JPH1089729A - 過冷却水による氷蓄熱装置および運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、蓄熱槽の冷熱源を冷凍機の駆動力低
減に置き換え、間接的かつ確実に、冷熱として払い出す
ことが可能となる氷蓄熱システムの運転方法を提供すね
ことを目的とする。 【解決手段】本発明に係る過冷却水による氷蓄熱システ
ムの運転方法は、氷蓄熱槽１０と、サブクーラー３と、
過冷却器４と、圧縮機２１と、凝縮器２２と、クーリン
グタワー５からなる過冷却水を利用したダイナミック氷
蓄熱システムにおいて、（Ａ）氷蓄熱運転時には、サブ
クールシステムを採用する冷凍機２０により蓄熱を実施
し、サブクーラー３での発生熱は冷却源を過冷却する水
の予熱熱として回収し、（Ｂ）冷房運転時においても、
氷蓄熱槽１０の水をサブクーラー３の冷却源として運転
することにより、効率的な運転ができることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、過冷却水を利用し
た「ダイナミック氷蓄熱システム」における氷蓄熱シス
テムの運転方法に関する。ここで、「ダイナミック氷」
とは、「スタティック氷」と区別するために使用する用
語である。

【０００２】「スタティック氷」とは、冷却コイルの周
辺に形成される氷であり、その冷却コイルは氷蓄熱槽に
沈めておく。その氷は、動きようがないため、「スタテ
ィック氷」といわれている。

【０００３】「ダイナミック氷」とは、冷却板についた
氷を振るい落とし、その氷を氷蓄熱槽に溜めるとか、本
発明のように、過冷却の水・ブラインをつくり、シャー
ペット状の氷とし、流動状態にして氷蓄熱する氷をい
う。「氷蓄熱システム」には、大別すると、「ダイナミ
ック氷蓄熱システム」と、「スタティック氷蓄熱システ
ム」の２種類がある。

【０００４】

【従来の技術】従来の過冷却水による氷蓄熱システムの
構成を図４に示す。 （Ａ）従来のシステムにより過冷却水を製造する場合に
は、過冷却器４への入口温度の制御は、氷蓄熱槽１０の
低温槽１０Ａと高温槽ＩＯＢとの蓄熱槽水を混合調節弁
１９Ａと、１９Ｂを過冷却器４の入口温度の温度９が所
定温度となるよう制御することにより実現する。 （Ｂ）従来のサブクールシステムを冷凍機に採用する場
合、氷蓄熱時のみ、サブクール冷却源として蓄熱槽水を
サブクーラ−３へ供給しており、発生した熱量は過冷却
器の入口過冷却水の予熱用の熱として回収する。 （Ｃ）氷蓄熱時には、切替弁１Ｂは閉とし、温度センサ
ー９が所定温度となるように混合温調弁１９を制御す
る。

【０００５】その場合サブクールの熱量のみでは余熱を
まかないきれないため混合温調弁１９により高温槽層１
０Ａの熱量を付加する必要が生じる。この従来の制御お
よび系統では、高温槽層１０Ａへの戻り管がない。 （Ｄ）冷房運転時には、切替弁１Ａを閉じ、サブクーラ
ー３をバイパスして運転する通常の冷凍サイクルとな
る。

【０００６】サブクールができなければ、その分、駆動
力が大きくなり消費動力が上がる。ただし、冷却源が必
要である。一般に過冷却水による氷蓄熱は、安価値な夜
間電力を活用して実施しており、昼間氷蓄熱ではまかな
いきれない冷熱負荷については、蓄熱用の熱源機を空調
用として運転することにより冷房負荷をまかなってい
る。

【０００７】運転フローとしては、表１に示すように、 （Ａ）氷蓄熱運転時には、 氷蓄熱時切替弁 １５Ａ、１５Ｂを開 製氷切替弁 １８Ａ、１８Ｂを開 （もしくは 切替弁 １７Ａ、１７Ｂを開） 冷水戻り切替弁 ６Ａ、 ６Ｂを閉 冷水往き切替弁 ７Ａ、 ７Ｂを閉とし、 氷蓄熱槽１０と冷凍機２０の閉ループを形成する。 （Ｂ）空調運転時（冷房運転時）には、 過冷却水切替弁 １５Ａ、１５Ｂを閉 製氷切替弁 １８Ａ、１８Ｂを閉 製氷切替弁 １７Ａ、１７Ｂを閉 冷水戻り切替弁 ６Ａ、 ６Ｂを開 冷水往き切替弁 ７Ａ、 ７Ｂを開とし、 冷凍機と蓄熱槽は切り離され、空調負荷側の冷水往き管
１２、冷水戻り管１１へ接続される。

【０００８】ここで、冷水往き管１２は、冷たい冷水を
ビルの各部屋に送り出す主配管をいい、この配管の冷水
を利用して冷房する。冷房に使われた冷水は、室内の空
気で暖められ冷水戻り管１１へもどされる。そして、こ
の冷水戻り管１１の冷水は、氷蓄熱槽１０または冷凍機
２０へ戻ることになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来のシステムには、
次のような問題があった。 （問題１）従来サイクルの氷蓄熱では、蓄熱槽の冷熱の
払い出し熱量は蓄熱槽が冷水戻り温度となるまでの熱量
であった。

【００１０】つまり氷の潜熱量と水の顕熱量蓄熱量（冷
水戻り温度まで）であった。 （問題２）従来のサブクールシステムを採用した冷凍機
においてのサブクール運転は、予熱熱量が必要となる蓄
熱時においてのみであり、昼間の冷凍機の空調運転では
冷却源の問題により、サブクールしない通常のサイクル
運転であり、消費動力が低減できるサブクーラーが有効
に活用できていなかった。 （問題３）過冷却水を利用した氷蓄熱では、過冷却器へ
の氷核進入を防ぐ目的で入口を所定温度に予熱する必要
があるため、その熱量として蓄熱運転時のサブクール熱
量と蓄熱槽が蓄熱開始時に保有する顕熱熱量を充てる。

【００１１】しかし１ＰＦ（注１）の増加にともない予
熱量がまかなえなくなる（顕熱量の不足）という問題が
あった。つまりシステムとして保有する予熱熱量により
ＩＰＦが制限される問題があつた。 （注１）ｌＰＦ；（ＩＣＥ ＰＡＣＫＩＮＧ ＦＡＣＴ
ＯＲ：蓄熱槽の水と氷の合計重量分にたいする氷の重量
の割合）

【００１２】

【課題を解決するための手段】 （第１の手段）本発明に係る過冷却水による氷蓄熱装置
は、サブクール切替弁と、製氷ポンプとサブクーラー
と、過冷却器と、クーリングタワーと、冷却水循環ポン
プと、氷蓄熱槽と、サブクールバイパス配管と、圧縮機
と、凝縮器と、絞り機構とからなる氷蓄熱装置におい
て、（Ａ）過冷却器とクーリングタワーとの間には、圧
縮機と凝縮器と冷却水循環ポンプを配置し、（Ｂ）過冷
却器と凝縮器との間には、絞り機構とサブクーラーを配
置し、（Ｃ）氷蓄熱槽とサブクーラーの間には、サブク
ーラーから氷蓄熱槽への第１配管を設けるとともに、氷
蓄熱槽からサブクール切替弁への第２配管および第３配
管を設け、（Ｄ）過冷却器と氷蓄熱槽との間には、過冷
却器から氷蓄熱槽への第４Ａ配管と第４Ｂ配管とを設け
るとともに、氷蓄熱槽から過冷却器へは第２配管から分
岐するサブクールバイパス配管と、サブクールバイパス
配管から分岐する第５Ａ配管および第５Ｂ配管を設け、
（Ｅ）過冷却器と冷水戻り管との間には、第５Ａ配管か
ら分岐する第６Ａ配管と、第５Ｂ配管から分岐する第６
Ｂ配管とを設け、（Ｆ）過冷却器と冷水往き管との間に
は、第４Ａ配管から分岐する第７Ａ配管と、第４Ｂ配管
から分岐する第７Ｂ配管を設け、（Ｇ）第１配管には、
温度センサーを設け、（Ｈ）第２配管には、混合温調弁
と、製氷ポンプを設け、（Ｉ）第３配管には、サブクー
ル切替弁を設け、（Ｊ）第４Ａ配管に製氷切替弁を設け
るとともに、第４Ｂ配管（３４Ｂ）にも製氷切替弁を設
け、（Ｋ）第５Ａ配管に過冷却水切替弁を設けるととも
に、第５Ｂ配管にも過冷却水切替弁を設け、（Ｌ）第６
Ａ配管に冷水戻り切替弁（６Ａ）を設けるとともに、第
６Ｂ配管にも冷水戻り切替弁を設け、（Ｍ）第７Ａ配管
に冷水戻り切替弁を設けるとともに、第７Ｂ配管にも冷
水戻り切替弁を設けたことを特徴とする。 （第２の手段）本発明に係る過冷却水による氷蓄熱シス
テムの運転方法は、氷蓄熱槽と、サブクーラーと、過冷
却器と、圧縮機と、凝縮器と、クーリングタワーからな
る過冷却水を利用したダイナミック氷蓄熱システムにお
いて、（Ａ）氷蓄熱運転時には、サブクールシステムを
採用する冷凍機により蓄熱を実施し、サブクーラーでの
発生熱は冷却源を過冷却水の予熱熱として回収し、
（Ｂ）冷房運転時においても、氷蓄熱槽の水をサブクー
ラーの冷却源として運転することにより、効率的な運転
ができることを特徴とする。

【００１３】すなわち、本発明では、 （Ａ）冷凍機２０を氷蓄熱運転だけでなく空調運転時も
サブクールサイクルにより運転する。 （Ｂ）氷蓄熱運転時には、基本的に従來サイクルと同
様、サブクール冷却源として蓄熱槽からの過冷却水入口
を分岐し冷却源とする。

【００１４】ここで発生した熱は過冷却器４への冷水入
口予熱熱として回収する。 （Ｃ）空調運転時には、サブクール冷却源として蓄熱槽
１０の蓄熱槽水をサブクーラ３ヘポンプ２により供給
し、蓄熱槽１０へ返す。

【００１５】サブクーラー３での発生熱量は蓄熱槽１０
により蓄熱される。 （Ｄ）このとき冷凍機２０は、冷水往き管１２と、冷水
戻り管１１に直接冷水を供給しており、 冷水戻り切替弁 ６Ａ、 ６Ｂを開、 冷水往き切替弁 ７Ａ、 ７Ｂを開、 過冷却水切替弁 １５Ａ、１５Ｂを閉、 製氷切替弁 １８Ａ、１８Ｂを閉、 製氷切替弁 １７Ａ、１７Ｂを閉 にしている。 （Ｅ）蓄熱システムの蓄熱運転は夜間電力を活用した夜
間運転であり、空調運転は昼間運転である。

【００１６】この為、昼間サブクーラーにより蓄熱され
た熱量は、過冷却水による氷蓄熱時予熱熱量として夜間
活用する。したがって、次のように作用する。 （１）従来は、夜間蓄熱した冷熱蓄熱の払い出しをする
場合、まず氷．の潜熱の熱量の払い出しを実施し、潜熱
の払い出しが完了し、さらに蓄熱槽の出口温度が冷水供
給温度に維持できなくなつた場合、冷凍機を運転し不足
する冷熱量を補い、さらに蓄熱槽が冷熱戻り温度と同温
となった時点で蓄熱槽の蓄熱が完了する。

【００１７】しかし、本発明では、蓄熱槽が冷水戻り温
度と同温となった時点で、蓄熱槽水をサブクーラーへの
冷却源として活用するためサブクーラーへ供給する。こ
のことにより氷蓄熱槽１０の冷熱源は冷凍機２０の駆動
力低減に置き換わり、間接的かつ確実に冷熱として払い
出すことが可能となる。

【００１８】また従來の冷水戻り温度までの蓄熱熱量の
払い出しの上限温度が、本発明では、理論的には蓄熱槽
温度が冷却水温度域となるまで払い出すことが可能とな
り、氷蓄熱槽１０の小容量化が可能となる。 （２）サブクールサイクルの特性上、サブクーラー３で
冷却された熱量に相当する駆動力が低減されるため、昼
間の空調運転効率が上がる。 （３）高いＩＰＦを達成できる過冷却水を利用した氷蓄
熱において、氷蓄熱運転時運転時の過冷却水入口予熱熱
量の不足を、昼間空調運転のサブクーラー３での発生熱
により補うことが可能となる。 （４）サブクールでの熱量はすべて圧縮機２１の駆動力
の低減により回収されているため熱損失は発生しない。 （５）また予熱熱量が過剰となった場合であつても、そ
の余剰熱量の回収は、昼間運転の動力低減により回収さ
れているため、熱的な損失は発生しない。

【００１９】つまり余剰熱量分については、昼間低減さ
れた駆動力は夜間蓄熱運転の余剰負荷となる。そして、
一般的に夜間は安価な夜間電力による運転となるため、
その電力料金を大きく低減することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】 （第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態を図１
〜図２に示す。図１は第１の実施の形態に係る過冷却水
による氷蓄熱システムを示す図。

【００２１】図２は第１の実施の形態に係る冷凍機のサ
ブクールサイクルの系統図。図３は、冷凍機のサブクー
ルサイクルの説明図である。図１〜図２において、黒色
の切替弁は閉、白色の切替弁は開の状態を示す。

【００２２】本発明に係る装置には、サブクーラー３と
高温槽層１０Ａの間に高温蓄熱槽への戻り管３１を設け
ている。図において、過冷却器４は、一般的には、蒸蒸
器と呼ばれるもので、冷媒がこの中で蒸発し、冷水の熱
を奪い冷水を冷やす。

【００２３】蒸発し、ガス化した冷媒は、圧縮機２１に
吸い込まれ高い圧力まで圧縮される。圧縮されたガス
は、凝縮器２２へ流れ込み冷却水により冷却され、凝縮
し、液化する。

【００２４】圧縮され高圧となった冷媒ガスは、高い温
度でも液化（凝縮）しやすくなる。ここで、液化した冷
媒を、さらに低い冷却源を使い、過冷却（サブクール）
する。サブクールされた冷却は、膨張機構を経由して蒸
発器に流れ込む。

【００２５】サブクールとは、冷房サイクルの効率を向
上するためのシステムである。その原理を以下に説明す
る。冷凍サイクルは、モリエ線図で表すと図３のように
なる。

【００２６】図３において、ｈはエンタルピを表し、Ｓ
はエントロピを表す。図３（Ａ）は普通の冷房サイクル
を示し、図３（Ｂ）はサブクールした冷房サイクルを示
す。

【００２７】図３（Ａ）と図３（Ｂ）を比較すると、図
３（Ｂ）の方が台形の底辺が大きいことがわかる。この
底辺の長さは、冷媒１ｋｇがもつ冷熱量を示すので、同
じ冷凍能力を出すためには、冷媒が少なくてすむことに
なる。この底辺を長くするものがサブクールサイクルで
ある。

【００２８】冷媒が多いと圧縮機は重いので動力を食
い、効率は低下することになる。冷凍機２０は、氷蓄熱
運転時だけでなく、空調運転時（冷房運転時）にもサブ
クールサイクルに運転される。すなわち表１に示すよう
に、 （Ａ）氷蓄熱運転時には、基本的には、従来のサイクル
と同様に、図１に示す弁開閉状態、すなわち、 切替弁 １５Ａ、１５Ｂを開 切替弁 １７Ａ、１７Ｂを開 （もしくは 切替弁 １８Ａ、１８Ｂを開） 切替弁 ６Ａ、 ６Ｂを閉 切替弁 ７Ａ、 ７Ｂを閉 にし、サブクーラー３の冷却源として、氷蓄熱槽１０か
ら冷水を分岐して、サブクール切替弁１を通してサブク
ーラー３に冷却水を供給し、ここで冷媒を冷却し、昇温
する。

【００２９】ここで発生した熱は、過冷却器４への冷水
入り口予熱（過冷却水予熱熱源）として回収される。 （Ｂ）空調運転時（冷房運転時）には、図２に示す弁開
閉状態、すなわち、 切替弁 １５Ａ、１５Ｂを閉 切替弁 １７Ａ、１７Ｂを閉 切替弁 １８Ａ、１８Ｂを閉 切替弁 ６Ａ、 ６Ｂを開 切替弁 ７Ａ、 ７Ｂを開 にし、この空調運転時においても、サブクーラー３に冷
却源として、氷蓄熱槽１０の冷水を製氷ポンプ２により
供給し、氷蓄熱槽１０に返す。

【００３０】そして、この時発生するサブクーラー３で
の発生熱量は、氷蓄熱槽１０に蓄熱される。この時、冷
凍機２０は、冷水往き管１２、冷水戻り管１１に直接冷
水を供給している。この空調運転時にサブクーラー３に
より蓄熱された熱量は、過冷却水による氷蓄熱運転時の
予熱熱量として氷蓄熱時に活用される。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【発明の効果】本発明は前述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。 （１）本発明では、蓄熱槽が冷水戻り温度と同温となっ
た時点で、蓄熱槽水をサブクーラーへの冷却源として活
用するためサブクーラーへ供給する。 このことによ
り、蓄熱槽の冷熱源は冷凍機の駆動力低減に置き換わ
り、間接的かつ確実に、冷熱として払い出すことが可能
となる。 （２）また、蓄熱熱量の払い出し上限温度が、理論的に
は蓄熱槽温度が冷却水温度域となるまで払い出すことが
可能となり、蓄熱槽の小容量化が可能となる。 （３）サブクールサイクルの特性上、サブクーラで冷却
された熱量に相当する駆動力が低減されるため、昼間の
空調運転効率が上がる。 （４）高いＩＰＦを達成できる過冷却水を利用した氷蓄
熱において、蓄熱運転時の過冷却水入口予熱熱量の不足
を、昼間空調運転のサブク一ラでの発生熱により補うこ
とが可能となる。 （５）サブクールでの熱量はすべて圧縮機の駆動力の低
減により回収されているため熱損失は発生しない。 （６）また予熱熱量が過剰となった場合であつても、そ
の余剰熱量の回収は、昼間運転の動力低減により回収さ
れているため、熱的な損失は発生しない。

【００３３】つまり余剰熱量分については、昼間低減さ
れた駆動力は夜間蓄熱運転の余剰負荷となる。そして、
一般的に夜間は安価な夜間電力による運転となるため、
その電力料金を大きく低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る過冷却水による氷蓄熱
システムの構成を示す図。

【図２】第１の実施の形態に係る冷凍機のサブクールサ
イクルの系統図。

【図３】冷凍機のサブクールサイクルの説明図。

【図４】従来の過冷却水による氷蓄熱システムの構成を
示す図。

【符号の説明】

１…サブクール切替弁 １Ａ…切替弁 １Ｂ…切替弁 ２…製氷ポンプ ３…サブクーラー ４…過冷却器 ４Ａ…伝熱管 ４Ｂ…伝熱管 ５…クーリングタワー ６…冷水戻り切替弁 ７…冷水往き切替弁 ８…冷却水循環ポンプ ９…温度センサー １０…氷蓄熱槽 １０Ａ…高温槽 １０Ｂ…低温槽 １１…冷水戻り管 １２…冷水往き管 １３…仕切壁 １４…連通管 １５…過冷却水切替弁 １６…サブクールバイパス配管 １７…製氷切替弁 １８…製氷切替弁 １９…混合温調弁 ２０…冷凍機 ２１…圧縮機 ２２…凝縮器 ２２Ａ…伝熱管 ２３…絞り機構 ３１…第１配管（高温蓄熱槽への戻り管） ３２…第２配管 ３３…第３配管 ３４…第４配管 ３５…第５配管 ３６…第６配管 ３７…第７配管 ｈ…エンタルピ Ｓ…エントロピ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サブクール切替弁（１）と製氷ポンプ
   （２）とサブクーラー（３）と過冷却器（４）とクーリ
   ングタワー（５）と冷却水循環ポンプ（８）と氷蓄熱槽
   （１０）とサブクールバイパス配管（１６）と圧縮機
   （２１）と凝縮器（２２）と絞り機構（２３）とからな
   る氷蓄熱装置において、（Ａ）過冷却器（４）とクーリ
   ングタワー（５）との間には、圧縮機（２１）と凝縮器
   （２２）と冷却水循環ポンプ（８）を配置し、（Ｂ）過
   冷却器（４）と凝縮器（２２）との間には、絞り機構
   （２３）とサブクーラー（３）を配置し、（Ｃ）氷蓄熱
   槽（１０）とサブクーラー（３）の間には、サブクーラ
   ー（３）から氷蓄熱槽（１０）への第１配管（３１）を
   設けるとともに、氷蓄熱槽（１０）からサブクール切替
   弁（１）への第２配管（３２）および第３配管（３３）
   を設け、（Ｄ）過冷却器（４）と氷蓄熱槽（１０）との
   間には、過冷却器（４）から氷蓄熱槽（１０）への第４
   Ａ配管（３４Ａ）と第４Ｂ配管（３４Ｂ）とを設けると
   ともに、氷蓄熱槽（１０）から過冷却器（４）へは第２
   配管（３２）から分岐するサブクールバイパス配管（１
   ６）と、サブクールバイパス配管（１６）から分岐する
   第５Ａ配管（３５Ａ）および第５Ｂ配管（３５Ｂ）を設
   け、（Ｅ）過冷却器（４）と冷水戻り管（１１）との間
   には、第５Ａ配管から分岐する第６Ａ配管（３６Ａ）
   と、第５Ｂ配管から分岐する第６Ｂ配管（３６Ｂ）とを
   設け、（Ｆ）過冷却器（４）と冷水往き管（１２）との
   間には、第４Ａ配管から分岐する第７Ａ配管（３７Ａ）
   と、第４Ｂ配管から分岐する第７Ｂ配管（３７Ｂ）を設
   け、（Ｇ）第１配管（３１）には、温度センサー（９）
   を設け、（Ｈ）第２配管（３２）には、混合温調弁（１
   ９Ａ、１９Ｂ）と、製氷ポンプ（２）を設け、（Ｉ）第
   ３配管（３３）には、サブクール切替弁（１）を設け、
   （Ｊ）第４Ａ配管（３４Ａ）に製氷切替弁（１７Ａ、１
   ８Ａ）を設けるとともに、第４Ｂ配管（３４Ｂ）にも製
   氷切替弁（１７Ｂ、１８Ｂ）を設け、（Ｋ）第５Ａ配管
   （３５Ａ）に過冷却水切替弁（１５Ａ）を設けるととも
   に、第５Ｂ配管（３５Ｂ）にも過冷却水切替弁（１５
   Ｂ）を設け、（Ｌ）第６Ａ配管（３６Ａ）に冷水戻り切
   替弁（６Ａ）を設けるとともに、第６Ｂ配管（３６Ｂ）
   にも冷水戻り切替弁（６Ｂ）を設け、（Ｍ）第７Ａ配管
   （３７Ａ）に冷水戻り切替弁（７Ａ）を設けるととも
   に、第７Ｂ配管（３７Ｂ）にも冷水戻り切替弁（７Ｂ）
   を設けたことを特徴とする過冷却水による氷蓄熱装置。
2. 【請求項２】氷蓄熱槽（１０）と、サブクーラー（３）
   と、過冷却器（４）と、圧縮機 （２１）と、凝縮器
   （２２）と、クーリングタワー（５）からなる過冷却水
   を利用したダイナミック氷蓄熱システムにおいて、
   （Ａ）氷蓄熱運転時には、サブクールシステムを採用す
   る冷凍機（２０）により蓄熱を実施し、サブクーラー
   （３）での発生熱は冷却源を過冷却する水の予熱熱とし
   て回収し、（Ｂ）冷房運転時においても、氷蓄熱槽（１
   ０）の水をサブクーラー（３）の冷却源として運転する
   ことにより、効率的な運転ができることを特徴とする過
   冷却水による氷蓄熱システムの運転方法。