(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が循環する二次側が重力式ヒートパイプに接続して個別分散するビル空気調和システムであって、前記空気調和システムからの送風を切り替えダンパーによって通常運転時には居室内を冷房あるいは暖房し、躯体蓄熱運転時には躯体に向けて送風して建物躯体に蓄熱する蓄熱量制御ビル空気調和システムにおいて、
通常運転時間における消費エネルギーの算出を冷房時には膨張弁の開度と時間の積算値から、暖房時には電磁弁の開時間の積算値から求め、算出された消費エネルギーから躯体運転時間を求めてビル空気調和装置の躯体蓄熱運転することを特徴とする蓄熱量制御ビル空気調和システム。
【請求項２】
冷媒が循環する二次側が重力式ヒートパイプに接続して個別分散するビル空気調和システムであって、前記空気調和システムからの送風を切り替えダンパーによって通常運転時には居室内を冷房あるいは暖房し、躯体蓄熱運転時には躯体に向けて送風して建物躯体に蓄熱する蓄熱量制御ビル空気調和システムにおいて、
基準躯体運転時間と基準通常運転時間と通常運転１時間あたりに必要な躯体単位時間を経験値より求め、下記の式によりその日の躯体運転時間を算出し、算出された躯体運転時間に基づいてビル空気調和装置の躯体蓄熱運転することを特徴とする蓄熱量制御ビル空気調和システム。
躯体運転時間＝
基準躯体運転時間−(基準通常運転時間−通常運転時間)×躯体単位時間
【請求項３】
前記基準躯体運転時間は、前日の躯体運転時間とすることを特徴とする請求項２に記載の蓄熱量制御ビル空気調和システム
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒が循環する二次側が重力式ヒートパイプに接続する個別分散するビル空調システムの躯体蓄熱運転の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、夜間電力を利用して熱を蓄えておき昼間に放熱する様々な蓄熱システムがこれまで研究開発されてきた。その中でも空調機で躯体への夜間蓄熱し昼間放熱を行う躯体蓄熱システムは、蓄熱槽構築費が不要である等で低コストな蓄熱システムとして普及が期待されており、躯体蓄熱空調システムの利点は、負荷平準化による熱源効率の向上と夜間電力利用による経済性の2項目に集約される。
躯体蓄熱空調システムは、予めの実験データにより夜間蓄熱量を設定して定性的に蓄熱していた。
なお、空気調和システムにおけるビル空気調和に費やした消費エネルギーの量は、従来は吹出温度と室温との温度差、及び、風量により算出していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ビル空調システムの躯体蓄熱システムの問題点は、中央式熱源を用いた空調機等と異なり、躯体への蓄熱温度や設定室温との温度差に対して、蓄放熱制御、特に負荷に応じた素早い放熱の制御が難しいことにある。
したがって、１日のうち冷房負荷と暖房負荷の発生する中間期あるいは中間期に近い冷暖房期には“冷やしすぎ”“暖めすぎ”が発生するが、これは室内環境上の問題であると同時に、室内機が冷暖自動切替えの場合、冷房（暖房）躯体蓄熱が暖房（冷房）負荷を発生させてしまうというシステム上の問題でもある。
しかも、蓄熱対象が建物躯体であるため、従来の蓄熱槽のように蓄熱量の定量的な把握が困難であり、そのため、ビル空調システムの躯体蓄熱システムの夜間蓄熱運転方法もいまだ定性的である。
【０００４】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、その課題は、ビル空調システムの躯体蓄熱システムを定量的に制御して、最適な空気調和状態を維持して無駄なエネルギーの損失を防ぎ、かつ、自動的に運転が可能な蓄熱量制御ビル空気調和システムを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、冷媒が循環する二次側が重力式ヒートパイプに接続して個別分散するビル空気調和システムであって、前記空気調和システムからの送風を切り替えダンパーによって通常運転時には居室内を冷房あるいは暖房し、躯体蓄熱運転時には建物躯体に向けて送風して躯体に蓄熱する蓄熱量制御ビル空気調和システムにおいて、通常運転時間における消費エネルギーの算出を冷房時には膨張弁の開度と時間の積算値から、暖房時には電磁弁の開時間の積算値から求め、算出された消費エネルギーから躯体運転時間を求めてビル空気調和装置の躯体蓄熱運転する蓄熱量制御ビル空気調和システムである。
上記の課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、冷媒が循環する二次側が重力式ヒートパイプに接続して個別分散するビル空気調和システムであって、前記空気調和システムからの送風を切り替えダンパーによって通常運転時には居室内を冷房あるいは暖房し、躯体蓄熱運転時には建物躯体に向けて送風して躯体に蓄熱する蓄熱量制御ビル空気調和システムにおいて、基準躯体運転時間と基準通常運転時間と通常運転１時間あたりに必要な躯体単位時間を経験値より求め、下記の式によりその日の躯体運転時間を算出し、算出された躯体運転時間に基づいてビル空気調和装置の躯体蓄熱運転する蓄熱量制御ビル空気調和システムである。
躯体運転時間＝
基準躯体運転時間−(基準通常運転時間−通常運転時間)×躯体単位時間
上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、前記基準躯体運転時間は、前日の躯体運転時間とする請求項２に記載の蓄熱量制御ビル空気調和システムである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の本質は、ビル空調システムの躯体蓄熱システムを定量的に運転制御することであり、躯体蓄熱システムで夜間蓄熱するエネルギーを昼間使用時の消費エネルギーよりも少な目にして、昼間時には各部位ごとに必要熱量を演算して空調システムを稼働することである。
【０００７】
[実施例]
ここで、本発明の好適な蓄熱量制御ビル空調システムの概略構成の実施例を図面に沿って説明する。
図１において、本実施例に用いた空調システムは重力式空調システムで、各構成はそれぞれの設置位置が高さに関して特定され、冷熱源である第１蓄熱槽としての氷蓄熱槽１は建物の例えば屋上のような高所に設置され、一方、温熱源である第２蓄熱槽としての温水蓄熱槽２は建物の地下のような低所に設置されている。氷蓄熱槽１は顕熱に比べて約80倍もの潜熱も含めて蓄熱するので、顕熱のみによって蓄熱する冷水蓄熱槽よりも大きな蓄熱容量を有しており、したがって同等容量の蓄熱槽を得るには蓄熱槽をはるかに小さくすることができ、屋上設置も可能となる。また、室内ユニットとしての空調機３は氷蓄熱槽１と温水蓄熱槽２との間の高さ位置となる各階の居室に設置されている。
これら各蓄熱槽1,2と各被空調室に設けられた空調機３との間は重力式のヒートパイプ4,5によって接続されている。ヒートパイプ４は冷房用回路を形成し、ヒートパイプ５は暖房用回路を形成する。
冷房用回路を形成するヒートパイプ４は、その凝縮部として、氷蓄熱槽１内に形成された冷房用凝縮部６を備えており、冷房用凝縮部６が氷蓄熱槽１により冷却される。
【０００８】
これらヒートパイプ4,5内の冷媒（図中実線矢印は冷媒液流、破線矢印は冷媒ガス流を示す）は、各ブロックに配置された複数の空調機３といずれか一方の蓄熱槽１もしくは２内で、あるいは凝縮部６で熱交換することによって相変化し、これらの間を往復するようにヒートパイプ4,5内を循環して流れる。氷蓄熱槽１および凝縮部６を経由するヒートパイプ４の冷媒液流部分には、各空調機３へ液体の冷媒を分配する前の位置に受液器61が介設され、さらにその下流側に各空調機３に対応して膨張弁62が設けられている。したがって、各被空調室における冷房負荷に応じて受液器61から対応空調機３の蒸発器31へ必要量の冷媒液を供給することができる。
【０００９】
また、温水蓄熱槽２を経由するヒートパイプ５の冷媒液流部分には、各空調機３の凝縮器32から温水蓄熱槽２へ還流するが、凝縮器32からの冷媒液は電磁弁21で流量を調節して受液器22を介して環流する。したがって、熱搬送媒体として被空調室側へ導かれるのは水ではなく冷媒であり、たとえこれが配管から漏れたとしてもすぐに気化するので居室を汚すようなことはない。
各蓄熱槽1,2に蓄冷ないし蓄熱するための熱源装置は製氷器を内蔵したヒートポンプチラー７であり、氷蓄熱槽１と製氷器との間にスラリーポンプ71が介設され、製氷器で作られた氷がスラリーポンプ71によって氷蓄熱槽１へ圧送され、氷蓄熱槽１の冷水はポンプ11によって冷房用凝縮部６の熱交換器に圧送される。温水蓄熱槽２は、ヒートポンプチラー７の凝縮器に形成された熱交換器との間に温水熱回収管72が設けられ、これに接続するポンプ73によって温水が温水蓄熱槽２へ圧送される。
各空調機３では、居室内から集められた空気は蒸発器31あるいは凝縮器32によって冷やされ、あるいは暖められたて送風機33よって、送風ダクト部８に送られる。送風ダクト部８は切り替えダンパー81によって、昼間時には居室天井の送風口82に居室内に送風され居室内を冷房あるいは暖房し、夜間時には空調機３の近傍の蓄熱用開口83から躯体９に向けて送風して躯体９に蓄熱する。
【００１０】
本実施例では、ヒートポンプチラー７は夜間の低電力料金で運転され、その熱エネルギを蓄熱槽１または２に蓄えるので、基本的には各蓄熱槽１または２の蓄熱量によって空調負荷に対応し、この躯体蓄熱システムは複数の区画の空調機３が躯体９の近傍に配置される構成であるから、空調部位と蓄熱部位が近傍にあると同時に、蓄熱部位の分散化が可能である。
そして、通常運転時での室内空調機３の処理能力の調整は、冷房時においては膨張弁62の開度を変更することにより行い、暖房時には電磁弁21の開閉によって行なっている。すなわち、通常運転において、躯体蓄熱利用後の昼間エネルギーの消費量は、冷房時においては膨張弁62の開度積算値の関数であり、暖房時には電磁弁21の開時間の関数である。なお、躯体蓄熱利用時には膨張弁62および開閉弁21は閉状態である。
したがって、本実施例における躯体蓄熱システムは、負荷特性の異なる部位別に蓄熱量（蓄熱時間）を制御することが可能であり、基本的には昼間時に使用した熱エネルギーを、夜間時に蓄積し補充すれば無駄のない運転が可能なる。
本発明者らは、冷房蓄熱運転時間および暖房蓄熱運転時間を経験的に演算する方法を鋭意研究した結果、以下に述べるように、冷房蓄熱運転時間および暖房蓄熱運転時間を経験的に演算する方法を見出した。
【００１１】
まず、躯体蓄熱を行わない場合のファン運転と膨張弁または電磁弁の動作を図２に示し、躯体蓄熱を行なった場合のファン運転と膨張弁または電磁弁の動作を図３に示す。この場合に、昼間での通常運転では、室温が設定範囲内になるように制御されている。
ここで、従来より昼間の稼働時の空気調和システムにおけるビル空気調和の消費エネルギーの量は、室温と風量から算出しており、非常に不安定で計測もしづらく正確に算出来ないが、本発明者らは、消費エネルギーが、冷房時には膨張弁62の開度と時間の積算値の関数となること、暖房時には電磁弁21の開時間の積算値の関数となることを実験値より見出し、この数値を利用することにより、冷媒が循環する二次側が重力式ヒートパイプに接続して個別分散するビル空気調和システムにおいて、躯体蓄熱運転が容易となることを見出した。
このことを用いて、基準躯体運転時間と基準通常運転時間と通常運転1時間あたりに必要な躯体単位時間を求めるが、図２および図３において、ファンは昼間の8:00から18:00までの10時間連続して稼働しているが、通常運転時の室内機の処理能力の調整は、冷房時には、図１における膨張弁62の開度を変更することにより調整され、昼間時のエネルギーの消費量は、膨張弁62の開度と時間の積算値となる。
一方、暖房時には、電磁弁21の開閉により調整され、昼間時のエネルギーの消費量は、電磁弁21の開時間の積算値となる。なお、躯体蓄熱利用時には、膨張弁62および電磁弁21は閉状態である。
【００１２】
仮に、躯体運転により、昼間での(１)冷房時には膨張弁運転時間を４時間から２時間に変更でき、(２)暖房時には電磁弁運転時間を４時間から１時間に変更できたとすれば、躯体蓄熱を100％消費して冷房時には運転２時間分を、暖房時には運転３時間分を畜熱したこと、即ち、通常運転において、冷房時には躯体運転により２時間分軽減され、暖房時には躯体運転により３時間分軽減されたことになる。
【００１３】
この状態であるならば、冷房(暖房)運転２(３)時間分に相当する蓄熱時間との関連を定義することで、必要躯体蓄熱時間を演算することが可能となる。
即ち、媒体が循環する二次側が重力式ヒートパイプに接続して個別分散するビル空調システムにおいて、基準躯体運転時間と基準通常運転時間とを経験値より求め、通常運転1時間あたりに必要な躯体単位時間を経験値を加味し以下に述べる所定の計算式より求め、これらの数値を下記の式に当てはめてその日の躯体運転時間を算出して自動運転することができる。
躯体運転時間＝
基準躯体運転時間−(基準通常運転時間−通常運転時間)×躯体単位時間
【００１４】
そこで、実際に躯体エリアのユニットでの能力と躯体側の蓄熱量を考えると、空調ユニット側(熱量を供給する側)は、次の計算により見出すことができる。
(1)…必要熱量(供給側)＝ユニット能力×通常運転時間×要求効率※1
ここで、※１の「要求効率」とは、暖房運転時の室内機に対する負荷要求の比率である。
【００１５】
次に、躯体側で保有できる躯体保有可能熱量は、蓄熱量と蓄熱面積から算出される。
(2)…躯体保有可能熱量＝蓄熱量×蓄熱面積
今、処理能力3890kcal/hのユニットを40m2に1台設置した場合を考えると
冷房時必要熱量＝ 3890×2×0.6  ＝4668 kcal
暖房時必要熱量＝ 3890×3×0.6  ＝7002 kcal
冷房時躯体保有可能熱量＝ 12.8※2×40 ＝512  kcal/h
暖房時躯体保有可能熱量＝ 35※3×40   ＝1400 kcal/h
となる。
ここで※２の冷房蓄熱量「12.8 kcal/h.m2」 、および、※３暖房蓄熱量「35 kcal/h.m2」は実験により求められた経験値である。
【００１６】
これらの条件から、蓄熱に必要な時間は次式より求められる。
(3)…必要躯体蓄熱時間  ＝  必要熱量／躯体熱量
必要躯体冷房畜熱時間  ＝ 4668／512   ＝9時間
必要躯体暖房畜熱時間  ＝ 7002／1400  ＝5時間
この必要躯体蓄熱時間が、外気の気温変動が大きくない場合には、基礎躯体運転時間となる。即ち、この場合に、冷房時においては９時間が基礎躯体運転時間となり、暖房時においては５時間が基礎躯体運転時間となる。
【００１７】
これにより、通常運転1時間あたりに必要な躯体運転時間、即ち、躯体基準時間次のようになる。
▲４▼…通常運転1時間あたりの躯体単位時間＝
必要躯体蓄熱時間／躯体運転により軽減された冷暖房運転時間
冷房時躯体運転時間＝ 9／2 ＝4.5 時間(4時間30分)   [変更可能係数］
暖房時躯体運転時間＝ 5／3 ＝1.67 時間(約1時間40分)[変更可能係数]
【００１８】
以上のように、おおよその躯体運転時間が算出される。そして実際には躯体運転後に、通常運転での実運転をモニターすることで微調整すればよく、次の躯体運転に必要な時間を導き出せる。
【００１９】
[運転例１]
ここで、前記▲３▼で述べたように、このビルと空気調和機の能力から、必要躯体蓄熱時間を基礎躯体運転時間として５時間と設定した場合、自動運転の運転例１を図４を参照して説明する。
先ず、基礎躯体運転時間を５時間と設定したが、空調するビルと空調装置の能力から、外気温度が５℃程度で室温20℃を必要としたときの効率のよい基礎躯体運転時間で、実験から得られる経験値であるが、運転例２で述べるように外気温度の変化が大きいときは補正しうる値である。また、昼間の基準通常運転を１時間とするが、基準通常運転を大きくすると節約効果がなくなり、また零時間とすると通常運転での修正ができなくなるので、好ましくは、30分から4時間の範囲内に設定すればよく、さらに好ましくは、30分から2時間の範囲内に設定すればよく、ここでは、基準通常運転は１時間に設定する。なお、ビルを閉じる休祭日には空気調和機による躯体蓄熱運転および通常運転は稼働しない。
また、前記▲３▼で算出したように、対象のビルの躯体単位時間が1.67であるので、これを採用する。
まず、５時間の基礎運転時間の躯体暖房運転後、通常運転を開始し設定された室温範囲での暖房運転が上記の想定とおりに延べの暖房運転の基準通常運転時間と同じ１時間となった場合は、想定どおりなので、その次の躯体運転も同様に５時間行えばよいことになる(補正0時間)。
【００２０】
次に、想定した時間以外の暖房運転となった場合は、躯体運転の補正が必要となる。
ケース1：暖房運転が1時間以下の場合（躯体過多）
これは、前回の躯体運転が多すぎた場合で、1時間以下の暖房運転時間より躯体運転を補正することが必要である。例えば、躯体過多運転時間は30分の場合
（30分の通常運転)には、
躯体過多運転時間＝基準通常運転時間−30分の通常運転時間  1-0.5＝0.5h）
実運転結果による補正1
躯体運転時間＝
基準躯体運転時間−(基準通常運転時間−通常運転時間)×躯体単位時間
＝  5−0.5×1.67 ＝ 4.17  時間（約4時間10分）
【００２１】
ケース2：暖房運転が1時間以上の場合（躯体不足）
これは、前回の躯体運転が不足した場合で、1時間以上の暖房運転時間より躯体運転を補正することが必要である。例えば、躯体不足運転時間は１時間の場合（2時間の通常運転  1−2＝-1h）には、
実運転結果による補正2
躯体運転時間＝
基準躯体運転時間−(基準通常運転時間−通常運転時間)×躯体単位時間
＝  5＋1.0×1.67 ＝6.67  時間（約6時間40分）
以上の演算により躯体運転時間を算出し、その後は自動的に躯体運転時間を設定して自動的に運転する。そして、図４の表に見られるように、昼間の通常運転時間は２時間以下に抑えられ、経費が節約される躯体蓄熱運転のビル空気調和システムとなる。
【００２２】
[運転例２]
運転例１において、基準通常運転時間を１時間としたが、基準躯体運転時間を当初、前記▲３▼で述べたように、基礎躯体運転時間を必要躯体蓄熱時間の５時間としたために、外気が大きく変動して暖かくなった場合に基準通常運転時間を０時間、即ち、通常運転で暖房運転をまったく行わなくとも躯体運転を過度にしてしまう。
具体的には、躯体運転時間＝
基準躯体運転時間−(基準通常運転時間−通常運転時間)×躯体単位時間
＝ 5−1×1.67 ＝3.33  （約3時間20分）
となり、通常運転で暖房運転をまったく行わなくとも、本来必要のない3時間20分間の躯体運転を行うことになる。
【００２３】
言い換えれば、外気の気温変動が少ない場合には、運転例１のように基準躯体運転時間を固定してもこのような不都合は生じないが、気温変動が大きい場合には、基準躯体運転時間を補正する必要が生じる。
運転例２は、基準躯体運転時間を前日の躯体運転時間とすることで補正をかけて自動運転することによって、適切な躯体蓄熱運転が可能となる。即ち、次式より算出された躯体運転時間に基づいて、自動的に躯体運転時間を設定して運転する。
躯体運転時間＝基準躯体運転時間(前日の躯体運転時間)
−(基準通常運転時間−通常運転時間)×躯体単位時間
ただし、躯体運転が10時間を越えないように最大時間を設定することで、躯体運転時間を制限する。
この運転例が図５の表Ａ，Ｂ，Ｃであって、大きな躯体運転時間および通常運転時間の変動もなく、スムースに効率よく躯体蓄熱運転が行われている。そして、昼間の通常運転時間は３．５時間以下に抑えられ、経費が節約される躯体蓄熱運転のビル空気調和システムとなる。特に、表Ｂの運転においては、運転例１で運転した場合と異なり、月曜日の基準躯体運転時間の５時間が、火曜日には約3時間20分に補正され、水曜日には約1時間40分に、以後は躯体運転も通常運転も行われなくても適切な空気調和がなされ、かつ、運転による経費も少なくてすむビル空気調和システムとなる。
【００２４】
なお、本発明の特徴を損うものでなければ、上記の実施例に限定されるものでないことは勿論である。例えば、請求項２および３において、昼間の稼働時の空気調和システムにおけるビル空気調和の消費エネルギーの量を、正確で簡易に算出できる手段を用いることを妨げるものではない。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、冷媒が循環する二次側が重力式ヒートパイプに接続して個別分散するビル空気調和システムにおいて、通常運転時間における消費エネルギーの算出を冷房時には膨張弁の開度と時間の積算値から、暖房時には電磁弁の開時間の積算値から求め、算出された消費エネルギーから躯体運転時間を求めてビル空気調和装置の躯体蓄熱運転をするので、適格で無駄が少なく、かつ、比較的容易に躯体蓄熱運転が可能となるという効果が得られる。
【００２６】
また、請求項２および請求項３の発明によれば、冷媒が循環する二次側が重力式ヒートパイプに接続して個別分散するビル空気調和システムにおいて、基準躯体運転時間と基準通常運転時間と通常運転1時間あたりに必要な躯体単位時間を経験値より求め、所定の式によりその日の躯体運転時間を算出し、算出された躯体運転時間に基づいてビル空気調和装置の躯体蓄熱運転する蓄熱量制御ビル空気調和システムであるから、最適な空気調和状態を維持して無駄なエネルギーの損失を防ぎ、かつ、自動的にビル空気調和システムにおける躯体蓄熱運転が可能となるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例を蓄熱量制御ビル空気調和システムの概略を示す説明図
【図２】躯体蓄熱を行わない場合のファン運転と膨張弁または電磁弁の動作状態に示した説明図
【図３】躯体蓄熱を行なった場合のファン運転と膨張弁または電磁弁の動作状態を示した説明図
【図４】本発明の実施例における暖房時における躯体蓄熱運転の第１の運転例の表を示した図
【図５】本発明の実施例における暖房時における躯体蓄熱運転の第２の運転例の表を示した図である。
【符号の説明】
１…氷蓄熱槽
11,73…ポンプ
２… 温水蓄熱槽(暖房用蒸発器)
21…電磁弁
22…受液器
３…空調機
31…蒸発器
32…凝縮器
33…送風機
4,5…ヒートパイプ
６…冷房用凝縮部
61…冷受液器
62…膨張弁
７…ヒートポンプチラー
71…スラリーポンプ
72…温水熱回収管
８…送風ダクト部
81…切り替えダンパー
82…送風口
83…蓄熱用開口
９…躯体
【図１】
0004421735.tif 000002
【図２】
0004421735.tif 000003
【図３】
0004421735.tif 000004
【図４】
0004421735.tif 000005
【図５】
0004421735.tif 000006