JP2748960B2 - 蓄熱空調システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、空気を熱源とする多室式空気調和機におい
て、各室ごとに冷房運転，暖房運転を行うための冷凍サ
イクル制御、及び、蓄熱利用のための制御を備えたヒー
トポンプ式空気調和機に関する。

従来の技術 従来の複数の室内機を有する多室式空気調和機につい
ては、既に、さまざまな開発がなされており、例えば、
冷凍・第61巻第708号（昭和61年10月号）P1038〜1045に
示されているような多室式空気調和機があり、その基本
的な技術は、第３図に示すように、室外機１内に設置さ
れた、圧縮機2,四方弁3,室外側熱交換器4,及び、室外側
膨張弁５と、室外機１に対して並列に設置された室内機
６内の室内側膨張弁7,及び、室内側熱交換機８を環状に
順次接続し、ヒートポンプ式冷凍サイクルが構成されて
いるというものである。圧縮機２は容量可変で、供給電
力の周波数を変えることによりその冷凍サイクル内の冷
媒循環量を変えることができる。また、四方弁３によっ
て冷房運転，暖房運転が切り替えられ、冷房運転時は図
中の実線矢印の方向に冷媒は流れて冷房サイクルが形成
され、暖房運転時には図中の破線方向に冷媒が流れて暖
房サイクルが形成される。また、室外側熱交換器4,及
び、室外側熱交換器８には、近接してそれぞれ、室外側
送風機9,及び、室内側送風機10が設置されている。

このような多室式空気調和機において、複数の、例え
ば、３台の室内機6a,6b,6cはそれぞれ個別に運転が可能
であり、室内機6aのみ運転の場合は、他の室内機6b,6c
は室内側膨張弁7b,7cを全閉にすると共に、室内側送風
機10b,10cも停止している。この時、圧縮機２はインバ
ータ等で能力制御を行い、室内機の運転台数に応じた能
力で個別運転することが可能である。更に、大型ビルな
どで室内機を６台、９台あるいは、それ以上設置する必
要のある場合は、例えば、６台の場合は、第４図に示す
ように、２セットの多室式空気調和機A,Bを設置した空
調システムにおいて、各多室式空気調調和機それぞれで
個別運転することで対応できる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、前述の従来例では、使用する電力とし
ては、空調機が主として使用される昼間電力であるた
め、年々電子機器の使用が増加しているという社会的見
地から見ても、高負荷時刻に消費電力のピークが極限状
態になる可能性があるだけでなく、夜間電力に比して割
高であることより消費電力料金が高いという欠点を有し
ていた。また、多室式空気調和機ＡとＢをそれぞれで単
独で個別運転するため、即ち、多室式空気調和機ＡとＢ
間で熱の授受ができないために、多室式空気調和機Ａと
Ｂにおいて熱負荷が異なる場合、例えば、多室式空気調
和機Ａで空調能力が不足していて、多室式空気調和機Ｂ
で空調能力が余っていても対応が不可能であるため多室
式空気調和機Ｂにおける各室の快適性が損なわれるとい
う欠点を有していた。

また、逆に、このビルでの空調機の設計を行なう場
合、一般に、多室式空気調和機Ａの空調能力はＡ側のピ
ーク時の熱負荷に、多室式空気調和機Ｂの空調能力はＢ
側のピーク時の熱負荷に対応するように設計する。従っ
て、Ａ側とＢ側の熱負荷のピークが発生する時刻が異な
る場合、ピーク時以外では過剰設備ということになり、
設備費用が高価になり、かつ、電力会社との契約電力費
用も高価になるという欠点を有していた。

そこで、本発明は、夜間電力を利用した蓄熱槽に蓄え
た蓄熱量を各多室式空気調和機間において熱搬送できる
蓄熱空調システムを提供することを目的とするものであ
る。

課題を解決するための手段 上記課題を解決する本発明の技術的手段は、圧縮機
と、四方弁と、室外側熱交換器と、膨張弁と、第１熱交
換器と第２熱交換器と第１の切替手段と第２の切替手段
とを備えた蓄熱層と、第１熱交換部と第２熱交換部とを
備えた冷媒熱交換器と、前記蓄熱層の第１熱交換器と前
記冷媒熱交換器の第１熱交換部のどちらか一方に切替可
能に冷媒を流すための第３の切替手段と、第１冷媒搬送
ポンプと、室内側熱交換器と流量調整弁とを備え並列に
接続された複数の室内機とを備え、前記圧縮機と前記四
方弁と前記室外側熱交換器と前記膨張弁と前記第３の切
替手段と前記第１の切替手段と前記蓄熱層の第１熱交換
器と前記第２の切替手段と前記冷媒熱交換器の第１熱交
換部とを連通して１次側冷凍サイクルを構成し、前記第
２の切替手段と前記蓄熱層の第１熱交換器と前記第１の
切替手段と前記冷媒熱交換器の第２熱交換部と複数の前
記室内機と前記第１冷媒搬送ポンプとを連通して２次側
冷凍サイクルを構成した多室式空気調和機を複数台設置
し、複数の前記多室式空気調和機のそれぞれの前記蓄熱
層の第２熱交換器相互を、第２冷媒搬送ポンプを介して
連通してなる熱搬送サイクルを備えるものである。

作用 この技術的手段による作用は次のようになる。

複数の多室式空気調和機における、圧縮機、四方弁、
室外側熱交換器、膨張弁、冷媒熱交換器の第１熱交換
部、及び、蓄熱槽の第１熱交換器を連通した１次側冷凍
サイクルにおいて、まず、夜間運転について説明する。

夜間では、冷媒熱交換器の切替弁の切り替えにより蓄
熱槽を１次側冷凍サイクルに連通させ、かつ、蓄熱槽内
の切替弁の切り替えにより蓄熱槽内の第１熱交換器を１
次側冷凍サイクルに連通させ、安価な夜間電力を利用し
て、蓄熱槽内の蓄熱材に蓄冷（蓄熱）しておく。

次に、昼間運転について説明する。この時、蓄熱槽内
の切替弁の切り替えにより、蓄熱槽内の第１熱交換器を
２次側冷凍サイクルに連通させておく。

（１） 複数の多室式空気調和機のそれぞれにおいて （各室の熱負荷の合計値）≦（蓄熱槽の出力容量）であ
る場合 この場合、冷媒熱交換器を連通した１次側冷凍サイク
ル、及び、熱搬送サイクルは運転せずに、蓄熱槽内の切
替弁により、蓄熱槽内の第１熱交換器を２次側冷凍サイ
クルに連通させ、第１冷媒搬送ポンプ、室内側熱交換
器、流量調節弁からなる２次側冷凍サイクルの運転を行
う。即ち、夜間に蓄熱槽内の蓄熱材に蓄えた冷熱、ある
いは、温熱を蓄熱槽内の第２熱交換器を介して、２次側
冷凍サイクル内の冷媒と熱交換し、その冷媒を第１冷媒
搬送ポンプにて各室内機の室内側熱交換器へ搬送して室
内空気を熱交換することにより、各室内の冷房、あるい
は、暖房を行なう。従って、昼間電力を使用せずに、夜
間電力を利用して空調が行なえる。

（２） 複数の多室式空気調和機のそれぞれにおいて （各室の熱負荷の合計値）＞（蓄熱槽の出力容量）、か
つ、 （各室の熱負荷の合計値）≦（最大空調能力Qmax）であ
る場合 （但し、（最大空調能力Qmax）＝（蓄熱槽の出力容量）
＋（１次側冷凍サイクルの出力容量）とする。） この場合も熱搬送サイクルは運転しないが、蓄熱槽の
みの出力では負荷に対応できないため、冷媒熱交換器の
切替弁にて蓄熱槽から切り替えて、冷媒交換器の第１熱
交換部を連通させた１次側冷凍サイクル、及び、冷媒熱
交換器の第２熱交換部、蓄熱槽内の第１熱交換器、第１
冷媒搬送ポンプ、室内側熱交換器、流量調節弁からなる
２次側冷凍サイクルの運転を行う。即ち、夜間に蓄熱槽
内の蓄熱材に蓄えた冷熱（温熱）を蓄熱槽内の第１熱交
換器を介して、２次側冷凍サイクル内の冷媒と熱交換
し、加えて、冷媒熱交換器の第２熱交換部内で１次側冷
凍サイクルの冷媒と熱交換して冷熱（温熱）量を高め、
その冷媒を第１冷媒搬送ポンプにて各室内機の室内側熱
交換器へ搬送して室内空気と熱交換することにより、各
室内の冷房、あるいは、暖房を行なう。従って、夜間電
力を利用して夜間電力の使用量を低減できるとともに、
１次側冷凍サイクルの運転により２次側冷凍サイクルに
おける能力不足を補うことができ、各室内での快適性が
損なわれることを防止できる。

（３） 複数の多室式空気調和機のうち、ある多室式空
気調和機において （各室の熱負荷の合計値）＞（最大空調能力Qmax）であ
る場合 この場合、この多室式空気調和機において能力不足で
あり、（２）の昼間運転と同様の１次側、及び、２次側
冷凍サイクル運転を行なうと同時に、加えて、熱搬送サ
イクルを使用して、能力余剰の多室式空気調和機の蓄熱
槽内の冷（温）熱を、冷媒を介して第２冷媒搬送ポンプ
にて能力不足である多室式空気調和機の蓄熱槽へ搬送す
る。

従って、能力不足である多室式空気調和機の蓄熱槽の
蓄冷（熱）量を増加させることができ、従って、その多
室式空気調和機の２次側冷凍サイクルにおける能力不足
を補うことができ、各室内での快適性が損なわれること
を防止できる。

また、空調設備の設計面においても、複数の多室式空
気調和機のそれぞれに接続されている室内の同時に発生
する熱負荷の和を設計負荷値とすればよく、即ち、熱負
荷のピーク値発生時刻が異なる場合、各多室式空気調和
機単独での設計負荷値（熱負荷のピーク値）の和より小
さくて済み、機器小型化が図れ、電力会社との契約電力
費用も低減でき、より経済的な設備設計が可能となる。
更に、室内機を増設する場合も、蓄熱槽に蓄える蓄冷熱
量を増加させることによって対応ができるため、拡張性
や設計自由度が高くなる。

実施例 以下、本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明を
行うが、従来と同一構成については同一符号を付し、そ
の詳細な説明を省略する。

第１図は本発明の一実施例の蓄熱空調システムの冷凍
サイクル図である。

この実施例の蓄熱空調システムは、２台の多室式空気
調和機ＡとＢからなり、多室式空気調和機Ａ、及び、Ｂ
は設置場所以外は同一機器で構成されているものとす
る。多室式空気調和機A,Bは、概ね室外機1,冷媒熱交換
器HE,蓄熱槽ATR,第１冷媒搬送ポンプPM1,3台の室内機6
a,6b,6cとからなり、室外機１は、圧縮機２、四方弁
３、室外側熱交換器４、室外側送風機９、膨張弁５より
なり、冷媒熱交換器HEは第１熱交換部14,第２熱交換部1
5と三方弁V3からなり、多室式空気調和機A,Bの蓄熱槽ST
Ra,STRbはそれぞれ、蓄熱材11を充填した、第１熱交換
器12と第２熱交換器13と三方弁V1,V2とからなり、３台
の室内機6a,6b,6cは、室内側熱交換機8a,8b,8c、流量調
節弁7a,7b,7c、及び、室内側送風機10a,10b,10cとから
構成されている。ここで、蓄熱槽の第２熱交換器13につ
いては多室式空気調和機Ａの場合を13a,多室式空気調和
機Ｂの場合を13bとする。

上記機器構成において、圧縮機２、四方弁３、室外側
熱交換器４、膨張弁５、冷媒熱交換器の第１熱交換部1
4、及び、蓄熱槽内の第１熱交換器12を連通して１次側
冷凍サイクルが形成され、三方弁V3を介して冷媒熱交換
器の第１熱交換部14と蓄熱槽内の第１熱交換器12が１次
側冷凍サイクルに並列に接続されている。また、冷媒熱
交換器の第２熱交換部15、蓄熱槽内の第１熱交換器12、
第１冷媒搬送ポンプPM1、室内側熱交換器8a,8b,8c、及
び、流量調節弁7a,7b,7cを連通して２次側冷凍サイクル
が形成されている。更に、多室式空気調和機A,Bにおけ
る、蓄熱槽STRa,STRbのそれぞれの第２熱交換機13a,13b
相互を、第２冷媒搬送ポンプPM2を介して連通して熱搬
送サイクルが形成されている。

次に、この一実施例の構成における作用を説明する。

まず、夜間の蓄冷、蓄熱運転（１次側冷凍サイクル）
について説明する。

予め、多室式空気調和機A,Bの各室の熱負荷の和に関
する、翌日の冷房、または暖房負荷曲線を推定し、蓄
冷、または蓄熱運転モードを決定する。例えば、１日の
時刻に対する負荷の推移（負荷曲線）が第２図のように
予測されたとする。第２図中、Lmaxは各室の熱負荷の和
の最大値,Qmaxは多室式空気調和機の最大能力を示す。
いづれの運転モード場合についても、三方弁V1,V2は１
次側冷凍サイクルと蓄熱槽STRの第１熱交換器12が連通
するように、かつ、三方弁V3は１次側冷凍サイクルと冷
媒熱交換器の第１熱交換部14が連通しないように、２次
側冷凍サイクル内の第１冷媒搬送ポンプPM1、及び、熱
搬送サイクル内の第２冷媒搬送ポンプPM2は停止してい
る。

上記運転モード（蓄冷・蓄熱）それぞれについて１次
側冷凍サイクルの作用を以下説明していく。尚、四方弁
３のモードについては、圧縮機２吐出側と室外側熱交換
器４とを、かつ、圧縮機２吸入側と蓄熱槽STRとを連通
する場合を冷房モード、圧縮機２吐出側と蓄熱槽STRと
を、かつ、圧縮機２吸入側と室外側熱交換器４とを連通
する場合を暖房モードと定義する。

（１） 蓄冷モード 四方弁3:冷房モード，膨張弁5:所定の開度とする。こ
の時、圧縮機２から送られる高温高圧の冷媒は、室外側
熱交換器４にて凝縮し、膨張弁５で減圧されて液あるい
は二相状態となり、蓄熱槽STR内の第１熱交換器12の管
内にて蒸発して蓄熱材11から吸熱した後（蓄冷運転）、
圧縮機２へ戻る。

（２） 蓄熱モード 四方弁3:暖房モード，膨張弁5:全開とする。この時、
圧縮機２から送られる高温高圧の冷媒は、蓄熱槽STR内
の熱交換器12の管内にて凝縮して蓄熱材11へ放熱した後
（蓄熱運転）、膨張弁５で減圧されて液あるいは二相状
態となり、室外側熱交換器４の管内にて蒸発して圧縮機
２へ戻る。

次に、昼間運転について説明する。この時、蓄熱槽内
の三方弁V1,V2の切り替えにより、蓄熱槽内の第１熱交
換器12を２次側冷凍サイクルに連通させておく。

（１）A,Bの多室式空気調和機のそれぞれにおいて （各室の熱負荷の合計値）≦（蓄熱槽の出力容量）であ
る場合 この場合は例えば、第２図中で言えば、Ａの時刻τ０
〜τ１、Ｂの時刻τ０〜τ２の場合について説明する。
冷媒熱交換器HEを連通した１次側冷凍サイクル、及び、
熱搬送サイクルは運転せずに、２次側冷凍サイクルのみ
運転する。即ち、夜間に蓄熱槽STRa,STRb内の蓄熱材11
に蓄えた冷熱、あるいは、温熱を蓄熱槽の第１熱交換器
12を介して、２次側冷凍サイクル内の冷媒と熱交換し、
その冷媒を第１冷媒搬送ポンプPM1にて各室内機の室内
側熱交換器8a,8b,8cへ搬送して室内空気と熱交換するこ
とにより、各室内の冷房、あるいは、暖房を行なう。

（２） A,Bの多室式空気調和機のそれぞれにおいて （各室の熱負荷の合計値）＞（蓄熱槽の出力容量）、か
つ、 （各室の熱負荷の合計値）≦（最大空調能力Qmax）であ
る場合 （但し、（最大空調能力Qmax）＝（蓄熱槽の出力容量）
＋（１次側冷凍サイクルの出力容量）とする。） この場合は例えば、第２図中のＡにおける時刻τ１〜
τ3,τ４〜τ7,Bにおける時刻τ２〜τ5,τ６〜τ７の
場合に相当し、この場合も熱搬送サイクルは運転しない
が、蓄熱槽STRのみの出力では負荷に対応できないた
め、冷媒熱交換器HEの三方弁V3にて冷媒熱交換器の第１
熱交換部14を連通させた１次側冷凍サイクル、及び、冷
媒熱交換器の第２熱交換部15、蓄熱槽内の第１熱交換器
12、第１冷媒搬送ポンプPM1、室内側熱交換器8a,8b,8
c、流量調節弁7a,7b,7cからなる２次側冷凍サイクルの
運転を行う。即ち、夜間に蓄熱槽内の蓄熱材11に蓄えた
冷熱（温熱）を蓄熱槽内の第１熱交換器12を介して、２
次側冷凍サイクル内の冷媒と熱交換し、加えて、冷媒熱
交換器の第２熱交換部15内で１次側冷凍サイクルの冷媒
と熱交換し、その冷媒を第１冷媒搬送ポンプPM1にて各
室内機の室内側熱交換器8a,8b,8cへ搬送して室内空気と
熱交換することにより、各室内の冷房、あるいは、暖房
を行なう。従って、夜間電力を利用して昼間電力の使用
量を低減できるとともに、２次側冷凍サイクルにおける
能力不足を補うことができ、各室内での快適性が損なわ
れることを防止できる。

（３） A,Bの多室式空気調和機のうち、多室式空気調
和機Ａが能力不足で、即ち、 （各室の熱負荷の合計値）＞（最大空調能力Qmax）であ
る場合 例えば、第２図中のＡにおける時刻τ３〜τ４の場合
について述べると、A,Bの多室式空気調和機において、
（２）の昼間運転と同様の１次側、及び、２次側冷凍サ
イクル運転を行なうと同時に、多室式空気調和機A,Bに
おける、蓄熱槽STRa,STRbのそれぞれの第２熱交換器13
a,13b相互を、第２冷媒搬送ポンプPM2を介して連通した
熱搬送サイクルを使用して、能力余剰の多室式空気調和
機Ｂの蓄熱槽STRb内の冷（温）熱を、冷媒を介して第２
冷媒搬送ポンプPM2にて能力不足である多室式空気調和
機Ａの蓄熱槽STRaへ搬送する。

従って、能力不足である多室式空気調和機Ａの蓄熱槽
STRaの蓄冷（熱）量を増加させることができ、従って、
その多室式空気調和機Ａの２次側冷凍サイクルにおける
能力不足を補うことができ 快適性が損なわれることを
防止できる。このことは多室式空気調和機Ｂにおける時
刻τ５〜τ６の場合についても言える同様作用である。

また、空調設備の設計面においても、多室式空気調和
機ＡとＢのそれぞれに接続されている室内の同時に発生
する熱負荷の和を設計負荷値とすればよく、即ち、熱負
荷のピーク値発生時刻が異なる場合、多室式空気調和機
A,B単独での設計負荷値（熱負荷のピーク値）の和より
小さくて済み、機器小型化が図れ、電力会社との契約電
力費用も低減でき、より経済的な設備設計が可能とな
る。更に、室内機を増設する場合も、蓄熱槽に蓄える蓄
冷熱量を増加させることによって対応ができるため、拡
張性や設計自由度が高くなる。

発明の効果 以上のように本発明は、圧縮機と、四方弁と、室外側
熱交換器と、膨張弁と、第１熱交換器と第２熱交換器と
第１の切替手段と第２の切替手段とを備えた蓄熱層と、
第１熱交換部と第２熱交換部とを備えた冷媒熱交換器
と、前記蓄熱層の第１熱交換器と前記冷媒熱交換器の第
１熱交換部のどちらか一方に切替可能に冷媒を流すため
の第３の切替手段と、第１冷媒搬送ポンプと、室内側熱
交換器と流量調整弁とを備え並列に接続された複数の室
内機とを備え、前記圧縮機と前記四方弁と前記室外側熱
交換器と前記膨張弁と前記第３の切替手段と前記第１の
切替手段と前記蓄熱層の第１熱交換器と前記第２の切替
手段と前記冷媒熱交換器の第１熱交換部とを連通して１
次側冷凍サイクルを構成し、前記第２の切替手段と前記
蓄熱層の第１熱交換器と前記第１の切替手段と前記冷媒
熱交換器の第２熱交換部と複数の前記室内機と前記第１
冷媒搬送ポンプとを連通して２次側冷凍サイクルを構成
した多室式空気調和機を複数台設置し、複数の前記多室
式空気調和機のそれぞれの前記蓄熱層の第２熱交換器相
互を、第２冷媒搬送ポンプを介して連通してなる熱搬送
サイクルを備えることにより、以下の効果が挙げられ
る。

１） 夜間電力を利用した蓄冷熱により昼間に暖房、ま
たは、冷房運転が行え、運転費が大幅に低減できる。

２） 能力不足である多室式空気調和機の蓄熱槽の蓄冷
熱量を増加させることができ、従って、その多室式空気
調和機の２次側冷凍サイクルにおける能力不足を補うこ
とができ、快適性が損なわれることを防止できる。

３） 空調設備の設計面においても、複数の多室式空気
調和機のそれぞれに接続されている室内の同時に発生す
る熱負荷の和を設計負荷値とすればよく、即ち、各多室
式空気調和機単独での設計負荷値（熱負荷のピーク値）
の和より小さくて済み、機器小型化が図れ、電力会社と
の契約電力費用も低減でき、より経済的な設備設計が可
能となる。

４） 室内機を増設する場合も、蓄熱槽に蓄える蓄冷熱
量を増加させることによって対応ができるため、拡張性
や設計自由度が高くなる。

以上の効果により、夜間電力を利用して各多室式空気
調和機の蓄熱槽に蓄えた蓄冷熱量を蓄熱槽相互間におい
て熱搬送できる蓄熱空調システムを提供することが可能
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例による蓄熱空調システムの冷凍
システム図、第２図は１日の時刻に対する負荷の推移を
示す特性図、第３図は従来例を示す多室式空気調和機の
冷凍システム図、第４図は従来例を示す空調システムの
冷凍システム図である。 ２……圧縮機、３……四方弁、４……室外側熱交換器、
５……膨張弁、7a,7b,7c……流量調節弁、8a,8b,8c……
室内側熱交換器、11……蓄熱材、12……蓄熱槽の第１熱
交換器、13a,13b……蓄熱槽の第２熱交換器、14……冷
媒熱交換器の第１熱交換部、15……冷媒熱交換器の第２
熱交換部、HE……冷媒熱交換器、STRa,STRb……蓄熱
槽、PM1……第１冷媒搬送ポンプ、PM2……第２冷媒搬送
ポンプ、V1,V2,V3……三方弁。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機と、四方弁と、室外側熱交換器と、
   膨張弁と、第１熱交換器と第２熱交換器と第１の切替手
   段と第２の切替手段とを備えた蓄熱層と、第１熱交換部
   と第２熱交換部とを備えた冷媒熱交換器と、前記蓄熱層
   の第１熱交換器と前記冷媒熱交換器の第１熱交換部のど
   ちらか一方に切替可能に冷媒を流すための第３の切替手
   段と、第１冷媒搬送ポンプと、室内側熱交換器と流量調
   整弁とを備え並列に接続された複数の室内機とを備え、
   前記圧縮機と前記四方弁と前記室外側熱交換器と前記膨
   張弁と前記第３の切替手段と前記第１の切替手段と前記
   蓄熱層の第１熱交換器と前記第２の切替手段と前記冷媒
   熱交換器の第１熱交換部とを連通して１次側冷凍サイク
   ルを構成し、前記第２の切替手段と前記蓄熱層の第１熱
   交換器と前記第１の切替手段と前記冷媒熱交換器の第２
   熱交換部と複数の前記室内機と前記第１冷媒搬送ポンプ
   とを連通して２次側冷凍サイクルを構成した多室式空気
   調和機を複数台設置し、 複数の前記多室式空気調和機のそれぞれの前記蓄熱層の
   第２熱交換器相互を、第２冷媒搬送ポンプを介して連通
   してなる熱搬送サイクルを備えた蓄熱空調システム。