(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱槽と、前記蓄熱槽からの送水の温度を所定の温度に変換する熱源機と、前記蓄熱槽と前記熱源機とを接続する第１の接続管と、前記接続管に取り付けられ、前記蓄熱槽及び前記熱源機間で水を循環させる第１のポンプと、前記蓄熱槽からの送水を利用する熱交換手段と、前記蓄熱槽と前記熱交換手段とを接続する第２の接続管と、前記第２の接続管に取り付けられ、前記蓄熱槽及び前記熱交換手段間で水を循環させる第２のポンプとを有する蓄熱システムにおいて、
前記熱源機と前記熱交換手段とを接続する第３の接続管と、
前記第３の接続管に取り付けられ、放熱時に、前記熱源機及び前記熱交換手段間で直接水を循環させる第３のポンプとを具備し、
前記第３の接続管は、蓄熱時に閉となり放熱時に開となる第１の制御弁を有し、
前記第１の接続管は、蓄熱時に開となり放熱時に閉となる第２の制御弁を有することを特徴とする蓄熱システム。
【請求項２】
前記第２の接続管における前記熱交換手段と前記蓄熱槽との間に密閉型膨脹タンクが設けられたことを特徴とする請求項１記載の蓄熱システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蓄熱槽等を用いた蓄熱システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ピーク負荷を安価な夜間電力で補う蓄熱式空調システムの採用が増大している。特に、通常は建物の二重スラブを利用して構築され、建物の基礎部における地中梁、杭柱等を利用した蓄熱システムで、建物のデッドスペースを有効に利用する水蓄熱槽が広く用いられている。
【０００３】
図３に、一般的な延長蓄熱運転型の蓄熱パターンを示す。同図において、Ｈｓは、必要蓄熱量を示し、Ｃは熱源容量、Ｑは負荷を示す。この図に示す方式は、夜間に必要な蓄熱を行い、昼間の負荷をその蓄熱で補完する方式である。この方式は、夜間電力利用による運転費の低減、熱源容量低減によるイニシャルコストの削減と共に、契約電力の低減効果が期待されていることから、広く普及している。
【０００４】
図４に、従来の蓄熱システムの構成を示す。同図において、蓄熱槽１は、冷水の蓄熱槽であり、低温槽２と高温槽３とからなる。これら低温槽２及び高温槽３の間には、ポンプＣＰ−１及び冷凍機Ｒ−１が１次側配管４により接続されていると共に、ポンプＣＰ−２，ＣＰ−３及び熱交換器等の熱交換手段である負荷５が２次側配管６により接続されている。ここで、蓄熱槽１及び負荷５側間の実揚程は２５ｍＨであり、蓄熱槽１及び冷凍機Ｒ−１間の実揚程は４ｍＨであるものとする。また、２次側配管６の高温槽３近傍には、自力式圧力調整弁７が設けられている。
【０００５】
図４に示すように、高温槽３内の水は、冷凍機Ｒ−１によって冷却されて低温槽２に送水され、低温槽２の冷却水は、負荷５側にて利用された後、高温槽３に送水される。また、１次側配管４の冷凍機Ｒ−１の入口側と低温槽２との間には、三方弁８を有するバイパス管９が接続されている。すなわち、冷凍機Ｒ−１によって冷却される前の水と低温槽２の冷却水とを混合させるミキシング手段が構成されている。これにより、冷凍機Ｒ−１への送水温度が一定値以上となる場合には、三方弁８により冷凍機Ｒ−１によって冷却された冷却水を高温槽３からの水と混合して、冷凍機Ｒ−１への送水温度を設定値に保持するようにしている。
【０００６】
例えば、負荷５側へ供給する冷却水の温度が６〜７℃であり、負荷５側から戻される水の温度が１２℃であるものとする。このとき、高温槽３からの水が、低温槽２からの冷却水と混合されて１０℃の水となり、冷凍機Ｒ−１に供給される。そして、冷凍機Ｒ−１において５℃に冷却され、低温槽２に送水される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、表１に、従来の蓄熱システムにおける各ポンプＣＰ−１，ＣＰ−２，ＣＰ−３の容量及び全揚程を示す。
【表１】
0003556387.tif 000002
【０００８】
ここで、全揚程は、配管必要揚程と実揚程とを加算したものである。例えば、ポンプＣＰ−１の場合、配管必要揚程が１０ｍＨであり実揚程が４ｍＨであるため、全揚程は１４ｍＨとなる。また、容量は、最大負荷を１００％とした場合の割合である。ポンプＣＰ−２とＣＰ−３とは、双方の容量を加算して１００％となっている。
【０００９】
ところで、このような蓄熱システムにおいては、図４に示すように、全てのポンプＣＰ−１，ＣＰ−２，ＣＰ−３が直接蓄熱槽１に接続されている。すなわち、冷凍機Ｒ−１から送水される冷却水、及び、負荷５側から戻される水共に、蓄熱槽１に直接落下する構成となっている。そのため、表１に示すように、各ポンプＣＰ−１，ＣＰ−２，ＣＰ−３の動力が、実揚程分だけ上昇するという問題があった。
【００１０】
また、低温槽２と高温槽３とは、その構造上、冷却水の混合を完全に避けることができない。蓄熱槽の構造には、多層連結型、もしくは温度成層型等があるが、いずれも冷却水の混合を完全に防止することはできない。このような構造において、冷凍機Ｒ−１によって冷却された冷却水は、一旦低温槽２に送水され、その後ポンプＣＰ−２，ＣＰ−３によって負荷５側へ供給されるようになっている。従って、上記のように冷却水が混合することにより、低温槽２内の冷却水の水温が上昇する。すなわち、冷凍機Ｒ−１から送水される冷却水の温度は５℃であるにも拘らず、低温槽２を経て負荷５側へ供給される冷却水の温度は６〜７℃となる。従って、負荷５側へ供給する冷却水の温度を低下させるために、冷凍機Ｒ−１の出口の温度を低くしなければならず、負荷側の必要冷却水温度に対して常に冷凍機効率を低下させた状態で運転しなければならないという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、消費動力、消費電力量及び電力コストの低減を実現する蓄熱システムを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達するため、請求項１記載の発明による蓄熱システムは、蓄熱槽と、前記蓄熱槽からの送水の温度を所定の温度に変換する熱源機と、前記蓄熱槽と前記熱源機とを接続する第１の接続管と、前記接続管に取り付けられ、前記蓄熱槽及び前記熱源機間で水を循環させる第１のポンプと、前記蓄熱槽からの送水を利用する熱交換手段と、前記蓄熱槽と前記熱交換手段とを接続する第２の接続管と、前記第２の接続管に取り付けられ、前記蓄熱槽及び前記熱交換手段間で水を循環させる第２のポンプとを有する蓄熱システムにおいて、前記熱源機と前記熱交換手段とを接続する第３の接続管と、前記第３の接続管に取り付けられ、放熱時に、前記熱源機及び前記熱交換手段間で直接水を循環させる第３のポンプとを具備し、前記第３の接続管は、蓄熱時に閉となり放熱時に開となる第１の制御弁を有し、前記第１の接続管は、蓄熱時に開となり放熱時に閉となる第２の制御弁を有することを特徴としている。
【００１３】
請求項１記載の発明によれば、放熱時に、第１の制御弁が開となることにより、第３の接続管を介して、熱源機によって所定の温度に変換された水が、蓄熱槽を経由することなく直接熱交換手段へ供給される。このとき、第２の制御弁は閉となっているため、熱源機及び蓄熱槽間の送水は行われない。
【００１４】
従来は、第３の接続管を設けず、第３のポンプが第２のポンプと同様に蓄熱槽に直接接続されていたため、第１のポンプ及び第３のポンプの動力が実揚程分上昇していた。これに対し、本発明では、熱源機系統の水を循環させる第１のポンプと第３のポンプの合計揚程が、従来システムにおける第１のポンプと第３のポンプより実揚程分低いため、その分だけポンプの軸動力を低減することができる。これにより、システムの消費動力、消費電力量及び電力コストを低下させることができる。
【００１５】
請求項２記載の発明による蓄熱システムは、請求項１記載の発明において、前記第２の接続管における前記熱交換手段と前記蓄熱槽との間に密閉型膨脹タンクが設けられたことを特徴としている。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、第２のポンプが運転している際に、第１のポンプ→熱源機→熱交換手段→第１のポンプという閉サイクルにおいて発生する冷却水の余剰分を、蓄熱槽に戻すことができる。また、第１の制御弁が閉であるときの熱交換手段側の配管における液封を防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による蓄熱システムの実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、上述した従来技術で説明した部材と同一の部材については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００１８】
（１）構成
図１は、本実施の形態による蓄熱システムの構成を示す図である。同図において、従来の１次側のポンプＣＰ−１に対応するポンプを、ポンプＣＰ−１'とし、２次側のポンプＣＰ−２，ＣＰ−３のそれぞれに対応するポンプを、ポンプＣＰ−２'，ＣＰ−３'とする。また、ポンプＣＰ−１'は上述した第１のポンプであり、ポンプＣＰ−２'は第３のポンプであり、ポンプＣＰ−３'は第２のポンプであるものとする。
【００１９】
本実施の形態においては、図１に示すように、上述した第１の接続手段もしくは第１の接続管である１次側配管４と、第２の接続手段もしくは第２の接続管である２次側配管６とが接続され、その間に制御弁１０が設けられている。また、２次側配管６の冷凍機Ｒ−１の出口側と低温槽２との間には、制御弁１１が設けられている。同時に、この２次側配管６は、制御弁１２を介してポンプＣＰ−２'に接続されている。
【００２０】
上記制御弁１０及び１２は、蓄熱運転時、すなわち夜間には閉となり、放熱運転時、すなわち昼間には開となるようになっている。そして、その他の弁は、蓄熱運転時には開となり、放熱運転時には閉となる。そのため、放熱運転時において、制御弁１０及び１２が開となり三方弁８及び制御弁１１が閉となると、ポンプＣＰ−１'→冷凍機Ｒ−１→ポンプＣＰ−２'→負荷５という流路１７が形成される。すなわち、上述した第３の接続手段もしくは第３の接続管が形成される。また、この水量で負荷的に不足する分が、低温槽２→ポンプＣＰ−３'→負荷５→高温槽３という流路を形成する。
【００２１】
また、２次側配管６において、高温槽３への戻り配管側には、自力式圧力調整弁７が設けられている。この自力式圧力調整弁７は、ポンプＣＰ−１'→冷凍機Ｒ−１→ポンプＣＰ−２'→負荷５の閉サイクル時の落水を防止すると共に、負荷的にポンプＣＰ−３'が必要となったときに、冷却水の増量分を高温槽３へ流入させるようになっている。更に、冷凍機Ｒ−１の入口側と出口側を接続するバイパス管１４が接続されており、負荷５が小さくなったときにも冷凍機Ｒ−１の水量は一定となるように、自力式圧力調整弁１５が設けられている。更に、２次側配管６には、気体封入式の密閉型膨脹タンク１３が設置されている。
【００２２】
（２）作用・効果
次に、本実施の形態による蓄熱システムの動作を説明する。まず、夜間の蓄熱時の動作について説明する。蓄熱時には、上述したように、制御弁１０及び１２が閉となり、その他の弁が開となる。そのため、高温槽３の水が冷凍機Ｒ−１によって冷却されて、低温槽２に送水される。ここで、例えば、夜間の蓄熱時は、冷凍機Ｒ−１の入口側の水の温度は１０℃であり、出口側の水の温度は５℃であるものとする。このとき、制御弁１０及び１２は閉となっており、ポンプＣＰ−２'，ＣＰ−３'の動作は停止している。
【００２３】
表２に、蓄熱時の各ポンプＣＰ−１'，ＣＰ−２'，ＣＰ−３'の容量及び全揚程を示す。
【表２】
0003556387.tif 000003
ここで、上述したように、１次側のポンプＣＰ−１'のみが作動し、２次側のポンプＣＰ−２'，ＣＰ−３'は停止している。
【００２４】
次に、昼間の放熱時の動作について説明する。放熱時には、上述したように、制御弁１０及び１２が開となり、その他の弁が閉となる。この場合で、負荷５が冷凍機Ｒ−１の容量以下（図３に示すＣ以下）であるとき、冷却水がポンプＣＰ−１'→冷凍機Ｒ−１→ポンプＣＰ−２'を流れる。また、負荷５が冷凍機Ｒ−１の容量を越える（図３に示すＣを越える）ときは、低温槽２の冷却水は、負荷５側にて利用された後、高温槽３に落水する。
【００２５】
このように、放熱時に流路１７という閉サイクルを設けることにより、蓄熱槽１内の水の混合を抑制することができる。また、負荷５側への送水温度を、低い温度、すなわち、冷凍機Ｒ−１の容量以下のときは冷凍機Ｒ−１の出口温度、また、冷凍機Ｒ−１の容量を越える場合でも冷凍機Ｒ−１の出口の温度に近い温度に、維持することができる。
【００２６】
表３に、放熱時の各ポンプＣＰ−１'，ＣＰ−２'，ＣＰ−３'の容量及び全揚程を示す。
【表３】
0003556387.tif 000004
【００２７】
ここで、表１に示す従来の蓄熱システムの場合と、表３の場合とを比較する。従来は、ポンプＣＰ−２の全揚程は４０ｍＨであったのに対し、本実施の形態では、ポンプＣＰ−１'とポンプＣＰ−２'とが直列接続となり、また閉サイクル系となるため、実揚程は０となり、全揚程は配管揚程分の２５ｍＨとなる。すなわち、ポンプＣＰ−１'の能力は１４ｍＨであるため、ポンプＣＰ−２'の全揚程は２５−１４＝１１ｍＨでよいこととなる。
【００２８】
このように、２次側のポンプＣＰ−２'を、従来のように低温槽２から冷却水を汲み上げる構成とは異なり、冷凍機Ｒ−１に接続し、１次側のポンプＣＰ−１'と直列に接続したため、ポンプＣＰ−２'の全揚程を短縮することができる。そのため、ポンプＣＰ−２'の軸動力を低減することができる。
【００２９】
また、密閉型膨脹タンク１３を設けることにより、ポンプＣＰ−３'運転時のポンプＣＰ−１'→冷凍機Ｒ−１→ポンプＣＰ−２'→負荷５→ポンプＣＰ−１'の閉サイクルに対する冷却水の余剰分が、自力式圧力調整弁７と共にスムーズに高温槽３に戻される。また、密閉型膨脹タンク１３は気体封入式であるため、クッション性に富み、カロリーメータの信号もしくはインバータによるポンプ回転の作動、もしくは負荷側制御弁の時間遅れ等のポンプ運転の遅れを吸収することができる。更に、制御弁１０，１２が閉のときの負荷５側配管の液封を防止することができる。
【００３０】
なお、上記実施の形態においては、蓄熱槽１として冷水用の場合を示したが、温水用の場合でもよい。
【００３１】
【実施例】
以下、具体的な実施例により、従来の蓄熱システムと本実施の形態による蓄熱システムとの動力を比較する。まず、システムの条件として、表４に示すように仮定する。
【表４】
0003556387.tif 000005
【００３２】
また、ポンプＣＰ−２'及びポンプＣＰ−３'については、２次側配管６において温度計Ｔ1 ，Ｔ2 及び流量計Ｍにより温度及び流量が測定され、カロリーメータによりインバータ制御が行われるものとする。また、負荷側に供給される冷却水の温度は７℃であり、この冷却水が負荷側を通過した後の温度は１２℃となるものとする。更に、１日の負荷パターンを図２に示す。なお、この例の場合、夜間電力を最大限利用するため、蓄熱運転を行う時間は０時〜６時とする。
【００３３】
更に、ポンプの運転動力を比較するために、軸動力Ｐs を以下のように表す。
【数１】
0003556387.tif 000006
ここで、Ｑは吐出し量（l ／min ）であり、ｈは揚程（ｍ）である。また、ηpはポンプ効率であり、ここでは０．６とする。
【００３４】
上記式から、各ポンプの単位時間当たりの軸動力Ｐs は、以下のように求められる。まず、ポンプＣＰ−１，ＣＰ−１'の軸動力Ｐs1，Ｐs1'は、
0003556387.tif 000007
となる。また、ポンプＣＰ−２，ＣＰ−３，ＣＰ−３'の駆動力Ｐs2，Ｐs3，Ｐs3'は、
0003556387.tif 000008
となる。更に、ポンプＣＰ−２'の軸動力Ｐs2'は、
0003556387.tif 000009
となる。
【００３５】
表５は、従来の蓄熱システムと本実施の形態による蓄熱システムとの、夏季１日当たりの電力量の比較を表したものである。
【表５】
0003556387.tif 000010
【００３６】
図２に示すように、夜間の運転時間は０時〜６時となっている。この間、ポンプＣＰ−１，ＣＰ−１'のみ作動するため、表５に示すように、従来の蓄熱システム及び本実施の形態の蓄熱システム双方において、夜間の消費電力量は３５ｋＷｈとなる。
【００３７】
また、図２に示すように、昼間の運転時間は８時〜１８時となっている。従来の蓄熱システムにおいて、ポンプＣＰ−１は、図４に示すように、高温槽３の水を冷凍機Ｒ−１に供給する。一方、ポンプＣＰ−２，ＣＰ−３は並列に配置されているため、吹き出し量が２倍となる。また、図２に示すように、時刻毎の負荷は７０％，５０％，６０％，...となっているため、ポンプＣＰ−２を優先運転とすると、ポンプＣＰ−３の電力量Ｗs2，Ｗs3は以下の式で表される。
0003556387.tif 000011
【００３８】
このポンプＣＰ−２，ＣＰ−３の電力量に上記ポンプＣＰ−１の電力量が加算され、従来の蓄熱システムにおける昼間の電力量は３２１ｋＷｈとなる。そして、夜間と合計して、１日当たりの電力量が３５６ｋＷｈとなる。
【００３９】
一方、本実施の形態の蓄熱システムにおいて、昼間１０時間の運転時は、ポンプＣＰ−１'，ＣＰ−２'の電力量Ｗs1'，Ｗs2'は以下の式で表される。
0003556387.tif 000012
【００４０】
また、図２に示すように、ポンプＣＰ−３'の時刻毎の負荷は全体の２０％，０％，１０％，...となっているため、ポンプＣＰ−３'の電力量Ｗs3'は、以下の式で表される。
0003556387.tif 000013
【００４１】
上記ポンプＣＰ−１'，ＣＰ−２'，ＣＰ−３'の電力量が加算され、本実施の形態の蓄熱システムにおける昼間の動力は２０１ｋＷｈとなる。そして、夜間と合計して、１日当たりの電力量が２３６ｋＷｈとなる。
【００４２】
以上のことから、本実施の形態による蓄熱システムは、上述した従来の蓄熱システムと比較して、１日当りの電力量が１２０ｋＷｈ、すなわち３４％減少することが分かる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、消費動力、消費電力量及び電力コストの低減を実現する蓄熱システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による蓄熱システムの構成を示す概略構成図
【図２】本発明の実施例における１日の負荷パターン例を示すグラフ
【図３】一般的な蓄熱システムにおける蓄熱パターンを示すグラフ
【図４】従来の蓄熱システムの構成を示す概略構成図
【符号の説明】
１...蓄熱槽
２...低温槽
３...高温槽
４...１次配管
５...負荷
６...２次配管
７，１５...自力式圧力調整弁
８...三方弁
１０，１１，１２...制御弁
１３...密閉型膨脹タンク
１７...流路
ＣＰ−１'，ＣＰ−２'，ＣＰ−３'...ポンプ
Ｒ−１...冷凍機
【図１】
0003556387.tif 000014
【図２】
0003556387.tif 000015
【図３】
0003556387.tif 000016
【図４】
0003556387.tif 000017