JPH109643A - 蓄熱空調システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二次媒体系に与える熱量を平均化して蓄熱槽
を長時間動作させる制御や、蓄熱運転や放熱運転の開始
時の一時的な不具合を防止して、スムーズに立ち上がら
せるための制御などを容易かつ確実に行なえるような蓄
熱空調システム及びその運転方法を提供する。 【解決手段】 内融式蓄熱槽２と、この蓄熱槽２と冷凍
機３との間で一次媒体を循環させる一次媒体系４と、空
調空間を流通する二次媒体を循環させる二次媒体系６
と、前記一次媒体系内に前記冷凍機と並列に配置され一
次媒体と二次媒体との間で熱交換を行う熱交換器７とを
備え、夜間の蓄熱運転による蓄熱を負荷時に用いて放熱
運転を行なう蓄熱空調システムにおいて、前記一次媒体
系内に前記蓄熱槽及び／又は熱交換器を迂回するバイパ
ス経路２０，２１を設け、このバイパス経路に流量調節
機構２２，２３を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、夜間の蓄熱運転に
よる蓄熱を負荷時に用いて放熱運転を行なう蓄熱空調シ
ステム及びその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、割安な夜間電力を利用して蓄熱槽
に潜熱あるいは顕熱を利用して蓄熱し、昼間に蓄熱した
熱量を使いながら空調運転を行う蓄熱空調システムの開
発が進んでいる。

【０００３】冷媒（一次媒体）としてブラインを使用
し、スタティックタイプ内融式の氷蓄熱槽に氷として熱
を蓄熱するとともに、冷水（二次媒体）を冷却するよう
にした従来の一般的な蓄熱空調システムを図７及び図８
を参照して説明する。

【０００４】同図に示すように、この蓄熱空調システム
には、一次ポンプ（蓄熱用ポンプ）１の駆動に伴って氷
蓄熱槽２と冷凍機３との間で冷媒（ブライン）を循環さ
せる一次媒体系４と、同じく二次ポンプ（氷放熱冷水ポ
ンプ）５の駆動に伴って冷却する冷水を循環させる二次
媒体系６とが備えられ、更に、この一次媒体系４と二次
媒体系６との間で熱交換を行わせる氷放熱用熱交換器７
が備えられている。

【０００５】前記熱交換器７は、前記一次媒体系４の主
ライン４ａから分岐して氷蓄熱槽２を迂回する分岐ライ
ン４ｂの中に備えられ、この分岐ライン４ｂには、氷放
熱ブラインポンプ８が配置されて、この氷放熱ブライン
ポンプ８の駆動に伴って分岐ライン４ｂ内を流れる冷媒
（ブライン）と、前記二次媒体系６を流れる冷水とが熱
交換器７内に同時に流入して、ここで熱交換が行われる
ようになっている。

【０００６】ここに、前記主ライン４ａの分岐ライン４
ｂとの分岐点の上流側及び合流点の下流側には自動弁９
ａ，９ｂが、分岐ライン４ｂの入口側及び出口側には自
動弁９ｃ，９ｄがそれぞれ配置されている。

【０００７】上記システムで夜間の蓄熱運転を行う時に
は、図７に示すように、主ライン４ａ内の自動弁９ａ，
９ｂを開き、分岐ライン４ｂ内の自動弁９ｃ，９ｄを閉
じて、一次ポンプ１を駆動させつつ、冷凍機３で冷媒
（ブライン）を、例えば−５℃に冷却する。これによ
り、冷却させた冷媒を氷蓄熱槽２に導き、この氷蓄熱槽
２内に氷を生成して蓄熱する。

【０００８】そして、氷蓄熱槽２内の熱を放熱させつつ
空調運転を行う時には、図８に示すように、主ライン４
ａ内の自動弁９ａ，９ｂを閉じ、分岐ライン４ｂ内の自
動弁９ｃ、９ｄを開いて、氷放熱ブラインポンプ８及び
二次ポンプ５を駆動させる。これにより、蓄熱槽２内の
氷の溶融によって冷却された冷媒を熱交換器７内に流入
させ、ここで二次媒体系６内を流れる冷水と熱交換を行
って高温となった冷媒を、再び蓄熱槽２内に戻して更に
氷を溶融（放熱）させる。

【０００９】ここに、図９に示すように、前記氷蓄熱槽
２に内部には、例えばポリプロピレン製や銅製等のパイ
プからなる製氷用の多数の配管２ａが所定の細ピッチで
設置されており、この配管２ａの内部に前記冷媒を流通
させることによって、このまわりに氷１０を成長させて
蓄熱する。

【００１０】そして、この氷１０を溶かしつつ放熱する
のであるが、この時、先ず配管２ａの周囲に位置する氷
１０が溶け出して配管２ａの長さ方向に沿って筒状に延
びる水の層１１が形成され、この層１１が徐々に外方に
拡がって氷１０が順次氷解する。このため、冷媒と氷蓄
熱槽２内の氷（水）との熱交換能力が次第に減少する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように、放熱運転時に次第に冷媒（一次媒体）と氷蓄熱
槽内の氷（水）との熱交換能力が低下すると、冷媒の流
量を一定とした場合に冷媒の氷蓄熱槽出口温度が徐々に
上昇し、最終的に必要な温度が得られなくなってしま
う。例えば、ポンプをインバータ化して、氷蓄熱槽出口
温度を一定とするように流量を制御することもできる
が、電源や制御装置が複雑となってコストアップに繋が
ってしまう。

【００１２】図１１に示すように、複数台（図示では２
台）の氷放熱ブラインポンプ８を一次媒体系４内に設置
することも考えられるが、これでも冷媒の氷蓄熱槽出口
温度を一定に制御することは不可能である。

【００１３】更に、例えば夏期などのように、冷媒用配
管の周辺温度が高く配管内の冷媒が暖められている場合
に蓄熱運転や放熱運転を開始すると、この立ち上がり時
に以下のような問題があった。

【００１４】すなわち、蓄熱運転の際には、例えば−５
℃の製氷時の設定温度まで冷媒を冷却するまでに時間が
かかるので、蓄熱運転開始初期での冷媒の温度が高く、
このため氷蓄熱槽内に氷が残っている場合には、蓄熱運
転にもかかわらず氷を逆に溶融してしまうことがある。

【００１５】また、放熱運転の際には、氷蓄熱槽内に冷
媒を流通させても、冷媒の温度が高いためにこれを所定
の温度まで冷却することができない。従って、冷媒が熱
交換器に流入する温度が高くなり、二次側の冷水温度を
設定温度まで冷却することができなくなってしまう。

【００１６】本発明は上記に鑑み、二次媒体系に与える
熱量を平均化して蓄熱槽を長時間動作させる制御や、蓄
熱運転や放熱運転の開始時の一時的な不具合を防止し
て、スムーズに立ち上がらせるための制御などを容易か
つ確実に行なえるような蓄熱空調システム及びその運転
方法を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、一次媒体配管周りに蓄熱媒体を収容した内融式蓄熱
槽と、この蓄熱槽と冷凍機との間で一次媒体を循環させ
て蓄熱槽内の蓄熱媒体と一次媒体との間で熱交換を行な
う一次媒体系と、空調空間を流通する二次媒体を循環さ
せる二次媒体系と、前記一次媒体系内に前記冷凍機と並
列に配置され一次媒体と二次媒体との間で熱交換を行う
熱交換器とを備え、夜間の蓄熱運転による蓄熱を負荷時
に用いて放熱運転を行なう蓄熱空調システムにおいて、
前記一次媒体系内に前記蓄熱槽及び／又は熱交換器を迂
回するバイパス経路を設け、このバイパス経路に流量調
節機構を設けたことを特徴とする蓄熱空調システムであ
る。

【００１８】このように構成することにより、蓄熱槽や
熱交換器を流れる一次媒体の流量を調節し、それぞれに
おいて蓄熱媒体や二次媒体との間で熱交換を行う一次媒
体の量を簡単な構成と方法で制御することができる。請
求項２に記載の発明は、前記蓄熱槽は水を蓄熱媒体とす
るものであることを特徴とする請求項１記載の蓄熱空調
システムである。請求項３に記載の発明は、前記各流量
調節機構を、前記バイパス経路の合流点にそれぞれ配置
した開度調節可能な三方弁と、該三方弁の開度を制御す
るコントローラで構成したことを特徴とする請求項１記
載の蓄熱空調システムである。

【００１９】請求項４に記載の発明は、上記熱交換器に
供給される一次媒体の温度を計る温度センサを設け、こ
の温度センサの値に基づいて該温度が一定になるように
上記流量調整機構を制御する制御装置を設けたことを特
徴とする請求項１記載の蓄熱空調システムである。これ
により、蓄熱槽の熱容量や放熱特性にかかわらず、一定
の温度の一次媒体が熱交換器に供給され、安定した省エ
ネルギーな空調が行われる。請求項５に記載の発明は、
一次媒体配管周りに蓄熱媒体を収容した内融式蓄熱槽
と、この蓄熱槽と冷凍機との間で一次媒体を循環させて
蓄熱槽内の蓄熱媒体と一次媒体との間で熱交換を行なう
一次媒体系と、空調空間を流通する二次媒体を循環させ
る二次媒体系と、前記一次媒体系内に前記冷凍機と並列
に配置され一次媒体と二次媒体との間で熱交換を行う熱
交換器とを備え、夜間の蓄熱運転による蓄熱を負荷時に
用いて放熱運転を行なう蓄熱空調システムの運転方法に
おいて、前記一次媒体系内に前記蓄熱槽及び／又は熱交
換器を迂回するバイパス経路を設け、このバイパス経路
の流量を調節しながら運転を行なうことを特徴とする蓄
熱空調システムの運転方法である。

【００２０】請求項６に記載の発明は、放熱運転時に、
上記熱交換器に供給する一次媒体の温度が一定となるよ
うにバイパス経路の流量を制御することを特徴とする請
求項５記載の蓄熱空調システムの運転方法である。

【００２１】請求項７に記載の発明は、蓄熱及び／又は
放熱運転開始時に、一次媒体系内を流れる一次媒体が前
記バイパス経路を流れてウォーミングアップ運転を行う
ように制御することを特徴とする請求項５記載の蓄熱空
調システムの運転方法である。これにより、高温の一次
媒体が蓄熱槽に流れて蓄熱媒体を融解したり、熱交換器
に流れて空調不良を起こすなどの事態が防止される。

【００２２】請求項８に記載の発明は、前記ウォーミン
グアップを、タイマによって設定された一定時間行うこ
とを特徴とする請求項７記載の蓄熱空調システムの運転
方法である。請求項９に記載の発明は、前記ウォーミン
グアップを、一次媒体の温度が所定の温度に達するまで
行うことを特徴とする請求項７記載の蓄熱空調システム
の運転方法である。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
乃至図６を参照して説明する。この実施の形態は、上記
図７及び図８に示す従来例と同様に、冷媒（一次媒体）
としてブラインを使用し、スタティックタイプ内融式の
氷蓄熱槽に熱を蓄熱するとともに、冷水（二次媒体）を
冷却するようにしたもので、同一部材には同一符号を付
している。

【００２４】すなわち、この蓄熱空調システムには、一
次ポンプ１、氷蓄熱槽２及び冷凍機３を有する一次媒体
系４と、二次ポンプ５を有する二次媒体系６と、一次媒
体系４と二次媒体系６との間で熱交換を行わせる熱交換
器７とが備えられ、この熱交換器７は、一次媒体系４の
主ライン４ａから分岐した分岐ライン４ｂの中に設置さ
れ、この分岐ライン４ｂには、氷放熱ブラインポンプ８
が配置されている。更に、主ライン４ａ及び分岐ライン
４ｂには、自動弁９ａ〜９ｄが配置されている。

【００２５】主ライン４ａには、氷蓄熱槽２を迂回して
該氷蓄熱槽２の入口側と出口側とを短絡させる氷蓄熱槽
バイパス通路２０が、分岐ライン４ｂには、熱交換器７
を迂回して該熱交換器７の入口側と出口側とを短絡させ
る熱交換器バイパス経路２１がそれぞれ備えられてい
る。

【００２６】そして、各バイパス経路２０，２１には、
その主ライン４ａ及び分岐ライン４ｂとの各合流点に、
この各バイパス経路２０，２１内を流れる流量を調節す
る流量調節機構２２，２３が備えられている。

【００２７】各流量調節機構２２，２３は、開度調節可
能な三方弁２４と、温度検出器２５からの信号により三
方弁２４の開度を制御するコントローラ２６とから構成
されており、一方の流量調節機構２２の温度検出器２５
は、氷蓄熱槽バイパス経路２０との合流点直後の主ライ
ン４ａを流れる冷媒（一次媒体）の温度を、他方の流量
調節機構２３の温度検出器２５は、熱交換器７を出た冷
却後の冷水（二次媒体）の温度をそれぞれ測定するよう
になっている。

【００２８】これにより、氷蓄熱槽バイパス経路２０を
流れる一次媒体の流量を調節して、氷蓄熱槽２の内部を
流れて該内部の氷（水）との間で熱交換を行う一次媒体
の流量を、また熱交換器バイパス経路２１を流れる一次
媒体の流量を調節して、熱交換器７内を流れて二次媒体
との間で熱交換を行う冷媒の流量をそれぞれ制御するこ
とができる。

【００２９】上記のように構成した氷蓄熱空調システム
で、氷蓄熱槽２内の熱を放熱させつつ空調（放熱）運転
を行っている時の状態を図１に示す。この運転は、熱交
換器７に向かう冷媒の持つ熱量が一定となるようにす
る。すなわち、主ライン４ａ内の自動弁９ａ，９ｂを閉
じ、分岐ライン４ｂ内の自動弁９ｃ、９ｄを開いた状態
で、氷放熱ブラインポンプ８及び二次ポンプ５を駆動さ
せる。この時、蓄熱槽バイパス経路２０の流量調節機構
２２によって、つまり、三方弁２４の開度を変えて、バ
イパス経路２０と主ライン４ａへ冷媒が流れる比率を調
整して、合流点直後の冷媒の温度が一定となるように調
節する。

【００３０】最初は、蓄熱槽２の熱容量が大きく、温度
も低いので、蓄熱槽２へまわす流量を低くし、バイパス
経路２０から来る高温の冷媒の比率を高くしても必要な
温度が得られる。蓄熱槽２の熱容量が減って温度も高く
なると、バイパス経路２０経由の戻り冷媒の比率を下
げ、蓄熱槽２経由の低温冷媒の比率を上げる。これによ
り、図９、図１０において説明した蓄熱槽２の特性を補
って、熱交換器７に供給する冷媒の温度を終始一定にす
ることができる。

【００３１】なお、このことは、図１１に示すような複
数台の放熱ポンプを備えたものにあっても同様で、この
ような氷蓄熱空調システムにあっても、同様な方法で冷
媒の氷蓄熱槽出口温度を一定にすることができる。

【００３２】更に必要に応じて、分岐ライン４ｂ内の熱
交換器バイパス経路２１との合流点に配置された流量調
節機構２３によって、この熱交換器バイパス経路２１内
を流れる冷媒の量を、熱交換器７を出た冷水の温度が一
定となるように調節する。これにより、二次側の冷水温
度を設定温度まで冷却して二次側の温度保障を行うこと
ができる。

【００３３】ここに、放熱運転の開始時に、例えば夏期
などで、冷媒の温度が高いと、冷媒の氷蓄熱槽出口温
度、ひいては熱交換器入口温度も高くなり、この高温の
ままの状態の冷媒を氷放熱用熱交換器７内に供給する
と、二次側の冷水温度を設定温度まで冷却できずに、二
次側の温度保障ができなくなってしまう。

【００３４】この時には、図２に示すように、流量調節
機構２３の三方弁２４によって、全ての冷媒が熱交換器
バイパス経路２１内を流れるようにしたウォーミングア
ップを行い、しかる後、三方弁２４の開度を制御するこ
とによって、これに対処することができる。

【００３５】すなわち、放熱運転開始時に高温であった
冷媒を、熱交換器７に供給することなく氷蓄熱槽２を介
して所定の温度に冷却し、しかる後、熱交換器７内に流
入させることにより、二次媒体の温度保障がなされる。

【００３６】なお、このウォーミングアップは、図３
（ａ）に示すように、二次媒体（冷水）の熱交換器７の
出口温度を測定する温度検出器２５を介してここの温度
が所定の温度、例えば７℃に達するまで継続したり、同
図（ｂ）に示すように、タイマを介して所定時間行うよ
うにしてもよい。

【００３７】また、蓄熱運転は、主ライン４ａ内の自動
弁９ａ，９ｂを開き、分岐ライン４ｂ内の自動弁９ｃ、
９ｄを閉じた状態で、冷凍機３を駆動させて行うのであ
るが、この開始時に、例えば夏期などで、冷媒の温度が
高いと、これを製氷時の設定温度、例えば−５℃まで冷
却するまでに時間がかかり、氷蓄熱槽内に氷が残ってい
るとこれを溶かしてしまうことがある。

【００３８】この時には、図４に示すように、主ライン
４ａ内の氷蓄熱槽バイパス経路２０との合流点に配置さ
れた流量調節機構２２の三方弁２４によって、全ての冷
媒が氷蓄熱槽バイパス経路２０内を流れるようにしたウ
ォーミングアップを行い、しかる後、三方弁２４の開度
を制御することによって、これに対処することができ
る。

【００３９】すなわち、放熱運転開始時に高温であった
冷媒を、氷蓄熱槽２に供給することなく冷凍機３で所定
の温度に冷却し、しかる後、氷蓄熱槽２内に流入させる
ことにより、蓄熱運転時に冷媒が氷蓄熱槽内の氷を溶か
してしまうことを防止することができる。

【００４０】なお、このウォーミングアップは、図５
（ａ）に示すように、一次媒体（冷媒）の合流点直後の
温度を測定する温度検出器２５を介してここの温度が所
定の温度、例えば０℃に達するまで継続したり、同図
（ｂ）に示すように、タイマを介して所定時間行うよう
にすることができる。

【００４１】なお、前記においては、各流量調節機構を
開度調節可能な三方弁を用いて構成したが、この発明は
この形態に限られるものではなく、図６に示すようにそ
れぞれ２つの二方弁２４ａ，２４ｂを用いて構成しても
よい。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
蓄熱槽や熱交換器を流れる一次媒体の流量を調節し、そ
れぞれにおいて蓄熱媒体や二次媒体との間で熱交換を行
う一次媒体の量を簡単な構成と方法で制御することがで
きる。これによって、二次媒体系に与える熱量を平均化
して蓄熱槽を長時間動作させる制御や、蓄熱運転や放熱
運転の開始時の一時的な不具合を防止して、スムーズに
立ち上がらせるための制御などを容易かつ確実に行なう
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の放熱運転時の概要を示
す回路構成図である。

【図２】同じく、放熱開始の際のウォーミングアップ運
転時の概要を示す回路構成図である。

【図３】図３のウォーミングアップ時間を設定する際の
それぞれ異なる例を示すブロック図である。

【図４】同じく、蓄熱運転開始の際のウォーミングアッ
プ運転時の概要を示す回路構成図である。

【図５】図４のウォーミングアップ時間を設定する際の
それぞれ異なる例を示すブロック図である。

【図６】本発明の第二の実施の形態を示す回路構成図で
ある

【図７】従来例の夜間蓄熱運転時の概要を示す回路構成
図である。

【図８】同じく、昼間空調運転時の概要を示す回路構成
図である。

【図９】氷蓄熱槽内の氷の成長及び氷解の説明に付する
図である。

【図１０】従来例における放熱特性を示すグラフであ
る。

【図１１】他の従来例を示す回路構成図である。

【符号の説明】

２ 蓄熱槽 ２ａ 同熱交換器 ３ 冷凍機 ４ 一次媒体系 ６ 二次媒体系 ７ 熱交換器 ２０ 氷蓄熱槽バイパス経路 ２１ 熱交換器バイパス経路 ２２，２３ 流量調節機構 ２４ 三方弁 ２４ａ，２４ｂ 二方弁 ２６ コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 児嶋 勝 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 牧田 昇 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 柳下 英明 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一次媒体配管周りに蓄熱媒体を収容した
   内融式蓄熱槽と、 この蓄熱槽と冷凍機との間で一次媒体を循環させて蓄熱
   槽内の蓄熱媒体と一次媒体との間で熱交換を行なう一次
   媒体系と、 空調空間を流通する二次媒体を循環させる二次媒体系
   と、 前記一次媒体系内に前記冷凍機と並列に配置され一次媒
   体と二次媒体との間で熱交換を行う熱交換器とを備え、
   夜間の蓄熱運転による蓄熱を負荷時に用いて放熱運転を
   行なう蓄熱空調システムにおいて、 前記一次媒体系内に前記蓄熱槽及び／又は熱交換器を迂
   回するバイパス経路を設け、このバイパス経路に流量調
   節機構を設けたことを特徴とする蓄熱空調システム。
2. 【請求項２】 前記蓄熱槽は水を蓄熱媒体とするもので
   あることを特徴とする請求項１記載の蓄熱空調システ
   ム。
3. 【請求項３】 前記各流量調節機構を、前記バイパス経
   路の合流点にそれぞれ配置した開度調節可能な三方弁
   と、該三方弁の開度を制御するコントローラで構成した
   ことを特徴とする請求項１記載の蓄熱空調システム。
4. 【請求項４】 上記熱交換器に供給される一次媒体の温
   度を計る温度センサを設け、この温度センサの値に基づ
   いて該温度が一定になるように上記流量調整機構を制御
   する制御装置を設けたことを特徴とする請求項１記載の
   蓄熱空調システム。
5. 【請求項５】 一次媒体配管周りに蓄熱媒体を収容した
   内融式蓄熱槽と、 この蓄熱槽と冷凍機との間で一次媒体を循環させて蓄熱
   槽内の蓄熱媒体と一次媒体との間で熱交換を行なう一次
   媒体系と、 空調空間を流通する二次媒体を循環させる二次媒体系
   と、 前記一次媒体系内に前記冷凍機と並列に配置され一次媒
   体と二次媒体との間で熱交換を行う熱交換器とを備え、
   夜間の蓄熱運転による蓄熱を負荷時に用いて放熱運転を
   行なう蓄熱空調システムの運転方法において、 前記一次媒体系内に前記蓄熱槽及び／又は熱交換器を迂
   回するバイパス経路を設け、このバイパス経路の流量を
   調節しながら運転を行なうことを特徴とする蓄熱空調シ
   ステムの運転方法。
6. 【請求項６】 放熱運転時に、上記熱交換器に供給する
   一次媒体の温度が一定となるようにバイパス経路の流量
   を制御することを特徴とする請求項５記載の蓄熱空調シ
   ステムの運転方法。
7. 【請求項７】 蓄熱及び／又は放熱運転開始時に、一次
   媒体系内を流れる一次媒体が前記バイパス経路を流れて
   ウォーミングアップ運転を行うように制御することを特
   徴とする請求項５記載の蓄熱空調システムの運転方法。
8. 【請求項８】 前記ウォーミングアップを、タイマによ
   って設定された一定時間行うことを特徴とする請求項７
   記載の蓄熱空調システムの運転方法。
9. 【請求項９】 前記ウォーミングアップを、一次媒体の
   温度が所定の温度に達するまで行うことを特徴とする請
   求項７記載の蓄熱空調システムの運転方法。