立て型温水・氷同時蓄熱システムの開発研究

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

立て型温水・氷同時蓄熱システムの開発研究

北村, 邦彦

Graduate School of Engineering, Kyushu University

https://doi.org/10.11501/3180264

出版情報：Kyushu University, 2000, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：

一一一

�

5章中規模事務所ピル向け実用機での実証試験

1999年3月完成した中規模事務所ヒ守ル(槻九電工福岡支店ビ、ル(12，721rrf) の蓄 熱式空調システムに，単一の立て型温水・氷同時蓄熱槽と排熱回収ヒートポンプを 導入し，約1年間にわたって運転実績データの集積を行った.図5-1に立て型温水・ 氷同時蓄熱槽の概観写真を，図5- 2 に対象とした(樹九電工福岡支店ビ、ル建物の外観 を， 図5-3に蓄熱運転の概要を示す. 本研究では， 立て型蓄熱槽の中間期・冬期お よび夏期における蓄熱・放熱特性を解析した. さらに蓄熱量， 放熱量および消費電 力より求めた熱負荷の夜間移行率， 蓄熱効率および運転成績係数(CO p)を算定

し， 立て型温水・氷同時蓄熱槽の有効性について評価した.

5. 1空調システム

調査の対象とした建物は延べ床面積約12， 000 rrfで概要図を図5-4 に示す. 地下 1階は駐車場， 1階は地域に開放した多目的ホール， 2�8階は事務室で， 高圧 分散型配電システムの採用と， コンパクト型空調機による分散型空調の採用によ りコア部分を削減できた居住域スペースの広い平面計画としている.

5. 1. 1空調設備

空調配管系統図を図5-5に示す.各階のゾーンごとにコンパクト型空調機を設置し て， 単一ダクト方式にて空調を行っている. インテリアゾーンは4管式2コイルの空 調機を， ペリメーターゾーンには冷温水切替え2管式の空調機を設置し， 空調配管系 の往き温度設定は， 冷水60C・温水 450Cで， いずれも往き・還り温度差を 100Cで計画

し， 大温度差によりポンプ動力の節減を行った.

さらに， 省エネルギーと室内環境の向上を図るため， 変流量方式・全熱交換器・在 室人員に応じた取入外気量制御および床吹出空調を採用している. また， 1階ロビー には夜間電力による蓄熱式床暖房を設置している.

5.1.2熱源設備

主要熱源機器の概要を表5-1に示す. 中間期・冬期の運転では， 夜間に排熱回収ヒ ートポンプ1台により立て型温水・氷蓄熱槽の上部に温水蓄熱， 下部に氷蓄熱を同時 に行う.

夏期の運転では，夜間に排熱回収ヒートポンプ1台と空冷ヒートポンプチラー2台 により立て型温水・氷蓄熱槽に全量氷蓄熱を行い， 昼間に氷を融かして建物の冷房を 行う. 建物の負荷が蓄熱量を超える場合は， 昼間に熱源機が追従運転を行う. 蓄熱熱 源システムは，負荷状況に応じて蓄熱熱源コントローラーにより運転制御されている.

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図5-1 立て型温水・氷同時蓄熱槽

中間期・冬期(温水・氷同時蓄熱)

コイJレ

排熱回収ヒートポンプにより， 夜間の割 安な電気を利用し， 温水と氷を蓄熱槽に 蓄え， 昼間の暖・冷房時に利用する。

図5-2 九電工福岡支店ビノレ

期(全量氷蓄黙)

空;令ヒートボンプチラー

Duo Stable

ブライン

ZE冷ヒートポンプチラーにより， 夜間の 割安な電気を利用し， 氷を蓄熱槽に蓄え，

居間の冷房時に利用する。

図5-3 立て型温水・氷同時蓄熱槽の蓄熱運転概要

85

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b) 外観図

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ハイブリッドストレージ |

a)配置図 c) 平面図

図5-4 調査建物概要図

空冷ヒートホン7子ラー 排熱回収t-トホンプ子ラー

コンハクト型空調機 (へ01)メ-9用) 下吹型空調機

(アンダーフロアー空調用)

温 水系 冷水系

立て型温水・氷同時蓄熱槽

l/qト型空調機 (インテリア用)

図5-5 空調配管系統図(温水・ 氷同時蓄熱[放熱運転] )

表5-1 熱源設備概要

-排熱回収ヒートポンプx 1台

〔排熱回収時〕 冷却能力 加熱能力

〔冷却専用時〕 冷却能力

〔加熱専用時〕 加熱能力

電動機出力:圧縮機19kWx 4台，

・空冷ヒートポンプチラーX2台

〔冷却専用時〕 冷却能力

〔加熱専用時〕 加熱能力

製氷時: 134.5kW，

蓄熱時: 225.5kW，

製氷時: 181. OkW，

追従時: 268.5kW，

蓄熱時: 266.4kW，

追従時: 280.4kW，

送風機0.75kWX8台

製氷時: 169.5kW，

追従時: 237.2kW，

蓄熱時: 201. 6kW，

追従時: 212.2kW，

電動機出力:圧縮機37kWx 2台， 送風機1.25kW x 8台

・立て型温水・氷同時蓄熱槽(角形単一槽) x 1基 槽 容 積 : 有効210m 3 (呼称223m 3 )

-60C- 50oC- -60C- 90C- 50oC- 450C-

-60C- 90C- 50oC- 450C-

槽 内 寸法 : 5.3mX3.1mX13.6m!! 水深12.7m H (200C) 構 ^{造 :} RC造 内部断熱 ・防水

蓄 熱 量 : [温水・氷同時蓄熱時〕

-90C 530C -90C 40C 530C 500C

-90C 40C 530C 500C

温水蓄熱量: 5，500MJ/日， 40oC- 500C 氷 蓄熱量: 3，800MJ/日， OOC- OOC

〔全量氷蓄熱時J 19，000MJ/日， 10oC- OOC 密 度安定器 : íDuo StableJ 650 mmJ! X 1セット (SUS製)

製 氷コ イノレ : 3，800MJ/日X5セット， ディフユーザーX3セット .ブライン-水熱交換器( 追従用) X 1台〔プレート式〕

( 冷却追従時)

能 力:712kW， 一次側(7守7イン)流量 144m 3 /h ( 40C- 90C) 二次側(水 )流量 70m 3 /h (150C- 60C) ( 加熱追従時)

能 力:488kW， 一次側(7守ライン)流量 96m 3 /h (500C- 450C) 二次倶IJ (水 )流量 42m 3 /h (350C- 450C) .ブライン-水熱交換器(内融用) X 1台〔プレート式〕

能 力:465kW， 一次側(7守7イン)流量 72m 3 /h ( 40C- 100C) 二次倶，IJ (水 )流量 40m 3 /h (160C- 60C)

・水-水熱交換器(温水・外融用) X 1台〔プレート式〕

(温水放熱時)

能 力:465kW， 一次側(水)流量 ニ次側(水)流量 ( 全量氷蓄熱外融時)

能 力:465kW 一次側(水)流量 二次倶IJ (水)流量

・使用ブラインX 1 式

比熱3.14kJ/(kg・OC)， 密度1，085 kg/m 3

40m 3 /h (500C - 400C) 40m 3 /h (350C - 450C)

40m 3 /h ( 40C- 140C) 40m 3 /h (160C- 60C)

エチレングリコール35wt% (凍結温度-200C)

87

5.1.3蓄熱槽

単一の立て型温水・氷同時蓄熱槽の断面図・平面図を図5-6 に示す. 立て型蓄熱槽 は， 事務所ピルの建物に隣接して地上式にて建設されており， 鉄筋コンクリート製の 直方体(槽内寸法5.3m X3.1m， 高さ13.6m)で， 槽容積は有効210m3である.

立て型温水・氷同時蓄熱槽内には，製氷用の千鳥配列熱交換器コイルが上部に4層，

下部に1層設置され，中央部に密度安定器が設けら れている.製氷コイルは，外径27.2 mID， 内径24.2 mmのステンレス管で製作した 22 列 X16段(コイル寸法 3.86m X 2.31 ffi， 高さ1.57m)のコイルで、ある. ディフユーザーは， 槽の最上部と最下部および密 度安定器の真上の計3ヶ所に配置している. 密度安定器の設置位置は， 中間期と冬期 の暖房と冷房の負荷比に基づき，排熱回収ヒートポンプの温熱と冷熱の発生熱量比よ

り， 温水蓄熱部と氷蓄熱部の割合を決めている.

立て型蓄熱槽の断熱仕様は， すべて現場発泡ポリウレタン(100mm厚さ)による内 部断熱とした. なお， 槽上部に O.8mXO. 8mの2重ガラス窓を設け， 槽内上部を観察 できるようにしている.

5.1.4密度安定器

本研究の立て型温水・氷同時蓄熱槽に採用した密度安定器の詳細図を図5-7 に示す.

密度安定器の構成は温水蓄熱部と氷蓄熱部を隔てる天板と外壁および 40Cの水を溜め る底板と内壁からできており， 厚さ3mmのステンレス板に50 mmの発泡ポリウレタン の断熱を施して製作した. 天板と内壁および底板と外壁との聞には通路が確保されて おり， 夏期における外融方式の放熱運転および氷が融けた後の冷水放熱運転において，

密度安定器内の最狭通路の平均液流速は 0.05m/s以下で， 槽内の槽断面積基準の平均 液流速は約O.OOlm/sで， ゆっくり流れる構造となっている.

5.1.5熱交換器

蓄熱熱源配管系と建物空調配管系とは， 3台の熱交換器を介して放熱運転と追従運 転を行う. 1台目は追従用で， 排熱回収ヒートポンプと空冷ヒートポンプチラーの昼 間追従運転時に使用する. 2台目は内融用で， 製氷コイル内のブラインの循環による 内融運転時に使用する. 3台目は温水・外融用で， 蓄熱槽内の水を循環して放熱する 時に使用する.

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ディフユーザー

ー』f R

l 町内一∞

00宏一← oohN­ muh- - gh 判∞h-，d由。 自由九一← 四一山h-

観察窓 800 x 800

温水蓄熱部

氷蓄熱部 密度安定綾部

点検ロ

b)平面図

立て型温水・氷同時蓄熱槽断面・平面図

ロ吋11l

BnEnBnB円旨円旨刊BWB円旨Ni

-4∞，..l

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50 50

密度安定器部詳細図

89

温度3制定点

ー -g∞

1∞o 3100

図5-6

十一

図5-7

一一一 ー=

5.2蓄熱・放熱運転方法

蓄熱・放熱運転概要を表5-2に示す. 蓄熱運転時間は， 22時から翌日 8時まで の10時間， 放熱運転時間は朝8時から18時までの 10時間を標準としている. 暖 房と冷房が必要な 11月から4月は温水・氷同時蓄熱， 冷房だけが必要な5月から

10月は全量氷蓄熱を行う.

5.2. 1温水・氷同時蓄熱

蓄熱運転は， 排熱回収ヒートポンプの温水出口温度を530Cに， ブライン出口温度 を-gOCに設定して行う.温水蓄熱部では密度安定器の真上のディフユーザーから温水 を取り出し， 槽の最上部のディフユーザーから槽内に戻す. 蓄熱槽温水出口温度が 470C付近から510C以上に上昇した時に温水蓄熱完了と判断して， 蓄熱運転を停止す

る.

氷蓄熱部では製氷コイルからのブライン出口温度が -70C以下に降下した時に， 氷 蓄熱が完了と判断して蓄熱運転を停止するが ， 前日の放熱量が少なく残氷している 場合には， 過剰な 製氷を防止するために槽内の積算蓄熱量が4，000M]以上とならな いよう監視し制御する.

放熱運転は， 温水蓄熱部で、は槽の最上部のディフユーザーから温水を取り出し，

密度安定器の真上のデ、イフユーザーより槽内に戻し， 槽内上部の温水を循環して行 う. 蓄熱槽温水の出口温度が500C付近から420C以下に降下した時に温水放熱完了と する. 氷蓄熱部では， 製氷コイノレ内のブラインの循環による内融運転のみで行い，

製氷コイルブ、ライン出口温度が70C付近から100C以上に上昇した時に放熱完了とす る.

表5- 2 蓄熱・放熱運転概要

種 目リ 蓄熱運転(22:00'""8: 00)

j蓄熱完了時(

f温度成層平市5N 3℃ |)(温度成層明)1 .. �o."Cの水 [ 温水蓄熱部] 1 40"Cの水 i L | の温水 1 i I ノ1

;中 間 期・ 冬期 ) 1

^{T10"C '} i

i ^ムT100C

(11月"'4月) l 温水・ 氷|

同 時蓄熱|

[氷蓄熱部]

1<潜熱蓄が ! I o"Cの

I ! ヘ I

o"Cの水

.'-- '- 1 : ^I """->1 ^(出口

i

I 氷 一 水 I

I

(内融・外融併用)

| 氷一水 ^o"Cの lj

i 65%放熱

I O

氷ー

'"'-'5"Cの| 水

|(外向)

35%放熱

- ー園田園田園ーーー一一一

5.2.2全量氷蓄熱

蓄熱運転は，排熱回収ヒートポンプ1台 と空冷ヒートポンプチラー2台の計3台に てブライン出口温度を-90Cに設定 し，蓄熱 槽内の全ての製氷コイルによる氷蓄熱を行 う.蓄熱槽内の製氷コイルからのブライン出口温度が-70C以下に降下した時に， 氷蓄 熱が完了と判断し蓄熱運転 を停止するが， 前日の放熱量が少なく残氷して いる場合に は， 過剰な製氷 を防止するために槽内の積算蓄熱 量が 25，500M]以上 とならないよう 監視し制御する.

放熱運転は， 製氷コイル内のブラインの循環による内融放熱と，蓄熱槽最下部のデ ィフユーザーより取り出して最上部のデ、イフユーザーより槽内に戻し，槽内の冷水の 循環による外融放熱と併用して行う.放熱開始時は内融放熱をベースとして空調負荷 が内融放熱量(最大465kW)を超える場合，または内融放熱を完了した場合には， 外 融放熱を行う.内融放熱は， 製氷コイルのブライン出口温度が40C付近から 50C以上 に上昇した時に， 放熱を完了する.外融放熱は，槽からの出口温度が40C付近から 90C 以上に上昇した時に 放熱を完了する.

5.2.3計測方法

各種計測機器からのデータは， パソコンに集積され分析され る.図5- 6 に蓄 熱槽の， 図5-7 に密度安定器 の温度測定点位置を，表 5-3 に 測定項目を示す.

蓄熱槽内の温度測定点は， 温水蓄熱部にT H01からTH09までの9 点， 密度安定 器部にTT 01からTT21までの21点， 氷蓄熱部にTC01からTC09までの9点で，

計39点である.

項 目

入力信号

計測記録

表5-3 計測項目概要表

内 容

温度 データ:69点(槽内39， 外気1， 他29) 流 量 データ: 8点(チラ-3， 熱交3， 2次2) 水位データ: 4点( 槽内 1， 膨張タンク3)

電力 データ:3点(電圧3， 電流3)

凍結信号: 2点(氷厚センサー20点中2) 蓄熱・放熱運転信号:22点

蓄熱・放熱完了信号: 9点 -データサンプリング間隔:5分

-データ数:1日分(12 回/H^x 24H=288)

・ファイノレ形成:CSV形式(エクセル読込可)

91

一一一

ー=

5. 3密度安定形成実証試験

蓄熱 運転におい て ， 蓄熱槽内を均一な 温度状態に保ち， 温水・氷同時蓄熱を行っ た場合の槽内 温度の経時変化から， 密度安定器内の底部に最大密度40Cの水が溜ま り， 密度安定が形成されることの実証試験を行った.

5.3. 1試 験条件

全量氷蓄熱から温水・氷同時蓄熱への切替え時期の1999年10月27日(水)22時~

10月30日(土) 22時， 11月3日(水) 22時�11月6日(土) 22時の2回， 表5-4の日程 にて実証試験を行った.蓄熱槽は鉄筋コンクリート水槽の内側に断熱と防水を施して いるが， 防水層保護のため槽内の温度変化は1日 当り 150C以内が許容値なので ， 約 270Cからの温水・ 氷同時蓄熱は， 2日間に分け て行い， その後1日間放置した.

5.3.2密度安定形成経過

蓄熱開始 後3日間(72 時間)における蓄熱槽内 温度の経時変化を 図 5- 8に示す.な お， 図中の温度測定点の記号は図5- 6， 図5- 7参照. 温 水蓄熱部で、は加熱に伴って槽 最上部のTH02， 温水蓄熱部の中央TH05と下部TT01の温度が上昇し， 11月4日4時 間55分 後にTT01が420Cとなり運転を停止した.2日目はTT01が410Cから開始し11 月5日 5時 0分にTT01が 520Cとなり運転を停止した.

氷蓄熱部で、は冷却に伴って 製氷コイル部TC03， TC05と槽最下部TC02の温度が降下 し， 1日目は 11月4日 0時 20分にTC03が 150Cとなり運転を停止したが ， 製氷コイ ル上部 TT18の温度は試験開始時の約 270Cを維持している. 2日目は， TC03， TC05

とTC02が 約160Cから開始し11月5日 7時40分に製氷コイル付近 TC03， TC05はOOC となり， 槽最下部TC02は 11月5日 1時40分に， 水の密度が最も高い40Cとなった.

ここで ， 製氷コイル部TC03， TC05付近の水域は， 温度降下に伴ない， 40Cまでは水の 密度が高 くなっていくので下降流が生じ，40CからOOCまでは水の密度が低くなってい

くので上昇流が生じる.

1回目 2回目 温水蓄熱側 氷蓄 熱 側

表5-4 密度安定形成実証試験の日程

1日目

日…一一一…ーー・・・ー-…・...._...ーー一一一一一一._.

10月28日(木)

一一ー一一一一一一瞬ー一一回

11月4日(木) 270C→420C 270C→140C

2日目 ₃日 目

一一ー一一一_.一一ー一 ・a・・・・..._-山甲山山由山一・ ・...._"...'…一一一一一一一一一回一一一一“白

10月29日(金)

四 一一 一一・………・…一 一 ー

11月5日(金) 420C→530C 140C→OoC

10月30日(土)

ト^{一一・一一 一一一一一一一一一一.__....}

11月6日(土) 放置(530C) 放置(OOC)

※1日は前日の22時より当日の22時までとしている.

一ー_...

55 50 45

10 14 18 2 20

15 10

。

F「リV

<1日目>一一一一一争"一一一一一<2日目>

(11月3日22時-4日22時) I (4日22時-5日22時)

図5-8 密度安定形成実証試験の槽内温度経時変化 [1999年11月 3日(水)22 : 00'"'-'6日(土)22:00J

このため， TC03 ， TC05 がOOCとなると， OOCの水域は上昇するためにTT18は2日目の 11月 5日13時30 分に， 密度安定器の天板と内壁との通路部TT13 は3日目の23時 間30分に急激に温度が下がりはじめ， その後OOCとなった. なお， 2日目の蓄熱運 転は，11月5日7時25分に製氷コイルからの出口温度が-70Cとなり運転を停止した.

密度安定器内部では， TT18 の温度がOOCになった後， 密度安定器底部TT09 の温度 が2日目の5日20時30分よりゆっくりと下がり，3日目の11月6日11時30分にどC となり，3日目の試験終了時においても維持された.ここで，密度安定器天板部のTT13 よりも底板部TT09 が早く温度を下げ始めたのは，氷蓄熱部のOOCの水域が密度安定器 の内壁上部まで広がった後に， 内壁上部で、密度安定器底部にこぼれおちていることに よると思われる.密度安定形成が達成されたことにより密度安定器の外壁上部のTT08，

TT07 の温度もゆっくりと降下した.

さらに， 蓄熱槽内および密度安定器部の温度の経時変化を視覚的に示すために，

各温度測定点の実証データをもとに色分けしたものを図5-9 に示す.

93

(TJd

密度ì

安定器IL-f 拡 大|

-4

- ・ E...._�

a) 11月3日22時O分 (蓄熱開始)

c) 11月5日8時O分

(抑制調

d) 11月5日21時O分

包7日韓唱曲

l 三 二 2 - っ :::: | ::

b) 11月4日18時O分 (21時間経過)

温度範囲

4 2

。

e) 11月5日14時30分 (日日韓粧直D

図5-9 温水・氷同時蓄熱における密度安定器内の密度形成運転 (1999年1 1月3日22時0分"'-'6日22時 O 分)

5.4通常運転時の蓄熱・放熱特性

通 常運転時における 蓄熱と 放熱 の特性を槽内温度 の経時変化と 槽内垂直温度分 布により解析した.

5.4. 1温水・氷同時蓄熱

(1)槽内温度経時変化

温水・氷同時蓄熱 の運転データと して， 建物の温熱と冷熱 負荷の両方が蓄熱 量 よりも大きくなる 中間期の1999年11月18日(木)22時�19日(金)22時 の槽内温度経時変化を図5-10に示す.

温水蓄熱部の蓄熱運転では，温水循環による加熱に伴って槽最上部TH02 の温 度が上昇し，つづいて温水蓄熱部の中央TH05と下部TT01が順に温度が上昇し，

TT01は0時10分に450Cとなった. 次に3時0分にTT01は480Cに上昇し， 4 時55分にTT01が510Cとなって蓄熱を完了した.この時， 槽最上部のTH02は

530Cとなった. 温水蓄熱は温水部の換水回数が3回で行われた.

温水蓄熱部の放熱運転は，8時0分より開始し， 温水蓄熱部下部TT01より温 度が降下した.TT01は放熱開始直後に暖房立ち上がり負荷のため400Cまで下が るが，その後は430Cとなった.温水蓄熱部は，温度成層を保ちながら 槽 上部TH02 まで 温度 降下し， 15時40分にTH02が430Cになり， 放熱運転停止温度 の420C 以下 よりも高いため， さらに放熱を続け て18時15分にTH02が420Cとなり放 熱を完了した.この時， 温水蓄熱部の平均温度は約400Cとなった. 温水放熱は

温水部の換水回数が2回で行われた.

氷蓄熱部の蓄熱運転では，製氷コイル内をブラインが循環することで冷却し，

製氷コイル部TC03 ， TC05が， 7�80C よりゆるやかに降下して19日3時0分に OOCとなり， 製氷コイル 上部TT18 の温度 も0時30分 より温度が降下しTC03と ほぼ同じ時刻にOOCとなった. その後 製氷量が増加して， 5時10分に製氷コイ ル出口温度が-70Cまで下降し， 氷蓄熱を完了した.

放熱運転では， 製氷コイル内をコイル入口100C のブラインが循環する内融方 式で行い， 製氷コイル部TC03 ，TC05がゆるやかに上昇し，14時45分に放熱を

完了した.

密度安定器部では底部のTT09 が蓄熱 ・放熱運転を通して4�50Cで安定して おり，TT08とは常に100C以上 の温度差をTT07とは常に250C以上 の温度差を保 ち， 温度成層 が形成されて混合が抑制された.

95

.ーー=

55 50 45 40 35 30 P 25 20 15 10 5

。 一5 �

� <蓄熱運転>

-圃圃圃圃・・・圃圃圃・・・圃・圃a・・・・ -

TT07

ーーー ム ムー ム 」一品\レ 6 7 B 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 /代

<放熱運転>

�

図5-10 温水 ・ 氷同時蓄熱の槽内温度経時変化 [1999年11月18日(木)22: 00'"'-' 19日 (金) 22: 00 ^J

(2)槽内垂直温度分布

図5-11に蓄熱運転と放熱運転の槽内垂直温度分布の経時変化を示す. 温水蓄 熱部では蓄熱・放熱過程で槽内分布温度成層を維持した運転 が行われ，氷蓄冷部 では時刻ごとの温度がほぼ均一に推移した.蓄熱・放熱過程の聞に， 密度安定器 では大きな温度差を維持していること がわかる.

本研究で使用した密度安定器部の高さは断熱を含め て0.65mで、あり， 温水蓄 熱部と氷蓄熱部との聞の温度変化の高さは密度安定器高さの約1.5倍の約1.0 mで、ある. 今後は密度安定器の点検・保守スペースの再検討と密度安定器の高 さの最適化によりこの高さをさらに低減することは可能と考える.

さらに， 蓄熱槽内の経時変化を視覚的に示すために実証データをもとに色分 けしたものを図5-12に示す.

13.0 12.0 11.0 10.0

9.0

‘3 旧

O

Ll'・Ill141HI

T

T

tE準水位C12.7m)

I ^TH01 _TH02

TH04

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8.0 ぎ7.0

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fOuo StableJ部

ー'ーーーーー-TT09' ー司ーーーーーーーーー一一ーーー一一 TC09

TC05 TC04

TC03 TC01

2.0 1.0

0.0 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

温度(OcJ

a) 蓄熱運転(18日22時�19日8時)

13.0 12.0 11.0 10.0 9.0 三8.0

悼代J 7

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3.0 2.0 1.0 0.0

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o 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

温度L'C]

b) 放熱運転(19日8時�20時)

図5-11 温水・氷同時蓄熱の槽内垂直温度分布の経時変化 (1999年11月18日(木) 22時�19日(金) 20時)

97

a) 11月18日22時O分 b) 11月19日O時O分 c) 11月19日2 時O分

d) 11月19日4時O分

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e) 11月19日10時0分

。11月19日12時O分 g) 11月19日14時0分 h) 11月19日18時0分

図5-12 温水・氷同時蓄熱・放熱運転時の槽内温度分布 (1999年11月18日(木)22時O分"-'19日(金)18時O分)

5.4.2全量氷蓄熱

(1)槽内温度経時変化

全量氷蓄熱の運転データとして，建物の冷熱負荷が最も大きい1999年8月11 日(木)22時'"'-'12日(金)22時の槽内温度経時変化を図5-13 に示す.蓄熱運転は，

製氷コイル内をブラインが循環することで冷却が行われ，蓄熱開始時刻の槽内平 均温度は約120Cを示しているが， 蓄熱により温度は降下して， 12日1時0分に は槽内は約40Cとなり， 3時0分にはOOCとなる. ただし， 槽上部TH02 と密度安 定器天板付近TT13， TT18 は， 製氷コイル部TH05，TC03 がOOCとなった後に急激 に温度を下げた. また， 密度安定器部TT07 ， TT08， TT09 の温度は40Cまで降下 して一定となった. その後， 7時 55 分まで、蓄熱を行った.

放熱運転では， まず製氷コイル内をコイル入口100Cのブラインが循環する内 融放熱をベースとして， 外融放熱との併用で、行った. 放熱開始時の12日8時0 分より， 槽内全体がゆっくりと温度上昇した.12日14時0分に製氷コイル出口 温度が 50Cになり内融放熱を停止した. 14時0分以降は外融放熱だけとなり，

温度成層を保った冷水放熱が行われ， 槽上部より11 '"'-' 120Cとなり， 19 時40分 には槽内がほぼ均一に約110Cとなり放熱を完了した.

(2)槽内垂直温度分布

図5-14 に蓄熱運転と放熱運転の槽内垂直温度分布の経時変化を示す. 蓄熱運 転では，11日22時0分から槽内温度が均一に下がり，12日4時0分にはOOCと なっていた. ただし密度安定器部と槽最下部は，40Cで、あった.

放熱運転では， 内融放熱と外融放熱の併用により， 槽内温度はほぼ均一に上 昇し，14時0分に約40Cとなった. その後， 外融放熱だけによる温度成層を維持 した放熱が， 槽上部より槽下部まで行われた.

全量氷蓄熱において密度安定器は蓄熱・放熱運転にはほとんど影響を与えて おらず， 単一の立て型蓄熱槽として良好な運転が行われたことがわかった.

さらに， 蓄熱槽内の経時変化を視覚的に示すために， 実証データをもとに色 分けしたものを図5-1 5 に示す.

15

10

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附加附剛

ト-i09 T02 T09 TT04 TC09 Tト-i05

ト-i07 H06

22時〕

<般需要運転>

図5-13 全量氷蓄熱の槽内温度経時変化 (1999年8月11日(水)22時�12日 (木)

練準水位(12.7m)I 13.0

12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0

主堕血/4.0 3.0

〔E〕刊一四G小rQ圃世

Tト-i01 TH02 TH03 TH04

Tト-i06

了間7 T同9 TT02 -ーーITT04

22:∞a ITト-i05 4

6Mf・

8分。

13.0 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0

〔E〕仰一健G心会闇慢

TC05 TC04

2.0 8・00

1.0

ーーーITT09 TC09 TC05 22:00 ITC04

2.0

1.0 TC03

TC01

15 10 5

温度[OcJ

にd 。

0.0

TC03 TCOl

15 5 10

温度[OcJ FhJV 。

0.0

b)放熱運転(11日 8時�20時) a)蓄熱運転(11日22時�12日8時)

全量氷蓄熱の槽内垂直温度分布の経時変化 ( 1999年8月11日(水)22時�12日(木)20時) 図5-14

Illt ^III冊.

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IIJ\: nlO

a) 8月11日22時0分

d) 8月12日8時0分

。8月12日16時0分

b) 8月12日O時O分

- "可 n，。

g) 8月12日18時0分

恒竺I里雪

国間

c) 8月12日2時O分

e) 8月12日14時0分

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0・，

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h) 8月12日20時0分

図5-15 全量氷同時蓄熱・放熱運転時の槽内温度分布 (1999年8月11日(水)22時O分'"'-' 12日(木)22時O分)

_� _ _�L- ・空調負荷

園蓄熱量

← L旦竺熱埠竺i

;:，*. ;f<.Fo!IIHl'M

J

日-

剛一割9一氷

町一泊

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…一←二三一 一一蓄一-

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圃

圃

[由主主咽

書長

図5-16 月 平均空調負荷と蓄熱量 ( 1999年5月�2000年 4月)

年間運転データによる性能評価

5.5

立て型温水・氷同時 1999年5月から2000年4月までの年間運転データより，

蓄熱槽と排熱回収ヒートポンプの性能を評価した.

空調負荷と蓄熱

蓄熱量 お よび蓄熱損失量の日 間熱量を月ごとに平均した値を 示す. なお，図の上半分は温熱負荷と温水蓄熱を ，下半分は 冷熱負荷と氷蓄熱を示す.

5.5.1

図5-16に空調負荷，

氷蓄熱ともに空調負荷 に伴い推移した.

蓄熱量は温水蓄熱，

1999年12月から2000年3月まで当初の計画値5，500MJ/

温水蓄熱量の平均値は，

こ れは利用温度差が 2000年2月は7，800MJ/日と約1.4倍となったが，

日を 上回り，

となったことによる.

より も大きな130C (530C→500C) 計画値 100C (500C→ 400C)

夏期の氷蓄熱量は 1999年8月の蓄熱量の平均値が計画値の19， 000MJ/日となった.

中間期・冬期の氷蓄熱量の平均値は 2000年11月と4月にほぼ計画値の3，800MJ/日 1999年5月から2000年4月までの主な運転環境としては， 本研究 なお，

となった.

の事務所ピ、ルの5階の1フロアが未入居で使用されていなかったことと，例年に比べ るとやや冷夏であったことが挙げられる.

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ーベトー蓄熱効率(温水) ---(トー蓄熱効率(氷)

・0・・・ 熱負荷夜間移行率₍温水) -...・・・熱負荷夜間移行率₍氷⁾

1月 2月 3月 4月|

(2000年) I

く 温水・氷同時蓄熱一一一叫 10月111月12月

9月 5月 6月 7月

(1999年)

全量氷蓄熱 8月 nu

nu nu nu nu nu nu nu nu nu nu nu nHd

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4・・・

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月平均熱負荷夜間移行率と蓄熱効率 (1999年5月�2000年4月)

図5-17

熱負荷夜間移行率

熱負荷夜間移行率を図5-17に 示す. 熱負荷夜間移行率とは， 本来昼間時間帯に発 生した空調熱負荷のうち，夜間時間帯に熱源機器を運転して蓄熱された蓄熱量によっ て賄われた熱負荷の割合をいう.

温水蓄熱の熱負荷夜間移行率は6ヶ月平均で65%， 温熱負荷の大きい 2000年 1月・

2月は約50%となっている.

氷蓄熱の平均負荷夜間移行率は年間平均で91%となり，夏期の全量氷蓄熱時で95%

となり， 負荷の大きい 1999年 7月から9月は 92%， 他の時期はほぼ100%となって 中間期・冬期は平均で8 7%となっており冷熱負荷に有効に対応ができた .

5.5.2

いる.

蓄熱効率

蓄熱効率を図5-17に併記する. 蓄熱効率とは， ある一定期間に蓄熱槽内に投入し た熱量に対し， ある一定期間に槽から取り出して利用した熱量の比を言う. な お， 全 量氷蓄熱から温水・氷同時蓄熱への切替え時の予熱熱量は今回の検討には含んでいな

5.5.3

温水蓄熱の蓄熱効率は6ヶ月平均で85%となり， 各月ごとの差はほとんどなかっ

た

氷蓄熱の蓄熱効率は年間平均で 92%と高い効率を示している. 全量氷蓄熱を行っ ている1999年5月から10 月の6ヶ月平均では 92%， 温水 ・氷同時蓄熱を行ってい る1999年11月から2000年4月の6ヶ月平均も91%である.

103

表5-5 温水蓄熱部の蓄熱槽効率 (2000年2月1日(火)'"'-'4月(金) )

温水蓄熱部の _{2/1 2/2 2/3 2/4} 水面 オプ不 水容積 (火) (水) (木) (金)

!A

Aの場合:

IB

(

J

Bの場合: _154m3

〔

J

Duo Stable底面ま

(範囲の概略図)

5.5.4蓄熱槽効率

蓄熱槽効率の月ごとに平均した結果を表 5-5に示す. 蓄熱槽効率とは， 槽の水容 積全部が基準温度差で利用すると仮定した時の熱量に対して，実際に放熱に 利用し得 た熱量の比をいう.

なお， 蓄熱槽効率の算定 は， 顕熱蓄熱に限り， 温水 ・ 氷同時蓄熱時の温水蓄 熱部だけ行った. 基準温度差は， 熱源機の設計値530Cと放熱温度 400Cの差であ る130Cとし， 温水蓄熱部の水容積を密度安定器部を含まない槽上部の水面から 密度安定器上部のディフユーザーまでの139m3で算定すると， 蓄熱、槽効率は 87 '" 90 0/0となり， 温度成層型蓄熱槽として良好な値を確認できた. 一方， 水容積 を密度安定器部を含んで， 槽上部の水面から密度安定器の底面までの154m3で 算定すると， 蓄熱槽効率は79'"'-'81 %と低い値となる が， 今後密度安定器の高さ の最適化と保守 ・ メンテスペースの削減を行うことで密度安定器部を含む水容 積で算定しでも蓄熱槽効率は8 5%程度まで向上できると考える.

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x (冷却専用運転): 1999年8月2日(月)22時-7日(土)8時 o L1l

図5-18 排熱回収ヒートポンプの成績係数

( 1999年8月2日(月)�7日(土)， 11月16日(月)�20日(土) )

5.5.5排熱回収ヒートポンプの運転成績係数

排熱回収ヒートポンプの運転 成績係数(CO p) の代表例として， 1999年8月 2 日(月)22時�7 日(土)8時の空冷ヒートポンプチラーの冷却専用運転と1999 年 11 月 16 日(月)22時�20 日(土)8時の排熱回収運転の実測データからの算定結果を図 5-18に示す. 成績係数とは， ヒートポンプの圧縮機動力1kW当り蒸発器(or 凝縮 器)からくみ上げる熱流量(kW]をヒートポンプの成績係数(C_{0 P :} Cofficient of Parforma nce) とする.

運転成績係数 は冷却専用運転の約2.0に対し，排熱回収運転では約4.0とほぼ2 倍となり計画時の省エネルギー性を確認で、きた.

105

5.6まとめ

約1年間の実測データの収集・解析により， 以下の結論を得た.

1) 温水・氷同時蓄熱運転で、は密度安定器底部に 40Cの水域が溜まり， 密度安定形 成が達成される. また， 蓄熱・ 放熱の通常運転においても密度安定器の機能は 維持されており， 温水蓄熱部と氷蓄熱部の混合を抑制した.

2) 全量氷蓄熱の通常運転では， 温度成層を維持した放熱が行われ， この時密度安 定器内の水域も全て 放熱されて蓄熱効率も良好である.

3) 今回の温水蓄熱部と氷蓄熱部との聞の温度変化領域の高さは，密度安定器の高 さ0.65mの1 .5倍の約1 mで、ある. 密度安定器の高さの最適化によりさらなる 削減も可能だと考えられる.

4) 熱負荷夜間移行率は， 中間期・冬期の温水・氷同時蓄熱運転の6ヶ月平均では 温水蓄熱部65%， 氷蓄熱部87%と高く， 夜間移行が良好に行われた. 夏期の 全量氷蓄熱運転の6ヶ月平均では95%となった.

5) 蓄熱効率は， 中間期・冬期の温水・氷同時蓄熱運転の6ヶ月平均では， 温水蓄 熱部85%，氷蓄熱部91 %となった.夏期の全量氷蓄熱運転の6ヶ月平均は92%

となった. 密度安定器の機能が十分に発揮され， 高い性能が得られた.

6 ) 蓄熱槽効率は， 温水・氷同時蓄熱の月平均の最大値は， 温水蓄熱では 104%，

氷蓄熱では160%となった.

7) 排熱回収ヒートポンプの運転成績係数(COP)は排熱回収運転時に約 4.0で， 空 冷ヒートポンプチラー冷却専用運転時の約2.0の約2倍と良好だ、った.

6章 鋼板製円筒形の基本設計法

単一立て型温水・氷同時蓄熱槽の低廉化と建設工期短縮を目的として鋼板製円筒立 て型温水・氷同時蓄熱システムの基本設計法について検討する.設計モデルとしては 平成 12年 12月完成予定の中規模事務所ビ、ル ( {樹九電工 熊 本支店ヒゃル 8，500 nf) とする.

6. 1温水・氷同時蓄熱システムの設計

6. 1. 1基本設計の手順

( 1) 負荷ノミターン

基本設計の概略フローを図6-1に示す.

まず， í建物条件の把握」では， 建物 の用途として， 中間期(春・秋) や冬期に温 熱負荷と冷熱負荷が同時に発生する建物であることの調査検討， 建物規模が 5，000

d以上であるなどの用件の把握および設置スペースの検討を行う.

次に「空調ピーク負荷計算」を行い， ピー ク日の夏期冷房負荷，冬期冷房負荷，

それ に中間期の暖・冷房負荷の24時間の各時間ごとの数値と日間負荷を計算する.

「空調負荷年間パター ンの作成Jでは， 1月から12月までの各月のピーク日負荷 パター ンを温熱負荷，冷熱負荷それぞれで作成する. í蓄熱量の算定J では，夏期ピ ーク日の冷熱負荷の50010を氷蓄熱することを基準に夏期氷蓄熱量を想定する.

次に蓄熱槽内水量を算出し， 排熱回収ヒ ートポンプの成績係数(CO p) と単位 蓄熱容量比より ， 温水・氷同時蓄熱時の温水側水量と氷蓄熱側水量の割合を決定す る.

(2) 仕様の決定

ここからは，熱源機器と蓄熱槽とを並行して設計していくが，熱源機器では， í熱 源機器の選定J， í放熱手法の検討J， í熱交換器・ポンプの選定J， í機器配置の検討J，

「夜間騒音の検討J を行う. 蓄熱槽では， 温水・氷同時蓄熱槽の実際の形状を決定 し， それより「温水・氷同時蓄熱槽容量の決定」を行い， í蓄熱槽内コイル・デュフ ユー ザー選定J，最適な「密度安定器の形状の検討J， í断熱厚さの検討J， í槽造計算」

となる.

【負荷パターン}

'

温水・氷同時蓄熱槽

とコ>1 _{容量・容積算定}

a 蓄熱、槽内コイル・

デュフユーザー選定 a

建物条件の把握

〔用途・規模，運転時間，内部発熱，躯体〕

s

空調ピーク負荷計算

〔夏期冷房，冬期暖房，中間期暖・冷房〕

s

空調負荷年間パターンの作成

〔各月のピーク日パターン〕

s

蓄熱量の算定

〔夏期氷蓄熱，中間期温水・氷同時蓄熱〕

E

【熱源機器]

J

熱源機器の選定

・排熱回収型HP -空冷HP

l

亡字 _|

息 密度安定器 形状の検討

s

断熱厚さの検討

〔槽，DuoStableJ S 槽構造計 算 放熱手法の検討

・内融・外融方式

・ピークカット方式

a

熱交換器・ポンプの 選定

7

価

IJ 軍

制御システム・監視ソフトの検討

〔蓄熱・放熱運転条件，運転スケジュール〕

s

建設費・ランニングコストの試算

a

エネノレギー評価と経済性評価

一討

討

悶

一

検

一

一

一

の

む一

S 一置 事 吾厚一 ・ 己一

騒削

一

一

一

一

•

基本設計概略フロー図 図6-1

(3)評 価

以上で熱源機器と蓄熱槽が決定すると， 次に「制御システム・監視ソフトの検討 と作成」を行い， 最後に 「建設費・ ランニングコストの試算」から「エネルギー評 価と経済性評価」となるが， ここでの結果が良好でない場合は， 再度熱源機器と蓄 熱槽の設計へ戻り， 再検討する.

6.1.2空調負荷年間パターン

空調負荷年間パターンを作成するための空調ピーク負荷計算では 「概算負荷計算j として建物用途と規模・延床面積から想定単位負荷と運転時間より計算する方法と， _í詳 細負荷計算Jとして建物図より各部屋ごとに外部負荷， 内部発熱量 外気取入量より計 算する方法がある.

建物延床面積8，₅₀₀ rrfの中規模事務所ピルを例にとり， 暖房・冷房のピーク時単位負 荷よりピーク時負荷を求めたものを表6-1に， ピーク日の負荷パターンを表6-2， 年間 負荷ノミターンを表6-3に示す.

表6-1 中規模事務所ヒ。ルのピーク負荷例

モード 建物延床面積 ヒ。ーク時単位負荷 ピーク時負荷 ピーク日間負荷

[ rrfJ [Mj/h' rrfJ [Mj/hJ [Mj/日〕

冷房 0.272 2，240 25，290

(65kcal/h' rrf) (535，000kcal/h) (6，042Mcal/日) 8，500

暖 房 0.125 1，360 14，370

(30kcal/h. rrf) (325，000kcal/h) (3，433Mcal/日)

一一一一一一一一一

表6-2 中規模事務所ビ、ルのピーク日空調負荷パターン例

[MJ/h] [MJ/h]

時 表IJ 冷房負荷 時 表IJ 暖房負荷

o ，...， 。 o ，...， 。

2 。 2 。

2 ，...， 3 。 2 ，...， 3 。

3 ，...， 4 。 3 ，...， 4 。

4 ，...， 5 。 4 ，...， 5 。

5 ，...， 6 。 5 ，...， 6 。

6 ，...， 7 。 6 ，...， 7 。

7 ，...， 8 。 7 ，...， 8 。

8 ，...， 9 2.007 8 ，...， 9 * 1. 360

9 ，...， 10 2.045 9 ，...， 10 1. 2911

10 ，...， 11 2.075 10 ，...， 11 1.236

1

11 ，...， 12 2.076 11 ，...， 12

12 ，...， 13 2.074 12 ，...， 13 1. 138

13 ，...， 14 2. 132 13 ，...， 14 1. 119

14 ，...， 15 2. 192 14 ，...， 15

15 ，...， 16 2. 233 15 ，...， 16 1. 11

16 ，...， 17 * 2. 240 16 ，...， 17 1. 137

17 ，...， 18 2. 232 17 ，...， 18 1. 160

一一十 ート一一一一一ι一一 一ーーーイ

18 ，...， 19 1. 418 18 ，...， 19 789

19 ，...， 20 1.290 19 ，...， 20 802

20 ，...， 21 646 20 ，...， 21 465

21 ，...， 22 630 21 ，...， 22 475

22 ，...， 23 。 22 ，...， 23 。

23 ，...， 24 。 23 ，...， 24 。

￡E』3 計 25. 290 iE=-Z 計 14. 381

*ピーク時負荷