JP6427453B2 - 雪室を用いた冷房設備 - Google Patents

Description

本発明は、冬期に貯蔵した雪を、夏期に冷熱源として利用する冷房設備に関し、大きな冷熱出力で安定した冷熱供給機能を有する雪室を用いた冷房設備に関する。

従来より、冬期に降った雪を雪室に貯蔵し、該雪を冷熱源として水と熱交換して、該熱交換した水を冷熱需要施設の空調等に利用するという冷房方法が採用されている。
この方法における雪と水との熱交換は、雪室の床面を貯水ピットとし、雪が堆積している該床面に水を流し、雪と接触した水が雪を融解し雪の冷熱を吸収することで行われている。
そして、この熱交換により低温度となった冷水が、空調システム等へ送られて利用され、該空調システム等で利用されて温まって戻された水を、雪室の床面に送り、再び雪室内の雪と熱交換するというものである。
しかし、この方法は、雪室の貯水ピットに送水すると、貯蔵されている雪の外縁や内部に水路が形成され、融解の進行とともに前記水路が拡大し、雪と接触しない水の割合が増えてしまい、一定の熱交換がなされず熱交換率や冷熱出力が低下するという問題がある。
また、雪室の貯水ピットを流れる水の偏流は、雪の密度や水の流れで不規則に生じるため、一部の床面だけ早く融解し雪の架橋が形成されることもあり、さらに水路が拡大し、架橋部分が破断すると、再び熱交換面積が増大し、減少していた冷熱出力が増えるというような時間的な不安定性がある。
さらに、雪室の貯水ピットに送られた上流側の水と雪の温度差は、貯水ピット内を流れてきた下流側の水と雪の温度差よりも大きく、そのため、水と雪の熱交換の熱量が、上流側の方が下流側よりも大きくなり、雪の融解速度は上流側の方が大きくなってしまい、上流側の雪の方が早く融解し、下流側の雪だけが残ってしまい冷熱出力が不安定になるという問題がある。

そこで、このような問題に対し、雪室の貯水ピットの床面に溝を施工し、溝内に優先的に水が流れるようにし、溝周辺に水路を形成させることで高い冷熱出力の維持と、時間的な不安定さの解消を図っていた。
その他、この問題を解決するため、雪を均等かつ安定的に融解させるための様々な技術が開示されている。
特許文献１には、
「還り水の供給口３を少なくとも一箇所備えるとともに、熱交換された冷水の取出手段を少なくとも一箇所備え、供給口３から取出手段に至る槽内底部を分割する複数の堰６を設けたことを特徴とする雪冷蓄熱槽。」（特許文献１：特開２００２−１４７９１２号公報）が開示されており、還り水及び融解水を一部底部に滞留させておき、雪と水との接触面積及び接触時間を確保して、安定的に冷水を取り出せる構成となっている。
また、特許文献２には、
「 屋内外に貯蔵する堆積雪氷下部に浸透性舗装を表面にもつ二重構造の冷水槽を設置し、舗装面下に敷設した配管により、雪氷から発生した冷水と配管内循環液との熱交換を行い、雪氷塊より冷熱を得て、冷熱需要先へ供給する冷熱回収装置。」が開示されている（特許文献２：特開２０１１−００７０２９号公報）。これは、雪氷塊の下部に、冷水を通過させる浸透性舗装を表面に設けた二重構造の冷水層を設置し、冷水槽の一端から冷水を供給し、雪と熱交換した冷水を冷水槽中央下部に設けられた集水枡から取り出し、冷水槽の下流に設置した熱交換回路配管に冷媒を循環させ、冷媒と冷水の間で熱交換を行い、冷水槽の他端に設置した環水口から冷水を取り出す構成となっている。

しかし、上記のような解決方法において、雪室の貯水ピットの床面に溝を施工する場合、床面の施工費が高く現実的ではないという問題があった。
また、特許文献１のように槽内底部に複数の堰を設けると、複数の堰の間に架橋が形成されて、雪と冷水との間に空洞ができてしまい、雪と冷水との接触面積を増やすことができず伝熱面積が減少し、冷熱出力が低下してしまうという問題がある。
さらに、特許文献２は冷水槽の下流側に熱交換回路配管を設置し、上流側の雪氷塊が先行して融解しないようになっているため、冷房終期には、下流側のみ雪が残ってしまい冷熱出力が安定しないという問題がある。

特開２００２−１４７９１２号公報 特開２０１１−００７０２９号公報

本発明は、上記問題点を解決することを目的とするものであり、冬期に貯蔵した雪を、夏期に冷熱源として水熱交換して利用し、高冷熱出力で安定した冷熱供給機能を有する雪室を用いた冷房設備を提供することを目的とし、雪を貯蔵する雪室の床面に多数の流路を強制的に形成することによって、伝熱面積の拡大と融解速度の安定化を実現し、冷熱出力の向上と安定化を可能とする雪室を用いた冷房設備を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を下記の手段により解決した、
（１）上流側に還り水の供給口を少なくとも一箇所備えるとともに、この供給口から水平方向に離して、下流側に熱交換されて冷却された冷水の取出口を少なくとも一箇所備えた雪室を用いた冷房設備において、
前記供給口から前記取出口に至る雪室床面に、供給口から取出口に向かって流れる水との接触によって、上流側に形成される雪島と下流側に形成される雪島との融解時間が同じとなるように水路網を設けたこと特徴とする雪室を用いた冷房設備。
（２）前記水路網が、供給口から取出口に向かう複数の横方向の水路と、該横方向の水路と直交する複数の縦方向の水路とからなり、かつ、前記縦方向の水路の配置間隔が取出口に向かって狭くなるように配設されてなることを特徴とする前記（１）に記載の雪室を用いた冷房設備。
（３）前記水路を構成する供給口から取出口に向かう複数の横方向の水路と、該横方向の水路と直交する複数の縦方向の水路により分断されて形成される雪島の底面積が取出口に向かって小さくなるように構成されたことを特徴とする前記（１）に記載の雪室を用いた冷房設備。
（４）前記水路網が、金属製棒体を雪室床面に敷設することによって生じる空間により水路が形成されるとともに、該金属製棒体に雪が接触し融解されて水路が形成されてなることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１に記載の雪室を用いた冷房設備。
（５）前記水路網を構成する供給口から取出口に向かう横方向の水路の本数ｍを、
冷房設備に使用する雪室の床面積、貯蔵する雪の高さ、雪室床面の上流側から供給する還り水の温度と取り出す温度に基づき求めるため、
雪室床面の形状に合わせて、横方向の水路（幅ｄ）をｍ本とし、該横方向の水路と直交した縦方向の水路（幅ｄ）ｎ本を決め、各横方向の水路間の距離が同一、各縦の本数ｍを（１）から（６）の式により求めるステップ１と、
上記ステップ１で求めた横方向の水路の本数ｍが、正しいかを横方向の水路と直交する複数の縦方向の水路間の間隔（上流側から下流側に向かってＬ１、Ｌ２・・Ｌn-1）を上流側から下流側に向かって短く（Ｌ１＞Ｌ２＞・・＞Ｌn-1）なるようにして各雪島の融解時間が同じようになるよう式（８）及び式（９）から求め、
求めた縦方向の水路間の間隔（Ｌ１、Ｌ２・・・Ｌn-1）を使い、下記式（６）の条件を満たしているか否かを検証し、前記条件が満たされていないときは、満たすまで横方向の水路の本数ｍを増やしながら式（６）の条件を満たす横方向の水路の最小本数を求め、この繰り返しにより、上流側の雪島と下流側の雪島との融解時間差が小さくなるよう横方向の水路の本数ｍと各縦方向の水路の間隔（Ｌ１、Ｌ２・・Ｌn-1）を求めるステップ２
とから求められた横方向の水路と縦方向の水路とからなる水路網であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１に記載の雪室を用いた冷房設備。

本発明によれば、上流側に還り水の供給口を少なくとも一箇所備えるとともに、この供給口から水平方向に離して、下流側に熱交換され冷却された冷水の取出口を少なくとも一箇所備えた雪室を用いた冷房設備において、前記供給口から前記取出口に至る雪室の床面に、供給口から取出口に向かって流れる水との接触によって、上流側に形成される雪島と下流側に形成される雪島との融解時間が同じとなるように水路網を設けたので、前記水路網により構成される複数の雪島の底面積が上流側（供給口側）から下流側（取出口側）に向かって小さくなるので、伝熱面積の拡大と融解速度の安定化を実現し、冷熱出力の向上と安定化を可能とする雪室を用いた冷房設備を提供することができる。
また、前記水路網が、金属製棒体を雪室の床面に敷設することによって生じる空間により水路が形成されるとともに、該金属製棒体に雪が接触し融解されて水路が形成されるので、大がかりな工事や設計変更等が不要で、新規の雪室はもちろん、既存の雪室にも容易に、かつ安価に配設することができる。

本発明の雪室を用いた冷房設備の構成を示す概略図である。 本発明における冷房設備の雪室床面に格子状の水路を形成する１例を示す平面図である。 本発明における雪室内の冷房負荷と必要とする冷房負荷の雪の貯蔵期間中の変化を示す図である。 雪室の熱負荷積算、冷房負荷積算、及び負荷トータルの冷房設備雪の貯蔵期間中の積算量の変化を示す図である。 本発明における雪島と従来の雪島の熱交換能力の差異を説明するための平面図である。 本発明における雪島と従来の雪島の熱交換能力の差異を説明するための立面図である。 本発明における水路網により形成される雪島の例を示す平面図である。 本発明における水路網により形成される一つの雪島の例を示す斜視図である。 本発明における水路網により形成される雪島を流れる水の温度変化を表す図である。 本発明の雪室床面に格子状の水路網を形成する場合の横方向の水路の数と縦方向の水路間の間隔を求める説明図である。

図１は本発明の雪室を用いた冷房設備の構成を示す概略図である。
同図において、１は冬期に降った雪を貯蔵する雪室、２は雪室の床面、３は熱交換器からの還り水の供給口、４は供給口から供給され雪室１内で冷却された水の取出口である。
本発明にかかる雪室を用いた冷房設備の基本構成は、図１に示すように、雪室１の供給口３から供給された還り水が、雪室１内の雪との熱交換により冷却され冷水となって取出口４から取り出される。前記取出口４から取り出された冷水は、熱交換器に送られ、冷熱需要施設の空調システム等の冷媒との間で熱交換され、冷熱需要施設の冷房等冷熱源として活用される。
そして、前記熱交換器での熱交換によって温められた水は、還り水として雪室１の供給口３へ送られ、雪室１内で再び雪との熱交換によって冷却され、取出口４から取り出される水の循環で冷房する機構となっている。
図１に示す例においては、雪室１の供給口３から供給された水が、雪との熱交換により５℃に冷やされて熱交換器に送られ、熱交換器で熱交換された７℃の冷媒が冷熱需要施設の空調システム等に供給される。そして、該空調システム等で使用されて温度が１２℃となった冷媒が熱交換器に送られる。
その後、熱交換器によって１０℃に調整された還り水は、雪室１の供給口３から雪室１に供給され、この還り水が雪と接触することで雪が融解され、該還り水は雪の冷熱を吸収して冷やされ、５℃程度の冷水となる。そして、この冷水は取出口４から取り出され、再び熱交換器に送られるという構成となっている。

図２は本発明における冷房設備の雪室床面に格子状の水路を形成する１例を示す平面図である。
図において、５は格子状に形成された水路網、５’は水路網を形成する水路網構成体、６は格子状の水路網を構成する供給口から取出口へ流れる方向に配置される横方向の水路、７は前記横方向の水路６と直交して配置される縦方向の水路である。
また、８は格子状の水路網５を構成する横方向に配置された横棒、９は前記横棒８と直交して縦方向に配置された縦棒である。
本発明の雪室を用いた冷房設備は、図２（ａ）に示すように、雪室の床面に水路網５が格子状に形成される。
本発明における水路網５は、水の偏流によって雪が不規則に融解するのを防止し水の流れを誘導して、所定位置の雪の融解を促進し、水と雪の熱交換を一定に安定して実施させるために設けられるものである。
すなわち水路網５は、水の流れを誘導できるものであればよく、雪室の床面２にあらかじめ凹状に水路を形成して構成したり、熱伝導率の高い棒体を敷設して形成することが考えられる。
図２（ｂ）は、金属製の横棒と、該横棒に直交して形成した縦棒から形成された水路構成体５’である。
同図に示すように、格子状に形成された水路網構成体５’は、横方向に配置された横棒８と、前記横棒８と直交して縦方向に配置された縦棒９から構成される。
本例においては、水路網５の形成する水路網構成体５’は、金属製棒体を雪室の床面２に敷設して構成されている。金属製棒体を雪室床面に敷設することによって生じる空間により水路が形成されるとともに、該金属製棒体に雪が接触して融解されることにより、金属製棒体を中心に水路が形成され、水路網５が形成される。これは、金属製棒体は、熱伝導性に優れていることから雪の融解を促進しやすく水路の形成に好適なためであるが、同様の効果を期待できるものであれば、これに限定されるものではない。
この格子状に形成された水路網構成体５’を雪室の床面に配置することで、各棒８、９に接する雪が優先的に溶け、棒体を中心に水路が形成され、各水路間に残る雪が雪島を形成することで、雪室の床面２に格子状に配列した複数の雪島が形成される。
そして、各雪島の縁部に位置する各棒に沿って水路６、７が形成され水路網５ができる構成となっている。
なお、図２（ｂ）に示すように、雪室の床面２に水路網５を形成するために配置する棒体（横棒８、縦棒９）は、雪室の床面２の周囲は省略することができる。
これは、雪室の床面２の周囲は壁に面しており、該壁からの潜熱により周囲に水路が構成されるからであるが、壁面からの潜熱が期待できないような場合には、床面２の周囲に棒体を配設する。
また、本実施例においては、横方向の水路６、横棒８は等間隔で配置され、縦方向の水路７、縦棒９は各縦棒の配置間隔が異なり下流側（取出口側）に行くに従って間隔が狭くなるように配置されている。
これにより後述するように、雪室１に貯蔵されている雪が底面積の異なる複数の雪島を形成し、かつ、その底面積が供給口３から取出口４に向かって小さくなるので、供給口３から取出口４へ流れる間に変化する水の温度変化により変動する冷熱出力を安定させることができ、複数の雪島を平均して融解することができ、また融解部分が供給口３に偏って伝熱面積が減少することなく、全体の伝熱面積は拡大される。

図３は本発明における雪室１内の冷房負荷と必要とする冷房負荷の雪の貯蔵期間中の変化を示す図である。
同図において、横軸は雪の貯蔵期間、縦軸は熱負荷ｑ（Ｊ／ｓ）である。
ｑLは熱負荷で、例えば、雪室１の外から熱が貫流して入るため、その負荷は４月頃から発生しピークが８月頃になり、１０月頃まで発生する。
これに対してｑcは冷房負荷で、冷房の需要量を示している。冷房需要は例えば、６月頃から発生し、外気温が高くなるにつれて大きくなっていくという性質がある。そしてピーク値ｑｃ-maxは８月中旬頃となる。
したがって、このピーク値ｑｃ-maxに対応可能なように雪室１の床面積を設定し、必要量の雪を貯蔵する必要がある。
図４は、雪室の熱負荷積算、冷房負荷積算、及び負荷トータルの冷房設備雪の貯蔵期間中の積算量の変化を示す図である。
同図において、横軸は雪の貯蔵期間、縦軸は積算熱量Ｑ（Ｊ）を示す。
ＱＬ、Ｑc、Ｑsumはそれぞれ図３に示した、熱負荷ｑL、冷房負荷ｑc、及び負荷トータルｑL＋ｑcの積算値を示したもので、ＱＬは雪室の冷房熱負荷の積算値で４月からゆっくりと上がっている。Ｑcは冷房負荷の積算値で６月から急伸し後半はゆっくりと上がっている。
Ｑsum（点線）は、ＱＬとＱcを合算したもので雪室１に対する熱負荷の合計である。したがって、このＱsumに対応できるように貯蔵する雪の量（Ｍs）が決められ、例えば、Ｑsum（熱負荷の合計）の１．２〜１．３倍の蓄積冷熱Ｑが確保される雪の量が貯蔵できるように雪室１を設計する。

図５は本発明における雪島と従来の雪島の熱交換能力の差異を説明するための平面図、そして図６は本発明における雪島と従来の雪島の熱交換能力の差異を説明するための立面図である。
図５、図６において、（ａ）は本発明における格子状の水路網を雪室の床面２に配設した場合に形成される雪島２１の形状の例であり、（ｂ）は従来の雪室における雪島２２の典型的な形状を示している。雪島２１、２２はいずれも図６に示す雪島の下部の水に浸っている部分が伝熱面積１０（熱交換面積）であり、熱交換能力の大小にかかわる。
図５（ｂ）、図６（ｂ）に示すように従来の雪島２２は一つの大きな塊として形成されており、水に浸かった部分の面積は狭い。
これに対して、図５（ａ）、図６（ａ）に示すように本発明における雪島２１は、複数の横方向の水路６とこれに直交する複数の縦方向の水路７とで分割されて形成されている。したがって、これら複数の雪島２１の外周の下部の水に浸っている部分のすべてが伝熱面積１０であり、従来の雪島２２の伝熱面積に比べて広く、雪室１全体の熱交換能力を大きくしている。

図７、図８は本発明における水路網により形成される雪島２１の配列を示す平面図、及び一つの雪島の形状を示す斜視図である。
図７に示すように、雪室の床面２に幅ｄからなる横方向の水路６を２本（ｍ１、ｍ２）と、同じく幅ｄからなる縦方向の水路７を４本（上流側からｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４）、前記縦方向の水路７においては、ｎ１とｎ２との間隔をＬ１、ｎ２とｎ３との間隔をＬ２、ｎ３とｎ４との間隔をＬ３として敷設すると、横方向の水路６のｍ１とｍ２が、縦方向の水路ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４とによって区切られ、横方向に３列、縦方向に１行の領域が形成される。
そのため、図示のように上流側から２１ａ、２１ｂ、２１ｃで示す３個の雪島が横一列に形成される。そしてそれぞれの雪島の面積は雪島２１ａがａ１、雪島２１ｂがａ２、雪島２１ｃがａ３と異なって構成される。
そして図７、図８においては、Ｗ’を雪島２１ａ，２１ｂ、２１ｃの奥行き、Ｌ１’を雪島２１ａの長さ、Ｌ２’を雪島２１ｂの長さ、Ｌ３’を雪島２１ｃの長さとし、α_wを雪島２１の縦方向の熱伝導率、α_Lを横方向の熱伝導率、Ｈ’を雪島２１の高さ、ｈを雪島２１の下部の水に浸った部分の高さとしている。
なお、幅ｄは外気温が高くなるにつれ雪島が融解するので拡大する。熱負荷のピーク時における既に融けた雪の面積（すなわち水路の面積）は、該ピーク時における熱負荷の合計Ｑsum-tに比例することから、ピーク時における水路幅ｄが求められる。すなわち、ピーク時における既に融けた雪の面積は、ａｂ−（ａ−（ｍ−１）ｄ）×（ｂ−（ｎ−１）ｄ）であり、ピーク時における熱負荷の合計Ｑsum-t＝雪室の床面の面積ａｂ：熱負荷の合計Ｑsumの比例関係よりｄを求める。
そして図９は、図７に示す条件での雪室の床面２を上流の供給口３から下流の取出口４に向かって流れていく水の温度変化を表したものであり、横軸は上流側から下流側までの距離、縦軸は水の温度を示し、Ｔ１は供給口３に供給される還り水の温度、Ｔ２は雪島２１ａと２１ｂとの間を流れた水の温度、Ｔ３は雪島２１ｂと２１ｃとの間を流れた水の温度、Ｔ４は取出口４から取り出される水の温度、Ｔsは雪の温度である。
同図において、供給口３に供給される還り水の温度が１０℃の時、雪室の床面２を流れる水は雪との熱交換によってその温度が指数関数的に徐々に下がり、取出口４で５℃位になることがわかる。
この供給口３から取出口４へ流れる水の温度は、下記の式（１）により算出できる。

式（１）から算出される水の温度を用いて、各雪島２１における水と雪との間で交換される熱量ｑを求めることができる。この熱量ｑは、各雪島２１の伝熱面積１０と伝熱面内外の温度差ΔＴ及び雪の熱伝導率α_ｗ、α_Ｌから求めることができる。
したがって、図７、８に示す上記条件で形成される雪島２１ａにおいて熱交換される熱量ｑ１は、下記式（２）により算出できる。

式２において、α_ＷΔＴ_１−ｓＷ’ｈは、雪島２１ａにおける上流側の奥行き方向において熱交換される熱量であり、２α_ＬΔＴ_１−２Ｌ１’ｈは、雪島２１ａの長さ方向において熱交換される熱量であり、α_ＷΔＴ_２−ｓＷ’ｈは、雪島２１ａの下流側の奥行き方向において熱交換される熱量である。
また、ΔＴ_１−ｓ＝Ｔ_１−Ｔ_ｓ、ΔＴ_２−ｓ＝Ｔ_２−Ｔ_ｓ、であり、
ΔＴ_１−２＝（ΔＴ_１−ｓ−ΔＴ_２−ｓ）／ｌｎ（ΔＴ_１−ｓ／ΔＴ_２−ｓ）
＝（Ｔ_１−Ｔ_２）／ｌｎ（ΔＴ_１−ｓ／ΔＴ_２−ｓ）である。
同様に雪島２１ｂにおいて熱交換される熱量ｑ２は、下記式（３）により、雪島２１ｃにおいて熱交換される熱量ｑ３は、下記式（４）により、算出できる。

本発明における雪室を用いた冷房設備は、上記各式により求められる熱交換量ｑにより雪室１全体における可能な総熱交換量を算出し、前記図３に示した冷房需要のピーク値ｑｃ-maxに対応できるよう水路網５が構成される。前記雪室１全体における可能な総熱交換量と冷房需要のピーク値ｑｃ-maxとの関係は、下記式（７）のようになる。

また、雪島２１ａが持つ冷熱Ｑ１は、下記式（８）により求められ、雪島２１ａを融解するために必要な時間ｔ１は、下記式（９）により求められる。

本発明にかかる雪室を用いた冷房設備は、上記のごとく算出した各雪島２１ａ、２１ｂ、２１ｃの融解時間ｔ１、ｔ２、ｔ３が同じになるように雪室の床面２に水路網５を敷設して形成される。
すなわち、雪室１の上流側と下流側の雪島２１に融解ムラが生じないように、前記雪島２１ａ、２１ｂ、２１ｃを同程度の時間（ｔ1＝ｔ2＝ｔ3）で融解するよう格子状の水路網５を設けて縦方向の水路７の間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を最適化して、冷熱出力の安定化を図るものである。
したがって、本発明に係る雪室を用いた冷房設備は、上記条件を充足するべく水路網５を構成するように縦方向及び横方向の水路の本数及び配置間隔を調整し、格子状の水路網５の縦方向の水路の配置間隔が還り水の供給口３から取出口４に向かって狭くなるように配設され、また、各雪島２１の底面積が供給口３から取出口４に向かって小さくなるように構成される。

以下に、図１０を参考に、本発明の目的を達成するための雪室の床面２に構成される水路網５における横方向の水路の本数ｍと縦方向の水路の本数ｎ及び縦方向の水路同士の間隔Ｌを求める例を示す。
〈ステップ１〉
冷房設備に使用する雪室床面２の床面積（図１０において縦の長さａ、横の長さｂ）、貯蔵する雪の高さ、雪室床面の上流側から供給する還り水の温度と取り出す温度を定めた雪室の設計仕様に基づき、雪室の床面（縦の長さａ、横の長さｂの矩形体）に合わせて、横方向の水路をｍ本、縦方向の水路の本数ｎを４本と決めると、同図に示すように床面が横方向の水路と縦方向の水路とによって区切られ、横方向に３列、縦方向に１行の区画が形成され、区画の各領域に、それぞれ上流側から雪島Ａ１、中間のＡ２、下流側の雪島Ａ３の３個の雪島が形成される。 ここで各縦方向の水路間の距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を仮に同一Ｌとし各雪島の融解時間を合わせるように、横方向の水路の最小本数ｍを式（１）〜（４）及び（７）により求める。

〈ステップ２〉
次に、上記ステップ１で求めた横方向の水路の最小本数ｍが、正しいかを横方向の水路と直交する複数の縦方向の水路間の間隔（上流側から下流側に向かってＬ１、Ｌ２、Ｌ３）を上流側から下流側に向かって短くなるよう（Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３）にして各雪島の融解時間が同じようになるよう式（８）及び式（９）から求め、求めた縦方向の水路間の間隔（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を使い、下記式（７）の条件を満たしているか否かを検証し、前記条件が満たされていないときは、満たすまで横方向の水路の本数ｍを増やしながら式（７）の条件を満たす横方向の水路の最小本数を求める。

この繰り返しにより、上流側の雪島と下流側の雪島との融解時間差が小さくなるよう横方向の水路の最小本数と各縦方向の水路の間隔（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を求める。
すなわち、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＝ｂかつＬ１≧Ｌ２≧Ｌ３を満たすＬ１、Ｌ２、Ｌ３を適当な間隔で移行させて、雪島の融解時間ｔ１、ｔ２、ｔ３および融解時間のバラツキ（標準偏差σ）を求め、標準偏差σが最も小さくなるようなＬ１、Ｌ２、Ｌ３を検出することで、上流側の雪島と下流側の雪島との融解時間差が小さくなる水路の間隔（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を求めることができる。
なお、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の求め方として、上記のような直接検出による最適化を例示したがそれに限られるものではない。また、融解時間の最大値と最小値の差が最も小さくなるようなＬ１、Ｌ２、Ｌ３を検出してもよい。

具体的な例として、雪室の設計仕様を、縦の長さaが１０ｍ、横の長さｂが１０ｍの床面２の雪室で、貯蔵する雪の高さＨ'を３ｍ、水路幅を０．２ｍ、雪島の下部の水と接する部分の高さｈを０．２ｍ、雪島の奥行き側の熱伝達率α_ｗを３５４Ｗ／ｍ^２Ｋ、雪島の長さ側の熱伝達率α_Lを３５４Ｗ／ｍ^２Ｋ、雪密度ρｓを５００ｋｇ／ｍ^３、雪の溶解潜熱ηｓを３３０ｋＪ／ｋｇ、雪室床面の上流側の供給口から供給する還り水を１０℃、下流側の取出口から取り出す冷水の温度を５℃とする。
前記雪室の縦方向の水路の本数ｎを４本とし、上記雪島の床面に必要な横方向の水路をｍ本とすると、上から最上部の壁近傍の横方向の水路ｍ１（１番目）と次の横方向の水路ｍ２（２番目）と、４本の縦方向の水路ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４とにより３個の雪島（Ａ１、Ａ２、Ａ３）ができる。
なお、縦方向の水路を４本としているので、各縦方向の水路間の距離（Ｌ）は３つになる。ここで、各縦方向の水路間の距離Ｌを上流側からＬ１、Ｌ２、Ｌ３とし、仮にＬ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝３．３３３ｍで均等とする。

〈ステップ１〉
ここで、雪島の面積をａ１、ａ２、ａ３とし、Ｌ１'、Ｌ２'、Ｌ３'を雪島の横方向の長さ、Ｗを横方向の水路間の距離、ｗ'を雪島の横幅（奥行き）、α_wを雪島の幅（奥行き）方向の熱伝達率、α_Lを長さ方向の熱伝達率、ｈを雪島の下部の水と接触する部分の高さとすると、前記式（１）〜（４）より、各雪島の水との熱交換（ｑ１、ｑ２、ｑ３）が求められる。
そしてこれらの結果を、式(７)の不等式にあてはめると、全雪島Ａ１〜Ａ３の水との熱交換の総熱量が冷房ピーク値の負荷より大きくなるための最小値としてｍ＝４本が求められる。
〈ステップ２〉
次に、各縦方向の水路間の距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を、供給口３側から、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３とし、これらの距離から各雪島Ａ１、Ａ２、Ａ３の融解時間（式（８）及び式（９）より求める）ｔ１、ｔ２、ｔ３の差が小さくなるように、それぞれの距離Ｌを求める。
すると、ｍが４本のときは、それぞれＬ１＝５．５ｍ、Ｌ２＝２．５６ｍ、Ｌ３＝１．９４ｍが求められる。
しかし、上記Ｌ１＝５．５ｍ、Ｌ２＝２．５６ｍ、Ｌ３＝１．９４ｍを式（７)に当てはめると、Σｑは、ｑc-maxより小さくなり、式（７)の条件を満たさない。
そこで、ｍを１本追加し、ｍ＝５本として、再びｔ１、ｔ２、ｔ３の差が小さくなるように、それぞれの距離Ｌを求めると、Ｌ１＝５．２ｍ、Ｌ２＝２．７２ｍ、Ｌ３＝２．０８ｍとなる。
これらを式（７)に当てはめると、Σｑは、ｑc-maxより大きくなり式（７)の要件を満たし、かつｔ１、ｔ２、ｔ３の差が小さいＬが得られることが確認できる。

このように、上記ステップ１から横方向の水路の本数を求め、ステップ２から各縦方向の水路間の距離（長さ）Ｌを求め、求めた各縦方向の水路間の距離Ｌが式（７)の条件を満たすか否かを検証することで、上流側の雪島と下流側の雪島の融解時間の差が小さくなるような横方向の水路の本数と各縦方向の水路間の距離Ｌが求まり、これにより算出された横方向の水路の本数と各縦方向の水路間の距離で格子状の水路網５を雪室床面２に構成することで上流側から下流側まで各雪島からの水への熱交換能力の均等化が図られた優れた雪室を提供することができる。

なお、上記のような水路網５を形成するために、前記図２（ｂ）について説明したように、上記格子状の水路網５の形状と同一の形状を金属製の横棒８と、該横棒に直交して配置した縦棒９で水路構成体５’を形成し、該格子状に形成された水路構成体５’を雪室の床面に配置することで、各横棒８及び縦棒９によって生じる空間により水路が形成されるとともに、各横棒８及び縦棒９に接する雪島の縁部に沿って雪が溶け各横棒８及び縦棒９の回りに水路を形成することができる。
また、上記において、各縦方向の水路間の距離Ｌを均等として横方向の水路の最小本数を求め、求めた各縦方向の水路間の距離Ｌが式（７)）の条件を満たすか否かを検証したが、他の方法として、横方向の水路ｍの本数を適宜設定し、その本数で求めた各縦方向の水路間の距離Ｌが前記条件を満たすか否かを検証し、前記条件が満たされていないときは、満たすまで横方向の水路の本数を増やして前記条件を満たすか否かを検証し、前記条件が満たされているときは、横方向の水路の本数を減らして前記条件を満たすか否かを検証し、この繰り返しにより、上流側の雪島と下流側の雪島との融解時間差が小さくなるよう横方向の水路の最小本数と各縦方向の水路間の距離を求めることもできる。
また、上流側の雪島と下流側の雪島の融解時間の差を小さくするには、ｎが４本で足りるが、雪室の床面が横方向に長細の場合には、ｎを４本以上にして冷熱出力を稼いでもよい。

１：雪室
２：雪室の床面
３：供給口
４：取出口
５：水路網
５’：水路網構成体
６：横方向の水路
７：縦方向の水路
８：横棒
９：縦棒
１０：伝熱面積
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ：本発明の雪島
２２：従来の雪島

Claims (5)

1. 上流側に還り水の供給口を少なくとも一箇所備えるとともに、この供給口から水平方向に離して、下流側に熱交換されて冷却された冷水の取出口を少なくとも一箇所備えた雪室を用いた冷房設備において、
   前記供給口から前記取出口に至る雪室床面に、供給口から取出口に向かって流れる水との接触によって、上流側に形成される雪島と下流側に形成される雪島との融解時間が同じとなるように水路網を設けたことを特徴とする雪室を用いた冷房設備。
2. 前記水路網が、供給口から取出口に向かう複数の横方向の水路と、該横方向の水路と直交する複数の縦方向の水路とからなり、かつ、前記縦方向の水路の配置間隔が取出口に向かって狭くなるように配設されてなることを特徴とする請求項１に記載の雪室を用いた冷房設備。
3. 前記水路を構成する供給口から取出口に向かう複数の横方向の水路と、該横方向の水路と直交する複数の縦方向の水路により分断されて形成される雪島の底面積が取出口に向かって小さくなるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の雪室を用いた冷房設備。
4. 前記水路網が、金属製棒体を雪室床面に敷設することによって生じる空間により水路が形成されるとともに、該金属製棒体に雪が接触し融解されて水路が形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の雪室を用いた冷房設備。
5. 前記水路網を構成する供給口から取出口に向かう横方向の水路の本数ｍを、
   冷房設備に使用する雪室の床面積、貯蔵する雪の高さ、雪室床面の上流側から供給する還り水の温度と取り出す温度に基づき求めるため、
   雪室床面の形状に合わせて、横方向の水路（幅ｄ）をｍ本とし、該横方向の水路と直交した縦方向の水路（幅ｄ）ｎ本を決め、各横方向の水路間の距離が同一、各縦方向の水路間の距離が同一と仮定し格子状に設ける場合に必要な横方向の水路の本数ｍを（１）から（６）の式により求めるステップ１と、
   上記ステップ１で求めた横方向の水路の本数ｍが、正しいかを横方向の水路と直交する複数の縦方向の水路間の間隔（上流側から下流側に向かってＬ１、Ｌ２・・Ｌn-1）を上流側から下流側に向かって短く（Ｌ１＞Ｌ２＞・・＞Ｌn-1）なるようにして各雪島の融解時間が同じようになるよう式（８）及び式（９）から求め、
   求めた縦方向の水路間の間隔（Ｌ１、Ｌ２・・・Ｌn-1）を使い、下記式（６）の条件を満たしているか否かを検証し、前記条件が満たされていないときは、満たすまで横方向の水路の本数ｍを増やしながら式（６）の条件を満たす横方向の水路の最小本数を求め、この繰り返しにより、上流側の雪島と下流側の雪島との融解時間差が小さくなるよう横方向の水路の本数ｍと各縦方向の水路の間隔（Ｌ１、Ｌ２・・Ｌn-1）を求めるステップ２
   とから求められた横方向の水路と縦方向の水路とからなる水路網であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の雪室を用いた冷房設備。
   

   

   

   

   

   

   

   

   

   
   
   

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