JP6987731B2 - ビル用冷暖房システム - Google Patents

Description

本発明は、ビル用冷暖房システム、特に地域冷暖房の一定地域内にあるビルに適した冷暖房システムに関する。

従来から、中大規模のビル向けにビル用マルチエアコンが普及している。１台の熱源ユニットでビル全体を空調する、大規模のビルに適したセントラル空調とは異なり、ビル用マルチエアコンは、例えばフロア毎に設置した熱源ユニット（室外機）に複数の室内機を接続し、室内機毎（部屋毎）に温度調節ができ、また冷房・暖房を自由に設定できることから快適性を向上できる。

ところで、近年では、地域冷暖房が普及してきている。地域冷暖房は、一定地域内の多数のビルに熱供給設備（地域冷暖房プラント）から、冷水・温水・蒸気などの熱媒を、地域配管を通して供給し、冷房・暖房・給湯などを行うシステムである。つまり、地域冷暖房では、地域冷暖房プラントによって地域全体の熱源をまとめて製造し、供給するためセントラル空調が各ビルに採用される。

特開２０１２−４２１６２号公報 特開２００６−２６６５２０号公報 特開２００５−１４０３６７号公報

地域冷暖房では、セントラル空調が採用されているため、地域冷暖房を導入したビルでは、部屋毎に冷房モードと暖房モードを切り替えることはできない。もちろん、地域冷暖房を導入せずにビル用マルチエアコンを単独で設置することは可能であるかもしれない。

しかしながら、超大規模のビル、特に延床面積が１０万平方メートルを超えるような超高層ビルでは顕著となるが、空冷式のビル用マルチエアコンを導入しようとすると、室外機の台数が１０００台以上となり、室外機を屋上に設置できない場合がある。仮に物理的に設置できるとしても、室外機と室内機との高低差があるとマルチエアコンの仕様から実際には設置することはできない。

また、各階のバルコニー等に室外機を設置する場合、上層階の室外機は下層階の室外機の排気熱の影響を受けて、効率的な運転ができなくなるおそれがある。

一方、水冷式のビル用マルチエアコンを導入しようとすると、冷却塔やボイラーの台数が多くなり、保守費用等コストの問題や空冷式と同様に設置面積の問題が生じてくる。

本発明は、地域冷暖房の一定地域内におけるビルにおいても水冷式ビル用マルチエアコンを設置可能とすることを目的とする。

本発明に係るビル用冷暖房システムは、水冷式ビル用マルチエアコンと、地域冷暖房の一定地域内にある他のビルからの地域冷暖房プラントへの還水と、前記水冷式ビル用マルチエアコンの熱源水と、を熱交換する熱交換器と、前記ビルからの還水の温度を利用して前記水冷式ビル用マルチエアコンの熱源ユニットに供給する熱源水の温度を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

また、前記熱交換器は、前記他のビルからの冷水の還水と、前記熱源ユニットに供給する冷水用の熱源水と、を熱交換する冷水用熱交換器と、前記他のビルからの温水の還水と、前記熱源ユニットに供給する温水用の熱源水と、を熱交換する温水用熱交換器と、を有することを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記水冷式ビル用マルチエアコンから取得した冷暖房にかかる負荷情報に基づき前記熱源ユニットに供給する熱源水の流路を制御することを特徴とする。

また、前記制御手段は、冷房負荷が暖房負荷より高い場合、前記冷水用熱交換器により熱交換された熱源水を前記熱源ユニットに供給するよう制御することを特徴とする。

また、前記制御手段は、暖房負荷が冷房負荷より高い場合、前記温水用熱交換器により熱交換された熱源水を前記熱源ユニットに供給するよう制御することを特徴とする。

また、前記制御手段は、前記熱源ユニットに供給する熱源水の温度に基づき前記水冷式ビル用マルチエアコンへの流量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、地域冷暖房の一定地域内におけるビルにおいても水冷式ビル用マルチエアコンを設置することができる。

本実施の形態における地域冷暖房の地域配管の接続形態を示す概念図である。 本発明に係るビル用冷暖房システムの一実施の形態を示す全体構成図である。

以下、図面に基づいて、本発明の好適な実施の形態について説明する。

「地域冷暖房」というのは、前述したように一定地域内の多数のビルに熱供給設備（地域冷暖房プラント）から、冷水・温水・蒸気などの熱媒を、地域配管を通して供給し、冷房・暖房・給湯などを行うシステムのことをいうが、本実施の形態では、各ビルに熱源水（冷却水）を供給する地域冷暖房に適用する場合を例にして説明する。

図１は、本実施の形態における地域冷暖房の地域配管の接続形態を示す概念図である。図１には、ＤＨＣ（Ｄｉｓｔｒｉｃｔ Ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ）１と複数のビル２が示されている。ＤＨＣ１は、地域冷暖房であり、本実施の形態では、特に各ビル２のセントラル空調向けに冷水と温水を熱源水として供給する地域冷暖房プラントを示している。ビル２は、地域冷暖房の一定地域内にある建物であり、ＤＨＣ１から供給される熱源水を利用してセントラル空調方式にて空調を行う。ＤＨＣ１と各ビル２の間には、ＤＨＣ１が製造した冷水を各ビル２に供給するための地域配管３、ＤＨＣ１が製造した温水を各ビル２に供給するための地域配管４、各ビル２がＤＨＣ１から供給され空調等に使用した後の冷水をＤＨＣ１に戻すための地域配管５、各ビル２がＤＨＣ１から供給され空調等に使用した後の温水をＤＨＣ１に戻すための地域配管６、がそれぞれ配設される。なお、ＤＨＣ１が各ビル２に供給する冷水の温度は、地域冷暖房にもよるが、一般に７度程度、温水の温度は６０度程度である。また、現状からして、各ビル２がＤＨＣ１に還す冷水の温度は１２度程度、温水の温度は４０度程度になることを想定している。

以降の説明において、ＤＨＣ１が地域配管３を通して各ビル２に供給する冷水を「冷水（往水）」、ＤＨＣ１が地域配管４を通して各ビル２に供給する温水を「温水（往水）」、各ビル２が地域配管５を通してＤＨＣ１に還す冷水を「冷水（還水）」、各ビル２が地域配管６を通してＤＨＣ１に還す温水を「温水（還水）」、と記載する。また、冷水（往水）及び温水（往水）を区別する必要がない場合は、「往水」と総称する。同様に、冷水（還水）及び温水（還水）を区別する必要がない場合は、「還水」と総称する。

本実施の形態におけるビル用冷暖房システムを設置するビル１０は、熱源水としてＤＨＣ１から往水の供給を受けずに、他のビル２が使用した熱源水、すなわち還水の温度を利用することを特徴としており、そのために、冷水用の熱交換器及び温水用の熱交換器をそれぞれ、他のビル２がＤＨＣ１に還水を還す地域配管５，６の取付位置７ａ，７ｂに設置する。なお、複数のビル２からの冷水（還水）及び温水（還水）の温度を利用するために設置位置８ａ，８ｂに設置してもよい。

図２は、本発明に係るビル用冷暖房システムの一実施の形態を示す全体構成図である。図２には、セントラル空調方式の空調設備を備えるビル２とは異なり、本実施の形態におけるビル用冷暖房システムが適用されるビル１０が示されている。ビル１０は、水冷式ビル用マルチエアコン（水冷ビルマル）１１を使用するビル用冷暖房システムを備えている。

水冷式ビル用マルチエアコン１１は、熱源ユニット（室外ユニット）１１１、分流コントローラ１１２及び室内機（室内ユニット）１１３を有している。室内機１１３は、例えば部屋に１乃至複数設置され、当該部屋に冷気又は暖気を供給する。室内機１１３は、運転モードや室温設定を個々に設定できる。熱源ユニット１１１は、熱源水によって冷気／暖気を生成する。分流コントローラ１１２は、各室内機１１３の運転モード等の設定に応じて熱源ユニット１１１が生成した冷気／暖気を各室内機１１３に供給する。水冷式ビル用マルチエアコン１１は、従来から存在する室外ユニット、分流コントローラ及び室内ユニットから成る装置をそのまま利用してよい。

本実施の形態では、熱源として他のビル２からの還水を利用し、冷水塔及びボイラーを必要としない。すなわち、水冷式ビル用マルチエアコン１１は、冷水塔及びボイラーを含まない。なお、図２に示す水冷式ビル用マルチエアコン１１の構成は、ビル１０の各階ともに同じでよいので、図２では１組の構成のみ図示した。

ビル１０には、更に他のビル２からの還水と、水冷式ビル用マルチエアコン１１の熱源水と、を熱交換する熱交換器１２が設置される。本実施の形態では、熱交換の効率性を考慮して冷水用と温水用それぞれに対応させて熱交換器１２ａ，１２ｂを設置するが、少なくとも一方のみで運用することは可能である。なお、２台の熱交換器１２ａ，１２ｂを区別する必要がない場合は、上記の通り「熱交換器１２」と総称する。熱交換器１２ａは、図１に示す取付位置７ａに接続され、他のビル２からの冷水（還水）と、水冷式ビル用マルチエアコン１１の熱源水と、を熱交換する。熱交換器１２ｂは、図１に示す取付位置７ｂに接続され、他のビル２からの温水（還水）と、水冷式ビル用マルチエアコン１１の熱源水と、を熱交換する。

水冷式ビル用マルチエアコン１１と熱交換器１２との間には、水冷式ビル用マルチエアコン１１の熱源水を循環させる配管が図２に示すように設置される。熱交換器１２ａから出力される熱源水は、バルブ（冷水弁）１３ａを通り、更に温度計１４、インバータ１５により動作制御されるポンプ１６を通って水冷式ビル用マルチエアコン１１に供給可能なように配管が設置される。一方、熱交換器１２ｂから出力される熱源水は、バルブ（温水弁）１３ｂを通り、更に温度計１４、ポンプ１６を通って水冷式ビル用マルチエアコン１１に供給可能なように配管が設置される。水冷式ビル用マルチエアコン１１により使用された熱源水は、流量計１７を通って熱交換器１２に供給されるように配管が設置される。本実施の形態では、熱交換器１２ａ又は熱交換器１２ｂに切り替えて、すなわち排他的に熱源水が還される。

コントローラ１８は、他のビル２からの還水の温度を利用して水冷式ビル用マルチエアコン１１の熱源ユニット１１１に供給する熱源水の温度を制御する制御手段として機能する。熱源水の温度制御を行う際、温度計１４及び流量計１７の各計測値と水冷式ビル用マルチエアコン１１から取得する冷暖房に係る負荷情報に基づきバルブ１３ａ，１３ｂの開閉制御並びにインバータ１５の動作を制御して、ポンプ１６からの流量を調整する。

コントローラ１８は、従前からある汎用的なハードウェア構成で実現できる。すなわち、コントローラ１８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭやハードディスクドライブ（ＨＤＤ）等の記憶手段を内部バスに接続して構成される。また、必要により通信インタフェースやユーザインタフェースを持たせてもよい。後述するコントローラ１８は、ハードウェアにより、あるいはＣＰＵとＣＰＵで動作するプログラムとの協調動作により実現してもよい。プログラムは、コントローラ１８の設置時あるいは設置後にネットワーク等を経由してインストールしてもよい。

次に、本実施の形態における動作について説明する。

コントローラ１８は、水冷式ビル用マルチエアコン１１から冷暖房に係る負荷情報を取得する。負荷情報には、ビル１０全体で使用されている室内機１１３の運転台数、運転中の室内機１１３の運転モード（冷房運転、暖房運転の別）が含まれている。コントローラ１８は、取得した負荷情報を解析することで現時点の冷房負荷及び暖房負荷を求める。冷房負荷は、例えば、冷房運転モードで稼働している室内機１１３の運転台数、冷房運転モードで稼働している室内機１１３全体の消費電力、熱源ユニット１１１における冷房出力、冷房運転において熱源水に必要な熱量、流量等である。冷房負荷は、従前からある手法を用いればよい。暖房負荷も冷房負荷と同様な方法にて求める。

そして、冷房負荷が暖房負荷より大きい場合、コントローラ１８は、温水弁１３ｂを閉制御すると共に、熱源ユニット１１１に供給する熱源水の温度が１０度以上になるよう冷水弁１３ａの開度を調整する。このように、コントローラ１８は、熱源水が熱交換器１２ａ、冷水弁１３ａ、温度計１４、ポンプ１６を通って熱源ユニット１１１に供給されるよう流路を制御する。そして、熱源ユニット１１１から出力される熱源水は、流量計１７を通って熱交換器１２ａに供給される。

ところで、現在の熱源ユニットの仕様から、熱源水の温度は１０度から４５度の間に調整する必要がある。そのため、コントローラ１８は、熱交換器１２ａから出力され熱源ユニット１１１に供給する熱源水の温度が１０度以上となるよう温度調整を行う。なお、熱源ユニット１１１に供給される熱源水の温度は、温度計１４によって測定される。また、コントローラ１８は、冷房負荷の大きさ、流量計１７が測定した流量、熱源ユニット１１１の出力等に応じて熱源ユニット１１１に供給する熱源水の流量、熱量を制御するためにインバータ１５の動作を制御して、ポンプ１６の開閉度合いを調整する。

一方、暖房負荷が冷房負荷より大きい場合、コントローラ１８は、冷水弁１３ａを閉制御すると共に、熱源ユニット１１１に供給する熱源水の温度が４５度以下になるよう温水弁１３ｂの開度を調整する。このように、コントローラ１８は、熱源水が熱交換器１２ｂ、温水弁１３ｂ、温度計１４、ポンプ１６を通って熱源ユニット１１１に供給されるよう流路を制御する。そして、熱源ユニット１１１から出力される熱源水は、流量計１７を通って熱交換器１２ｂに供給される。

熱源水の温度を４５度以下とするのは、前述したように熱交換器の仕様に基づくものである。なお、今後、熱源ユニット１１１の仕様が変更されると、コントローラ１８は、その仕様に適合するよう温度制御すればよい。また、コントローラ１８は、暖房負荷の大きさ、流量計１７が測定した流量、熱源ユニット１１１の出力等に応じて熱源ユニット１１１に供給する熱源水の流量、熱量を制御するためにインバータ１５の動作を制御して、ポンプ１６の開閉度合いを調整する。

なお、冷房負荷と暖房負荷が同じ場合は、いずれかのバルブ１３ａ，１３ｂを閉制御して冷水又は温水を熱源ユニット１１１に供給するようにすればよい。

以上説明したように、本実施の形態では、熱源ユニット１１１に供給される熱源水の温度が１０度から４５度の範囲となるようにバルブ１３ａ，１３ｂの開閉制御を行うが、冷房負荷が暖房負荷より大きい場合、コントローラ１８は、冷房運転している室内機１１３の運転効率を優先させて温水弁１３ｂを閉じるように制御する。一方、暖房負荷が冷房負荷より大きい場合、コントローラ１８は、暖房運転している室内機１１３の運転効率を優先させて冷水弁１３ａを閉じるように制御する。このように、本実施の形態では、冷水又は温水の一方の熱源水のみを熱源ユニット１１１に供給するようにした。もちろん、冷水と温水を混合してもよいが、ミキシングロスを発生させないようにバルブ１３ａ，１３ｂを排他制御するようにした。なお、現時点の水冷式ビル用マルチエアコンは、熱源ユニットに供給される熱源水の温度が１０度から４５度の間であれば、冷房運転と暖房運転の双方とも運転可能であり、冷房運転と暖房運転の同時運転が可能である。

従来の水冷式ビル用マルチエアコンでは、熱源として冷却塔やボイラーを利用していたが、本実施の形態では、他のビル２からの還水の温度を利用するように構成したので、冷却塔やボイラーを必要としない。すなわち、冷却塔やボイラーの保守費用とのコストや設置面積の問題が発生しないので、冷暖房地域の一定地域内においてビル１０に水冷式ビル用マルチエアコンを設置することが可能となる。これにより、巨大な規模のビル１０においても部屋毎の快適性を向上させることが可能となる。

ところで、本実施の形態におけるビル１０に還水を供給するビル２は、従来通りセントラル空調方式により空調制御していることを想定している。ただ、そのビル２も、本実施の形態のビル用冷暖房システムに切り替えて、水冷式ビル用マルチエアコン１１を導入する場合も考えられる。このように、ビル２が本実施の形態のビル用冷暖房システムに切り替えていった結果、地域冷暖房の一定地域内にある全てのビルが本実施の形態のビル用冷暖房システムを導入することも理論上、あり得る。そう考えると、現在では、セントラル空調向けに冷水（７度）と温水（６０度）を供給している地域冷暖房プラントが、熱源ユニットの仕様に従って１０度以上の冷水（往水）と４５度以下の温水（往水）を供給するようにしてもよいように考えられる。そうすると、前述した本実施の形態のビル用冷暖房システムは、地域冷暖房プラントから熱源水（往水）を直接受けることも可能となる。また、熱源ユニット１１１に供給する熱源水の温度を１０度以上４５度以下に調整するための熱交換器１２を使用しなくてすむ。また、ＤＨＣ１では、熱源水を現状より冷暖する必要がないため、コストの削減にもつながる。

１ ＤＨＣ、２，１０ ビル、３，４，５，６ 地域配管、７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ 取付位置、１１ 水冷式ビル用マルチエアコン、１２ａ，１２ｂ 熱交換器、１３ａ バルブ（冷水弁）、１３ｂ バルブ（温水弁）、１４ 温度計、１５ インバータ、１６ ポンプ、１７ 流量計、１８ コントローラ、１１１ 熱源ユニット、１１２ 分流コントローラ、１１３ 室内機。

Claims (6)

1. 水冷式ビル用マルチエアコンと、
   地域冷暖房の一定地域内にある他のビルからの地域冷暖房プラントへの還水と、前記水冷式ビル用マルチエアコンの熱源水と、を熱交換する熱交換器と、
   前記ビルからの還水の温度を利用して前記水冷式ビル用マルチエアコンの熱源ユニットに供給する熱源水の温度を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とするビル用冷暖房システム。
2. 前記熱交換器は、
   前記他のビルからの冷水の還水と、前記熱源ユニットに供給する冷水用の熱源水と、を熱交換する冷水用熱交換器と、
   前記他のビルからの温水の還水と、前記熱源ユニットに供給する温水用の熱源水と、を熱交換する温水用熱交換器と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のビル用冷暖房システム。
3. 前記制御手段は、前記水冷式ビル用マルチエアコンから取得した冷暖房にかかる負荷情報に基づき前記熱源ユニットに供給する熱源水の流路を制御することを特徴とする請求項２に記載のビル用冷暖房システム。
4. 前記制御手段は、冷房負荷が暖房負荷より高い場合、前記冷水用熱交換器により熱交換された熱源水を前記熱源ユニットに供給するよう制御することを特徴とする請求項３に記載のビル用冷暖房システム。
5. 前記制御手段は、暖房負荷が冷房負荷より高い場合、前記温水用熱交換器により熱交換された熱源水を前記熱源ユニットに供給するよう制御することを特徴とする請求項３に記載のビル用冷暖房システム。
6. 前記制御手段は、前記熱源ユニットに供給する熱源水の温度に基づき前記水冷式ビル用マルチエアコンへの流量を制御することを特徴とする請求項１に記載のビル用冷暖房システム。
   

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