JP5400411B2

JP5400411B2 - 空調システム

Info

Publication number: JP5400411B2
Application number: JP2009033579A
Authority: JP
Inventors: 博信上田; 慎一郎川根; 和彦山口; 純吉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-02-17
Also published as: JP2010190460A

Description

本発明は、太陽熱を利用した空調システムに係り、効率の良い、安定した加熱を行ない得る空調システムに関する。

太陽熱を利用した集熱システムとして特許文献１と特許文献２に示す技術がある。特許文献１の技術では、太陽熱エネルギーを集熱し、この集熱した太陽エネルギーを熱媒体に与える太陽熱集熱装置と、太陽熱集熱装置での集熱により高温となった熱媒体と、給水タンクから移送される給水との熱交換を行なう第１の熱交換器と、この熱交換器での熱交換で高温となった給水と高温の作動媒体との熱交換を行い、当該作動媒体により給水を加熱してプロセス用の蒸気を発生させる第２の熱交換器とを備えている。

また、特許文献２の技術では、太陽熱を吸収液の加熱、濃縮に直接利用することによって、バーナ等の再生器を加熱する熱源を必要とせずに運転することができるとともに、天候の状況等により変化する太陽熱による吸収液の加熱状況を検知し、自動的に補助再生器を作動させることにより安定した空調効果と、小型化を図るため、希釈された吸収液を直接導入し加熱する太陽熱集熱管、該太陽熱集熱管で加熱された吸収液をフラッシングさせることにより濃縮するフラッシング再生器を有する吸収式冷暖房装置が示されている。

特開昭６３−１８３３４６号公報特開２００１−８２８２３号公報

しかしながら、特許文献１では、熱媒体を介して集熱して熱交換器により伝熱しているために、加熱効率が悪いとともに、熱交換器が必要でコスト高となる。また、プロセス用の蒸気として過熱蒸気を作ってないため、二重効用吸収式冷凍機に適用できない。

特許文献２では、臭化リチウム等の吸収液を熱媒体として配管内を流して加熱するため、吸収液を多量に必要として取扱及び管理が面倒であり、コストが高くなる。また、加熱時に吸収液に沸騰が起こると圧力が異常に高まって逆流を起こすおそれがあり、温度管理が難しくなる。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、低コストで集熱効率が良く、熱媒体の加熱時に安定して昇温を行える空調システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、内部に流通する低温の液状媒体を太陽熱で略沸点温度の液体に昇温する第１集熱器と、
第１集熱器で昇温された略沸点温度の液状媒体を太陽熱で略沸点温度の気体に昇温する第２集熱器と、
第２集熱器で昇温された蒸気を太陽熱で所定飽和蒸気圧の過熱蒸気に昇温する第３集熱器と、
上記第３集熱器からの過熱蒸気を作動源とする冷凍機と、
上記冷凍手段により得られる冷熱を作動源とする空調設備と、
上記集熱器間および上記冷凍機との間で液状媒体を循環させるポンプと、
上記各部の動作を制御する制御手段を備え、
上記制御手段は、日射量に応じて液状媒体の循環量を変えるように上記ポンプを制御するとともに、前記第１集熱器〜第３集熱器の太陽光による加熱の際に、前記第１集熱器と第３集熱器では媒体を同一相の状態で加熱し、前記第２集熱器では媒体の相が変化するように加熱制御することを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の空調システムにおいて、上記液状媒体として水を用いたことを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の空調システムにおいて、上記冷凍機として吸収式冷凍機またはターボ冷凍機を用いたことを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の空調システムにおいて、上記冷凍機として吸収式冷凍機とターボ冷凍機の併用で用いたことを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の空調システムにおいて、さらに、上記冷凍機により得られる冷熱を、蓄積する蓄熱器を備えたことを特徴とするム。

また、本発明は、上記に記載の空調システムにおいて、さらに、上記集熱器の間に介在して上記集熱器の液状媒体と蒸気を蓄えるタンクを備え、上記制御手段は上記第２集熱器と第３集熱器に残った蒸気を上記タンクに戻すように制御することを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の空調システムにおいて、さらに、太陽発電機（太陽光発電機又は太陽熱発電機）を備え、この発電電力を上記ポンプ、上記冷凍機または上記空調設備に供給することを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の空調システムにおいて、さらに、過熱蒸気を作動源とする蒸気タービンを備え、上記蒸気タービンで発電された電力で上記冷凍機としてターボ冷凍機を駆動することを特徴とする。

本発明によれば、集熱効率が良く、熱媒体の加熱時に安定して昇温を行え、空調システムを低コストで、安定して稼動させることができる。

本発明の第１実施例の動作フロー図。本発明の第１実施例の各部の制御状態を示す説明図。本発明の第２実施例に太陽発電機要素を付加した動作フロー図本発明の第３実施例の動作フロー図。本発明の第４実施例の動作フロー図。本発明の第５実施例の動作フロー図。

以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。

図１に、本発明の第１実施例の動作フローを示す。１１は、内部に流通する液状媒体として低温の水を太陽熱でほぼ沸点温度（１００℃）の湯（液体）に昇温する第１集熱器としての予熱器である。上記予熱器１１で昇温された湯はバルブ１を通じてタンク１に一旦貯蔵される。１２は、タンク１内のほぼ沸点温度の湯をポンプ２を通じて受け入れて、さらに太陽熱で加熱して、略沸点温度の蒸気（気体）に昇温する第２集熱器としての蒸気発生器である。蒸気発生器２の蒸気は上記タンク１の気層部分に戻される。１３は、タンク１内の気層のほぼ沸点温度の蒸気を受け入れて、さらに太陽熱で加熱して、所定飽和蒸気圧の過熱蒸気に昇温する第３集熱器としての過熱蒸気発生器である。

上記第１〜第３の集熱器は、太陽光を集める図示しない反射鏡と、集められた太陽光を受ける配管を備えており、配管を流れる媒体（液体、気体）を効率的に加熱する構成となっている。

１４は、上記過熱蒸気発生器１３からの過熱蒸気を作動源とする冷凍機であり、例えば吸収式冷凍機からなる。冷凍機１４からの冷熱は空調設備１５に供給されて、設備１５による空調が行なわれる。上記冷凍機１４から戻される媒体は温度が低下した状態でタンク２に蓄えられ、ポンプ１によって前記予熱器１１に戻される。

１７は、上記冷凍機１４で生じた余剰の冷熱を蓄えると共に、不足した冷熱を冷凍機１４に戻す蓄熱器であり、１６は、上記各部の動作を制御する制御手段である。

上記第１〜第３の集熱器は太陽光による加熱の際に、異なる集熱器で相を変化させ、同一の集熱器内では媒体を同一相の状態で加熱しているため、安定した加熱がなされる。すなわち、上記予熱器１１では媒体を液状のまま加熱していて、相（液体、気体）が変化しないので、温度を管理すれば加熱量（顕熱）が把握される。同様に蒸気発生器１２では、湯から蒸気になるまでを加熱していて、蒸気圧が飽和するか否かを管理していれば加熱量（潜熱）を把握でき、過熱蒸気発生器１３では、蒸気の状態のまま加熱していて、温度を管理していれば加熱量（顕熱）が把握される。例えば、加熱中に媒体が液体から気体に変わると急激に膨張して逆流の恐れがあるが、上記ではその恐れは無い。

次に、図２を用いて制御手段１６による上記空調システムの動作を説明する。

制御手段１６は、予熱器１１及び近傍の図示しないセンサによる各種測定値に基いて、バルブ及びポンプを制御する。配管内の安定した液状媒体の温度上昇率で日射量（集熱量）を求めることでその時点の収率を求め、システム全体の制御の精度を高めることができる。例えば、予熱器１１の出入口温度、流量により計算される集熱量より制御するか、予熱器１１の集熱量と相関を持つ日射計の出力にて制御することができる。

制御手段１６には、システムの立上げ時間は日の出の時間Ｔ１に設定されている。図２に示すように、時間Ｔ１の日の出と共に日射量が次第に増加し、時間Ｔ２で計画値の日射量まで立ち上がった場合を想定する。時間Ｔ１〜Ｔ２では、予熱器１１が太陽光を集熱して媒体は徐々に加熱され、同時にバルブ１を次第に開いてバルブ２を全開から次第に閉じていく。従って、時間Ｔ１付近で全量がタンク２にバイパスされ、高温度に上昇するにつれてタンク２からタンク１に供給が切換っていく。これは、時間Ｔ１付近での低温の媒体がタンク１に供給されるのを防止している。

同時に、時間Ｔ１〜Ｔ２では、日射量の増加と共にポンプ１、２の水量を計画水量まで次第に増加させ、システムでの熱媒体の循環量が増加する。日射量の増加により液状媒体は、予熱器１１内で太陽熱により略沸点温度まで加熱されてタンク１内に供給され、ポンプ２の運転によりこの略沸点温度の液状媒体が蒸気発生器１２に供給される。蒸気発生器１２では、この略沸点温度の液状媒体を太陽熱により略沸点温度の蒸気に昇温し、再度タンク１の気層に戻される。

タンク１の気層部分からは、気層部分の飽和蒸気圧により略沸点温度の蒸気が過熱蒸気発生器１３に供給され、過熱蒸気発生器１３ではこの蒸気を太陽熱により過熱蒸気に昇温する。冷凍機１４としてたとえば吸収式冷凍機は、この過熱蒸気を駆動源として駆動されて冷熱を発生する。ここで、時間Ｔ１〜Ｔ２では、計画値の日射量が得られるまで冷凍機１４から出力される冷熱量が計画値にならないので、不足分を蓄熱器１７から補填する。

時間Ｔ２〜Ｔ３では、計画値の日射量が得られており制御手段１６により、各部が図２に示されるように制御される。この区間では冷凍機１４から冷熱量の計画値が出力されるので、蓄熱器１７からの冷熱の補填はない。

時間Ｔ３〜Ｔ４では、計画値以上の日射量が得られており制御手段１６により、各部が図２に示すように制御される。すなわち、ポンプ１，２の流量を計画流量以上に増加させて過熱蒸気を冷凍機１４に供給し、冷凍機１４から計画冷熱量以上の冷熱量を出力させ、過剰の冷熱量を蓄熱器１７に蓄熱する。図２では、冷凍機１４の冷熱量が計画値となっているが、これは蓄熱分を差し引いているためである。

時間Ｔ４〜Ｔ５では、計画値以下の日射量が得られており、制御手段１６により各部が図２に示すように制御される。すなわち、ポンプ１，２の流量を計画流量以下に減少させて過熱蒸気を冷凍機１４に供給し、冷凍機１４から冷熱量を出力させる。この区間では、計画値の日射量が得られないので冷凍機１４から出力される冷熱量が計画値にならない。従って時間Ｔ１〜Ｔ２の区間と同様に、不足分を蓄熱器１７から補填された状態で、冷熱量が空調設備１５に供給される。

Ｔ４〜Ｔ５区間は日没に近い時間帯であるが、日没後は集熱系統のラインの稼動が停止される。ライン停止直後は、蒸気発生器１２、１３の系統に略沸点の蒸気や過熱蒸気が残っているが、そのまま捨てるのは収率向上に反する。そこで、本実施例では蒸気発生器１２、１３の系統に残った蒸気を制御手段１６の制御により、バルブ４を開いてタンク１に戻すように制御される。また、バブル３は過熱蒸気発生器１３で蒸気が異常上昇の際に、外気に放出するためのものであるが、効率向上のため、バルブ４を開いてタンク１に戻すようにしても良い。

図３に、本発明の第２実施例の動作フローを示し、図１と同一部分を同一符号で示す。本実施例では太陽発電機（太陽光発電機又は太陽熱発電機）２０をさらに設け、この電力で冷凍機や空調設備の電力を賄い、余剰の電力は蓄電池２１に蓄えるものである。また、冷凍機として吸収式冷凍機１４ａを用いている。

図４に、本発明の第３実施例の動作フローを示し、図１と同一部分を同一符号で示す。本実施例では太陽発電機２０を設けると共に、過熱蒸気発生器１３から過熱蒸気を作動源とする復水蒸気タービン１８と、冷凍機としてこのタービンの電力で駆動されるターボ冷凍機１４ｂを設けたものである。太陽発電機２０からの電力をターボ冷凍機１４ｂに供給するようにしても良い。

図５に、本発明の第４実施例の動作フローを示し、図４と同一部分を同一符号で示す。本実施例では太陽発電機２０の他に、過熱蒸気発生器１３からの過熱蒸気を作動源とする背圧蒸気タービン１９と、冷凍機としてこのタービンの電力で駆動されるターボ冷凍機１４ｂを設け、更に、過熱蒸気を作動源とする吸収式冷凍機１４ａを設けた、ハイブリッド型のものである。本実施例はターボ冷凍機１４ｂと吸収式冷凍機１４ａの両者より同時に冷熱を得て、太陽エネルギーを最大限に利用することを基本とするが、過熱蒸気発生器１３からの過熱蒸気の圧力の大小に応じて、ターボ冷凍機１４ｂと吸収式冷凍機１４ａを運転効率の良い条件で切換えて運転することも可能である。また、吸収式冷凍機１４ａの作動源は、図中、過熱蒸気発生器１３に接続された一点鎖線で示すように、過熱蒸気発生器１３の過熱蒸気を直接利用することも可能である。

図６に、本発明の第５実施例の動作フローを示し、図５と同一部分を同一符号で示す。本実施例では太陽発電機２０の他に、この発電機２０の電力で駆動されるターボ冷凍機１４ｂと過熱蒸気発生器１３からの過熱蒸気を作動源とする吸収式冷凍機１４ａを設けた、ハイブリッド型のものである。本実施例はターボ冷凍機１４ｂと吸収式冷凍機１４ａの両者より同時に冷熱を得て、太陽エネルギーを最大限に利用することを基本とするが、日射量のある時間帯では吸収式冷凍機１４ａを稼動させると共に、太陽発電機２０で蓄電器２１を充電し、日没後は蓄電器２１によってターボ冷凍機１４ｂを稼動することにより、長い時間空調設備を運転することもできる。また、本実施例では、日射量が計画値まで達しない場合に、蓄電器２１によってターボ冷凍機１４ｂを稼動することにより、空調設備を運転するようにしても良い。

なお、実施例２〜６に記述した太陽発電機２０は太陽熱発電機を用いることも可能である。

１１…第１集熱器（予熱器）、１２…第２集熱器（蒸気発生器）、１３…第３集熱器（過熱蒸気発生器）、１４…冷凍機、１５…空調設備、１６…制御手段、１７…蓄熱器、１８…復水蒸気タービン、１９…背圧蒸気タービン、２０…太陽発電機、２１…蓄電器、タンク１…タンク。

Claims

内部に流通する低温の液状媒体を太陽熱で略沸点温度の液体に昇温する第１集熱器と、
第１集熱器で昇温された略沸点温度の液状媒体を太陽熱で略沸点温度の気体に昇温する第２集熱器と、
第２集熱器で昇温された蒸気を太陽熱で所定飽和蒸気圧の過熱蒸気に昇温する第３集熱器と、
上記第３集熱器からの過熱蒸気を作動源とする冷凍機と、
上記冷凍手段により得られる冷熱を作動源とする空調設備と、
上記集熱器間および上記冷凍機との間で液状媒体を循環させるポンプと、
上記各部の動作を制御する制御手段を備え、
上記制御手段は、日射量に応じて液状媒体の循環量を変えるように上記ポンプを制御するとともに、前記第１集熱器〜第３集熱器の太陽光による加熱の際に、前記第１集熱器と第３集熱器では媒体を同一相の状態で加熱し、前記第２集熱器では媒体の相が変化するように加熱制御することを特徴とする空調システム。
請求項１記載の空調システムにおいて、上記液状媒体として水を用いたことを特徴とする空調システム。
請求項１記載の空調システムにおいて、上記冷凍機として吸収式冷凍機またはターボ冷凍機を用いたことを特徴とする空調システム。
請求項１記載の空調システムにおいて、上記冷凍機として吸収式冷凍機とターボ冷凍機
を併用したことを特徴とする空調システム。
請求項１記載の空調システムにおいて、さらに、上記冷凍機により得られる冷熱を、蓄
積する蓄熱器を備えたことを特徴とする空調システム。
請求項１記載の空調システムにおいて、さらに、上記集熱器の間に介在して上記集熱器
の液状媒体と蒸気を蓄えるタンクを備え、上記制御手段は上記第２集熱器と第３集熱器に
残った蒸気を上記タンクに戻すように制御することを特徴とする空調システム。
請求項１記載の空調システムにおいて、さらに、太陽発電機（太陽光発電機又は太陽熱
発電機）を備え、この発電電力を上記ポンプ、上記冷凍機または上記空調設備に供給する
ことを特徴とする空調システム。
請求項１記載の空調システムにおいて、さらに、過熱蒸気を作動源とする蒸気タービン
を備え、上記蒸気タービンで発電された電力で上記冷凍機としてターボ冷凍機を駆動する
ことを特徴とする空調システム。