱水槽は、前記施設の空調システムに熱的に接続される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄熱システム。