JPH0810065B2 - ビル空調システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、ビルディングの空調システムに係り、特
に、熱源装置側と被空調室側の間の熱搬送体にフロン等
の冷媒を用いるビル空調システムに関するものである。

【従来技術】

一般に、ビル空調システムで熱源装置と空調機との間
の熱搬送を行なう熱媒体には、通常は水が用いられる。
ところで、この空調機を被空調室である居室側に設置す
る場合もあるが、居室での漏水事故の恐れがあり、あま
り好まれない。そこで、近来のビル空調システムでは、
フロン等の冷媒を熱源装置から空調機の熱交換器へ直接
導くシステムが注目されている。 このシステムでは、例えばヒートポンプ等の室外ユニ
ットを熱源装置として屋上等の屋外に設置し、一方、室
内の居室側には、屋外ユニットから冷媒配管で直結され
た室内ユニットが空調機として設置され、冷暖房が行な
われている。 また、本件出願人は、熱源装置側と被空調室側の間の
熱搬送手段として重力式ヒートパイプを採用したビル空
調システムの発明について既に出願（特願昭61−264309
号）しているが、その出願に係るビル空調システムでは
重力式ヒートパイプの冷媒液管と冷媒ガス管がそれぞれ
別々に配管される構成となっている。

【発明が解決しようとする問題点】

ところで、上述のごとく構成された屋外ユニットと室
内ユニットとが冷媒配管で直結されるビル空調システム
は直膨式のものであり、屋外ユニットの圧縮機の冷凍機
油がミスト状態で冷媒に混在して配管内を流れている。
したがって室内ユニット側へ冷媒とともに運ばれるこの
冷凍機油を屋外ユニットの圧縮機へ回収する必要があ
り、そのために種々の制約を受けることになる。 例えば被空調室での空調負荷の変動に対しては、各室
内ユニットに供給される冷媒の流量を制御するのが望ま
しいが、冷凍機油を回収するためには冷媒配管内のガス
流速を略6m/sec以上に保つことが必要であり、絞り機構
を絞り過ぎるとこのガス流速が維持できなくなる。した
がって冷媒流量を制御する手段として絞り機構を作用さ
せることができず、強いて室内ユニット側で負荷変動に
対応しようとするならば、送風機のオン・オフを小刻み
に繰り返し、これと略同時に絞り機構の開閉も小刻みに
繰り返すことによって能力制御を行なわなければなら
ず、このような制御方法は勿論好ましいものではない。 したがって、冷凍機油を回収するためには１台の屋外
ユニットに対応させて接続できる室内ユニットの数も制
限され、実際には、条件によっても異なるが１台の屋外
ユニットに対して連結できる室内ユニットは通常５台な
いし５台が限度である。 また、熱源装置は負荷のピーク値を許容できるだけの
容量を有していることが必要であり、その装置容量は大
きくならざるを得ない。また、冷媒の圧送は熱源装置に
内蔵された圧縮機の圧力により行なわれるため、装置容
量はさらに大容量が要求される。 また、上述の重力式ヒートパイプを採用したビル空調
システムの場合には、冷媒配管と液管とガス管の両方を
施工しなければならず、その施工作業は大略同じことを
２回繰り返さなければならなかった。さらに、液管では
その断熱を十分に施しておかないとフラッシュガスが発
生し、もしフラッシュガスが発生した場合には冷媒の自
然循環が停止するという問題を含んでいる。 本発明は上述のごとき問題点に鑑み、これらを有効に
解決すべく創案されたものである。したがってその目的
は、被空調室側に熱搬送媒体としての水の流路を設けず
に冷暖房を行ない、且つ空調機器の装置容量を小さくす
るとともに各室内ユニットでの能力制御を容易にし、ま
た１台の屋外ユニットに対応して設置できる室内ユニッ
トの台数を直膨式よりも増加できるビル空調システムで
あって、重力式ヒートパイプの冷媒配管の施工が容易に
行なえ、フラッシュガスの発生を抑制するとともに冷媒
の自然循環停止を防止できるビル空調システムを提供す
ることにある。

【問題点を解決するための手段】

本発明に係るビル空調システムは、従来技術の問題点
を解決し、本発明の目的を達成するために以下のような
構成を備えている。 すなわち、空調する建物のたとえば屋上等の高所に冷
熱源としての第１蓄熱槽が設けられ、一方、その建物の
地下室等の低所には温熱源としての第２蓄熱槽が設けら
れる。さらに、冷熱源である第１蓄熱槽と温熱源である
第２蓄熱槽との間の高さ位置となる各被空調室あるいは
これらの被空調領域に空調機が設けられる。これら第１
蓄熱槽と空調機との間、およびこの空調機と第２蓄熱槽
との間をそれぞれ重力式ヒートパイプで接続される。こ
の重力式ヒートパイプは、冷媒液管と冷媒ガス管とが該
冷媒液管の外周を冷媒ガス管が囲繞する２重管に構成さ
れた部分を有している。なお、この２重管構造の場合
は、管壁によって冷媒液管と冷媒ガス管が直接分離され
る２層の２重管構造であってもよく、あるいは冷媒液管
と冷媒ガス管の間に断熱材層が形成された３層の２重管
構造であってもよい。また、好ましくは、例熱源として
の第１蓄熱槽は氷蓄熱槽によって構成される。

【作用】

本発明に係るビル空調システムは、従来技術の問題点
を解決し、本発明の目的を達成するために以下のように
作用する。 まず、重力式のヒートパイプは、フロン等の冷媒を用
い、この冷媒の相変化と重力とを利用することにより被
空調室側の空調機と各熱源との間を自然循環して熱移動
に供する。冷房運転時には、被空調室側の熱負荷を空調
機内の熱交換器で吸収した冷媒が液相から気相に変化
し、ヒートパイプ内を上昇して冷熱源の第１蓄熱槽に至
る。気相の冷媒は第１蓄熱槽内で冷却されて凝縮し、重
力によりヒートパイプ内を降下して空調機へ戻る。ま
た、暖房運転時には、被空調室側の熱負荷を空調機内の
熱交換器で吸収した冷媒が気相から液相に変化し、重力
によりヒートパイプ内を降下して温熱源の第２蓄熱槽に
至る。液相の冷媒は第２蓄熱槽内で加熱されて気化し、
ヒートパイプ内を上昇して空調機へ戻る。ヒートパイプ
を構成する冷媒配管の２重管構造部分では、１本の配管
を施工するだけで冷媒液管および冷媒ガス管の両方を施
工できる。また、内部の冷媒液管に対して外部の冷媒ガ
ス管が断熱作用をなし、冷媒液管内でフラッシュガスが
発生するのを抑制する。特に断熱材層を形成した３層の
２重管構造の場合にはその断熱効果が高い。 本発明のビル空調システムでは、熱源装置側で強制循
環される冷媒の系と重力式ヒートパイプ内で自然循環す
る冷媒の系との間で熱交換が行なわれ、ヒートパイプと
熱源装置とはそれぞれ分離されて互いに独立した冷媒循
環系を構成するので、室内ユニット側へ冷凍機油が運ば
れることはなく、その回収の必要もない。このため、重
力式ヒートパイプ内を自然循環する冷媒の流速に制約は
なくなり、各室内ユニット側での冷媒流量は、各被空調
室の負荷に応じた熱交換量に相当する冷媒流量に制御で
きる。 また、室内ユニットの設置台数に関しては、冷媒が十
分に自然循環できる程度にヒートパイプの管路抵抗が小
さければよく、冷凍機油回収のために必要となる冷媒ガ
ス流速には下限がない。 なお、第１蓄熱槽が氷蓄熱槽で構成される場合には、
ビルの屋上等の高所であっても大容量（蓄熱槽）の蓄熱
槽を設置することが可能である。

【発明の効果】

以上の説明より明らかなように、本発明によれば次の
ごとき優れた効果が発揮される。 すなわち、被空調室側に熱搬送媒体としての水の流路
を設けずに冷暖房を行なうので、居室内での漏水事故の
発生が防止できる。また、空調機器の装置容量を小さく
しても、十分に空調負荷のピークに対応できる。各室内
ユニット側での冷媒流量制御が可能になり能力制御が容
易になる。また１台の屋外ユニットに対応して設置でき
る室内ユニットの台数を直膨式よりも増加できる。重力
式ヒートパイプの冷媒配管の施工が容易に行なえ、冷媒
液管内でのフラッシュガスの発生を抑制するとともに冷
媒の自然循環停止を防止できる。

【実施例】

以下に本発明の好適一実施例について添付図面を参照
して説明する。 第１図は本発明に係るビル空調システムを示す概略構
成図である。本システムの各構成はそれぞれの設置位置
が高さ位置に関して特定されている。冷熱源である第１
蓄熱槽としての氷蓄熱槽１は建物の例えば屋上のような
高所に設置され、一方、温熱源である第２蓄熱槽として
の温水蓄熱槽２は建物の地下のような低所に設置されて
いる。氷蓄熱槽１は顕熱に比べて約80倍もの潜熱も含め
て蓄熱するので、顕熱のみによって蓄熱する冷水蓄熱槽
よりも大きな蓄熱容量を有しており、したがって同等容
量の蓄熱槽を得るには蓄熱槽をはるかに小さくすること
ができ、屋上設置も可能となる。また、室内ユニットと
しての空調機３は氷蓄熱槽１と温水蓄熱槽２との間の高
さ位置となる各階の居室に設置されている。 これら各蓄熱槽1,2と各被空調室に設けられた空調機
３との間は重力式のヒートパイプ4,5によって接続され
ている。それぞれのヒートパイプ4,5において、冷媒液
管22と冷媒ガス管23が大略同じ配管経路をとる部分で
は、冷媒液管22の外周を冷媒ガス管23が囲繞するように
２重管に構成されている。したがって、この部分での配
管施工に費やされる手間は通常の場合の２分の１です
む。また、このように２重管に構成されている部分で
は、冷媒ガス管23が冷媒液管22に対して断熱作用をな
し、特に冷房用回路をなすヒートパイプ４にあっては、
液相の冷媒が冷媒液管22内で一部気化してしまい、これ
がフラッシュガスとなって発生するのを防止する。ま
た、外周側の冷媒ガス管23のさらに外周側に断熱材を巻
き付けておけば断熱効果を十分に発揮でき、フラッシュ
ガスの発生およびこれに伴う冷媒の自然循環の停止の問
題を大略完全に解決できる。これらヒートパイプ４、５
内の冷媒（図中実線矢印は液流、破線矢印はガス流を示
す）は、それぞれ空調機３といずれか一方の蓄熱槽１も
しくは２内で熱交換することによって相変化し、これら
の間の往復するようにヒートパイプ4,5内を循環して流
れる。氷蓄熱槽１を経由するヒートパイプ４の液流部分
には、各空調機３への液体の冷媒を分配する前の位置に
受液器６が介設され、さらにその下流側に各空調機３に
対応して流量調整弁７が設けられている。したがって、
各被空調室においける冷房負担に応じて受液器６から対
応空調機へ必要量の冷媒を供給することができる。ま
た、温水蓄熱槽２を経由するヒートパイプ５の液流部分
には、各空調機３から温水蓄熱槽２へ還流する液体の冷
媒が合流する位置に受液器８が介設され、さらにその上
流側で各空調機３に対応する流量調整弁９と、下流側で
全冷媒流量を調整する流量調整弁10とが設けられてい
る。したがって、熱搬送媒体として被空調室側へ導かれ
るのは水ではなく冷媒であり、たとえこれが配管から漏
れたとしてもすぐに気化するので居室を汚すような恐れ
はない。 各蓄熱槽1,2に蓄冷ないし蓄熱するための熱源装置は
製氷器12を内蔵したヒートポンプチラー11であり、氷蓄
熱槽１と製氷器12との間にスラリーポンプ13が介設さ
れ、製氷器12で作られた氷がスラリーポンプ13によって
氷蓄熱槽１へ圧送される。温水蓄熱槽２は、ヒートポン
プチラー11の凝縮器に形成された熱交換器14との間に温
水熱回収管15が設けられ、これに介設されたポンプ16に
よって温水が温水蓄熱槽２へ圧送される。 本実施例では、ヒートポンプチラー11は夜間の低電力
料金で運転され、その熱エネルギを蓄熱槽１または２に
蓄えるので、基本的には各蓄熱槽１または２の蓄熱量に
よって空調負荷に対応するが、例えば図示しない別の熱
源装置が各空調機３に対して直結されている場合、この
熱源装置の出力と蓄熱槽１または２の熱エネルギと併用
することによって熱源装置の負荷を小さくできる。特
に、熱源装置を主熱源とし、蓄熱槽の熱エネルギを補助
的熱源としてもちいるような場合でも、ピーク負荷に対
応する熱源装置の装置容量を小さくすることが可能とな
る。またこのことは、別の熱源装置を用いずともヒート
ポンプチラー11の蒸発器を二つの切り替え可能な系統に
分岐し、一方の系統の蒸発器は上記実施例と同様に製氷
器12へ導き、もう一方の系統の蒸発器については、ヒー
トパイプ４の冷媒を直接凝縮させる冷熱源として氷蓄熱
槽１とは別に直接ヒートパイプ４ヘ導くことによっても
同様の作用効果が得られる。上記は冷房用回路に関する
説明であるが、暖房用回路に関してもヒートポンプチラ
ー11の凝縮器を二つの切り替え可能な系統に分岐し、一
方の系統を温水蓄熱槽２へ、もう一方の系統をヒートパ
イプ４の冷媒を直接蒸発させる温熱源として温水蓄熱槽
２とは別に直接ヒートパイプ４へ導くことによっても同
様の作用効果が得られる。因に、冷房の場合の蓄熱運転
の成績係数は約2.5程度であるが、ヒートパイプ４を直
接冷却する場合の成績係数は約4,5程度が見込める。 なお、図中17はアキュムレータ、18は膨張弁、19は空
気熱交換器、20は圧縮機、21はファンである。 第２図は本発明に係るビル空調システムの一実施例を
示す概略構成図である。本実施例では、単一の重力式ヒ
ートパイプ31が冷房用および暖房用に切り替えられて兼
用できるように構成されている。したがって、各空調機
３内の熱交換器32もそれぞれ一つずつ設けられている。
すなわち、重力式ヒートパイプ31をなす冷媒管は、建物
の高所に設置された冷熱源側熱交換器（以下この実施例
においては、ヒートパイプ31内の冷媒を凝縮させる熱交
換器として凝縮器と称す）33,33′建物の低所に設置さ
れた温熱源側熱交換器（以下この実施例においては、ヒ
ートパイプ31内の冷媒を蒸発させる熱交換器として蒸発
器と称す）34との間に配管されている液系縦主管35とガ
ス系縦主管38とを有しており、さらにこれら液系縦主管
35とガス系縦主管38からそれぞれの階で液系横主管36と
ガス系横主管39とが分岐されており、これら液系横主管
36およびガス系横主管39から各空調機３への液系分岐管
37およびガス系分岐管40が取り出されて各冷媒回路を形
成している。このヒートパイプ31の液系縦主管35とガス
系縦主管38が大略同じ配管経路をとる部分では、液系縦
主管35の外周をガス系縦主管38が囲繞するように２重管
に構成されている。したがって、この部分での配管施工
に費やされる手間は通常の場合の２分の１ですむ。ま
た、このように２重管に構成されている部分では、ガス
系縦主管38が液系縦主管35に対して断熱作用をなし、特
にヒートパイプ31が冷房用回路をなす場合にあっては、
液相の冷媒が液系縦主管35内で一部気化してしまい、こ
れがフラッシュガスとなって発生するのを防止する。ま
た、外周側のガス系縦主管35のさらに外周側に断熱材を
巻き付けておけば断熱効果を十分に発揮でき、フラッシ
ュガスの発生およびこれに伴う冷媒の自然循環の停止の
問題を大略完全に解決できる。なお、冷房運転時の液系
配管およびその流れ方向については図中実線矢印で示
し、ガス系配管およびその流れ方向については図中破線
矢印で示す。また、暖房運転時については（ ）内の矢
印で示す。冷房回路・暖房回路の切り替えは、液系縦主
管35およびガス系縦主管38に介設された切り替え弁41,4
2,42′,43,44によって行なわれる。なお、図中50は暖房
運転用の冷媒流量調整弁である。切り替え弁41は、液系
横主管36の最も高い分岐部よりも高い位置に、切り替え
弁42,42′はガス系横主管39の最も高い分岐部よりも高
い位置に、切り替え弁43は液系横主管36の最も低い分岐
部よりも低い位置に、切り替え弁44はガス系横主管39の
最も低い分岐部よりも低い位置にそれぞれ設けられてお
り、冷房運転時には切り替え弁41,42,42′が開かれ、切
り替え弁43,44が閉じられる。一方、暖房運転時には切
り替え弁43,44が開かれ、切り替え弁41,42,42′が閉じ
られる。このように、冷房運転時および暖房運転時の冷
媒回路を単一の重力式ヒートパイプ31で切り替えて兼用
するので、各空調機３の熱交換器32は一つでよく、ま
た、この熱交換器32への冷媒供給量を調整する流量調整
弁49も熱交換器32に対応して一つでよい。 ヒートパイプ31内の冷媒を冷却する凝縮器としては33
および33′が並列に設置されている。一方の凝縮器33
は、これと氷蓄熱槽１との間を往復循環すべく冷水ポン
プ45を有する冷水管系46により冷水が供給され、ヒート
パイプ31の上端側凝縮部を冷却する。氷蓄熱槽１はヒー
トポンプチラー11の製氷器12との間の氷スラリ管系（ス
ラリポンプ13を介設している）が選択可能に分岐されて
その一方が接続されている。また、分岐された氷スラリ
管系の他方は凝縮器33′へ直結されている。冷水ポンプ
45は構造的にはスラリポンプであり、冷水はもちろん氷
スラリを圧送することも可能である。また、製氷器12の
蒸発温度を上げることによって製氷器12が冷水器として
作用させることができ、この場合、氷蓄熱槽１は冷水蓄
熱槽として、氷スラリ管系は冷水管系として、スラリポ
ンプ13は冷水ポンプとしてそれぞれ作用する。 上述のように凝縮器33および33′が並列に設置されて
いることによって、安価な夜間電力を得られる時間帯に
氷蓄熱槽１を専ら用いて蓄熱（蓄冷）運転を行ない、且
つ空調負荷の高低に応じて凝縮器33だけによる運転（低
負荷時）と凝縮器33および33′の双方による運転（高負
荷時）とを使い分けられる。 ヒートパイプ31の蒸発器34は、これと温水蓄熱槽２と
の間を往復循環すべく温水ポンプ47を有する温水管系48
により温水が供給され、ヒートパイプ31の下端側蒸発部
を加熱する。 その他、本発明の基本的な構成で第１図と同様の構成
については第１図と同一番号で図示されている。 なお、フラッシュガスの発生を大略完全に抑制するた
めに、冷媒液管の冷媒ガス管の間に断熱材層を形成して
断熱機能を高めてもよい。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係るビル空調システムの一実施例を示
す概略構成図、第２図は本発明に係るビル空調システム
の他の一実施例を示す概略構成図である。 １…第１蓄熱槽としての氷蓄熱槽、２…第２蓄熱槽とし
ての温水蓄熱槽、３…空調機、4,5,31…ヒートパイプ、
22…冷媒液管、35…冷媒液管としての液系縦主管、23…
冷媒ガス管、38…冷媒ガス管としてのガス系縦主管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福永 忠裕 大阪府大阪市東区本町４丁目27番地 株式 会社竹中工務店内 (72)発明者 吉田 康敏 大阪府大阪市東区大川町１番地 日土地淀 屋橋ビル 新晃工業株式会社内 (72)発明者 兼田 節夫 大阪府大阪市東区大川町１番地 日土地淀 屋橋ビル 新晃工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−118546（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】建物の高所に冷熱源としての第１蓄熱槽
   （１）を設け、 前記建物の低所に温熱源としての第２蓄熱槽（２）を設
   け、 前記第１蓄熱槽（１）と第２蓄熱槽（２）との間の高さ
   位置に空調機（３）を設け、 前記第１蓄熱槽（１）と空調機（３）との間および該空
   調機（３）と前記第２蓄熱槽（２）との間をそれぞれ重
   力式ヒートパイプ（4,5,31）で接続してなるビル空調シ
   ステムにして、 前記重力式ヒートパイプ（4,5,31）を構成する冷媒液管
   （22,35）と冷媒ガス管（23,38）とが、該冷媒液管（2
   2,35）の外周を冷媒ガス管（23,38）が囲繞する２重管
   に構成された部分を有していることを特徴とするビル空
   調システム。
2. 【請求項２】前記第１蓄熱槽（１）は氷蓄熱槽である特
   許請求の範囲第１項記載のビル空調システム。