JPH0585816B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、夜間電力を利用して得られた蓄冷・
蓄熱源を昼間の冷暖房運転の熱エネルギーとして
利用し、冷暖房コストの低減を図つた潜熱利用の
冷暖房方法に関する。

「従来の技術」 夏期の冷房において夜間電力を使用することは
電力負荷平準化に役立つものとして特に奨励され
ており、従来より安価な深夜電力を利用して冷凍
機を運転して、昼間の冷房分を氷の潜熱てアイス
バンク等の蓄冷槽に蓄冷と、昼間冷房運転時は、
その冷房負荷をそのまま冷凍機に負わさずに、主
として氷潜熱で冷房を行い、一方、冬期暖房時に
は前記冷凍機はヒートポンプとして稼働し、夜間
電力で温水を作り、これを地下に据え付けた大き
な蓄熱槽に蓄熱し、該蓄熱槽内の熱エネルギーを
利用して昼間の暖房運転を行う、いわゆる深夜電
力利用型の冷暖房システムは公知である。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら夏期冷房における蓄熱槽と異な
り、冬期暖房の為に使用する蓄熱槽は顕熱利用で
ある為に、蓄熱槽より相当大なる容積を必要と
し、強度上及び保温の面より機械設備と隔離して
地下設置となる為に、地下タンクを設ける為の建
築コストが大になるのみならず、圧縮機その他の
機械設備とを接続する為の配管工事費が余分にか
かる。

又ビル冷暖房では前記機械設備を一般に屋上に
配置するのが常であるが、前記のような構成を取
ると、湯水の為のポンプ動力が余計にかかり、運
転コストも大になる。

又機械設備を下に置くと冷媒配管が複雑とな
り、やはり効率が良くない。

一方蓄冷槽を冬期における蓄熱槽としての兼用
利用が出来れば前記欠点は解消されるが、蓄冷槽
はその融点温度が０℃であり、前記冬期暖房に温
水蓄熱として利用する温度域が異なり、熱量が不
足する為に兼用が不可能であり、どうしても冬期
暖房の温水蓄熱が可能な蓄熱槽を蓄冷槽と別個に
必要となる。

又前記欠点を少しでも解消する為に、蓄冷槽と
温水貯湯とを兼用して利用する事も考えられる
が、このように構成すると冷凍機の動力及び能力
をその分過大に見込まねばならず、やはり設置費
用と運転コストが大になる。

この為、夜間電力を利用して得られた蓄冷・蓄
熱源を昼間の冷暖房運転の熱エネルギーとして利
用する冷暖房システムが冷暖房コストの面からも
又、電力利用の平準化の面からも有利であり、社
会的要請の適つているにも拘らず、昼間のみに冷
暖房運転を行う冷暖房システムからの転換が中々
進まないのが現状であつた。

次に参考までに昼間のみに冷暖房運転を行う冷
暖房システムの問題を圧縮効率の面から検討して
みるに、冬期暖房時におけるヒートポンプによる
暖房運転は、外気熱源で蒸発温度がマイナス以
下、例えば冬期外気温度が−５℃の場合ヒートポ
ンプシステムの蒸発温度（−10℃）となり、又加
温温水温度50℃必要である為に凝縮温度（55℃）
となり、両者の差はΔt65℃あり、高い圧縮比を
必要とする。一方夏期冷房時では冷房システムの
蒸発温度が−５℃、空冷凝縮温度40℃でその差が
Δt45℃である為、圧縮比は冬期暖房時に比して
小となる。

従つて前記冷暖房システムに単段圧縮機を用い
た場合の動力比較を行うと、前記条件では、暖房
動力が冷房動力より二割以上大になる為に、冷凍
機の動力はヒートポンプの最大圧縮比で決めなけ
ればならず、この結果、冷房時における圧縮機の
動力力率が低下し、年間余分な契約となり、電力
コストがその分余計にかかることとなり、又、圧
縮比のアンバランスによる動力の不均衡により過
大動力となる恐れもある。

本発明は従来技術のかかる欠点を解消し、深夜
電力利用によるコストダウンを図りつつも、冷房
及び暖房時のいずれにも潜熱利用を図ることによ
り、システム全体の小型化を図り、この結果、小
容積化と共に建設コストの大幅低減を図つた冷暖
房システムを提供することを目的とする。又本発
明の他の目的とする所は、前記蓄冷槽と蓄熱槽を
一体化して冷房時の蓄冷と暖房時の蓄熱のいずれ
にも利用可能に構成し、従つて、圧縮機その他の
機械設備と前記一体化した蓄冷・熱槽を屋上等に
ユニツト化及びパツケイジ化して設置することが
出来、この結果、一層の小容積化と配管工事費用
の低減、ポンプ動力その他の運転コストの低減化
を図つた冷暖房システムを提供することにある。

「問題点を解決しようとする手段」 本発明はかかる技術的課題を達成する為に、夜
間電力を利用して得られた蓄冷・蓄熱源を昼間の
冷暖房運転の熱エネルギーとして利用する冷暖房
方法において、 氷潜熱と10〜30℃の常温付近の潜熱の複数の潜
熱を蓄熱した蓄熱槽と、該蓄熱槽により熱交換さ
れる冷媒の圧縮を行なう単段圧縮機とを具えたヒ
ートポンプ装置を用い、 夏期冷房時においては、夜間に15〜30℃前後の
外気熱源を取入れて前記単段圧縮機の冷凍サイク
ル運転により、前記蓄熱槽内に氷潜熱を蓄冷した
後、昼間冷房時において、前記蓄冷熱槽に蓄冷し
た氷潜熱を利用して清水若しくはブラインを循環
させて冷房運転を行い、 一方冬期暖房時においては、 夜間に外気熱源を蒸発熱として利用して前記単
段圧縮機のヒートポンプサイクル運転により前記
蓄冷熱槽に15〜30℃の中間温度の熱源を潜熱とし
て蓄熱する実質的な低段圧縮を行つた後、次に昼
間時において前記中間温度に蓄熱した潜熱を蒸発
熱として前記単段圧縮機のヒートポンプサイクル
運転により実質的に高段圧縮を行つて約40〜60℃
前後の暖房負荷を得、これにより夜間と昼間の温
度差を効果的に利用して単段圧縮機による時間差
二段圧縮運転を行う事を特徴とする冷暖房方法を
提案する。

この場合、冬期暖房時に使用される氷潜熱を蓄
冷する、蓄冷槽等の氷潜熱を利用し蓄冷槽内に、
冬期暖房時に使用される常温付近の融点を有する
潜熱蓄熱剤、例えば樹脂系カプセル内に潜熱蓄熱
剤を封入したものを充填することにより、蓄冷・
熱槽の共用化が図られる。

又前記蓄冷槽は、略常温付近の融点を有する潜
熱蓄熱剤を封入したカプセルと清水を封入したカ
プセルとを混在又は積層して構成してもよく、こ
の場合は前記蓄冷槽とチラー間は不凍液で循環す
るよう構成するのが好ましい。

更に冬期暖房時における熱エネルギーの蓄積に
はソーラ温水器を用いることも可能であり、前記
蓄冷熱槽とソーラ温水器とを連通して構成するこ
とも可能である。

「作用」 かかる発明によれば、特に冬期暖房時におい
て、外気熱源とするヒートポンプ運転が15〜30℃
の常温付近の潜熱として蓄熱させる為に、二段圧
縮機の低段側圧縮運転となり、一方この蓄熱を昼
間において高段圧縮機の熱源として利用して暖房
に使用する加温温水温度50℃まで上昇させるもの
まである為に、時間差を介して実質的な二段圧縮
運転となり、圧縮効率と動力コストの大幅低減が
可能であり、而も時間差を介して運転を行う為
に、単一の圧縮機を二度使用することにより単段
圧縮機でも二段圧縮運転が可能となり、装置の小
型化が可能である。

又、本発明によれば、冬期夏期いずれも潜熱利
用が可能である為に、特に冬期暖房時の蓄熱槽を
従来技術に比して大幅に小型化が可能となり、而
も前記蓄熱槽を夏期冷房時に使用する蓄冷槽内に
常温付近の融点を有する潜熱蓄熱剤を封入したも
のを充填することにより、単一の蓄冷熱槽により
前記夜間電力を利用した冷暖房が可能となり、こ
の結果、小型化した単一の蓄冷熱槽を前記圧縮機
等の機械設備と共に、ビルの屋上等に設置しても
建築強度上何等問題とならず、建設費の大幅低
減、揚水を行うポンプ動力の不要化、配管の簡略
化等が達成出来、運転コスト及び保守コストも大
幅に低減が可能である。

即ち本発明は冬期暖房時は夜間と昼間の温度差
と蓄熱槽を効果的に利用して単段圧縮機を用いて
実質的な二段圧縮を行なうものであり、これによ
り単一の単段圧縮機自体２段圧縮機以上の消費動
力の低減が可能であるとともに、一方夏期暖房時
は夜間の単段圧縮運転を行なう事により、言換え
れば一方は二段圧縮、他方は単段圧縮を行なう事
により夏期冷房時（圧縮比が低いために実質的に
１段圧縮）との間で負荷バランスの解消を図つて
いるものである。

又夏期冷房時は昼間の高い温度から冷房を行な
うのではなく、夜間の低い温度から冷房用の潜熱
蓄熱を行なうものである為に、夜間電力のコスト
低減のみならず運転動力自体低減も図られ、二重
の節減につながる。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を
例示的に詳しく説明する。ただしこの実施例に記
載されている構成部品の寸法、材質、形状、その
相対配置などは特に特定的な記載がない限りは、
この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではな
く、単なる説明例に過ぎない。

第３図は本発明に使用される蓄冷熱槽５で、公
知の如く、該槽５内には蒸発器として又凝縮器と
しても機能するコイル管７がヘアーピン状に回転
配置されると共に、槽５上部にスプレー部２５を
配置して構成される。

又槽５内には略直径30〜80mmの球状ボール２９
が充填されており、該ボール２９内には融点が20
〜22℃、融解潜熱が35〜37Kcal／cm²を有する
CaCl₂・6H₂Ｏなどの潜熱蓄熱材が封入されてい
る。

尚、前記CaCl₂・6H₂Ｏは単一で用いてもよく、
又触媒を混入して融点が20〜22℃、25〜26℃、28
〜29℃になるように形成し、かかる潜熱剤を充填
した球状ボール２９を順次積層して三段に分けて
配置してもよい。この場合は前記スプレー部２５
より清水を噴霧し、コイル管７の外面に結氷を作
るよう構成する。この結果、低融点触媒又は高融
点触媒を前記に所定の割合で添加する事により前
記潜熱温度を10〜30℃の範囲で自由に形成出来
る。

（第１実施例） 又、前記球状ボール２９内に、清水を封入した
ものと、CaCl₂・6H₂Ｏの潜熱剤を封入したもの
を夫々上層部と下層部とに半々に分けて充填させ
て構成してもよく、この場合は前記スプレー部２
５より不凍液を噴霧するよう構成する。（第２実
施例） 尚、前記蓄熱槽に充填されるカプセルは球状ボ
ール２９以外に樹脂又は熱伝導性の良い金属で形
成された円筒形状又はその他の形状のカプセルを
用いても良い。

第１図はかかる蓄冷熱槽５を用いた本発明の実
施例で、 先ず清水又はブラインの循環経路について説明
するに、２１は清水又は不凍液からなるブライン
を循環させる循環ポンプ、４は熱交換器を内蔵す
るチラー４で、負荷と接続された配管２０、三方
切換弁２７、戻り管２３を経て、チラー４により
一次冷却された後、三方切換弁２８、配管２４を
経て蓄冷熱槽５に戻り、夏期冷房時及び冬期暖房
時における夜間運転時（低段側圧縮運転）の循環
経路を構成する。

一方、冬期暖房時における昼間運転時（高段側
圧縮運転）においてはポンプ２２とバイパス管２
６により蓄冷熱槽５を通る循環経路とチラー４を
通る循環経路とを夫々個別に形成し、蓄冷熱槽５
側ではコイル管７を蒸発器として、又チラー４側
では凝縮器として夫々機能させる。

尚、５０はソーラ温水器で、循環ポンプ２１の
出口側の配管２０を分岐させてスプレー部２５と
接続し、冬期の清水又はブライン加温時、圧縮機
１と共に該清水又はブラインをソーラ温水器５０
にて加温させ、圧縮機１の負荷低減と電力コスト
の低減を図る。

次に冷媒循環系を説明するに、１は圧縮機、２
は内部に熱交換器３が内蔵された外気熱源凝縮器
兼蒸発器で、四方切換弁１７、三方切換弁１８，
１９及び膨張弁８，８−１、８−２を介して、前
記蓄冷熱槽５のコイル管７及びチラー４内熱交換
器６と配管９〜１６を介して接続され、前記四方
切換弁１７と三方切換弁１８，１９を適宜切り替
えることにより後記する所定の冷媒循環経路を構
成する。

かかる構成に基づく作用を夏期冷房時と冬期暖
房時に分けて説明する。

Ａ 夏期冷房時 Ａ−１ 夜間の熱エネルギー蓄熱 先ず蓄冷熱槽５の清水又はブライン循環経路
を、ポンプ２１、バイパス管２２によりバイパス
させると共に、冷媒側で冷凍サイクルを構成し、
前記蓄冷熱槽５に氷潜熱を蓄冷する。

即ち第１実施例において、バイパス管２２によ
り負荷側を通らない閉回路を循環する清水は先ず
チラー４内の熱交換器６（蒸発器）で０℃以上の
一次チラー温度で冷却され、配管２４を通つて蓄
冷熱槽５内のスプレー部２５よりの散水はコイル
管７を（蒸発器）をどぶ付け浸漬により二次冷却
し、凍結点以下の温度でコイル管７外面に結氷す
る。この場合においてカプセル内の蓄熱剤２９の
CaCl₂・6H₂Ｏは固化状態にあり、顕熱として０
℃以下に保冷されることとなる。

一方コイル管７内の奪熱された冷媒は、配管１
４より三方切換弁１８、四方切換弁１７、三方切
換弁１９、を経て圧縮機１により圧縮された後、
外気熱源式凝縮器兼蒸発器２の熱交換器３内に入
り、ここで凝縮された後、膨張弁８ ８−２を介
して蓄冷熱槽５内のコイル管７とチラー４内の熱
交換器６で蒸発気化し、前記清水を冷却する。以
下これを繰り返して氷潜熱の蓄冷と球状ボール２
９の顕熱蓄冷を行う。

尚、夜間の外気温度は昼間の外気温度より低い
為に、昼間冷房に比して低い圧縮比率で足り而も
安い深夜電力を使用する為、前記蓄冷の為の電力
コストは低くて済む。

又、第２実施例の場合はスプレー部２５より噴
霧される不凍液自体ではなく球状ボール２９内に
封入された清水が氷潜熱として蓄冷されることと
なる。

Ａ−２ 昼間の冷房運転 昼間は三方切換弁２７を負荷側に切り替え、循
環ポンプ２１により蓄冷熱槽５−負荷−チラー４
間を清水又はブラインが循環するよう構成し、昼
間圧縮機１を停止させる。

そして循環ポンプ２１を運転することにより、
負荷側で冷房に使われた清水は、戻り管２３より
チラー４を経て、又直接、蓄冷熱槽５上部よりス
プレーされ、氷の潜熱と冷水及び球状ボール２９
の顕熱の夜間貯えられた蓄冷剤により繰り返し冷
却され、所定の冷房運転がなされる。

この場合は圧縮機１の昼間運転停止により、電
力コストの低減に加えて夏期の冷房ピークカツト
による電力平準化に役立つ。

又前記圧縮機１は停止させずにチラー４の熱交
換器６のみの冷房運転を行つてもよい。

即ち、前記蓄冷熱槽５内で冷却された清水又は
ブラインは負荷側で冷房を行つた後、チラー４に
より一次冷却された後、三方切換弁２８、配管２
４を経て蓄冷熱槽５に戻り、コイル管７に結氷し
た氷潜熱により二次冷却され、以下これを繰り返
して冷房運転を行うものである。

従つてかかる場合においても昼間冷房において
は前記蓄冷熱槽５内に結氷した清水（コイル管７
表面又は球状ボール２９内）、の氷潜熱を利用し
て二次冷却を行う為に、圧縮機１側の冷凍サイク
ルはチラー４のみの冷却で足り、而も該チラー４
は０℃以上の一次冷却を行う為に、低い圧縮比で
足り、電力コストの大幅低減が可能である。

Ｂ 冬期暖房時 Ｂ−１ 夜間の熱エネルギー蓄熱 一方、冬期暖房時加熱運転はヒートポンプ運転
により圧縮機１が夜間運転され、外気熱源により
蒸発器兼凝縮器２の熱交換器３（蒸発器）により
吸熱された冷媒は圧縮機１により圧縮された後、
四方切換弁１７の点線を経て配管１４，１５より
コイル管７及び熱交換器６に導入され、配管２０
〜２４内を循環する清水又は不凍液により凝縮熱
を放出する。

そして前記凝縮熱により加温された清水又は不
凍液がスプレー部２５より噴霧されることによ
り、球状ボール２９体に封入されているCaCl₂・
6H₂Ｏに、二段圧縮における低段圧縮側の凝縮温
度即ち中間温度で前記20〜30℃前後の潜熱と顕熱
を含む常温域に熱エネルギーが蓄熱される。

Ｂ−２ 昼間の暖房運転 昼間は三方切換弁２７を負荷側に切り替え、蓄
冷熱槽５のコイル管７を蒸発器として、又チラー
４側の熱交換器６を凝縮器として使用すると共
に、三方切換弁２８を切り替え、ポンプ２１とバ
イパス管２６により蓄冷熱槽５を通る循環経路と
チラー４を通る循環経路とを夫々個別に形成す
る。

そして前記構成により、前記夜間運転により蓄
熱された20〜30℃前後の潜熱と顕熱を含む熱エネ
ルギーを熱源とし、チラー４側の暖房負荷と循環
する循環経路内の清水又は不凍液を、暖房に必要
な50℃前後まで加温するヒートポンプサイクルが
構成され、低い圧力比による圧縮運転で暖房運転
が可能となり、従つて電力コストの安い深夜電力
を効率的に利用した時間差を有する二段圧縮運転
となり、昼間の電力消費量を大幅に低減し、電力
平準化を可能ならしめると共に、全体としても電
力コストが少なくて済む。

第２図は二段圧縮機を用いた他の実施例を示
す。

二段圧縮機は、低段側圧縮機１−１と高段側圧
縮機１−２を備え、低段側圧縮機１−１側の吐出
管３３は蓄冷熱槽５内のコイル管７に連通し、一
方、該コイル管７の出口側は分岐して高段側圧縮
機１−２側の吸入管１４と、膨張弁８−２を介し
てチラー４内の熱交換器と夫々連通している。又
高段側圧縮機１−２側の吐出管９はチラー４内の
熱交換器６の他端と連通している。

かかる実施例においても前記第１実施例と同様
な効果が得られるが、冬期暖房時の昼間運転にお
いてピストン押しのけ量の小さい高段側圧縮機１
を用いて運転を行う為に、圧縮効率と動力バラン
スが一層向上する。

第４図は本発明の比較実施例で、前記第１図に
記載した実施例とほぼ同一構成であるので第１図
との差異を中心に説明する。蓄熱槽５′内に充填
された球状ボール２９′内には融点が55℃前後に
設定したパラフインを主成分とする蓄熱剤が封入
されており、一方圧縮機１′にはコンパウンド形
の二段圧縮機を用いる。

そしてかかる実施例においては、夏期冷房時は
前記第１実施例と全く同一の作用により夜間の熱
エネルギー蓄熱と昼間の冷房運転を行う。

一方冬期暖房時においては、先ず夜間の熱エネ
ルギー蓄熱二段圧縮機のヒートポンプ運転によ
り、外気熱源により蒸発器兼凝縮器２の熱交換器
３（蒸発器）により吸熱された冷媒は圧縮機１に
より二段圧縮された後、蓄熱槽５のコイル管７に
導入され、配管２０〜２４内を循環する清水又は
不凍液にを介して60℃前後の凝縮熱を球状ボール
２９′内に封入されているパラフインその他の潜
熱蓄熱材に伝熱し、前記パラフインを液化させ、
50〜60℃前後の潜熱と顕熱を含む熱エネルギーを
蓄熱させる。

そして昼間の暖房運転においては、昼間は三方
切換弁２７を負荷側に切り替え、循環ポンプ２１
により蓄冷熱槽５−負荷−チラー４を清水又はブ
ラインが循環するよう構成し、二段圧縮機１′を
停止状態で、循環ポンプ２１を運転することによ
り、清水又は不凍液を熱媒体として前記蓄熱剤２
９′と暖房負荷との熱交換により暖房運転が行わ
れる。

従つて本実施例においては夏期冷房時と同様に
冬期暖房時においても圧縮機を昼間使用すること
なく、深夜電力のみの利用で可能となり、より一
層の深夜電力利用が可能となる。

「発明の効果」 以上記載の如く本発明は、冬期夏期いずれも潜
熱利用が可能である為に、特に冬期暖房時の蓄熱
槽を従来技術に比して大幅に小型化が可能とな
り、該蓄熱槽を地下ではなく屋上に設置可能とな
り、建設費の大幅低減、揚水を行うポンプ動力の
不要化、配管の簡略化等が達成出来、運転コスト
及び保守コストを大幅に低減させることが出来
る。

又本発明によれば、夏期冷房時に使用する蓄冷
槽と前記蓄熱槽を一体化することも可能であり、
より一層の小型化が可能となり、該単一の蓄冷熱
槽を前記圧縮機等の機械設備と共に、ビルの屋上
等に設置しても建築強度上何等問題とならず、既
存のビルにおいても簡単に改造が可能となる。

又本発明によれば前記蓄熱槽の小型化が達成さ
れたが故に、時間差を介して実質的な二段圧縮運
転を行う冷暖房システムの実用化が容易になり、
この結果、圧縮効率と動力コストの大幅低減が可
能となつた。

等の種々の著効を有す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る冷暖房システム
の概略説明図、第２図は他の実施例に係る冷暖房
システムの概略説明図、第４図は本発明の比較実
施例に係る冷暖房システムの概略説明図、第３図
は前記夫々の実施例に使用される蓄冷熱槽の概略
断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 夜間電力を利用して得られた蓄冷・蓄熱源を
   昼間の冷暖房運転の熱エネルギーとして利用する
   冷暖房方法において、 氷潜熱と10〜30℃の常温付近の潜熱の複数の潜
   熱を蓄熱した蓄熱槽と、該蓄熱槽により熱交換さ
   れる冷媒の圧縮を行なう単段圧縮機とを具えたヒ
   ートポンプ装置を用い、 夏期冷房時においては、夜間に15〜30℃前後の
   外気熱源を取入れて前記単段圧縮機の冷凍サイク
   ル運転により、前記蓄熱槽内に氷潜熱を蓄冷した
   後、昼間冷房時において、前記蓄冷熱槽に蓄冷し
   た氷潜熱を利用して清水若しくはブラインを循環
   させて冷房運転を行い、 一方冬期暖房時においては、 夜間に外気熱源を蒸発熱として利用して前記単
   段圧縮機のヒートポンプサイクル運転により前記
   蓄冷熱槽に15〜30℃の中間温度の熱源を潜熱とし
   て蓄熱する実質的な低段圧縮を行つた後、次に昼
   間時において前記中間温度に蓄熱した潜熱を蒸発
   熱として前記単段圧縮機のヒートポンプサイクル
   運転により実質的に高段圧縮を行つて約40〜60℃
   前後の暖房負荷を得、これにより夜間と昼間の温
   度差を効果的に利用して単段圧縮機による時間差
   二段圧縮運転を行う事を特徴とする冷暖房方法。