JPH086940B2 - 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、被空調室側に熱媒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し、また
重力式ヒートパイプの凝縮部における冷却能力を空調負
荷に応じて切り替えることにより省エネルギ運転を可能
とすることを目的とす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屋外ユニ
ットを熱源装置として屋上等の屋外に設置し、一方、屋
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。

【発明が解決しようとする問題点】

ところで、上述のごとく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２台な
いし３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、こ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。 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、さらに重力式ヒート
パイプの凝縮部における冷却能力を空調負荷に応じて切
り替えることにより省エネルギ運転を可能とするビル空
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
との間はそれぞれ重力式ヒートパイプで接続される。第
１蓄熱槽と空調機との間を接続する重力式ヒートパイプ
には、この第１蓄熱槽により冷却される第１凝縮部と、
外気により冷却される第２凝縮部と、さらに、これら第
１凝縮部および第２凝縮部を選択的に切り替えて冷媒ガ
スの循環経路を変更する切り替え弁とが備えられてい
る。ここで、外気により冷却される第２凝縮部は、例え
ば散水スプレーによる散水を受けながら空冷されるもの
も含んでいる。また、好ましくは、冷熱源としての第１
蓄熱槽は氷蓄熱槽によって構成される。 なお、前記重力式ヒートパイプは、冷媒の相変化に伴
う自然循環力を有するものに相違はないが、自然循環力
のみにより冷媒を循環させる手段に限定されるものでは
なく、この自然循環力を補助するために、あるいは冷媒
循環量を調整するためにポンプ等の強制的に冷媒を循環
させる手段を付加するものであってもよいのは勿論であ
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蓄熱槽により冷却され
る第１凝縮部もしくは外気により冷却される第２凝縮部
に至る。気相の冷媒はこれら凝縮部のいずれかにおいて
冷却されて凝縮し、重力によりヒートパイプ内を下降し
て空調機へ戻る。冷媒が第１凝縮部を通ってヒートパイ
プ内を循環するか、第２凝縮部を通ってヒートパイプ内
を循環するかは切り替え弁によって選択的に変更され、
被空調室側の熱負荷が十分に大きい場合には冷媒は第１
凝縮部を通り、熱負荷がさほど大きくない場合には冷媒
は第２凝縮部を通る。 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下降して温熱源の第２蓄熱
槽により加熱される蒸発部に至る。液相の冷媒は蒸発部
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。したがって、空調機内の熱交換器は、冷房運転
時には蒸発部として、暖房運転時には凝縮部として機能
する。 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（蓄熱量）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。さら
に重力式ヒートパイプの凝縮部における凝縮能力を空調
負荷に応じて冷熱源冷却の場合と空冷の場合とに選択切
り替えできるので、この重力式ヒートパイプの凝縮部に
おける冷却能力を空調負荷に応じて切り替えることによ
り省エネルギ運転が可能になる。

【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、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。ヒートパイプ４は冷房用回路を形成し、ヒート
パイプ５は暖房用回路を形成する。冷房用回路を形成す
るヒートパイプ４は、その凝縮部として、氷蓄熱槽１内
に形成された第１凝縮部61と外気にさらされて形成され
ている第２凝縮部62とを備えており、そのガス系配管に
切り替え弁63,64が設けられている。したがって、空調
負荷が小さい場合には切り替え弁64を開き、切り替え弁
63を閉じて所謂空冷により第２凝縮部62が冷却され、空
調負荷が大きくて空冷では凝縮能力が足らなくなった場
合には切り替え弁64を閉じ、切り替え弁63を開いて第１
凝縮部61が氷蓄熱槽１により冷却される。空冷運転が行
なえる場合には、氷蓄熱槽に蓄えられた熱を消費せずに
すみ、ひいては冷熱源装置であるヒートポンプチラー11
（後述）の運転を行なわずに、即ち多くの電力消費によ
り得られた（高価な）熱エネルギを用いずに冷房が行な
えることになる。したがって、省エネルギ効果も高めら
れる。 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、あるいは上述
の第２凝縮部62で熱交換することによって相変化し、こ
れらの間を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および第２凝縮部62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、各被空調室における冷房負荷に応
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、例えば図示しない例の熱
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
的熱源として用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へ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５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５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は膨脹弁、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他の一実施
例を示す概略構成図である。第１図に示した実施例では
冷房運転用ヒートパイプ４と暖房運転用ヒートパイプ５
とをそれぞれ別個に構成していたが、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側熱交換器33,3
3′（この実施例において冷熱源側熱交換器33は、図示
されていないが重力式ヒートパイプ31の冷房用回路にお
ける第１凝縮部を含んでいる。）、および冷媒管内の冷
媒を直接空冷する第２凝縮部33″と、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。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41,42,42′,42″,4
3,44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42,4
2′,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が開かれ、さらに選択
される冷房用回路に応じて切り替え弁42または42′また
は42″が開かれる。そして、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′,44″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ないし凝縮
部としては33,33′,33″がそれぞれ並列に設置されてい
る。冷熱源装置としてのヒートポンプチラー11および氷
蓄熱槽１により冷却される凝縮器のうちの一方の凝縮器
33（ヒートパイプ31の冷房用回路における第１凝縮部を
内包）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の第１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。第２
凝縮部33″は、その中を流動する冷媒を外気より冷却す
る所謂空冷凝縮器を構成し、ヒートポンプチラー11の運
転により得られる熱エネルギを消費せずに冷房運転が行
なえ、即ち多くの電力消費により得られた（高価な）熱
エネルギを用いずに冷房が行なえることになる。したが
って、省エネルギ効果も高められる。 上述のように凝縮器33および33′並びに第２凝縮部3
3″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は氷蓄熱槽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（中負荷時）と凝縮器33および3
3′の双方による運転（高負荷時）、さらに第２凝縮部3
3″だけによる運転（低負荷時）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、上述の二つの実施例における第２凝縮部62,3
3″の具体的構造の一つとして、第３図に示すように構
成してもよい。すなわち、冷媒管70に冷却水を掛ける散
水スプレー71を設け、散水しながらファン72から冷媒管
70に送風することによって、通常の送風のみによる空冷
よりもさらに冷却能力を高められる。

【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図は本発明は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、第３図は第２凝縮部
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、
61…第１凝縮部、62,33″…第２凝縮部、63,64,42,42′
…切り替え弁

───────────────────────────────────────────────────── 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 平１−107031（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−127041（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−40836（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）で接続したビル空調システ
   ムにして、 前記第１蓄熱槽（１）と前記空調機（３）との間を接続
   する前記重力式ヒートパイプ（４）に、該第１蓄熱槽
   （１）により冷却される第１凝縮部（61）と外気により
   冷却される第２凝縮部（62,33′）と、該第１凝縮部（6
   1）および第２凝縮部（62,33′）を選択的に切り替えて
   冷媒ガスの循環経路を変更する切り替え弁（63,64,42,4
   2″）とを備えた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。