JPH05312360A - 氷蓄冷熱式冷暖房装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 夜間電力を利用して蓄熱した熱エネルギーを
昼間に使用する冷暖房システムで、小さな蓄熱槽で大き
な温熱エネルギーを貯蔵できる蓄熱システムを提供す
る。 【構成】 蓄熱槽(１)内に熱交換部(２)とエネルギー貯
蔵部(３)とを上下に連続して形成する。この熱交換部
(２)に配置した熱交換器(４)とヒートポンプ(15)のガス
圧縮機(16)とを接続したヒートポンプ回路(17)に四方弁
(20)を配置する。四方弁(20)の切換えで熱交換器(４)に
コールドガスとホットガスとを切換供給可能に構成する
とともに、エネルギー貯蔵部(３)に電熱ヒータ(27)を配
置する。熱交換器(４)にホットガスを供給する温熱貯蔵
時に、ヒートポンプ(15)を一定時間運転してエネルギー
貯蔵部(３)に貯蔵した液体に温熱を蓄熱したのち、ヒー
トポンプ(15)の運転を停止するとともに電熱ヒータ(27)
に通電してエネルギー貯蔵部(３)に貯蔵した液体を加熱
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヒートポンプを利用し
て温熱と冷熱とを選択的に貯蔵する冷暖房装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来技術】近年、住宅やビルなどの冷・暖房装置とし
て、省エネルギー、経済性の面から、夜間電力を利用し
て蓄熱槽に冷水や氷の形態で寒冷エネルギーを貯蔵し、
あるいは温水の形態で温熱エネルギーを貯蔵し、昼間こ
の冷熱や温熱を冷・暖房に利用することが行われてい
る。この場合、蓄熱槽に貯蔵する熱の熱源としてヒート
ポンプを利用するものが知られている。

【０００３】従来、ヒートポンプポンプを熱源とした蓄
熱式冷暖房装置として、例えば特開昭６１−２７２５４
８号公報や実開昭６１−２７２５４８号公報に開示され
たものがある。特開昭６１−２７２５４８号公報に示さ
れたものは、圧縮機で加圧したブラインを凝縮液化し、
この液化したブラインを直接蓄熱槽内に噴霧して蓄熱槽
内に冷熱を貯蔵する冷房使用状態と、加圧したブライン
の凝縮液化時に冷却液として使用するブラインを蓄熱槽
に供給して温熱を貯蔵する暖房使用状態とに切り換える
ようにしたものである。

【０００４】一方、実開昭６１−２７２５４８号公報に
開示された冷暖房装置は、圧縮機で加圧した冷媒を凝縮
液化し、この液化した冷媒を蓄熱槽内で熱移送液と熱交
換して蓄熱槽内に冷熱を貯蔵する冷房使用状態と、加圧
した冷媒を熱移送液と熱交換する暖房使用状態とに切り
換えるようにしたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ヒートポン
プによる加温温度は、通常４５〜５０℃が限度であり、
暖房時に十分な蓄熱量を確保するためには、大容量の蓄
熱槽を必要とし、装置全体が大型化するという問題があ
る。本発明はこのような点に着目してなされたもので、
小さな蓄熱槽で大きな温熱エネルギーを貯蔵できる蓄熱
装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明は、夜間電力を利用して蓄熱槽内に熱エネ
ルギーを蓄熱する蓄熱装置であって、蓄熱槽の内部に熱
交換部とエネルギー貯蔵部とを上下に連続して形成し、
熱交換部に熱交換器を配置するとともに、この熱交換器
にヒートポンプのガス圧縮機を接続して閉ループのガス
循環回路を形成し、熱交換部での熱交換器の上側に散液
管を配置し、この散液管にエネルギー貯蔵部から導出し
た導液管を接続して液媒体循環路を形成し、ヒートポン
プのガス循環回路に四方弁を配置し、この四方弁の切換
えで熱交換器にガス圧縮機からホットガスを直接供給す
る状態と、ホットガスを凝縮器及び膨張弁ユニットを介
して供給する状態とに切り換え可能に構成し、エネルギ
ー貯蔵部分に電熱ヒータを配置したことを特徴としてい
る。

【０００７】

【作用】本発明では、蓄熱槽の内部に熱交換部とエネル
ギー貯蔵部とを上下に連続して形成し、熱交換部に熱交
換器を配置するとともに、この熱交換器にヒートポンプ
のガス圧縮機を接続して閉ループのガス循環回路を形成
し、熱交換部での熱交換器の上側に散液管を配置し、こ
の散液管にエネルギー貯蔵部から導出した導液管を接続
して液媒体循環路を形成し、ヒートポンプのガス循環回
路に四方弁を配置し、この四方弁の切換えで熱交換器に
ガス圧縮機からホットガスを直接供給する状態と、ホッ
トガスを凝縮器及び膨張弁ユニットを介して供給する状
態とに切り換え可能に構成し、エネルギー貯蔵部分に電
熱ヒータを配置してあるので、冷房時にはホットガスを
凝縮器及び膨張弁ユニットを介して熱交換器に供給する
状態に四方弁を切り換えることにより、熱交換器での熱
交換により熱移送液を冷却し、氷と液体の混合状態で冷
熱を貯蔵することになる。また、暖房時には、熱交換器
にガス圧縮機からホットガスを直接供給する状態に四方
弁を切り換えることにより、凝縮器が大気から集熱した
のち圧縮機で加圧されたホットガスの保有熱で熱移送液
を加熱し、温水の状態で温熱を貯蔵する。そして、この
暖房時には、運転開始後一定時間はヒートポンプで熱移
送液を加熱し、その後ヒートポンプに変えて電熱ヒータ
でエネルギー貯蔵部に貯溜されている熱移送液を加熱す
るようにしていることから、夜間の同じ電力で熱移送液
の液温をヒートポンプだけで昇温する場合よりも高くす
ることができる。

【０００８】

【実施例】図面は氷蓄熱式冷暖房装置の系統図である。
図中符号(１)は蓄熱槽で、この蓄熱槽(１)の内部に熱交
換部(２)とエネルギー貯蔵部(３)を連続する状態で上下
に配置してある。エネルギー貯蔵部(２)にはヒートポン
プの蒸発器となる熱交換器(４)が配置してあり、この熱
交換器(４)の上方に２系統の散液管(５)(６)が配設して
ある。そして、一方の散液管(５)にエネルギー貯蔵部
(３)の底部から導出した熱移送液通路が送液ポンプ(７)
を介して接続することにより蓄熱用熱移送液循環路(８)
を形成してある。

【０００９】また、エネルギー貯蔵部(３)の底壁から導
出した熱移送液取出路(９)を第２送液ポンプ(10)及び冷
暖房負荷(11)を介して他の散液管(６)に接続して閉サイ
クルに形成している。そして、この熱移送液取出路(９)
の冷暖房負荷(11)への送給路に混合弁(12)を介装し、こ
の混合弁(12)の混合流体ポートに冷房負荷(11)から散液
管(６)への返送路(13)より分岐導出したバイパス路(14)
を接続して、冷暖房負荷(11)に流入する熱移送液の液温
を調整するように構成してある。

【００１０】熱交換部(２)に配置した熱交換器(４)はプ
レート式の熱交換器で形成してあり、この熱交換器(４)
とヒートポンプ(15)の圧縮機(16)とを閉サイクルで接続
して、ヒートポンプ回路(17)を形成している。このヒー
トポンプ回路(17)には、２個の膨張弁ユニット(18)と凝
縮器(19)及び四方弁(20)が直列に配置してあり、各膨張
弁ユニット(18)はそれぞれ膨張弁(21)と逆止弁(22)とを
並列に配置して構成してある。

【００１１】ヒートポンプ回路(17)に配置した四方弁(2
0)は、熱交換器(４)からの戻り路(23)が圧縮機(16)の吸
入ポート(24)に接続し、圧縮機(16)の吐出ポート(25)が
凝縮器(19)に接続する製氷工程と、熱交換器(４)からの
戻り路(23)が圧縮機(16)の吐出ポート(25)に接続し、圧
縮機(16)の吸入ポート(24)が凝縮器(19)に接続する加熱
工程とに制御装置(26)からの指令で切り換わるように構
成してある。

【００１２】また、エネルギー貯蔵部(３)にはパイプ式
の電熱ヒータ(27)が配置してあり、このヒータ回路(28)
に電源(29)と切換スイッチ(30)とが介装してあり、この
切換スイッチ(30)は制御装置(26)からの指令で断続切り
換えされるように構成してある。

【００１３】制御装置(26)には熱交換部(２)に配置され
ている熱交換器(４)に対応させて配置した着氷厚み検出
センサーからのリード線が接続してある。そして、この
着氷厚み検出センサーは熱交換器プレート同士間にプレ
ート表面から一定間隔へだてて配置してあり、プレート
表面に付着した氷が一定厚みになったことを検出して制
御装置(26)に信号を伝達するようになっている。また、
この制御装置(26)には時計機能を有するタイマーと３つ
の経過時間測定タイマーが組み込んであり、この３つの
タイマーの内の１つに製氷時間を設定し、他のタイマー
に脱氷用加熱時間を設定し、残る一つに暖房時での切換
時間が設定してある。

【００１４】以上の構成からなる冷暖房装置の作動を説
明する。 （１）冷房時 この冷暖房装置は、夜間電力供給時間を利用して製氷工
程と解氷工程を繰り返して冷熱を蓄熱し、昼間に蓄熱し
た冷熱を利用して冷房するようにしてある。 (a) 製氷工程 製氷工程時には、ヒートポンプ回路(17)に配置した四方
弁(20)は、熱交換器(４)からの戻り路(23)が圧縮機(16)
の吸入ポート(24)に接続し、圧縮機(16)の吐出ポート(2
5)が凝縮器(19)に接続する状態になっている。この状態
では、圧縮機(16)で圧縮されたホットガスは、四方弁(2
0)を介して凝縮器(19)に送り込まれ、ここで放熱して液
化し、膨張弁ユニット(18)で膨張減圧されてコールドガ
スの状態で熱交換器(４)に流入する。

【００１５】一方、蓄熱槽(１)のエネルギー貯蔵部(３)
に貯蔵されている熱移送液は送液ポンプ(８)で散液管
(５)に送り込まれ、散液管(５)から熱交換器(４)に向け
て噴出される。この噴出された熱移送液は熱交換器(４)
の表面を流下して熱交換器(４)内を流れるコールドガス
と熱交換する。運転開始後しばらくの間は、熱移送液は
冷却されて液温が低下するだけであるが、液温が凝固点
温度になると、熱交換器(４)のプレート表面に氷着を開
始する。そして、氷着した氷の厚みが所定の厚さになっ
たことを着氷厚み検出センサーが検出すると、制御装置
(26)が作動して四方弁(20)を切り換える。なお、厚みセ
ンサーが所定厚みを検出する前に製氷時間設定タイマー
が設定時間に達すると、制御装置(26)が作動して四方弁
(20)を切り換えるように構成してある。

【００１６】(b) 解氷工程 解氷工程では、熱交換器(４)からの戻り路(23)が圧縮機
(16)の吐出ポート(25)に接続し、圧縮機(16)の吸入ポー
ト(24)が凝縮器(19)に接続することにより、熱交換器
(４)に圧縮機(16)で圧縮されたホットガス冷媒が直接流
入する。そして、四方弁(20)の切換わりにより制御装置
(26)に配置されている解氷時間設定タイマーが作動を開
始する。この圧縮されたホットガスは圧縮熱を保有して
いることから、このホットガスが保有している熱により
熱交換器(４)のプレート表面に付着している部分を融解
して脱氷する。脱氷した氷は貯氷部(３)に落下するが、
このとき、生成された氷は過冷却氷にならず氷点付近の
温度であることから、落下貯氷時は板状が崩れエネルギ
ー貯蔵部(３)内ではスラッシュ状になる。解氷時間設定
タイマーが設定時間に達すると四方弁(20)を切り換えて
製氷工程に切り換わる。

【００１７】(C) 冷房工程 冷房工程では、ヒートポンプを作動させた状態で熱移送
液取出路(９)を作動させてエネルギー貯蔵部(３)に貯蔵
されている低温の熱移送液を冷暖房負荷(11)に送り込
み、ここで低温熱移送液は室内空気と熱交換して温度上
昇し、冷暖房負荷(11)で冷熱エネルギーを放出した熱移
送液は返送路(13)により蓄熱槽(１)内の熱交換部(２)に
配置した散液管(６)に供給され、熱交換器(４)に向けて
噴出される。この熱交換部(２)に噴出した二次冷媒液は
熱交換器(４)を流下する間に熱交換器(４)内を流れるコ
ールドガスと熱交換して、冷却された状態でエネルギー
貯蔵部(３)に戻る。

【００１８】なお、この冷房工程では、二次冷媒液の送
給路に配置した混合弁(12)でエネルギー貯蔵部(３)から
送り出されて来た低温の熱移送液と冷暖房負荷(11)から
の返送される放冷した熱移送液とを混合して冷暖房負荷
(11)に流入する熱移送液の液温を調整するようにしてあ
る。

【００１９】（２）暖房時 この冷暖房装置は、夜間電力供給時間を利用して加熱工
程で蓄熱槽に温水として蓄熱し、昼間に蓄熱した温熱を
利用し暖房するようにしてある。 (d) ヒートポンプ蓄熱工程 暖房時の蓄熱工程では、熱交換器(４)からの戻り路(23)
が圧縮機(16)の吐出ポート(25)に接続し、圧縮機(16)の
吸入ポート(24)が凝縮器(19)に接続することにより、熱
交換器(４)に圧縮機(16)で圧縮されたホットガスが流入
する。この圧縮されたガス冷媒は凝縮器での大気からの
集熱するとともに圧縮機での圧縮熱を保有していること
から、このホットガスが保有している熱により熱交換器
(４)のプレート表面を流下する熱移送液と熱交換して熱
移送液を加熱する。そして、運転開始後一定時間(例え
ば２時間)が経過して熱移送液の液温が４５〜５０℃に
なると、ヒートポンプ(15)の運転を停止するとともに、
ヒータ回路(28)の切換スイッチ(30)を導通状態に切り換
える。なお、タイマーとともにエネルギー貯蔵部に温度
センサーを設け、この温度センサーが所定温度(４５℃)
を検出した際にヒートポンプの運転を停止するととも
に、ヒータ回路(28)を導通させるようにしてもよい。

【００２０】(e) ヒータ加熱工程 この電熱ヒータ(27)の加熱を夜間電力期間の残存時間継
続する。このヒータ加熱により、蓄熱槽(１)内の熱移送
液を４５℃程度から８０℃程度まで昇温させて熱水の状
態で熱エネルギーを蓄積する。

【００２１】(f) 暖房工程 暖房工程では、ヒートポンプを作動させた状態で熱移送
液取出路(９)を作動させてエネルギー貯蔵部(３)に貯蔵
されている高温の熱移送液を冷暖房負荷(11)に送り込
み、ここで高温熱移送液は室内空気と熱交換して温度低
下し、冷暖房負荷(11)で温熱エネルギーを放出した熱移
送液は返送路(13)により蓄熱槽(１)内の熱交換部(２)に
配置した散液管(６)に供給され熱交換器(４)に向けて噴
出される。この熱交換部(２)に噴出した熱移送液は熱交
換器(４)を流下する間に熱交換器(４)内を流れるホット
ガスと熱交換して、加温された状態でエネルギー貯蔵部
(３)に戻る。

【００２２】なお、この暖房工程では、熱移送液の送給
路に配置した混合弁(12)でエネルギー貯蔵部(３)から送
り出されて来た高温の熱移送液と冷暖房負荷(11)からの
返送される放熱した熱移送液とを混合して冷暖房負荷(1
1)に流入する熱移送液の液温を調整するようにしてあ
る。

【００２３】

【発明の効果】本発明では、蓄熱槽の内部に熱交換部と
エネルギー貯蔵部とを上下に連続して形成し、熱交換部
に熱交換器を配置するとともに、この熱交換器にヒート
ポンプのガス圧縮機を接続して閉ループのガス循環回路
を形成し、熱交換部での熱交換器の上側に散液管を配置
し、この散液管にエネルギー貯蔵部から導出した導液管
を接続して液媒体循環路を形成し、ヒートポンプのガス
循環回路に四方弁を配置し、この四方弁の切換えで熱交
換器にガス圧縮機からホットガスを直接供給する状態
と、ホットガスを凝縮器及び膨張弁ユニットを介して供
給する状態とに切り換え可能に構成してあるので、冷房
時にはホットガスを凝縮器及び膨張弁ユニットを介して
熱交換器に供給する状態に四方弁を切り換えることによ
り、熱交換器内を流れるコールドガスとの熱交換で熱移
送液を冷却し、氷と液体の混合状態で冷熱を貯蔵するこ
とができる。

【００２４】また、エネルギー貯蔵部に電熱ヒータを配
置してあるので、暖房時には、熱交換器にガス圧縮機か
らホットガスを直接供給する状態に四方弁を切り換える
ことにより、ホットガスの保有熱で熱移送液を加熱する
とともに、電熱ヒータで加熱をすることができ、大きな
温熱エネルギーを熱水の状態で貯蔵することができる。
そして、この暖房時には、運転開始後一定時間はヒート
ポンプで熱移送液を加熱し、その後ヒートポンプに変え
て電熱ヒータでエネルギー貯蔵部に貯溜されている熱移
送液を加熱するようにしていることから、夜間の同じ電
力で熱移送液の液温をヒートポンプだけで昇温する場合
よりも高くすることができる。これにより、早朝などの
暖房負荷が過大となる時期に大きなエネルギー貯蔵部の
大きな蓄積熱エネルギーを使用することが出来るから、
容積の小さい蓄熱槽で十分対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】氷蓄熱式冷暖房装置の系統図である。

【符号の説明】

１…蓄熱槽、 ２…熱交換
部、３…エネルギー貯蔵部、 ４…熱交
換器、５…散液管、 ８…蓄
熱用熱移送液循環路、15…ヒートポンプ、
16…ガス圧縮機、17…ヒートポンプ回路、
20…四方弁、19…凝縮器、
20…膨張弁ユニット、27…電熱ヒータ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 夜間電力を利用して蓄熱槽(１)内の熱移
   送液に熱エネルギーを貯蔵し、この貯蔵された熱エネル
   ギーを昼間に冷暖房に使用する冷暖房装置において、 蓄熱槽(１)の内部に熱交換部(２)とエネルギー貯蔵部
   (３)とを上下に連続して形成し、熱交換部(２)に熱交換
   器(４)を配置するとともに、この熱交換器(４)にヒート
   ポンプ(15)のガス圧縮機(16)を接続して閉ループのヒー
   トポンプ回路(17)を形成し、熱交換部(２)での熱交換器
   (４)の上側に散液管(５)を配置し、この散液管(５)にエ
   ネルギー貯蔵部(３)から導出した導液管を接続して蓄熱
   用熱移送液循環路(８)を形成し、ヒートポンプ(15)のヒ
   ートポンプ回路(17)に四方弁(20)を配置し、この四方弁
   (20)の切換えで熱交換器(４)にガス圧縮機(16)からホッ
   トガスを直接供給する状態と、ホットガスを凝縮器(19)
   及び膨張弁ユニット(18)を介して供給する状態とに切り
   換え可能に構成し、エネルギー貯蔵部(３)に電熱ヒータ
   (27)を配置したことを特徴とする氷蓄冷熱式冷暖房装
   置。
2. 【請求項２】 熱交換器(４)をプレート式熱交換器で構
   成し、伝熱プレート同士間に付着氷の厚みセンサーを配
   置し、この厚みセンサーが氷の付着量が一定厚さ異常に
   なったことを検出することにより四方弁(20)を切換えて
   熱交換器(４)から氷を離脱させるようにした請求項１に
   記載の氷蓄冷熱式冷暖房装置。
3. 【請求項３】 夜間電力を利用して蓄熱槽(１)内の液媒
   体に熱エネルギーを貯蔵し、この貯蔵された熱エネルギ
   ーを昼間に冷暖房に使用する冷暖房方法において、 蓄熱槽(１)内に熱交換部(２)とエネルギー貯蔵部(３)と
   を上下に連続して形成し、この熱交換部(２)に配置した
   熱交換器(４)とヒートポンプ(15)のガス圧縮機(16)とを
   接続したヒートポンプ回路(17)に四方弁(20)を配置し、
   四方弁(20)の切換えで熱交換器(４)にコールドガスとホ
   ットガスとを切換供給可能に構成するとともに、エネル
   ギー貯蔵部(３)に電熱ヒータ(27)を配置し、熱交換器
   (４)にホットガスを供給する暖房使用時に、ヒートポン
   プ(15)を一定時間運転してエネルギー貯蔵部(３)に貯蔵
   した液体に温熱を蓄熱したのち、ヒートポンプ(15)の運
   転を停止するとともに電熱ヒータ(27)に切換通電するこ
   とを特徴とする氷蓄熱式冷暖房装置の運転方法。