(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冬期に、地下空間に設けられた蓄熱槽内に雪を蓄え、夏期に、前記蓄熱槽内の融雪水を冷熱源として取り出す雪利用の冷熱蓄熱方法において、
前記蓄熱槽内の蓄雪は、
該蓄熱槽内に投入した雪の含水比を高める工程と、
含水比を高めた雪上に雪を投入して、上載荷重をかけて雪の密度を増大する工程と
で構成されていることを特徴とする雪利用の冷熱蓄熱方法。
【請求項２】
冬期に、地下空間に設けられた蓄熱槽内に雪を蓄え、夏期に、前記蓄熱槽内の融雪水を冷熱源として取り出す雪利用の冷熱蓄熱方法において、
前記蓄熱槽内の蓄雪は、
事前に前記蓄熱槽内に水を張り、雪を投入して雪の含水比を高める工程と、
含水比を高めた雪上に雪を投入して、上載荷重をかけて雪の密度を増大する工程と
で構成されていることを特徴とする雪利用の冷熱蓄熱方法。
【請求項３】
冬期に、地下空間に設けられた蓄熱槽内に雪を蓄え、夏期に、前記蓄熱槽内の融雪水を冷熱源として取り出す雪利用の冷熱蓄熱方法において、
前記蓄熱槽内の蓄雪は、
雪と水とを混合し、前記蓄熱槽内に投入して雪の含水比を高める工程と、
含水比を高めた雪上に雪を投入して、上載荷重をかけて雪の密度を増大する工程と
で構成されていることを特徴とする雪利用の冷熱蓄熱方法。
【請求項４】
冬期に、地下空間に設けられた蓄熱槽内に雪を蓄え、夏期に、前記蓄熱槽内の融雪水を冷熱源として取り出す雪利用の冷熱蓄熱方法において、
前記蓄熱槽内の蓄雪は、
雪と水とを別々に前記蓄熱槽内に投入して雪の含水比を高める工程と、
含水比を高めた雪上に雪を投入して、上載荷重をかけて雪の密度を増大する工程と
で構成されていることを特徴とする雪利用の冷熱蓄熱方法。
【請求項５】
冬期に、地下空間に設けられた蓄熱槽内に雪を蓄え、夏期に、前記蓄熱槽内の融雪水を冷熱源として取り出す雪利用の冷熱蓄熱方法において、
前記蓄熱槽内の蓄雪は、
該蓄熱槽内に投入した雪の含水比を高める工程と、
含水比を高めた雪上に雪を投入して、上載荷重をかけて雪の密度を増大する工程と、
雪密度の増大により絞り出されて前記蓄熱槽の貯留槽に溜まった水を、ポンプで汲み上げ、投入された雪の上部より散水する工程と
で構成されていることを特徴とする雪利用の冷熱蓄熱方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５の何れか１項記載の雪利用の冷熱蓄熱方法において、
前記蓄熱槽を開放し、該蓄熱槽内の湿って密度の増大した雪を０℃以下の外気に晒し、氷とする
ことを特徴とする雪利用の冷熱蓄熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雪を利用した季節間蓄熱を目的とした冷熱蓄熱方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、都市部では、夏期のビル空調用電力量が著しく増大する、といった季節間の需要量の差異がますます大きくなる傾向にある。寒冷地のオフィスビル等においても、冬期に相当量の冷熱が使用されている。
電力利用の観点からは、電力の平準化が求められており、特に夏期の冷房にともなう電力をピークシフトすることが重要になってきている。特に、冷熱の需要の伸びが顕著な中、季節間冷熱蓄熱・供給を合理的に行なうことは、我が国の省エネルギーの施策上も有効であると考えられる。
【０００３】
そこで、従来、融雪水を利用した冷房システムとしては、例えば、雪を利用した冷房システム、あるいは雪中にパイプを設け、不凍液を通じて熱交換するシステムが知られている。
前者の雪を利用した冷房システムは、空気を媒体としており、雪に接するように空気を通気することで周囲の雪より採熱する方法が取られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の方法では、空気と雪の温度差によって熱交換効率が変化するため、空気温度のコントロールが難しく、また温度が上がると熱交換効率が悪くなり、蓄熱した冷熱を十分に使いきることができないという欠点がある。
【０００５】
また、後者の場合は、パイプ周辺の雪から採熱するため、パイプと雪の間に空気層が生じるという課題があった。
なお、従来の氷蓄熱プラントは、夜間電力を使用したデイリーシステムであり、電力を利用するという意味から最終的には化石燃料にたよったシステムであった。
本発明は、かかる従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、冬期に雪を効率的に貯雪し、夏期まで保存し、この未利用エネルギーを夏期の冷熱需要に充当することにより、年間を通したエネルギーの平準化を図るとともにエネルギーコストの増大を抑制することを可能とした雪利用の冷熱蓄熱方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る雪利用の冷熱蓄熱方法は、冬期に、地下空間に設けられた蓄熱槽内に雪を蓄え、夏期に、前記蓄熱槽内の融雪水を冷熱源として取り出す雪利用の冷熱蓄熱方法において、前記蓄熱槽内の蓄雪は、該蓄熱槽内に投入した雪の含水比を高める工程と、含水比を高めた雪上に雪を投入して、上載荷重をかけて雪の密度を増大する工程とで構成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る雪利用の冷熱蓄熱方法は、冬期に、地下空間に設けられた蓄熱槽内に雪を蓄え、夏期に、前記蓄熱槽内の融雪水を冷熱源として取り出す雪利用の冷熱蓄熱方法において、前記蓄熱槽内の蓄雪は、事前に前記蓄熱槽内に水を張り、雪を投入して雪の含水比を高める工程と、含水比を高めた雪上に雪を投入して、上載荷重をかけて雪の密度を増大する工程とで構成されていることを特徴とする。
請求項３に係る雪利用の冷熱蓄熱方法は、冬期に、地下空間に設けられた蓄熱槽内に雪を蓄え、夏期に、前記蓄熱槽内の融雪水を冷熱源として取り出す雪利用の冷熱蓄熱方法において、前記蓄熱槽内の蓄雪は、雪と水とを混合し、前記蓄熱槽内に投入して雪の含水比を高める工程と、含水比を高めた雪上に雪を投入して、上載荷重をかけて雪の密度を増大する工程とで構成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る雪利用の冷熱蓄熱方法は、冬期に、地下空間に設けられた蓄熱槽内に雪を蓄え、夏期に、前記蓄熱槽内の融雪水を冷熱源として取り出す雪利用の冷熱蓄熱方法において、前記蓄熱槽内の蓄雪は、雪と水とを別々に前記蓄熱槽内に投入して雪の含水比を高める工程と、含水比を高めた雪上に雪を投入して、上載荷重をかけて雪の密度を増大する工程とで構成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る雪利用の冷熱蓄熱方法は、冬期に、地下空間に設けられた蓄熱槽内に雪を蓄え、夏期に、前記蓄熱槽内の融雪水を冷熱源として取り出す雪利用の冷熱蓄熱方法において、前記蓄熱槽内の蓄雪は、該蓄熱槽内に投入した雪の含水比を高める工程と、含水比を高めた雪上に雪を投入して、上載荷重をかけて雪の密度を増大する工程と、雪密度の増大により絞り出されて前記蓄熱槽の貯留槽に溜まった水を、ポンプで汲み上げ、投入された雪の上部より散水する工程とで構成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項６に係る雪利用の冷熱蓄熱方法は、請求項１ないし請求項５の何れか１項記載の雪利用の冷熱蓄熱方法において、前記蓄熱槽を開放し、該蓄熱槽内の湿って密度の増大した雪を０℃以下の外気に晒し、氷とすることを特徴とする。
【００１１】
（作用）
請求項１ないし請求項６に係る雪利用の冷熱蓄熱方法においては、蓄熱槽内の雪の含水比を高めることにより、雪の充填を効率を高め、さらに、充填した含水比の高い雪に雪を重ねるので、雪の密度を増大させることが可能となる。
【００１２】
また、雪の密度の増大により絞り出される水を利用して、投入された雪の上部に散水するから、さらに雪の密度を高めることが可能となる。
さらに、蓄熱槽を開放して、蓄熱槽内の湿って密度の増大した雪を０℃以下の外気に晒すから、雪が氷となりやすい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態により説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る雪利用の冷熱蓄熱方法を示す（請求項１ないし請求項６に対応する）。本実施形態は、空調装置（図示せず）を備えた建物（負荷側）１に適用したものである。
【００１５】
建物１の地下空間には、冬期に雪Ｓを蓄えるとともに夏期まで保存する蓄熱槽３が設けられている。この蓄熱槽３は、通常の氷蓄熱用の槽と同様に、コンクリート水槽としてある。
この蓄熱槽３は、雪Ｓを蓄えるとともに夏期まで保存する蓄雪槽１１と、この蓄雪槽１１の下部にフィルタ１３を介して連絡する融雪水Ｗの貯留槽１５とを備えている。ここで、フィルタ１３は、例えば、細石などの沈殿物を融雪水Ｗから分離することができる程度の機能を有するパンチング板などが用いられる。このフィルタ１３で除去される固形物質は、ほぼ５ｍｍ以上の成分が代表的であり、これらの固形物質は、投棄されたものや、土砂などである。例えば、紙類（ビラ、チケット、ちり紙、紙パック類、吸い殻など）、ガラス・布・ビニール類（ガラス瓶など飲料・調味料容器、ラップフィルム、食品包装のプラスッチク、スーパーの買い物袋）、植物類（野菜屑など）、空き缶を中心とした金属類、タオルなどの布類、食べ物などがある。なお、土砂の大部分は、フィルタ１３をすり抜けて後述する固形物質Ｄ３となる。
【００１６】
融雪水Ｗの貯留槽１５には、図示しない温度計、水位計が設けられている。融雪水Ｗの貯留槽１５の水位は、後述する吸込口２７より上位に位置するように設定されている。
また、蓄雪槽１１の上部には、例えば、都市部の混入物の多い種々の性状の残雪や除雪された雪などをダンプカーＤによって投入することができる投入口１７が設けられている。この投入口１７には、開閉蓋１９が取り付けられている。
【００１７】
また、投入口１７の下部には、ストックヤード２１が形成され、例えば、図２に示すように、雪飛ばし機構３３が設けられている。なお、図２は、雪の充填方法として雪飛ばし機構３３を用いた例を示すもので、専ら雪飛ばし機構３３を主体として説明するものであるから、その他の構成については省略している。
この雪飛ばし機構３３は、ダンプカーＤにより投入された雪Ｓを取り込むホッパ３５と、このホッパ３５の下方に設けた攪拌機３７と、この攪拌機３７に連絡する送風機３９とで構成されている。この雪飛ばし機構３３は、例えば、人工スキー場やスキー場のゲレンデに設けてある装置と同様の機能を有する。
【００１８】
雪飛ばし機構３３は、攪拌機３７による操作によって、送風機３９に送られる雪の密度を自由に調整することができるので、蓄熱槽１１内の任意の個所に雪を飛ばすことが可能である。
その際、飛ばされる雪Ｓを蓄熱槽１１内に満遍なく行き渡らせるために、蓄熱槽１１内または蓄熱槽１１の天井に、角度が自由に調節可能な邪魔板４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを設けることが望ましい。邪魔板４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの個数、角度調整機構は、適用される蓄熱槽１１に応じて任意に設定される。
【００１９】
また、蓄雪槽１１には、建物１の空調装置の熱交換器５に連絡する融雪水取出管７が取り付けられている。
この融雪水取出管７は、吸込口２７が融雪水Ｗの貯留槽１５に開口し、ポンプ３１に連絡している。この融雪水取出管７には、ポンプ３１に連絡する吸込管２９が挿入されている。この吸込管２９を介して融雪水取出管７内の融雪水Ｗを熱交換器５に送るようになっている。
【００２０】
また、吸込口２７は、融雪水Ｗの貯留槽１５に設けた堰板２３により形成された融雪水取込部２５内に開口し、この融雪水取込部２５内の融雪水Ｗを吸い込むようになっている。
また、熱交換器５には、冷水戻り管９が取り付けられている。この冷水戻り管９は、熱交換器５から排出される水を、蓄雪槽３内の雪Ｓに向かって吹きかけることができるように設置されている。また、冷水戻り管９には、ポンプ３１と熱交換器５との間の融雪水取出管７に連絡するバイパス管９ａが設けてある。このバイパス管９ａによって、融雪水を循環させることができるようになっている。さらに、冷水戻り管９には、排水管９ｂが設けられている。この排水管９ｂによって、不要となった融雪水Ｗを排水することができるようになっている。
【００２１】
次に、このように構成された本実施形態の作用を説明する。
冬季において、図１に示すように、例えば、ダンプカーＤによって雪Ｓを蓄熱槽３の投入口１７から投入する。投入された雪Ｓは、図２に示すように、ストックヤード２１に設けられた雪飛ばし機構３３によって、蓄雪槽１１内に満遍なく行き渡るように飛ばされる。なお、ダンプカーＤによって搬送されてくる雪の密度は０．５位である。
【００２２】
本実施形態では、この雪投入に際し、蓄雪槽１１内に予め水を張っておく（請求項２に対応）。蓄雪槽１１内に張っておく水量は、用途、規模に応じて異なるが、蓄雪槽１１の全容量の３０〜５０％程度である。蓄雪槽１１内に張られた水水によって投入された雪は、含水比の高い雪となる。この状態で、雪が投入されると、含水比の高い雪の上に重ねられるため、含水比の高い雪は、投入された雪の圧力で密度が急激に増大する。
【００２３】
図４はこの現象を示すもので、雪は含水量が大きくなると、少しの圧力でも密度が急激に増大することが知られている。
この操作を繰り返すことによって、蓄雪槽１１内は、図３に示すように、底部から密度大の氷に近い層（密度大）Ｓ３からなる下層と、密度が中程度の水に近い層（密度中）Ｓ２を凍結させた中層と、密度の小さい層Ｓ１からなる上層が形成される。これによって、蓄熱量の増大を図ることができる。
【００２４】
蓄雪槽１１に投入された雪Ｓの密度が大きいことは、蓄熱容量の増大につながる。蓄雪槽１１の下部の雪Ｓは圧密され、密度は０．７以上となり、氷結もおこり氷に近い状態になる。また、積雪地帯の外気は、零度以下になることが多い。そこで、夜間などに、開閉蓋１９を開放して蓄雪槽１１内に０℃以下の外気を取り込み、外気温で凍らせ、さらに蓄熱量の増大を図る（請求項６に対応）。
【００２５】
そして、この状態で、夏期まで蓄熱を行なう。
この間、雪Ｓに混入した軽い固形物質Ｄ１は水に浮遊し、細石などの重い固形物質Ｄ２は下部のフィルタ１３上に沈殿する。そして、細かくて重い固形物質Ｄ３が貯留槽１５内に沈殿する。これらの固形物質Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、例えば、定期点検などの際に取り除かれる。
【００２６】
そして、夏期において、図１に示すように、吸込口２７から融雪水取出管７内に流入する貯留槽１５の融雪水Ｗを、ポンプ３１を稼働して吸込管２９を介して吸い上げる。この際、吸込口２７は、融雪水Ｗの貯留槽１５に設けた堰板２３により形成された融雪水取込部２５内に開口しているので、貯留槽１５の底部に沈殿している細かくて重い固形物質Ｄ３を吸い込むことなく、融雪水Ｗを吸い込むことができる。
【００２７】
この際、蓄熱槽３内の融雪水Ｗの温度と量を把握することが望ましい。そのためには、例えば蓄熱槽３内の融雪水Ｗの温度を、融雪水Ｗの貯留槽１５に設けた温度計で検出し、図示しないコントロール室内に設けた制御装置にて利用できるか否かの判断を行いながら、融雪水Ｗを蓄熱槽３に戻すか排水するかあるいは循環させるかをコントロールし、熱源とした冷熱の供給を最適にコントロールすることができる。また、蓄熱槽３内の融雪水Ｗの量は、例えば融雪水Ｗの貯留槽１５に設けた水位計によって計測され、同様にコントロール室内に設けた制御装置にて利用できるか否かの判断を行いながら、融雪水Ｗを蓄熱槽３に戻すか排水するかをコントロールし、熱源とした冷熱の供給を最適にコントロールすることができる。
【００２８】
このように吸い込まれた融雪水Ｗは、例えば、０℃とすると、熱交換器５において冷熱を取り出され（△ｔ＝５〜１０℃）、５〜１０℃の水となって蓄雪槽１１内の雪Ｓに向かって吹き出される。これによって、雪Ｓが融雪水Ｗに変えられる。ここで、冷熱として利用できる融雪水Ｗの量は、蓄雪槽１１の全容量の３０〜１００％である。
【００２９】
例えば、本実施形態によれば、３７，５００ｍ3の蓄熱槽３を設置した場合、７００万Ｍジュールが夏期に利用でき、これだけ従来エネルギーの削減が可能となる。また、これは約６８，０００ｍ2のオフィスビルの年間冷熱負荷の５０％を賄う量であり、これを夏期の冷熱負荷ピーク時に利用することで、従来のエネルギープラントの規模の削減が可能となる。
【００３０】
以上のように、本実施形態によれば、大規模かつ安定した季節間冷熱蓄熱・冷熱供給を行うことが可能となる。
また、従来、除雪は、融雪槽やロードヒーティングシステム等で相当のエネルギーを利用しての融雪が行われているが、本実施形態では、この雪を冷熱源として利用するので、融雪エネルギーを削減することができるとともに、寒冷地の除雪・融雪費用の低減に貢献することができる。
【００３１】
さらに、夏期に融雪水を使用するので、夏期の電力ピークカットを行うことができ、省エネルギーに貢献することができる。
また、冷熱源として雪という自然の未利用エネルギーを活用するので、ＣＯ2の削減に貢献することができる。
なお、上記実施形態では、融雪水Ｗの貯留槽１５に設けた堰板２３により形成された融雪水取込部２５内の融雪水Ｗを吸い込むようにした場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、沈殿固形物質を吸い上げない程度の流速で融雪水Ｗをポンプアップすることで、固形物質の混ざらない融雪水Ｗを熱交換器５に供給することができる。
【００３２】
また、上記実施形態では、雪の充填方法として、ストックヤード２１に雪飛ばし機構３３を設けて、蓄雪槽１１内に満遍なく行き渡るようにした場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、雪飛ばし機構３３に代えて図５に示すコンベヤ機構４１や図６に示す水混入機構４３としても良い。
図５に示すコンベヤ機構４１は、攪拌機３７から送り出される雪Ｓを、ベルトコンベヤ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄによって蓄雪槽１１内に搬送するとともに、各ベルトコンベヤ間の隙間から雪Ｓを落下させるようになっている。４１ｅは堰板である。
【００３３】
この場合には、上記実施形態と同様に、事前に蓄雪槽１１内に水を張っておくことが望ましい。
図６に示す水混入機構４３は、攪拌機３７から送り出される雪Ｓに水を混入する水槽４３ａを設け、傾斜して設けた複数の滑り台４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆによってゼリー状の雪Ｓを蓄雪槽１１内に搬送するとともに、各滑り台間の隙間からゼリー状の雪Ｓを落下させるようになっている（請求項３に対応）。
【００３４】
ここで、水槽４３ａには、融雪水Ｗの貯留槽１５から水を取り出す管路４３ｂが設けてある。また、滑り台４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆには、水路を設けると、下流側まで確実にゼリー状の雪Ｓを搬送できる。
管路４３ｂは、融雪水取出管を利用し、熱交換器の手前で三方弁などで分岐するようにしても良い。
【００３５】
図６に示す水混入機構４３では、蓄雪槽１１に蓄えられる雪Ｓは、ゼリー状である点で上記実施形態とは異なる。
図７は図１に示す蓄雪槽１１に融雪水Ｗの貯留槽１５から水を取り出す管路４５を設けたものである（請求項４、請求項５に対応）。この管路４５は、三方弁４７を介して融雪水取出管２９に取り付けられた分岐管である。また、管路４５には、複数の散水器４９が設けられており、この散水器４９から雪Ｓに向かって水または融雪水Ｗが噴霧される。
【００３６】
この場合には、雪と水とを別々に取り扱うことが可能となる。また、初期に雪を投入する場合には、蓄雪槽１１内には水がないか少ないので、初期の水は上水が望ましいが、中下水でも良い。
本発明では、蓄雪槽１１内への雪の搬入方式はこれらに限らず、例えば、図８に示すように、ストックヤード２１を設けないものでも良い。この場合には、蓄雪槽１１内の雪Ｓに水をかける、あるいはゼリー状の雪を使用するなどの手段により、蓄雪槽１１内の雪Ｓの偏りを防止すると、同様の効果が期待できる。また、図９に示すように、複数の投入口１７を設けても良い。
【００３７】
また、上記実施形態では、融雪水取出管７を、蓄熱槽３内に設けた場合について説明したが、本発明ではこれＰに限らず、例えば、蓄熱槽３の外壁に沿って配設しても良い。
さらに、蓄熱槽３の底面が平坦な場合について説明したが、底面を法面にすると、蓄熱槽３内に沈殿する固形物質Ｄ２がフィルタ１３上に自然に集められるので、これらの除去が容易となる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、冬期の蓄熱時に蓄えられた雪を氷に近い状態で保存できるので、蓄熱量の増大を図ることが可能となる。
特に、含水比の高い雪にして、雪の密度を急激に高めることができるようにするので、蓄熱槽内への蓄雪効率が高いという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す説明図である。
【図２】図１の実施形態における雪の充填方法を示す説明図である。
【図３】図１の実施形態における雪密度増大状況を示す説明図である。
【図４】蓄雪における圧力と雪密度の関係を示す説明図である。
【図５】図１の実施形態における雪の充填方法を示す説明図である。
【図６】図１の実施形態における雪の充填方法を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態の変形例を示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態の変形例を示す説明図である。
【図９】本発明の実施形態の変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  建物
３  蓄熱槽
５  熱交換器
７  融雪水取出管
９  冷水戻り管
１１  蓄雪槽
１３  フィルタ
１５  貯留槽
２３  堰板
２７  吸込口
２９  吸込管
３１  ポンプ
Ｓ  雪
Ｗ  融雪水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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