JP2008064372A - Heat exchanger type heat storage system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の技術が適用される技術分野は民生用、特に家庭用、業務用の空調機器と給湯機器を総合した分野での熱エネルギー有効利用を目指した次世代向けの新しい機器システムに関した分野である。この民生分野では現在でも多種多様の機器、システムが実用化されている。事例を挙げると、電力駆動冷凍サイクルを利用した空調機器及び冷凍機器や給湯機器、ガス石油を燃焼させて熱源とした暖房機器及び給湯機器や燃焼機器、ガス石油を動力駆動用燃料とした発電機や空調機器、太陽熱を熱源とした給湯機器など等である。特に近年、省エネルギー又は地球環境を重視するために機器のエネルギー効率の向上や自然エネルギーの活用のための新しい技術、機器、システムの検討が各方面で精力的に進められてきている。またエネルギー供給の社会インフラの特性から昼間電力の利用を抑えて夜間電力を利用するための技術や新らしい機器が開発され、実用化されて来ている。 The technical field to which the technology of the present invention is applied is a field related to a new equipment system for the next generation aiming at effective use of thermal energy in the field of air conditioning equipment and hot water supply equipment for consumer use, particularly home use and business use. is there. In this consumer field, a wide variety of devices and systems are still in practical use. Examples include air-conditioning equipment and refrigeration equipment and hot water supply equipment using an electric power-driven refrigeration cycle, heating equipment and hot water supply equipment and combustion equipment using gas oil as a heat source, and generators using gas oil as power drive fuel. And air conditioning equipment, hot water supply equipment using solar heat as a heat source, and the like. Particularly in recent years, in order to emphasize energy saving or the global environment, studies on new technologies, devices, and systems for improving energy efficiency of devices and utilizing natural energy have been energetically promoted in various fields. In addition, due to the characteristics of the social infrastructure of energy supply, technologies and new equipment for using nighttime power while suppressing the use of daytime power have been developed and put into practical use.
それらのシステムに利用されるエネルギーは商用電力、石油、ガソリンなど、何時でも社会インフラとして何処でも入手できた高い密度の使いやすいエネルギーから、例えば深夜だけ割安で供給される深夜電力、晴天の昼間だけ供給される太陽光発電電力や太陽熱、地域発電を主体にシステム構成された各種コジェネレイション装置の排熱などなど、限られた時間帯のみに限られたエネルギー濃度や温度が低く、且つ運転サイト毎に特有で標準化されていない、いわば排熱を主体にした各種のエネルギーの利用へ向けての変化が除々にではあるが生じている。 The energy used in these systems is such as commercial power, oil, gasoline, and other high-density, easy-to-use energy that can be obtained anywhere as social infrastructure. The energy concentration and temperature are limited only for a limited time period, such as the supplied solar power, solar heat, and exhaust heat from various cogeneration systems configured mainly for regional power generation. There is a gradual change toward the use of various types of energy, mainly exhaust heat, that is not standardized.
そういった動勢を一層進展させ更に種々な面で有益なシステム機器を実現する為の一つのキー技術が蓄熱システムに関するものである。それは需要側と時間や濃度でずれた供給エネルギーを一旦熱エネルギーに蓄積し、使いたいときに使いたい密度で熱エネルギーを供給する事ができるものと位置づける事が出来るからである、今後の社会生活の変化を支える一つのキー技術とも言えよう。 One of the key technologies for further developing such a dynamic and realizing system equipment that is useful in various aspects is related to the heat storage system. This is because the supply energy, which deviates from the demand side in terms of time and concentration, can be temporarily stored in heat energy, and can be positioned as being able to supply heat energy at the density you want to use. It can be said that it is one key technology that supports the changes in the world.
この分野の技術で最も実用化が進んでいるのが深夜電力を利用して温水をつくりそれを蓄熱して何時でも利用できるようにした高いエネルギー効率のシステムとして、ヒートポンプ給湯器がある。この場合年間平均25℃程度の水道水を80℃程度まで加熱して温水タンクに貯湯しておき、それを必要な時に利用するシステムである。この場合温水の蓄熱量はその温度差が80℃と25℃の差即ち55℃もあるため貯湯する温水タンクの容量は小さくて済むため家庭、店舗等でも広く普及されてきつつある。例えば一般家庭では400リッター程度の温水タンクを1000リッター程の筐体に収納させて設置するため、蓄熱タンクの底面の専有面積は0.5平方メートル程度となり、設置スペースの点でも可能な地域が多くある為である。 One of the most practical technologies in this field is a heat pump water heater, which is a highly energy efficient system that uses hot midnight power to store hot water and store it at any time. In this case, the average annual tap water of about 25 ° C. is heated to about 80 ° C., stored in a hot water tank, and used when necessary. In this case, the amount of heat stored in hot water is becoming widespread in homes, stores and the like because the temperature difference is as high as 80 ° C. and 25 ° C., that is, 55 ° C. For example, in a general household, a hot water tank of about 400 liters is installed in a housing of about 1000 liters, so the exclusive area of the bottom surface of the heat storage tank is about 0.5 square meters, and there are many possible areas in terms of installation space. Because there is.
しかしながら、それでも都会の住宅やマンションやアパートなどの場合、及び商業地域での小型店舗などの周囲ではそのスペースが無く、乃至はスペース確保費用が極めて高価なため、全国規模での普及拡大には課題となっている。
一方、給湯ではなくて冷暖房用の温冷水を蓄熱する場合には、例えば暖房の場合、その暖房効果を発揮させるためにはその温水の暖房後の戻り温度でも45℃程度の高温度が必要であり、従って貯湯の温度差は80℃と45℃の差即ち35℃となり前述した給湯の場合の55℃と比べて半分に近くなる。これは同じ熱量を貯湯するには倍近い温水タンク容量が必要となるわけである。冷房の場合はその冷水の温度差は8℃と18℃の温度差である10℃程度となり同じ必要熱量ベースであれば給湯の5.5倍程度の容量の冷水タンクが必要に成る。
However, in the case of urban houses, condominiums, apartments, etc., and there is no space around small shops in commercial areas, or the cost of securing space is extremely expensive, so there is a problem in expanding the spread on a nationwide scale. It has become.
On the other hand, when storing hot / cold water for air conditioning rather than hot water supply, for example, in the case of heating, a high temperature of about 45 ° C. is required even at the return temperature after heating the hot water in order to exert its heating effect. Therefore, the temperature difference of the hot water storage is 80 ° C. and 45 ° C., that is, 35 ° C., which is almost half compared with 55 ° C. in the case of the hot water supply described above. This means that a hot water tank capacity of nearly double is required to store the same amount of heat. In the case of cooling, the temperature difference between the chilled water is about 10 ° C., which is the temperature difference between 8 ° C. and 18 ° C., and a chilled water tank having a capacity of about 5.5 times the hot water supply is required if the required heat quantity is the same.
しかも給湯と冷暖房を総合的に供給できるシステムではその双方を足した温冷水タンク容量は給湯のみの場合に比べて5〜8倍程度になり、現地での据付けスペース及び価格の制約からみて殆ど実用性が無いと言えよう。
即ち、現在の民生機器用蓄熱装置における最大の課題は如何にコンパクトで蓄熱性能の良い蓄熱システムを実現する事ができるかであると言える。現状の温水給湯用の蓄熱量が容積あたり倍増できれば蓄熱システムを用いた空調給湯システムの実用化に扉を開く事ができると考えられる。さらに、深夜電力利用のヒートポンプと昼間の太陽熱の双方をうまく蓄熱すれば、一般家庭の朝晩の暖房と夕方の給湯などを1次エネルギー消費量が少なくて低い運転ランニングコストの方式の実用化が大きく進展できると考えられる。
Moreover, in a system that can supply hot water and air conditioning in a comprehensive manner, the hot / cold water tank capacity, which is a combination of both, is about 5 to 8 times that of hot water supply alone, and is almost practical in view of local installation space and price constraints. It can be said that there is no sex.
In other words, it can be said that the biggest problem in the current heat storage device for consumer equipment is how to realize a compact heat storage system with good heat storage performance. If the current heat storage amount for hot water hot water can be doubled per volume, it is considered that the door can be opened for practical use of an air conditioning hot water supply system using a heat storage system. Furthermore, if both the heat pump using midnight power and solar heat during the day are stored well, the practical use of a low operating running cost method with low primary energy consumption for ordinary household morning and evening heating and evening hot water supply will be significant. It is thought that progress can be made.
エネルギー装置分野の蓄熱システムに必要となる技術分野としては以上に説明したコンパクト化以外にも、蓄熱槽から大気への放熱ロスを最小化できるシステム、多種類の熱源を制御して最適に利用できる蓄熱システム、ヒートポンプ熱源ユニットとの連携、太陽熱太陽光発電との連携、冷暖房の双方を実現できる空調システムとの連携、現地での据付け工事性などの大きな課題があり、これらが実用化のためのキーである。更にこういった装置が開発され普及拡大が進展するためには以上の課題をクリヤーした上で、コスト低減を実現するための簡略化されたシステムと構成ユニット及び部品の実現が必要である。本発明提案では、蓄熱システムとしてその成立に必要な範囲の項目についてとりあげていく。 In addition to downsizing as described above, the technical field required for heat storage systems in the energy equipment field is a system that can minimize heat loss from the heat storage tank to the atmosphere, and can be used optimally by controlling many types of heat sources. There are major issues such as cooperation with heat storage systems, heat pump heat source units, cooperation with solar photovoltaic power generation, cooperation with air conditioning systems that can realize both air conditioning and heating, and local installation workability. Key. Furthermore, in order to develop and expand the spread of such devices, it is necessary to realize a simplified system, constituent units and parts for realizing cost reduction after clearing the above problems. In the present invention proposal, items in a range necessary for establishment of the heat storage system will be taken up.
先ず、最優先の課題として、蓄熱システムのコンパクト化が上げられる。これに関しては多くの要因があり、一つづつ列挙すると、PCMと略称される液体と固体の相変化を利用した潜熱蓄熱材を利用し、PCMの容積充填効率を高める、蓄熱温度の設定を出来る限り常温の大気温度から離れずに低温度温熱蓄熱と高温度冷熱蓄熱を実現して断熱に要するスペースを低減する、蓄熱タンク内の圧力を大気圧に近づけて耐圧強度を確保する事による容器と構造物の容積増加を少なくする、外気との断熱構造に費やされるスペースをコンパクト化する、などの技術項目を検討する必要がある。以下これ等の要因を掘り下げる。 First, as a top priority issue, the heat storage system is made compact. There are many factors related to this, and enumerating one by one, it is possible to set the heat storage temperature, increasing the volume filling efficiency of PCM, using a latent heat storage material that uses a phase change between liquid and solid, abbreviated as PCM. Reduces the space required for heat insulation by realizing low-temperature thermal storage and high-temperature cold storage without leaving the normal atmospheric temperature, and a container by ensuring the pressure strength in the thermal storage tank close to atmospheric pressure It is necessary to consider technical items such as reducing the volume increase of the structure and reducing the space used for the heat insulation structure with the outside air. These factors will be explored below.
コンパクト化に続く二番目の目標として、蓄熱システムからの熱リークによるロスの低減があげられる。その為の技術としては上記の様に潜熱蓄熱材を利用して蓄熱温度を温熱蓄熱の場合は低くし冷熱蓄熱の場合は高くして外気温度に近つける、蓄熱容器外表面積を少なくする、蓄熱容器外周の断熱特性を向上させるなどの技術項目が上げられる。 The second goal following downsizing is the reduction of losses due to heat leaks from the heat storage system. As a technology for this purpose, as described above, using the latent heat storage material, the heat storage temperature is lowered in the case of thermal storage, and in the case of cold storage, it is increased to approach the outside air temperature, the outer surface area of the heat storage container is reduced, and the heat storage Technical items such as improving the heat insulation properties of the outer periphery of the container can be raised.
三番目の検討目標として水や冷媒などの作動流体を作動ポンプなどにより循環乃至は流動させる方法の最適化が挙げられる。理想的には作動ポンプなどは極力廃止して、それを駆動するモータ電力の低減、長期使用品質の向上、初期コストの低減が重要視点となる。 The third study target is optimization of a method for circulating or flowing a working fluid such as water or a refrigerant with a working pump. Ideally, operating pumps and the like will be abolished as much as possible, and reduction of motor power to drive them, improvement of long-term use quality, and reduction of initial cost will be important viewpoints.
四番目の検討目標は、多くの種類のエネルギー熱源に対応できる蓄熱システムであり、一方給湯冷房暖房などより広範囲の熱供給ニーズに応えられる汎用性のある効率の高い蓄熱システムの実現があげられる。 The fourth study target is a heat storage system that can handle many types of energy heat sources, while the realization of a versatile and highly efficient heat storage system that can meet a wide range of heat supply needs, such as hot water supply and cooling and heating.
五番目の目標は蓄熱容器を利用したシステムを如何に地球環境面から見て、またランニング費用の点からみてエネルギー効率の高いものにできるかが重要な視点であり、この点に応えられる蓄熱システムの実現は大きな目標である。 The fifth goal is to see how the system using the heat storage container can be made energy efficient from the viewpoint of the global environment and from the viewpoint of running costs. Realization of is a big goal.
六番目の目標は長期的な信頼性と安全性の確保である。特に作動流体や媒体を循環させる為のポンプの長期的な信頼性は全体システムの信頼性向上のキー要素の一つと言える。また蓄熱材の劣化及び潜熱蓄熱材の場合には相変化による形状歪の繰り返しは強固な金属性熱交換器や容器などを変形さらには破損させる危険性を含んでいる。装置に用いられる作動冷媒の人的安全性、環境安全性についても取り上げるべき大きな課題の一つである。特に現在フレオンを含む代替冷媒から、それを含まない自然冷媒への移行がポイントとなる。 The sixth goal is to ensure long-term reliability and safety. In particular, the long-term reliability of the pump for circulating the working fluid and medium is one of the key elements for improving the reliability of the entire system. Further, in the case of a heat storage material deterioration and a latent heat storage material, repeated shape distortion due to phase change involves a risk of deforming or damaging a strong metallic heat exchanger or container. This is one of the major issues that should be addressed regarding the human safety and environmental safety of the working refrigerant used in the equipment. In particular, the point is the transition from an alternative refrigerant that currently contains Freon to a natural refrigerant that does not contain it.
七番目の検討課題は、以上概説してきた種々の課題、目標を達成した蓄熱システムが実際の機器として具体化した際のコストが高価になり、実用上の普及が難しくなるという点である。この点からシステム全般の構成、構造、材料が簡潔で低コストであることが重要である。 The seventh consideration is that the various problems outlined above and the cost when the heat storage system that has achieved the target is realized as an actual device becomes expensive, making it difficult to spread practically. In this respect, it is important that the overall system configuration, structure, and materials are simple and low cost.
以上、7つの目標について技術的視点で述べたが、これらの項目に対して従来から関連する多くの技術検討と開発検討が進められてきている。例えば、特許文献1はフィンチューブ熱交換器を利用して効率的に蓄熱しコンパクトな蓄熱システム実現に係わる発明である。特許文献2も温度が違う二つの蓄熱槽を用いて高効率とコンパクトなシステムを目指した発明である。特許文献3は冷房と暖房に共用の潜熱蓄熱材を用いてコンパクトで年間利用できる蓄熱システムを提示している。特許文献4は潜熱蓄熱材としてのパラフィンの熱特性を向上させる発明である。 Although the seven goals have been described from a technical point of view, many related technical studies and development studies have been conducted for these items. For example, Patent Document 1 is an invention related to the realization of a compact heat storage system that efficiently stores heat using a fin tube heat exchanger. Patent Document 2 is also an invention aiming at a highly efficient and compact system using two heat storage tanks having different temperatures. Patent Document 3 proposes a heat storage system that is compact and can be used annually by using a common latent heat storage material for cooling and heating. Patent Document 4 is an invention that improves the thermal characteristics of paraffin as a latent heat storage material.
特許文献5は潜熱蓄熱材カプセルと別置きの熱交換器とを連通させて熱媒体を繰り返し循環させる事による蓄熱効率向上技術が示されている。特許文献6には太陽光電池と太陽熱集熱器において集熱した熱量を蓄熱しヒートポンプを用いて、コンパクトな蓄熱槽で太陽電池の冷却と給湯水の供給を行えるとしている。特許文献7には太陽熱を蓄熱し給湯を効率よく行うシステムで、パネルブロック状の蓄熱体が示されている。特許文献8には冷蓄熱材容器と暖蓄熱材容器を一緒に複数設置して別置きのヒートポンプ出力用熱交換器に出力媒体を連通させて快適な冷暖房を行う発明が提示されている。特許文献9には蓄熱材の中に熱媒体用熱交換器を設置して蓄熱材の充填率を向上しコンパクトにする方式が提示されている。 Patent Document 5 discloses a technique for improving heat storage efficiency by communicating a latent heat storage material capsule and a separately installed heat exchanger and repeatedly circulating a heat medium. Patent Document 6 states that the amount of heat collected in the solar battery and the solar heat collector is stored, and the solar battery can be cooled and hot water supplied in a compact heat storage tank using a heat pump. Patent Document 7 discloses a panel block-shaped heat storage body, which is a system for storing solar heat and efficiently supplying hot water. Patent Document 8 proposes an invention in which a plurality of cold heat storage material containers and warm heat storage material containers are installed together and an output medium is connected to a separate heat pump output heat exchanger to perform comfortable cooling and heating. Patent Document 9 proposes a method in which a heat exchanger for heat medium is installed in the heat storage material to improve the filling rate of the heat storage material and make it compact.
特許文献10にはヒートポンプ他各種の熱源による加熱手段を設けた給湯タンクシステムによる各種エネルギー利用システムを提起している。特許文献11には蓄熱缶体に複数の出力側熱交換器を備えて高圧給湯用その他、使用ニーズに適合させる技術が提示されている。特許文献12はヒートポンプ出力熱交換器を融点の異なる複数の蓄熱材を備えた蓄熱手段によるポンプの不要な高効率な給湯装置を提示している。特許文献13には上部が開放された蓄熱材容器内に冷媒配管を設置しかつ蓄熱材の相変化歪が上部に開放されるような工夫が提示されている。
以上、背景技術の一部として特許文献を提示した。そこには先に述べた7つの技術開発目標課題の殆どの内容の検討が進められてきている事を示している。しかしながら本発明で提示しようとしている技術分野の背景技術の現在の状況として次の三つの側面を見る事ができる。
上記7つの目標課題の個々に付き解決策、技術がいまだ検討不十分である。
各特許文献に示された解決の為の技術は、その殆どが先に示した7つの目標課題の一つ乃至は二つに関するものであり、七つの目標課題の全体をシステムとして整合のとれた技術としては不十分である。
従って、システムとして技術的に多くの改善課題を残しており、従ってこれに関連したシステムの実用化、商品化が広範囲に進まないのはこの為と考えられる。
As mentioned above, patent documents have been presented as part of the background art. It shows that most of the contents of the seven technological development target issues mentioned above are being studied. However, the following three aspects can be seen as the current situation of the background art of the technical field to be presented in the present invention.
Solutions and technologies for each of the above seven target issues are still insufficiently studied.
Most of the techniques for solving the problems described in each patent document are related to one or two of the seven target problems shown above, and the entire seven target problems can be coordinated as a system. The technology is insufficient.
Therefore, many improvement problems remain technically as a system, and it is considered that this is why the practical use and commercialization of the system related to this system do not progress widely.
従って、本発明では深夜だけ割安で供給される深夜電力、晴天の昼間だけ供給される太陽光発電電力や太陽熱、地域発電を主体にシステム構成された各種コジェネレイション装置の排熱などを蓄熱する事に有効に且つ実用的に利用する為の上記七つの個々の課題別の改善技術を明確に提示し、また7つの課題全体として整合性の取れた解決技術を提示していく。
深夜だけ割安で供給される深夜電力、晴天の昼間だけ供給される太陽光発電電力や太陽熱、地域発電を主体にシステム構成された各種コジェネレイション装置の排熱など、標準化されていないために使いづらく低密度なエネルギーを、蓄熱し且つ適正に取り出して利用できるようなシステムを広範囲に確立する事が目標であり、そのための技術的な課題は以下の様になる。 It is difficult to use because it is not standardized, such as late-night power supplied at a reasonable price only in the middle of the night, solar power and solar heat supplied only in the daytime in fine weather, and exhaust heat from various cogeneration systems mainly composed of regional power generation. The goal is to establish a wide range of systems that can store and use low-density energy appropriately, and the technical issues for that purpose are as follows.
先ず、最優先の課題として挙げた蓄熱システムのコンパクト化に付いては前述の検討アイテムがあるが、課題の目標としては現在市販されている蓄熱装置の容積の半減化を目指すべきである。例えば、現在家庭用の深夜電力利用ヒートポンプ給湯器に使われる蓄熱槽の標準容積は正味400リッターである。しかしながら、円筒型の高圧水道水容器を収めて外周を断熱をして配管などを収納した場合、それを収める長方形の蓄熱槽筐体外寸容積は1000リッター以上となるのが実情である。従って家庭用に限らず、蓄熱容器の正味容積だけでなく実際に現地に取り付けられる蓄熱筐体の全体容積の縮小が対象になる。半減という目標はアパートメントや店舗等の建築物に設置した時のスペース制約と重量制約の双方から検討して当面の目標として設定した数値目標である。本発明では蓄熱材の容器は高圧タイプではなく大気圧と等しい内圧のシステムの実現を目指した。 First, there are the above-mentioned items to be considered for downsizing the heat storage system mentioned as the highest priority issue, but the goal of the issue should be to halve the volume of the heat storage devices currently on the market. For example, the standard volume of a heat storage tank currently used in a midnight power heat pump water heater for home use is a net of 400 liters. However, when a cylindrical high-pressure tap water container is accommodated and the outer periphery thereof is insulated to accommodate piping and the like, the actual size of the rectangular heat storage tank housing that accommodates it is 1000 liters or more. Therefore, not only for home use, but also for the reduction of the total volume of the heat storage casing that is actually attached to the site as well as the net volume of the heat storage container. The goal of halving is a numerical target set as an immediate goal after considering both space constraints and weight constraints when installed in buildings such as apartments and stores. In the present invention, the heat storage material container is not a high-pressure type, and aims to realize a system having an internal pressure equal to the atmospheric pressure.
蓄熱容器の容積半減が実現した時の上記の蓄熱関連の家庭用商品の限界普及率は据付スペース制約が減少する効果により倍増するのではないかと推定している。それでも50%程度が想定される限界普及率である。業務用でも同様な傾向にあるものと推測される。
二番目の目標として挙げたのは蓄熱システムからの熱リークによるロスの低減である。前述した家庭用給湯蓄熱槽における熱ロスは年間平均で総蓄熱量の5〜10%に達する。これを改善するためには蓄熱温度、蓄熱タンク外表面積、断熱特性その他の要因がある事は先に述べたが、この課題目標としてはやはり半減化をあげて検討する。
It is estimated that the marginal penetration rate of the above-mentioned household products related to heat storage when the volume of the heat storage container is halved may be doubled due to the effect of reducing the installation space constraint. Still, it is the limit penetration rate that is expected to be around 50%. The same trend is presumed for business use.
The second goal was to reduce losses due to heat leaks from the heat storage system. The heat loss in the above-mentioned domestic hot water storage tank reaches 5 to 10% of the total heat storage amount on an annual average. In order to improve this, the heat storage temperature, the external surface area of the heat storage tank, the heat insulation characteristics, and other factors have been mentioned earlier.
三番目の検討目標としてあげた水や冷媒などの作動流体を循環させる作動ポンプの問題である。作動ポンプはモータ電力の低減、長期使用品質の向上、初期コストの低減の問題であり、本発明システムの検討では作動ポンプの使用台数の少ないシステムの実現を目標とした。何故なら前述のポンプの持つ三つの要素の改善を図るには作動ポンプそのものを無くす事以上の解決策が無いからである。 This is the problem of the working pump that circulates working fluids such as water and refrigerant, which was listed as the third study target. The working pump is a problem of reduction of motor power, improvement of long-term use quality, and reduction of initial cost, and the study of the system of the present invention aimed to realize a system with a small number of working pumps used. This is because there is no solution beyond the elimination of the working pump itself in order to improve the above three elements of the pump.
四番目の検討目標は種々なエネルギー熱源に対応でき、且つ給湯冷房暖房などより広範囲の熱供給ニーズに応えられる汎用性のある効率の高い蓄熱システムの実現があげたい。効率のみではなく、使用者ニーズに合わせて最適化制御できるシステム構成の実現を目指す。 The fourth study target is to realize a versatile and efficient heat storage system that can respond to various energy heat sources and can meet a wide range of heat supply needs such as hot water supply and air conditioning. It aims to realize not only efficiency but also a system configuration that can be optimized and controlled according to user needs.
五番目の目標は蓄熱システムを用いて如何に地球環境面から見て、またランニング費用の点からみてエネルギー利用効率の高い民生用エネルギーシステムを実現するかである。これは前述したエネルギー源として深夜電力、太陽光発電電力や太陽熱、各種コジェネレイション装置の排熱などを使ってかつヒートポンプシステムと組み合わせて実用化できる高度な自然エネルギー利用蓄熱システムの実現を課題にした。 The fifth goal is how to realize a consumer energy system with high energy utilization efficiency from the viewpoint of the global environment and the running cost by using a heat storage system. The challenge was to realize an advanced heat storage system using natural energy that could be put into practical use in combination with a heat pump system using midnight power, photovoltaic power generation and solar heat, exhaust heat from various cogeneration equipment, etc. as the energy source mentioned above. .
六番目の目標は安全性と長期的な信頼性の確保である。この為にはポンプを出来る限り使用しない事を含めて作動媒体の選択に代表される安全性と潜熱蓄熱材の相変化による形状歪を吸収できる構造機構など、本質信頼性の実現を課題とした。 The sixth goal is to ensure safety and long-term reliability. For this purpose, it was necessary to realize intrinsic reliability, such as a structural mechanism that can absorb the geometric distortion caused by the phase change of the latent heat storage material and the safety represented by the selection of the working medium, including not using the pump as much as possible. .
七番目の検討目標のコスト低減についてはシステム全般の構成、構造、材料を簡潔で低コスト材料の使用が課題となる。 For cost reduction, which is the seventh study target, the use of low-cost materials with a simple system configuration, structure, and materials is an issue.
請求項1には本発明の熱交換器型蓄熱システムの基本構成を提示した。蓄熱材は容器外との出入りや流動は無い状態で且つ、大気圧に等しい圧力状態でシステムの蓄熱容器内に設置乃至は封入されており、従ってこれを流動させるポンプなどの機構は不要である。蓄熱材への熱の授受は容器内の熱媒体熱交換器を通じて行うとともに、熱源媒体と熱出力媒体同士の熱交換も該熱交換器内で行う事が可能である。
勿論本発明で言う蓄熱材とは潜熱蓄熱材を含んだ蓄熱できる材料全体を指す。
Claim 1 presented the basic configuration of the heat exchanger type heat storage system of the present invention. The heat storage material is installed or enclosed in the heat storage container of the system at a pressure equal to the atmospheric pressure without entering / exiting the outside of the container or flowing, and therefore a mechanism such as a pump for flowing the heat storage material is unnecessary. . Heat can be transferred to the heat storage material through a heat medium heat exchanger in the container, and heat exchange between the heat source medium and the heat output medium can also be performed in the heat exchanger.
Of course, the heat storage material referred to in the present invention refers to the entire material capable of storing heat including the latent heat storage material.
この基本構成は後に詳述する多くの特性の機能を実現する上で必須なものであり、その効果のみを列挙すると、
蓄熱材は熱源媒体及び熱出力媒体と分離されているので、その選択に制約が少なく、固体液体を問わず殆どの種類の蓄熱材が利用可能である。
他方、熱源媒体と熱出力媒体は本蓄熱システムにおいてその選択に制約が少なく、フロン冷媒、水、炭酸ガス、炭化水素、不凍液、エマルジョン流動体、小カプセルを含んだスラリー液体など熱媒体熱交換器の循環管路内を流動するものであれば良く、圧力状態、化学的特性などの制約は少ない。
熱源媒体と熱出力媒体とを同じ蓄熱システムで一緒に扱える媒体数は基本的には制約が無く、実際上も6〜7種類を扱うことができる。
This basic configuration is indispensable for realizing the functions of many characteristics that will be described in detail later.
Since the heat storage material is separated from the heat source medium and the heat output medium, there are few restrictions on the selection thereof, and almost any kind of heat storage material can be used regardless of the solid liquid.
On the other hand, there are few restrictions on the selection of the heat source medium and the heat output medium in this heat storage system, and a heat medium heat exchanger such as a flon refrigerant, water, carbon dioxide, hydrocarbon, antifreeze, emulsion fluid, slurry liquid containing small capsules, etc. As long as it can flow in the circulation line, there are few restrictions such as pressure state and chemical characteristics.
The number of media that can handle the heat source medium and the heat output medium together in the same heat storage system is basically not limited, and can actually handle 6 to 7 types.
最も基本的な事例として、熱源媒体をヒートポンプユニット冷媒、熱出力媒体を給湯用水道水を選択した所謂ヒートポンプ給湯器に利用した場合は両媒体用のポンプの必要が無い極めて簡潔なシステムが構成でき蓄熱槽容積が半減化出来ることは後で述べる。
熱源媒体と熱出力媒体は夫々が熱媒体熱交換器全体を活用して蓄熱材と熱交換できるため蓄熱時にも蓄熱した熱を受け取る時にも高い伝熱特性が得られる。
それだけでは無くて、蓄熱材に蓄熱した熱量を使い果たした時には、熱出力媒体は熱源媒体から直接熱を受け取る事ができる。実機では極めて重要なこの効果も他の熱交換器などを必要とせずに確保できている。
As the most basic example, when a heat source medium is used as a heat pump unit refrigerant and a heat output medium is used in a so-called heat pump water heater in which hot water supply tap water is selected, a very simple system that does not require a pump for both media can be configured. The fact that the heat storage tank volume can be halved will be described later.
Since each of the heat source medium and the heat output medium can exchange heat with the heat storage material by utilizing the entire heat medium heat exchanger, high heat transfer characteristics can be obtained both when the heat is stored and when the stored heat is received.
In addition, when the amount of heat stored in the heat storage material is exhausted, the heat output medium can receive heat directly from the heat source medium. This effect, which is extremely important in actual machines, can be secured without the need for other heat exchangers.
熱源媒体及び熱出力媒体が密閉され分離されているから、蓄熱材の設置環境に自由度が高い。そこで此処では蓄熱材空間を大気圧状態に設定しており、これは蓄熱容器の上部空間を外界の大気との間を柔らかな膜でシールさせる事により簡単に実現出来る。この事が容器の構造の簡略化、形状の自由度、低い強度構造などの効果を実現しやすくし、口述するように全体の容積、熱ロスの低減、製品コスト低減に大きな効果を産む前提となる。
以上述べた様に、請求項1の熱交換器型蓄熱システムがシステム全体の課題解決にもたらす効果は大きく、本発明の大前提となる技術であり構成要件となる。
Since the heat source medium and the heat output medium are sealed and separated, there is a high degree of freedom in the installation environment of the heat storage material. Therefore, in this case, the heat storage material space is set to an atmospheric pressure state, and this can be easily realized by sealing the upper space of the heat storage container with the outside atmosphere with a soft film. This presupposes that it is easy to realize effects such as simplification of the structure of the container, freedom of shape, low strength structure, etc., and as it is dictated, it produces great effects in reducing the overall volume, heat loss, and product cost. Become.
As described above, the heat exchanger type heat storage system according to claim 1 has a great effect on solving the problems of the entire system, and is a technology that is a major premise of the present invention and is a constituent requirement.
請求項2、3、4は請求項1の基本構成の追加要件であり、全体システムの課題解決にとり重要な項目である。具体的な構成としては熱媒体熱交換器をアルミ押し出し成形品である偏平多穴管を用いた場合を請求項4に示した。媒体の循環管路としてはこの多穴管に設けた穴の中の必要な数本を利用して構成し、多穴管の出入り口は別の連結管へとロー付け接合して連結し媒体の全体循環管路を構成させる。この多穴管の製造方法は極めて簡単な押し出し成形をベースとしており、その構造上そこを連通する媒体同志は多穴管を構成するアルミ自体を通して伝熱関係にあり、且つ請求項3に示した様に複数の熱源媒体及び熱出力媒体を一つの偏平多穴管内に設ける事も容易であり、その場合相互の伝熱関係は維持される。特に高い伝熱特性が必要な媒体同志の場合は隣接した穴を利用して管路を構成させ、かつ対向流に媒体を連通させる。 Claims 2, 3, and 4 are additional requirements of the basic configuration of claim 1, and are important items for solving the problem of the entire system. As a specific configuration, the case where a flat multi-hole tube which is an aluminum extrusion molded product is used as the heat medium heat exchanger is shown in claim 4. The medium circulation pipe is constructed by utilizing the necessary number of holes in the multi-hole pipe, and the entrance / exit of the multi-hole pipe is connected by brazing to another connecting pipe. The entire circulation line is constructed. The manufacturing method of this multi-hole tube is based on a very simple extrusion molding, and the mediums communicating therewith are in a heat transfer relationship through the aluminum itself constituting the multi-hole tube, and are shown in claim 3. In this way, it is also easy to provide a plurality of heat source media and heat output media in one flat multi-hole tube, in which case the mutual heat transfer relationship is maintained. In the case of media that require particularly high heat transfer characteristics, a conduit is constructed using adjacent holes, and the media is communicated with the counterflow.
このアルミ押し出し成形品である熱媒体熱交換器は薄い偏平状、板状であるからその押し出し長さ方向の曲げ成形は比較的自由である。従って蓄熱容器の内部形状に合う様に、かつその外回りに設置乃至は充填される蓄熱材中心部との距離を小さくして蓄熱材への蓄熱時間と放熱時間が短時間で済む様な形状に成形し易い。通常は蛇行状に折りたたんで成形しその隙間に蓄熱材を設置乃至は充填する。このアルミ押し出し管を使った方式は請求項1の構成要件を満たす方式で最も簡単に確実に実現できる方式と言える。 The heat transfer heat exchanger, which is an aluminum extrusion molded product, is thin and flat and has a plate shape. Therefore, bending in the extrusion length direction is relatively free. Therefore, the heat storage container has a shape that fits the internal shape of the heat storage container, and that the heat storage time and heat release time to the heat storage material can be shortened by reducing the distance from the center of the heat storage material that is installed or filled around the heat storage container. Easy to mold. Usually, it is folded in a serpentine shape and molded, and a heat storage material is installed or filled in the gap. The method using the aluminum extruded pipe can be said to be the method that can be most easily and surely realized by the method that satisfies the constituent requirements of claim 1.
この熱交換器の製造方法は請求項2を満たすものであれば良く、アルミ押し出し成形に限らない。例えばロールボンドといわれる二枚のアルミ板の間に循環管路を設けたように形を成形して相互に圧着したものでも良く、平板上に循環管路となる管をロー付けにより接合したものでもよいし、循環管路を横並びに並べて相互に接する面をロー付け接合した物でも良い。またフィンチューブ形状でフィンとチューブを拡管乃至はブレージングで接合したものでも良いし、アルミ押し出し成型品の扁平多穴チューブでも良い。要は複数の管路が外表面面積を拡大しかつ相互に伝熱できるように繋がっていれば良い。この基本概念が請求項2において、より広い構成要件として提示されている。特に、請求項4の様に循環管路同士が金属の熱交換器の中で伝熱関係にあり、全体が平板上で蛇行成型や蚊取り線香状の成型が可能であれば蓄熱材の組み込み性には極めて優位である。最も重要なことは管路の外表面積が拡大されていて蓄熱材との伝熱が良く、且つ蓄熱材の組み込み性が良く、媒体の循環管路の数が熱交換器を使って自由に設定できることである。 The manufacturing method of this heat exchanger should just satisfy Claim 2, and is not restricted to aluminum extrusion. For example, it may be formed by forming a circulation line between two aluminum plates called roll bonds and press-bonded to each other, or may be formed by joining a pipe to be a circulation line on a flat plate by brazing. Alternatively, the circulation pipes may be arranged side by side by brazing and joining the surfaces that contact each other. Further, the fin tube shape may be a fin and tube joined by expansion or brazing, or a flat multi-hole tube of an aluminum extruded product. In short, it is only necessary that a plurality of pipe lines be connected so as to enlarge the outer surface area and to transfer heat to each other. This basic concept is presented as a broader component in claim 2. In particular, if the circulation pipes are in a heat transfer relationship in a metal heat exchanger as in claim 4 and the whole can be meandered or mosquito-repellently shaped on a flat plate, the heat storage material can be incorporated. Is extremely advantageous. The most important thing is that the outer surface area of the pipe is enlarged, heat transfer with the heat storage material is good, the heat storage material is easy to incorporate, and the number of circulation lines of the medium can be set freely using a heat exchanger It can be done.
請求項3に示したように、複数の循環管路を設ける上でこの形状は極めて優位な構造である。複数の循環管路には当然種類の異なる熱源媒体を連通させる事ができるし、数種類の熱出力媒体を連通させる事ができる。例えば熱源媒体にはヒートポンプ冷媒、太陽熱媒体、各種コジェネレイション装置の排熱媒体、家庭内の風呂からの排熱媒体などが対象となる。熱出力媒体として給湯用水道水、冷暖房用媒体、風呂追い焚き用の媒体等が考えられる。請求項13以下で再度検討したい。ここでの認識で重要なことは請求項1〜4に規定したシステムはこの様な多数の熱源、熱利用を目指した各種の民生用熱エネルギーシステムへの展開が極めて簡単に行う事が可能という事である。それを可能にするのは循環管路の数を調整できる事が基本で、それだけで対応が可能であり、全体のシステムの構成を新しく開発する必要が無い事である。 As shown in claim 3, this shape is an extremely advantageous structure in providing a plurality of circulation pipes. Naturally, different types of heat source media can be communicated with the plurality of circulation pipes, and several types of heat output media can be communicated. For example, the heat source medium is a heat pump refrigerant, a solar heat medium, an exhaust heat medium of various cogeneration devices, an exhaust heat medium from a domestic bath, or the like. As the heat output medium, hot water supply tap water, a medium for air conditioning and heating, a medium for bathing, and the like can be considered. I would like to examine it again in claim 13 and below. What is important in this recognition is that the system defined in claims 1 to 4 can be very easily deployed to such various heat sources and various consumer thermal energy systems aimed at heat utilization. It is a thing. It is basically possible to adjust the number of circulation pipelines, and it is possible to cope with it by itself, and it is not necessary to newly develop the entire system configuration.
請求項5は請求項1〜4の基本構成をより活かすための具体的な技術項目である。蓄熱槽の容積を低減させるための施策の一つは潜熱蓄熱材を用い相変化の潜熱を利用するもので、利用の仕方と蓄熱材の種類によるが、顕熱利用の場合に比べてその容積は80%〜50%程度まで低減させる事ができる。更に例えば暖房用及び給湯用の温熱蓄熱をする場合、温水による顕熱蓄熱方式の場合では蓄熱温度は80℃程度まで上昇させて蓄熱量を確保する方法が採られる。潜熱蓄熱の場合は蓄熱温度が変わっても蓄熱熱量はほぼ一定なので蓄熱温度をうまく設定すれば種々な熱を集め易く且つ蓄熱した熱を有効に利用できる蓄熱温度を選定する事ができる。例えば、給湯利用に適した温度としては50℃以上の蓄熱温度が必要であり、一方熱収集性と放熱ロス低減の観点から蓄熱温度をなるべく低くする事が望ましい。従って潜熱蓄熱温度を50℃に設定すると、この場合蓄熱槽の外気温度を年間平均で25℃と想定した場合、断熱特性が同じ蓄熱槽なら熱ロスの駆動源であるその温度差は55℃(80℃ー25℃)対25℃(50℃ー25℃)となり、潜熱蓄熱材による低温度蓄熱では顕熱蓄熱材による高温度蓄熱に対し半分以下の熱ロスとなる事がわかる。 The fifth aspect is a specific technical item for further utilizing the basic structure of the first to fourth aspects. One of the measures to reduce the volume of the heat storage tank is to use the latent heat of the phase change using the latent heat storage material, which depends on how to use and the type of the heat storage material, but its volume compared to the case of using sensible heat Can be reduced to about 80% to 50%. Further, for example, in the case of performing heat storage for heating and hot water supply, in the case of the sensible heat storage system using hot water, a method is adopted in which the heat storage temperature is increased to about 80 ° C. to secure the heat storage amount. In the case of latent heat storage, even if the heat storage temperature changes, the amount of heat stored is substantially constant. Therefore, if the heat storage temperature is set appropriately, it is possible to select a heat storage temperature that can easily collect various heats and can effectively use the stored heat. For example, a heat storage temperature of 50 ° C. or higher is necessary as a temperature suitable for hot water supply use, and on the other hand, it is desirable to reduce the heat storage temperature as much as possible from the viewpoint of heat collection performance and reduction of heat dissipation loss. Therefore, if the latent heat storage temperature is set to 50 ° C., assuming that the outside air temperature of the heat storage tank is 25 ° C. on average in this case, if the heat storage tank has the same heat insulation characteristics, the temperature difference that is the heat loss drive source is 55 ° C. ( 80 ° C.-25 ° C.) vs. 25 ° C. (50 ° C.-25 ° C.), it can be seen that the low temperature heat storage by the latent heat storage material results in a heat loss of less than half of the high temperature heat storage by the sensible heat storage material.
冷熱を蓄熱する時にも同様な考え方で冷房特性の必要性から12℃以下の蓄熱温度が必要で、熱収集性と放熱ロス低減及び水の凍結防止の観点から5℃以上の融解温度の潜熱蓄熱材を利用する。この熱ロス減少効果は蓄熱筐体全体の容積の縮小に有効であり、単純な計算ではこの熱ロス分の減少分だけ蓄熱量を減少でき、その値は潜熱蓄熱材利用による適正温度蓄熱効果として10%程度が見込める。即ち10%程度蓄熱槽容積が縮小できる事となる。また通常は熱ロス低減のために蓄熱筐体の内面に発泡材の断熱パネルを張り付けて蓄熱容器全体を覆う構造が採られるが、これに替えて断熱パネルの特性を向上させるため密封パネル内を真空状態にした真空断熱パネルを用いる事が蓄熱温度と合わせてダブルの熱ロス低減効果を果たす事が期待される。 When storing cold energy, the same concept is required, and a heat storage temperature of 12 ° C or less is necessary due to the need for cooling characteristics, and latent heat storage with a melting temperature of 5 ° C or more is required from the viewpoints of heat collection, reduction of heat dissipation loss and prevention of water freezing. Use materials. This heat loss reduction effect is effective in reducing the volume of the entire heat storage enclosure, and simple calculations can reduce the amount of heat stored by the amount of heat loss, and this value can be expressed as the appropriate temperature heat storage effect by using the latent heat storage material. About 10% can be expected. That is, the heat storage tank volume can be reduced by about 10%. In addition, in order to reduce heat loss, a foam insulation panel is usually attached to the inner surface of the heat storage enclosure to cover the entire heat storage container. It is expected that the use of a vacuum insulation panel in a vacuum state will achieve a double heat loss reduction effect together with the heat storage temperature.
真空断熱パネルは冷蔵庫などに用いられ省エネ効果を上げているが、潜熱蓄熱材とともに冷暖給湯用の蓄熱容器に用いられることは従来はなかった。その理由は蓄熱容器が大き過ぎて断熱コストが高くなる事と複雑な容器構造であった。しかしながら、本発明の蓄熱容器では以下のようにその理由の解消ができており、しかも採用により極めて高い相乗効果を得られるものである。試算に拠ればその容積低減に寄与する効果は10%程度以上ありこの高い断熱特性を生かして更にコンパクトで実用性の高い蓄熱槽の実現に有効である。
さらに蓄熱容器の内部圧力は請求項1にあるように大気圧としたから、その容器の耐圧強度構造が不要になり、現在給湯用に使われている円筒型のステンレス製耐圧タンクなどは不要になり、請求項7、8の様な簡単な構造方式が可能になる。この結果これを収納する立方体筐体である蓄熱容器筐体全体の容積低減に寄与する効果は30%程度と算定される。またフラットな平板状の前記真空断熱パネルを用いることが可能となる様に蓄熱容器自体を立方体形状として蓄熱槽のコンパクト化の効果を高めている。
Vacuum insulation panels have been used in refrigerators and the like to increase energy saving effect, but have never been used in heat storage containers for cooling and heating hot water together with latent heat storage materials. The reason is that the heat storage container is too large and the heat insulation cost increases, and the container structure is complicated. However, in the heat storage container of the present invention, the reason can be eliminated as described below, and an extremely high synergistic effect can be obtained by adoption. According to the trial calculation, the effect of reducing the volume is about 10% or more, and it is effective to realize a more compact and highly practical heat storage tank by taking advantage of this high heat insulation characteristic.
Furthermore, since the internal pressure of the heat storage container is atmospheric pressure as in claim 1, the pressure-resistant strength structure of the container becomes unnecessary, and the cylindrical stainless steel pressure-resistant tank currently used for hot water supply is unnecessary. Thus, a simple structure as in claims 7 and 8 is possible. As a result, the effect that contributes to the volume reduction of the entire heat storage container casing, which is a cubic casing for storing this, is calculated to be about 30%. Moreover, the heat storage container itself is made into the cube shape so that it becomes possible to use the said flat flat-plate-shaped vacuum heat insulation panel, and the effect of miniaturization of a heat storage tank is heightened.
これ等の効果ある項目を全て折りこんだ場合、試算によれば蓄熱槽の全容積の低減効果は60%程度と算定された。即ち容積は40%程度になると算定されたわけである。この効果はシステムのコスト低減、装置の現地への輸送コスト低減、現地での据付け工事費の低減に結びつくが、このコスト削減額が水に替えて潜熱蓄熱材を使用する事による材料費コストアップを相殺できるか否かが最終の重要判断基準であり、詳細設計が完了しているわけでは無いが、水道水圧のかかった温水式の蓄熱タンク方式に比べ潜熱蓄熱材と熱媒体熱交換器を用いた潜熱蓄熱方式の収納筐体はほぼ同等となる見込みである。 When all of these effective items were folded, according to a trial calculation, the effect of reducing the total volume of the heat storage tank was calculated to be about 60%. That is, the volume was calculated to be about 40%. This effect leads to a reduction in system costs, a reduction in equipment transportation costs to the site, and a reduction in local installation costs. This cost reduction increases material costs by using latent heat storage materials instead of water. The final important criterion is whether or not it can be offset, and the detailed design has not been completed, but the latent heat storage material and heat medium heat exchanger are installed in comparison with the hot water storage tank system with tap water pressure. The storage case of the latent heat storage system used is expected to be almost equivalent.
請求項6は請求項1〜4に特定した熱媒体熱交換器を如何にスペース効率が高い状態で蓄熱容器に収めるかについての発明である。潜熱蓄熱材ブロックを前面から入れる方式の場合、平板で長尺の熱交換器をその平板の横幅が蓄熱容器の奥行き内寸法と同じ寸法に設定し、容器の高さ及び幅の内寸法に収まる様に請求項4に示した方法で熱交換器を曲げ成形して容器内にぴったりと収納する事ができる。これにより請求項11に示す様な蓄熱材の充填率を確保しようとするものである。この結果として蓄熱槽の外形寸法容積を最小にし、且つ熱媒体熱交換器と蓄熱材の間の伝熱効率を最大に保つ事ができる。熱媒体熱交換器の曲げ成型方向は蓄熱材ブロック乃至はカプセルを上部から入れるか前面から入れるかで異なるが、上部から入れる方式でも上記の効果は変わらない。いずれの方式をとるか据付の作業性も勘案して慎重に決定を要す。
A sixth aspect of the present invention is an invention about how to store the heat medium heat exchanger specified in the first to fourth aspects of the present invention in a heat storage container with high space efficiency. In the case where the latent heat storage material block is inserted from the front, the flat heat exchanger is set so that the horizontal width of the flat plate is the same as the inner dimension of the heat storage container, and the inner dimensions of the container height and width are accommodated. In this way, the heat exchanger can be bent and molded in the container by the method described in claim 4. Thus, the filling rate of the heat storage material as shown in
熱交換器の平板の寸法が小さく、それに合わせたのでは蓄熱槽の奥行き乃至は上下の寸法が小さくなり過ぎる場合は熱交換器を複数列分収納させるべく蓄熱槽の奥行き乃至は上下内寸法を平板の幅寸法の整数倍の寸法に設定する事が望ましい。この発明は請求項7、8に示すように蓄熱槽を現地で組み立てる場合、サービス修理やメンテナンスを行う場合に蓄熱槽の前面乃至は上面から作業を行うかを決めるという点でも重要である。 If the flat plate size of the heat exchanger is small and the depth or vertical dimension of the heat storage tank is too small to match it, the depth or vertical inner dimension of the heat storage tank is set to accommodate multiple rows of heat exchangers. It is desirable to set a dimension that is an integral multiple of the width dimension of the flat plate. The present invention is also important in that when the heat storage tank is assembled on site as shown in claims 7 and 8, it is determined whether the work is performed from the front surface or the upper surface of the heat storage tank when service repair or maintenance is performed.
蓄熱容器は従来の水道水の給湯器の場合は円筒状の耐圧ステンレス容器を用いている。請求項7はコンパクト化、コスト低減、製造製アップ、現地工事性向上を実現するもので、薄い高分子樹脂材料のフィルムを袋状とし、工事完了後に最終的には筐体の内面に張り付く状態で容器を構成しその内側に蓄熱材と熱媒体熱交換器を収める構造である。薄いフィルムを用いて耐圧構造容器を用いた場合、容器事態がスペースをとるような事が無く筐体容積を最小化できるのは蓄熱システムが請求項1を前提としているからである。このフィルムの袋状の容器は十分大きな寸法にできた物で請求項12に示すような現地組み立ての際に前面から蓄熱材ブロックを入れる方式をとる場合は前面側を底板位置乃至は中間位置までずり下ろしておき、蓄熱材を前面から組み込む事を容易にする事ができる。蓄熱材の組み込み完了後に再度上部位置までたくし上げて袋状にしてから筐体の前面板を取り付ける事によりこのフィルムの袋は容器としての最終の形を完成させる。
In the case of a conventional tap water heater, the heat storage container uses a cylindrical pressure resistant stainless steel container. Claim 7 realizes downsizing, cost reduction, manufacturing improvement, and improvement of on-site workability. A thin polymer resin material film is formed into a bag shape and finally sticks to the inner surface of the housing after the construction is completed. This is a structure in which the container is configured and the heat storage material and the heat medium heat exchanger are accommodated inside. When the pressure-resistant structure container is used by using a thin film, the container volume does not take up space and the housing volume can be minimized because the heat storage system is based on claim 1. The bag-like container of the film is a sufficiently large size, and when the method of inserting the heat storage material block from the front side in the field assembly as shown in
請求項8は容器の別案で、本体側と前面カバー乃至は上面カバーに分割されている樹脂容器からなり、双方のあわせ部は相互にネジ締めなどにより水密シール状態に締結して容器を完成させる。勿論請求項1の前提により耐圧容器である必要が無いので水密シール部分を除けば薄い且つ蓄熱筐体の内面にピッタリあわせた形状とする乃至はあわせた形状になるようにする事ができ、請求項7に対しても筐体容積の増加への影響はは少ない。 Claim 8 is another container, which consists of a resin container divided into a main body side and a front cover or top cover, and the mating parts of both are fastened in a watertight seal by screwing together to complete the container. Let me. Of course, since it is not necessary to be a pressure vessel according to the premise of claim 1, it can be made into a shape that is thin and perfectly matched to the inner surface of the heat storage housing except for the watertight seal portion, The effect on the increase in the housing volume is small with respect to Item 7.
請求項9は潜熱蓄熱材に関し、温熱蓄熱の場合で前述した方法による融解温度選定基準に一致するものをブロック状にしたものを用いて現地で容器内に収納する方法についての発明である。蓄熱材は潜熱蓄熱材などは勿論、液体の蓄熱材以外の場合容器内への収納方法は簡単では無い。その重量は家庭用の小さなシステムでも200キログラム以上の重量があり、工場で一体に組み込んだものを狭い空間である事が多い現地に運搬するのは難しい。従って小さなブロックに小分けしたものを現地で容器内に組み込むという作業が必要に成る。請求項2、4に示したように熱媒体熱交換器は蛇行状に曲げ成形されて容器内に収納される。そこに生じた隙間に前記の樹脂フィルム等で梱包状態にした多数の潜熱蓄熱材ブロックを挿入する。ブロックは前記の熱交換器の隙間にあわせた形状にしてあり、挿入後のブロックと熱交換器の隙間は確実に確保された形状になっている。 A ninth aspect of the present invention relates to a latent heat storage material, and is an invention of a method for storing in a container on the spot using a block shape of a material that matches the melting temperature selection criteria by the method described above in the case of thermal heat storage. In the case of a heat storage material other than a liquid heat storage material as well as a latent heat storage material, it is not easy to store it in a container. Its weight is more than 200 kilograms even in a small system for home use, and it is difficult to transport what is integrated in the factory to the local area, which is often a small space. Therefore, it is necessary to assemble a small block into a container on site. According to the second and fourth aspects of the present invention, the heat medium heat exchanger is bent in a meandering manner and stored in a container. A large number of latent heat storage material blocks packed with the resin film or the like are inserted into the gaps formed there. The block has a shape that matches the gap between the heat exchangers, and the gap between the block after insertion and the heat exchanger has a shape that is reliably secured.
その隙間は潜熱熱交換器が相変化するときの容積歪を吸収するために必要であり、請求項1の基本構造と請求項9の蓄熱材ブロック形状がこの隙間を実現している。一方熱媒体熱交換器と潜熱蓄熱材の間の伝熱特性は重要である。このため請求項10はその隙間を満たす液状の充填材を容器内に満たす技術の発明である。充填材は熱交換器の外表面とブロック外表面の間を常に隙間無く充填して相互の伝熱を高める。同時に蓄熱ブロック材が融解して膨張した時には、充填材が押しのけられて容器内の液上面が上昇することによりその膨張を吸収し、蓄熱ブロックが冷却固体化して縮小した時には逆の減少によりこれを吸収する。この機能を果すための液体充填材は作動温度領域の範囲で常に液体である事が必要であり、常に液体で存在するためには凝固点が零度以下である事が望ましい。 The gap is necessary to absorb the volumetric strain when the latent heat exchanger changes phase, and the basic structure of claim 1 and the heat storage material block shape of claim 9 realize this gap. On the other hand, the heat transfer characteristics between the heat medium heat exchanger and the latent heat storage material are important. For this reason, claim 10 is an invention of a technique for filling a container with a liquid filler filling the gap. The filler always fills the space between the outer surface of the heat exchanger and the outer surface of the block without any gap to enhance mutual heat transfer. At the same time, when the heat storage block material melts and expands, the filler is pushed away and the liquid surface in the container rises to absorb the expansion, and when the heat storage block cools and solidifies and shrinks, Absorb. The liquid filler for fulfilling this function must always be liquid in the range of the operating temperature range, and in order to always exist as a liquid, it is desirable that the freezing point is zero degree or less.
また潜熱蓄熱材との比重が30%以上異なる液体は長期使用によりその浮力の差により位置ズレを起こし、これを防止するため潜熱蓄熱材をブロック化して固定するなどの施策が必要になるので注意が必要である。より小さいカプセルの場合はより注意が必要である。これ等の点を注意して潜熱蓄熱材の比重を考慮して水乃至は塩化カルシューム水溶液乃至はエチレングリコール水溶液乃至は低融解温度パラフィンなどの液体の中から選択する。この液体が長期間の使用期間に蒸発して外部へ飛散してしまう事を防止するために封入容器を密閉にするか、減量した時には補充することが必要となるが、民生用機器のメンテナンスの実態から見て補充を確実に実施することは難しく、容器を密閉にすることが実用的であり、その為には容器の上部をフレキシブルなフィルムで構成して密閉で且つ内部を大気圧にする方法が具体的である。 In addition, liquids that have a specific gravity of 30% or more different from the latent heat storage material will cause misalignment due to the difference in buoyancy due to long-term use, and measures such as blocking and fixing the latent heat storage material are necessary to prevent this. is required. Care should be taken with smaller capsules. In consideration of these points, considering the specific gravity of the latent heat storage material, it is selected from water, a calcium chloride aqueous solution, an ethylene glycol aqueous solution, or a liquid such as a low melting temperature paraffin. In order to prevent this liquid from evaporating and splashing outside during a long period of use, it is necessary to seal the sealed container or to refill it when the volume is reduced. It is difficult to carry out replenishment reliably in view of the actual situation, and it is practical to seal the container. For that purpose, the upper part of the container is made of a flexible film to be sealed and the inside is at atmospheric pressure. The method is specific.
請求項11に示した蓄熱容器内の蓄熱材の充填率は全体の蓄熱量を確保する事と、蓄熱材と熱媒体との伝熱の効率を高める事を両立させるという二律背反する条件のバランスの上で重要な要素である。検討によれば本発明の請求項1〜4に示した熱媒体熱交換器を用いてこの両特性を高めるための構造を実現するための蓄熱材充填率は90%程度が最適である。従来の事例では充填率は60〜70%が多いが本発明では82%以下では蓄熱量を稼ぐ点で不満であり、95%以上では蓄熱材が多くなり過ぎて蓄熱材内部の伝熱特性が問題となる。この場合熱伝導性の特に優れた蓄熱材乃至は熱伝導繊維を混入させた蓄熱材の使用が望ましく、従来でも検討されているし検討内容が報告されている。しかしながらこの方法はコストその他の新しい課題が生じてくるため本発明では推奨しない。
The filling rate of the heat storage material in the heat storage container according to
請求項12は熱交換器型蓄熱槽の現地に置ける組み立て方法の手順を提示したものである。簡単な方法であるが、極めて大重量の蓄熱材を現地に運送し、システム全体を適正に組み立てるには特殊な方法が必要に成る。前述したが、蓄熱槽の設置スペースは住宅や店舗、特にアパートや高層住宅では大きな制約になるため蓄熱槽を高さの高い立方体とする事が多い。従って床暖房装置や室内に設置される放熱ユニットなどに潜熱蓄熱材を組み込む場合とは全く違う方法が必要となる。基本的にはブロック状にされた多くの潜熱蓄熱材を前面側から乃至は上面から隙間空間に組み込んでいく方法である。
前面から蓄熱材ブロックを入れる場合、請求項7に示した袋状容器の場合は容器前面部分をずり下ろして潜熱蓄熱材を組み込んだ後に該袋状容器の上部を再度たくし上げて容器を形成させる。
請求項8に示した容器の場合も前面から潜熱蓄熱材を組み込んだ後に容器の前面側を本体側に取り付けて容器を完成させる。上部から蓄熱材ブロックを入れる場合はこの様な面倒なことは不要であるが、容器の上部スペースがある事が前提となる。従って前面の上半分を開放させるのがより実用的と思われる。この後に容器上部に設けた小穴などから請求項10に示した充填用液体を充填し、其の後この小穴などを閉じて容器を密閉する。最後に蓄熱槽筐体の前面部及び上部の天板などを取り付けて全体の組み立てを完成させる。
When the heat storage material block is inserted from the front, in the case of the bag-like container shown in claim 7, the container front is formed by sliding the front part of the container down and incorporating the latent heat storage material, and then lifting the upper part of the bag-like container again. .
In the case of the container shown in claim 8, the latent heat storage material is assembled from the front side, and then the front side of the container is attached to the main body side to complete the container. When the heat storage material block is inserted from the top, such troublesomeness is not necessary, but it is assumed that there is an upper space of the container. Therefore, it seems more practical to open the upper half of the front. Thereafter, the filling liquid shown in
以上が蓄熱システムに使われる熱交換器型蓄熱システムそのものに関する技術を特定するものであるが、請求項13以降はこの蓄熱システムを利用した熱交換器型蓄熱システムの応用に関する技術項目である。請求項13は最も基本的なシステムを特定しており、ヒートポンプの出力媒体を熱源媒体循環管路に連通させ、そこで凝縮、放熱させて温熱蓄熱する場合と蒸発、受熱させて冷熱蓄熱する場合の双方がある。最も簡単なヒートポンプ給湯システムの場合は、蓄熱された温熱で熱出力媒体循環管路に連通させた水道水を加熱して給湯させるものである。この場合水道水圧で循環されるから媒体循環用の循環ポンプは必要ないし、蓄熱容器には冷媒圧も水道水圧も作用しないから蓄熱容器は容易に大気圧に保持でき、その結果多くの利点を派生させる事ができる。 The above description specifies the technology related to the heat exchanger type heat storage system itself used in the heat storage system. Claims 13 and subsequent are technical items related to the application of the heat exchanger type heat storage system using this heat storage system. Claim 13 specifies the most basic system, where the output medium of the heat pump is communicated with the heat source medium circulation pipe, where it condenses and dissipates heat to store heat, and evaporates and receives heat to store cold heat. There are both sides. In the case of the simplest heat pump hot water supply system, hot water is supplied by heating the tap water communicated with the heat output medium circulation pipe with the stored heat. In this case, the circulation pump for circulating the medium is not necessary because it is circulated with tap water pressure, and neither the refrigerant pressure nor the tap water pressure acts on the heat storage container, so the heat storage container can be easily maintained at atmospheric pressure, resulting in many advantages. You can make it.
ヒートポンプの心臓である圧縮機を駆動する電動モータの動力源は低価格で販売される深夜電力や昼間の商用電力や太陽光発電電力や各種コジェネレイション装置出力電力の何れかが投入される。場合によってはそれらの内、複数の電力が時間帯や季節やその他のデータを分析した結果で選択的に投入されるように電力系統が制御される。既に説明した通り、給湯量を使いすぎた結果蓄熱材の蓄熱量が減少した場合にも、熱媒体熱交換器が一体であるという構造を活かして、ヒートポンプ出力により直接に水道水の加熱を行って給湯運転を継続する事が可能である。この効果は蓄熱容量を年間を通じて最適な大きさに設定することを容易くする。即ちエネルギー効率と蓄熱容積及び初期コストのバランスを考えて小さめの蓄熱容器を選択しても給湯が終了して停止してしまうという支障を考える必要が無い為である。 The power source of the electric motor that drives the compressor, which is the heart of the heat pump, is supplied with low-priced late-night power, daytime commercial power, solar power, or various cogeneration device output power. In some cases, the electric power system is controlled such that a plurality of electric power is selectively input based on the result of analyzing the time zone, season, and other data. As already explained, even if the amount of heat stored in the heat storage material decreases as a result of using too much hot water supply, tap water is directly heated by the heat pump output, utilizing the structure that the heat medium heat exchanger is integrated. It is possible to continue hot water supply operation. This effect makes it easy to set the heat storage capacity to an optimal size throughout the year. That is, even if a smaller heat storage container is selected in consideration of the balance between energy efficiency, heat storage volume, and initial cost, there is no need to consider the problem that hot water supply ends and stops.
前述した各種電力によりヒートポンプユニットの圧縮機を駆動できるように電源電力回路を設定しておけば、最適な電源を選択して運転ができる。例えば、商用電力をバックアップに利用できるようにしておいて、通常はその他の電力で蓄熱して給湯を行う用に制御を設定しておき、使用の間に蓄熱量が不足してしまいその他の電力を得られない時には商用電力に切り替えてヒートポンプユニットを運転させて蓄熱したり、蓄熱しないで直接に給湯加熱する等により給湯運転を継続する事ができるわけである。 If the power source power circuit is set so that the compressor of the heat pump unit can be driven by the various electric powers described above, an optimum power source can be selected and operated. For example, commercial power can be used for backup, and control is usually set to store hot water using other power to supply hot water. If the power cannot be obtained, the hot water supply operation can be continued by switching to commercial power and operating the heat pump unit to store heat, or by directly heating the hot water supply without storing heat.
請求項14は請求工13と同じくヒートポンプユニットを用いて空調用に蓄熱乃至は蓄冷して暖房乃至は冷房を行わせるもので、この場合の熱出力循環管路を連通する空調用の媒体の特定については請求項15に提示する。ヒートポンプユニットを運転させてこの蓄熱と冷熱を同時に行う方式については請求項19に提示する。本発明の熱交換器型蓄熱システムの利点を活かして給湯と暖房さらには給湯した風呂のお湯の追い炊き等、幾つもの種類の熱出力を複数の循環管路を使いながら同時に行うことが出来るという利点がある。これらは大気を熱源乃至は放熱源としたヒートポンプユニットの場合に限っているが、請求工16、17では他の熱源を他の熱源媒体循環管路に導入させる場合とその熱源を大気に代わってヒートポンプユニットの熱源用に用いた場合を提示している。当然大気熱源を利用するための空気熱交換器はこのヒートポンプユニット内に組み込む場合が多い。
請求項15は作動媒体に関する発明である。作動媒体として要求される特性としては、屋内を循環するものでは、無毒性、不燃性、低地球温暖化係数(発明者はこの係数の制約を100以下と設定している)及び高い伝熱特性が要求される。その候補となる媒体は水、二酸化炭素、エチレングリコール等の不凍液、潜熱蓄熱材を微小な樹脂製カプセルに包んで大量に混ぜ込んだ水乃至は不凍液などが候補である。現在でもフッ素を成分とするフロン冷媒を屋内まで連通させる空調装置などが使われているが、このフロン冷媒は火災燃焼時の安全性と地球温暖化係数が1000を超えることが課題であり将来は使用を避けるべきである。熱源機に相当するヒートポンプユニットは屋外に設定されるから無毒性や不燃性については装置の構造により対策を講じておき、冷凍サイクルの作動エネルギー効率の高い値が得られる特性を持っているか否かを優先して評価し採用決定すべきである。 A fifteenth aspect of the present invention relates to a working medium. The characteristics required as a working medium are non-toxic, non-flammable, low global warming potential (the inventor sets the limit of this coefficient to 100 or less) and high heat transfer characteristics for those circulating indoors. Is required. Candidate media include water, carbon dioxide, ethylene glycol and other antifreeze liquids, and water or antifreeze liquid in which a latent heat storage material is wrapped in a minute resin capsule and mixed in large quantities. Even today, air-conditioning equipment that uses fluorine-containing fluorocarbon refrigerant to communicate indoors is used. However, this fluorocarbon refrigerant has issues with safety and global warming coefficient exceeding 1000 when fire is combusted. Should be avoided. Since the heat pump unit corresponding to the heat source unit is set outdoors, measures against non-toxicity and non-flammability are taken depending on the structure of the device, and whether or not it has a characteristic that can obtain a high value of operating energy efficiency of the refrigeration cycle Should be evaluated and adopted.
勿論地球温暖化係数は屋内を循環するものと同様に100以下の規制値を尊重する。フッ素と塩素を含むフロン冷媒は全てこの係数は100以上であり、フッ素と塩素を含まない所謂自然冷媒は十分にこの係数は100以下の数値であり、地球温暖化への影響は軽微である。この規制に該当しない媒体としてアンモニア、プロパンガス、ブタンガスなどの炭化水素ガスを使用する。ヒートポンプシステムの冷媒を熱源媒体循環管路に連通させ、それに隣り合う別の熱出力媒体循環管路に給湯用の水道水と空調用の媒体を連通させる事によりそれらの媒体が熱媒体熱交換器内で直接熱交換し易くなる。この事は前述した様に蓄熱材を通して熱の授受を行う通常の運転に対し、蓄熱した熱量が不足してきた時等に直接熱交換させる際に有効である。さらにヒートポンプユニットの冷凍サイクル冷媒を蒸発させる場合を除いて両媒体同志を対向流になるように配置させるのは伝熱性能を向上させる意味で有効である。 Of course, the global warming potential respects a regulation value of 100 or less, as well as those circulating indoors. All the fluorocarbon refrigerants containing fluorine and chlorine have a coefficient of 100 or more, and so-called natural refrigerants not containing fluorine and chlorine have a value of 100 or less, and the influence on global warming is negligible. A hydrocarbon gas such as ammonia, propane gas, or butane gas is used as a medium not corresponding to this regulation. The refrigerant of the heat pump system is communicated with the heat source medium circulation pipe, and the hot water tap water and the air conditioning medium are communicated with another heat output medium circulation pipe adjacent to the heat source medium circulation pipe so that the medium is a heat medium heat exchanger. It becomes easy to exchange heat directly. This is effective when the heat is directly exchanged when the amount of stored heat becomes insufficient, as compared with the normal operation in which heat is transferred through the heat storage material as described above. Further, it is effective in terms of improving the heat transfer performance to arrange the two media so as to face each other except when the refrigeration cycle refrigerant of the heat pump unit is evaporated.
冷媒を蒸発させる場合は冷媒の流れに従って圧力降下が生じて温度が下がるので平行流の方がむしろ伝熱性能を向上させるからである。
ここで重要な事は熱媒体熱交換器を間にして双方の媒体は、物理的に完全に分離されているが、熱媒体熱交換器と蓄熱材の双方を通して極めて高い特性で熱的には接続されていると言うことである。従って上記のように特性の違う最適な媒体を使用する事が可能になっている。
This is because when the refrigerant is evaporated, a pressure drop occurs in accordance with the flow of the refrigerant and the temperature is lowered, so that the parallel flow rather improves the heat transfer performance.
The important thing here is that both media are physically separated with the heat medium heat exchanger in between, but through both the heat medium heat exchanger and the heat storage material, it is extremely high in thermal properties. It is to be connected. Therefore, it is possible to use an optimum medium having different characteristics as described above.
一方、本熱交換器型蓄熱システムは各種民生用エネルギー出力装置からの多様な熱源を単純な一つの蓄熱システムで極めて容易に且つ有効に活用する事ができる事が大きな優位点と言える。請求項16はヒートポンプユニットの出力熱媒体とそれ以外の熱源からの熱媒体の双方を二つの熱源媒体循環管路に連通させて蓄熱させる事ができる様に構成した状態で、その何れを優先して蓄熱運転させるかを選択的に制御するという発明である。複数の熱源媒体循環管路を保有している本発明による熱媒体熱交換器を前提とすればそれは至極簡単に実現できる。
それとは別に、各種のエネルギー出力から得られる熱源は当然ながら様々な温度のものがある、従って温度が例えば50℃より低い場合はヒートポンプユニットの冷凍サイクルにこの熱源を供給し、ヒートポンプユニットによりに温度を上げてから蓄熱槽に供給する様に制御される。
On the other hand, it can be said that this heat exchanger type heat storage system has a great advantage in that various heat sources from various consumer energy output devices can be used very easily and effectively by a simple heat storage system. Claim 16 is a state in which both the output heat medium of the heat pump unit and the heat medium from other heat sources are connected to the two heat source medium circulation pipes so as to be able to store heat. In this invention, the heat storage operation is selectively controlled. If the heat medium heat exchanger according to the present invention having a plurality of heat source medium circulation pipes is assumed, it can be realized extremely easily.
Apart from that, there are of course various heat sources that can be obtained from various energy outputs, so if the temperature is lower than 50 ° C., for example, this heat source is supplied to the refrigeration cycle of the heat pump unit, and the heat pump unit It is controlled so as to be supplied to the heat storage tank after raising.
この概念は請求項17の太陽熱を利用するシステムと同じである。発電用セルとその背面に太陽光受熱用基板を持った太陽光コジェネレイション装置は将来の自然エネルギー利用方式の有望株である。請求項17はこの装置から発生した熱を効率よく利用する為に本発明の対象システムを連携させる技術についての発明である。即ち太陽光コジェネレイション装置の発電セルの発電効率を高める為にはセルの発電特性を考慮してセル部分の温度を出来るだけ40℃以下に保ちたいが、他方太陽熱を利用する立場から言えば、暖房に使うにしろ給湯に使うにしろその温度を50℃以上で取り出して有効利用したいと考えるところである。 This concept is the same as the system using solar heat of claim 17. A solar cogeneration system with a power generation cell and a solar heat receiving substrate on its back is a promising strain for future use of natural energy. The seventeenth aspect is an invention relating to a technique for linking the target system of the present invention in order to efficiently use the heat generated from this apparatus. That is, in order to increase the power generation efficiency of the power generation cell of the solar cogeneration system, the cell part temperature should be kept as low as 40 ° C. or less in consideration of the power generation characteristics of the cell. Whether it is used for heating or for hot water supply, the temperature should be taken out at 50 ° C. or more for effective use.
一方、太陽光は当然ながら季節、時間、天候などにより変わる極めて不安定なエネルギー源であるから、太陽光発電のみでなく太陽熱もその出力時間、出力熱量、出力温度など大きく変動することとなる。従って通常の熱媒体によってこれを冷却してその熱を蓄熱する方法はうまく作動しない。それは不安定な太陽光エネルギーによって熱媒体が得られる温度が大きく変動し、蓄熱する相手となる蓄熱材の蓄熱温度よりも下がってしまう事も多く、整合しないためである。本発明はその温度が低い時にはヒートポンプユニットを作動させてこの熱を蓄熱温度より最低2℃以上必要によっては10℃も高い温度に上昇させて最適温度にした上で蓄熱する。需要があるときにその熱を利用して放熱させるものである。 On the other hand, since sunlight is an extremely unstable energy source that naturally changes depending on the season, time, weather, etc., not only photovoltaic power generation but also solar heat greatly varies in its output time, output heat amount, output temperature, and the like. Therefore, the method of cooling this by a normal heat medium and storing the heat does not work well. This is because the temperature at which the heat medium is obtained fluctuates greatly due to unstable solar energy, and often falls below the heat storage temperature of the heat storage material that is the heat storage partner, which is inconsistent. In the present invention, when the temperature is low, the heat pump unit is operated, and the heat is stored at the optimum temperature by raising the heat to a temperature that is at least 2 ° C higher than the heat storage temperature and, if necessary, 10 ° C higher. When there is demand, the heat is used to dissipate heat.
ヒートポンプユニットの冷凍サイクルはその原理から言って蒸発温度と凝縮温度を広い範囲で自由に制御できるという特長がある。それは具体的には圧縮機の回転数と冷媒の絞りを調節する絞り弁の開度という2つの因子を調節する事により実現できる。この意味で、前記の太陽光受熱用基板の温度を広範囲の熱量授受を行っている実使用運転時に最適値になるように制御するにはヒートポンプユニットは最も適していると言える。この特性を使ってコジェネレイション装置の冷却を行う方法は、屋根上の広範囲に設置された太陽光コジェネレイション装置の太陽光受熱用基板から受熱するためにヒートポンプの冷凍サイクルの冷媒配管を張り巡らせて連結して行く作業は業務量の多い労働作業、作業品質面での冷媒リーク発生、費用面など多くの課題があり、且つ冷媒配管長が長くなり過ぎて冷凍サイクルの信頼性の許容範囲をこえるため実現できていなかった。 The refrigeration cycle of the heat pump unit has the feature that the evaporation temperature and the condensation temperature can be freely controlled over a wide range in terms of its principle. Specifically, this can be realized by adjusting two factors, that is, the number of rotations of the compressor and the opening of the throttle valve for adjusting the throttle of the refrigerant. In this sense, it can be said that the heat pump unit is most suitable for controlling the temperature of the solar heat receiving substrate so as to be an optimum value during the actual use operation in which a large amount of heat is transferred. In order to cool the cogeneration equipment using this characteristic, the refrigerant piping of the refrigeration cycle of the heat pump is stretched to receive heat from the solar heat receiving board of the solar cogeneration equipment installed over a wide area on the roof. The work to be linked has many problems such as labor work with large work volume, generation of refrigerant leak in work quality, cost, etc., and the refrigerant pipe length becomes too long and exceeds the reliability tolerance of the refrigeration cycle Therefore, it was not realized.
そこで、太陽光コジェネレイション装置の設置を終えてから、ヒートポンプユニットの冷凍サイクルの連続して継ぎ目の無い銅管を前記装置の傍に配設させて、アルミ板などで構成された受熱用基板との間で伝熱が行われる様に相互に接触させて締め付けて固定する方法などが作業面、価格面、リーク減少、配管長短縮に有効な手段と考えられる。具体的構造としてはアルミ製の受熱用基板の端部で装置からはみ出している部分を折り返して内面半円筒状に成型し、そこに冷凍サイクルの銅配管をはめ込んでから締め付けて固定するなどが適している。これにより、上記の作業性は簡略化され、冷媒リークの原因となる接続作業は無く、従って作業コストを最小化できると考えられる。此処で蓄熱システムと太陽光発電のバランスで重要な技術を請求項17に示した。 Therefore, after the installation of the solar cogeneration apparatus is finished, a continuous seamless copper tube of the refrigeration cycle of the heat pump unit is disposed beside the apparatus, and the heat receiving substrate made of an aluminum plate or the like It is considered that an effective method for working, cost, reducing leaks, and shortening the pipe length is a method in which they are brought into contact with each other so that heat is transferred between them. As a specific structure, it is suitable to fold the part protruding from the equipment at the end of the heat receiving substrate made of aluminum, mold it into an inner semi-cylindrical shape, fit the copper piping of the refrigeration cycle, and tighten and fix it ing. As a result, the above workability is simplified, there is no connection work causing refrigerant leakage, and it is considered that the work cost can be minimized. Here, the important technology in the balance between the heat storage system and the photovoltaic power generation is shown in claim 17.
受光面の温度が高い温度例えば50℃に上昇してきている時、ハイブリッド太陽装置のセルの発電量を最大限確保するためにはヒートポンプユニットの蒸発温度を30℃程度まで下げて受熱用基板を通じて受光面を40℃程度まで強制冷却する。この場合には装置の発電量は増えるがヒートポンプユニットの圧縮機を駆動する電力消費量も増えるから問題はそのバランスになる。従って実際には例えばそのバランス点として蒸発温度を40℃程度にする方法が選択される。他方電力は使わずに熱量を得たい時は、冷凍サイクルはほとんど圧縮しないでその蒸発温度を50℃程度に制御する。この時は冷凍サイクルの圧縮機は熱媒運搬ポンプの機能となって熱交換器型蓄熱システムにその熱を蓄熱する。しかしながらこの場合はセルの温度上昇により装置の発電量も若干少なくなる。更に電力を多めに使っても最大の熱量が欲しい時には蒸発温度を20℃程度まで下げて最大限太陽光から受熱してその温度をヒートポンプユニットで高めてその熱を蓄熱する。 When the temperature of the light-receiving surface is rising to a high temperature, for example, 50 ° C., in order to secure the maximum amount of power generated by the cells of the hybrid solar device, the heat pump unit's evaporation temperature is lowered to about 30 ° C. The surface is forcibly cooled to about 40 ° C. In this case, the power generation amount of the apparatus increases, but the power consumption for driving the compressor of the heat pump unit also increases, so the problem is balanced. Therefore, in practice, for example, a method of setting the evaporation temperature to about 40 ° C. is selected as the balance point. On the other hand, when it is desired to obtain heat without using electric power, the refrigeration cycle is hardly compressed and its evaporation temperature is controlled to about 50 ° C. At this time, the compressor of the refrigeration cycle functions as a heat transfer pump and stores the heat in the heat exchanger type heat storage system. In this case, however, the amount of power generated by the device is slightly reduced due to the temperature rise of the cell. Furthermore, when the maximum amount of heat is desired even if a large amount of electric power is used, the evaporation temperature is lowered to about 20 ° C., and heat is received from sunlight as much as possible, and the temperature is increased by a heat pump unit to store the heat.
この場合装置の発電量も増加するがヒートポンプユニットの消費電力に食われてしまうので差し引きの賞味発電量は逆に少なくなる。以上の様に、太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットと熱交換器型蓄熱システムを連結したシステムは、様々なタイプの運転を実現させる事が可能で、様々な条件に対し必要とするアウトプットを出す運転が選択可能な優れた方式となる。その一つが請求項18に提示される融雪効果である。 In this case, the power generation amount of the apparatus also increases, but it is eaten by the power consumption of the heat pump unit. As described above, the system that connects the solar cogeneration system, heat pump unit, and heat exchanger type heat storage system can realize various types of operation, and provides the necessary output for various conditions. It is an excellent method that allows you to select the driving operation. One of them is the snow melting effect presented in claim 18.
太陽光コジェネレイション装置や大気熱源ヒートポンプ等を利用して一旦蓄熱槽に蓄えた熱を、ヒートポンプユニットの冷凍サイクルを逆に回してそれを受熱して太陽光コジェネレイション装置の受熱用基板を逆に加熱させることができる。熱源は蓄熱槽に蓄えた熱ばかりでなく、大気熱源をヒートポンプにより汲み上げても良いが、大気の温度が下がり受熱用基板の温度が十分上昇しきれずに受光面の温度が不十分で積もった雪が取りきれない時には、蓄熱槽の熱を利用することが有効になる。積もった雪を融解させるには前記受熱用基板を30℃〜50℃程度に加熱する必要があり、大気が零度以下でこれを熱源として昼間の商用電源でヒートポンプユニットを運転する場合は該ユニットの冷凍サイクルによる汲み上げが必要な温度差は30℃以上になり、大能力のヒートポンプ運転が必要であるため冷凍サイクルの圧縮機の消費電力が増加してしまう。 The heat once stored in the heat storage tank using a solar cogeneration system or an atmospheric heat source heat pump, etc. is received by rotating the refrigeration cycle of the heat pump unit in reverse, and the heat receiving substrate of the solar cogeneration system is reversed. Can be heated. The heat source may be not only the heat stored in the heat storage tank, but the atmospheric heat source may be pumped up by a heat pump, but the temperature of the air receiving plate does not rise sufficiently and the temperature of the heat receiving substrate does not rise sufficiently, and the snow on the receiving surface is insufficient When it cannot be removed, it is effective to use heat from the heat storage tank. In order to melt the accumulated snow, it is necessary to heat the heat-receiving substrate to about 30 ° C. to 50 ° C. When the atmosphere is below zero degrees and this is used as a heat source and the heat pump unit is operated with a commercial power source in the daytime, The temperature difference that needs to be pumped by the refrigeration cycle is 30 ° C. or more, and a large-capacity heat pump operation is necessary, which increases the power consumption of the compressor of the refrigeration cycle.
しかしながら愈々融雪が難しくなってきて蓄熱槽の熱を利用する場合その蓄熱温度が50℃の場合は必要な汲み上げ温度差は零度であるからヒートポンプユニットは冷媒を圧縮する必要は無く循環させるだけで良い。従って冷凍サイクルの絞り機構は開放し、圧縮機は冷媒ポンプとしての機能を果せば済むため投入電力が低くなるように調整する。即ちヒートポンプの長所である出力の温度と熱量を最適に調整できる機能を活かし、蓄熱した熱量の有効利用を計る事ができるわけである。ここで重要な事は融雪に利用するヒートポンプユニットとその冷凍サイクルは請求項17に記載した太陽光温熱を受け取る冷凍サイクルと同一であると言うことである。ヒートポンプユニットを熱利用のための受熱用と融雪のための熱供給用に兼ねて用いる事により受熱用基板と冷凍サイクルの配管を伝熱関係になるように結合させる作業が一回で済むため、熱媒体用と冷凍サイクルの冷媒用の二つの配管を受熱用基板と伝熱関係に配設するという極めて困難な構造とその作業を回避できるからである。更に、冷凍サイクルの配管が受熱用基板の端面で接触固定される構造とする事により屋根上での作業性を大幅に向上できる。 However, when it is difficult to melt snow and the heat of the heat storage tank is used, if the heat storage temperature is 50 ° C., the necessary pumping temperature difference is zero degree, so the heat pump unit does not need to compress the refrigerant and only has to be circulated. . Therefore, the throttle mechanism of the refrigeration cycle is opened, and the compressor needs to perform the function as a refrigerant pump, so that the input power is adjusted to be low. That is, it is possible to measure the effective use of the stored heat amount by utilizing the function of optimally adjusting the temperature and heat amount of the output, which is an advantage of the heat pump. What is important here is that the heat pump unit used for melting snow and its refrigeration cycle are the same as the refrigeration cycle for receiving solar heat described in claim 17. Since the heat pump unit is used both for heat reception for heat utilization and for heat supply for snow melting, the heat receiving substrate and the piping of the refrigeration cycle can be combined in a heat transfer relationship in one time. This is because it is possible to avoid the extremely difficult structure and work of arranging two pipes for the heat medium and for the refrigerant of the refrigeration cycle in a heat transfer relationship with the heat receiving substrate. Furthermore, workability on the roof can be greatly improved by adopting a structure in which the piping of the refrigeration cycle is contact-fixed at the end face of the heat receiving substrate.
請求項19にはさらに機能を拡大したシステムを提示している。温熱蓄熱槽と冷熱蓄熱槽を組み合わせたシステムは従来も一部で採用されてきている。本発明による熱交換器型蓄熱システムを利用した場合には双方の蓄熱槽は多数の熱媒体を連通させる事ができるので各種の熱媒体を連通させて多種類の運転モードを実現させる事ができる。中間温度域の温熱蓄熱としては各種コジェネ装置の排熱温熱やヒートポンプによる冷房運転の排熱などを30℃程度の熱として一旦蓄熱しておき、その蓄熱した温熱を再度ヒートポンプにより50℃以上の温熱にして温熱蓄熱槽に蓄熱し、給湯や暖房用に利用したり、又は給湯用の水道水を温熱蓄熱槽で加熱する前に30℃近くまで予熱するため等に利用する。 Claim 19 presents a system with further expanded functions. A system that combines a heat storage tank and a cold storage tank has been adopted in some of the past. When the heat exchanger type heat storage system according to the present invention is used, both heat storage tanks can communicate a large number of heat media, and therefore various heat media can be communicated to realize various types of operation modes. . As the heat storage in the intermediate temperature range, the exhaust heat temperature of various cogeneration devices and the exhaust heat of the cooling operation by the heat pump are temporarily stored as about 30 ° C heat, and the stored heat is again heated to 50 ° C or more by the heat pump. Then, the heat is stored in the heat storage tank and used for hot water supply or heating, or preheated to about 30 ° C. before heating the hot water tap water in the heat storage tank.
逆に冷熱蓄熱の事例としてはヒートポンプにより温熱蓄熱槽に温熱を蓄熱する時に同時に発生する冷熱を利用してこの蓄熱槽に冷熱蓄熱したり、建物内で各種用途に水道水を利用する時にこの25℃程度の水道水を常に連通させて30℃の融解温度を持つ潜熱蓄熱槽にゆっくりと冷熱蓄熱させておき、この低温度の冷熱に排熱させてヒートポンプ運転による冷房運転する事等が可能となる。請求項19に提示した様に融解温度をその目的に合わせて中間温度域である5〜30℃程度の温度範囲である温度に設定された潜熱蓄熱材を用い多数の媒体循環管路を持つた熱交換器型蓄熱システムと、温熱を蓄熱するために40〜60℃程度の温度範囲に設定された潜熱蓄熱材を用い多数の媒体循環管路を持った熱交換器型蓄熱システムとの組み合わせによる温冷熱蓄熱システムとをヒートポンプユニットの冷凍サイクルで連結した複合システムである。その方式の最も有効な利用方法は冷房負荷の大きなサイトではその融解温度をさらに低温の5〜10℃に設定して、給湯のためのヒートポンプによる温水加熱運転時に発生する冷熱を蓄熱するやり方が用いられるのは言うまでも無い。 Conversely, as an example of cold heat storage, this heat storage tank is used to store cold heat using the cold generated simultaneously when storing heat in the heat storage tank using a heat pump, or when using tap water for various purposes in a building. It is possible to keep tap water at about ℃ constantly and let the latent heat storage tank with a melting temperature of 30 ℃ slowly cool and store the heat slowly, then exhaust the heat to this low temperature to perform cooling operation by heat pump operation, etc. Become. As shown in claim 19, the melting temperature is set to a temperature range of about 5 to 30 ° C. which is an intermediate temperature range according to the purpose, and a latent heat storage material is used to have a large number of medium circulation lines. By combining a heat exchanger type heat storage system and a heat exchanger type heat storage system having a large number of medium circulation pipes using a latent heat storage material set in a temperature range of about 40 to 60 ° C. in order to store heat. It is a composite system in which a hot / cold heat storage system is connected by a refrigeration cycle of a heat pump unit. The most effective method of using this method is to set the melting temperature at a low temperature of 5 to 10 ° C. at a site with a large cooling load and store the cold generated during hot water heating operation by a heat pump for hot water supply. It goes without saying that it is done.
オフィスビルなどの様に水道水の使用量が多く、しかし給湯はさほど必要の無いサイトで冷房運転のみが多くの時間で必要であるサイトは少なくない。そのサイトの場合は前述した様に25℃程度の大量の水道水を利用して蓄熱材を冷却して蓄えた30℃程度の冷熱蓄熱をその後の冷房運転の性能向上とエネルギー効率向上に役立てる事が出来る。その様なサイトでは給水洗面ノミでなく、トイレの排水用の水道水乃至は処理水も利用可能であり、オフィスビルディングのみでなく年間を通して冷房負荷の高い人の集まるところ例えばレストランなどがこの種のサイトの事例として上げられる。特に中間期でも冷房を利用するところでは大きな効果がある。 There are many sites that use large amounts of tap water, such as office buildings, but do not require hot water supply, and only require cooling operation for many hours. In the case of the site, as mentioned above, use of a large amount of tap water at about 25 ° C to cool the heat storage material and store it at about 30 ° C will help to improve the performance and energy efficiency of the subsequent cooling operation. I can do it. In such sites, not only water-washing fleas but also tap water or treated water for toilet drainage can be used, and not only office buildings but also places where people with high cooling loads gather throughout the year such as restaurants An example of a site. In particular, there is a great effect in using air conditioning even in the intermediate period.
この水道水を用いて冷熱蓄熱する技術は請求項24に提示した。建物全体に供給される水道水の温度は冬季で15℃夏期で25℃程度と仮定した時に融解温度がそれより5℃高い30℃の潜熱蓄熱材の熱交換器型蓄熱システムを設定する。全ての水道水を利用する前にこの蓄熱システムに連通させて水道水の冷熱で潜熱蓄熱材を凝固させて冷熱を蓄熱しておく。他方、ヒートポンプユニットは建物内を冷房しその排熱を大気に放熱する際の放熱凝縮温度は大気温度を35℃程度と想定すると通常は50℃程度になる。しかしながらこの大気に放熱した後に前記熱交換器型蓄熱システムに連通させて30℃の蓄熱材にて冷却させればその際の放熱凝縮温度を40℃程度に低くする事ができるし、冷媒の過冷却、即ち冷房能力を増加させる事もできる。その結果ヒートポンプユニットの冷房能力は増大し、その動力となる消費電力量は低減し、その比であるエネルギー効率を20〜30%程度向上させる事が出来ると試算される。この発明が適用できるであろうサイトは国内外に多く、この商品システムの市場となるであろう規模は極めて大きく、地球規模の夏場の消費電力低減と電力消費ピークの低減への効果は大きい。 A technique for storing cold energy using the tap water is presented in claim 24. When the temperature of the tap water supplied to the entire building is assumed to be about 25 ° C in winter and 15 ° C in summer, a heat exchanger type heat storage system of a latent heat storage material having a melting temperature of 5 ° C higher by 5 ° C is set. Before using all the tap water, the heat storage system is connected to solidify the latent heat storage material with the cold heat of the tap water to store the cold heat. On the other hand, when the heat pump unit cools the inside of the building and radiates the exhaust heat to the atmosphere, the heat radiation condensation temperature is normally about 50 ° C., assuming that the air temperature is about 35 ° C. However, if the heat is radiated to the atmosphere and then communicated with the heat exchanger type heat storage system and cooled with a heat storage material at 30 ° C., the heat radiation condensation temperature at that time can be lowered to about 40 ° C. Cooling, that is, cooling capacity can be increased. As a result, it is estimated that the cooling capacity of the heat pump unit is increased, the amount of power consumption as the power is reduced, and the energy efficiency as the ratio can be improved by about 20 to 30%. There are many sites to which the present invention can be applied both in Japan and overseas, and the scale that will become the market for this product system is extremely large, and the effect of reducing power consumption peak and power consumption peak in the global summer is great.
そのサイトが冷房運転のチャンスが少なくて、暖房と給湯といった加熱運転が主体である場合は請求項24の冷房主体のケースとは逆の設定であるが、同じ様な効果が可能になる。この場合冷房の事例では30℃に設定した潜熱蓄熱材の融解温度をこのケースでは10℃程度に設定したシステムを用いる。建物内で利用される15℃程度の水道水の熱を利用してこの潜熱蓄熱材を融解させて10℃で蓄熱しておいて、ヒートポンプユニットが暖房乃至は給湯運転を行うときにこの10℃の熱を熱源として利用するものである。こうすれば大気が零度以下になった場合にも10℃の熱源を利用して効率の高いヒートポンプ運転が可能になる。しかも潜熱蓄熱材を10℃前後に設定しておけばこの運転によって水道水が凍結するなどの問題は回避できる。何れのケースも潜熱蓄熱材と複数の媒体循環管路を独立一体に構成した熱交換器型蓄熱槽によりこれらの効果は実現させる事ができるわけである。 When the site has few chances of cooling operation and heating operation such as heating and hot water is the main, the setting is opposite to that of the cooling main case of claim 24, but the same effect is possible. In this case, in the case of cooling, a system in which the melting temperature of the latent heat storage material set to 30 ° C. is set to about 10 ° C. in this case is used. The latent heat storage material is melted by using the heat of tap water of about 15 ° C. used in the building and stored at 10 ° C., and when the heat pump unit performs heating or hot water supply operation, the 10 ° C. This heat is used as a heat source. In this way, even when the atmosphere becomes zero degrees or less, a high-efficiency heat pump operation can be performed using a 10 ° C. heat source. Moreover, if the latent heat storage material is set to around 10 ° C., problems such as freezing of tap water due to this operation can be avoided. In any case, these effects can be realized by a heat exchanger type heat storage tank in which a latent heat storage material and a plurality of medium circulation pipes are independently integrated.
請求項20は空調する空間をあまり温度を下げずに湿度を主体的に下げる運転モードである徐湿を実現させる技術に関した物である。冷熱と温熱を蓄熱させた前述した温冷熱蓄熱システムを利用する。室内の空調機端末は加熱装置としては床暖房機や床面ラジエター、冷却装置としては壁面パネルや壁面ラジエターや壁面ファンコイルユニットなどがある。高級なシステムでは例えば床暖房機と壁面ラジエターを同一の室内に別々に設置しておいて夫々暖房と冷房を行う。請求項20は前記の温冷熱蓄熱システムとこの屋内端末を連携させて冷房と暖房を同時に作動させ、顕熱を相殺させて冷房に伴って生じる除湿効果のみを活かす方法である。 Claim 20 relates to a technique for realizing gradual humidity, which is an operation mode in which the humidity is mainly lowered without lowering the temperature of the air-conditioned space. The above-described hot / cold heat storage system that stores cold and warm heat is used. Indoor air conditioner terminals include floor heaters and floor radiators as heating devices, and wall panels, wall radiators, and wall fan coil units as cooling devices. In a high-grade system, for example, a floor heater and a wall radiator are separately installed in the same room to perform heating and cooling, respectively. A twentieth aspect of the present invention is a method of utilizing only the dehumidifying effect caused by cooling by coordinating the thermal storage system with the indoor terminal and simultaneously operating cooling and heating to cancel sensible heat.
請求項21は各種エネルギー供給装置から供給される各種熱出源媒体を具体的にどの様に本発明の熱交換器型蓄熱システムに投入させるかについての基本的な技術である。即ち供給される各種熱源媒体の温度が目指す蓄熱槽の潜熱蓄熱材の融解温度より低いなど、蓄熱が難しい時は、下記の3通りの熱の供給元から選択して熱供給させる技術を提示している。その内の1つは融解温度の低い例えば30℃程度の潜熱蓄熱材を用いた他の蓄熱槽であり、ここに一旦蓄熱したものを再度ヒートポンプでくみ上げる方法が採られる。二つ目の方法は目指す蓄熱槽と連結したヒートポンプユニットの作動熱源として直接に冷凍サイクルの蒸発器に投入する方法である。三つ目は給湯用に供給される水道水を予熱する熱量として使う方法である。いづれかの方法が採れるようにシステムを構成させておいて、熱源媒体の温度が変化しても常に対応してその熱を利用できるようにしたものである。この方法の実現のためにも多種類の熱源媒体を導入させて処理できる本発明の熱交換器型蓄熱システムは有効である。 The twenty-first aspect is a basic technique as to how various heat source media supplied from various energy supply devices are put into the heat exchanger type heat storage system of the present invention. In other words, when heat storage is difficult, such as when the temperature of the various heat source media to be supplied is lower than the melting temperature of the latent heat storage material of the target heat storage tank, a technology for supplying heat by selecting from the following three heat supply sources is presented. ing. One of them is another heat storage tank using a latent heat storage material having a low melting temperature, for example, about 30 ° C., and a method in which the heat stored once is again pumped up by a heat pump is adopted. The second method is a method in which the heat pump unit connected to the target heat storage tank is directly supplied to the evaporator of the refrigeration cycle as an operating heat source. The third method is to use tap water supplied for hot water supply as a preheating heat quantity. The system is configured so that any one of the methods can be adopted, and the heat can always be used even if the temperature of the heat source medium changes. In order to realize this method, the heat exchanger type heat storage system of the present invention which can introduce and process various kinds of heat source media is effective.
請求項22は上記三つの方法のうちの一つと関連する水道水の予熱の仕方を工夫することによる性能を高める技術に関する。蓄熱槽に蓄熱された熱を使って加熱する前に大気熱源のヒートポンプユニットを用いてその水道水を予熱するようにする方法が採られる。低温度の水道水を予熱する時にはヒートポンプユニットの冷凍サイクルの凝縮温度は低くなるのでCOPと表現される該ヒートポンプユニットの作動エネルギー特性は高い値となる。一方、利用者の視点からみると蓄熱されて蓄熱槽に残っている熱量がどの位あって、深夜電力を使ったヒートポンプ運転や、太陽光コジェネレイション装置の排熱などによる次の蓄熱運転までの間、現在の蓄熱残量で賄うことができるか否かが重要である。その点に着目して予熱運転のレベルを決定する事が必要である。 Claim 22 relates to a technique for improving performance by devising a way of preheating tap water related to one of the above three methods. A method is adopted in which the tap water is preheated using a heat pump unit of an atmospheric heat source before being heated using the heat stored in the heat storage tank. When preheating the low-temperature tap water, the condensing temperature of the refrigeration cycle of the heat pump unit is low, so that the operating energy characteristic of the heat pump unit expressed as COP has a high value. On the other hand, from the user's point of view, how much heat is stored and remains in the heat storage tank, from heat pump operation using midnight power to the next heat storage operation by exhaust heat of solar cogeneration equipment etc. In the meantime, it is important whether or not it can be covered with the current heat storage capacity. It is necessary to determine the preheating operation level by paying attention to this point.
従ってヒートポンプユニットを用いて予熱運転を行う際に、その制御特性を利用して、予熱弱、予熱強、予熱でなく蓄熱の3通りを選択させるという技術である。これにより不必要な予熱運転をなるべく減らして、予熱時にヒートポンプユニットを作動させる電力の消費量を削減しようとするものである。蓄熱の残量は蓄熱材の数箇所の温度を経過的に精度良く測定すれば判読できるが、蓄熱材を使用した時間その他の履歴のデータを積算しても求めることが出来る。通常はその双方のデータを合算して判定する方法が採られることが多い。 Therefore, when preheating operation is performed using a heat pump unit, the control characteristics are used to select three types of heat storage, not weak preheating, strong preheating, and preheating. In this way, unnecessary preheating operation is reduced as much as possible to reduce the amount of power consumed to operate the heat pump unit during preheating. The remaining amount of heat storage can be determined by measuring the temperature of several locations of the heat storage material with accuracy over time, but can also be obtained by integrating the time and other history data used for the heat storage material. Usually, a method of determining by summing both data is often employed.
請求項23は、本発明の熱交換器型蓄熱システムに置いて具体的に水道水の予熱を行うための構成についての発明である。前記蓄熱容器内の熱媒体熱交換器と蓄熱材よりも上部の空間に二つの媒体間を伝熱させるための予熱用熱交換器を設置する。 この熱交換器は二重管であったり、二つの管路をその側面でロー付け接合させたものであったりする。通常は深夜電力による大気熱源ヒートポンプ運転の出力熱や太陽光コジェネレイション装置の出力熱を利用して蓄熱材に温熱を蓄熱する。この熱を使って水道水を加熱して給湯させるのは請求項13に提示した。この運転中に蓄熱材に蓄熱した熱量を長持ちさせるには、昼間の高い価格の電力でヒートポンプ運転する方法をとらざるを得ないからその追加蓄熱のための電気代は高いものとなる。そこでこの高い電力を用いたヒートポンプ運転の時にはその冷凍サイクルの凝縮温度を下げて電力使用量を削減する方法を提示する。それに利用するのが20℃程度の低温度の水道水を用いて給湯運転されている時にその水道水を蓄熱材で本格加熱する前の予熱運転として予熱熱交換器において中間温度のヒートポンプ運転出力冷媒と熱交換を行う方法である。 The twenty-third aspect is an invention of a configuration for specifically preheating tap water in the heat exchanger type heat storage system of the present invention. A preheating heat exchanger for transferring heat between the two media is installed in a space above the heat medium heat exchanger and the heat storage material in the heat storage container. This heat exchanger may be a double pipe, or two pipes joined by brazing on the side. Usually, heat is stored in the heat storage material using the output heat of the atmospheric heat source heat pump operation by midnight power and the output heat of the solar cogeneration system. It is presented in claim 13 that the heat is used to heat the tap water to supply hot water. In order to extend the amount of heat stored in the heat storage material during this operation, it is necessary to use a heat pump operation method with high-cost electric power in the daytime, so the electricity cost for the additional heat storage becomes high. Therefore, a method for reducing the power consumption by lowering the condensation temperature of the refrigeration cycle during the heat pump operation using this high power is presented. For this purpose, when the hot water supply operation is performed using tap water having a low temperature of about 20 ° C., the heat pump operation output refrigerant at an intermediate temperature in the preheating heat exchanger is used as a preheating operation before the tap water is fully heated with the heat storage material. And heat exchange.
この発明によれば、予熱熱交換器と熱媒体熱交換器は近傍に設けられて管路で接続されており、またヒートポンプユニットの冷凍サイクル冷媒は加熱運転の場合なので熱媒体熱交換器経由で予熱熱交換器に連通させ、水道水は予熱熱交換器経由で熱媒体熱交換器に連通させるように該管路を設定するという発明である。この管路構成は簡単であり、勿論管路の切り替えに用いる弁などは不要である。蓄熱運転の時は水道水は停止されているのでヒートポンプ冷媒は熱媒体熱交換器を加熱し蓄熱材に蓄熱する。蓄熱熱量だけで給湯加熱するときはヒートポンプは停止しており、水道水は蓄熱材により加熱される。給湯時にヒートポンプで水道水を予熱させる時にはヒートポンプ出力冷媒の凝縮温度を例えば35℃程度の凝縮温度に調整して連通する。 According to the present invention, the preheating heat exchanger and the heat medium heat exchanger are provided in the vicinity and connected by a pipe line, and since the refrigeration cycle refrigerant of the heat pump unit is in a heating operation, it passes through the heat medium heat exchanger. In this invention, the pipe is set so as to communicate with the preheating heat exchanger, and the tap water communicates with the heat medium heat exchanger via the preheating heat exchanger. This pipe configuration is simple, and of course, a valve used for switching the pipe is not necessary. Since the tap water is stopped during the heat storage operation, the heat pump refrigerant heats the heat medium heat exchanger to store heat in the heat storage material. When hot water is heated only by the amount of stored heat, the heat pump is stopped and the tap water is heated by the heat storage material. When preheating tap water with a heat pump during hot water supply, the condensing temperature of the heat pump output refrigerant is adjusted to a condensing temperature of, for example, about 35 ° C. for communication.
この結果ヒートポンプの吐出ガスは50〜60℃程度になって出力され、先ず熱媒体熱交換器に入りわずかの熱量を放熱して50℃程度の蓄熱温度近くまで冷却されてから予熱熱交換器に入り35℃で凝縮しながら水道水を予熱し、水道水は35℃近くまで予熱されてから熱媒体熱交換器に入り蓄熱温度である50℃近くまで加熱されて給湯水として出力される。この結果ヒートポンプの冷凍サイクル凝縮温度が低いためその圧縮機消費電力がフル運転時の半分程度に低減される結果となる。予熱熱量とこの凝縮温度の調整は主に冷凍サイクルの圧縮機回転数と冷媒絞り弁の調整により行われる。 As a result, the discharge gas of the heat pump is output at about 50 to 60 ° C., and first enters the heat medium heat exchanger to dissipate a small amount of heat and is cooled to near the heat storage temperature of about 50 ° C., and then to the preheating heat exchanger. The tap water is preheated while condensing at 35 ° C., and the tap water is preheated to close to 35 ° C., then enters the heat medium heat exchanger, is heated to near 50 ° C., which is the heat storage temperature, and is output as hot water supply water. As a result, since the refrigeration cycle condensation temperature of the heat pump is low, the compressor power consumption is reduced to about half of that during full operation. The adjustment of the preheating heat amount and the condensation temperature is mainly performed by adjusting the compressor speed of the refrigeration cycle and the refrigerant throttle valve.
以上の様に、使いづらく低密度なエネルギーを、蓄熱し且つ適正に取り出して効果的に利用できるような民生用システムを広範囲に確立するという目標で熱交換器型蓄熱システムを特定しそれを広範囲に利用する事について必要な多くの技術項目の解決策を提示できたと考える。それらの技術は具体的には以下のような最初に示した課題の解決につき多くの直接的効果と派生的効果が期待できる。 最初の課題として、蓄熱槽のコンパクト化については請求項1、2、4、5、6、7、8、9、10、11に提示した技術により例えば水圧のかかった給湯用の水道水を蓄熱する場合に比べ50%以下の容積が可能に成ると算定される。その主な因子を挙げれば、潜熱蓄熱材を用いその充填率を90%にした効果が30%、蓄熱容器を薄型の立方体化した効果が18%、真空断熱材採用で8%その他効果10%と試算される。現地での据付けスペースの制約を排除するという主要な目的はほぼ達成できた。2番目の課題である蓄熱槽からの熱ロス低減については蓄熱槽の容積自体の半減で表面面積低減による効果30%、請求項5に提示したように蓄熱温度を30℃低下させた効果が40%及び真空断熱材による効果が5〜8%総計約60%以上の熱ロス低減効果が期待される。
As described above, the heat exchanger type heat storage system is identified with the goal of establishing a wide range of consumer systems that can store and use effectively the low-density energy that is difficult to use and properly extract it. We think that we have been able to present solutions for many technical items that are necessary for use in Japan. Specifically, these technologies can be expected to have many direct effects and derivative effects for solving the following first problems. As a first problem, with regard to downsizing of the heat storage tank, for example, tap water for hot water supply with water pressure is stored by using the technology presented in
3番目の熱媒体、特に水の搬送ポンプの使用を抑えるという目標についてはヒートポンプ冷凍サイクルをフルに活用したシステムを種々構成できた事から十分な成果を達成した。
4番目の課題としての多数の熱源供給の処理、多数の熱出力の実現については請求項3、13、15、17、18、21、24に示した技術が極めて広範囲で自由度の高いシステムを実現できたと考えられる。
With regard to the goal of suppressing the use of the third heat transfer medium, especially the water delivery pump, we have achieved sufficient results because we were able to configure various systems that fully utilize the heat pump refrigeration cycle.
The fourth problem is that the technology shown in claims 3, 13, 15, 17, 18, 21, and 24 has a very wide range and high degree of freedom. It is thought that it was realized.
5番目の目標であったシステムエネルギー効率の向上については請求項1〜4に示した熱媒体熱交換器の効果、請求項13、17、19、21、22、23、24に提示した技術が大幅な効果を達成したと考えており、例えば請求項17に提示した太陽光コジェネレイション装置の実現は自然エネルギーである太陽光を発電と熱をハイブリッドに取り出しているので太陽光エネルギー回収率は30%を超える画期的な成果を実現する。6番目と7番目の目標としてのシステム信頼性の確保と十分なコスト低減の達成については全請求項に示した技術アイテムが全体として簡素で部品点数の少ないシステムの確立に大きく貢献する内容が十二分に提示できたと考える。 Regarding the improvement of the system energy efficiency which was the fifth target, the effect of the heat medium heat exchanger shown in claims 1 to 4, and the technology presented in claims 13, 17, 19, 21, 22, 23 and 24 For example, the realization of the solar cogeneration apparatus presented in claim 17 takes out the natural energy of sunlight as a hybrid of power generation and heat, so that the solar energy recovery rate is 30 Achieve breakthrough results that exceed 50%. Regarding the 6th and 7th goals, ensuring the system reliability and achieving sufficient cost reduction, the contents of the technical items shown in all claims greatly contribute to the establishment of a simple system with few parts as a whole. I think I was able to present it in half.
全体目標としては「深夜だけ割安で供給される深夜電力、晴天の昼間だけ供給される太陽光発電電力や太陽熱、地域発電を主体にシステム構成された各種コジェネレイション装置の排熱など、標準化されていないために使いづらく低密度なエネルギーを、蓄熱し且つ適正に取り出して効果的に利用できるような民生用システムを広範囲に確立する」という目標を達成する為に必要な種々基幹技術を提示する事ができ、特にシステムの実用化のための熱交換器型蓄熱システムという基幹システムを特定しその応用方法につき多くの技術分野を明確にする事ができた。 The overall goal is `` standardized, such as late-night power supplied at a reasonable price only in the middle of the night, solar power and solar heat supplied only in the daytime in fine weather, and exhaust heat from various cogeneration systems mainly composed of regional power generation. Presenting various core technologies necessary to achieve the goal of “establishing a wide range of consumer systems that can store and appropriately use low-density energy that is difficult to use because it is difficult to use” In particular, we have identified a core system called a heat exchanger type heat storage system for practical use of the system, and have clarified many technical fields regarding its application methods.
以下、本発明の実施形態を、図1〜図5に基づいて説明する。図1は水道水を加熱して給湯するための熱交換器型蓄熱システムに使われる給湯用の熱媒体熱交換器21である。循環管路用に用いられる二十個の穴4を持ったアルミ製の扁平多穴管1には、その内四つの穴からなる循環管路を6の矢印で示されたように熱出力媒体としての水道水が流れ、他の三つの穴からなる別の循環管路を5の矢印で示された様に熱源媒体としてヒートポンプユニットの冷凍サイクル冷媒であるプロパンガスが流れる。残りの十三個の穴は多穴管の両端に6穴づつと中心に一穴が配置され、循環管路には使われていないが、蓄熱材との伝熱のための拡張面積を確保している。アルミ製の循環管路接続管フレア2により断面形状の異なる扁平多穴管1と循環管路接続管3をロー付け接合により連結している。この熱交換器と潜熱蓄熱材であるパラフィンが収納され熱交換器型蓄熱システム16が構成される。ここでは図示していないが、循環管路の穴の構成をプロパンガスと水道水の間の伝熱特性を上げるために一つ置きの穴配置にする交錯した配管レイアウト方法も考えられるが、その場合循環管路接続管フレア2等の形状が複雑で多分岐管になり、コストアップとロー付けリーク不良などの可能性が増えるのが難点である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a heat medium heat exchanger 21 for hot water supply used in a heat exchanger type heat storage system for heating tap water to supply hot water. An aluminum flat multi-hole pipe 1 having twenty holes 4 used for a circulation pipe has a four-hole circulation pipe as a heat output medium as indicated by arrows 6. As shown by the arrow 5, propane gas, which is a refrigeration cycle refrigerant of the heat pump unit, flows through another circulation line composed of the other three holes as indicated by the arrow 5. The remaining 13 holes are 6 holes at both ends of the multi-hole pipe, and one hole is placed in the center, which is not used for the circulation pipe, but secures an expanded area for heat transfer with the heat storage material. is doing. A flat multi-hole pipe 1 and a circulation pipe connection pipe 3 having different cross-sectional shapes are connected by brazing and joining with an aluminum circulation pipe connection pipe flare 2. The heat exchanger and the paraffin which is a latent heat storage material are accommodated to constitute a heat exchanger type heat storage system 16. Although not shown here, there is a cross piping layout method in which the hole configuration of the circulation pipe is arranged every other hole in order to improve the heat transfer characteristics between propane gas and tap water. In this case, the shape of the circulation pipe connecting pipe flare 2 and the like is complicated and becomes a multi-branch pipe, which increases the possibility of cost increase and brazing leakage failure.
矢印5、6で示される様に両媒体を対交流に流しており、冷凍サイクル冷媒が出口でスーパーヒートが多く取れてサイクル制御をし易いようにしている。
両媒体は一つの扁平多穴管1内を一緒に流れるようになっているため相互間の伝熱に優れ、且つ該扁平多穴管の外表面が大きな面積に構成してあるのでその外表面の外側に隣接して設置される潜熱蓄熱材7と両媒体との間の伝熱特性も優れたものになる。扁平多穴管の厚さは出来る限り薄い平板状にして蛇行状に成型しやすくするとともに、潜熱蓄熱材7の収納容積を増やして蓄熱容器内の蓄熱材の容積比率を90%以上に設定している。このため扁平管の平板厚さを7mmとし容積比率90%にするためのその蛇行ピッチ18は73mmとし、そこに挿入される蓄熱材ブロックの厚さを64mmとしている。この64mmの寸法は蓄熱材の内部伝熱特性からみて最大寸法に近い。これ以上厚い場合、蓄熱材ブロックの中心部分が蓄熱や放熱に参加するまでの時定数が大きくなり伝熱抵抗による無駄が生じるため避けねばならない。
As indicated by arrows 5 and 6, both media are allowed to flow in an alternating current, and the refrigeration cycle refrigerant can take a lot of superheat at the outlet to facilitate cycle control.
Since both media flow together in one flat multi-hole tube 1, heat transfer between them is excellent, and the outer surface of the flat multi-hole tube has a large area. The heat transfer characteristics between the latent heat storage material 7 installed adjacent to the outside of the medium and both media are also excellent. The thickness of the flat multi-hole tube is made as thin as possible to make it easy to be meandered, and the volume of the heat storage material in the heat storage container is set to 90% or more by increasing the storage capacity of the latent heat storage material 7 ing. Therefore, the flat plate thickness of the flat tube is 7 mm, the meandering pitch 18 for setting the volume ratio to 90% is 73 mm, and the thickness of the heat storage material block inserted therein is 64 mm. The 64 mm dimension is close to the maximum dimension in view of the internal heat transfer characteristics of the heat storage material. If it is thicker than this, the time constant until the central portion of the heat storage material block participates in heat storage and heat dissipation becomes large and waste due to heat transfer resistance must be avoided.
扁平多穴管の穴ピッチ寸法19は10mmであり扁平多穴管の外形幅寸法は20穴のため200mmとなる。請求項6に示した様に蓄熱容器20の奥行き方向内部寸法はこれを2列並べた場合200mmの2倍である400mmプラス隙間5mmで405mmとなる。もちろんこの場合2列分を一体でアルミ押し出し扁平多穴管で構成しても良いがその場合には40穴の扁平管となり中心部の7穴のみ又は往復で14穴を用いて水道水と冷媒用の循環管路が構成される、乃至は隣り合わせた7穴を一対の循環管路として40穴の内で28穴に4対の循環管路を交互の位置に構成してもよい。扁平多穴管1と接続管3は内部に腐食性のある水道水等が連通される事を想定して腐食防止のためにアルミニウム合金成分調整、酸化皮膜処理、めっき処理などが必要に応じて施してある。材料信頼性を更に高めるために銅パイプをインサートする方法もある。しかしながら通常の水道水であれば、その流速を抑えておけば、耐食性の強いアルミ合金等を用いるだけで表面処理を省略する事も可能である。 The hole pitch dimension 19 of the flat multi-hole tube is 10 mm, and the external width dimension of the flat multi-hole pipe is 200 mm because of 20 holes. As shown in claim 6, the internal dimensions in the depth direction of the heat storage containers 20 are 400 mm, which is twice 200 mm when the two rows are arranged, plus 405 mm with a gap of 5 mm. Of course, in this case, the two rows may be integrally formed of an aluminum extruded flat multi-hole tube, but in that case, it becomes a 40-hole flat tube, and only 7 holes in the center or 14 holes are used for reciprocation. Or a pair of adjacent seven holes may be configured as a pair of circulation lines, and four pairs of circulation lines may be formed at alternate positions in 28 holes out of 40 holes. Assuming that corrosive tap water and the like are connected to the inside of the flat multi-hole pipe 1 and the connecting pipe 3, aluminum alloy component adjustment, oxide film treatment, plating treatment, etc. are performed as necessary to prevent corrosion. It has been given. There is also a method of inserting a copper pipe to further improve the material reliability. However, in the case of ordinary tap water, if the flow rate is suppressed, it is possible to omit the surface treatment only by using a highly corrosion-resistant aluminum alloy or the like.
図2は図1に対しより多数の穴を持った扁平多穴管を用い多数の媒体循環管路を持った熱媒体熱交換器を示している。図1の場合と同様にアルミの押し出し成型品を用いているが、前述した様にそれはロールボンドでも良いし、アルミの平板上にはめ込んでロー付けしたものでも良いがここでは最も製造性が高く、製造品質が安定するアルミの押し出し多穴管を用いている。図2の熱交換器に連通される媒体は例えば熱源媒体としてはヒートポンプユニットの冷凍サイクル冷媒やコジェネレイション装置の排熱を搬送する不凍液などであり、熱出力媒体としては給湯用の水道水や空調用の温冷熱媒体である不凍液又は二酸化炭素や再加熱追い炊き用の風呂の温水や蓄熱を熱源に利用したヒートポンプの冷媒などがある。 FIG. 2 shows a heat medium heat exchanger using a flat multi-hole pipe having a larger number of holes than that of FIG. 1 and having a large number of medium circulation lines. As in the case of FIG. 1, an extruded product of aluminum is used, but as described above, it may be a roll bond or may be an aluminum flat plate that is brazed and brazed. , Aluminum extruded multi-hole tube with stable manufacturing quality is used. The medium communicated with the heat exchanger of FIG. 2 is, for example, a refrigeration cycle refrigerant of a heat pump unit or an antifreeze liquid that transports exhaust heat of a cogeneration device as a heat source medium, and tap water for hot water supply or air conditioning as a heat output medium. There are anti-freezing liquid or carbon dioxide, which is a hot / cold heat medium for heating, and heat pump refrigerant that uses hot water or heat storage of a reheating additional cooking bath as a heat source.
それ以外にも幾つもの種類の熱媒体を連通する事ができるが、ここでは図を示さない。この五つの循環管路は熱源媒体と熱出力媒体間の伝熱が相互に効率良く行われる様にそれらが隣り合わせて交互に配置される。この熱交換器は全体が蛇行状に成型され、扁平多穴管の幅寸法は200mmの場合400mmの奥行き寸法の蓄熱容器には奥行き方向に2列に配置される。勿論400mmの幅の扁平多穴管の場合なら1列配置で良く、この場合5つの循環管路は適宜な穴位置と穴数を選択して配置される。当然アルミ製の多穴管は媒体の作動圧力や流速や作動温度、流体成分などによってその材料、寸法、肉厚、細部形状等が調整し最適に設定されている事は言うまでも無い。 Many other types of heat medium can be communicated, but the figure is not shown here. The five circulation pipes are alternately arranged next to each other so that heat transfer between the heat source medium and the heat output medium can be efficiently performed. This heat exchanger is entirely formed in a meandering shape, and when the width of the flat multi-hole tube is 200 mm, the heat storage containers having a depth of 400 mm are arranged in two rows in the depth direction. Of course, in the case of a flat multi-hole pipe having a width of 400 mm, it may be arranged in one row. In this case, the five circulation pipes are arranged by selecting an appropriate hole position and the number of holes. Needless to say, the multi-hole tube made of aluminum is optimally set by adjusting the material, dimensions, wall thickness, detail shape, etc. according to the working pressure, flow velocity, working temperature, fluid component, etc. of the medium.
この様な熱媒体熱交換器21を用いた蓄熱システムが本発明の熱交換器型蓄熱システム16でありその事例を図3に示す。図3は蓄熱槽筐体及び断熱パネルその他小さな補器部品は省略してあり蓄熱容器20及びその主要部分のみを示している。これはヒートポンプユニットを利用した単一熱源媒体による家庭用の給湯システムの事例である。前面から蓄熱材ブロックを入れる方式の場合で、蓄熱容器の内部寸法は幅600mm、奥行きは405mm、高さは1700mmのポリプロピレン樹脂製で、容器前面12は取り外しが出来、螺子で水密状にシールとなる様に容器本体10に取り付けられる。図示しないがこの容器20を包むように真空断熱パネルそしてその外側を鉄板筐体が組みつけられ、該筐体が蓄熱槽全体を保持する構造になっている。
A heat storage system using such a heat medium heat exchanger 21 is the heat exchanger type heat storage system 16 of the present invention, and an example thereof is shown in FIG. FIG. 3 shows only the heat storage container 20 and its main part, omitting the heat storage tank housing, the heat insulating panel and other small auxiliary parts. This is an example of a domestic hot water supply system using a single heat source medium using a heat pump unit. In the case of putting the heat storage material block from the front, the internal dimensions of the heat storage container are 600 mm wide, 405 mm deep, and 1700 mm high made of polypropylene resin. It attaches to the container
熱媒体熱交換器21は図1に示したもので奥行きを400mmにしたものを用いており、蓄熱容器の中に図の様に設置され固定される。4本の循環管路接続管は容器21の上部から容器とシール状態で外部に連通されている。熱媒体熱交換器が設置された後に薄いポリプロピレン樹脂容器に入れた潜熱蓄熱材ブロック7が空間に挿入し設置され、これが完了すると容器前面12が螺子により容器本体に固定される。その後均圧膜11部分から充填液8として水を図に示した様に蓄熱材を覆う位置まで注入し、均圧膜がかぶせられてシールされる。寒冷地域では水ではなくて不凍液が用いられるのは言うまでもない。潜熱蓄熱材は24−パラフィン乃至は酢酸ナトリウムが使われ、相変化を繰り返しながら蓄熱材の平均温度を約50℃前後に保っている。 パラフィンは水より軽く、酢酸ナトリウムは水より重いため充填液に対し浮き上り又は沈む傾向があるため図示はしないが、蓄熱材ブロックの移動防止用の止め具を各所に使用している。上部から蓄熱材ブロックを入れる方式では熱媒体熱交換器の蛇行成型方向が変わるので注意が要る。
The heat medium heat exchanger 21 shown in FIG. 1 and having a depth of 400 mm is used and is installed and fixed in a heat storage container as shown in the figure. The four circulation pipe connection pipes communicate with the container from the upper part of the container 21 in a sealed state. After the heat medium heat exchanger is installed, the latent heat storage material block 7 placed in a thin polypropylene resin container is inserted into the space and installed, and when this is completed, the
熱源媒体はヒートポンプユニットからの55℃の凝縮温度を持つ高圧のプロパン冷媒で図中5に示される様に連通され、熱源媒体熱交換器21の循環管路17内で冷やされて凝縮され液体となって蓄熱容器20から外部に流出される。その凝縮熱は熱源媒体熱交換器21の外表面から充填液8の水を通して潜熱蓄熱材ブロック7内の融解温度が50℃の蓄熱材パラフィンに伝わりこれを融解させて蓄熱する。一方給湯する時には熱出力媒体である水道水が熱出力媒体循環管路17に連通され、蓄熱材であるパラフィンから熱を受け取りこれを凝固させ、45℃程度の温水となって給湯される。また、給湯を使いすぎて前夜の電力を使った蓄熱量が少なくなってきた時などはヒートポンプ運転による高温のプロパン冷媒により直接熱媒体熱交換器を通して水道水を加熱して給湯する事ができる。このシステムではプロパン冷媒は圧縮機により送り込まれるし、水道水は水道水圧で押し出されるので、媒体を連通させるためのポンプなどは必要が無い。 The heat source medium is a high-pressure propane refrigerant having a condensing temperature of 55 ° C. from the heat pump unit and communicated as shown in FIG. 5, and is cooled and condensed in the circulation line 17 of the heat source medium heat exchanger 21. And flows out of the heat storage container 20 to the outside. The condensation heat is transferred from the outer surface of the heat source medium heat exchanger 21 through the water of the filling liquid 8 to the heat storage material paraffin having a melting temperature in the latent heat storage material block 7 of 50 ° C., and is melted to store the heat. On the other hand, when hot water is supplied, tap water, which is a heat output medium, is communicated with the heat output medium circulation pipe 17, receives heat from paraffin, which is a heat storage material, solidifies it, and is supplied as hot water at about 45 ° C. In addition, when the amount of heat stored using the electric power of the previous night is reduced due to excessive use of hot water supply, hot water can be supplied by heating the tap water directly through the heat medium heat exchanger with a high-temperature propane refrigerant by heat pump operation. In this system, propane refrigerant is fed by a compressor, and tap water is pushed out by tap water pressure, so there is no need for a pump or the like for communicating the medium.
平均的な家庭における一日辺りの給湯負荷は約22000キロカロリーと算定される。これを80℃のお湯で蓄熱したときも、パラフィンや酢酸ナトリウムの潜熱蓄熱材で50℃で蓄熱した時も、正味の蓄熱材の容積は双方ともに約400リッター(L)と算定される。温水蓄熱では80℃の温水からの熱ロスが多いため断熱材は厚くなり、蓄熱容器として水圧のかかった円柱の耐圧タンクを用いざるを得ない事等から、立方体の蓄熱槽筐体の容積は増加して約1000L以上となるのが普通である。他方本発明の熱交換器型蓄熱槽では真空段熱パネルの効果も含めると500L以下ですみ、即ちその容積比は約二分の一となることが実証されている。 The average daily hot water load in a home is estimated at about 22,000 kilocalories. Whether the heat is stored with hot water at 80 ° C. or the heat is stored at 50 ° C. with a latent heat storage material of paraffin or sodium acetate, the net volume of the heat storage material is calculated to be about 400 liters (L). In hot water heat storage, heat loss from hot water at 80 ° C is large, so the insulation becomes thick, and a cylindrical pressure tank with water pressure must be used as the heat storage container. It is normal to increase to about 1000L or more. On the other hand, it is proved that the heat exchanger type heat storage tank of the present invention requires 500 L or less including the effect of the vacuum stage heat panel, that is, its volume ratio is about 1/2.
蓄熱装置全体は500キログラム近い重さとなるので一体にして現地に搬入するのは困難であり、前述した様に蓄熱材はブロック状に小分けして搬入し現地で組み付ける。均圧膜11は窓枠に膜が張られた形で容器本体10に固定し取り付けられており、たわんだ形状の伸縮性の高い樹脂又はゴム製の膜を持っている。蓄熱材の相変化、全体の温度変化などにより容器の内部が膨張、収縮したときにも容器内のシール性を保ちながら且つ内部の圧力を略大気圧に保ち、内部部材、特に充填液が蒸発して大気に散逸する事も防止している。
Since the entire heat storage device weighs nearly 500 kilograms, it is difficult to carry it into the site as a whole. As described above, the heat storage material is divided into blocks to be carried and assembled on site. The
蓄熱材が相変化するとその体積は伸縮するので、周囲の構造物を破壊折損させる恐れがある。このため蓄熱材を溶解させて蓄熱容器内に流し込んで固めるという方法が採用できない。従って蓄熱材はブロック状に分散させて小容器に入れて熱媒体熱交換器21の隙間に挿入し、生じる隙間を充填液8で埋めて伝熱の促進と相変化歪の吸収を図っている。蓄熱容器20は前述したような硬い樹脂容器では無くて、薄い樹脂フィルムでできた袋状のものでも良い。即ちこの袋状の容器が筐体の底板の上にセットされ、その前面部分はずり下ろされて前面が開いた状態で作業を行う。熱媒体熱交換器21と蓄熱材ブロック7を設置したら、その前面部をたくし上げて上部が開放された袋の様にし、充填液を入れた後に該袋の上部のフィルム全体の開放部が2枚の板状の鉄板製の天板に挟みつけられて締め付けられて開放部はシール密封される。上部が開口部の場合も同様の手順の作業内容と成る。前記の均圧膜はこの天板に設けられている。 When the phase of the heat storage material changes, the volume of the heat storage material expands and contracts, which may break the surrounding structure. For this reason, the method of melt | dissolving a thermal storage material, pouring in a thermal storage container, and solidifying cannot be employ | adopted. Therefore, the heat storage material is dispersed in a block shape, placed in a small container, inserted into the gap of the heat medium heat exchanger 21, and the resulting gap is filled with the filling liquid 8 to promote heat transfer and absorb phase change strain. . The heat storage container 20 is not a hard resin container as described above, but may be a bag made of a thin resin film. In other words, the bag-like container is set on the bottom plate of the housing, and the operation is performed in a state where the front portion is removed and the front surface is opened. When the heat medium heat exchanger 21 and the heat storage material block 7 are installed, the front portion of the heat medium is lifted up to form a bag with an open top, and after filling liquid is filled, the open portion of the entire film at the top of the bag is 2 The open portion is hermetically sealed by being sandwiched and tightened by a plate-shaped iron plate top plate. When the upper part is an opening, the work contents are similar. The pressure equalizing film is provided on the top plate.
この袋状の容器の方式は工場で袋状に完成されて搬入されるので前述した硬い樹脂の容器を現場で螺子留めによりシール密閉を完成させるより充填液のリーク不良などに対しては信頼度が高く、且つコストの削減にもなる。充填液は前述した様に伝熱の促進のみでなく、潜熱蓄熱材の相変化歪を吸収し熱媒体熱交換器や蓄熱容器が損傷されたり膨らんで変形させられる事を防いでいる。 This bag-shaped container method is completed in a bag shape at the factory and is carried in. Therefore, it is more reliable than the above-mentioned hard resin container by screwing the hard resin container on-site to complete sealing and sealing. And the cost is reduced. As described above, the filling liquid not only promotes heat transfer, but also absorbs the phase change distortion of the latent heat storage material to prevent the heat medium heat exchanger and the heat storage container from being damaged or swelled and deformed.
この熱交換器型蓄熱システムでは、全体が簡単な構造で殆ど大気圧に等しい均一の圧力、熱歪の低減、作動温度変動を少なくしているなどシステム全体の信頼性と品質を高める基本的な施策を取り込んでおり、蓄熱槽自体をコンパクトにすることができる事、従ってその表面からの熱ロスを低減できる、各種の熱媒体を自由に導入させて蓄熱と同時に熱交換ができる事などを含めて基本構造的な優位点が多くあるが、図4でさらなるシステム上の利点を説明したい。 This heat exchanger type heat storage system has a basic structure that improves the reliability and quality of the entire system, such as a uniform structure that is almost equal to atmospheric pressure, reduced thermal distortion, and reduced fluctuations in operating temperature. Incorporating measures, the heat storage tank itself can be made compact, so heat loss from the surface can be reduced, various heat transfer media can be freely introduced, and heat exchange can be performed simultaneously with heat storage. Although there are many basic structural advantages, FIG. 4 illustrates further system advantages.
図3に示された熱交換器型蓄熱システムは空調機器の省エネルギー運転に寄与する補完装置としても有効に利用できる。それは請求項24に提示した発明の具体化である。この効果は既に詳細を説明した。熱源媒体として冷房作動中の高圧冷媒を連通させ、熱出力媒体として建物全体に供給され消費される水道水を連通させ、融解温度が真夏の水道水温度より少なくとも5℃程度高い30℃の潜熱蓄熱材の熱交換器型蓄熱システムを設定する。水道水は建物内でトイレ、洗面、給水などに利用される前にこの蓄熱システムに連通させて潜熱蓄熱材を冷却して凝固させ30℃の冷熱を蓄熱しておく。他方、冷房用ヒートポンプユニットは建物内を冷房してその排熱をこの冷熱に放熱する。この場合前述した様に大気へ放熱する通常の冷房運転に比べ30%程度の性能が向上する。 The heat exchanger type heat storage system shown in FIG. 3 can also be used effectively as a supplement device that contributes to energy-saving operation of the air conditioner. It is an embodiment of the invention presented in claim 24. This effect has already been explained in detail. A high-pressure refrigerant during cooling operation is communicated as a heat source medium, and tap water supplied to and consumed by the entire building is communicated as a heat output medium, and a latent heat storage temperature of 30 ° C., which is at least about 5 ° C. higher than the mid-summer tap water temperature. Set up a heat exchanger type heat storage system for wood. Before the tap water is used in the building for toilets, washrooms, water supply, etc., it is communicated with this heat storage system to cool and solidify the latent heat storage material and store 30 ° C. cold. On the other hand, the cooling heat pump unit cools the building and radiates the exhaust heat to the cold heat. In this case, as described above, the performance is improved by about 30% as compared with the normal cooling operation that radiates heat to the atmosphere.
しかしながら実際には建物内で利用する水道水の量は真夏の冷房運転の全排熱量を冷却する程多い事例は少ない。このため実際には通常の大気放熱と併用されて使われ、大気熱交換器の下流にこの熱媒体循環管路に連通される方法が採られる。高温高圧の冷媒はまづ大気に冷却されさらに上記の様に水道水により冷却された蓄熱材により冷却されてその凝縮温度は低下しアンダークールが増加する。この場合でも20%以上の性能向上が得られる。この商品システムはいまだ実用化されていない。その理由は本発明の熱交換器型蓄熱システムが実用化されていない為と言う事ができる。その期待される市場規模は大きく、社会全体の夏場の消費電力低減と電力消費ピークの緩和への期待は大きい。図3に示された熱交換器形蓄熱システムの更なる応用例として使用済みの風呂温水を熱源媒体循環管路に、水道水を熱出力媒体循環管路に連通させ使用済みの風呂温水の保有する熱量を再利用する方法の装置として有効である。これにより真冬でも次の日の給水は20℃を超える新しい水道水を利用できる。 However, in practice, there are few cases where the amount of tap water used in the building is so large that it cools down the total exhaust heat amount of the cooling operation in midsummer. For this reason, in practice, a method is used in which the heat medium is used in combination with normal heat radiation and communicated with the heat medium circulation pipe downstream of the atmospheric heat exchanger. The high-temperature and high-pressure refrigerant is first cooled to the atmosphere and further cooled by the heat storage material cooled by the tap water as described above, and the condensation temperature is lowered and the undercool is increased. Even in this case, a performance improvement of 20% or more can be obtained. This product system has not yet been put into practical use. The reason can be said that the heat exchanger type heat storage system of the present invention has not been put into practical use. The expected market size is large, and the society as a whole has high expectations for reducing power consumption in the summertime and alleviating peak power consumption. As a further application example of the heat exchanger type heat storage system shown in FIG. 3, the used bath hot water is connected to the heat source medium circulation pipe and the tap water is communicated to the heat output medium circulation pipe, and used bath hot water is retained. It is effective as an apparatus for a method of reusing heat quantity. As a result, even in midwinter, the next day's water supply can use new tap water exceeding 20 ° C.
図4は太陽光コジェネレイション装置を主なエネルギー源として、本発明の熱交換器型蓄熱システムを有効に利用して給湯と空調を実現し、建物や施設に広く活用できる、優れた次世代ライフラインシステムを提示する。システム全体を熱交換器型蓄熱システムを用いた太陽光給湯空調システムと名付けた。100はシステムの中心装置である蓄熱槽で、温熱蓄熱槽101と冷熱蓄熱槽102から構成される。主な熱源の供給を行うのはヒートポンプユニット103であり、圧縮機、大気との熱交換を行う室外熱交換器、室外ファン、冷暖の冷媒の流れを切り替える四方切り替え弁などから成る冷凍サイクルと、圧縮機の駆動用の周波数と電圧を制御して供給するインバータ電源装置などで構成されており、その作動媒体は当然自然冷媒でありプロパンが使われる。その冷凍サイクルはユニット外の太陽光受熱用基板熱シンク107と太陽光冷凍サイクル管路108を通して、また前記の蓄熱槽内の熱媒体熱交換器と冷熱蓄熱冷凍サイクル管路110及び温熱蓄熱冷凍サイクル管路109を通して連結されて全体の冷凍サイクルシステムを構成する。
Fig. 4 shows an excellent next-generation life that can be widely used in buildings and facilities by using solar cogeneration equipment as the main energy source, realizing hot water supply and air conditioning by effectively using the heat exchanger type heat storage system of the present invention. Present the line system. The entire system was named a solar hot water supply air conditioning system using a heat exchanger type heat storage system.
太陽光コジェネレイション装置123は太陽光105を受ける太陽光発電セルからなる受光面104とそれを支持するための電気絶縁層とアルミ基板からなる受熱用基板106で構成される。受熱用基板106の端部にはその基板から熱を受け取り基板を冷却するための受熱用基板熱シンク107が構成されている。受熱用基板熱シンク107は1.2mm厚さのアルミ製の受熱用基板106の端面を折り返し内部に太陽光冷凍サイクル管路108を挟み込んで締め付けることにより受熱用基板106と太陽光冷凍サイクル管路108の間を良好に伝熱できるように構成されている。太陽光冷凍サイクル管路108は連続の銅製パイプで太陽光コジェネレイション装置が屋根上などに設置された後に該装置のモジュール毎に設けられた前記受熱用基板106の当該位置にあわせて引き回され、該基板106の端部の基板熱シンク107へと締め付けられ、全発電モジュールの太陽光受熱用基板106を通して受光面104を冷却しつつ熱を受け取ったり、逆に熱を与えて受光面を加熱することができる。
The
太陽光受光面104の発電セルで発電した電力は太陽発電パワーコントローラ112で電圧と周波数を調整され商用電源ライン113に逆潮流させたりヒートポンプ103の電源に利用される。ヒートポンプ103への電力が不足したときには系統連携電源ライン114を通じて商用電源ライン113から電力の供給を受ける。それ以外の実際の電力の授受はここでは省略しており、取り上げて検討はしない。
熱源動力装置であるヒートポンプユニット103を作動させて熱出力するモードは次のようなものがある。まずその1は、冷熱蓄熱槽102に冷熱を蓄熱しながら熱を得て、温熱蓄熱槽101に温熱を蓄熱するモードで、冷熱で冷房を温熱で給湯を行う時である。その2は受熱用基板熱シンク107から熱を得て温熱蓄熱槽101に、場合によっては冷熱蓄熱槽102にも温熱蓄熱するモードで冬に給湯用と暖房用の蓄熱をするモードである。
The electric power generated by the power generation cell on the solar
There are the following modes for operating the
その3はその1とその2を足し合わせたモードで、受熱用基板熱シンク107と冷熱蓄熱槽の双方から熱を得てそれらを冷却し、温熱蓄熱槽に蓄熱し、夏に冷房しながら大量の給湯需要のあった時に対応するモードである。その4は室外熱交換器で室外空気から熱を得てその熱を温熱蓄熱槽101と冷熱蓄熱槽102に蓄熱し双方で雨や曇りの時に給湯と暖房を行うモードである。その5は冷熱蓄熱槽を冷却し室外空気に放熱し、夏に給湯負荷が小さな時に運転するモードである。その6は熱を室外気から得てその熱で受熱用基板熱シンク107を加熱し太陽光受光面104を加熱して積もった雪を融雪するモードである。
Part 3 is a mode in which part 1 and part 2 are added, and heat is obtained from both the
その7は受熱用基板熱シンク107を加熱して融雪する目的はその6に同じであるが、積雪量が多い、外気温度が低いなどで融雪が進まないときに温熱蓄熱槽102の熱を利用するモードである。その8は室外空気から吸熱して冷熱蓄熱槽を加熱するもので、冷熱蓄熱槽を30℃程度に予熱しておくモードである。その9としてその熱をさらに汲み上げて温熱蓄熱槽に蓄熱するモードがその後に引き続き運転されるもので、給湯と暖房の熱の使用量に従ってその9のモードで追加加熱する場合である。その10はその8の様に蓄熱した状態で給湯用の水道水を冷熱蓄熱槽で30℃近くまで予熱しておいてさらに温熱蓄熱槽102に連通させて45℃程度に加熱して給湯するもので、その8のヒートポンプ運転は凝縮温度が低くできるためその運転エネルギー効率が高く、どうしても昼間の高価格な電力を利用するときに選択されるモードである。
The purpose of No. 7 is to melt the snow by heating the heat sink
以上の様なヒートポンプユニットの運転モードで温熱蓄熱槽101と冷熱蓄熱槽102に蓄熱された温冷熱は熱媒体熱交換器の熱出力媒体循環管路を通る熱出力媒体に次のようにその熱を伝える。温熱蓄熱槽101へは給湯用の水道水と暖房空調用の炭酸ガスが連通されており、冷熱蓄熱槽102には給湯用の水道水と冷房空調用の炭酸ガスが連通されている。炭酸ガスは図示しないが二つの電動ポンプにより作動されて暖房用と冷房用の空調媒体ライン118を通って各室内ユニット端末である空調用室内機119、空調壁面パネル120、床暖房パネル120等に連通されそこで暖房乃至は冷房を行って元に戻る。
その時にどの室内機端末を選択するかはシステム制御により自動的に乃至は使用者の選択により決定される。
In the operation mode of the heat pump unit as described above, the hot / cold heat stored in the hot
Which indoor unit terminal is selected at that time is automatically determined by the system control or selected by the user.
炭酸ガスは作動容積流量が少なくて性能が確保できるという利点があるが、暖房時には作動温度は50℃前後なので臨界点温度31℃を超えた超臨界流体の状態で相変化無しに熱の授受を行うため熱交換によりガス自体に温度差が生じること、及び圧力が100気圧程度と高いこと、及び超臨界流体用の特殊ポンプが必要となること等のコストアップ要因その他の課題がある。そこで不凍液に潜熱蓄熱材料を封入した微小カプセルを混ぜてエマルジョン状態にしたものも検討されてきている。どの媒体が適正かは作動ポンプの信頼性、コスト、消費電力なども含めて総合検討の上で判断される。 Carbon dioxide gas has the advantage that the operating volume flow is small and the performance can be secured, but since the operating temperature is around 50 ° C during heating, heat is transferred without phase change in a supercritical fluid state where the critical point temperature exceeds 31 ° C. Therefore, there is a cost increase factor and other problems such as a temperature difference in the gas itself due to heat exchange, a high pressure of about 100 atm, and a need for a special pump for supercritical fluid. Therefore, an emulsion in which a microcapsule in which a latent heat storage material is sealed in an antifreeze solution is mixed has been studied. Which medium is appropriate is judged after comprehensive consideration including the reliability, cost, power consumption, etc. of the working pump.
室内温度分布を少なくし、ドラフトを軽減させ、運転騒音を低下させるなどを目的に同一の室内空間に対し2つの室内機端末を用いることも多い。その場合片方を暖房、片方を冷房に設定し、結果として室内全体の温度を変えずに除湿のみに効果のある運転を行う事ができる。一方給湯用の温水は温湯供給ライン117を通して各給湯端末に運ばれる。この時、水道水の経路は上記に説明した通り温熱蓄熱槽101のみの場合もあるが、予熱として温水貯蓄された冷熱蓄熱槽102に一旦経由してから温熱蓄熱槽101に連通させる場合もある。
両蓄熱槽内の熱媒体熱交換器の熱出力媒体循環管路はこの場合給湯用水道水と空調用媒体が連通される。さらに風呂用の追い炊き用などに3本目の熱出力媒体循環管路が使われる場合もある。一方熱源媒体循環管路には上記のヒートポンプ冷媒のみでなく、ガスコージェネレイション排熱用媒体など他の熱源媒体が連通され、選択的に運転されるケースもある。
In many cases, two indoor unit terminals are used for the same indoor space for the purpose of reducing the indoor temperature distribution, reducing drafts, and reducing operating noise. In this case, one side is set to heating and the other side is set to cooling. As a result, it is possible to perform an operation effective only for dehumidification without changing the temperature of the entire room. On the other hand, hot water for hot water supply is conveyed to each hot water supply terminal through the hot water supply line 117. At this time, the tap water path may be only the thermal
In this case, the heat output medium circulation pipes of the heat medium heat exchangers in both the heat storage tanks communicate the hot water supply tap water and the air conditioning medium. Furthermore, a third heat output medium circulation pipe may be used for additional cooking for a bath. On the other hand, in addition to the heat pump refrigerant described above, other heat source media such as a gas cogeneration exhaust heat medium communicate with the heat source medium circulation pipe and may be selectively operated.
以上のシステムは太陽光コジェネレイション装置123から出力される電力と熱を有効に利用し、ある時は電力は商用電源ライン113に逆潮流され、ある時は商用電力ラインから電力を受けてヒートポンプユニットを作動させる。太陽光コジェネレイション装置123から出力される熱はヒートポンプユニット103を通して蓄熱槽100に蓄熱され暖房と給湯用に使われる。その熱源が不足した時にはヒートポンプユニットは大気熱源で作動して蓄熱熱量不足を補完する。それを受けて蓄熱槽120は熱を臨機に受け入れ臨機に多くの対象に出力する極めて自在な適応性を持った蓄熱システムを実現でき、その中心的な技術はそこに組み込まれた熱媒体熱交換器である事が知れる。
The above system effectively uses the electric power and heat output from the
図5は給湯を行うシステムの性能を飛躍的に向上させる乃至は蓄熱槽の容量を低減させる事ができる技術に使われる予熱用熱交換器付きの熱交換器型蓄熱システムを示している。各部の構成は殆ど図3と同じシステムである。相違点は予熱用熱交換器13を蓄熱容器20の上部空間9の中に設けている点である。これは水道水とヒートポンプユニットの冷凍サイクルの冷媒とを熱交換させる為のもので、二重管であったり、2つの管路をロー付けした構造であったりする。前夜の深夜電力でヒートポンプユニットを作動させ、次の日に温水を多量に消費して不足しそうな事が推定されたとき、昼間の電力を利用してヒートポンプユニットを作動させ予熱用熱交換器で水道水を予熱するものである。 FIG. 5 shows a heat exchanger type heat storage system with a preheating heat exchanger used in a technique capable of dramatically improving the performance of a hot water supply system or reducing the capacity of a heat storage tank. The configuration of each part is almost the same system as in FIG. The difference is that the preheating heat exchanger 13 is provided in the upper space 9 of the heat storage container 20. This is for exchanging heat between the tap water and the refrigerant of the refrigeration cycle of the heat pump unit, and may be a double pipe or a structure in which two pipes are brazed. When the heat pump unit is operated at midnight power the night before and it is estimated that the next day will consume a large amount of hot water, the heat pump unit is operated using daytime power and the heat exchanger for preheating is used. It preheats tap water.
これにより予熱された分だけ、蓄熱槽内の蓄熱された熱の使用量は減少し、長持ちする。他方25℃以下の低温度の水道水に放熱するのでヒートポンプユニットの冷凍サイクルの凝縮温度は低くなり圧縮機の消費電力は低減し、省エネ運転で電気代が少なくなり、地球温暖化の炭酸ガスの発生も抑えられる。この効果を最初から考慮して蓄熱槽の蓄熱材の容量を少なく設定する事もできる。即ち先に提示した事例で言えば、400Lの蓄熱槽が必要な家庭用のシステムでは、この効果を踏まえて300Lに少なくしても、この予熱用熱交換器13を設ける事により同等の蓄熱効果を得る事が可能である。 As a result, the amount of heat stored in the heat storage tank is reduced by the amount preheated, which lasts longer. On the other hand, heat is dissipated to low-temperature tap water of 25 ° C or less, so the condensation temperature of the refrigeration cycle of the heat pump unit is lowered, the power consumption of the compressor is reduced, the electricity bill is reduced by energy-saving operation, and the carbon dioxide gas of global warming Occurrence is also suppressed. Considering this effect from the beginning, the capacity of the heat storage material of the heat storage tank can be set to be small. That is, in the case of the example presented earlier, in a system for home use that requires a 400 L heat storage tank, even if it is reduced to 300 L based on this effect, the heat storage effect equivalent to that provided by providing this preheating heat exchanger 13 Can be obtained.
例えば水道水給水温度が20℃で蓄熱温度が50℃蓄熱容量が400Lであり、給湯温度が48℃の場合では予熱方式により全ての給湯運転で30℃まで予熱する運手を行った場合、蓄熱材で加熱しなければならない温度差が28℃から18℃に低減するので実際蓄熱槽が給湯に使える容量はその比だけ増えて622Lとなり、1.55倍の効果が得られる。 For example, when the tap water supply temperature is 20 ° C., the heat storage temperature is 50 ° C., the heat storage capacity is 400 L, and the hot water supply temperature is 48 ° C. Since the temperature difference that must be heated with the material is reduced from 28 ° C. to 18 ° C., the capacity that the actual heat storage tank can use for hot water supply increases by that ratio to 622 L, which is 1.55 times more effective.
実際には予熱用熱交換器13のスペースが必要でその効果は目減りするが、それを考慮しても1.3倍程度の効果は得られる。この予熱の効果は潜熱蓄熱材を用いる熱交換器型蓄熱システムではない現状方式では得る事ができない。従って先に算出した温水蓄熱に対する本発明による蓄熱容量増加の効果は約2.0倍であるので、この1.3倍と併せて2.6倍となる。即ち温水蓄熱に対し本発明による水道水予熱を伴なった潜熱蓄熱システムではその蓄熱槽容積を2.6分の1に小さくできるわけである。
図5に示した蓄熱容器20に於いては容器前面12は上半分になっている。容器の水密シール性、強度の点では図3より優れるが、潜熱蓄熱材ブロック7の挿入性では劣っている。潜熱蓄熱材ブロックの高さからみて挿入作業は可能であり、この方式が最も実用的と思われる。小さなカプセル式の潜熱蓄熱材の場合はむしろ上面のみが開口する方式で良いと考えられる。図5では容器前面10は中間部から上部の半分にしており、潜熱蓄熱材ブロックはこの部分まで持ち上げてから挿入することになる。
Actually, the space for the preheating heat exchanger 13 is necessary and its effect is diminished, but the effect of about 1.3 times can be obtained even in consideration thereof. The effect of this preheating cannot be obtained by a current system that is not a heat exchanger type heat storage system using a latent heat storage material. Therefore, since the effect of the increase in the heat storage capacity according to the present invention with respect to the previously calculated hot water heat storage is about 2.0 times, it is 2.6 times in combination with this 1.3 times. That is, in the latent heat storage system with hot water heat storage accompanied by tap water preheating according to the present invention, the heat storage tank volume can be reduced to 1/2.
In the heat storage container 20 shown in FIG. 5, the
図5に関連して請求項22、23に提示した内容を詳細に説明する。前記ヒートポンプユニットの冷凍サイクルの高温高圧冷媒を前記熱媒体熱交換器から前記予熱熱交換器へと連通させているから、この時のヒートポンプの運転能力を高めて即ち圧縮機の回転数を上げて熱源媒体としての圧力と温度を十分高くして供給する場合は該ヒートポンプユニットの冷凍サイクル冷媒は吐出ガス温度が100℃程度となり、先ず熱媒体熱交換器で放熱して55℃程度の凝縮冷媒となり、大部分が液化してから予熱熱交換器へと流れ、そこで水道水を予熱しながら完全に液化しさらにアンダークールを生じる。この冷凍サイクルはその凝縮温度が若干下がりアンダークールが取れる事による効率の高い運転となる。例えば暖房や給湯で湯を使いすぎた時は緊急避難としてこの運転を選択する。 The contents presented in claims 22 and 23 in relation to FIG. 5 will be described in detail. Since the high-temperature and high-pressure refrigerant of the refrigeration cycle of the heat pump unit is communicated from the heat medium heat exchanger to the preheating heat exchanger, the operation capacity of the heat pump at this time is increased, that is, the rotation speed of the compressor is increased. When supplying the heat source medium with sufficiently high pressure and temperature, the refrigeration cycle refrigerant of the heat pump unit has a discharge gas temperature of about 100 ° C., and first dissipates heat in the heat medium heat exchanger to become a condensed refrigerant of about 55 ° C. Most of the liquid is liquefied and then flows to the preheating heat exchanger, where the tap water is completely liquefied while preheating and further undercooling occurs. This refrigeration cycle is operated with high efficiency due to the fact that the condensation temperature is slightly lowered and undercooling can be taken. For example, this operation is selected as emergency evacuation when hot water is used excessively for heating or hot water supply.
他方、ヒートポンプ能力を抑えた状態で運転する場合は、吐出ガス温度が60℃程度でその凝縮温度が40℃以下になるように設定する。従って蓄熱容器に50℃で蓄熱されている蓄熱材とはほとんど熱交換しない。約50℃強の温度で予熱用熱交換器に送られて水道水に冷却される。これが既に説明した水道水予熱運転の詳細である。蓄熱槽の蓄熱量にまだ余裕があるが、その日の中に不足が予想される時はこの運転が選択される。 On the other hand, when operating with the heat pump capacity suppressed, the discharge gas temperature is set to about 60 ° C. and the condensation temperature is set to 40 ° C. or less. Therefore, it hardly exchanges heat with the heat storage material stored in the heat storage container at 50 ° C. It is sent to a preheating heat exchanger at a temperature of about 50 ° C. and cooled to tap water. This is the details of the tap water preheating operation already described. Although there is still room in the amount of heat stored in the heat storage tank, this operation is selected when a shortage is expected during the day.
さらに他の実用的に優れた技術について説明する。いわば請求項18に記された温冷熱同時出力と請求項23の水道水の予熱を組み合わせた方式とみなす事ができるものである。水道水予熱運転は大半が日中乃至は夕方、給湯が利用されるときにされる運転である。従って夏のその時間帯には冷房運転を行う事が多い。そこで予熱運転時に行うヒートポンプ運転を大気熱源ではなく冷房用蓄熱乃至は冷房運転そのものと組み合わせて冷房と給湯予熱を一体にした運転を行う方式である。そのときの冷凍サイクルは図4のシステムに使われて蒸発器が冷熱蓄熱槽102の熱媒体熱交換器であったり、又はその蒸発器が冷房する室内空気を直接冷却する冷房装置のものであったりする。
Further, other practically excellent techniques will be described. In other words, it can be regarded as a system in which the hot and cold simultaneous output described in claim 18 and the preheating of tap water in claim 23 are combined. The tap water preheating operation is mostly performed during the day or evening when hot water is used. Therefore, there are many cases where the cooling operation is performed during the summer time. Therefore, the heat pump operation performed during the preheating operation is combined with the cooling heat storage or the cooling operation itself instead of the atmospheric heat source, and the cooling and hot water preheating are integrated. The refrigeration cycle at that time is used in the system of FIG. 4 and the evaporator is a heat medium heat exchanger of the cold
この方式の実現により、ヒートポンプ運転の冷凍サイクルの高圧高温出力冷媒は水道水の予熱に使われるので比較的低い圧力と温度に制御され、他方この冷凍サイクルの低圧低温出力冷媒は冷房用に利用され、全体として凝縮温度の低い高効率な冷凍サイクルで出力される温熱と冷熱が双方とも有効に利用されるという極めて効率の高い且つ有効に出力が利用された運転モードを実使用状態で実現できる。 By realizing this method, the high-pressure and high-temperature output refrigerant of the refrigeration cycle operated by the heat pump is used for preheating tap water, so that it is controlled to a relatively low pressure and temperature, while the low-pressure and low-temperature output refrigerant of this refrigeration cycle is used for cooling. As a whole, it is possible to realize an extremely efficient and effective operation mode in which the output is used in an actual use state, in which both the hot and cold heat output in the highly efficient refrigeration cycle having a low condensation temperature is effectively used.
1 偏平多穴管
2 循環管路接続管フレア
3 循環管路接続管
4 循環管路用穴
5 熱源媒体流路方向
6 熱出力媒体流路方向
7 潜熱蓄熱材ブロック
8 充填液
9 上部空間
10 容器本体
11 均圧膜
12 容器前面
13 予熱用熱交換器
15 室外空気
16 熱交換器型蓄熱システム
17 熱媒体循環管路
18 蛇行ピッチ
19 穴ピッチ
20 蓄熱容器
21 熱媒体熱交換器
100蓄熱槽
101温熱蓄熱槽
102冷熱蓄熱槽
103ヒートポンプユニット
104太陽光受光面
105太陽光
106太陽光受熱用基板
107受熱用基板熱シンク
108太陽光冷凍サイクル管路
109温熱蓄熱冷凍サイクル管路
110冷熱蓄熱冷凍サイクル管路
111太陽光発電リード
112太陽発電パワーコントローラー
113商用電源ライン
114系統連携電源ライン
115ヒートポンプ用電源ライン
116水道水供給ライン
117温湯供給ライン
118空調媒体ライン
119空調用室内機
120空調壁面パネル
121床暖房パネル
122予熱熱交換器付き熱交換器型蓄熱システム
123太陽光コジェネレイション装置
1 Flat multi-hole tube
2 Circulating line connecting pipe flare 3 Circulating line connecting pipe 4 Circulating line hole 5 Heat source medium flow path direction 6 Heat output medium flow path direction 7 Latent heat storage material block 8 Filling liquid 9
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