(57)【要約】【課題】蓄熱槽に戻す熱源水を、還水管内においてキャビテーションを発生させることなく流すことができ、熱源水のもつポテンシャルエネルギーを効率よく電力に変換して回収可能な空調システムを提供する。【解決手段】建物の下方に配置された蓄熱槽１から、建物内の空調負荷２に熱源水ａを循環供給する空調システムにおいて、空調負荷２から蓄熱槽１に熱源水ａを戻す還水管１０に、空調負荷２から落下してくる熱源水ａの流れを水平方向に変換させる屈曲部１０ａと、熱源水ａを水平方向に流す水平部１０ｂを設け、水平部１０ｂに、熱源水ａの運動エネルギーを回収する水車１１と圧力調整弁２２を熱源水ａの流れに順に配置し、屈曲部１０ａの曲率半径ρを、還水管１０の配管径Ｄの１．５倍以上とし、水平部１０ｂの始端部から水車１１までの距離Ｌを、還水管の配管径Ｄの６倍以上としたことを特徴とする、空調システムが提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物の下方に配置された蓄熱槽から、建物内の空調負荷に熱源水を循環供給する空調システムにおいて、
前記空調負荷から前記蓄熱槽に熱源水を戻す還水管に、空調負荷から落下してくる熱源水の流れを水平方向に変換させる屈曲部と、熱源水を水平方向に流す水平部を設け、
前記水平部に、熱源水の運動エネルギーを回収する水車と圧力調整弁を熱源水の流れに順に配置し、
前記屈曲部の曲率半径を、前記還水管の配管径Ｄの１．５倍以上とし、
前記水平部の始端部から前記水車までの距離を、前記還水管の配管径Ｄの６倍以上としたことを特徴とする、空調システム。
【請求項２】
前記水車の上流に、配管径Ｄを縮径させるノズル部を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の空調システム。
【請求項３】
前記水車として、設計計算によって選定される能力よりも定格能力の小さい水車を採用することを特徴とする、請求項１に記載の空調システム。
【請求項４】
前記水車を迂回して前記蓄熱槽に熱源水を戻すバイパス管を設け、このバイパス管に流量調整弁を設けたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の空調システム。
【請求項５】
前記水車の上流側と下流側との差圧もしくは前記水車の回転数に基づいて前記流量調整弁を制御する制御装置を設けたことを特徴とする、請求項４に記載の空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建物内の空調負荷から蓄熱槽に戻される熱源水の運動エネルギーを電力に変換して回収することが可能な空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ビル、工場など建物の空調システムとして、安価な深夜電力を利用して加熱もしくは冷却した熱源水を蓄熱槽に貯めておき、空調負荷が発生する昼間に、貯めておいた熱源水を空調負荷である空調機に循環供給して空調する蓄熱式の空調システムが採用されている。かような空調システムでは、ビル内で揚水された熱源水は、空調負荷に供された後、還水管を通ってビル下方の蓄熱槽まで戻される。この場合、特にビルの高層階まで揚水された熱源水が還水管内を高速で落下することを防止するために、蓄熱槽に近い位置で還水管に落水防止弁が設けられている。また、還水管内が負圧になることを回避するために、ビル屋上にサージタンクなどを設けている。
【０００３】
また、このような蓄熱式の空調システムにおいて、例えば特許文献１〜３に示されるように、空調負荷から蓄熱槽に戻される熱源水の運動エネルギーを、還水管に設けた水車によって電力に変換して回収することも知られている。即ち、特許文献１、２には、水車によって回収した電力を、揚水ポンプの駆動電力として活用する空調システムが開示されている。また、特許文献３には、還水管に設けた落水防止弁の上流から蓄熱槽へ分岐して熱源水を導く分岐管を設け、この分岐管の途中にエネルギー回収装置を取付けたシステムが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特願２００４−３４３７号公報
【特許文献２】特願２００４−３４１４号公報
【特許文献３】特願２００４−３４０４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、熱源水を蓄熱槽に戻す還水管内における動圧は非常に高くなり、かつ落水防止弁等の弁構造体があるがゆえに、狭隘部などにおいて局所的な低圧部が生じ、熱源水温度に相応する蒸気圧以下でキャビテーションが生ずる。これらの相乗的な作用が原因となり、比較的高い頻度で激しい浸食を受け、落水防止弁など故障させる場合がある。
【０００６】
本発明の目的は、蓄熱槽に戻す熱源水を、還水管内においてキャビテーションを発生させることなく流すことができ、熱源水のもつポテンシャルエネルギーを効率よく電力に変換して回収可能な空調システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本発明によれば、建物の下方に配置された蓄熱槽から、建物内の空調負荷に熱源水を循環供給する空調システムにおいて、前記空調負荷から前記蓄熱槽に熱源水を戻す還水管に、空調負荷から落下してくる熱源水の流れを水平方向に変換させる屈曲部と、熱源水を水平方向に流す水平部を設け、前記水平部に、熱源水の運動エネルギーを回収する水車と圧力調整弁を熱源水の流れに順に配置し、前記屈曲部の曲率半径を、前記還水管の配管径Ｄの１．５倍以上とし、前記水平部の始端部から前記水車までの距離を、前記還水管の配管径Ｄの６倍以上としたことを特徴とする、空調システムが提供される。
【０００８】
この空調システムにあっては、建物内の空調負荷から落下してくる熱源水の流れが、還水管の配管径Ｄの１．５倍以上の曲率半径を有する屈曲部で水平方向に変換させ、その後、水平部において配管径Ｄの６倍以上の距離を流れてから、熱源水が水車に供給される。
【０００９】
この空調システムにおいて、前記水車の上流に、配管径Ｄを縮径させるノズル部を設けても良い。また、前記水車として、設計計算によって選定される能力よりも定格能力の小さい水車を採用しても良い。また、前記水車を迂回して前記蓄熱槽に熱源水を戻すバイパス管を設け、このバイパス管に流量調整弁を設けても良い。また、前記水車の上流側と下流側との差圧もしくは前記水車の回転数に基づいて前記流量調整弁を制御する制御装置を設けても良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、還水管中でのキャビテーションの発生を防止し、水車に対して渦流れを発生させることなく熱源水を供給することができ、熱源水のもつポテンシャルエネルギーを効率よく回収できるようになる。なお、水車の上流に、配管径Ｄを縮径させるノズル部やポンプを設けることにより、熱源水の速度を増大させて水車に供給できるようになる。また、水車を迂回して蓄熱槽に還水管を戻すバイパス管を設けて、このバイパス管に流量調整弁を設ければ、流量調整弁を適宜制御することによって、水車のメンテナンス性等を向上させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照にして説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる空調システムの全体図である。図２は、空調システムの要部の拡大図である。図３は、ノズル部２１の説明図である。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１２】
図１に示すように、蓄熱槽１が、ビルなどの図示しない建物の下方に設けられている。この蓄熱槽１には、図示しないヒートポンプなどの熱源装置により安価な深夜電力を利用して加熱もしくは冷却された熱源水ａが貯められている。
【００１３】
この蓄熱槽１から、建物内に設けられた空調負荷である空調機２に熱源水ａを供給する往水管３には、蓄熱槽１から熱源水ａを汲み上げて空調機２まで送水する揚水ポンプ５と、往水管３内における熱源水ａの逆流を防ぐ逆止弁６が設けられている。なお、実際には、空調機２は、建物内において、各階ごとに配置され、また、方位や空調付加に応じて、それぞれの階に適宜複数台ずつ設けられている。そして、それら複数の空調機２から出た熱源水ａが合流し、主管としての還水管１０を通じて蓄熱槽１に戻されるようになっている。
【００１４】
また、空調機２から蓄熱槽１に熱源水ａを戻す還水管１０には、還水管１０内を流れる熱源水ａの運動エネルギーを回収する水車１１が設けられている。なお、図示はしないが、還水管１０内が負圧になることを回避するためのサージタンクを建物屋上などに備えている。
【００１５】
後述するノズル部２１を除き、還水管１０はいずれも配管径Ｄの円管で構成されている。また、還水管１０には、水車１１を迂回して熱源水ａを流すことができるバイパス管１２が接続してある。バイパス管１２には、流量調整弁１３が設けられている。この流量調整弁１３は、いわゆるノーマルクローズの弁であり、後述するように、通常は閉じているが、制御装置からの指令によって、適宜開かれて開度が調整されるようになっている。
【００１６】
図２に示すように、還水管１０の下流部分には、空調負荷２から落下してきた熱源水ａの流れを水平方向に変換させる屈曲部１０ａと、熱源水ａを水平方向に流す水平部１０ｂと、熱源水ａを蓄熱槽１に流下させる流下部１０ｃが形成されている。バイパス管１２の上流端１２ａは、水平部１０ｂの始端部（屈曲部１０ａと水平部１０ｂの接続位置）よりも下流側に分岐接続されている。バイパス管１２の下流端は、流下部１０ｃに合流接続されている。
【００１７】
屈曲部１０ａは、配管径Ｄの１．５倍以上の曲率半径ρを有しており、空調機２から還水管１０内を流下してきた熱源水ａは、この屈曲部１０ａ内を流れる間に徐々に流れ方向を水平方向に変換させられるようになっている。なお、屈曲部１０ａの曲率半径ρは、屈曲部１０ａの中心線を基準に定められる。この屈曲部１０ａには、例えば配管部品の一種であるエルボ（Ｅｌｂｏｗ）、ベンド（Ｂｅｎｄ）が用いられる。これらエルボ、ベンドは、その曲がり角度によって４５°、９０°、１８０°に分類されるが、空調機２から垂直に流下してきた熱源水ａの流れ方向を水平方向に変換させる場合であれば、曲がり角度が９０°のエルボ、ベンドを用いればよい。また、エルボ、ベンドには、曲率半径ρの大小により，それぞれショートエルボ、ロングエルボ、ショートベンド、ロングベンドがある。それらの曲率半径ρは、ショートエルボでは配管径Ｄの約１倍、ロングエルボでは配管径Ｄの約１．５倍、ショートベンドでは配管径Ｄの約４倍、ロングベンドでは配管径Ｄの約５倍である。従って，本発明では，屈曲部１０ａには、ロングエルボ、ショートベンド、ロングベンドのいずれかを使用すればよい。
【００１８】
水平部１０ｂの始端部から水車１１までの距離Ｌは、配管径Ｄの６倍以上に設定されている。なお、配管径Ｄは、還水管１０の内径で定義される。ただし、肉厚を考慮しなければ、還水管１０の外径で近似しても良い。
【００１９】
また、還水管１０の水平部１０ｂには、バイパス管１２の上流端１２ａの分岐取出位置よりも下流側において、熱源水ａの流れ方向の順に、開閉弁２０、ノズル部２１、水車１１、圧力調整弁２２および開閉弁２３が設けられている。開閉弁２０および開閉弁２３は、通常は開いており、例えば水車１１の点検や修理などの場合に、これら開閉弁２０および開閉弁２３が閉じられる。
【００２０】
図３、４に示すように、ノズル部２１は、入り口側の直径は配管径Ｄであるが、出口側は配管径Ｄよりも小さい直径ｄとなっている。このため、ノズル部２１では、入り口側から出口側に流れる間に、熱源水ａの流速が次第に高められるようになっている。なお、ノズル部２１の内部は、図３に示すように、内径の中心高さを水平にして縮径する形状でも良いし、図４に示すように、底部の高さを水平にし、内径の中心高さを下流に向かって下降するような形状でも良い。
【００２１】
水車１１には、熱源水ａの流れによって回転させられるインペラが内蔵され、熱源水ａの運動エネルギーが、水車１１によって回収されるようになっている。なお、水車１１の接続は、内蔵されているインペラに対して熱源水ａの流れが法線方向になるようにしてトルクを確保する。そして、水車１１によって回収された運動エネルギーにより、発電機２５で交流電力を発生させる。発電機２５には、発生した交流電力の周波数を任意に変換可能な周波数変換装置２６が接続してあり、この周波数変換装置２６によって適当な周波数にインバータ変換させられた交流電力が、配電盤２７を経由して、建物内に設けられた各種機器に供給されるようになっている。
【００２２】
なお、発電機２５には、誘電発電機ではなく、同期交流発電機が用いられる。誘電発電機は、励磁コイルの電流制御ができず、発電した電力の行き場がなくなく焼損するために系統連係が必須である。系統連係すると、各種機器に供給する電力について電圧と周波数を保障するよう、電力会社から要求される。これに対して、同期交流発電機であれば、励磁コイルに流す電流を調節して電圧を一定に制御でき、系統連係が不要となる。この場合、電力を供給する機器として照明設備や空調機器（空調・換気用のモータ動力等）などに対象を限定することで、系統連係を不要とし、過剰な設備投資が防げることになる。
【００２３】
圧力調整弁２２は、いわゆるノーマルオープンの弁であり、後述するように、通常は開放された状態になっているが、制御装置からの指令によって、圧力調整弁２２は適宜開度が調整されるようになっている。
【００２４】
以上のように構成された本発明の実施の形態にかかる空調システムにおいて、空調運転を行う場合、揚水ポンプ５の稼動により、蓄熱槽１に貯められた熱源水ａを汲み上げて空調機２に送水し、適宜冷房もしくは暖房を行う。こうして、建物内の空調負荷によって熱を消費した熱源水ａは、空調機２から還水管１０内を落下して、建物下方の蓄熱槽１に戻され、その際、還水管１０内を流れる熱源水ａの運動エネルギーが水車１１で回収される。ここで水車１１の上流で管内が満水状態であると、発電効率を確保するのに好ましい。こうして、回収した運動エネルギーによって発電機２５で交流電力を発生させ、周波数変換装置２６で適当な周波数に変換させられた交流電力が、配電盤２７を経由して建物内の各種機器に供給される。
【００２５】
この場合、還水管１０に設けられている屈曲部１０ａが配管径Ｄの１．５倍以上の曲率半径ρを有し、かつ、水平部１０ｂの始端部から水車１１までの距離Ｌが配管径Ｄの６倍以上に設定されているので、還水管１０内において空調機２から落下してくる熱源水ａの流れを緩やかに水平流れに方向変換して、キャビテーションや渦流れを発生させることなく水車１１に流すことができ、熱源水ａのもつポテンシャルエネルギーを効率よく電力として回収できるようになる。また、還水管１０に設けられた各弁２０，２２，２３等の破損も防止できる。加えて、水平部１０ｂでは、垂直配管よりも静圧を高めることができ、空気混入のリスクを低減し、常時満水状態でエネルギー回収できるようになる。
【００２６】
また、水車１１の上流に、配管径Ｄを直径ｄまで縮径させるノズル部２１を設けていることにより、ノズル部２１において熱源水ａの速度を増大させて水車１１に供給でき、水車１１の回転数不足を回避できる。この場合、水車１１の上流側では常に満水状態を維持することができるようになる。
【００２７】
次に、この空調システムの制御装置は次のように構成される。先ず、水車１１に加わる熱源水ａの静水頭Ｈが水頭検出器３０で検出されている。そして、この検出された静水頭Ｈが制御目標値になるように圧力調節弁２２の開度を比例積分動作で制御している。この場合、圧力調節弁２２は、最大静水頭以下を制御目標値に設定して開度を閉塞側に調節する。これにより、水車１１と圧力調節弁２２は落水防止弁の機能を兼ね、しかも還水管１０内を常時満水にしてキャビテーションの発生を防止している。なお、水車１１と圧力調節弁２２が従前の落水防止弁の機能を兼ねるために、落水防止弁を省略できる。なお、圧力調節弁２２は、無制御信号電流ないし無通電時に開放するノーマルオープン型を用いているので、異常時でも空調システムの機能停止を防止することができる。
【００２８】
また、還水管１０の水平部１０ｂにおいて、これら水車１１と圧力調節弁２２の前後にかかる熱源水ａの差圧が差圧検出器３１で検出されている。そして、この検出された差圧ΔＰに基づいて、流量調整弁１３が制御される。
【００２９】
即ち、差圧ΔＰが許容範囲内にある場合は、ノーマルクローズの流量調整弁１３は、そのまま閉じられた状態を維持する。このため、熱源水ａは、バイパス管１２には流れない。
【００３０】
一方、差圧ΔＰが許容範囲を超えた場合は、流量調整弁１３の開度が比例制御によって開かれる。これにより、還水管１０内を流れる熱源水ａの一部がバイパス管１２に流れて、水平部１０ｂに流れる熱源水ａが減り、水車１１と圧力調節弁２２に過度の水圧がかかることを防止することができる。これにより、キャビテーションや渦流れの発生を回避できる。この場合、差圧ΔＰが許容範囲を超えたことを検出して表示ランプの点灯等を行っても良い。
【００３１】
また、水車１１の回転数が、例えば発電機２５（同期交流発電機）の極数で決まる回転数の１．５倍以上になった場合に、発電機２５が内蔵している周波数検出用の発電機出力を制御信号として、流量調整弁１３の開度を比例制御しても良い。この場合も同様に、還水管１０内を流れる熱源水ａの一部がバイパス管１２に流れて、水平部１０ｂに流れる熱源水ａが減り、水車１１の回転数異常を回避できる。
【００３２】
また、水車１１や圧力調節弁２２の点検、修理などの必要が生じた場合、流量調整弁１３を開放し、水平部１０ｂに設けた開閉弁２０および開閉弁２３を閉じる。これにより、空調システムの運転を止めることなく水車１１や圧力調節弁２２の点検、修理などが可能となり、メンテナンス性等を向上させることができる。
【００３３】
以上、本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば、水車１１の直前にノズル部２１を設けた例を示したが、水車１１の回転数不足が発生しないのであれば、ノズル部２１を省略しても良い。なお、ノズル部２１を設ける場合、入り口側の直径（配管径Ｄ）に対する出口側の直径ｄの比ｄ／Ｄは０．４以下とすることが好ましい。
【００３４】
また、ノズル部２１を設ける代わりに、水車１１の回転数をより高速にするために、水車１１として標準よりも小型の水車を採用することで、コスト的な不利益を回避できる。なお、水車１１として採用される標準よりも小型の水車とは、設計計算によって選定される能力よりも定格能力の小さい水車である。この水車としては、例えば汎用のポンプで番手を１番下げたものを利用できる。かかるポンプはトルクは小さいが、インペラが小さいため回転速度を上げることができる。このポンプの上流側では、ポンプの吸い込み開口に合わせてノズル部２１等の手段によって配管が縮径されると熱源水ａの流れがスムーズになるが、必ずしもポンプ吸い込み側にノズル部２１等の手段を設ける必要はない。また、屈曲部１０ａは、１個の９０°エルボでも良いが、２個の４５°エルボを用いて構成しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、蓄熱槽を有する空調システムに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態にかかる空調システムの全体図である。
【図２】空調システムの要部の拡大図である。
【図３】ノズル部の説明図である。
【図４】ノズル部の説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
ａ  熱源水
１  蓄熱槽
２  空調機
３  往水管
５  揚水ポンプ
１０  還水管
１０ａ  屈曲部
１０ｂ  水平部
１０ｃ  流下部
１１  水車
１２  バイパス管
１３  流量調整弁（ノーマルクローズ）
２２  圧力調整弁
２５  発電機
３０  水頭検出器
３１  差圧検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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