JPH07117258B2 - ビル空気調和システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、ビル空気調和システムに関する。

＜従来の技術＞ ビル空気調和システムとしては、近年、24時間個別に使
用できるようにすることが望まれ、従来一般に、各階の
各部屋それぞれに、室内側熱交換器を備えた個別の室内
機を設けるとともに、階層に相当する個数分の室外機を
ビルの屋上などに集めて設け、室外機それぞれに備えら
れた圧縮機および本体側熱交換器と、それに対応する室
内機に備えられた室内側熱交換器とを冷媒回路を介して
連通接続し、冷媒回路内にフロンガスなどの冷媒を封入
するとともに、その冷媒を循環流動することにより、各
部屋ごとに個別に冷房や暖房を行うことができるように
構成していた。

ところが、高層ビルのように多数階層分の室外機を設置
しようとすると、屋上全体が室外機で占有されるなど、
大きな設置スペースを確保しなければならない不都合が
あり、また、室外機それぞれに圧縮機が必要な上に、そ
れらの室外側熱交換器と室内側熱交換器とを連通接続す
るパイプ本数が多くなるとともにパイプを通す大きなス
ペースが必要になり、全体としてのイニシャルコストが
増大し、更に、多くの圧縮機を駆動するためにランニン
グコストも増大して不経済になる欠点があった。

そこで、例えば、冷房の場合で説明すれば、屋上に冷房
用の熱源を設け、その冷房用の熱源と、すべての階それ
ぞれの室内側に設けた個別の空気調和機の室内側熱交換
器とを、冷媒回路と屋上側に設けた凝縮器とを介して連
通接続するとともに、その冷媒回路内に、室内側熱交換
器での熱交換に伴って液体から蒸気に相変化するような
冷媒を封入し、室内側熱交換器で相変化した蒸気を凝縮
器側に上昇させ、一方、その蒸気を凝縮器で凝縮して液
体に変化させ、その液体を室内側熱交換器に重力でもっ
て移送するように、即ち、相変化を利用した自然循環方
式によって冷媒を流動させるように構成し、冷媒圧送の
ための圧縮機を不用にするとともに、階層分に対応する
室外機の設置を不用にし、各部屋を個別に冷房できるも
のでありながら、イニシャルコストおよびランニングコ
ストのいずれをも低減できるようにしたものが考えられ
ている。

なお、暖房の場合であれば、暖房用熱源を地下側に設
け、その暖房用の熱源と、すべての階それぞれの室内側
に設けた個別の空気調和機の室内側熱交換器とを、冷媒
回路と地下側に設けた蒸発器とを介して連通接続し、上
述同様に相変化を利用した自然循環方式によって冷媒を
流動させるように構成するものである。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、上述のような構成のものでは、各階に設
けられた空気調和機の室内側熱交換器それぞれと冷媒回
路との連通接続箇所のうちの一箇所とか、あるいは、冷
媒回路を構成する配管の一部箇所などであっても、そこ
で冷媒の洩れを発生すると、冷媒回路内に封入された冷
媒の全量が流出してしまい、それに起因して、ビル全体
が空調不能になるとともに、冷媒補充等の補修に多大な
手間を要する欠点があり、また、冷媒回路内には、すべ
ての階に設けられた空気調和機の室内側熱交換器の総空
調負荷に対応できるように多量の冷媒が封入されている
ため、洩れを発生した箇所でのフロンガスなどの冷媒の
流出量が極めて多くなり、その洩れを発生した部屋にお
いて酸素の欠乏を生じる虞があるなど安全性の面での対
策が必要であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、イニシャルコストおよびランニングコストのいずれ
をも安価にして各階の各部屋それぞれを個別に空調でき
るものでありながら、冷媒の洩れ発生に起因する空調不
能域を狭い範囲に抑えるとともに、その補修を簡単に行
うことができるようにし、かつ、冷媒の洩れ発生に起因
する酸素の欠乏事故発生を回避して安全性を向上できる
ようにすることを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明の第１のビル空気調和システムは、このような目
的を達成するために、熱源からの熱源側配管に、各階用
熱交換ユニットそれぞれの一次側配管を連通接続し、前
記各階用熱交換ユニットの二次側配管と各階に設けられ
た個別空気調和機の熱交換用配管とを複数の接続部を備
えたヘッダーを介して連通接続し、前記二次側配管と前
記熱交換用配管とにわたり、前記空気調和機での熱交換
に伴って液体から蒸気または蒸気から液体に相変化する
冷媒を封入するとともに、前記各階用熱交換ユニットと
それに連通接続された前記空気調和機との間に、液体に
相変化した冷媒を前記空気調和機または前記各階用熱交
換ユニットに移送するに足るヘッド差を備えて構成す
る。

上記各階用熱交換ユニットとしては、各階冷房用凝縮器
ユニットまたは各階暖房用蒸発器ユニットが適用され
る。

各階冷房用凝縮器ユニットを適用した場合には、冷媒と
して、空気調和機での熱交換に伴って液体から蒸気に相
変化するものを用い、そして、各階冷房用凝縮器ユニッ
トを、それに連通接続された冷房用熱交換器よりも所定
のヘッド差分だけ高い位置に設け、これにより、冷房単
独のビル空気調和システムを構築できる。

一方、各階暖房用蒸発器ユニットを適用した場合には、
冷媒として、空気調和機での熱交換に伴って蒸気から液
体に相変化するものを用い、そして、各階暖房用蒸発器
ユニットを、それに連通接続された暖房用熱交換器より
も所定のヘッド差分だけ低い位置に設け、これにより、
暖房単独のビル空気調和システムを構築できる。

また、第２のビル空気調和システムは、前述のような目
的を達成するために、各階に設けた空気調和機それぞれ
に、冷房用熱交換器と暖房用熱交換器とを備え、冷房用
熱源からの冷房熱源側配管に、各階冷房用凝縮器ユニッ
トそれぞれの一次側配管を連通接続し、前記各階冷房用
凝縮器ユニットの二次側配管と前記冷房用熱交換器に接
続の冷房用配管とを複数の接続部を備えたヘッダーを介
して連通接続し、前記二次側配管と前記冷房用配管とに
わたり、前記冷房用熱交換器での熱交換に伴って液体か
ら蒸気に相変化する冷媒を封入するとともに、前記各階
冷房用凝縮器ユニットを、それに連通接続された前記冷
房用熱交換器よりも、液体に相変化した冷媒を前記冷房
用熱交換器に移送するに足るヘッド差分だけ高い位置に
設け、かつ、暖房用熱源からの暖房熱源側配管に、各階
暖房用蒸発器ユニットそれぞれの一次側配管を連通接続
し、前記各階暖房用蒸発器ユニットの二次側配管と前記
暖房用熱交換器に接続の暖房用配管とを複数の接続部を
備えたヘッダーを介して連通接続し、前記各階暖房用蒸
発器ユニットの二次側配管と前記暖房用配管とにわた
り、前記暖房用熱交換器での熱交換に伴って蒸気から液
体に相変化する冷媒を封入するとともに、前記各階暖房
用蒸発器ユニットを、それに連通接続された前記暖房用
熱交換器よりも、液体に相変化した冷媒を前記各階暖房
用蒸発器ユニットに移送するに足るヘッド差分だけ低い
位置に設けて構成する。

この構成により、冷房および暖房のいずれをも行うビル
空気調和システムを構築できる。

＜作用＞ 第１のビル空気調和システムの構成によれば、各階用熱
交換ユニットにおいて、熱源からのエネルギーを一次側
配管から二次側配管に伝達し、そのエネルギーを、液体
と蒸気との相変化と、各階用熱交換ユニットとそれに連
通接続された個別の空気調和機とのヘッド差とによる冷
媒の自然循環流動を利用して空気調和機に伝達し、冷房
あるいは暖房を行うことができ、そして、各階における
複数の部屋に対しては、それらの部屋それぞれに設けた
個別の空気調和機の熱交換用配管をヘッダーの接続部に
接続することによって対応できる。

また、第２のビル空気調和システムの構成によれば、各
階冷房用凝縮器ユニットにおいて、冷房用熱源からの冷
房用エネルギーを一次側配管から二次側配管に伝達し、
そこでの凝縮により、二次側配管を流れる冷媒を蒸気か
ら液体に相変化し、その液体に相変化した冷媒を、空気
調和機の冷房用熱交換器との間のヘッド差を利用して冷
房用熱交換器に流下移送する。そして、冷房用熱交換器
での熱交換に伴って冷媒が加熱されると、今度は液体か
らの蒸気に相変化し、その相変化された蒸気が上昇して
各階冷房用凝縮器ユニットに戻る。これらの冷媒の自然
循環流動により、冷房用熱源からの冷房用エネルギーを
空気調和機の冷房用熱交換器に伝達して冷房を行う。各
階における複数の部屋に対しては、それらの部屋それぞ
れに設けた個別の空気調和機の冷房用熱交換器に接続の
冷房用配管をヘッダーの接続部に接続することによって
対応できる。

一方、各階暖房用蒸発器ユニットにおいて、暖房用熱源
からの暖房用エネルギーを一次側配管から二次側配管に
伝達し、そこでの蒸発により、二次側配管を流れる冷媒
を液体から蒸気に相変化し、その蒸気に相変化した冷媒
を上昇させて空気調和機の暖房用熱交換器に移送する。
そして、暖房用熱交換器での熱交換に伴って冷媒が冷却
されると、今度は蒸気から液体に相変化し、その相変化
された液体が空気調和機の暖房用熱交換器との間のヘッ
ド差を利用して、それに接続された各階暖房用蒸発器ユ
ニットに流下移送される。これらの冷媒の自然循環流動
により、暖房用熱源からの暖房用エネルギーを空気調和
機の暖房用熱交換器に伝達して暖房を行う。各階におけ
る複数の部屋に対しては、それらの部屋それぞれに設け
た個別の空気調和機の暖房用熱交換器に接続の暖房用配
管をヘッダーの接続部に接続することによって対応でき
る。

＜実施例＞ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

図面は、本発明の第２のビル空気調和システムに係る実
施例のシステム構成図であり、ビルＡの各階Ｆ…の各部
屋Ｒ…それぞれに、送風ファン1.冷房用熱交換器２およ
び暖房用熱交換器３を備えた空気調和機４が設けられて
いる。

一方、ビルＡ内には、鉛直方向に所定間隔を隔てて、各
階冷房用凝縮器ユニット５…（図面上は、２個だけ示し
ている）と各階暖房用蒸発器ユニット６…（図面上は、
１個だけ示している）とが互いに並ぶようにして設けら
れている。

各階冷房用凝縮器ユニット５には、凝縮器７と、その一
次側配管7aに介装された冷水供給量制御用の三方弁８
と、二次側配管7bに介装された受液器９とが備えられて
いる。

前記凝縮器７の一次側配管7aは、ビルＡの地下室等から
ビルＡ内に導入された地域冷暖房プラントなどからの冷
水配管10に開閉弁11,11を介して連通接続されている。

一方、凝縮器７の二次側配管7bは、鉛直シャフト12内を
通して、対応する階まで下降され、その対応する階部分
において鉛直シャフト12外に導出されるとともに、その
両端それぞれに４個の接続部13…（図示していないが、
それぞれに開閉弁が付設されている）を備えたヘッダー
14が連通接続され、そのヘッダー14,14それぞれを介し
て、前記冷房用熱交換器２に接続の冷房用配管15に連通
接続されている。

前記二次側配管7bと冷房用配管15とにわたり、その内部
には、冷房用熱交換器２での熱交換に伴って液体から蒸
気に相変化するとともに、凝縮器７での凝縮により蒸気
から液体に相変化する冷媒が封入されている。

前記各階冷房用凝縮器ユニット５の受液器９は、空気調
和機４の冷房用熱交換器２よりも、例えば、3m以上な
ど、所定高さ高い位置に設置され、凝縮器７での凝縮に
より蒸気から液体に相変化された冷媒が冷房用熱交換器
２に流下供給されるとともに、冷房用熱交換器２での熱
交換に伴って液体から蒸気に相変化された冷媒が上昇し
て凝縮器７に戻されるに足るヘッド差が備えられ、冷房
運転に際して、蒸気と液体との相変化により、冷媒が凝
縮器７と冷房用熱交換器２との間で自然的に循環流動す
るように構成されている。

また、各階暖房用蒸発器ユニット６には、蒸発器16と、
その一次側配管16aに介装された温水供給量制御用の三
方弁17と、二次側配管16bに介装された受液器18とが備
えられている。

前記蒸発器16の一次側配管16aは、ビルＡの地下室等か
らビルＡ内に導入された地域冷暖房プラントなどからの
温水配管19に開閉弁20,20を介して連通接続されてい
る。

一方、蒸発器16の二次側配管16bは、鉛直シャフト12内
を通して、対応する階まで上昇され、その対応する階部
分において鉛直シャフト12外に導出されるとともに、そ
の両端それぞれに４個の接続部21…（図示していない
が、前述の冷房用におけると同様に、それぞれに開閉弁
が付設されている）を備えたヘッダー22が連通接続さ
れ、そのヘッダー22,22それぞれを介して、前記暖房用
熱交換器３に接続の暖房用配管23に連通接続されてい
る。

前記二次側配管16bと暖房用配管23とにわたり、その内
部には、暖房用熱交換器３での熱交換に伴って蒸気から
液体に相変化するとともに、蒸発器16での蒸発により液
体から蒸気に相変化する冷媒が封入されている。

前記各階暖房用蒸発器ユニット６の受液器18は、空気調
和機４の暖房用熱交換器３よりも、例えば3m以上など、
所定高さ低い位置に設置され、蒸発器16での蒸発により
液体から蒸気に相変化された冷媒が暖房用熱交換器３に
上昇移送されるとともに、暖房用熱交換器３での熱交換
に伴って蒸気から液体に相変化された冷媒が蒸発器16に
流下して戻されるに足るヘッド差が備えられ、暖房運転
に際して、蒸気と液体との相変化により、冷媒が蒸発器
16と暖房用熱交換器３との間で自然的に循環流動するよ
うに構成されている。

前記冷媒としては、フロンガスＲ−22が用いられる。こ
れは、水素、塩素を含み、対流圏で分解するために、オ
ゾン層を破壊する虞の無い利点を有している。

前記凝縮器７の二次側配管7bおよび冷房用配管15それぞ
れの径と、各階冷房用凝縮器ユニット５の受液器９と冷
房用熱交換器２とのヘッド差それぞれは、前記蒸発器16
の二次側配管16bおよび暖房用配管23それぞれの径と、
各階暖房用蒸発器ユニット６の受液器18と暖房用熱交換
器とのヘッド差それぞれに対して異ならされており、同
じ冷媒を用いながらも、例えば、冷房運転に際しては、
約10℃で液体から蒸気に相変化し、逆に、約２℃で蒸気
から液体に相変化し、一方、暖房運転に際しては、約50
℃で液体から蒸気に相変化し、逆に、約35℃で蒸気から
液体に相変化するといったように、相変化する温度が、
冷房および暖房それぞれに応じて設定されている。この
温度は、上述した配管径やヘッド差を変更することによ
り、適宜、所望の温度に変更可能である。

上記実施例では、冷房用熱源として、地域冷暖房プラン
トを利用し、その冷水配管10を熱源側配管として凝縮器
７の一次側配管7aに連通接続しているが、本発明として
は、例えば、氷蓄熱システムとか、一台の室外機などを
冷房用熱源として用い、それらからの冷水配管や冷媒配
管などを熱源側配管として凝縮器７の一次側配管7aに連
通接続するように構成しても良い。

また、上記実施例では、暖房用熱源として、地域冷暖房
プラントを利用し、その温水配管19を熱源側配管として
蒸発器16の一次側配管16aに連通接続しているが、本発
明としては、例えば、ボイラーで得た蒸気や温水とか、
一台の室外機などを暖房用熱源として用い、それらから
の蒸気配管や温水配管や冷媒配管などを熱源側配管とし
て蒸発器16の一次側配管16aに連通接続するように構成
しても良い。

上記各階冷房用凝縮器ユニット５としては、階高が高
く、一階層内において、それに接続される空気調和機４
との間で前述した3m以上のヘッド差を確保できるような
ビルに適用する場合であれば、同一階に設置しても良
く、また、階高が低いビルの場合であれば、接続する空
気調和機４の設置階よりも一階上あるいは二階以上上の
階に設置するなどしても良い。

また、各階暖房用蒸発器ユニット６を設置する場合にお
いても同様に、必要なヘッド差を確保できさえすれば良
く、同一階、一階下あるいは二階以上下の階のいずれに
設置しても良い。

上記第２の空気調和システムにおいて、暖房用熱源から
の暖房熱源側配管としての温水配管19、各階暖房用蒸発
器ユニット６、空気調和機４における暖房用熱交換器３
およびそれに接続された暖房用配管23、ならびに、各階
暖房用蒸発器ユニット６の二次側配管16bと暖房用配管2
3とを連通接続するヘッダー22それぞれを無くすことに
より、冷房のみを行うように空気調和システムを構成で
き、あるいは、逆に、冷房用熱源からの冷房熱源側配管
としての冷水配管10、各階冷房用凝縮器ユニット５、空
気調和機４における冷房用熱交換器２およびそれに接続
された冷房用配管15、ならびに、各階冷房用凝縮器ユニ
ット５の二次側配管7bと冷房用配管15とを連通接続する
ヘッダー14それぞれを無くすことにより、暖房のみを行
うように空気調和システムを構成でき、それらの冷房の
みあるいは暖房のみを行うように構成した空気調和シス
テムが本発明の第１の空気調和システムの実施例となる
ものである。

したがって、第１の空気調和システムとして特許請求の
範囲などで記載している熱源とは、冷房用熱源または暖
房用熱源のいずれかを指称している。

熱源側配管とは、冷房熱源側配管（冷水配管10）または
暖房熱源側配管（温水配管19）のいずれかを指称してい
る。

各階用熱交換ユニットとは、各階冷房用凝縮器ユニット
５または各階暖房用蒸発器ユニット６のいずれかを指称
している。

熱交換用配管とは、冷房用熱交換器２に接続された冷房
用配管15または暖房用熱交換器３に接続された暖房用配
管23のいずれかを指称している。

＜発明の効果＞ 本発明によれば、冷房または暖房のいずれであっても、
一箇所の熱源からのエネルギーによって行うから、前述
したような、階層に相当する個数分だけの室外機を設け
るような場合に比べ、ビルに設ける熱源に対する設置ス
ペースが小さくて済み、また、それら熱源と室内機とを
連通接続するためのパイプの本数が、冷房または暖房の
いずれかを行うだけであれば二本、冷房および暖房のい
ずれをも行う場合であれば四本と少なくできるととも
に、それらパイプを通すスペースが小さくて済み、か
つ、熱源に圧縮機を備えたとしても、冷房、暖房それぞ
れに一個づつ備えさせれば良く、全体として、イニシャ
ルコストおよびランニングコストのいずれをも低減でき
るようになった。

しかも、各階それぞれに設けられる個別空気調和機に対
応して専用の各階冷房用凝縮器ユニットや各階暖房用蒸
発器ユニットを備えさせ、その各階冷房用凝縮器ユニッ
トと空気調和機の冷房用熱交換器、あるいは、各階暖房
用蒸発器ユニットと空気調和機の暖房用熱交換器それぞ
れの間で、液体と蒸気との相変化とヘッド差を利用し
て、冷媒を自然循環流動するから、空気調和機に対して
冷媒を循環流動するための圧送ポンプなどを不用できる
のみならず、冷房および暖房それぞれを、液体と蒸気相
互での相変化に伴う潜熱変化を利用して効率良く行うこ
とができ、更に、一部の階の冷房用あるいは暖房用熱交
換器とそれに接続される冷房用配管や暖房用配管といっ
た熱交換用配管との接続箇所とか、熱交換用配管と二次
側配管との接続箇所などにおいて冷媒の洩れを発生した
としても、一階分の熱交換用配管と二次側配管とに封入
された量だけの冷媒が洩れるだけであり、他の階におい
ては、冷媒の洩れによる影響を受けることなく継続して
空調運転を行うことができ、空調不能域を必要最小限に
抑えることができて実用性に極めて優れ、そのうえ、冷
媒の洩れ量を少なくできるから、冷媒補充といった補修
を簡単かつ安価に行うことができるとともに、冷媒の洩
れに起因して酸素欠乏事故に波及することも回避できて
安全性を向上できるようになった。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明に係るビル空気調和システムの実施例を
示すシステム構成図である。 ２……冷房用熱交換器 ３……暖房用熱交換器 ４……空気調和機 ５……各階冷房用凝縮器ユニット ６……各階暖房用蒸発器ユニット 7a……各階冷房用凝縮器ユニットの一次側配管 7b……各階冷房用凝縮器ユニットの二次側配管 10……冷房熱源側配管としての冷水配管 13……冷房側のヘッダーの接続部 14……冷房側のヘッダー 15……冷房用配管 16a……各階暖房用蒸発器ユニットの一次側配管 16b……各階暖房用蒸発器ユニットの二次側配管 19……暖房熱源側配管としての温水配管 21……暖房側のヘッダーの接続部 22……暖房側のヘッダー 23……暖房用配管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱源からの熱源側配管に、各階用熱交換ユ
   ニットそれぞれの一次側配管を連通接続し、前記各階用
   熱交換ユニットの二次側配管と各階に設けられた個別空
   気調和機の熱交換用配管とを複数の接続部を備えたヘッ
   ダーを介して連通接続し、前記二次側配管と前記熱交換
   用配管とにわたり、前記空気調和機での熱交換に伴って
   液体から蒸気または蒸気から液体に相変化する冷媒を封
   入するとともに、前記各階用熱交換ユニットとそれに連
   通接続された前記空気調和機との間に、液体に相変化し
   た冷媒を前記空気調和機または前記各階用熱交換ユニッ
   トに移送するに足るヘッド差を備えてあることを特徴と
   するビル空気調和システム。
2. 【請求項２】各階に設けた空気調和機それぞれに、冷房
   用熱交換器と暖房用熱交換器とを備え、冷房用熱源から
   の冷房熱源側配管に、各階冷房用凝縮器ユニットそれぞ
   れの一次側配管を連通接続し、前記各階冷房用凝縮器ユ
   ニットの二次側配管と前記冷房用熱交換器に接続の冷房
   用配管とを複数の接続部を備えたヘッダーを介して連通
   接続し、前記二次側配管と前記冷房用配管とにわたり、
   前記冷房用熱交換器での熱交換に伴って液体から蒸気に
   相変化する冷媒を封入するとともに、前記各階冷房用凝
   縮器ユニットを、それに連通接続された前記冷房用熱交
   換器よりも、液体に相変化した冷媒を前記冷房用熱交換
   器に移送するに足るヘッド差分だけ高い位置に設け、か
   つ、暖房用熱源からの暖房熱源側配管に、各階暖房用蒸
   発器ユニットそれぞれの一次側配管を連通接続し、前記
   各階暖房用蒸発器ユニットの二次側配管と前記暖房用熱
   交換器に接続の暖房用配管とを複数の接続部を備えたヘ
   ッダーを介して連通接続し、前記各階暖房用蒸発器ユニ
   ットの二次側配管と前記暖房用配管とにわたり、前記暖
   房用熱交換器での熱交換に伴って蒸気から液体に相変化
   する冷媒を封入するとともに、前記各階暖房用蒸発器ユ
   ニットを、それに連通接続された前記暖房用熱交換器よ
   りも、液体に相変化した冷媒を前記各階暖房用蒸発器ユ
   ニットに移送するに足るヘッド差分だけ低い位置に設け
   てあることを特徴とするビル空気調和システム。