JP6591857B2 - 冷温熱供給装置、温熱生成方法及び冷熱生成方法 - Google Patents
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Description
熱)の大きさに基づく蓄熱量当たりのコストの問題がある。また、PCMの凝固点(融点)に応じて利用温度が限定されるため、冷房・暖房といった空調用途では年間を通しては利用することができないという稼働率の問題がある。なお、稼働率の問題とは、稼働時間当たりのコストが高いという費用対効果の問題ともいえる。
もよい。このようにすれば、排気と給気との温度差に係る熱ロスを低減させることができる。
図1A及び図1Bは、本実施形態に係る蓄熱槽を説明するための図である。図1Aは、蓄熱運転(「脱着運転」とも呼ぶ)を説明するための図である。図1Bは、放熱運転(「吸着運転」とも呼ぶ)を説明するための図である。図1A及び図1Bに示す蓄熱槽11は、蓄熱材が充填された容器である。本実施形態では、蓄熱材として、吸着質を吸着させることにより発熱する吸着剤を用いる。すなわち、本実施形態における蓄熱とは、吸着剤から吸着質を脱着して、吸着剤の発熱する機能を再生する処理をいう。なお、図1A及び図1Bでは、矢印によって気体の流れを示している。具体的には、例えば、容器の入口及び出口には分配チャンバが設けられ、吸着剤は、容器の入口側及び出口側の両端を目の細かい金網で固定される。なお、図1では蓄熱槽11の上下方向に空気を流通させているが、実際は鉛直方向に空気を流通させるように蓄熱槽11を設置してもよいし、水平方向に空気を流通させるように蓄熱槽11を設置してもよい。
イ(登録商標)、高分子収着材等のような材料を用いて、通風抵抗や熱伝達率、物質伝達率等について所望の性能を有する造粒体を生成し、利用することができる。
図2〜図4は、本実施形態に係る冷温水供給装置の構成及び動作を説明するための図である。本実施形態に係る冷温水供給装置1は、蓄熱槽11と、ダンパ121〜127と、ファン13と、蓄熱用熱交換器14と、冷却用熱交換器15と、気化冷却器16と、冷温水兼用熱交換器17とを含み、これらがダクトを介して接続されている。
図2は、冷温水供給装置の蓄熱運転のフローを示す図である。ダンパ121は、冷温水供給装置1への外気の導入量を調整する。図2の例ではダンパ121は全開になっている。ファン13は、ダンパ121を介して外気を取り込み、蓄熱用熱交換器14へ送る。なお、矢印は、取り込まれた外気の流れを表す。
図3は、冷温水供給装置の放熱運転のうち、温水生成時のフローを示す図である。ダンパ121は、冷温水供給装置1への外気の導入量を調整する。図3では、ダンパ121が半開にされている。ファン13は、ダンパ121を介して外気を取り込むと共に、冷温水供給装置1内を循環する空気を半開状態のダンパ126を介して取り込み、送風する。外気と循環空気は混合され、ファン13から蓄熱用熱交換器14へ送られる。なお、温水生成処理において蓄熱用熱交換器14は稼働しない。したがって、蓄熱運転時よりも湿潤な
空気(相対湿度が高い空気)が蓄熱槽11へ送られることになる。
図4は、冷温水供給装置の放熱運転のうち、冷水生成時のフローを説明するための図である。ダンパ121は、冷温水供給装置1への外気の導入量を調整する。図4でも、ダンパ121は半開にされている。ファン13は、ダンパ121を介して外気を取り込むと共に、冷温水供給装置1内を循環する空気を送風する。空気は、ファン13から蓄熱用熱交換器14へ送られる。なお、冷水生成処理においても蓄熱用熱交換器14は稼働しない。また、蓄熱槽11内の空気の流れは前述の通りである。
量を調整するためのダンパ126、及び冷温水供給装置1を循環した空気を排気するためのダンパ127は、それぞれ半開にされている。
以上のように、本実施形態に係る冷温水供給装置1は、温水の生成及び冷水の生成のいずれにも蓄熱を利用できる。したがって、通年で使用できる稼働率の高い蓄熱システムを実現でき、蓄熱システムの費用対効果は向上する。
図5は、蓄熱運転及び放熱運転における蓄熱槽内部の温度等を測定する実験装置を示す図である。図5の実験装置は、給気部と、調温/湿部と、蓄熱槽部とを備える。給気部は、ファンを有し、空気を送風する。調温/湿部は、除湿器と、流量制御器Fと、加湿器と、加熱ヒーターと、温度検出器Tと、湿度検出器Hとを有し、目標とする温度及び湿度の空気を生成することができる。蓄熱槽部は、吸着剤が充填された蓄熱槽と、蓄熱槽の入口付近の温度を測定する温度検出器Tと、蓄熱槽の入口から出口へ向かって吸着剤の5か所に設けられた温度検出器Tと、蓄熱槽の出口付近の温度を測定する温度検出器Tと、実験装置の出口付近に設けられた温度検出器Tと、湿度検出器Hと、流量制御器Fとを有する。なお、蓄熱槽の容器内の形状は117×117×1000(H)[mm]であり、充填された吸着剤の容積は13.69Lであった。また、蓄熱運転及び放熱運転において、蓄熱槽の出入口付近の温度及び湿度ととともに、蓄熱槽の高さ方向が異なる5点における吸着剤の温度を測定した。なお、吸着剤は、ゼオライト(ゼオライト13X)の造粒物を用いた。
図8Aから図8Cは、実施形態の図4において生成される冷水の温度の予測値を説明す
るための図である。図7Aに示した放熱運転における0.5〜2.0時間の蓄熱槽11出口の温度及び湿度に基づいて、生成される冷水温度を図8Cの空気線図のように推算した。図8Bの表のように、(2)蓄熱槽11出口の、乾球温度77.9℃且つ絶対湿度2.5g/kgDAの空気は、絶対湿度2.5g/kgDA一定の下で予熱用熱交換器15において32℃の冷却水によって冷却され、(3)冷却用熱交換器15出口の空気の乾球温度35.0℃になったとき、その比エンタルピーは41.62kJ/kgと推定できる。ここでは、予冷熱用熱交換器15のアプローチを3degと仮定した。さらに、比エンタルピー41.62kJ/kg一定の下で気化冷却器16において水噴霧によってさらに冷却され、その(4)気化冷却器16出口の空気は、乾球温度14.8℃且つ絶対湿度10.6g/kgDAと推定できる。予冷熱用熱交換器と同様に冷温水兼用熱交換器のアプローチを3degと仮定すると、図8Aのような冷温水供給装置1において約17.8℃の冷水生成が可能になる。この冷水は、例えば天井放射パネルでの使用に適した温度といえる。
図10は、変形例1に係る冷温水供給装置の構成を示す図である。上述した図7Bの放熱運転の0.5〜2.0時間における蓄熱槽の出口の乾球温度は70℃以上であり、図3に示した実施形態の温水生成処理において、冷温水供給装置1は、60℃程度の温水の生成が十分に可能である。ここで、供給温水の温度を60℃、供給温水の出入口温度差を10deg(すなわち、戻り水の温度を50℃)と仮定すると、図3の冷温水兼用熱交換器17の出口の空気温度は50℃以上になる。このとき、ダンパ127からの排気の温度も50℃以上であり、排気と外気の温度差に相当する熱ロスが生じることになる。
図11A及び図11Bは、変形例2に係る冷温水供給装置の構成を示す図である。図11Aの冷温水供給装置1は、蓄熱槽11の出入口にそれぞれ設けられた温度検出器T及び湿度検出器Hと、温度検出器T及び湿度検出器Hがそれぞれ検出した温度及び湿度に基づいて蓄熱槽11の蓄熱量を算出する演算部19とを備える。演算部19は、マイクロプロ
セッサやマイクロコントローラ等の処理装置である。また、冷温水兼用熱交換器17に導入される水の量を調整する弁171を備える。そして、演算部19はダンパ126及び弁171の開度を調節することにより、冷温水兼用熱交換器17が生成する温水又は冷水の温度及び量を変更することができる。また、後述する蓄熱利用率に応じて、ダンパ及び弁の制御を行うか、ダンパのみの制御を行うか切り替えるようにしてもよい。
図12は、ダンパ制御処理の一例を示す処理フロー図である。処理は、主として蓄熱運転モード、放熱運転モード及び運転を停止する保管モードを含む。なお、本処理では、放熱運転時に、図11A及び図11Bに示したダンパ126及び弁171の開度を制御する。
Mw=Mw’+G・(Xin−Xout)・Δt ・・・(1)
なお、Δtは時間[s]、Mw’はΔt前の蓄熱槽11内水分量[g]、Gは風量[kg/s]、Xinは入口空気の絶対湿度[g/kg]、Xoutは出口空気の絶対湿度[g/kg]である。なお、絶対湿度Xは、温度と湿度(相対湿度)とを用いて算出できる。また、絶対湿度を直接、検出しても良い。
Qs=潜熱[J/g]・(Mw(r)−Mw(s)) ・・・(2)
Q=潜熱[J/g]・(Mw−Mw(s)) ・・・(3)
また、演算部19は、以下の式(4)を用いて、蓄熱利用率ηを求める。
η=Q/Qs ・・・(4)
値)よりも小さい場合)には、生成される温水の計測値と目標値に応じて、再循環系のダ
ンパ126の開度を調節する。このとき、排気系のダンパ127から排気される空気の量も決まる。放熱過程が進行し、蓄熱槽11の発熱能力が低下した場合(算出されたηが所定の値η(設定値)以上の場合)は、ダンパ制御に加えて冷温水兼用熱交換器17の弁制御を行う。すなわち、生成する温水の量(温水生成能力)を低減させることで、ダンパ126の調節により温水温度の目標値を達成できるようにする。
度Xoutとが同一でない場合(S23:NO)、S14の処理に戻る。
図13は、負荷に供給される冷媒と熱交換する直接接触型熱交換器を有する気化冷却器16aを採用する例を示す図である。実施形態に係る冷温水兼用熱交換器17のアプローチを0degと仮定することと同意となり、冷却用熱交換器15の冷却水温度が約32℃の場合の気化冷却器16aの供給冷水は14.8℃(図8Bの(4)気化冷却器出口の乾球温度)となり、冷却水温度を約17℃とした場合の供給冷水は8.8℃(図9Bの(4)気化冷却器出口の乾球温度)となり、より低温の冷水(すなわち、エクセルギーの高い冷水)が供給できるようになる。
図14は、ロータ式の熱回収熱交換器18aを備える冷温水供給装置1を示す図である。ロータ式の熱回収熱交換器18aは、図10に示した熱回収熱交換器18と同様に、冷温水供給装置1の排気系の流路と給気系の流路との間で熱交換を行う。例えば、ロータ式の熱回収熱交換器18aは、排気系と給気系とを区画する筐体内に回転自在に取り付けられたロータを有する。ロータは、回転することで、排気系を構成していた部分と給気系を構成していた部分とが入れ替わる。そして、排気が通過する際にロータに蓄熱されると共に、給気が通過する際に給気はロータの熱で昇温される。このようなロータ式の熱回収熱交換器18aを用いることでも、排気と外気の温度差に相当する熱ロスを低減することができる。
図15は、フロンなどの冷媒循環系を有する熱回収熱交換器18bを設ける例を示す。この場合、系内に圧縮機を設置した蒸気圧縮式冷媒サイクルの構成でも、ヒートパイプでも良い。熱回収熱交換器18bも、図10に示した熱回収熱交換器18と同様に、冷温水供給装置1の排気系の流路と給気系の流路との間で熱交換を行う。このような熱回収熱交換器18を用いることでも、排気と外気の温度差に相当する熱ロスを低減することができる。
上述した実施形態及び変形例では、冷温水兼用熱交換器17において冷水又は温水を得るものとしたが、このような例には限定されない。例えばフロン系冷媒に熱を移して供給するものであってもよい。すなわち、負荷へ供給される熱媒は水に限定されず、冷温熱兼用熱交換器を備える冷温熱供給装置としてもよい。
11 蓄熱槽
121〜127 ダンパ
13 ファン
14 蓄熱用熱交換器
15 冷却用熱交換器
16 気化冷却器
17 冷温水兼用熱交換器
18 熱回収用熱交換器
19 演算部
Claims (8)
- 吸着質を吸着することにより発熱する吸着剤を内蔵する蓄熱槽と、
前記吸着剤の機能を再生するための気体を生成する蓄熱用熱交換器と、
当該気体を前記蓄熱槽に供給する送気手段と、
前記吸着剤を発熱させて生成した高温低湿気体と熱交換して当該高温低湿気体を冷却するための冷却用熱交換器と、
前記冷却用熱交換器を用いて熱交換した後の前記高温低湿気体を、液体の気化熱を利用してさらに冷却する気化冷却器と、
前記高温低湿気体、又は当該高温低湿気体を冷却した後の気体を用いて、負荷に供給される熱媒と熱交換を行う冷温熱兼用熱交換器と、
を備える冷温熱供給装置。 - 前記冷温熱兼用熱交換器から排出される気体と、前記蓄熱用熱交換器に取り入れる系外気体との間で熱交換を行う熱回収用熱交換器
をさらに備える請求項1に記載の冷温熱供給装置。 - 前記蓄熱用熱交換器に供給される熱媒は、再生可能エネルギー源から供給される熱又は所定の排熱である
請求項1又は2に記載の冷温熱供給装置。 - 前記冷却用熱交換器に、冷却塔からの冷媒又は井戸水が供給される
請求項1から3のいずれか一項に記載の冷温熱供給装置。 - 前記冷温熱兼用熱交換器を通過した気体について、前記冷温熱供給装置内を循環させる量を調節するダンパをさらに含む
請求項1から4のいずれか一項に記載の冷温熱供給装置。 - 前記吸着剤の発熱能力が所定の基準を下回る場合、前記冷温熱兼用熱交換器へ導入される水の量を減少させるための弁をさらに含む
請求項5に記載の冷温熱供給装置。 - 吸着質を吸着させることにより発熱する吸着剤を内蔵する蓄熱槽と、前記吸着剤の機能を再生するための気体を生成する蓄熱用熱交換器と、当該気体を前記蓄熱槽に供給する送気手段と、前記吸着剤を発熱させて生成した高温低湿気体と熱交換して冷却するための冷却用熱交換器と、前記高温低湿気体、又は当該高温低湿気体を冷却した後の気体を用いて、負荷に供給される熱媒と熱交換を行う冷温熱兼用熱交換器とを備える冷温熱供給装置を用いて行う温熱生成方法であって、
前記蓄熱用熱交換器が供給する前記気体によって前記吸着剤の機能を再生する工程と、
前記高温低湿気体を用いて前記冷温熱兼用熱交換器が熱交換を行い、温熱を生成する工程と、
を含む温熱生成方法。 - 吸着質を吸着させることにより発熱する吸着剤を内蔵する蓄熱槽と、前記吸着剤の機能を再生するための気体を前記蓄熱槽に供給する蓄熱用熱交換器と、前記吸着剤を発熱させて生成した高温低湿気体と熱交換して冷却するための冷却用熱交換器と、前記高温低湿気体、又は当該高温低湿気体を冷却した後の気体を用いて熱交換を行う冷温熱兼用熱交換器とを備える冷温熱供給装置を用いて行う冷熱生成方法であって、
前記蓄熱用熱交換器が供給する前記気体によって前記吸着剤の機能を再生する工程と、
前記冷却用熱交換器が前記高温低湿気体を冷却する工程と、
前記高温低湿気体を冷却した後の気体を用いて前記冷温熱兼用熱交換器が熱交換を行い、冷熱を生成する工程と、
を含む冷熱生成方法。
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JP2015208358A JP6591857B2 (ja) | 2015-10-22 | 2015-10-22 | 冷温熱供給装置、温熱生成方法及び冷熱生成方法 |
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