(57)【要約】【課題】高層建築物等の空調装置として安価な汎用の冷温熱源機器を採用でき、また設備コストの低減化が図れ、さらに回収した位置エネルギーの有効利用が図れる空調装置を提供すること。【解決手段】熱交換器であるコンデンサー５を有する冷温熱源機器４と、冷温熱源機器４よりも上部に設置される上部水槽である冷却塔１と、コンデンサー５と冷却塔１間を環状に連結する配管２，７と、配管７に接続されるポンプ３Ａと、コンデンサー５の上流側の配管２に、熱媒体が冷却塔１からコンデンサー５に向かって下降向きに流れることにより失う位置エネルギーを回転運動エネルギーに変換して取り出すことでコンデンサー５に印加される圧力を所定の値以下に抑える動力回収タービン１５とを具備する空調装置である。【選択図】      図１
2004325045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器を有する熱源機器と、前記熱源機器よりも上部に設置される上部水槽と、前記熱交換器と前記上部水槽間を環状に連結する流路と、前記流路に接続され流路内の熱媒体を循環するポンプとを具備する空調装置において、
前記ポンプを前記熱交換器の下流側の流路に設置するとともに、
前記熱交換器の上流側の流路に、前記熱媒体が前記上部水槽から前記熱交換器に向かって下降向きに流れることにより失う位置エネルギーを回転運動エネルギーに変換して取り出すことで前記熱交換器に印加される圧力を所定の値以下に抑える動力回収タービンを設置したことを特徴とする空調装置。
【請求項２】
前記動力回収タービンで回収したエネルギーは、前記ポンプの駆動エネルギーとして用いることを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
【請求項３】
前記上部水槽から前記動力回収タービンを経由して前記熱交換器に至る流路に、前記動力回収タービンの上流部と下流部間を接続するバイパス流路を設け、このバイパス流路に、前記熱交換器に印加される圧力を定圧に保持する定圧保持装置を設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の空調装置。
【請求項４】
前記動力回収タービンから前記熱交換器に至る流路と、前記熱交換器から前記ポンプに至る流路間に、バイパス流路を設け、このバイパス流路に、このバイパス流路に流す熱媒体に圧力損失を生じさせる流体抵抗体を設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商業用や事務所用等の一般ビルディングの空調装置であって、冷凍機やヒートポンプ等の熱源機器や、冷水、温水、冷却水等の熱媒体や、熱媒体搬送用のポンプや、エアハンドリングユニット等の空気調和器や、冷却塔や、熱媒体用配管等を主な構成要素として備える建築物等の一般的な空調装置に関し、特に高層建築物等に用いる好適な空調装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空調装置の冷温熱源機器、即ち冷凍機やヒートポンプや吸収冷温水器等は、メーカーそれぞれに標準化・汎用化が行われ、標準機として販売されている。これら冷温熱源機器で使用される熱交換器は、所定の最高使用圧力以下で使用するように設計され、量産化されている。特にプレート式は構造的に使用限界圧力が低い。また建築物の空調装置では、冷温熱源機器は地上や地階に設置されることが多い。
【０００３】
一方高層建築物では、空調システムの一部が高所に設置され、地上や地階にある冷温熱源機器に高い位置ヘッド（圧力）がかかる為、そのままでは標準的・汎用的な冷温熱源機器（特にプレート式熱交換器）が使用できない場合が生じる。このような場合は汎用的な冷温熱源機器の使用を断念し、特殊仕様の高価な冷温熱源機器を採用せざるを得ない。
【０００４】
ここで図４は従来の空調装置の一例を示す図である。この空調装置のコンデンサー（凝縮器）５側の熱媒体循環系統１００は、低所に置かれた冷温熱源機器４のコンデンサー５に、建物の屋上に設置された冷却塔１からポンプ３Ａにより配管２を通じて熱媒体を供給し、前記コンデンサー５から放熱される熱エネルギーにより高温となった熱媒体は、配管７を通じて冷却塔１に戻り、ここで大気に熱エネルギーを放熱して、元の温度に戻り、再び熱媒体として冷温熱源機器４のコンデンサー５に循環するように構成されている。コンデンサー５には、この図に示す如く、停止中はヘッドＨ１に相当する圧力がかかり、運転中はコンデンサー５の最大圧力部では、コンデンサー５の圧力損失及び配管７の圧力損失及びヘッドＨ２に相当する圧力が、前記圧力にさらに加算される。従って、ヘッドＨ１が大きな高層建築物の高所に冷却塔１の設置が必要な場合で、冷温熱源機器４を低所に設置するためには、前記圧力に耐える冷温熱源機器４のコンデンサー５の構造が要求され、前述のように汎用的な冷温熱源機器の代わりに特殊仕様の高価な冷温熱源機器を採用することとなる。なおこの空調装置において、ポンプ３Ａの必要出力は、冷却塔１内の熱媒体位置ヘッドＨ２とコンデンサー５及び配管２，７で消費する圧力損失の和となる。
【０００５】
一方クーラー（蒸発器）６側の熱媒体循環系統２００は、熱媒体が配管２５を通じてポンプ３Ｂから冷温熱源機器４のクーラー（蒸発器）６に供給され、クーラー６で熱を奪われて冷却された後、配管２７を通じて、複数のファンコイルユニット８に供給され、ファンコイルユニット８で空気から熱を奪って元の温度に戻り、膨張タンク９に至った後、配管２５を経て再びポンプ３Ｂに戻って循環するように構成されている。膨張タンク９は大気に開放され、通常、クーラー６側の熱媒体循環系統２００においては最高位置に配置されて熱媒体循環系統２００の各部の圧力を所定圧力以上に保つようにし、且つ熱媒体の温度変化による体積変化を吸収したり、熱媒体循環系統２００内に空気が混入しないように作用をしている。即ち、膨張タンク９は最も高所に配置されるファンコイルユニット８よりも高所に配置されている。そして前記コンデンサー５にかかる圧力の場合と同様に、高層建築物では、前記クーラー６にかかる圧力も高くなるため、この圧力に耐える冷温熱源機器４のクーラー６の構造が要求され、前述のように汎用的な冷温熱源機器の代わりに特殊仕様の高価な冷温熱源機器を採用することとなる。
【０００６】
図５は動力回収タービンで位置エネルギーを回収する従来の空調装置の他の例を示す図である（例えば特許文献１参照）。この空調装置において前記図４に示す空調装置と相違する点は、熱媒体循環系統として、たとえば冷却水循環系統を例にとれば、地上や地階に冷却水槽１７を設置し、この冷却水槽１７と冷却塔１との間の配管２に動力回収タービン１５を設置することにより、冷却塔１と動力回収タービン１５の水位差Ｈ１に相当する位置エネルギーを、動力回収タービン１５によって回収し、動力回収タービン１５と両軸モータ１６を連結することにより、回収された位置エネルギーをポンプ３Ａの駆動動力の一部として利用するように構成した点である。
【０００７】
しかしながら熱媒体の循環系統として、動力回収タービン１５を経由した熱媒体、即ち冷却水は冷却水槽１７に放出されるため、地上や地階に大きな冷却水槽１７を設置する必要があり、設備コストが高くなってしまうという問題があった。また動力回収タービン１５で回収された位置エネルギーは、ポンプ３Ａの駆動の補助動力としてのみ用いられており、回収した位置エネルギーを必ずしも十分に再利用しているとは言えなかった。
【０００８】
【特許文献１】
特公昭３５−１５１３７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、高層建築物等の空調装置として安価な汎用の冷温熱源機器を採用でき、また設備コストの低減化が図れ、さらに回収した位置エネルギーの有効利用が図れる空調装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に記載の発明は、熱交換器を有する熱源機器と、前記熱源機器よりも上部に設置される上部水槽と、前記熱交換器と前記上部水槽間を環状に連結する流路と、前記流路に接続され流路内の熱媒体を循環するポンプとを具備する空調装置において、前記ポンプを前記熱交換器の下流側の流路に設置するとともに、前記熱交換器の上流側の流路に、前記熱媒体が前記上部水槽から前記熱交換器に向かって下降向きに流れることにより失う位置エネルギーを回転運動エネルギーに変換して取り出すことで前記熱交換器に印加される圧力を所定の値以下に抑える動力回収タービンを設置したことを特徴とする空調装置である。
このような構成とすることにより、熱交換器に印加される圧力が所定の値以下になるため、標準的・汎用的な冷温熱源機器を使用することができ、設備コストを下げることができる。また動力回収が行われるので、省エネルギーとなる。また動力回収タービンで位置エネルギーを回収する前記図５に示す従来の空調装置のように、例えば地上や地階に大きな冷却水槽１７を設置する必要がなく、設備コストを下げることができる。
【００１１】
本願の請求項２に記載の発明は、前記動力回収タービンで回収したエネルギーは、前記ポンプの駆動エネルギーとして用いることを特徴とする請求項１に記載の空調装置である。
このように動力回収タービンで回収された動力を、前記ポンプの補助動力として使用することにより、ポンプを小型化することができ、設備コストが削減される。
【００１２】
本願の請求項３に記載の発明は、前記上部水槽から前記動力回収タービンを経由して前記熱交換器に至る流路に、前記動力回収タービンの上流部と下流部間を接続するバイパス流路を設け、このバイパス流路に、前記熱交換器に印加される圧力を定圧に保持する定圧保持装置を設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の空調装置である。
本発明によれば、定圧保持装置内部の圧力を例えば大気圧に保つことにより、空調装置の起動／停止時に前記熱交換器に印加される圧力を安定化させることができ、且つ前記動力回収タービンの故障時に前記熱交換器に過大な圧力が印加される恐れを確実に防止できる。
【００１３】
本願の請求項４に記載の発明は、前記動力回収タービンから前記熱交換器に至る流路と、前記熱交換器から前記ポンプに至る流路間に、バイパス流路を設け、このバイパス流路に、このバイパス流路に流す熱媒体に圧力損失を生じさせる流体抵抗体を設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の空調装置である。本発明によれば、空調装置の起動／停止時、又は動力回収タービンが何らかの理由で所定の位置エネルギーを回収できなかった時に、熱媒体を流体抵抗体に通すことで、熱交換器に過大な圧力が印加されるのを確実に防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
〔第一の実施の形態〕
図１は本発明の第一の実施の形態にかかる空調装置を示す図である。同図に示すようにこの空調装置は、コンデンサー５側の熱媒体循環系統１００と、クーラー６側の熱媒体循環系統２００とを具備して構成されている。
【００１５】
コンデンサー５側の熱媒体循環系統１００は、低所に置かれた冷温熱源機器４のコンデンサー（熱交換器である凝縮器）５と、前記コンデンサー５よりも上部（この熱媒体循環系統１００の最上部であり、例えば建物の屋上）に設置されその内部圧力を大気圧に保持する冷却塔（上部水槽）１と、前記コンデンサー５と冷却塔１間を環状に連結する流路となる配管群（熱媒体戻り用の配管２及び熱媒体送り用の配管７）と、前記熱媒体戻り用の配管２に設置される動力回収タービン１５及びその下流側に設置される自動開閉弁１１と、熱媒体送り用の配管７に設置される熱媒体循環用のポンプ３Ａ及びその下流側に設置されるチェッキ弁１４と、ポンプ３Ａを駆動する両軸モータ１６と、両軸モータ１６と動力回収タービン１５間を接続又は開放する自動クラッチ１８とを具備して構成されている。
【００１６】
一方クーラー６側の熱媒体循環系統２００は、低所に置かれた冷温熱源機器４のクーラー（熱交換器である蒸発器）６と、前記クーラー６よりも上部（この熱媒体循環系統２００の最上部）に設置されその内部圧力を大気圧に保持する膨張タンク（上部水槽）９と、前記クーラー６と膨張タンク９間を環状に連結する流路となる配管群（熱媒体戻り用の配管２５及び熱媒体送り用の配管２７）と、前記熱媒体戻り用の配管２５に設置されるポンプ３Ｂと、熱媒体送り用の配管２７に設置される複数台のファンコイルユニット８とを具備して構成されている。なお１０はエアベントである。
【００１７】
ここで前記動力回収タービン１５は、冷却塔１と動力回収タービン１５の水位差（Ｈ１−Ｈ１Ｂ）の位置エネルギーを回収するように選定されたタービンで構成されている。
【００１８】
また前記自動クラッチ１８は、両軸モータ１６と動力回収タービン１５間のエネルギー授受の割合を調整する構造を有し、且つポンプ３Ａや動力回収タービン１５に何らかの故障が生じた場合に両者間の接続を切り離し、一要素の故障の影響が他要素に及ばないようにしている。
【００１９】
以上のように構成された空調装置の動作を説明する。まずコンデンサー５側の熱媒体循環系統１００においては、ポンプ３Ａを駆動することで、冷温熱源機器４のコンデンサー５に、冷却塔１から配管２を通じて熱媒体が供給され、コンデンサー５から放熱される熱エネルギーにより高温となった熱媒体は、配管７を通じて冷却塔１に戻り、ここで大気に熱エネルギーを放熱して、元の温度に戻り、再び熱媒体として冷温熱源機器４のコンデンサー５に循環する。
【００２０】
ここでコンデンサー５に印加される最大圧力は、停止時には自動開閉弁１１を閉じることにより、（大気圧Ｐａ＋ヘッドＨ１Ｂ）となる。即ち自動開閉弁１１とチェッキ弁１４は、空調装置停止時にコンデンサー５に過大な圧力がかかるのを防止する。一方運転中のコンデンサー５に印加される最大圧力は、動力回収タービン１５によって水位差（ヘッドＨ１−ヘッドＨ１Ｂ）の位置エネルギーが回収されるので、結局前記圧力（大気圧Ｐａ＋ヘッドＨ１Ｂ）から配管２の管摩擦損失分の圧力を差し引いた圧力となる。そこで、ヘッドＨ１Ｂをコンデンサー５の最大圧力部に印加される前記圧力が所定の値以下になるように設定すれば、コンデンサー５の最大圧力部に印加される圧力を所定の圧力以下にすることができ、冷温熱源機器４として汎用の標準機を使用することができ、コストの低減化が実現できる。またこのように空調装置を構成すれば、例えば前記図５に示す地上又は地階に設置する冷却水槽１７等の水槽が不要になり、且つ動力回収タービン１５によって動力回収が図れることになる。動力回収タービン１５で回収された位置エネルギーは、任意の用途に利用できる。この実施の形態のように動力回収タービン１５と両軸モータ１６を、自動クラッチ１８を介して接続することにより、回収された位置エネルギーをポンプ３Ａの駆動エネルギーの一部として利用すれば、ポンプ３Ａの省エネルギー化と小型化が実現できる。
【００２１】
一方クーラー６側の熱媒体循環系統２００においては、熱媒体が配管２５を通じてポンプ３Ｂからクーラー６に供給され、クーラー６で熱を奪われて冷却され、配管２７を通じて、複数のファンコイルユニット８に供給される。そしてファンコイルユニット８で空気から熱を奪った熱媒体はその温度が元の温度に戻り、膨張タンク９に至った後、配管２５を経て再びポンプ３Ｂに戻って循環する。膨張タンク９は大気に開放され、クーラー６側の熱媒体循環系統２００においては最高位置に配置されて熱媒体循環系統２００の各部の圧力を所定圧力以上に保つようにし、且つ熱媒体の温度変化による体積の変化を吸収したり、熱媒体循環系統２００内に空気が混入しないように作用をしている。
【００２２】
なおこの実施の形態では採用していないが、このクーラー６側の熱媒体循環系統２００にも、前記コンデンサー５側の熱媒体循環系統１００に適用した本発明を同様に適用することができる。即ちその場合は、ポンプ３Ｂをクーラー６の下流側の配管２７に設置するとともに、クーラー６の上流側の配管２５に、熱媒体が膨張タンク９からクーラー６に向かって下降向きに流れることにより失う位置エネルギーを回転運動エネルギーに変換して取り出すことでクーラー６に印加される圧力を所定の値以下に抑える動力回収タービンを設置し、さらに前記自動開閉弁１１、チェッキ弁１４、両軸モータ１６、自動クラッチ１８に相当する部材を設置すれば良い。
【００２３】
〔第二の実施の形態〕
図２は本発明の第二の実施の形態にかかる空調装置を示す図である。同図に示す空調装置において、前記図１に示す空調装置と相違する点は、冷却塔１から動力回収タービン１５を経由してコンデンサー５に至る配管２に、動力回収タービン１５の上流部と下流部間を接続するバイパス流路となるバイパス配管１９を設け、このバイパス配管１９に、流量調節ができ全閉可能な流量調節弁２２Ｂと、コンデンサー５に印加される圧力を定圧にする定圧保持タンク（定圧保持装置）１２とを設置した点と、図１に示す自動開閉弁１１を流量調節ができるように全閉可能な流量調節弁２２Ａに変更した点である。定圧保持タンク１２は、内部に熱媒体を溜めるタンクであり、大気に連通されており、熱媒体の液面の圧力は大気圧に保持されている。なおオーバーフロー管１３は、定圧保持タンク１２内における液面の異常上昇を防止するため、万一の漏洩水を放出するためのものである。
【００２４】
この空調装置の基本的動作は、前記第一の実施の形態の空調装置と同一であるが、さらにこの空調装置においては、前述のように定圧保持タンク１２と動力回収タービン１５とを並列に設置しているので、動力回収タービン１５が何らかの理由で所定の位置エネルギーを回収できなかった場合に、全ての熱媒体を定圧保持タンク１２の設置されているバイパス配管１９に流すことにより、コンデンサー５に過大な圧力がかかるのを防ぐことができる。また、起動時には動力回収タービン１５の回収動力が小さく、コンデンサー５に過大な圧力がかかるのを防ぐため、全ての熱媒体を定圧保持タンク１２の設置されているバイパス配管１９に流す状態から運転をはじめ、流量調整弁２２Ａ，２２Ｂを調整して、コンデンサー５に過大な圧力がかからない状態を維持しながら徐々に動力回収タービン１５を含む経路の熱媒体流量を増加させていき、動力回収タービン１５が充分に動力回収を行える運転状態となったら、全ての熱媒体を動力回収タービン１５を含む経路に流すようにする運転方法を取れば好適である。空調装置の停止時には、起動時と逆の手順を取ればよい。前記運転手順によって、起動、停止運転時にコンデンサー５に過大な圧力がかかることを防止することができる。
【００２５】
なおこの実施の形態では採用していないが、クーラー６側の熱媒体循環系統２００にも、前記コンデンサー５側の熱媒体循環系統１００に適用した本発明を同様に適用することができることは第一の実施の形態の場合と同様である。
【００２６】
〔第三の実施の形態〕
図３は本発明の第三の実施の形態にかかる空調装置を示す図である。同図に示す空調装置において、前記図１に示す空調装置と相違する点は、動力回収タービン１５からコンデンサー５に至る配管２と、コンデンサー５からポンプ３Ａに至る配管７の間、即ち動力回収タービン１５の下流とコンデンサー５の下流間に、バイパス流路となるバイパス配管２９を設け、動力回収タービン１５側の配管２とバイパス配管２９との分岐点に三方弁２０を設置するとともに、このバイパス配管２９中にコンデンサー５の圧力損失に略等しい圧力損失を有する流体抵抗体２１を設置した点である。
【００２７】
この空調装置の基本的動作は、前記第一の実施の形態の空調装置と同一であるが、さらにこの空調装置においては、流体抵抗体２１を設置したので、動力回収タービン１５が何らかの理由で所定の位置エネルギーを回収できなかった場合に、三方弁２０を熱媒体がバイパス配管２９に流れるように切り替えることにより、コンデンサー５に過大な圧力がかかるのを防ぐことができる。また空調装置の起動／停止運転時に三方弁２０を熱媒体がバイパス配管２９に流れるように切り替えてコンデンサー５に過大な圧力がかかるのを防ぎ、前記動力回収タービン１５が十分に機能して三方弁２０にかかる圧力が所定の圧力以下になってから三方弁２０を切り替えてコンデンサー５に熱媒体が流れるようにするという、起動／停止時の運転方法とすることで、空調装置の起動／停止運転時にコンデンサー５に過大な圧力がかかるのを防ぐことができる。流体抵抗体２１は、コンデンサー５の圧力損失にほぼ等しい圧力損失を持つので、熱媒体がバイパス配管２９を流れている時点において、動力回収タービン１５が十分に機能して流体抵抗体２１にかかる圧力がコンデンサー５の許容圧力以下であることを確認するためにも利用でき、更に、三方弁２０を切り替えた際に配管内の抵抗が急激に変化するのを防ぐためなどの目的にも利用できる。
【００２８】
なおこの実施の形態では採用していないが、クーラー６側の熱媒体循環系統２００にも、前記コンデンサー５側の熱媒体循環系統１００に適用した本発明を同様に適用することができることは第一の実施の形態の場合と同様である。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、熱交換器にかかる圧力を所定の値以下に抑えることができるため、標準化・汎用化された安価な冷温熱源機器を高層建築物の空調装置に採用することができ、また従来のように地階あるいは地上に大きな冷水、冷却水又は温水槽等を設置する必要がなくなるため、設備コストの低減化が図れる。
【００３０】
また熱媒体の位置エネルギーを回収することにより、回収したエネルギーを任意の用途に利用したり、熱媒体循環用のポンプの動力支援ができるため、省エネルギー対策やポンプの小型化も図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態にかかる空調装置を示す図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態にかかる空調装置を示す図である。
【図３】本発明の第三の実施の形態にかかる空調装置を示す図である。
【図４】従来の空調装置を示す図である。
【図５】動力回収タービンで位置エネルギーを回収する従来の空調装置を示す図である。
【符号の説明】
１００  熱媒体循環系統
２００  熱媒体循環系統
１  冷却塔（上部水槽）
２  配管（流路）
３Ａ  ポンプ
３Ｂ  ポンプ
４  冷温熱源機器（熱源機器）
５  コンデンサー（熱交換器である凝縮器）
６  クーラー（熱交換器である蒸発器）
７  配管（流路）
８  ファンコイルユニット
９  膨張タンク（上部水槽）
１０  エアベント
１１  自動開閉弁
１２  定圧保持タンク（定圧保持装置）
１３  オーバーフロー管
１４  チェッキ弁
１５  動力回収タービン
１６  両軸モータ
１７  冷却水槽
１８  自動クラッチ
１９  バイパス配管（バイパス流路）
２０  三方弁
２１  流体抵抗体
２２Ａ  流量調節弁
２２Ｂ  流量調節弁
２５  配管
２７  配管
２９  バイパス配管（バイパス流路）
【図１】
2004325045.tif 000003
【図２】
2004325045.tif 000004
【図３】
2004325045.tif 000005
【図４】
2004325045.tif 000006
【図５】
2004325045.tif 000007