(57)【要約】【課題】 夏季(冬季)等のピークの冷(暖)房負荷をカットし、予め冷却(加熱)するといった二重の冷却や暖房をする必要がなく、消費電力の平準化を図り、設備コストや運転コストを低減する空気調和システムを提供する。【解決手段】  複数の空気調和機を空調空間に配備するとともに、熱源水を主冷却・加熱施設によって熱交換器で熱交換して、還管によって回収し循環させる空気調和システムにおいて、主冷却施設又は主加熱施設の稼働状態に応じて、主冷却施設又は主加熱施設とは別の補充冷却施設又は補充加熱施設によって、熱源水の一部又は全部を追加冷却又は追加加熱して、往管又は還管に供給する空気調和システム。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源水を主冷却施設又は主加熱施設によって、熱源水を冷却又は加熱して往管から複数の熱交換器に供給し、該熱交換器を熱源とする複数の空気調和機を空調空間に配備するとともに、前記熱交換器で熱交換した熱源水を還管によって回収して循環させる空気調和システムにおいて、
前記主冷却施設又は主加熱施設の稼働状態に応じて、前記主冷却施設又は主加熱施設とは別の補充冷却施設又は補充加熱施設によって、前記熱源水の一部又は全部を追加冷却又は追加加熱して、前記往管又は還管に供給することを特徴とする空気調和システム。
【請求項２】
前記補充冷却施設又は補充加熱施設は、地域冷暖房システムを用いた施設であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和システム。
【請求項３】
前記補充冷却施設又は補充加熱施設は、施設内の自己熱源を用いた施設であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和システム。
【請求項４】
前記補充冷却施設は、夜間電力を用いた蓄熱冷却装置であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、設備コストや運転コストの低減を図った空気調和システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ビル等の建物の空気調和システムは、図１に示すように、夏季においては、建物の屋上部分に設置されている冷却塔ａから供給される冷水の熱源水を、往管ｂを通じて供給し、還管ｃを通じて再び冷却塔ａ内に戻されるようになっており、冷却塔ａは密閉型の冷却塔で冷却水の循環はポンプｄが担っている。
また、冬季においては、一対の三方弁ｅ,ｆによって、熱源水の流れを冷却塔ａからボイラｇに切り換えて、温水の熱源水を、往管ｂを通じて供給し、還管ｃを通じて再びボイラｇ内に戻されるようになっている。
【０００３】
そして、空調対象となる各階には、熱源水から冷媒に熱交換する空気調和器が各階の天井部に設置されており、例えば、１、２階にはマルチユニット方式の空気調和機ｈが図示されているが、往管ｂ及び還管ｃから圧縮機と凝縮器を組み込んだ熱源ユニットｉの熱交換器ｊで水−冷媒の熱交換を行い、複数の室内ユニットｋに組み込まれたコイルとファンによって、空調空気を居室等に供給する。空気調和機ｈは所望のものでよく、例えば、３階では水冷ヒートポンプパッケージｌの空気調和機ｈであり、４階では水冷式パッケージｍの空気調和機ｈであり、いずれも圧縮機・コイル(熱交換器)・ファン(送風機)・凝縮器が組み込まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した空気調和システムでは、居室へ空調空気を供給する空気調和機ｈは、いずれも圧縮機・コイル(熱交換器)・ファン(送風機)・凝縮器が組み込まれているが、これらの能力選定時には、夏季ピーク時にあわせて選定することが一般的である。
このことは、年間の運転時間中で、僅か数パーセント該当するだけのために、空気調和機ｈの圧縮機・コイル(熱交換器)・ファン(送風機)・凝縮器も夏季ピーク時に合わせた大容量の装置にする必要があり設備コストが大きく、また、設備を設置した後も、大容量の装置を稼働させるために運転コストも大きくなるといった問題点があった。
このため、特許文献１に示されているように、夏季においては、室内に導入される空気を予め補助熱源装置の冷温水コイルで予備冷却し、この予備冷却した空気を本来の居室毎に設けた空気調和ユニットに供給して、各居室毎の空気調和ユニットの冷却能力の負荷を軽減し、最高負荷をカットすると共に消費電力の平準化を図った空調システムが提案されている。
【特許文献１】特開平１０−５４６１９号公報
【０００５】
しかしながら、上記の先行技術は、外気ＯＡを取り入れて補助熱源装置の冷温水コイル(文献1:55)で予備冷却してから、この予備冷却した空気を本来の居室毎に設けた空気調和ユニット(1)に供給するので、特に、多層階の建物となると、予備冷却した空気を各空気調和ユニット(1)に供給するための配管を設けなければならず、その予備冷却した空気移送の配管の設計が面倒であり、保守も厄介なものとなるといった問題があった。
また、予備冷却した空気の供給量に不均衡が生じ、供給量が少ない空気調和ユニット(1)は、処理能力を大きくするために、圧縮機・コイル(熱交換器)・ファン(送風機)・凝縮器も大容量の装置にする必要があり、結局、設備コストが大きく、また、大容量の装置を稼働させるために運転コストも大きくなるといった問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、予備冷却といった二重の冷却や、暖房をすることなく、一度の冷却又は暖房で、最高負荷を軽減して、消費電力の平準化を図り、設備コストや運転コストを低減する空気調和システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、熱源水を主冷却施設又は主加熱施設によって、熱源水を冷却又は加熱して往管から複数の熱交換器に供給し、該熱交換器を熱源とする複数の空気調和機を空調空間に配備するとともに、前記熱交換器で熱交換した熱源水を還管によって回収して循環させる空気調和システムにおいて、
前記主冷却施設又は主加熱施設の稼働状態に応じて、前記主冷却施設又は主加熱施設とは別の補充冷却施設又は補充加熱施設によって、前記熱源水の一部又は全部を追加冷却又は追加加熱して、前記往管又は還管に供給することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の空気調和システムにおいて、前記補充冷却施設又は補充加熱施設は、地域冷暖房システムを用いた施設であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の空気調和システムにおいて、前記補充冷却施設又は補充加熱施設は、施設内の自己熱源を用いた施設であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１に記載の空気調和システムにおいて、前記補充冷却施設は、夜間電力を用いた蓄熱冷却装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、主冷却施設又は主加熱施設の熱源水の一部又は全部を、補充冷却施設又は補充加熱施設で追加冷却又は追加加熱して、往管又は還管に供給しているので、従来のように、システムの能力選定を年間運転時間が数パーセントの夏季ピーク時にあわせて機器が大容量のものとすることや、冷却水配管を含めたシステム全体が過大になることを防ぐことができ、空気調和パッケージの機器やシステムの冷却水配管、冷却塔、冷却水ポンプ等を小型にすることができ、また、先行技術のように、予備冷却といった二重の冷却や、暖房をすることなく、居室等に空調空間に設けた空気調和器で一度の冷却又は暖房で済み、従来のように外気取込配管を設ける必要がなく、最高負荷を軽減することができることから、消費電力の平準化を図り、設備コストや運転コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の好適な空気調和システムの実施例を図面に沿って説明するが、本発明の特徴の１つは、水冷式パッケージ、水冷式ヒートポンプパッケージ等の冷暖房空気調和システムにおいて、冷却(加熱)水温度を調整する補充冷却施設又は補充加熱施設を組み込むことにより、ピーク時付加の機器能力向上を図り、パッケージ機種の小型化およびシステム装置の小型化を可能とするものである。  
【００１０】
図２は、本発明の実施例のシステム全体の概略を示したもので、熱回路の往管１と還管２の実線部分は夏季の冷房の場合の熱源水の流れを、点線部分は冬季の場合の熱源水の流れを示している。
夏季においては、建物Ａの屋上部分ＡＲに設置されている主冷却施設たる冷却塔３の排熱によって冷却された冷水の熱源水Ｂを、往管１を通じて供給し、還管２を通じて再び冷却塔３内に戻されるようになっており、従来と同様に、冷却塔３は密閉型の冷却塔で冷却水の循環はポンプ４によって行われるが、夏季は一対の三方弁５１,５２によって、ボイラー６をバイパスして、冷却塔３を稼働するように管路で熱源水Ｂが流れる構成にしている。
すなわち、この空気調和システムの夏季の通常運転では、熱源水Ｂは、冷却塔３(排熱により冷却)→三方弁５２→往管１→還管２→三方弁５１→ポンプ４→冷却塔３の順で循環し、冬季の通常運転では、主加熱施設たるボイラー６が主体的構成となるが、熱源水Ｂは、ボイラー６(加熱により温水)→三方弁５１→ポンプ４→三方弁５２→往管１→還管２→ボイラー６の順で循環する。
【００１１】
本発明の特徴の１つは、往管１の末端と還管２の末端の間に、主に夏季に稼働する補充冷却施設を、主に冬季に稼働する補充加熱施設(図示せず)を付加したものであるが、図２においては、夏季の場合の補充冷却施設７を設けたものである。
本実施例では、この補充冷却施設７として、冷熱源施設７１と冷却水温度補償装置(C.T.C)７２との組み合わせた蓄熱冷却装置で、冷熱源施設７１としては夜間電力を用いた空冷チラー711と、空冷チラー711から冷水をポンプ712で蓄熱槽713に送り、この冷水によって、蓄熱槽713内に冷水や氷の形で蓄熱冷却し、必要に応じて、この蓄熱槽713から、熱源水Ｃをポンプ714で熱交換器７３に供給し、冷却水温度補償装置(C.T.C)７２によって制御される往管１の熱源水Ｂの一部或いは全部を  熱交換器７３によって冷却する。
なお、補充冷却施設は、本実施例では往管１の末端と還管２の末端の間に設けたが、後述するように、排熱により冷却する冷却塔３の能力を補うものであるから、熱源水Ｂの循環配管路中に補充冷却施設により冷却が加わるような構成にすればよい。
【００１２】
このような、主冷却施設の冷却塔３又は主加熱施設のボイラ６から熱源水Ｂを用いて、空調対象となる各階の空気調和機８(81〜83)を稼働させることは、従来と同様である。図２に示す各階の天井部に設置される空気調和機８は、その空調空間の情況に応じて適宜に選択されるが、いずれも圧縮機・コイル(熱交換器)・ファン(送風機)・凝縮器が組み込まれているが、例えば、図２の建物Ａの４階Ａ４には水冷式パッケージの空気調和機８１が設置され、３階Ａ３には水冷ヒートポンプパッケージの空気調和機８２が設置され、２階Ａ２にはマルチユニット方式の空気調和機８３が設置されている、
【００１３】
ここで、水冷式パッケージの空気調和機８１が往管１及び還管２に接続されている実施例を図３で説明する。
図３の水冷式パッケージの空気調和機８１において、往管１及び還管２の熱源水Ｂは水−冷媒熱交換器811によって熱交換を行い、熱交換器811からの冷媒Ｄ１は膨張弁812に送られ冷媒は冷却されて冷媒−空気熱交換器813に送られ、熱交換器813と送風機814によって居室からの還気ＲＡを冷却して、供給冷気ＳＡとして空調空気を居室に供給する。熱交換器813で排熱した冷媒Ｄ１は圧縮機815に送られ水−冷媒熱交換器811に戻され循環する。
【００１４】
次に、水冷式ヒートポンプパッケージの空気調和機８２が往管１及び還管２に接続されている実施例を図４で説明する。
同様に、図４の水冷式ヒートポンプパッケージの空気調和機８２において、往管１及び還管２の熱源水Ｂは水−冷媒熱交換器821によって熱交換を行い、熱交換器821からの冷媒Ｄ２は膨張弁822に送られ冷媒は冷却されて冷媒−空気熱交換器823に送られ、熱交換器823と送風機824とによって居室からの還気ＲＡを冷却して、供給冷気ＳＡとして空調空気を居室に供給する。熱交換器823で排熱した冷媒Ｄ２は圧縮機825に送られ、四方弁826を介して水−冷媒熱交換器821に戻され循環する。本実施例では、水冷式ヒートポンプ式の空気調和機８２であるので、四方弁826を切り換えて循環方向を逆にして、暖房にも対応する構成としている。
【００１５】
更に、マルチユニット水冷式熱源機を用いた空気調和機８３が往管１及び還管２に接続されている実施例を図５で説明する。
同様に、図５のマルチユニット水冷式熱源機を用いた空気調和機８３は、中央の熱源ユニット831と複数の室内ユニット832(8322a,b,c)とから構成され、この中央の熱源ユニット831は水−冷媒熱交換器8311で熱交換を行い、それに伴う膨張弁8312、四方弁8313、圧縮機8314から構成され、複数の室内ユニット832は熱源ユニット831からの冷媒を複数の空調空間で冷媒−空気熱交換器8321で冷房(暖房)空気に変換して空調空気を供給するものである。
より具体的には、往管１及び還管２の熱源水Ｂは水−冷媒熱交換器8311によって熱交換を行い、熱交換器8311からの冷媒Ｄ３は膨張弁8312に送られ冷媒は冷却されて、これを主配管8331に移送し、この主配管8331から各室内ユニット832に分配して、各室内ユニット832の冷媒−空気熱交換器8321(8321a〜c)に送られ、熱交換器8321(8321a〜c)と各送風機8322a〜cによって、居室からの還気ＲＡを冷却して、供給冷気ＳＡとして空調空気を居室に供給する。
熱交換器8321(8321a〜c)で排熱した冷媒Ｄ３は、帰りの主配管8332によって集められ熱源ユニット831の圧縮機8314に送られ、四方弁8313を介して水−冷媒熱交換器8311に戻され循環する。本実施例の空気調和機８３も、水冷式ヒートポンプ式の空気調和機でもあるので、四方弁8313を切り換えて循環方向を逆にして、暖房にも対応する構成としている。
【００１６】
［作動］
以上のような空気調和システムの構成であるから、夏季の温度がピーク時以外の通常の状態では、主冷却施設たる冷却塔３の排熱によって冷却された冷水の熱源水Ｂを、往管１を通じて供給し、還管２を通じて再び冷却塔３内に戻されるようになっており、通常の運転がなされる。
そして、夏季の温度がピーク時等の上記空気調和システムの冷房能力に近づいた場合では、この補充冷却施設７の冷却水温度補償装置(C.T.C)７２が働き、夜間電力を用いた空冷チラー711によって、蓄熱槽713内の冷水や氷の形で蓄熱された熱源から、熱交換器７３を介して冷却水温度補償装置(C.T.C)７２によって制御される往管１の熱源水Ｂの一部或いは全部を熱交換器７３によって冷却する。
なお、この冷却水温度補償装置(C.T.C)７２は、通常、ON-OFFの２方弁でも、流量制御弁でも、ポンプで流量を制御するシステムでもよい。また、暖房時には、冷却水温度が下がり過ぎることも(冷却水の適温温度範囲が存在)考えられるので、熱源水の一部又は全部を追加冷却又は追加加熱を冷却水温度補償装置(C.T.C)７２により制御して、往管１又は還管２に供給する。
したがって、還管２の熱源水Ｂは通常の状態よりも冷やされて、冷却塔３に戻されるので、結果として、冷却塔３から往管１の熱源水Ｂは通常の状態よりも冷やされて、各階の空気調和機、例えば、水冷式パッケージの空気調和機８１、水冷式ヒートポンプパッケージの空気調和機８２、マルチユニット水冷式熱源機を用いた空気調和機８３の熱交換器811,821,8311に供給される。すなわち、通常の冷却された熱源水Ｂであるので、各熱交換器811,821,8311に接続される圧縮機815,825,8314の最高能力内で稼働されることになる。
【００１７】
この圧縮機815,825,8314の負荷が軽減される作用原理を、図６のモリエ線図を用いて説明する。
水冷式パッケージ、水冷式ヒートポンプパッケージ等は、基本的には圧縮式冷凍機に該当する圧縮機815,825,8314で構成されており、冷凍機・圧縮機の動きはモリエ線図に表記したように蒸発・圧縮・凝縮・膨張のサイクルの繰り返しになる。
図６のモリエ線図の横軸は冷媒のエンタルピーｈ(KJ／Kg)で、縦軸は冷媒の圧力P(MPa)であり、対象の冷媒の飽和液線Ｘ１,飽和ガス線Ｘ２が存在するとき、凝縮温度は、凝縮器(エバポレータ)で冷却水に熱を放熱するので冷却水の温度が下がると凝縮温度が下がる。したがって、モリエ線図上の動きは(1)→(2)→(3)→(4)の動きが、冷却水温度が下がることにより、(1')→(2)→(3')→(4')の動きに変わるが、そのた結果、(1)→(2)が(1')→(2)に変わることにより、蒸発量が増えるイコール能力が向上することになる。そして、(2)→(3)が(2)→(3')に変わることにより、圧縮機の仕事量が減り、効率の向上が見られる。また、(3)→(4)が(3')→(4')に移動して凝縮量は増えるが能力上は変わらない(4)→(1)が、(4’)→(1')に移動して膨張弁を通過して気化する。
したがって、上述した実施例においても、夏季の温度がピーク時には、補充冷却施設７を稼働し、還管２及び往水１の熱源水Ｂの冷却水温度が下がることにより、(1')→(2)→(3')→(4')の動きに変わり、圧縮機815,825,8314の仕事量が減ることになる。
【００１８】
この結果、最高負荷をカットすることができるので、各空気調和機の圧縮機815,825,8314の能力は、特に、夏季時のピークの負荷に合わせる必要がなく、通常時の負荷に合わせた能力の小さな小型圧縮機の使用が可能となり、これに伴って、圧縮機以外の各空気調和機の熱交換器811,813,821,823,8311,8321や膨張弁812,822,8312も能力が低く小型のものでよく、空気調和パッケージの小型化が可能になり、結果として、システムの冷却水配管、冷却塔、冷却水ポンプ等の装置も小型化が可能になるため、システム全体の小型化も可能となる。更に、装置製造時におけるＣＯ2削減効果ばかりでなく、運転時においても、適正機器が選定されていることにより、高効率運転が図られ省エネルギー化を可能とし、設備コストの低減や運転コストの低減が可能である。
また、補充冷却施設又は補充加熱施設としては種々のケースが考えられ、本実施例では、補充冷却施設７の冷熱源施設７１としては夜間電力を用いた空冷チラー711と蓄熱槽713と構成を用いたが、施設内に自己熱源が存在する場合は、この自己冷(温)熱源設備より分岐して冷却水(温水)との間に熱交換器を介して補充冷却装置(補充加熱装置)として利用してもよい。この自己熱源を利用する補充冷却施設又は補充加熱施設としては、前記の空冷チラー711を用いる以外に、施設内にガス・油・電気等による冷温水発生器を用いた冷却施設又は加熱施設としてもよい。
また、補充冷却施設又は補充加熱施設として、施設に地域冷暖房システム等のＤＨＣを導入している場合には、ＤＨＣの冷房装置側又は暖房装置側より分岐させて、冷却水との間に熱交換機を介して補助冷却装置として利用してもよい。
いずれにしても、特に、夏季(冬季)時のピークの最高負荷をカットすることができ、消費電力の平準化を図ることができる。
【００１９】
なお、本発明の特徴を損なうものでなければ、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、実施例では、特に有効である夏季の冷却について述べたが、冬季の異常に寒い低温ピーク時でも同じであり、補充加熱施設として上述した地域冷暖房システム等のＤＨＣにおける暖房の熱源以外にも、別途、補充ボイラ等を配備して、最高負荷をカットするようにしてもよいことは勿論である。
また、実施例では、空冷チラー711と蓄熱槽713とを建物の地下に設置してあるが、屋上に設置してもよく、更に、水や冷媒を流れの方向を切り変える為に３方弁を用いたが、同じ機能を有するのであれば２方弁を２個組み合わせたものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の空気調和システムの全体の概略を示す説明図、
【図２】本発明の実施例の空気調和システムの全体の概略を示す説明図、
【図３】本発明の空気調和システムに使用する水冷式パッケージのブロック図、
【図４】本発明の空気調和システムに使用する水冷式ヒートポンプパッケージのブロック図、
【図５】本発明の空気調和システムに使用するマルチユニット水冷式熱源機のブロック図、
【図６】本発明の作動原理を説明するモリエ線図のグラフである。
【符号の説明】
【００２１】
Ｂ…熱源水、Ｄ１,Ｄ２,Ｄ３…冷媒、
１…往管、２…還管、３…冷却塔、４…ポンプ、51,52…三方弁、
６…ボイラー、
７…補充冷却施設、71…冷熱源施設、711…空冷チラー、
712,714…ポンプ、713…蓄熱槽、
72…冷却水温度補償装置(C.T.C)、73…熱交換器、
８…空気調和機、81…水冷式パッケージの空気調和機、
811,821,8311…水−冷媒熱交換器、812,822,8312…膨張弁、
813,823,8321,8321a〜c…冷媒−空気熱交換器、
814,824,8322a〜c…送風機、815,825,8314…圧縮機、826,8313…四方弁、
82…水冷式ヒートポンプパッケージの空気調和機、
83…マルチユニット水冷式熱源機の空気調和機、8331,8332…主配管、
【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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