JP6887543B2 - 蓄熱システム及び蓄熱システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸着材を利用した蓄熱システム及び当該蓄熱システムの運転方法に関するものである。

東日本大震災以降、電力安定供給がことさら重要になってきているが、電力安定供給のための各種の施策の中で、現実的な方策の１つとしてコージェネレーションシステム（ＣＧＳ）の普及促進が挙げられている。しかしながら、現状では経済的な観点から、機器容量に相当した安定的な熱需要量がなければＣＧＳの導入判断には至らず、また、導入されたＣＧＳにおいても、熱需要がなければ稼働されず、想定よりメリットが低くなっている事例もある。

ＣＧＳの稼働率の向上には蓄熱システムが有効と考えられるが、市販されている潜熱蓄熱材（ＰＣＭ：Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）には、蓄熱密度（潜熱蓄熱材の凝固潜熱）によって限定される蓄熱量当たりのコストの課題や、潜熱蓄熱材の凝固点（融点）によって限定される利用温度と稼働率の課題があげられ、現状では最適な蓄熱システムは見当たらない。

そこで潜熱蓄熱材に代えて、ゼオライトなどの吸着材を用いて蓄熱することが提案されている（特許文献１）。これは入口と出口とを有する容器において、吸着質を吸着可能であって、吸着することにより吸着エネルギーを放出する吸着材を有し、容器内の吸着エネルギーによって暖められたガスを、昇温で暖められるべき場所に導くように構成され、自動車の暖房システムに使用されるものである。

特表２０１５−５１６９０９号公報

しかしながら前記した従来技術は、そもそも自動車のような限られた空間に適用されるものであり、エネルギーを大量に消費する、たとえば大規模な地域や工場・工業団地に適用することはできない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、吸着材を蓄熱材として利用した蓄熱システムにおいて、エネルギーを大量に消費する、たとえば大規模な地域や工場・工業団地に適用することを可能にすることを目的としている。

前記目的を達成するため、本発明は、吸着材からなる蓄熱材を収容した収容体と、ファンと、当該ファンによって取り入れた空気に対して加熱する加熱部とを有し、前記加熱部によって加熱した後の空気を、前記ファンによって前記収容体内の蓄熱材に供給可能である蓄熱システムであって、
前記加熱部は、温排熱によって前記空気を加熱するように構成され、
蓄熱運転時には、前記加熱部によって加熱された空気を前記収容体に供給して前記蓄熱材で蓄熱し、放熱運転時には、取り入れた空気を前記収容体に供給して前記蓄熱材で前記空気中の水分を吸着し、前記水分が吸着された後の空気を、給気として熱の需要先に供給するようにし、前記放熱運転時に、熱の需要先に供給する給気の温度または湿度の調整を行い、
前記蓄熱運転時における加熱された空気の前記収容体への供給方向と、前記放熱運転時における空気の前記収容体への供給方向が逆方向であることを特徴としている。

本発明によれば、蓄熱運転時には、加熱部によって加熱された空気を収容体に供給して当該収容体内の蓄熱で蓄熱し、放熱運転時には、取り入れた空気を前記収容体に供給して前記蓄熱材で空気中の水分を吸着し、前記水分が吸着された後の空気を、給気として熱の需要先に供給するようにしたので、エネルギーを大量に消費する、大規模な地域や工場・工業団地に適用することが可能である。すなわち、本発明においては、加熱部の熱源には、たとえば温排熱（たとえばコジェネレーション廃熱、工場廃熱、建物からの蒸気などの排熱、いわゆるＯＡ排熱、またはデータセンタからの排熱）などを利用することができる。したがって、エネルギーを大量に消費する、大規模な地域や工場・工業団地に適用することが可能である。一方、取り入れた空気中の湿分を吸着材に直接吸着させ、その際に発生する熱による加熱が行われるから、利用温度帯の広い蓄熱が可能である。
また加熱部で加熱する際の熱源からの温熱媒体は、液体、気体のいずれも用いることができる。また蓄熱（脱着）に利用する熱の温度は、たとえば１００℃程度あればよい。加熱部には型式の観点からは、たとえば熱媒との間接熱交換をするコイル方式が採用できる。たとえば加熱コイルをはじめとして水−空気熱交換器、空気−空気熱交換器などを必要に応じて用いることができる。そして温熱媒体の種類に応じて、加熱部には、公知の加熱手段を採用することができる。もちろん、電気ヒータや直接燃焼方式による空気加熱方式も採用することが可能である。

かかる場合、前記放熱運転時に、前記給気の一部を前記空気と合流させて前記収容体に供給する空気の温度または湿度を制御するようにしてもよい。

さらに別な観点によれば、本発明の蓄熱システムの運転方法は、吸着材からなる蓄熱材を収容した収容体と、ファンと、当該ファンによって取り入れた空気に対して加熱する加熱部とを有し、前記加熱部によって加熱した後の空気を、前記ファンによって前記収容体内の蓄熱材に供給可能である蓄熱システムの運転方法であって、前記加熱部は、温排熱によって前記空気を加熱するように構成され、
蓄熱運転時には、前記加熱部によって加熱された空気を前記収容体に供給して前記蓄熱材で蓄熱し、放熱運転時には、取り入れた空気を前記収容体に供給して前記蓄熱材で当該空気中の水分を吸着し、前記水分が吸着された後の空気を、給気として熱の需要先に供給するようにし、前記放熱運転時に、熱の需要先に供給する給気の温度または湿度の調整を行い、前記蓄熱運転時における加熱された空気の前記収容体への供給方向と、前記放熱運転時における空気の前記収容体への供給方向とを逆方向にすることを特徴としている。

本発明によれば、加熱部の熱源に、温排熱を利用しているので、エネルギーを大量に消費する、大規模な地域や工場・工業団地に適用することが可能である。

実施の形態にかかる蓄熱システムの構成の概略を模式的に示した説明図である。 放熱運転時の実施の形態にかかる蓄熱システムの構成の概略を模式的に示した説明図である。 蓄熱システムの実験装置の構成の概略を模式的に示した説明図である。 図３の実験装置を用いて蓄熱運転したときの蓄熱材充填槽の各点の温度の経時変化を示すグラフである。 図３の実験装置を用いて蓄熱運転したときの蓄熱材充填槽の各点の湿度等の経時変化を示すグラフである。 図３の実験装置を用いて大風量で放熱運転したときの蓄熱材充填槽の各点の温度の経時変化を示すグラフである。 図３の実験装置を用いて大風量で放熱運転したときの蓄熱材充填槽の各点の湿度等の経時変化を示すグラフである。 図３の実験装置を用いて小風量で放熱運転したときの蓄熱材充填槽の各点の温度の経時変化を示すグラフである。 図３の実験装置を用いて小風量で放熱運転したときの蓄熱材充填槽の各点の湿度等の経時変化を示すグラフである。 放熱運転終期の給気の温度低下を抑えるための熱交換器を備えた蓄熱システムの構成の概略を模式的に示した説明図である。 放熱運転終期の給気の温度低下を抑えるための熱交換器を備えた他の蓄熱システムの構成の概略を模式的に示した説明図である。 放熱運転終期の給気の温度低下を抑えるためにインバータを備えた蓄熱システムの構成の概略を模式的に示した説明図である。 図１２の蓄熱システムによって給気風量制御を実施したときの給気温度と風量割合との関係を経時変化で示したグラフである。 放熱運転終期の給気の温度低下を抑えるために給気風量制御を実施するための他の蓄熱システムの構成の概略を模式的に示した説明図である。 放熱運転終期の給気の温度低下を抑えるために再循環風量制御を実施するための他の蓄熱システムの構成の概略を模式的に示した説明図である。 図１５の蓄熱システムによって再循環風量制御を実施したときの風量割合の経時変化を示したグラフである。 図１５の蓄熱システムによって再循環風量制御を実施したときの蓄熱材充填槽の出入口温度の経時変化を示したグラフである。 放熱運転終期の給気の温度低下を抑えるために再循環風量制御を実施するための他の蓄熱システムの構成の概略を模式的に示した説明図である。

以下、実施の形態について説明すると、図１は、実施の形態にかかる温排熱を利用した蓄熱システム１の構成の概略を示しており、この蓄熱システム１は、吸着材充填槽内における乾燥吸着材の発熱によって、各種のバイオマス工場をはじめ、工場の乾燥工程に高温低湿の空気を供給するシステムとして構成されており、給気ユニット１１と、蓄熱材充填槽２１とを有している。

蓄熱材充填槽２１は、筐体２１ａ内の上部空間２１ｂ、下部空間２１ｃとの間に、吸着材の造粒体からなる蓄熱材Ｍが、通風性を有する部材、たとえばパンチングメタル等によって構成された収容体内に充填収納されている。

給気ユニット１１は、ケーシング１２内にファン１３、加熱部としての加熱コイル１４を有しており、ダクトなどによって構成される導入流路１５から導入した外気を加熱可能である。

この加熱コイル１４には、太陽熱、コジェネレーション廃熱、工場廃熱などの熱によって加熱された流体、例えば温水や加熱された空気が使用される。すなわち、加熱コイル１４の熱源は、これら太陽熱、コジェネレーション廃熱、工場廃熱などである。

そしてファン１３によって送り出された空気は、蓄熱材充填槽２１内の上部空間２１ｂと下部空間２１ｃに各々切り替えて供給可能になっている。すなわち、給気ユニット１１に接続された、ダクトなどによって構成された供給路１６は、第１供給流路１７、第２供給流路１８に分岐され、これら第１供給流路１７、第２供給流路１８は、蓄熱材充填槽２１内の上部空間２１ｂ、下部空間２１ｃに夫々接続されている。そして後述のダンパＤ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５の開閉操作によって、蓄熱材充填槽２１内の上部空間２１ｂと下部空間２１ｃに、必要に応じて調温された屋外空気やその他の外気（系外の空気）を各々切り替え供給可能となっている。

蓄熱材充填槽２１内の上部空間２１ｂ、下部空間２１ｃには、各々ダクトなどによって構成された排気路２２に通ずる第１排気流路２３、第２排気流路２４が接続されている。排気路２２は、蓄熱材充填槽２１から排気される意味での排気流路であるが、運転モードにより、負荷への給気、後述の循環利用では還気の各流路として機能する。すなわち、排気路２２は、給気ユニット１１に接続されている副導入路１９（循環利用の際の還気の流路）と分岐し、分岐後には系外へ排気する排気路２５（系外への排気路）を構成する。排気路２２には、たとえば熱の需要先の一形態である需要家に通ずる高温低湿給気路２６（負荷への給気路）が接続されている。以上の各流路は、たとえばダクト等によって構成されている。なお本実施の形態は、たとえば地域熱供給において、温風を直接住戸や施設などの単位需要家にも供給できることをも想定しているために、需要家という語を使用している。

供給路１６には、第１の湿度計３１、第１の温度計３２が設けられており、供給路１６内を流れる空気の湿度、温度が夫々計測される。また排気路２２には、第２の湿度計３３、第２の温度計３４が設けられており、排気路２２内を流れる空気の湿度、温度が夫々計測される。

そして導入流路１５には、ダンパＤ１が、供給路１６から分岐した第１供給流路１７、第２供給流路１８には、ダンパＤ２、Ｄ３が各々設けられ、排気路２２に通ずる第１排気流路２３、第２排気流路２４には、ダンパＤ４、Ｄ５が各々設けられ、副導入流路１９にはダンパＤ６が設けられ、排気路２５にはダンパＤ７が設けられ、高温低湿給気路２６にはダンパＤ８が設けられている。

実施の形態にかかる蓄熱システム１は、以上のように構成されており、まず蓄熱運転時においては、図１に示したように、ダンパＤ１、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ７が開放、ダンパＤ２、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ８が閉鎖される。そしてファン１３によって導入流路１５から取り入れられた外気は、加熱コイル１４によって昇温され、供給路１６から第２供給流路１８を経て、蓄熱材充填槽２１内の下部空間２１ｃに供給されて、蓄熱材Ｍを加熱する。これによって、吸着材造粒体からなる蓄熱材Ｍは乾燥される。

かかる蓄熱運転時においては、加熱コイル１４には未利用の排熱が温熱媒として導入される。この場合、排熱が排気ならそのまま利用してもよい。また加熱コイル１４自体は、空気対空気熱交換器を採用してもよい。利用しようとする排熱が液体で排出される場合には、水対空気熱交換器を採用することで、当該排熱の温水を直接利用することができる。また排熱源の側に熱交換器を設けて間接的に排熱を熱交換した後の熱媒（例えば温水）を水対空気熱交換器に送るようにしてもよい。

そのような蓄熱材Ｍの乾燥に供された後の空気は、蓄熱材充填槽２１内の上部空間２１ｂから、第１排気流路２３、排気路２２、排気路２５を経て、系外に排気される。かかる運転を通じて、蓄熱材Ｍを構成する吸着材の造粒体からは水分が脱着される一方、蓄熱される。

そして既述した各種のバイオマス工場をはじめ、工場の乾燥工程に高温低湿の空気を供給する場合には、放熱運転に切り替える。すなわち、図２に示したように、ダンパＤ１、Ｄ２、Ｄ５、Ｄ８が開放、ダンパＤ３、Ｄ４、Ｄ６、Ｄ７が閉鎖される。また加熱コイル１４への温熱媒の供給は停止する。そしてファン１３によって導入流路１５から取り入れられた外気は、供給路１６から第１供給流路１７を経て、蓄熱材充填槽２１内の上部空間２１ｂに供給される。そうすると当該外気中の水分は、蓄熱材Ｍを構成する吸着材に吸着される。このとき熱が発生し、それによって蓄熱材Ｍの吸着材は水分を吸着するとともに昇温され、また蓄熱材Ｍで蓄熱されていた熱によっても昇温された空気は、蓄熱材充填槽２１内の下部空間２１ｃから、第２排気流路２４、排気路２２から高温低湿給気路２６へと送られ、需要家であるたとえば各種のバイオマス工場や、工場の乾燥工程に対して高温低湿の空気を供給することができる。なお図１、図２に示した蓄熱システム１は、ダクト量の節約のために蓄熱運転時、放熱運転時とも、導入流路１５、供給路１６を用いて、第１供給流路１７、第２供給流路１８から外気を蓄熱材充填槽２１内に供給するようにしているが、放熱運転時には、加熱コイル１４を通過させる必要はないので、たとえば第１供給流路１７、第２供給流路１８に別途、外気の取り入れダクトを接続して、当該外気の取り入れダクトからの外気を、直接蓄熱材充填槽２１内に供給するようにしてもよい。

このように本実施の形態にかかる蓄熱システム１によれば、太陽熱、コジェネレーション廃熱、工場廃熱などからの熱を利用して、少ないエネルギーコストで高温低湿の空気を、各種のバイオマス工場をはじめ、工場の乾燥工程に供給することができる。

なお前記したように、蓄熱運転と放熱運転を行うにあたり、たとえば夜は蓄熱運転を行い、昼は放熱運転を行うようにしてもよい。また放熱運転後に再び蓄熱運転を実施する場合、放熱が完了していなくとも、効率よく蓄熱することができる。

前記実施の形態では蓄熱材Ｍに、造粒された吸着材を使用している。この吸着材には、たとえばシリカゲルやゼオライト等公知の吸着材を用いることができるが、通風抵抗や熱／物質伝達など、所望の性能を有する吸着材の造粒体を蓄熱材として用いることができる。例えば、非晶質アルミニウムケイ酸塩と低結晶性粘土からなる複合体、たとえばハスクレイ（登録商標）や高分子収着剤の低温再生型吸着材は、従来の吸着材（シリカゲルやゼオライト等）に比べて幅広い湿度帯において水蒸気を吸着できるため、高密度な蓄熱材になり得る。

ところで、図２に示した給気としての高温低湿空気を得るための放熱運転では、蓄熱材充填槽２１の入口、すなわち上部空間２１ｂに近い蓄熱材Ｍ（吸着材造粒体）は、供給された湿潤空気（外気）の水分を吸着、発熱して、通風空気が昇温されるが、放熱運転の時間経過とともに、水分を吸着、発熱する蓄熱材Ｍは、空気の入口部分である上部空間２１ｂから、出口部分に近い下部空間２１ｃに移動する。そうすると、放熱運転の終期では水分を吸着、発熱する蓄熱材Ｍの量（蓄熱材充填槽内２１における水分吸着／発熱の領域）が減少することで、蓄熱材充填槽２１出口となる第２排気流路２４の入口での空気温度は次第に低下することになる。

この点について検証するために、図３の実験装置４１を用いて、蓄熱、放熱運転を行った実験結果を基に説明する。図３に示した実験装置４１は、給気部４２、調温調湿部４３、蓄熱槽部４４から構成されている。給気部４２は、給気ファン４２ａを有している。調温調湿部４３は、給気ファン４２ａからの給気を減湿する減湿器４５、減湿後の給気を流量調整する流量制御器４６、流量調整した後の給気に対してダンパＤ１０を介して加湿する加湿器４７、加湿後の給気を加熱するヒータ４８を有している。ヒータ４８は、下流側に設置された温度検出器４９の検出温度に基づいて、温度指示調節器５０により加熱温度が制御される。温度検出器４９の下流側には湿度検出器５１が設けられている。

そしてヒータ４８によって加熱された給気は、ダンパＤ１１、Ｄ１２を介して、蓄熱槽部４４の蓄熱材充填槽５２の下部空間５２ａへと送られる。蓄熱材充填槽５２は、内部に吸着材からなる蓄熱材を収容している。蓄熱材充填槽５２の上部空間５２ｂからの空気は、ダンパＤ１３、流量制御器５３を経て系外に排気される。蓄熱材充填槽５２は、直径が９８．６ｍｍ、高さが３００ｍｍの円筒形を有している。

そして蓄熱材充填槽５２には、下部空間５２ａ内の温度、すなわち入口空気の温度を検出する温度センサＴｉｎと上部空間５２ｂ内の温度、すなわち出口空気の温度を検出する温度センサＴｏｕｔが設けられている。そして蓄熱材充填槽５２が収容している蓄熱材の温度を高さ方向に順次計測するための温度センサＴ１〜Ｔ５が下から順に等間隔で上下方向に設けられている。

この実験装置４１を使用して、蓄熱運転、放熱運転での蓄熱材充填槽５２の出入口の温湿度ととともに、蓄熱材充填槽５２の出入口温度及び高さ方向の５点の温度を測定して、蓄熱材充填槽内の状態を確認した。なお蓄熱材には、汎用の「ゼオライト（１３Ｘ）の造粒物」を用いた。

蓄熱材充填槽５２に対して、約１３０℃の高温空気を供給したときの蓄熱運転の結果を図４、図５に示した。図４はそのときの温度の経時変化、図５は湿度の経時変化を各々示している。

図４からわかるように、実験装置４１の熱容量の影響によって蓄熱材充填槽５２の入口温度は常温から上昇し、運転開始後約０．２時間後に１２０℃に達した。槽内の温度は入口に近い順番（温度センサＴ１〜Ｔ５の順番）で順次、常温から上昇し、蓄熱材充填槽５２の出口温度は運転開始後約０．７時間後に上昇を開始し、運転開始後約２時間後に１２０℃に達した。このとき、図５に示したように、蓄熱材充填槽５２内の出口相対湿度は殆ど０％ＲＨを示し、蓄熱材充填槽５２内の吸着材は乾燥状態となり、蓄熱運転は完了した。

このような乾燥状態の蓄熱材充填槽５２を初期条件として、約３０℃／約５０％ＲＨの常温空気を蓄熱材充填槽５２に供給した際の、２種類の放熱運転（水分吸着運転）を行った結果を説明する。図６は蓄熱材充填槽５２に供給する風量が多い場合（１３７Ｌ／ｍｉｎの場合）の温度の経時変化、図７はそのときの湿度変化を示し、図８は蓄熱材充填槽５２に供給する風量が少ない場合（４６Ｌ／ｍｉｎの場合）の放熱運転をおこなったときの温度の経時変化、図９はそのときの湿度変化を示している。

図６に示したように、まず槽内の入口に近い場所（温度センサＴ１の場所）の吸着材が水分を吸着し発熱して温度上昇が起こった。そして入口に近い順番（温度センサＴ１〜Ｔ５の順番）で順次、発熱して温度上昇が起こり、蓄熱材充填槽５２内出口温度（Ｔｏｕｔ）は運転開始後約０．２時間後に急上昇を開始し、７０℃以上に達した。その後、運転開始後約１時間以降では蓄熱材充填槽５２内出口温度（Ｔｏｕｔ）は低下して、運転開始から約１．５時間後には、蓄熱材充填槽５２内出口温度（Ｔｏｕｔ）は蓄熱材充填槽５２内入口温度（Ｔｉｎ）と同等の常温となり、放熱運転は完了した。運転開始から約１．５時間以降では、図７に示したように、蓄熱材充填槽５２内出口相対湿度は急上昇し約４０％ＲＨを示した。

同様に、蓄熱材充填槽に約３０℃／約５０％ＲＨの常温空気を約４６Ｌ／ｍｉｎで供給した放熱運転の温度の経時変化を図８に、湿度の経時変化を図９に示されているが、図８に示したように、まず蓄熱材充填槽５２の入口に近い場所（温度センサＴ１の場所）の吸着材が水分を吸着し発熱して温度上昇が起こった。入口に近い順番（温度センサＴ１〜Ｔ５の順番）で順次、発熱して温度上昇が起こり、蓄熱材充填槽５２内の出口温度は運転開始後約０．５時間経過後に急上昇を開始し、７０℃以上に達した。その後、運転開始後約３．６時間以降では蓄熱材充填槽５２内の出口温度は低下して、運転開始後約５．３時間経過後には蓄熱材充填槽５２内の出口温度は蓄熱材充填槽５２の入口温度と同等の常温となり、放熱運転は完了した。

運転開始後約４．３時間経過以降では図９に示したように、蓄熱材充填槽５２内出口相対湿度は急上昇し、運転開始後約５．３時間経過後には約４０％ＲＨを示した。

蓄熱材充填槽５２に供給した常温空気と、蓄熱材充填槽５２内の出口温度である８０℃給気との温度差５０ｄｅｇであるから、平均的な供給空気温度の低下速度を計算すると、風量が１３７Ｌ／ｍｉｎの場合（図６）は５０／（１．５−１）・（１／６０）＝１．６７ｄｅｇ．／ｍｉｎであり、風量が４６Ｌ／ｍｉｎの場合（図８）は、５０／（５．３−３．６）・（１／６０）＝０．４９ｄｅｇ．／ｍｉｎであった。この図９の供給空気温度の低下速度は図７の低下速度の２９％（０．４９／１．６７）であった。なお、この図８での風量は図６での風量の３４％（４６／１３７）である。

図６と図８のように、何れの風量の場合においても、放熱運転の終期には給気温度は徐々に低下することが判った。したがって、各種のバイオマス工場をはじめ、工場の乾燥工程に高温低湿の空気を供給する場合、放熱運転の終期に温度の低下（相対湿度の上昇）を抑えることが必要になる。

蓄熱システム１に対して、別の加熱熱交換器やボイラー等の熱源設備が直列接続された場合は、たとえば利用者側で、高温低湿給気の温度、湿度の調整を、これら加熱熱交換器やボイラー等の熱源設備で行うことができる。

すなわち、高温低湿の空気を供給する場合に、放熱運転の終期に温度の低下を防止するには、たとえば図１０に示したように、高温低湿給気流路２６に熱交換器６１を設け、ボイラ（図示せず）からの蒸気または温水と、高温低湿給気流路２６を流れる給気との間で熱交換して、温度低下分を補償すればよい。この場合、例えば図１０に示したように、熱交換器６１下流側の高温低湿給気流路２６に温度検出器６２を設け、当該温度検出器６２の検出値に基づいて、熱交換を終えてボイラ（図示せず）に戻る還管６３に設けたバルブ６４の開閉を制御するようにすればよい。

また高温低湿の空気を供給する場合に、放熱運転の終期に温度の低下を防止すると共に湿度の調整を行うには、たとえば図１１に示したように、熱交換器６１、温度検出器６２の他に湿度検出器６５を設け、さらにボイラ（図示せず）からの蒸気を、熱交換器６１に向かう往管６６から分岐した分岐管６７を通じて、熱交換器６１上流に導入するようにしてもよい。この場合、湿度検出器６５の検出値に基づいて、分岐管６７に設けたバルブ６８の開閉を制御するようにしてもよい。

これら図１０、図１１に示した例は、蓄熱システム１に対して熱交換器６１を付加した例であったが、蓄熱システム１の単独での設置や、他の熱源設備と並列設置した場合には、蓄熱システム１自身で、そのような放熱運転の終期に温度及び湿度の低下を防止することも可能である。

図１２は、ファン１３に対してインバーター７１によって回転数制御を行なって給気風量を制御する例を示している。かかる場合、蓄熱材充填槽２１の出口温度が低下したときには、インバーター７１によってファン１３の回転数を低下させ給気風量を低下させる。この温度低下は水分の吸着量の低下によるものなので、温度の代わりに湿度の上昇によって制御することも可能であるが、一般には湿度計は温度計よりも高価であるので、温度によって制御する方が経済的である。このような給気の温度制御により、蓄熱材充填槽２１の出口温度の低下を抑制する効果を、図１３に基づいて説明する。

まず、既述した図６の放熱運転の状態を、図１３のＣａｓｅ１として示す。図１３において、上図は蓄熱材充填槽２１の出入口温度の経時変化を、下図は風量（図６の風量を１００％としたときの風量割合）の経時変化を示す。図１３に示したように、Ｃａｓｅ１では運転開始後約１時間弱で出口温度は低下し、運転開始から約２時間経過後には、出口温度は入口温度と同等になった。ここで運転開始から約１時間後の時点で、風量を３４％に低減したＣａｓｅ２の場合は、前述の図８の実験結果から、運転開始後約２時間弱までは８０℃程度の出口温度が維持できることが推定できる。また、運転開始後約１時間経過後の時点から同約１．２時間後の間、風量を徐々に低下させて３４％にした（出口温度による風量制御をした）Ｃａｓｅ３の場合は、Ｃａｓｅ２ほどではないが、Ｃａｓｅ１よりは長時間、出口温度が維持できると推定できる。

これらのことから、放熱運転開始後に給気風量を低減させることで、給気温度の維持を図ることが可能である。ただし、給気風量自体は低減するが、需要家によっては、たとえば需要家がある乾燥工程を実施するために高温低湿の給気を必要としている場合、乾燥物の処理量が夕刻になって少なくなった際、風量は少なくとも初期の高温低湿の給気が必要な場合には、有効である。

なお図１２に示した例は、インバーター７１によってファン１３の回転数を調整して給気風量を制御する方法を採用したものであったが、インバーター制御ではなく、図１４に示したように、蓄熱材充填槽２１の出口の空気の温度や湿度に基づいて、高温低湿給気流路２６に設けたダンバーＤ８の開度を制御するようにしてもよい。このように高温低湿給気流路２６に設けたダンバーＤ８の開度を直接制御することで、高温低湿給気の風量を制御することも可能である。

そのような給気風量の制御に代えて、次に説明するような再循環給気制御によっても、放熱運転終期の給気温度、湿度の低下を抑えることができる。

実施の形態で説明した吸着材を利用した蓄熱システム１は、いわばヒートポンプシステムと捉えることができる。すなわち、既述した図１３の上図での右軸の温度上昇がヒートポンプの作用であるため、蓄熱材充填槽２１の入口温度を高くすることができると、高温低湿給気流路２６に供給する給気の温度を高温に維持できる。

そこで、図１５に示したように、高温低湿給気流路２６に供給する給気の一部を給気ユニット１１から蓄熱材充填槽２１へと戻し、蓄熱材充填槽２１からの高温低湿空気を再循環させることで、蓄熱材充填槽２１の入口温度を高くすることが可能になり、これによって高温低湿給気流路２６を通じて供給する高温低湿給気の温湿度を制御することができる。

すなわち図１５に示した例では、蓄熱材充填槽２１の出口の空気の温度を計測する第２の温度検出器３４、蓄熱材充填槽２１の出口の空気の湿度を計測する第２の湿度検出器３３の検出値に基づいて、高温低湿給気流路２６に設けたダンパＤ８の開度と、高温低湿給気ユニット１１の高温低湿空気の副導入流路１９に設けたダンパＤ６の開度を制御するようになっている。

このような制御を図１６、図１７に基づいて説明すると、図１６は、再循環風量割合と給気風量割合の変化を示し、図１７はそのときの蓄熱材充填槽２１の出入口空気の変化を表している。

図１６に示したように、運転時間後１時間経過の時点で、それまで０％だった再循環流量を徐々に増加させることで、図１７に示したように、蓄熱材充填槽２１の入口温度Ｔｉｎが高くなり、それによって、蓄熱材充填槽２１の出口温度Ｔｏｕｔは約８０℃に維持される。ただし、再循環流量の増加に伴い、高温低湿給気流路２６を通じて供給される給気風量は減少することになる。

このようなダンパの開度を調整して再循環給気制御することに、図１８に示したように、さらにファン１３のインバーター７１による給気風量制御を加えるようにしてもよい。

図１８に示した例では、蓄熱材充填槽２１の出口の空気の温度を計測する第２の温度検出器３４、蓄熱材充填槽２１の出口の空気の湿度を計測する第２の湿度検出器３３の検出値に基づいて、高温低湿給気ユニット１１の高温低湿空気の副導入流路１９に設けたダンパＤ６の開度を制御するとともに、これら第２の温度検出器３４、第２の湿度検出器３３の検出値に基づいてインバーター７１を制御してファン１３による風量を制御するものである。これによってより現実的で制御範囲の広い運転が可能になる。

以上のように、図１５、図１８に示した再循環給気制御は、蓄熱材充填槽２１の入口温度によって、高温低湿給気の温湿度を制御できるということは、蓄熱材充填槽２１が単なる熱交換器ではなく、蓄熱材充填槽２１内に収容されている吸着材からなる蓄熱材が、水分を含有している外気の供給によって発熱反応を起こしているために制御できる手法であり、吸着材を利用した蓄熱システムの独特の制御方法である。

以上の実施の形態でも分かるように、本発明は、工場廃熱、太陽熱、ヒートポンプ廃熱からの熱を利用して、吸着材からなる蓄熱材を加熱して蓄熱し、需要家での使用時、すなわち放熱運転時には、水分を含んだ外気を蓄熱材に供給することで、蓄熱された熱、及び吸着材の水分吸着時の発熱によって、高温低湿度の給気を需要家など、熱の需要先に供給することが可能である。

こんにち我が国のエネルギー需要の大きな割合を占める家庭・業務部門では「ＺＥＢ（ネット・ゼロ・エネルギー・ビル）」や「ＺＥＨ（ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス）」の実現に向けて、大幅な省エネルギーが求められている。したがって、都市域や工場・工業団地におけるＣＧＳ廃熱、工場廃熱、太陽熱、ヒートポンプ廃熱から冷暖房熱源を再生する大規模地域熱ネットワーク（以下、「メガストック」と称す））の展開を想定した場合、本発明を採用することで、空調システム系外からの熱を利用して空調システムのエネルギー消費（電力・ガス消費）を限りなくゼロに近づけられ、ＺＥＢの実現やＺＥＨの実現に寄与できる。

また本発明を利用したメガストックは、従来未利用だった各所の廃熱を吸着材の乾燥に用い、冷温熱を必要とする利用側において吸着材を用いた空調技術に応用して供給することができる。さらにまた今後のＥＳＰ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｐｒｏｖｉｄｅｒ）は、ガス／電気／再生可能エネルギーのベストミックスが基本になると考えられるが、本発明を利用したメガストックはそのＫｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙとして、民生／業務産業用での「ハード＋ＥＳＰ型ｏｒ運営受託型」のビジネス展開を可能にする。

本発明は、大規模な地域や工場・工業団地において廃熱を利用する空調に有用である。

１ 蓄熱システム
１１ 給気ユニット
１２ ケーシング
１３ ファン
１４ 加熱コイル
１５ 導入流路
１６ 供給路
１７ 第１供給流路
１８ 第２供給流路
１９ 副導入流路
２１ 蓄熱材充填槽
２１ａ 筐体
２１ｂ 上部空間
２１ｃ 下部空間
２２、２５ 排気路
２３ 第１排気流路
２４ 第２排気流路
２６ 高温低湿給気路
３１ 第１の湿度計
３２ 第１の温度計
３３ 第２の湿度計
３４ 第２の温度計
４１ 実験装置
Ｄ１〜Ｄ８、Ｄ１０〜Ｄ１３ ダンパ
Ｍ 蓄熱材

Claims (3)

1. 吸着材からなる蓄熱材を収容した収容体と、ファンと、当該ファンによって取り入れた空気に対して加熱する加熱部とを有し、前記加熱部によって加熱した後の空気を、前記ファンによって前記収容体内の蓄熱材に供給可能である蓄熱システムであって、
   前記加熱部は、温排熱によって前記空気を加熱するように構成され、
   蓄熱運転時には、前記加熱部によって加熱された空気を前記収容体に供給して前記蓄熱材で蓄熱し、
   放熱運転時には、取り入れた空気を前記収容体に供給して前記蓄熱材で前記空気中の水分を吸着し、前記水分が吸着された後の空気を、給気として熱の需要先に供給するようにし、
   前記放熱運転時に、熱の需要先に供給する給気の温度または湿度の調整を行い、
   前記蓄熱運転時における加熱された空気の前記収容体への供給方向と、前記放熱運転時における空気の前記収容体への供給方向が逆方向であることを特徴とする、蓄熱システム。
2. 吸着材からなる蓄熱材を収容した収容体と、ファンと、当該ファンによって取り入れた空気に対して加熱する加熱部とを有し、前記加熱部によって加熱した後の空気を、前記ファンによって前記収容体内の蓄熱材に供給可能である蓄熱システムであって、
   前記加熱部は、温排熱によって前記空気を加熱するように構成され、
   蓄熱運転時には、前記加熱部によって加熱された空気を前記収容体に供給して前記蓄熱材で蓄熱し、
   放熱運転時には、取り入れた空気を前記収容体に供給して前記蓄熱材で空気中の水分を吸着し、前記水分が吸着された後の空気を、給気として熱の需要先に供給するようにし、
   前記放熱運転時に、前記給気の一部を前記空気と合流させて前記収容体に供給する空気の温度または湿度を制御し、
   前記蓄熱運転時における加熱された空気の前記収容体への供給方向と、前記放熱運転時における空気の前記収容体への供給方向が逆方向であることを特徴とする、蓄熱システム。
3. 吸着材からなる蓄熱材を収容した収容体と、ファンと、当該ファンによって取り入れた空気に対して加熱する加熱部とを有し、前記加熱部によって加熱した後の空気を、前記ファンによって前記収容体内の蓄熱材に供給可能である蓄熱システムの運転方法であって、
   前記加熱部は、温排熱によって前記空気を加熱するように構成され、
   蓄熱運転時には、前記加熱部によって加熱された空気を前記収容体に供給して前記蓄熱材で蓄熱し、
   放熱運転時には、取り入れた空気を前記収容体に供給して前記蓄熱材で当該空気中の水分を吸着し、前記水分が吸着された後の空気を、給気として熱の需要先に供給するようにし、
   前記放熱運転時に、熱の需要先に供給する給気の温度または湿度の調整を行い、
   前記蓄熱運転時における加熱された空気の前記収容体への供給方向と、前記放熱運転時における空気の前記収容体への供給方向とを逆方向にすることを特徴とする、蓄熱システムの運転方法。

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