JPH06174272A - 蓄熱式ヒ−トポンプ暖冷房システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は蓄熱式ヒートポンプシステムに
関り、夏季の冷熱蓄熱夏季の温熱蓄熱を一種類の潜熱蓄
熱材を用いて蓄熱し、年間を通して効率の高くかつ経済
性の高い蓄熱式ヒートポンプシステムを提供することに
ある。 【構成】本発明はヒートポンプと潜熱蓄熱槽及びヒート
ポンプを構成する各種熱交換器とから成る。発明の特徴
は潜熱蓄熱材としてヒートポンプの温熱出力も低温で、
かつヒートポンプ冷熱出力よりも高温の同一温度で相変
化する潜熱蓄熱材により蓄熱し、温熱出力時には蓄熱エ
ネルギーをヒートポンプの熱源に、冷温出力時にはヒー
トポンプの冷却源に用いることにより、夏・冬ともにヒ
ートポンプのＣＯＰを向上し、経済性の高い運転システ
ムを提供することである。 【効果】（１）１種類の蓄熱材を用いて夏季の冷熱蓄
熱、冬場の温熱蓄熱ともに潜熱で蓄熱し、年間を通して
高い蓄熱密度で蓄熱する。 （２）同上により年間を通してヒートポンプのＣＯＰを
向上し経済性の高い運転システム提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は昼夜間の電力負荷の標準
化を目的とし、暖冷房時とも夜間電力により蓄熱し、昼
間に空調を行なう設備に関し、特に年間を通して最大設
備容量を低減するに好適な一槽型蓄熱ヒートポンプ暖冷
房システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】発電設備の最大設備容量を低減し、かつ
稼動率を向上させる方策として昼夜間の電力負荷を平準
化させることが望まれている。特に夏季冷房時間帯、冬
期の暖房時間帯では空調機器の使用による電力負荷が増
大し、電力供給の余裕が切迫しており、今後この傾向は
ますます大きくなる。この打開策として夜間の電力を用
いて蓄熱し、昼間帯にこれを冷房又は暖房の熱源に用い
る蓄熱システムの普及が望まれている。蓄熱システムに
は、水やレンガなどを加熱又は冷却して蓄熱する顕熱蓄
熱方式、氷（例えば特開平０３−９１６３３号公報）や
無機塩の相変化時の融解又は凍結熱を利用する潜熱蓄熱
方式等がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】水やレンガを用いる顕
熱蓄熱は蓄熱材料当りの蓄熱量すなわち、蓄熱密度が小
さいので蓄熱機器が大きくなるため、蓄熱密度の大きい
潜熱蓄熱の普及が望まれている。

【０００４】潜熱蓄熱では氷蓄熱が実用化されている
が、温熱蓄熱時は水を加熱して蓄熱すので顕熱蓄熱とな
り、蓄熱量が不足する。

【０００５】したがって、温熱、冷熱を共に潜熱で貯え
る潜熱システムが必要であるが、この場合、基本的には
温熱（＝５０℃）と冷熱（７℃）を蓄熱する２種類の相
変化物質を必要とする。２種類の蓄熱槽を用いることは
イニシャルコストの増大、設置スペースの増大を招き得
策では無い。

【０００６】本発明の目的は、コンパクトで蓄熱密度の
高い相変化物質を用いる潜熱蓄熱システムにおいて、一
種類の相変化物質を中間温度帯を用いて蓄熱し、温熱出
力(５０℃)、冷房出力（≒７℃）いずれの場合にも、こ
れを熱源として供給し、イニシャルコストの低減と設置
スペースの縮小を図り、年間を通して成績係数の高い蓄
熱式ヒートポンプ暖冷房システムを提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、相変化物質
を用いる蓄熱式ヒートポンプ暖冷房システムにおいて、
ヒートポンプの温熱出力よりも低温で、かつヒートポン
プの冷熱出力よりも高温で蓄熱し、蓄熱エネルギーを温
熱出力の場合はヒートポンプの熱源に用い、冷熱出力の
場合はヒートポンプの冷却源として用いることによっ
て、達成される。

【０００８】

【作用】本発明は上記の構成と系統により実施されるの
で、夏期の冷房需要期と冬期の暖房需要期にはそれぞれ
下記のように作用する。

【０００９】(1) 夏期 空気温度は地域によって異なるが、例えば夜間の外気温
度が３０℃であり、冷房に必要な温度は７℃とする。こ
の場合夜間外気温度３０℃を熱源とし、ヒートポンプで
７℃よりも高い温度、すなわちたとえば２０℃を発生さ
せ、２０℃で相変化する潜熱蓄熱材を冷却し凍結固化さ
せる。この場合のヒートポンプのＣＯＰは３０℃の外気
温から冷房に要求される７℃を発生させる時に比較し
て、３０℃の熱源から２０℃を発生させるだけと温度変
化巾が小さいのでＣＯＰは向上する。このように夜間は
もっぱら潜熱蓄熱材の凍結固化が行なわれ、すなわち蓄
熱が行なわれる。一方、昼間は外気温度は３５℃程度に
なり、通常蓄熱系の装置がなければ３５℃の外気温度を
用いて冷房熱７℃を発生させることになるが、この場合
は夜間に蓄熱しておいた潜熱蓄熱材をヒートポンプの熱
源とする。すなわち、２０℃の潜熱蓄熱材を熱源として
７℃を発生させれば良く、この場合も夜間の時と同様に
外気温度３５℃から冷房出力７℃を得る必要はなく、潜
熱蓄熱温度の２０℃を熱源に用いて７℃を出すことにな
るので、ヒートポンプのＣＯＰは向上る。すなわち、夜
間および昼間のヒートポンプのＣＯＰの向上が図れる。
また、夜間の電力を用いて蓄熱され、これを昼間の冷房
負荷ピーク時に放熱できるので、電力需要のボトムアッ
プ、ピークカットに寄与できる。

【００１０】(2) 冬期 空気温度は０℃前後となり暖房に必要な温熱は４５℃が
必要となる。本発明では夜間に０℃の外気を用いて、ヒ
ートポンプにより約２０℃の温熱を作り、この熱で２０
℃で相変化する潜熱蓄熱材を加熱し融解し、この状態で
蓄熱する。昼間の温熱需要時間になると、ヒートポンプ
は２０℃の潜熱蓄熱材を温熱源として４５℃の暖房用温
熱を発生する。この場合も夏期の冷房時と同じくヒート
ポンプの昇温巾は０℃の外気温度から直接４５℃を発生
させないので、トータルのヒートポンプのＣＯＰを向上
できる。又、同様に夜間電力のボトムアップ、昼間電力
のピークカットに効果を発揮する。

【００１１】

【実施例】図１から図４は本発明の実施例の構成要素と
配管系統図で、図１は温熱蓄熱運転フロー図、図２は温
熱出力運転フロー図、図３は冷熱蓄熱運転フロー図、図
４は冷熱出力運転フロー図である。まず、温熱蓄熱運転
フローを図１を用いて説明する。通常、温熱蓄熱は温熱
出力を必要とする冬期の夜間に行なわれる。外気温度−
５℃レベルの空気を冬気熱交換器４により、ヒートポン
プ１の熱源とし、膨張弁５を設けた配管１１０介して取
り込み、３５℃程度の温熱をヒートポンプ１で増熱す
る。この温熱は配管１０２を介して温水用熱交換器２で
潜熱蓄熱材７を加熱する熱媒体と熱交換される。蓄熱媒
体は配管１１１，１１２を介して温水用熱交換器２と蓄
熱槽６の間を循環する。蓄熱槽６には温度２０℃で相変
化する蓄熱材７が充填されており、３０℃に加熱された
熱媒体により加熱され融解し、融解した状態で蓄熱され
る。従来の潜熱蓄熱では温熱出力の５０℃レベルの相変
化温度を有する蓄熱材を用いるので、ヒートポンプ１の
温熱出力は５５℃レベルが必要になるので、本実施例の
場合は、従来の場合よりヒートポンプ１のＣＯＰが向上
する効果がある。

【００１２】図２は図１で蓄熱したエネルギーを用いて
暖房運転をしている運転フロー図である。ヒートポンプ
１の熱源としては蓄熱槽６に貯められた２０℃の熱源を
用いる。

【００１３】蓄熱槽６には２０℃の相変化物質が融解状
態で充填されている。蓄熱槽６で熱交換された熱媒体は
１５℃で取り出され、配管１１３を介して冷水用熱交換
器３でヒートポンプの冷媒を加熱し、自身は１０℃に冷
却され配管１１４を介して蓄熱槽６を循環する。蓄熱材
７は暖房運転開始時には融解状態にあるが、運転が進む
につれて潜熱を放出し除々に固化して行きすべての蓄熱
材が固化した時点で潜熱蓄熱量が０となる。

【００１４】冷水用熱交換器３で増熱された温熱は５０
℃レベルで配管１１５を介して取り出され、温水用熱交
換器２で暖房用温水と熱交換される。暖房用温水は４５
℃レベルでファンコイルユニット８に送られ暖房用熱源
に用いられ、４０℃で戻って来る。本実施例では従来の
ヒートポンプ運転では冬期だと−５℃レベルの外気温か
ら５０℃レベルの温熱を製造しなければならないのに比
較し、１５〜２５℃レベルの熱源から５０℃を製造する
ことになるので、ヒートポンプの昇温巾が従来より少な
くなり、ヒートポンプ１のＣＯＰを向上することができ
る。

【００１５】図３は冷房蓄熱運転に係る系統を示す。ヒ
−トポンプ１の圧縮機で圧縮された冷媒は配管１０２を
経て空気熱交換器４へ導入され、２５℃の外気で冷却さ
れて凝縮する。該凝縮冷媒は配管１０３を経由して膨張
弁５により断熱膨張し、低温となる。低温となった冷媒
は配管１０１により冷水用熱交換器３に導入される。冷
水熱交換器３は蓄熱槽で昇温された蓄熱媒体配管１０４
が導入されており、該冷水熱交３で該熱媒体により冷媒
は加熱され蒸発する。蒸発した冷媒は配管１００により
圧縮機へ吸引される再循環される。冷水熱交３では熱媒
体が冷却され、配管１０５、三方弁１０００、配管１０
６、三方弁１００２、配管１０７を経て、蓄熱槽６へ導
入される。当該蓄熱槽６は蓄熱材７が封入されており、
該蓄熱材７は冷却される。蓄熱材７を冷却した熱媒体は
昇温して配管１０９熱媒体循環ポンプ８により抜き出さ
れ、配管１１０、三方弁１００３、配管１１１、三方弁
１００１を経て再び前述した冷水用熱交３へ導入されて
降温する。

【００１６】上記系統と操作において、前記蓄熱材７の
凝固温度が２０℃付近であるため、前記熱交３で製造す
る蓄熱媒体の温度は１０℃程度で充分である。

【００１７】従来の冷房に係る蓄熱は、冷水を製造して
貯蔵しておくため、前述した熱媒体温度は７℃が一般的
である。

【００１８】これに対し、本発明では７℃よりも高い１
０℃の熱媒体温度であることから、冷媒の蒸発温度を上
昇させることが可能となり圧縮機に必要な動力が低減で
きる。

【００１９】図４は図３に示した蓄熱運転終了後に実施
する冷房出力に係る実施例を示す。ヒ−トポンプ１の圧
縮機で圧縮された冷媒は配管１０２により、冷水用熱交
換器２へ導入される該温水用熱交換器２は蓄熱槽６で、
蓄熱材７の融解熱により冷却された熱媒体が配管１２３
から導入されている。そのため、前述した冷媒は冷水用
熱交換器２で凝縮され、配管１０３を経由して膨張弁５
により、断熱膨張し、低温となって配管１０１から冷水
用熱交換器３へ導入される、冷水用熱交換器３へは、空
調用ファンコイルユニット１１で昇温された冷水が配管
１２６から導入されており、該冷水から前記冷媒は顕熱
を奪って蒸発し、配管３００を経て再び圧縮機１へ導入
される。前記冷水は前述したように顕熱を奪われること
で降温し、配管１２７、三方弁１００８、配管１２８、
三方弁１００６、配管１２９を経て、ファンコイルユニ
ット１１へ導入される。

【００２０】該ファンコイルユニット１１は室内空気と
の熱交換器であり、導入された冷水は昇温して、配管１
３０を経てポンプ１０により、三方弁１００７、配管１
３１、三方弁１００９、配管１２６を経由して再循環さ
れる。

【００２１】上記系統と操作において、本発明の特徴は
冷水熱交換器２における冷媒の凝縮温度にあるが、従来
よりも低い温度であることを特徴としている。すなわ
ち、従来は該凝縮器２に一般に冷水塔で冷却された冷却
水を使用しており、通常温度は３２℃→３７℃の変化で
ある。これに対し、本発明では蓄熱槽で冷却された２５
℃程度の冷却水が保たれ、従来よりも低い温度で凝縮で
きる。

【００２２】即ち、冷凍サイクルにおける凝縮温度低下
は、圧縮機の動力低減と成績係数を向上することが可能
となる。

【００２３】次に蓄熱が無い場合と本発明方式による冷
暖房についてシミュレーション結果に基づいてランニン
グコストの低減結果についての具体例を示す。

【００２４】表１にシミュレーションに用いた負荷条件
を示す。図５に暖房期の夜間蓄熱、昼間放熱の温度ダイ
ヤグラムを示す。ここで、ヒートポンプは４０HP容量が
２台あり、夜間には−５℃の外気を熱源として２７.５
℃の温熱を発生し、この熱で蓄熱材を２０℃に加熱融解
させ、自身は２２.５℃に冷却されヒートポンプに戻
る。一方昼間にはヒートポンプは２０℃の蓄熱材から熱
を１７.５℃でもらい、４５℃の温熱を発生させる。

【００２５】図６に冷房期の夜間蓄熱昼間放熱の温度ダ
イヤグラムを示す。夜間２５℃の外気から１２.５℃の
熱をヒートポンプで発生させ２０℃で相変化する潜熱蓄
熱材を冷却し固化させる。自身は１７.５℃に加熱され
戻ってくる。

【００２６】 表１ 負荷条件 冷 房 暖 房 運転日数 日 １００ １３０ 運転時間 h/日 ９ ９ 日平均負荷率 (ピ−ク日) ０.９ ０.７ 最大負荷 Mcal/h １２７.０ ２７３.０ 日積算最大負荷 Mcal ７０３.０ １５２６.０ 全負荷相等時間 h ５５５ ６１０ 期間総負荷 Mcal ４３,３９０ １０３,２９０ 一方、昼間には２０℃の蓄熱材から２２.５℃の熱をも
らい（この為蓄熱材は固化する）７℃の冷熱を発生させ
る。

【００２７】以上の条件下で蓄熱システムを用いない
で、ヒートポンプだけを用いた場合とをシミュレーショ
ンし比較した。シミュレーション結果を表２に示す。こ
こでシミュレーション結果は年間のランニングコストの
比率で示したが、蓄熱をしない場合に比べてランニング
コストは９０％に低減できる。

【００２８】 表２ シミュレーション結果 蓄熱なし 蓄熱あり 年間ランニング １００ ８９.１ コスト比率 さらに設備面で比較すると、表１の負荷条件で蓄熱なし
の場合、空冷ヒートポンプは６０HP×２台の容量が必要
となる。

【００２９】しかし、蓄熱ありの場合ＣＯＰの向上によ
り図５および図６で述べたように、ヒートポンプは４０
HP×２台で済み、設備容量の低減に大きな効果がある。
さらに、この結果、需要設備も蓄熱ありの場合低減で
き、本発明による効果は大きい。

【００３０】以上、本実施例の蓄熱温度をヒートポンプ
の温熱出力よりも低温で、かつ、冷温出力よりも高温
の、地域の温度環境に適した同一の温度で相変化する蓄
熱材を用いた蓄熱式ヒートポンプ暖冷房システムによれ
ば以下の効果が得られる。

【００３１】（１）蓄熱システムの普及に最大の障害と
なっているのは蓄熱設備のイニシャルコストであるが、
本発明によるシステムでは蓄熱槽を１槽で夏・冬の全シ
ーズンを通して蓄熱密度の高い潜熱蓄熱を利用できるの
で、従来の２槽に比べて設備コストを低減できる。

【００３２】（２）蓄熱温度が１５℃〜２５℃と地中温
度にほぼ等しい温度帯びなので、蓄熱槽を地中設置した
場合、蓄熱槽の保温材が薄くても地ロスは少なく蓄熱槽
の設置工事費が低減できる。

【００３３】（３）最近の地下の高騰により、ビルの建
屋スペースは可能な限り有効に使うことが望まれている
が、１槽型は２槽型に比べ設備の設置スペースが少なく
て済みビルの有効利用が可能である。

【００３４】（４）蓄熱温度が年間を通して１５℃〜２
５℃なのでヒートポンプで冷房温度を出力する場合も暖
房温度を出力する場合も、蓄熱が無い場合に比較して冷
房の立上り時間、暖房の立ち上がり時間が共に短時間で
済み、快適空調が可能となる。

【００３５】

【発明の効果】以上、本発明によれば１種類の蓄熱材を
用いて夏季の冷熱蓄熱、冬場の温熱蓄熱ともに潜熱で蓄
熱し、年間を通して高い蓄熱密度で蓄熱することがで
き、又、年間を通してヒートポンプのＣＯＰを向上し経
済性の高い運転システムが得られる。

【００３６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の温熱蓄熱運転フロー図であ
る。

【図２】本発明の実施例の温熱出力運転フロー図であ
る。

【図３】本発明の実施例の冷熱蓄熱運転フロー図であ
る。

【図４】本発明の実施例の冷熱出力運転フロー図であ
る。

【図５】本発明の実施例のシミュレーションに用いた温
度ダイヤグラム（暖房期）である。

【図６】本発明の実施例のシミュレーションに用いた温
度ダイヤグラム（冷房期）である。

【符号の説明】

１…ヒートポンプ，２…温水用熱交換器，３…冷水用熱
交換器，４…空気熱交換器，５…膨張弁，６…蓄熱槽，
７…蓄熱材，８…ファンコイルユニット １００，１０１，１０２，１１０，１１５…ヒートポン
プ冷媒配管，１１１，１１２，１１３，１１４…熱媒体
配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野崎 崗哉 宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番１号 東北電力株式会社応用技術研究所内 (72)発明者 千田 幸雄 宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番１号 東北電力株式会社応用技術研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相変化物質を用いる蓄熱式ヒートポンプ暖
   冷房システムにおいて、ヒートポンプの温熱出力よりも
   低温で、かつヒートポンプの冷熱出力よりも高温で蓄熱
   し、蓄熱エネルギーを温熱出力の場合はヒートポンプの
   熱源に用い、冷熱出力の場合はヒートポンプの冷却源と
   して用いることを特徴とする蓄熱式ヒートポンプ暖冷房
   システム。
2. 【請求項２】蓄熱用の熱源にヒートポンプの温熱出力又
   はヒートポンプの冷熱出力を用いることを特徴とする請
   求項１記載の蓄熱式ヒートポンプ暖冷房システム。
3. 【請求項３】蓄熱温度が１５℃〜２５℃であることを特
   徴とする請求項１記載の蓄熱式ヒートポンプ暖冷房シス
   テム。
4. 【請求項４】蓄熱の材料として潜熱蓄熱材を用いること
   を特徴とする請求項１記載の蓄熱式ヒートポンプ暖冷房
   システム。
5. 【請求項５】ヒートポンプの蓄熱時の熱源に空気を用い
   ることを特徴とする請求項１記載の蓄熱式ヒートポンプ
   暖冷房システム。
6. 【請求項６】ヒートポンプによる蓄熱運転を夜間に行な
   うことを特徴とする請求項１記載の蓄熱式ヒートポンプ
   暖冷房システム。