JP5554522B2 - 氷蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は氷蓄熱装置に関し、詳細には、氷および水を蓄熱槽に貯留してその冷熱を熱交換器に利用する氷蓄熱装置に関する。

近年、事務所やビルのエネルギー消費の約１／３〜１／４は熱源として使用されていて、その熱源需要の大半が冷房需要となっている。そのため、省エネ効果、環境保全、コスト削減、延いては防災安全を図り得る冷房用蓄熱装置の導入が進行している。

そのなかでも特に、省スペースで高い冷熱量を蓄熱できる氷蓄熱装置が注目されている。氷蓄熱装置としては、小売店等を対象とした小規模のものから複数階に亘るビルなどに使用される中規模以上のものまで、さまざまなものが提供されている。これらの氷蓄熱装置は、スタティック式とダイナミック式に大別される。スタティック式は、更に内融型と外融型に分類される。

特許文献１（内融型）および特許文献２（外融型）にはスタティック式の代表的な構成が開示されている。スタティック式は、蓄熱槽内部に製氷コイルを有し、この製氷コイルにより蓄熱槽に貯留された水を冷却して氷を製氷する。そして、内融型ではコイル内に熱伝達媒体（ブライン）等を通すことにより製氷された氷を内側（コイル当接側）から解氷し、外融型では蓄熱槽に流入した温水等により製氷された氷を外側（コイル反対側）から解氷する。

スタティック式の氷蓄熱装置を製造する事業者の公表データによれば、スタティック式内融型氷蓄熱装置では、最大９０％程度のＩＰＦ（氷充填率：Ice Packing Factor）を実現することができ、スタティック式外融型氷蓄熱装置でも最大６０％程度のＩＰＦに達することができるとされている。一般的には、ＩＰＦの値が高い程、蓄熱槽の小型化が可能であるとされている。

しかし、ＩＰＦは蓄熱槽内の水量に対する製氷量であって、この値にはスタティック式において内部に設置される製氷コイルの容積が考慮され得ない。換言すれば、同じＩＰＦの値を有していても、後述するダイナミック式に比してスタティック式では蓄熱槽の小型化を図ることができない。更に、スタティック式では、ＩＰＦの増加と共に製氷コイルの伝熱特性が低下するため、良好な（一定の）運転効率を保つことができない。加えて、製氷コイルは、強度等の構造上の理由から高さ方向への拡大に難を有し、一定規模以上の蓄熱槽に対応できない。そのため、現在、ダイナミック式の氷蓄熱装置が注目されている。

特許文献３および特許文献４にはダイナミック式の代表的な構成が開示されている。ダイナミック式には、種々の方式が存在するが、蓄熱槽とシャーベット状の氷（または過冷却水）を製氷（製水）する製氷部とが分離されていて、装置内をこのシャーベット状の氷が流動する点でほぼ共通する。なお、ダイナミック式においても、ＩＰＦの値が高い程、蓄熱槽の小型化を図り得るため、この値の向上が求められる。

特許文献３では、ＩＰＦの向上を図りつつ、シャーベット状の氷が蓄熱槽の開口部（噴出口）にて氷結するのを防ぐために、水よりも比重が重く、かつ水に溶解しない不凍液を冷却して、旋回流によりこの不凍液を蓄熱槽の下部へ搬送することにより接触した水を製氷する技術が開示されている。一方、特許文献４では、シャーベット状の氷の潜熱を有効に利用（熱交換特性を向上）するために、熱交換器により温められた戻り水を、シャーベット状の氷の上部から均等に散水する技術が開示されている。

また、特許文献５のように、スタティック式とダイナミック式を掛け合わせたような技術も検討されている。特許文献５では、蓄熱槽内に製氷機を設置してブロック状の氷を生成すると共に、その氷の離脱性の向上を図ることにより、簡潔な構成で設計自由度が高い氷蓄熱装置が実現できるとされている。

特開平８−１５２１６２号公報 特開平１０−１８５２５０号公報 特開平６−２０１１６２号公報 特開平６−３００３２６号公報 特開平１０−００２６４４号公報

しかしながら、上述したダイナミック式の氷蓄熱装置においても各々課題が存在する。例えば、特許文献３の技術にあっては、不凍液を用いるため、蓄熱槽において不凍液の占める容積分、氷の蓄氷容積が減少してしまう。仮に、この不凍液の容積を低減すれば、その分蓄熱槽に貯留された水が蓄熱槽の開口部（噴出口）に近づくこととなり、開口部が氷結してしまうリスクが高まる。加えて、不凍液を用いることは、コスト増大の要因になる。また不凍液を使用した場合には、災害時などに蓄熱槽内の水に不凍液が漏出するおそれに対し、不凍液経路の万全な封止構造や、不凍液の漏出検知などを施さなくてはならない。また、そもそもシャーベット状の氷は、氷間の圧縮がほとんどないため、高ＩＰＦを得るには難を有する。その上、シャーベット状の氷は、焼結現象を引き起こして巨大な氷塊を形成したり、水道（みずみち：水の通り路）を形成するため解氷にも難を有する。解氷が円滑に行われないことは、熱交換特性の低下を招くこととなる。

また、特許文献４の技術にあっては、戻り水をシャーベット状の氷の上部から散水する際に、蓄熱槽の上部に存在する空気をも巻き込む（貯留された水に空気が導入される）。そのため、機器の腐食（例えば鉄の場合：２Ｆｅ＋２Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２→２Ｆｅ(ＯＨ)_２）を促進してしまうおそれがある。故に、耐久性の点で課題を有することとなる。

更に、特許文献５の技術にあっては、蓄熱槽内にて氷を製氷する（水中製氷能を有する）製氷機が現時点にて実用化できていない。これは、製氷した氷の離脱制御を完全に行うことができず、蓄熱槽内に設けられた開口部をも氷結させ、水等の循環を妨げるからである。故に、特許文献５の構成を採用することは事実上不可能である。なお、仮に、このような製氷機が実用化されたとしても、水中に製氷コイルを設置しなければならないので、スタティック式が内包する課題を解決するものではない。また、上述した特許文献３から特許文献５を組み合わせても、各々の課題を補完し得るものにはなり得ない。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、良好な耐久性を保ちつつ、ＩＰＦ（氷充填率）の向上、熱交換特性の向上を成し得る氷蓄熱装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明にかかる氷蓄熱装置の代表的な構成は、内部に水と氷が貯留される蓄熱槽と、蓄熱槽の水面より高い位置に設置され、ブロック状の氷を製氷する製氷機と、製氷機から蓄熱槽の下部へブロック状の氷を重力を利用した水流により搬送する氷搬送配管と、蓄熱槽から水を抜き出して製氷機へと搬送するポンプと、熱交換媒体として水を用い、負荷側と熱交換を行う１または複数の熱交換器と、蓄熱槽から熱交換器へ水を搬送する第１水搬送配管と、熱交換器から蓄熱槽へ熱交換に利用された水を戻す第２水搬送配管を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、シャーベット状の氷に比して分子が圧縮された状態にあり、焼結現象の発生や水道（みずみち）の形成のおそれを排除できるブロック状の氷を利用するため、ＩＰＦおよび熱交換特性の向上を図り得る。また、製氷機を水面より高い位置に設置して重力と水流を利用することで、ブロック状の氷をその浮力に逆らって蓄熱槽の下部へと搬送することができる。ブロック状の氷を下部より導入することで、上方から導入した場合に生じ得るブロック状の氷の水面を超えた盛り上がりを防止できる。

上記氷搬送配管は、蓄熱槽の外部に設置されるとよい。蓄熱槽内に氷搬送配管を設置すると、蓄熱槽の容量減少を招くと共に、蓄熱槽内の氷の上昇を阻害するおそれがあるためである。すなわち、かかる構成によれば、良好な制御性を実現することができる。

上記氷搬送配管の配管径は、ブロック状の氷の直径の平均値の５倍以上であるとよい。かかる構成によれば、氷搬送配管が氷により詰まることを防止できる。

上記水流は、氷搬送配管の軸心を外れて注入されることにより、旋回流を形成するとよい。かかる構成によれば、水流により搬送される氷も旋回して送られるため、氷搬送配管が詰まることを回避できる。なお、特許文献３に開示されている旋回流は、水との接触を増大させてシャーベット状の氷の製氷量を向上するためのものであり、ここでの旋回流とは意味合いが異なる。

上記氷搬送配管は、蓄熱槽内において同一の水平面上に配置され、ブロック状の氷を１つの蓄熱槽の中で分配して放出する複数の排出口を有するとよい。かかる構成によれば、蓄熱槽平面に対しておおむね均等に氷を蓄氷できるため、ＩＰＦの向上を図り得る。

上記第１水搬送配管は、蓄熱槽から水を抜き出す各々異なる高さに配置された複数の水抜出口と、熱交換器の直近となる水抜出口から水を抜き出しこの熱交換機へと搬送する経路を選定し、または蓄熱槽の下部に位置する水抜出口から水を抜き出しこの熱交換器へと搬送する経路を選定する経路選定弁とを有し、当該氷蓄熱装置は、水蓄熱装置としても利用可能であるとよい。かかる構成によれば、氷を蓄氷せずとも冷熱を賄えるときには、水蓄熱装置として運用できる。そのため、省エネ効果を奏し得る。

上記蓄熱槽の水位を測定する水位測定手段と、測定された水位から蓄熱槽内のおおよその氷充填率を推定して、当該氷蓄熱装置の制御を行う装置制御部とを更に備えるとよい。かかる構成によれば、氷充填率を考慮して、氷蓄熱装置（特に製氷機）を最適に稼動させることができる。なお、ブロック状の氷が水面から突出する可能性があるため、氷充填率の推定値はおおよそのものとなる。しかし、解氷終了時の水位は常時一定となるため、氷蓄熱装置としての運用から水蓄熱装置としての運用へ切り替えるための指標としては正確なものとなり得る。

上記課題を解決するために本発明にかかる氷蓄熱装置の他の代表的な構成は、内部に水と氷が貯留される蓄熱槽と、氷を製氷して蓄熱槽に供給する製氷機と、熱交換媒体として水を用い、負荷側と熱交換を行う１または複数の熱交換器と、蓄熱槽から熱交換器へ水を搬送する第１水搬送配管と、熱交換器から蓄熱槽へ熱交換に利用された水を戻す第２水搬送配管と、を備え、第２水搬送配管は、蓄熱槽内の上方に浮遊し得る氷に向かって、水面下から熱交換に利用された水を放出する１以上の水吐出口を有することを特徴とする。

かかる構成によれば、熱交換特性を向上させることができる。

上記第１水搬送配管は、水吐出口から所定以上深い位置にある水を熱交換器へと搬送するとよい。かかる構成によれば、少なくとも氷残在時（ＩＰＦ＞０％）においては、常に一定の温度以下の水を熱交換器へと供給することができる。

本発明によれば、良好な耐久性を保ちつつ、ＩＰＦ（氷充填率）の向上、熱交換特性の向上を成し得る氷蓄熱装置を提供することができる。

本発明の氷蓄熱装置の一実施形態を模式的に示す図である。 図１に示す氷蓄熱装置の概略的な機能ブロック図である。 図１に示す氷搬送配管の排出口を示す図である。 図１に示す第２水搬送配管の水吐出口を示す図である。 図１に示す氷蓄熱装置の応用例を模式的に示す図である。 水吐出口検証における検証条件を示す図である。 仮想負荷検証における実験装置の概要を示す図である。 仮想負荷検証における検証条件および結果を示す図である。

以下に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詳細に説明する。係る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すぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、又本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本発明の氷蓄熱装置の一実施形態を模式的に示す図である。また、図２は、図１に示す氷蓄熱装置の概略的な機能ブロック図である。本実施形態にかかる氷蓄熱装置１００は、冷却塔１１０、冷却水搬送配管１１２、ブラインターボ１１４、ブライン搬送配管１１６、製氷機１２０、氷搬送配管１２２、蓄熱槽１３０、非常用水栓１３２、水位測定手段としての水位計１３４、第１水搬送配管１４０、熱交換器１４８、第２水搬送配管１５０、第３水搬送配管１５８、装置制御部１６０、非常用発電装置１６２を包含する。なお、冷却水搬送配管１１２、ブライン搬送配管１１６、第１水搬送配管１４０、第３水搬送配管１５８には、ポンプ１７０が設置されている。以下、上記した各要素について順に説明する。

冷却塔１１０は、冷却水を生成して、この冷却水が有する冷熱を冷却水搬送配管１１２によりブラインターボ１１４へ供給する。ブラインターボ１１４は、供給された冷熱を得たブラインをブライン搬送配管１１６から製氷機１２０へ搬送する。

製氷機１２０は、ブラインターボ１１４から搬送されたブラインの冷熱を利用して、ブロック状の氷１２０ａを製氷する。ブロック状の氷１２０ａを用いることで、焼結現象の発生や水道（みずみち）の形成といった従来技術の欠点を解消する（熱交換特性を向上する）と共に、ＩＰＦの向上を図ることができる。なお、本実施形態において、シャーベット状の氷とは通気性（通水性）を有するものであり、ブロック状の氷とは通気性（通水性）を殆ど持ち得ないものと定義する。

製氷機１２０は、蓄熱槽１３０の水面より高い位置に設置される。すなわち、蓄熱槽１３０の充填時（最高水位）を考慮して、その高さよりも高い位置に設置される。そして、この位置から、製氷したブロック状の氷１２０ａを水と共に氷搬送配管１２２へと落とし込む。氷搬送配管１２２は蓄熱槽１３０と連結していて、氷搬送配管１２２の水面と蓄熱槽１３０の水面の高さを等しくするように常時重力が作用する。そのため、０．２ｍ／ｓｅｃ（好適には１．０ｍ／ｓｅｃ）以上の水流を氷搬送配管１２２に注入し得れば、蓄熱槽１３０の下部へとブロック状の氷１２０ａを搬送することができる。

なお、水流を氷搬送配管１２２の軸心を外して注入することで、旋回流を発生させることができる。旋回流を用いることで、ブロック状の氷１２０ａをも旋回させながら搬送することができ、氷搬送配管１２２がブロック状の氷１２０ａにより詰まることを回避できる。

氷搬送配管１２２は、蓄熱槽１３０の外部に設置され、上述したように製氷機１２０から蓄熱槽１３０の下部へブロック状の氷１２０ａを水流により搬送する。氷搬送配管１２２を蓄熱槽１３０内に設置した場合、蓄熱槽１３０の容量減少を招くと共に、蓄熱槽１３０内のブロック状の氷１２０ａの上昇を阻害するおそれがあるためである。すなわち、このような構成を採用することで良好な制御性を実現することができる。加えて、氷搬送配管１２２を外部に設置することで、メンテナンス性や施工性の向上も図り得る。

氷搬送配管１２２の配管径は、ブロック状の氷１２０ａの直径の平均値の５倍以上に設定される。配管径をこのように規定することで、氷搬送配管１２２に詰まりを生じることなく、ブロック状の氷１２０ａを搬送することができる。

なお、通常、その温度の低さから製氷直後の氷（ブロック状の氷１２０ａ）は周囲の水を再凍結させてくっつくおそれがある。しかし、本実施形態においては、氷搬送配管１２２搬送中に氷の顕熱分が水により処理されて０℃に近い氷となるため再凍結が発生せず、蓄熱槽１３０内でも流動性を確保し得ることが実証されている。

図３は、図１に示す氷搬送配管の排出口を示す図である。図３に示すように、氷搬送配管１２２は、同一の水平面上に配置された複数の排出口１２４ａ、１２４ｂを有し、蓄熱槽１３０内（上方）へブロック状の氷１２０ａをほぼ均等に分配して放出する。これにより、蓄熱槽１３０内でブロック状の氷１２０ａが偏在して蓄氷されることを防止でき、ＩＰＦの向上を図ることができる。なお、本実施形態では排出口１２４ａ、１２４ｂの数を２箇所としているが、これに限定されるものではなく、更に排出口１２４の数を増してもよい。

蓄熱槽１３０は、建物の外壁に沿って設置される縦型蓄熱槽であり、内部に水とブロック状の氷１２０ａが貯留される。この形態は、従来多用されてきた地下蓄熱槽とは異なり、地下掘削を要しないため、コスト削減および工期の短縮を図り得る。

非常用水栓１３２は、蓄熱槽１３０内に貯留された水を外部に供給する。すなわち、蓄熱槽１３０は、非常用水栓１３２を介して、非常時に内部に貯留された水を消防用水や緊急生活用水として排出可能なコミュニティタンクである。

水位計１３４は、超音波利用や圧力検知等、種々の方式により蓄熱槽１３０内の水位を測定する。概して、水の密度は１．００ｇ／ｃｍ^３、氷（ブロック状の氷１２０ａ）の密度は０．９２ｇ／ｃｍ^３であるので、蓄熱槽１３０内に貯留された水がほぼ全て氷になると仮定すると、蓄熱槽１３０内の水位は１割程度増すこととなる。そのため、蓄熱槽１３０内の水量を一定とすれば、水位の測定により、そのときのＩＰＦを推定できる。本実施形態では、水位計１３４の測定値は、随時、装置制御部１６０へと送られる。

第１水搬送配管１４０は、蓄熱槽１３０から水を抜き出す各々異なる高さに配置された複数の水抜出口１４２と、水を熱交換器１４８へと搬送する経路を選定する経路選定弁１４４とを有し、蓄熱槽１３０内から熱交換器１４８へ水を搬送する。経路選定弁１４４は、後述する装置制御部１６０により制御される。

好適な例としては、蓄熱槽１３０内氷残存時には、熱交換器１４８へと水を搬送する場合に経路選定弁１４４は、目的の熱交換器１４８から直近の搬送経路を選定する。すなわち、直近となる水抜出口１４２から抜き出した水を目的の熱交換機１４８へと搬送する。氷残存時においては、蓄熱槽１３０内のいずれの部分から水を抜き出し搬送しても、同等の冷熱効果が得られるからである。これにより、ポンプ１７０にかかる負荷の低減が図れる。

また、解氷時には、熱交換器１４８へと水を搬送する場合に経路選定弁１４４は、蓄熱槽１３０の下部に位置する水抜出口１４２から水を抜き出し目的の熱交換器１４８へと搬送する経路を選定する。４℃以上の水（熱交換器１４８へ搬送する水温として求められるのは７℃以下）は冷熱を有する程比重が重くなり、下方に滞留する傾向にあるためである。なお、後述する熱交換器１４８により温められた水が、上部に放出されるためでもある。すなわち、このような構成によれば冷熱を有する水を目的の熱交換器１４８へと搬送することができる。

なお、過度な冷熱を要しない場合には（例えば、寒暖差の少ない環境で使用する冷房等）蓄熱槽１３０にブロック状の氷１２０ａを蓄氷せずとも、上述した蓄熱槽１３０下部からの水の抜き出しで対応できる。詳細には、製氷機１２０の冷却を製氷を要しない程度にまで弱めて稼動し、対応することができる。換言すれば、水蓄熱装置として運用することができ、ブラインターボ１１４の効率向上による省エネ効果を奏し得る。

熱交換器１４８は、蓄熱槽１３０から搬送された水を熱交換媒体として用い、負荷側と熱交換を行う。負荷側としては、例えば、空気調節を行う空調機（ＡＨＵ：Air Handling Unit）を接続することができる。

第２水搬送配管１５０は、熱交換器１４８から蓄熱槽１３０へ熱交換に利用された水を戻す。具体的には、先端付近に形成された水吐出口１５２より、蓄熱槽１３０内に水を返す。なお、熱交換に利用された水は温められているため、比重が小さく優先的に上昇し得る。

図４は、図１に示す第２水搬送配管の水吐出口を示す図である。図４に示すように、水吐出口１５２は蓄熱槽１３０の水面下に配置され、上方に浮遊するブロック状の氷１２０ａに向かって、熱交換に利用された水を放出する。これにより、熱交換に利用された水がブロック状の氷１２０ａと高効率で熱交換できるので、熱交換特性の向上を図り得る。また、水面下からの水の放出となるので、空気を巻き込むことがなく、機器の腐食を促進するおそれが排除される。なお、好適には、水吐出口１５２は水位が最も低くなる解氷終了時（完全解氷時）において水面下１０ｃｍ程度の位置に配置される。

第３水搬送配管１５８は、ブロック状の氷１２０ａを製氷する際に要する水を蓄熱槽１３０から抜き出し、製氷機１２０へと搬送する。第３水搬送配管１５８の抜出位置は製氷機１２０の近くに配置されており、設置されたポンプ１７０の負荷を低減している。このとき製氷機１２０が水面より高い位置に設置されていることから、第３水搬送配管１５８は水面近傍に配置されることになるが、氷１２０ａが充填された領域の低温の水を抽出して製氷に用いることにより、製氷速度を向上させることができる。

装置制御部１６０は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含んで構成されるコンピュータシステムであり、氷蓄熱装置１００全体を制御する。具体的には、水位計１３４から送られた測定値よりＩＰＦを推定して、製氷機１２０の運転調節を行ったり、経路選定弁１４４やポンプ１７０の制御により各配管を通じて水の循環を行ったりする。

装置制御部１６０には、例えば、既存のＢＥＭＳ(Building Energy Management System)を利用することができる。すなわち、氷蓄熱装置１００は、通常の氷蓄熱装置と同様の設計を適用できる利点がある。

非常用発電装置１６２は、停電時などに接続された所定の電気機器に電気を供給する。製氷機１２０の製氷は一般的に夜間の電気料金が安い時間に集中的に行われているため、非常用発電装置１６２よりポンプ１７０等の最低限の動力源に電気を供給するだけで、氷蓄熱装置１００は稼動し得る。

非常用発電装置１６２がもたらす効果としては、例えば、停電時におけるサーバールームへの空調の維持が挙げられる。サーバールームにおいて空調が停止すると、その室内の温度は数分間で６０℃から７０℃に達し得る。本実施形態の氷蓄熱装置１００によれば、停電時にも空調を継続することができるため、情報をバックアップする時間を稼ぐことができる。すなわち、業務継続性を改善することができる。

ポンプ１７０は、種々の方式により流体に圧力を加えて送り出す。本実施形態では、ポンプ１７０は装置制御部１６０により制御される。

なお、本実施形態において、ポンプ１７０は、各々の熱交換器１４８に割り当てられて設置されている。そのため、例えば各々の熱交換器１４８がテナントビルなどの各階に設置される場合、勤務体系の異なる業種にも容易に対応することができる。よって、延いてはビル自体のクオリティ向上にも寄与し得る。

また、各階での冷熱使用量が分割可能となるためテナント別に課金が可能となる。従来は共用であった一次側のポンプ１７０の電力量も各階持ちとすることができるため、いわば小規模な地域冷暖房と同様の扱いをすることができる。故に、明瞭な課金が可能となる。

また、各階の冷熱使用量を判断できるため、改正省エネ法に対応するために実施され得るビルの省エネ診断に資する情報を収集することも可能となる。この情報は、今後事業者ごとのＣＯ_２排出量把握が義務化された場合にも、正確な情報として活用することができる。

以上説明した要素により、本実施形態にかかる氷蓄熱装置１００は構成される。本構成の特徴の一つとして、ブロック状の氷１２０ａを蓄熱槽１３０の上方から導入し得ないことが挙げられる。詳述すると、ブロック状の氷１２０ａを上方から一定量以上導入すると、この氷が水面を超えて盛り上がってしまい、空気中に曝された氷が焼結現象により氷塊を形成し得る。水面からの盛り上がりは導入した氷の１割程度にも達し、この影響は蓄熱槽１３０が大型化するに従って、またブロック状の氷１２０ａの導入量が増加するに従って顕著になる。仮に、盛り上がった部分を押圧により押し込もうとしても、シャーベット状の氷に比してブロック状の氷１２０ａは硬く、この氷が密に配置されることとなるので、押し込むことが困難である。水面よりも上にある氷は水の冷却に寄与しにくいため、氷蓄熱としての機能の低下を招いてしまう。

すなわち、本発明者らは、鋭意検討の結果、シャーベット状の氷が内包し得る課題等を解決するために、ブロック状の氷１２０ａを好適に蓄氷（搬送）可能な方式として、上述した重力と水流を用いた構成を見出した。ブロック状の氷１２０ａは、比較的高い浮力を有するため水深方向への搬送には難を有するが、この構成によれば解決できる。一方、本発明を踏襲せずに、例えば製氷機１２０を蓄熱槽１３０の水面より低い位置に配置して、ポンプによってブロック状の氷１２０ａを引っ張ろうとしても、動力が嵩むばかりとなる。また、この場合において蓄熱槽１３０の規模が一定以上であると、ブロック状の氷１２０ａを引っ張り得るポンプ自体が限られてくる。よって、本実施形態にかかる氷蓄熱装置１００の技術的貢献は明らかであり、以下の応用例を持って奏し得る効果を更に飛躍させる。

図５は、図１に示す氷蓄熱装置の応用例を模式的に示す図である。図５に示す氷蓄熱装置２００と上述した構成（氷蓄熱装置１００）の差異は、蓄熱槽２３０（蓄熱槽１３０と同様に熱交換器１４８等が接続される）を更に備えていることである。

具体的には、製氷機１２０にて製氷されたブロック状の氷１２０ａは、２つの蓄熱槽１３０、２３０へと分岐する氷搬送配管１２２により搬送される。搬送先の蓄熱槽１３０、２３０は、氷搬送配管１２２に取り付けられた経路選定弁１４４によって選定される。そして、水位調節配管２３２がブロック状の氷１２０ａの搬送に伴う、水位変動を調節する。

換言すれば、上記構成により離れた位置に存在する複数の蓄熱槽１３０、２３０に１つの製氷機１２０等から冷熱（ブロック状の氷１２０ａ）を供給することができる氷蓄熱装置２００の運用が可能となる。

以下、本発明の理解を促進するために、実施例を示し更に詳細に説明する。

（水吐出口検証）
蓄熱槽１３０上部に集積するブロック状の氷１２０ａへ熱交換器１４８により温められた水を積極的に暴露する手法として、水吐出口１５２の形状に着目した検討を行った。

図６は、水吐出口検証における検証条件を示す図である。図６に示すように、水吐出口の数、位置、口径、水吐出方向にそれぞれ異なる条件を設定した比較例１および実施例１〜６の計７例を用いて検討を行った。比較例１としては、上述した水吐出口１５２とは異なり、水を水平方向に放出する水吐出口１５３を採用した。

実験には、０．０４ｍ^３（Ｗ４５０×Ｄ３００×Ｈ３００ｍｍ）の水槽３３０を使用し、擬似負荷として約１３℃の水道水を水吐出口１５２、１５３より放出させた。検討にあたっては、水槽３３０内の氷が完全融解（放熱終了）するまでの時間を計測することで、氷と水の直接熱交換速度が速くなる条件を模索した。なお、以下、水槽３３０、４３０から抜き出される水を往水、水槽３３０、４３０へ導入される水を環水と称する。

検討の結果、還水を上向きに（上方に浮遊し得る氷に向かい）放出する実施例１〜６では、水平に放出する比較例１に比べて１分ほど完全解氷が早いことが確認された。すなわち、水吐出方向は上向きが望ましいことを確認した。また、口径２５Ａ（塩ビ管規格）の実施例２では、口径１３Ａの実施例１に比べて解氷時間が早いことから口径は、大きいことが望ましいことを確認した。また、水吐出口１５２が吐出側に近い実施例３に比べて水吐出口１５２が水槽中央にある実施例４の方が解氷時間は早く、水吐出口１５２を４箇所にした実施例５よりも水吐出口１５２を６箇所にした実施例６の方が解氷時間は早いことから、水槽内の氷に満遍なく還水を暴露し、水吐出口１５２の数を増やして吐出速度を遅くすることが解氷速度の面で有利であることを確認した。

（仮想負荷検証）
実働を想定した負荷変動やピーク負荷に対する安定性を確認する目的として、上記実施例６の水吐出口１５２（水深１００ｍｍに配置）を用いて実験を行った。

図７は仮想負荷検証における実験装置の概要を示す図である。実験装置４００は、実働負荷を模擬するためにボイラー４４８による温水と蓄熱槽１３０からの往水とを熱交換器１４８で熱交換する方式とした。ブロック状の氷１２０ａには、Ｗ２８×Ｄ２８×Ｈ３０ｍｍのものを使用した。還水温度は、水槽４３０内から抜き出した０℃〜７℃の往水と、ボイラー４４８で作られた７０℃〜８０℃の湯を熱交換器１４８内で熱交換させ、１３℃とするように調整した。また、各還水管内と往水管内に複数のロガー４５４を配置し温度計測を行った。

図８は、仮想負荷検証における検証条件および結果を示す図である。図８（ａ）に示すケース１〜５それぞれの条件で、水槽４３０内に蓄氷された氷の解氷過程を調べた。すなわちケース１〜３は定常負荷として、ケース４および５は非定常負荷として検証を行った。なお、満蓄に近いＩＰＦから実験を開始したケース1と、ＩＰＦが低い状態(約１３％)から開始したケース２を比較した結果、ほぼ同様の解氷過程であることが確認できたため、ケース２〜５の実験は、初期ＩＰＦ１３％からの実験とした。

図８（ｂ）に定常負荷の検証結果を、図８（ｃ）に非定常負荷の検証結果を示す。実験の結果、全てのケースにおいてＩＰＦが５％以下になると、放熱終了時には水深７５０ｍｍ地点で取水する往水の温度が７℃近傍、または７℃を上回ることを確認した。しかし、水深１６５０ｍｍ地点、水深２５５０ｍｍ地点の水は、放熱終了時まで７℃以下を維持していることを確認した。これより、最も高位置となる往水の取水位置を水面（水吐出口）から１６５０ｍｍ程度（所定以上深い位置）に下げることで、放熱終了時まで７℃以下の往水を確保できることを確認した。さらに非定常負荷時においても往水温度の異常は確認されず、このような構成が実働にも対応できることが実証された。

以上、本発明の好適な実施形態、実施例について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態、実施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、各種の変更例又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。

なお、上述した構成によれば、２．５ｃｍ角のブロック状の氷１２０ａで最大５０％程度、微少なブロック状の氷１２０ａにおいては最大８０％程度のＩＰＦを実現し得る。

本発明は、氷および水を蓄熱槽に貯留してその冷熱を熱交換器に利用する氷蓄熱装置に利用できる。

１００、２００、３００…氷蓄熱装置、１１０…冷却塔、１１２…冷却水搬配管、１１４ブラインターボ、１１６…ブライン搬送配管、１２０…製氷機、１２０ａ…ブロック状の氷、１２２…氷搬送配管、１２４…排出口、１３０、２３０…蓄熱槽、１３２…非常用水栓、１３４…水位計、１４０…第１水搬送配管、１４２…水抜出口、１４４…経路選定弁、１４８…熱交換器、１５０…第２水搬送配管、１５２、１５３…水吐出口、１５８…第３水搬送配管、１６０…装置制御部、１６２…非常用発電装置、１７０…ポンプ、２３２…水位調節配管、３３０、４３０…水槽、４００…実験装置、４４８…ボイラー、４５４…ロガー

Claims (1)

1. 内部に水と氷が貯留される蓄熱槽と、
   氷を製氷して前記蓄熱槽に供給する製氷機と、
   熱交換媒体として水を用い、負荷側と熱交換を行う１または複数の熱交換器と、
   前記蓄熱槽から前記熱交換器へ水を搬送する第１水搬送配管と、
   前記熱交換器から前記蓄熱槽へ前記熱交換に利用された水を戻す第２水搬送配管と、を備え、
   前記第２水搬送配管は、前記蓄熱槽内の上方に浮遊し得る氷に向かって、水面下から前記熱交換に利用された水を放出する１以上の水吐出口を有することを特徴とする氷蓄熱装置。

Images