JP6169363B2 - 熱媒体制御装置、冷却加熱システム、温度調整装置および冷却加熱システムの増設方法 - Google Patents
熱媒体制御装置、冷却加熱システム、温度調整装置および冷却加熱システムの増設方法 Download PDFInfo
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例えば、特許文献1の厨房に配設された排熱回収装置の一例を示すレイアウト図(特許文献1の図3参照)には、レストランの厨房の内気を排出する排気ダクトの排気路に排気側熱交換部が設置され、厨房の外気を取り込む給気ダクトの給気路に給気側熱交換部が設置され、圧縮機と膨張弁とが給気ダクトを挟んでそれぞれ配置され、この圧縮機と膨張弁とが、排気側熱交換部と給気側熱交換部とに、それぞれ配管により接続されて、熱媒体を循環させる閉回路が形成された排熱回収装置が記載されている。
特許文献1に記載の排熱回収装置では、夏場等の外気温が高い間は使用せず、使用外気温度は−15℃〜15℃の範囲とし、外気温が15℃以上に上昇すると停止するように、外気温度を温度監視しており、排熱回収する室内温度は20℃〜35℃で適用するようになっている。
1筐体とした冷凍機のショーケースへの配管は、熱媒体が送出される配管接続口と、戻る熱媒体が流入する配管接続口の2口である。熱媒体が送出される配管接続口に接続される配管は、膨張弁を経由してショーケースに行き、ショーケースからの戻り配管は、熱媒体が流入する配管接続口につながる。膨張弁は個々のショーケースに対応するものを選定する必要があるので、専門知識を必要とする。
それぞれの接続配管口は、配管を流れる熱媒体の流速の関係や配管の接続の間違いを防止するため、凝縮器用配管接続口とショーケース用配管接続口とは接続できる配管太さは異なっている。
2筐体の冷凍機では、空冷の凝縮器と冷凍機本体とは専用組み合わせとなっていて、冷凍機本体を製造するメーカーのものしか接続することができず、他メーカーの異なる凝縮器を接続することができない。
配管はコストを低く抑えられるので細い方がよい。内部配管のコストが抑えられれば装置のコスト価格が安くなり、外部配管が細ければ工事コストも抑えられる。しかし、圧縮機からの内部配管が接続される第1配管接続口は、圧縮機により熱媒体が高圧高温ガス状態となっているため、太い管径とするのが望ましい。また、圧縮機への流路となる内部配管が接続される第4配管接続口は、熱媒体が低圧ガス状態なので、第1配管接続口と同様に太い管径とするのが望ましい。従って、第1配管接続口および第4配管接続口は太管にし、熱媒体の流れによる圧力低下を少なくすることができる。また、膨張弁に接続される第2配管接続口および第3配管接続口に流れる熱媒体は、液体状態または液体と気体の混合状態なので、細管とすることができる。
本発明の熱媒体制御装置に、複数の交換器で構成した第1の熱交換器または/および第2の交換器を並列接続したり、直列接続したりすることができる。
本発明の温度調整装置によれば、温度調整を不要とした本発明の熱媒体制御装置であっても、運転台数を変えることで温度調整することができる。
本発明の冷却加熱システムの増設方法によれば、本発明の冷却加熱システムを、既設設備の出力低下に応じて台数を増設したり、出力増強に応じて台数を増設したりすることで、既設設備としての加熱装置および/または冷却装置の入れ替えを、本発明の冷却加熱システムの台数を増やしながら徐々に進めることができるので、大きな導入コストが一度に発生することを回避することができる。
本発明の実施の形態1に係る冷却加熱システムを図面に基づいて説明する。
図1に示す冷却加熱システム1は、図示しない既設設備と共に設置され、冷熱側と温熱側とに、それぞれ、熱交換器が配置され、それぞれの熱交換器と外部配管により接続された熱媒体制御装置により熱媒体を冷却、加熱し、循環させることで、既設設備の出力低下した場合や既設設備の出力増強が必要となった場合に、不足分の一部または全部を補充するものである。
冷却加熱システム1は、排気装置A13の排気側に設置された第1熱交換器20と、冷温水器A11から熱媒体である水が循環する配水管A14に接続された第2熱交換器30と、これらの間に熱媒体を循環させる熱媒体制御装置10とを備えている。冷却加熱システム1は、第1熱交換器20と第2熱交換器30と熱媒体制御装置10とが、それぞれが別々の筐体で構成された3ピース構造である。
第1熱交換器20と第2熱交換器30と熱媒体制御装置10とを循環する熱媒体は、冷房サイクル、暖房サイクルで、十分な圧縮、膨張を行えるものであれば使用できる。
図3に示す冷却加熱システム1は、インバータ式ヒートポンプ装置である。
熱媒体制御装置10は、熱媒体を圧縮する電気式の圧縮機101と、熱媒体の流れ方向を変える四方弁102と、熱媒体量を調整するための受液器103と、熱媒体を減圧するための第1膨張弁104および第2膨張弁105と、気体状態の熱媒体および液体状態の熱媒体を分離する気液分離器106とを備え、それぞれが内部配管により接続され、筐体11に収容されている。
この内部配管には、圧縮機101の吐出側に位置する第1圧力センサ107と、圧縮機101の吸込側に位置する第2圧力センサ108とが設けられている。また、これらの構成をインバータ制御するための制御盤109が設けられている。
第1配管接続口C1は、圧縮機101からの熱媒体を配送する内部配管に、第1熱交換器20への渡り配管P11を接続する送出口である。
第2配管接続口C2は、第1熱交換器20からの戻り熱媒体を配送する渡り配管P12を、膨張弁への流路となる内部配管に接続する流入口である。
第3配管接続口C3は、膨張弁からの熱媒体を配送する内部配管に、第2熱交換器30への渡り配管P21を接続する送出口である。
第4配管接続口C4は、第2熱交換器30からの戻り熱媒体を配送する渡り配管P22を、記圧縮機への流路となる内部配管に接続する流入口である。
従って、第1配管接続口C1の内径を有する渡り配管P11が接続される第1熱交換器20の配管接続口H1と、第4配管接続口C4の内径を有する渡り配管P22が接続される第2熱交換器30の配管接続口H1とは内径が同径である。
また、第2配管接続口C2の内径を有する渡り配管P12が接続される第1熱交換器20の配管接続口H2と、および第3配管接続口C3の内径を有する渡り配管P21が接続される第2熱交換器30の配管接続口H2とは内径が同径である。
図2に示す建物A1では、例えば、各フロアで冷房を使用するために、冷温水器A11により冷水が配水管A14を循環させているものとする。排気装置A13からは、換気による各フロアの空気が排出される。冷却加熱システム1は、排気装置A13からの排熱(冷房時は外気より冷熱)である未利用エネルギーを利用して、配水管A14内を流れる水を冷却する。この場合、配水管A14が冷熱側となるため、第2熱交換器30が冷熱側熱交換器であり、排気装置A13が温熱側となるため、第1熱交換器20が温熱側熱交換器となる。
この流路により、まず、圧縮機101により圧縮された高圧高温の熱媒体が、四方弁102を通過し、渡り配管P11を通過して、凝縮器として機能する第1熱交換器20へ送られる(S10)。排気装置A13からの排気と第1熱交換器20が熱交換することにより、熱媒体が液化する(S20)。
排気装置A13による室内からの排気(冷熱温度)は、冷房された室内からの空気であるため、外気(外気温度)と比較して温度が低い。従って、第1熱交換器20が外気と熱交換する場合には、高い温度と熱交換することになるので、圧縮機101の高温高圧状態の熱媒体を冷熱温度より高い外気温度で冷却することになり、同じ熱量を放熱するには熱媒体の温度を上昇させなければ放熱できない。
このように圧力が低圧状態で一定となるように圧縮機101を運転することで、第1熱交換器20が熱交換する際の温度が、冷熱温度や外気の温度が変動しても、第2熱交換器30での熱媒体の温度を一定に維持することができる。冷房運転において、制御盤109が熱媒体の状態を低圧一定とすることで、温熱側の温度を測定して圧縮機101の回転を調整する必要がないため、温度センサや圧力センサと接続するための配線が不要である。
排気装置A13による室内からの排気(排熱温度)は、暖房された室内からの空気であるため、外気(外気温度)と比較して温度が高い。従って、第1熱交換器20が外気と熱交換する場合には、低い温度と熱交換することになる。従って、圧縮機101により熱媒体を高温とする場合には、排気温度の場合より圧縮機はより多くの仕事が必要になる。
このように圧力が高圧状態で一定となるように圧縮機101を運転することで、第1熱交換器20が熱交換する際の温度が、排気温度や外気の温度が変動しても、第2熱交換器30での熱媒体の温度を一定に維持することができる。暖房運転において、制御盤109が熱媒体の状態を高圧一定とすることで、冷熱側の温度を測定して圧縮機101の回転を調整する必要がないため、温度センサや圧力センサと接続するための配線が不要である。
図7(A)は、建物A1における冷暖房に必要とされる出力の一例を示している。図7(A)に示す例では、仮に10時から19時までの間をガス吸収式の冷温水器A11の運転期間としている。この運転期間中の必要な出力に対して、ガス吸収式の冷温水器A11が100%の出力で運転する。
しかし、ガス吸収式の冷温水器A11は経年と共に出力が低下する。例えば、図7(B)に示すように、運転10年で出力の減少が20%〜30%となるものもある。
既設設備がボイラーであれば未燃物の配管外部への継続的な堆積や、配管内部へはスケールの堆積、その他材料の腐食などにより、性能が劣化し、吸収式冷凍機であれば配管のシール部分の密閉性が低下して外気が侵入して内部の真空度が低下して、出力が低下する。出力が低下して、修繕による回復が望めなくなると、設定温度を維持できなくなる。そうなると、設備管理者は、新規の冷却装置や加熱装置の導入を検討することになる。
更に、出力が低下したからといっても、既設設備が稼働できない訳ではないため、既設設備を廃棄して、新規装置を導入するのは、不経済である。
そこで、既設設備を有効活用することで装置の小型化が図れ、導入コストを抑制することができる熱媒体制御装置が有効である。
ここで、冷却加熱システム1の出力は必ずしも20%でなくてもよい。これは、冷却加熱システム1の出力が20%に不足する場合は温度調整に多少問題がある程度であり、冷却加熱システム1の出力が20%を超える場合、温度調整は既設設備が出力を低下させて調整するからである。
また、冷却加熱システム1は、冷熱側の未利用エネルギーを利用して温熱側の加熱をしたり、温熱側の未利用エネルギーを利用して冷熱側を冷却したりすることで、未利用エネルギーの有効活用を図ることが可能である。
また、既存設備の出力が低下した場合だけでなく、既設設備の出力増強が必要となった場合でも、既存設備と比較して小型の冷却加熱システム1を、既存設備と組み合わせて設置することで、容易に出力増強を図ることができる。
図17に示す特許文献2に記載の排熱回収型ヒートポンプでは、電算室で発生した熱は、熱交換器51で熱交換され、冷水還管52を介してヒートポンプ50へ移送され、ヒートポンプ50の吸熱器(図示せず)により吸熱され、吸熱器により吸熱された電算室の発熱が、ヒートポンプ50の温水熱交換器(図示せず)側へ移行され、一般室系統空調機の熱交換器53へ温水往管54を介して移送される。
また、図17に示す従来の冷却加熱システムでは、熱交換器51,53を循環する水と熱交換する吸熱器および温水熱交換器がヒートポンプ50内に配置されている。しかし、冷却加熱システム1では、図3に示すように、圧縮機101からの熱媒体が、第1熱交換器20と第2熱交換器30とへ直接循環するので、熱交換器を熱媒体制御装置10内に設ける必要がない。
この場合、図9に示すように、各フロアに設置される室内機として、第1熱交換器20と同じ構成の第2熱交換器31を、渡り配管P21,P22に接続するようにする。
この場合、図11に示すように、第2熱交換器30と同じ構成の第1熱交換器21を、渡り配管P11,P12に接続するようにする。
更に、制御盤109により設定された周波数に基づいて、圧縮機101を一定回転させるようにしてもよい。
次に、本発明の実施の形態2に係る冷却加熱システムについて、図面に基づいて説明する。本実施の形態2の冷却加熱システムでは、熱媒体制御装置に、複数の熱交換器が外部配管により並列または直列に接続されていることを特徴とするものである。
図12(A)に示すように、ファンFにより強制対流する空気と熱交換する3台の熱交換器が第1熱交換器20aとして、また、同様に、ファンFにより空気と熱交換する3台の熱交換器が第2熱交換器31aとして、熱媒体制御装置10に接続されている。
第2熱交換器31aとした3台の熱交換器は、それぞれの配管接続口H1に、熱媒体制御装置10の配管接続口C3と、外部配管P24により並列接続されている。また、3台の熱交換器のそれぞれの配管接続口H2と、配管接続口C4と、外部配管PP23により並列接続されている。
第2熱交換器31bとした3台の熱交換器は、熱媒体制御装置10の配管接続口C3と最初の熱交換器の配管接続口H2とを接続する外部配管P25と、それぞれの熱交換器の配管接続口同士を接続する外部配管P26と、熱媒体制御装置10の配管接続口C4と最初の熱交換器の配管接続口H1とを接続する外部配管P27とにより、直列接続されている。
外部配管P16または外部配管P26を流れる熱媒体は、気体状態の熱媒体と液体状態の熱媒体とが混合した状態である。従って、外部配管P16や外部配管P26が細管であると、圧力損失が大きくなる。従って、外部配管P16および外部配管P26により接続される、それぞれの熱交換器の配管接続口は、圧力損失を低減するために、少なくとも、配管接続口H1と同じ管径か、それよりも大きいのが望ましい。
次に、本発明の実施の形態3に係る冷却加熱システムについて、図面に基づいて説明する。
本実施の形態3では、既設設備の出力低下が進行すると共に、冷却加熱システムを増設し、最終的に既設設備を撤去したときに、温度調整も熱媒体制御装置側で行うことを特徴とするものである。なお、図13から図15においては、図3,図5,図9および図11と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
冷却加熱システムXは、第1熱交換器20が、部屋Cの排気口C11に設置され、第2熱交換器31が、部屋Cの吸気口C12に設置されている。そして、熱媒体制御装置10が第1熱交換器20および第2熱交換器31と配管により接続されて室外に設置されている。
例えば、図16(A)に示すように、既設設備の出力低下が20%である場合に、20%の出力低下を補うために、20%を出力する冷却加熱システムXが設置される。
2台目の冷却加熱システムYは、第1熱交換器20が、部屋C内に設置され、第2熱交換器30が、例えば、図10(A)に示す雑排水槽A21のようなタンクC13に浸漬されている。そして、熱媒体制御装置10が第1熱交換器20および第2熱交換器30と配管により接続されて室外に設置されている。
そこで、増設が最後となる冷却加熱システムを導入する際に、温度調整機能付き冷却加熱システムを設置する。
これら3台の冷却加熱システムX〜Zは、温度調整装置40により制御される。温度調整装置40は、室内の温度を測定するための温度センサ41と、運転する冷却加熱システムの台数を制御する制御部42と、それぞれの冷却加熱システムX〜Zの熱媒体制御装置10に配置され、制御部42からの信号に基づいて、熱媒体制御装置10の運転信号の投入や切断を行う投入切断部43a〜43cとを備えている。
例えば、温度調整範囲を0℃から50℃、制御部42に設定された温度(設定温度)を25℃、制御部42による温度制御の比例帯の設定幅(比例帯設定)を10%とする。また、比例帯設定が10%であることから設定温度に対して5℃が比例帯となるので、比例帯の下限温度は25℃−5℃÷2=22.5℃となる。また比例帯の上限温度は、25℃+5℃÷2=27.5℃となる。
VO=4/5×T−17・・・(1)
次に、室温が低下して、検知温度が26℃となった場合に、式(1)から3.8Vが制御部42から出力される。従って、投入切断部43cは動作電圧を下回ったため、冷却加熱システムZの運転信号を切断して停止させる。
また、冷却加熱システムを、既設設備の出力低下、または出力増強に応じて台数を増設することで、既設設備としての加熱装置および/または冷却装置の入れ替えを冷却加熱システムの台数を増やしながら徐々に進めることができる。従って、既設設備を廃棄して全てを新規とするために、冷却装置や加熱装置を一度に調達する必要がないので、大きな導入コストが一度に発生することを回避することができる。
また、図2に示すように、熱媒体制御装置10は、冷房運転では圧縮機101に流入する熱媒体の圧力が低圧状態で一定となるように運転され、暖房運転では圧縮機101から流出する熱媒体の圧力が高圧状態で一定となるように運転されるインバータ制御であるため、コンプレッサーの運転周波数を細かく制御可能なため、定速コンプレッサーの場合より、より狭い温度範囲の温度制御が可能で、かつCOPのよい運転が可能である。
圧縮機の駆動として、電気式以外に、蒸気式や空気式、エンジン式とすることができる。圧縮機を蒸気式や空気式とした場合では、余剰蒸気や余剰空気を利用して圧縮機を駆動することで、更に効率を向上させることができ、COPのよい運転が可能である。
10 熱媒体制御装置
101 圧縮機
102 四方弁
103 受液器
104 第1膨張弁
105 第2膨張弁
106 気液分離器
107 第1圧力センサ
108 第2圧力センサ
109 制御盤
20,20a,20b,21 第1熱交換器
30,31,31a,31b 第2熱交換器
40 温度調整装置
41 温度センサ
42 制御部
43a,43b,43c 投入切断部
P11,P12,P21,P22 渡り配管
P13,P14,P15〜P17 外部配管
P23,P24,P25〜P27 外部配管
A1,A2 建物
A11 冷温水器
A12 室内機
A13 排気装置
A14 配水管
A21 雑排水槽
B 製麺工場
B11 茹で槽
B12 冷却槽
B13 ボイラー
B14 ターボ冷凍機などヒートポンプシステムまたは吸収式冷凍機
C 部屋
C11 排気口
C12 吸気口
F ファン
Claims (11)
- 熱媒体を圧縮する圧縮機と、
圧縮された熱媒体を減圧する膨張弁とが筐体に収容され、前記筐体には、前記圧縮機からの熱媒体を配送する内部配管に、第1熱交換器への外部配管を接続する第1配管接続口と、
前記第1熱交換器からの戻り熱媒体を配送する外部配管を、前記膨張弁への流路となる内部配管に接続する第2配管接続口と、
前記膨張弁からの熱媒体を配送する内部配管に、第2熱交換器への外部配管を接続する第3配管接続口と、
前記第2熱交換器からの戻り熱媒体を配送する外部配管を、前記圧縮機への流路となる内部配管に接続する第4配管接続口と、による4つの配管接続口が設けられ、
前記第1配管接続口と前記第4配管接続口とは内径が同径であり、前記第2配管接続口と前記第3配管接続口とは内径が同径であることを特徴とする熱媒体制御装置。 - 前記第1配管接続口および前記第4配管接続口は、前記第2配管接続口および前記第3配管接続口より内径が大きい請求項1記載の熱媒体制御装置。
- 前記圧縮機は、前記第1熱交換器および前記第2熱交換器から、温度情報および圧力情報を受け取らずに制御される請求項1または2記載の熱媒体制御装置。
- 前記圧縮機は電気式であり、インバータ制御により、回転させる周波数を制御する制御盤を備え、
前記制御盤は、前記第1熱交換器または前記第2熱交換器のいずれかの冷熱側熱交換器を冷却する場合に、前記圧縮機に供給される熱媒体の圧力が一定となるように前記圧縮機への周波数を制御し、前記第1熱交換器または前記第2熱交換器のいずれかの温熱側熱交換器を加熱する場合に、前記圧縮機からの熱媒体の圧力が一定となるように前記圧縮機への周波数を制御して、前記圧縮機を一定運転する請求項1から3のいずれかの項に記載の熱媒体制御装置。 - 前記圧縮機は、一定回転により一定運転する定速コンプレッサーである請求項1から3のいずれかの項に記載の熱媒体制御装置。
- 前記圧縮機は、温度調整する既設設備が出力低下した場合、または既設設備の出力増強が必要となった場合に、不足分の一部または全部を補充する請求項1から5のいずれかの項に記載の熱媒体制御装置。
- 前記請求項1から6のいずれかの項に記載の熱媒体制御装置と、前記第1熱交換器と、前記第2熱交換器とを備え、
前記第1熱交換器または前記第2熱交換器のいずれか一方、または両方の熱交換器が、複数の熱交換器により構成され、前記複数の熱交換器が前記外部配管により並列、直列または並列と直列とを組み合わせて接続されていることを特徴とする冷却加熱システム。 - 前記複数の熱交換器は、熱媒体が自然対流または強制対流する流体と熱交換するものである請求項7記載の冷却加熱システム。
- 前記複数の熱交換器は、熱媒体が固体と熱交換するものである請求項7記載の冷却加熱システム。
- 前記請求項1から6のいずれかの項に記載の熱媒体制御装置と、前記第1熱交換器と、前記第2熱交換器とを備えた冷却加熱システムを、複数で運転するときに、前記複数の冷却加熱システムを運転する台数を変更して温度制御することを特徴とする温度調整装置。
- 前記請求項1から6のいずれかの項に記載の熱媒体制御装置と、前記第1熱交換器と、前記第2熱交換器とを備えた冷却加熱システムを、既設設備の出力の不足分、または出力増強に応じて台数を増設する段階と、前記既設設備を撤去するときに、温度調整機能付きの冷却加熱システムを設置する段階とを含むことを特徴とする冷却加熱システムの増設方法。
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