JPS5920943B2 - 冷暖房装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、蓄熱機構を有する冷暖房装置に関するもので
ある。

本明細書において冷房負荷、暖房負荷、熱奪取型ヒート
ポンプ、熱供給型ヒートポンプなどは次のようなものを
指すものとする。

「冷房負荷」・・・冷房負荷、冷凍負荷など冷熱を要求
する負荷。

「暖房負荷」・・・暖房負荷、給湯負荷など暖熱を要求
する負荷。

「冷房」 「暖房」のつく言葉・・・上記に準する。

「熱奪取型ヒートポンプ」・・・冷凍機の如く、低温の
ものから熱を取り去るヒートポン プ。

「熱供給型ヒートポンプ」・・・狭義の「ヒートポンプ
」と同じで、低温のものから熱を 取り高温のものに熱を供給するヒー トポンプ。

「ヒートポンプ」・・・広義に解し、上述の「熱奪取型
」と「熱供給型」を総称。

外界から集熱した熱を蓄熱するための蓄熱槽においては
、その蓄熱媒体としては、従来主として水が用いられて
いる。

しかしながら、水は輌位体積当たりの蓄熱容量が小さい
という欠点があるので、最近は潜熱利用蓄熱材を利用す
る方法が推奨されている。

例えば太陽熱を暖房用熱源として利用する場合、蓄熱器
内に蓄熱材として固体のチオ硫酸す） ＩＪウムを充填
し、太陽熱集熱器により加熱された温水を導いて、この
温水によりチオ硫酸ナトリウムを加熱して固体から液体
とすることにより融解熱なる潜熱の形で蓄熱する方法が
試みられている。

また、これと逆に冷熱を蓄熱する方法も試みられている
。

この場合は冷凍機の冷水により蓄熱材を冷却して、蓄熱
材を液体から固体に変化させることにより凝固熱なる潜
熱の形で冷熱を蓄熱（蓄冷）する。

これらの方法においては、いづれも潜熱を利用している
ので、水を用いているものに比べ蓄熱器のサイズは小さ
くなるが、次の如き欠点を有する。

即ち、これらの場合に潜熱利用蓄熱材は一つの目的にし
か利用されていない。

例えば、冷暖房の場合水を蓄熱媒体として利用する場合
は、冷房時は蓄熱槽に冷水を蓄えることにより冷凍機の
容量を小さくし、暖房時は蓄熱槽に太陽熱集熱により得
られた温水を蓄えることができ、冷房時でも暖房時でも
蓄熱材は温度が異なるが水であり共通である。

ところが潜熱利用蓄熱材は、このように温度の異なる二
つの目的に同一のものを利用することができない。

そのため冷暖房システム全体として考えると、従来の蓄
熱材である水の方がコスト的に優り、潜熱利用蓄熱材は
実用化され難かった。

本発明は、潜熱利用蓄熱材の加熱及び冷却を、暖房サイ
クルにおいても冷房サイクルにおいても潜熱利用蓄熱材
の融点の前後付近にて行なわしめるようにすることによ
り、従来のものの上記の欠点を除き、同一の潜熱利用蓄
熱材を冷房時にも暖房時にも有効に利用することができ
、装置の構造を簡単にし、コストも低減せしめることが
できる冷暖房装置を提供することを目的とするものであ
る。

即ち、暖房時においては太陽熱より集熱して蓄熱材に熱
を与えて蓄熱して暖房に利用し、冷房時には冷凍機用の
冷却水の取得した熱を一時吸収して蓄熱しておき、他に
適当な冷却手段がある時、例えば夜間に外気温度が下が
った時に放熱して冷却することを可能としたり、また、
冷水の冷熱を蓄冷する蓄熱材を暖房時に太陽熱集熱器を
用いたヒートポンプ（熱供給型）の低熱源用の蓄熱材と
しても利用できるようにする、などが可能となるもので
ある。

本発明は、蓄熱材を保有した蓄熱器と、外部よりの熱を
集める集熱体と該集熱体により集められた熱を前記蓄熱
材にまで運び該蓄熱材を加熱して循環する蓄熱材加熱媒
体系路とヒートポンプとを備え、前記蓄熱材は使用温度
の範囲内で加熱・冷却によりそれぞれ液体・固体となる
潜熱利用蓄熱材料により作られ、前記ヒートポンプは蒸
発器と凝縮器と、該蒸発器及び該凝縮器を通り冷媒を気
液交互変換を行いながら循環せしめる冷媒循環系路と、
前記凝縮器内で冷媒と熱交換を行なう高温系熱媒体系路
と、前記蒸発器内で冷媒と熱交換を行なう低温系熱媒体
系路とを備え、前記高温系熱媒体系路と前記低温系熱媒
体系路との少なくとも同れか一方の糸路が前記蓄熱器を
経由している冷暖房装置において、暖房時には前記蓄熱
器中の熱媒体を暖房負荷に導いて暖房サイクルを形成し
、冷房時には前記蓄熱器中の熱媒体を前記ヒートポンプ
の前記高温系熱媒体系路に導き、かつ前記低温系熱媒体
系路を冷房負荷に導き熱奪取型ヒートポンプとして冷房
サイクルを形成するように構成したことを特徴とする冷
暖房装置である。

本発明を実施例につき図面を用いて説明すれば、第１図
に示された例は、ヒートポンプ１２を介して接続される
冷暖房第一システム１と冷暖房第ニジステム２とに分け
られ、両システムはそれぞれ単独でも有効なシステムで
あるが、両者が組み合わされたことにより一層効果の大
なるシステムを形成している。

冷暖房第一システム１は、後述の潜熱利用蓄熱材３を有
する複数個の蓄熱カプセル４を備えた蓄熱器としての蓄
熱槽５が備えられ、太陽熱を集熱する集熱体６との間に
水などの蓄熱材加熱媒体を通す糸路として、管路７，８
，９．１０が備えられている。

蓄熱材加熱媒体は、蓄熱槽５の中で蓄熱カプセル４の間
に充満し、ポンプ１１を運転することにより管路７，８
を経て集熱体６に送られ。

管路９，１０を経て再び蓄熱槽５に戻され、蓄熱カプセ
ル４の間を流れて循環せしめられ、その間に蓄熱材３を
加熱するようになっている。

また、管路１３，１４、ポンプ１５により、蓄熱槽５の
中の熱媒体を冷却装置としてのクーリングタワー１６に
導き、管路１４により蓄熱槽５に戻し、蓄熱カプセル４
０間を通過せしめて循環せしめ、蓄熱材冷却媒体として
蓄熱材３を冷却するようになっている。

本実施例においては蓄熱材３を加熱する蓄熱材加熱媒体
も、冷却する蓄熱材冷却媒体も同一の熱媒体（例えば水
）を用いているので、以後加熱、冷却の区別をせずに単
に熱媒体と称する。

蓄熱材３としては、塩化カルシウムＣａＣ４・６Ｈ２０
、硫酸ナトリウムＮａ２ＳＯ４・５Ｈ２０、チオ硫酸ナ
トリウムＮａ２Ｓ２Ｏ３・５Ｈ２０などのような、２９
〜５２℃程度の範囲の中に融点を有し、固相と液相との
間の変化をするような材料が選ばれる。

蓄熱作用（冷熱の蓄冷も含め）を行なわしめるに際し、
融点よりも高い温度で加熱して液相となして暖熱を蓄熱
し、この熱を利用する場合は凝固の潜熱も利用し得るよ
うにし、冷熱を蓄熱する場合は融点よりも低い温度に冷
却して固相となし、この冷熱を利用する場合は融解の潜
熱も利用するようにする。

各蓄熱カプセル４には超音波振動子１７が設けられ、発
振器１８により加えられる高周波電圧により超音波を発
生するようになっている。

１９は負荷であり、管路２０、ポンプ２１により蓄熱槽
５の内の熱媒体が導かれる。

２２は負荷１９からの戻り熱媒体を薄く管路である。

冷暖房第ニジステム２においては、冷暖房第一システム
と同様に蓄熱カプセル４′を有する蓄熱槽５′が備えら
れている。

各蓄熱カプセルイにも、前述の発振器１８の高周波電圧
を受けて超音波な発生する超音波振動子１７′が備えら
れている。

また、太陽熱の集熱体６′と、蓄熱槽５′内の熱媒体を
集熱体６′に導いて循環させる管路７’、 ８’、 ９
’、 １０’、ポンプ１１′が備えられている。

１９′は負荷であり、管路２０′、ポンプ２１′により
蓄熱槽５′の内の熱媒体が導かれる。

２１は負荷１９′からの戻り熱媒体を導く管路である。

ヒートポンプ１２は、凝縮器２３、蒸発器２４、圧縮器
２５及びそれらを接続する冷媒管路を備えている。

凝縮器２３には、伝熱管２６が設けられ、管路７，８と
の間の三方弁２７にて分岐した入口管２８及び管路９と
１０と間に合流する出口管２９とが接続されて高温系熱
媒体系路が形成されている。

蒸発器２４には伝熱管３０が設けられ、三方弁３１及び
ポンプ３２を有する管路３３、入口管路３４と、出口管
路３５が接続されて低温系熱媒体系路が形成されている
。

４０は接続管、３６．３７，３８，３９は弁である。

本実施例の作用につき説明すれば、暖房時において、日
射量の多い場合には第２図に示す如く、冷暖房第一シス
テムのみによる暖房サイクルを形成し負荷１９に熱を供
給する。

即ち、集熱体６により加熱された熱媒体を蓄熱槽５に送
り循環せしめ、蓄熱カプセル４を加熱して蓄熱し、負荷
が要求する折に蓄熱槽５内の高温の熱媒体をポンプ２１
により負荷１９に送り暖房に供する。

あるいは集熱体６を通る熱媒体を循環させながら同時に
蓄熱槽５内の熱媒体を負荷１９に送ってもよい。

この場合蓄熱にあたっては蓄熱槽５内の温度は蓄熱材３
０種類によって異なるが１例えばチオ硫酸ナトＩ／ウム
・５Ｈ２０の場合で約５３℃、硝酸す） ＩＪウム・４
Ｈ２０の場合で約４５℃程度となり、蓄熱材３は融点を
越えて液状となって保持される。

この装置において冷房を行なうには第３図に示す如く、
三方弁２７を切換えてヒートポンプ１２の高温系熱媒体
系路に冷暖房第一システム１を入口管２８、出口管２９
にて接続して蓄熱槽５中の熱媒体を冷却水として循環せ
しめ、三方弁３１によりヒートポンプ１２の低温系熱媒
体系路に冷暖房第ニジステム２を管路７′、接続管４０
、入口管路３４、管路１０′にて接続して蓄熱槽５′の
熱媒体を冷水として循環せしめヒートポンプ１２の熱奪
取型ヒートポンプ（即ち冷凍機）として作動せしめて、
冷却された冷水としての熱媒体を蓄熱槽５′に戻して蓄
熱カプセル４′を冷却して冷熱を蓄熱し、負荷１９′が
要求する折に蓄熱槽５′内の低温の熱媒体をポンプ２１
′により負荷１９′に送り冷房に供する。

あるいはヒートポンプ１２により冷水としての熱媒体を
循環させながら同時に蓄熱槽５′内の熱媒体を負荷１ｇ
に送ってもよい。

この場合ヒートポンプ１２の高温系熱媒体系路には、別
の冷却水源からの冷却水を導いてもよい。

この場合冷熱の蓄熱に蟲っては蓄熱槽５′内の温度は約
５℃となり、例えば蓄熱材３にＣａＣｌ２・６Ｈ２０と
ＦｅＣｌ３・６Ｈ２０の混合物を用いた場合には、蓄熱
材３は融点１０℃以下に冷却されて固体状となって保持
される。

一方冷暖房第一システム１内では冷却水として入口管２
８に導入された熱媒体は伝熱管２６で加熱されて高温と
なり出口管２９を経て蓄熱槽５に戻る。

この戻る熱媒体の温度は蓄熱材の種類により異なるが４
０〜５３℃程度となり前述の第２図における暖房の場合
の温度と／丘ぼ同様であるので同一の蓄熱材で暖房時で
も冷房時でも蓄熱を行なうことができる。

しかして、夜間、外気の温度が低い時には第４図の如く
クーリングタワー１６の糸路を作動せしめ、蓄熱槽５内
の熱媒体の熱を放熱し、冷却する。

即ち昼間の間に冷却水が凝縮器２３にて受取った熱の一
部または全部を一時蓄熱材３に蓄熱し、夜間に放熱する
ことができる。

従って、蓄熱容量に応じて、昼間外気温が高くても連続
して大きな冷凍負荷に応することができる。

この夜間の冷却の場合に、管路１４を経て戻る熱媒体の
温度は３０〜２５℃程度となり、蓄熱材３は凝固し固体
となって保持される。

冷房時に、ヒートポンプ１２（冷凍機）の容量を小さく
するなどの目的のために、ヒートポンプ１２を夜間にも
運転して、その冷水により蓄熱材 。

３′を冷却して冷熱を蓄熱することができる。

この時の冷水温度は５℃程度であり、たとえばＣａＣｌ
２・６Ｈ２０とＦｅＣｌ３・６Ｈ２０との混合物等の蓄
熱材３′を凝固せしめ、固体として保持する。

以上の場合において、蓄熱材３又は３′より蓄熱を奪う
場合、又は蓄熱材３又は３′を冷却して冷熱を蓄熱する
場合に、徐々に温度が下がるといわゆる過冷却現象を生
じ、転移点よりかなり低い温度にならないと凝固せず、
暖房不能や、冷凍機用冷水の凍結などの事故を招いたが
、本実施例においては蓄熱カプセル４又は４′に超音波
振動子１７゜１７′が設けられ、蓄熱材３，３′の温度
が下がるサイクルの時に発振器１８を作動せしめて超音
波を発生せしめ、その振動により蓄熱材３，３′に物理
的刺戟を与えることにより過冷却を防止することができ
る。

日射量が少ない時の暖房は、第５図に示す如く冷暖房第
ニジステム２の集熱体６′に得た熱を受けた熱媒体を低
熱源としてヒートポンプ１２を熱供給型ヒートポンプと
して作動せしめ、温水としての熱媒体に熱を供給して冷
暖房第一システム１の蓄熱槽５に蓄熱を行ない、これを
利用して負荷１９に熱を送るようにする。

即ち、弁３６，３７，３８、三方弁３１を切換え、ポン
プ１１′を駆動して熱媒体を循環せしめて、太陽熱を集
熱体６′にて集熱し、熱媒体を加熱して蓄熱槽５′に戻
す。

この時熱媒体の温度は１５℃程度以上となり、蓄熱材３
′は加熱されて液体となり、蓄熱を可能とする。

そしてこの蓄熱により温度上昇した熱媒体を低熱源の熱
媒体として、管路３３、ポンプ３２、入口管路３４を経
て、伝熱管３０に導き、出口管路３５を経て再び蓄熱槽
５′に戻し、循環せしめる。

ヒートポンプ１２で汲み上げられた熱は、伝熱管２６に
おいて熱媒体に与えられ、加熱された熱媒体は温水とし
て蓄熱槽５に入り蓄熱材３を加熱し、この蓄熱を利用し
て負荷１９に熱が送られる。

この場合加熱されて蓄熱槽５に入る熱媒体の温度は３０
〜４５℃程度であるので、同一の蓄熱材３で蓄熱を行な
うことができる。

（床暖房方式においては３０℃でも暖房できる） 以上の如く、冷暖房第一システム１ば、潜熱利用の蓄熱
材３を、太陽熱の蓄熱に利用すると共に冷凍機用の冷却
水が受ける熱を一時蓄熱して夜中に放出させることにも
利用したシステムである。

また、冷暖房第ニジステム２は冷房時の冷熱の蓄熱と、
暖房時のヒートポンプ１２の低熱源用の蓄熱とを同一の
潜熱利用の蓄熱材ごで行なうようにしたシステムである
。

何れのシステム又は組み合わせたシステムにおいても、
潜熱利用の蓄熱体３，３′の利用温度を、冷房時にも暖
房時にもほぼ同じにとれるようにしたので、同一蓄熱体
を冷房時にも、暖房時にも有効に用いることができる。

本発明は、蓄熱材を保有した蓄熱器と、外部よりの熱を
集める集熱体と該集熱体により集められた熱を前記蓄熱
材にまで運び該蓄熱材を加熱して循環する蓄熱材加熱媒
体系路とヒートポンプとを備え、前記蓄熱材は使用温度
の範囲内で加熱・冷却によりそれぞれ液体・固体となる
潜熱利用蓄熱材料により作られ、前記ヒートポンプは蒸
発器と凝縮器と、該蒸発器及び該凝縮器を通り冷媒を気
液交互変換を行いながら循環せしめる冷媒循環系路と、
前記凝縮器内で冷媒と熱交換を行なう高温系熱媒体系路
と、前記蒸発器内で冷媒と熱交換を行なう低温系熱媒体
系路とを備え、前記高温系熱媒体系路と前記低温系熱媒
体系路との少なくとも何れか一方の糸路が前記蓄熱器を
経由している冷暖房装置において、暖房時には前記蓄熱
器中の熱媒体を暖房負荷に導いて暖房サイクルを形成し
、冷房時には前記蓄熱器中の熱媒体を前記ヒートポンプ
の前記高温系熱媒体系路に導き、かつ前記低温系熱媒体
系路を冷房負荷に導き熱奪取型ヒートポンプとして冷房
サイクルを形成するように構成したことにより潜熱利用
の蓄熱体の利用温度を冷房時も暖房時もほぼ同一になる
よう構成して、いづれの場合にも同一の蓄熱体を有効に
利用することを可能とし、装置の構造を簡単とし、コス
トの低減も行ない得る冷暖房装置を提供することができ
、実用上、太陽熱利用上極めて犬なる効果を有するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すフロー図、第２図ないし
第５図は第１図の実施例のもののそれぞれ異なる運転条
件を示すフロー図である。 １・・・・・・冷暖房第一システム、２・・・・・・冷
暖房第ニジステム、３，３′・・・・・・蓄熱材、４，
４′・・・・・・蓄熱カプセル、５，５′・・・・・・
蓄熱槽、６，６′・・・・・・集熱体、７．７′・・・
・・・管路、８，８′・・・・・・管路、９，９′・・
・・・・管路、１０ 、１０’・・・・・・管路、１１
．−１１’・・・・・・ポンプ、１２・・・・・・ヒー
トポンプ、１３，１４・・・・・・管路、１５・・・・
・・ポンプ、１６・・・・・・クーリングタワー、１７
、１７’・・・・・・超音波振動子、１８・・・・・
・発振器、１９．１９’・・・・・・負荷、２０，２０
’・・・・・・管路、２１゜２１′・・・・・・ポンプ
、２２ 、２７・・・・・・管路、２３・・・・・・凝
縮器、２４・・・・・・蒸発器、２５・・・・・・圧縮
機、２６・・・・・・伝熱管、２７・・・・・・三方弁
、２８・・・・・・入口管、２９・・・・・・出口管、
３０・・・・・・伝熱管、３１・・・・・・三方弁、３
２・・・・・・ポンプ、３３・・・・・・管路、３４・
・・・・・入口管路、３５・・・・・・出口管路、３６
，３７，３８゜３９・・・・・・弁、４０・・・・・・
接続管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 蓄熱材を保有した蓄熱器と、外部よりの熱を集める
   集熱体と該集熱体により集められた熱を前記蓄熱材にま
   で運び該蓄熱材を加熱して循環する蓄熱材加熱媒体系路
   とヒートポンプとを備え、前記蓄熱材は使用温度の範囲
   内で加熱・冷却によりそれぞれ液体・固体となる潜熱利
   用蓄熱材料により作られ、前記ヒートポンプは蒸発器と
   凝縮器と、該蒸発器及び該凝縮器を通り冷媒を気液交互
   変換を行ないながら循環せしめる冷媒循環系路と、前記
   凝縮器内で冷媒と熱交換を行なう高温系熱媒体系路と、
   前記蒸発器内で冷媒と熱交換を行なう低温系熱媒体系路
   とを備え、前記高温系熱媒体系路と前記低温系熱媒体系
   路との少なくとも何れか一方の糸路が前記蓄熱器を経由
   している冷暖房装置において、暖房時には前記蓄熱器中
   の熱媒体を暖房負荷に導いて暖房サイクルを形成し、冷
   房時には前記蓄熱器中の熱媒体を前記ヒートポンプの前
   記高温系熱媒体系路に導き、かつ前記低温系熱媒体系路
   を冷房負荷に導き熱奪叡型ヒートポンプとして冷房サイ
   クルを形成するように構成゛したことを特徴とする冷暖
   房装置。 ２ 蓄熱材を保有した蓄熱器と、外部よりの熱を集める
   集熱体と該集熱体により集められた熱を前記蓄熱材にま
   で運び該蓄熱材を加熱して循環する蓄熱材加熱媒体系路
   とヒートポンプとを備え、前記蓄熱材は使用温度の範囲
   内で加熱・冷却によりそれぞれ液体・固体となる潜熱利
   用蓄熱材料により作られ、前記ヒートポンプは蒸発器と
   凝縮器と、該蒸発器及び該凝縮器を通り冷媒を気液交互
   変換を行ないながら循環せしめる冷媒循環系路と、前記
   凝縮器内で冷媒と熱交換を行なう高温系熱媒体系路と、
   前記蒸発器内で冷媒と熱交換を行なう低温系熱媒体系路
   とを備え、前記高温系熱媒体系路と前記低温系熱媒体系
   路との少なくとも何れか一方の糸路が前記蓄熱器を経由
   している冷暖房装置において、前記集熱体と前記蓄熱器
   がそれぞれ二組あり、第一集熱体と第一蓄熱器により第
   一蓄熱機構が形成され、第二集熱体と第二蓄熱器により
   第二蓄熱機構が形成され、前記ヒートポンプの前記高温
   系熱媒体系路には前記第−蓄熱器中の熱媒体が導かれ、
   前記低温系熱媒体系路には前記第二蓄熱器中の熱媒体が
   導かれ、前記第−蓄熱器中の熱媒体はさらにクーリング
   タワーなどの冷却装置に導かれることを特徴とする冷暖
   房装置。 ３ 前記蓄熱材を加熱する熱媒体と冷却する熱媒体とが
   同一の媒体である特許請求の範囲第２項記載の装置。