JP5000042B2 - ダイナミック型氷蓄熱システム及びその運転方法と予測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，ダイナミック型氷蓄熱槽システム及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
氷の融解潜熱を利用して冷熱をより小さい蓄熱槽に蓄える氷蓄熱システムが普及している。製氷方式の氷蓄熱システムには，蓄熱槽内の伝熱管の廻りにブロック状の氷を製造し，製氷過程，蓄氷過程，解氷過程を同一の蓄熱槽内で行うスタティック型氷蓄熱システムと，蓄熱槽外の製氷機で製造した氷・水スラリーを蓄熱槽に供給するダイナミック型氷蓄熱システムがあり，スタティック型氷蓄熱システムは，ビル空調システムの熱源機器や，工場での製造プロセスの冷却などで採用されている。一方，ダイナミック型氷蓄熱システムは，近年では，ビル空調システムの熱源機器などに採用されている。
【０００３】
一般に，製造プロセスの冷却では，ビル空調システムと比べて，低温の冷水を連続（例えば２４時間運転など）して供給する必要がある。特に食品や医薬品，半導体その他の電子部品等の製造プロセスなどにあっては，先鋭的で大きな冷却負荷（ピーク的な冷却負荷）が発生した場合においても，常に０℃近くの低温の冷水を供給することが要求される。このように低温の冷水を昼夜通して連続して供給する場合，蓄熱槽内の水を昇温させる解氷工程と蓄熱槽内の水を冷却する製氷工程とが同時に行われることになる。
【０００４】
ここで，スタティック型氷蓄熱システムにおいて，このように解氷工程と製氷工程とが同時になされた場合，スタティック型氷蓄熱システムでは，氷の成長と融解が限定された伝熱管の廻りで行われるので，蓄熱槽内での熱源水（水）を冷却する能力は，伝熱管の表面積あるいは氷の表面積に限定されてしまう。このためスタティック型氷蓄熱システムでは，先鋭的で大きな熱負荷に対しては，０℃近くの低温の冷水を連続して得ることが難しくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方，ダイナミック型氷蓄熱システムでは，蓄熱槽外で製造した氷・水スラリーを供給した蓄熱槽内にシャーベット状の氷を蓄えるので，製氷工程と解氷工程が分離されている。空調用途の一般的なダイナミック型氷蓄熱システムでは，製氷工程と解氷工程が同時には行われないのが通常であるが，仮にダイナミック型氷蓄熱システムにおいてそれらの工程が同時になされた場合，蓄熱槽内の氷融解に係わりなく，氷・水スラリーを蓄熱槽に供給でき，より先鋭的で大きな熱負荷に対しても，０℃近くの低温の冷水を連続して得ることが可能になる。ところが，ダイナミック型氷蓄熱システムにおいて，このように製氷工程と解氷工程を同時に行った場合，電力などのエネルギー費が高い日中に製氷工程を行うことが回避し難くなる。
【０００６】
従って本発明の目的は，製氷コストをなるべく少なく抑えつつ，先鋭的で大きな熱負荷が発生しても，０℃近くの低温の冷水を連続して得ることが可能なダイナミック型氷蓄熱システム及びその運転方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために，本発明によれば，氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水した水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルと，蓄熱槽から製氷サイクルへの取水を制御する制御装置を備え，製氷サイクルで製造した氷・水スラリーを蓄熱槽に供給して蓄熱し，解氷サイクルで製造プロセスの冷却負荷を冷却するダイナミック型氷蓄熱システムであって，制御装置は，予め設定された製造プロセスの冷却負荷の時間的変化と蓄熱槽内に浮遊している氷の融解熱量に基づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで演算し，該演算される水の温度が製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可能な最大時間Ｘを求め，この最大時間Ｘの間，製氷サイクルの運転を停止させる制御を行うことを特徴とする，ダイナミック型氷蓄熱システムが提供される。
【０００８】
また本発明によれば，氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水した水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルとを備え，製氷サイクルで製造した氷・水スラリーを蓄熱槽に供給して蓄熱し，解氷サイクルで製造プロセスの冷却負荷を冷却するダイナミック型氷蓄熱システムの運転方法であって，予め設定された製造プロセスの冷却負荷の時間的変化と蓄熱槽内に浮遊している氷の融解熱量に基づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで演算し，該演算される水の温度が製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可能な最大時間Ｘを求める工程と，この最大時間Ｘの間，製氷サイクルの運転を停止させる工程を有し，蓄熱槽から取水した水を製氷サイクルにおいて氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する工程と，蓄熱槽から取水した水を解氷サイクルにおいて熱交換して昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷工程を，時期的に重複して行うことを特徴とする，ダイナミック型氷蓄熱システムの運転方法が提供される。
【０００９】
この運転方法にあっては，最大時間Ｘが所定の下限停止時間（たとえば，冷凍機の再起動防止タイマーの時間）を超えていない場合は，製氷サイクルの運転を停止させないものであっても良い。
【００１０】
本発明によれば，変化する製造プロセスの冷却負荷の要求に対し冷熱の供給が下回ることはなく，製氷サイクルの運転時間を短縮しつつ，製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで，水の温度を所定の上限温度に達しない範囲に制御でき，製造プロセスの冷却負荷に対して所定の温度以下に冷却した熱媒を運転終了まで供給することが可能となる。
また本発明によれば，氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水した水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルとを備え，製氷サイクルで製造した氷・水スラリーを蓄熱槽に供給して蓄熱し，解氷サイクルで製造プロセスの冷却負荷を冷却するダイナミック型氷蓄熱システムを運転するにあたり，予め設定された製造プロセスの冷却負荷の時間的変化と蓄熱槽内に浮遊している氷の融解熱量に基づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで演算し，該演算される水の温度が製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可能な最大時間Ｘを求めることを特徴とする，ダイナミック型氷蓄熱システムにおける最大時間Ｘの予測方法が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。図１に示されるように，本発明の実施の形態にかかるダイナミック型氷蓄熱システム１（以下，「氷蓄熱システム１」）において，蓄熱槽１０の内部に水１１が充填されている。また，この蓄熱槽１０の内部の水１１に，次に説明する製氷サイクル２０によって生成されたシャーベット状の氷１２が蓄えられている。蓄熱槽１０の底部には温度センサー１３が装着されており，蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１が，この温度センサー１３によって検知されている。
【００１２】
製氷サイクル２０は，蓄熱槽１０の下部（底部または氷の存在しない範囲の下方）から取水する製氷取水管２１と，この製氷取水管２１に設けられたポンプ２２の稼働によって蓄熱槽１０から取水した水１１を予熱する予熱器２３と，この予熱器２３による予熱後において，水１１を氷点下温度まで冷却させる製氷のための過冷却器２４を備えている。製氷取水管２１には，流量センサー２５と温度センサー２６が装着されており，製氷取水管２１によって送液される水１１の流量Ｆ１が流量センサー２５によって検知され，予熱器２３を経て過冷却器２４に送液される水１１の温度Ｔ２が，温度センサー２６によって検知されている。
【００１３】
予熱器２３には，冷却負荷の一例としての製造プロセス３０との間で熱媒水を循環させる熱媒循環回路３１が導入されている。予熱器２３においては，こうして熱媒循環回路３１を経て製造プロセス３０に循環供給される熱媒水と，製氷取水管２１を送液される水１１とが熱交換を行い，熱媒水は冷却され，水１１は加熱される。これにより，製造プロセス３０には予熱器２３にて冷却された熱媒水が循環供給され，過冷却器２４には予熱器２３にて加熱された水１１が供給される。
【００１４】
過冷却器２４には，冷凍機４０で冷却されたブライン（不凍液）が，ポンプ４１の稼働によって，ブライン往管４２及びブライン還管４３を経て循環供給されている。冷凍機４０は，ブラインを氷点下温度まで冷却するための冷凍機凝縮器や冷却塔などを備える。
【００１５】
過冷却器２４では，製氷取水管２１を経て供給された水１１を，ブラインの冷熱により−２〜−３℃の過冷却状態に冷却させる。こうして過冷却状態に冷却させられた水１１が過冷却器２４から吐出され，過冷却解除パイプ４５において水の状態から氷の状態に相変化し，氷・水スラリーとなって蓄熱槽１０内に供給されるようになっている。これにより，蓄熱槽１０の内部には，水１１にシャーベット状の氷１２が蓄えられた状態となる。
【００１６】
冷凍機４０から過冷却器２４にブラインを送液するブライン往管４２には，流量センサー４６と温度センサー４７が装着されており，ブライン往管４２に送液されるブラインの流量Ｆ２が流量センサー４６によって検知され，過冷却器２４に送液されるブラインの温度Ｔ３が，温度センサー４７によって検知されている。ブライン還管４３には，温度センサー４８が装着されており，ブライン還管４３を経て冷凍機４０に戻されるブラインの温度Ｔ４が，温度センサー４８によって検知されている。
【００１７】
解氷サイクル５０は，蓄熱槽１０の下方から冷水を取水する解氷取水管５１と，この解氷取水管５１に設けられ，蓄熱槽１０から水１１を取水して冷熱を負荷に供するためのポンプ５２と，製造プロセス３０の熱媒水を水１１と熱交換させる冷却器５３を備えている。なお，取水を直接製造プロセス３０に供給するシステムであっても良い。その場合，水１１と例えば飲料を直接熱交換する熱交換器が冷却器５３に該当する。解氷取水管５１には，流量センサー５５と温度センサー５６が装着されており，解氷取水管５１によって送液される水１１の流量Ｆ３が流量センサー５５によって検知され，水１１の温度Ｔ５が，温度センサー５６によって検知されている。
【００１８】
冷却器５３には，製造プロセス３０との間で熱媒水を循環させる熱媒循環回路３２が導入されている。冷却器５３においては，こうして熱媒循環回路３２を経て製造プロセス３０に循環供給される熱媒水と，解氷取水管５１を送液される水１１とが熱交換を行い，熱媒水は冷却され，水１１は加熱される。これにより，製造プロセス３０には冷却器５３にて冷却された熱媒水が循環供給され，冷却器５３にて加熱された水１１は，解氷取水管５１から蓄熱槽１０の上方に再び戻される。昇温した水１１は槽内の氷１２を解氷する。
【００１９】
製造プロセス３０は，往ヘッダ３５と還ヘッダ３６を備えている。前述のように予熱器２３から熱媒循環回路３１を経て供給された熱媒水と冷却器５３から熱媒循環回路３２を経て供給された熱媒水は，往ヘッダ３５で合流された後，供給管３７によって製造プロセス３０の所望の場所に適宜供給されている。一方，製造プロセス３０の各箇所から戻り管３８を経て戻された熱媒水は，還ヘッダ３６で合流された後，先に説明した熱媒循環回路３１及び熱媒循環回路３２を経て予熱器２３と冷却器５３に分配されて戻される。
【００２０】
製造プロセス３０は，例えば飲料や薬品原料などの冷却が必要なものであり，製造プロセス３０には，常に０℃近くの低温の冷水を供給することが要求されている。製造プロセス３０において要求される冷却負荷の時間的変化は予め設定されており，この氷蓄熱システム１に備えられた制御装置６０に入力されている。また，先に説明した温度センサー１３によって検知された水１１の温度Ｔ１，温度センサー２６によって検知された水１１の温度Ｔ２，温度センサー４７によって検知されたブラインの温度Ｔ３，温度センサー４８によって検知されたブラインの温度Ｔ４，温度センサー５６によって検知された水１１の温度Ｔ５と，流量センサー２５によって検知された水１１の流量Ｆ１，流量センサー４６によって検知されたブラインの流量Ｆ２，流量センサー５５によって検知された水１１の流量Ｆ３が，制御装置６０にそれぞれ入力されている。後に説明するように，制御装置６０は，こうして入力された冷却負荷の時間的変化と，各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，流量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に基づいて演算を行い，製氷サイクル２０において製氷取水管２１に設けられたポンプ２２，冷凍機４０及びポンプ４１の稼働を制御するようになっている。なお，取水される水の温度は予熱器側，冷却器側で同じ温度であり，温度センサーは符号２６，４７のいずれか一方のものであってもかまわない。
【００２１】
さて，以上のように構成された氷蓄熱システム１において，製氷サイクル２０にあっては，ポンプ２２の稼働により，蓄熱槽１０の下部から取水された水１１が製氷取水管２１を経て，予熱器２３，過冷却器２４の順に送液される。そして，予熱器２３では，熱媒循環回路３１を送液される熱媒水と熱交換を行うことにより，水１１は氷点を超える温度（例えば約０．５℃程度）まで加熱され，過冷却器２４まで送液される（なお，取水温度が例えば約０．５℃以上の場合は，加熱されない）。過冷却器２４では，こうして供給される水１１を，冷凍機４０からブライン往管４２及びブライン還管４３を経て循環供給されるブラインの冷熱により，−２〜−３℃の過冷却状態に安定して冷却させる。こうして過冷却状態に冷却させられた水１１が過冷却器２４から吐出され，過冷却解除パイプ４５において水の状態から氷の状態に相変化し，氷・水スラリーとなって蓄熱槽１０内に供給する。こうして，蓄熱槽１０の内部には，水１１にシャーベット状の氷１２が充填された状態となる。また，予熱器２３において水１１と熱交換をしたことにより冷却された熱媒水は熱媒循環回路３１を経て製造プロセス３０に循環供給される。
【００２２】
一方，解氷サイクル５０にあっては，ポンプ５２の稼働により，蓄熱槽１０の底部から取水された水１１が，解氷取水管５１を経て冷却器５３に送液される。そして，冷却器５３では，熱媒循環回路３２を送液される熱媒水と熱交換を行うことにより水１１は加熱され，こうして昇温した状態となって水１１は，解氷取水管５１から蓄熱槽１０の上方に再び戻される。また，冷却器５３において水１１と熱交換をしたことにより冷却された熱媒水は熱媒循環回路３２を経て製造プロセス３０に循環供給される。
【００２３】
こうして，製造プロセス３０には，予熱器２３及び冷却器５３にて冷却された熱媒水が供給されることとなり，製造プロセス３０に対して，常に０℃近くの低温の冷水を供給することが可能となる。
【００２４】
ここで，以上のように構成された氷蓄熱システム１にあっては，製造プロセス３０において要求される冷却負荷の時間的変化は予め設定されており，この冷却負荷の時間的変化は制御装置６０に入力されている。図２に示すように，先ず氷蓄熱システム１が起動されると（Ｓ１），制御装置６０には，温度センサー１３によって検知された水１１の温度Ｔ１，温度センサー２６によって検知された水１１の温度Ｔ２，温度センサー４７によって検知されたブラインの温度Ｔ３，温度センサー４８によって検知されたブラインの温度Ｔ４，温度センサー５６によって検知された水１１の温度Ｔ５と，流量センサー２５によって検知された水１１の流量Ｆ１，流量センサー４６によって検知されたブラインの流量Ｆ２，流量センサー５５によって検知された水１１の流量Ｆ３が，それぞれ入力される（Ｓ２）。
【００２５】
次に制御装置６０は，こうして入力された各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，流量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に基づいて演算を行い，先ず，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求める（Ｓ３）。ここで，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）の時間的変化は，蓄熱槽１０への冷熱の単位時間あたりの供給量と，蓄熱槽１０からの冷熱の単位時間あたりの取り出し量（「製造プロセス３０の熱媒水に供給される単位時間あたりの冷熱量」に等しい）との差として表すことができる。そして，このように表される時間的変化を経時的に積算（積分）することにより，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求める。
【００２６】
なお，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求めるにあたり，蓄熱槽１０への冷熱の単位時間あたりの供給量は，冷凍機４０からブライン往管４２を経て過冷却器２４に供給されるブラインの温度Ｔ３と，過冷却器２４からブライン還管４３を経て冷凍機４０に戻されるブラインの温度Ｔ４との温度差Ｔ３−Ｔ４及びブライン往管４２及びブライン還管４３を送液されるブラインの流量Ｆ２に基づいて，ブラインの比熱及び比重を考慮して求めることができる。蓄熱槽１０からの冷熱の単位時間あたりの取り出し量は，予熱器２３によって水１１から取り出される単位時間あたりの冷熱量と，冷却器５３によって水１１から取り出される単位時間あたりの冷熱量の和である。予熱器２３によって水１１から取り出される単位時間あたりの冷熱量は，蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１と過冷却器２４に送液される水１１の温度Ｔ２との差Ｔ１−Ｔ２及び製氷取水管２１を送液される水１１の流量Ｆ１に基づいて，水１１の比熱及び比重を考慮して求めることができる。冷却器５３によって水１１から取り出される単位時間あたりの冷熱量は，蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１と冷却器５３から蓄熱槽１０に戻される水１１の温度Ｔ５との差Ｔ１−Ｔ５及び解氷取水管５１を送液される水１１の流量Ｆ３に基づいて，水１１の比熱及び比重を考慮して求めることができる。
【００２７】
こうして蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求めた後，次に制御装置６０は，前述のように予め設定された製造プロセス３０において要求される冷却負荷の時間的変化に基づいて，蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１（蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１に等しい）を，冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで演算する。こうして，演算された水１１の温度Ｔ１が冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクル２０の運転を停止可能な最大時間Ｘを求める（Ｓ４）。
【００２８】
ここで，最大時間Ｘは次のようにして求められる。即ち，図３に示すように，先ず，最初に最大時間Ｘ＝０と仮定する（Ｓ１０）。なお，最大時間Ｘ＝０とは，製氷サイクル２０の運転を停止せずに，製造プロセス３０の運転終了まで製氷サイクル２０を連続運転させる状態を意味する。こうして先ず最大時間Ｘ＝０と仮定して，蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了まで演算する（Ｓ１１）。
【００２９】
ここで，蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１の時間的変化ｄＴ１／ｄｔは，次式（１）によって表すことができる。
Ｃ・ρ・η・Ｖ’（ｄＴ１／ｄｔ）＝Ｑ１−Ｑ２ …（１）
【００３０】
この式（１）において，Ｑ１は，予め制御装置６０に設定されている冷却負荷の時間的変化である。Ｑ２は，蓄熱槽１０内に浮遊している氷１２の融解熱量である。Ｃは，水の比熱である。ρは，水の比重である。Ｖ’は蓄熱槽１０内にあるシャーベット状の氷１２以外の水１１の領域の容積を示し，Ｖ’＝Ｖ・ηである。Ｖは，蓄熱槽１０の容積である。ηは，蓄熱の利用率を示し，η＝１−（残蓄熱量／最大蓄熱量）である。なお，Ｑ２は別途の実験整理式（蓄熱槽の寸法，運転条件（Ｔ５，Ｆ３），ηなどの関数）から求めることができる。
【００３１】
そして，このように表される時間的変化（ｄＴ１／ｄｔ）を経時的に積算（積分）することにより，蓄熱槽１０から取水される水１１の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了まで演算する。
【００３２】
なお，実際には過冷却解除パイプ４５から蓄熱槽１０内には氷・水スラリーが供給されており，図４に模式的に示すように，蓄熱槽１０内には氷１２が浮遊している氷層６５の部分と，過冷却解除パイプ４５から落下した水１１が蓄熱槽１０内において氷１２に接触せずに，蓄熱槽１０の下部まで流れるバイパス部分６６が存在する。この図４に示す計算モデルにおいては，蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１の時間的変化ｄＴ１／ｄｔは，次式（２）によって表すことができる。
Ｃ・ρ・Ｖ’・（ｄＴ１／ｄｔ） ＝ Ｃ・ρ・Ｆ３・Ｔｂ＋Ｃ・ρ・Ｆｂｗ・Ｔｂｗ−Ｃ・ρ・（Ｆ３＋Ｆｂｗ）・Ｔ１ …（２）
【００３３】
この式（２）において，Ｔｂは，氷層６５の融解で蓄熱槽１０の底部に形成される水域と氷層６５との境界温度である。Ｆｂｗは，バイパス部分６６を流れる水１１の流量である。Ｔｂｗは，過冷却解除パイプ４５から落下した水１１の温度（バイパス部分６６を流れる水１１の温度に等しい）である。なお，Ｔｂは，次式（３）のＱ２との関係から求めることができる。
Ｑ２ ＝ Ｃ・ρ・Ｆ３・（Ｔｂ−Ｔ５） …（３）
【００３４】
そして，図４に示す計算モデルにおいて，こうして表される時間的変化（ｄＴ１／ｄｔ）を経時的に積算（積分）することにより，蓄熱槽１０から取水される水１１の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了まで演算することができる。
【００３５】
こうして蓄熱槽１０から取水される水１１の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了まで演算した後，図３に示すように，水１１の温度Ｔ１の温度が製造プロセス３０の運転終了までの間において，所定の上限温度未満であるか否かを判定する（Ｓ１２）。ここで，所定の上限温度は，製造プロセス３０の要求によって定められ，例えば飲料を冷却する製造プロセスなどにあっては，例えば１．５℃程度に定められる。
【００３６】
そして，このＳ１２の判定にて，製造プロセス３０の運転終了までの間において，水１１の温度Ｔ１の温度が常に所定の上限温度未満である場合は，最大時間Ｘ＝Ｘ＋ΔＸとする（Ｓ１３）。次に，このようにΔＸだけ増やした最大時間Ｘについて，先と同様に，再び蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了まで演算する（Ｓ１１）。その後，水１１の温度Ｔ１の温度が製造プロセス３０の運転終了までの間において，所定の上限温度未満であるか否かを判定する（Ｓ１２）。こうして，製造プロセス３０の運転終了までの間において，水１１の温度Ｔ１の温度が常に所定の上限温度未満である限り，最大時間ＸをΔＸずつ増やし続ける。
【００３７】
一方，このＳ１２の判定にて，水１１の温度Ｔ１の温度が製造プロセス３０の運転終了までの間において，所定の上限温度以上となった場合は，最大時間Ｘを決定する（Ｓ１４）。この場合，最大時間Ｘは，水１１の温度Ｔ１の温度が所定の上限温度以上となる直前の時間とする。こうして，最大時間Ｘが求められる。
【００３８】
次に，図２に示すように，こうして求めた最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えているか否かを判定する（Ｓ５）。ここで，所定の下限停止時間は，冷凍機４０によって定められ，例えば冷凍機４０の再起動防止タイマーの値で定められる。
【００３９】
そして，このＳ５の判定にて，最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えている場合は，製氷サイクル２０の運転を停止させる（Ｓ６）。この場合，製氷取水管２１に設けられたポンプ２２，冷凍機４０及びポンプ４１の稼働を停止させることにより，製氷サイクル２０の運転を停止させる。なお，冷凍機４０に，上述したような下限停止時間がない場合は，このＳ５に示す判定は省略し，最大時間Ｘが０である場合を除いて，直ちに製氷サイクル２０の運転を停止させて良い。
【００４０】
こうして製氷サイクル２０の運転を停止させた後，先と同様に，制御装置６０は，その時点の各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５及び各流量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に基づいて再び演算を行い，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求める（Ｓ３）。その後，制御装置６０は，予め設定された製造プロセス３０において要求される冷却負荷の時間的変化に基づいて，蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１（蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１に等しい）を，冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで再び演算し，水１の温度Ｔ１が冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクル２０の運転を停止可能な最大時間Ｘを，先に図３で説明した工程に従って求める（Ｓ４）。そして，最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えているか否かを判定する（Ｓ５）。こうして，最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えなくなるまで，製氷サイクル２０の運転を停止させる。なお，冷凍機４０に，上述したような下限停止時間がない場合は，最大時間Ｘが０になるまで，製氷サイクル２０の運転を停止させる。
【００４１】
一方，Ｓ５の判定にて，最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えなくなった場合は，製氷サイクル２０の運転は停止させない。なお，冷凍機４０に，上述したような下限停止時間がない場合は，最大時間Ｘが０である場合，製氷サイクル２０の運転を停止させないようにする（なお，冷凍機４０に，上述したような下限停止時間を例えば別に設けた冷凍機の稼働や冷系統の冷熱などでまかなうなど，顧慮する必要のない場合で最大負荷がない場合は，最大時間Ｘが０である場合，製氷サイクル２０の運転を停止させないようにする）。
【００４２】
こうして製氷サイクル２０の運転を停止させない場合も，先と同様に，制御装置６０は，常にその時点の各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５及び各流量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に基づいて再び演算を行い，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求め（Ｓ３），以下同様に，水１の温度Ｔ１が冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクル２０の運転を停止可能な最大時間Ｘを求める（Ｓ４）。こうして，最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えているか否かを判定するか（Ｓ５），もしくは最大時間Ｘが０になったか否かを判定し，製氷サイクル２０の運転を制御する。
【００４３】
こうして，図１で説明した氷蓄熱システム１は，製氷サイクル２０の運転時間を短縮しつつ，冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで，水１の温度Ｔ１を所定の上限温度に達しない範囲に制御することができる。これにより，製造プロセス３０に対し，所定の温度以下に冷却した熱媒水を運転終了まで供給することが可能となる。必要十分な製氷がされるので省エネルギー的である。
【００４４】
以上，本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが，本発明はここで説明した形態に限定されない。例えば，冷却負荷の一例として食品などの製造プロセス３０を示して説明したが，本発明において冷却負荷はそのような製造プロセスに限られるものではなく，例えば空調（建物の冷房など）や他の熱源器（冷蔵，ショーケースの冷却，ケーブルトンネルの冷却）など，製造プロセス以外の冷却負荷について本発明を適用しても良い。
【００４５】
【実施例】
以下，本発明の実施例を説明する。図１で説明した氷蓄熱システムにおいて，本発明に従って運転を行った場合についてシミュレーションした。図５中の実線７０は，横軸を時間，左側の縦軸を単位時間あたりの冷却負荷として表した，一日における冷却負荷の変化を示している。製造プロセスの運転時間は０時から２２時過ぎまでで，２２時１５分以降から２４時には製造プロセスが運転されず，運転中は実線７０で示したように冷却負荷が変化すると想定した。また，製造プロセスの冷却負荷は連続的には発生せず，一時間の間にも３０分間程度の先鋭的な負荷の発生と，残りの３０分間程度の無負荷の状態があると想定した。蓄熱槽の大きさは１１×１４×２．２７ｍＨ（容積３５０ｍ３）で，製氷サイクルの能力（製氷能力）は１２１０Ｍｃａｌ／ｈ（１４１０ｋＷ），製氷サイクルに循環する水の定格流量は４８３ｍ３／ｈ，解氷サイクルに循環する水の定格流量は５８０ｍ３／ｈである。蓄熱槽には，運転前に氷充填率ＩＰＦ＝４０％の氷が蓄えられている。以上のような氷蓄熱システムにおいて，運転中，常に１．５℃以下の低温の水を得るように制御した。
【００４６】
その結果，図５中の一点鎖線７１（横軸が時間，右側の縦軸が流量で表される）で示すように，１３時〜１６時の間は冷凍機と冷凍機に送液するポンプの稼働を停止し，製氷サイクルに循環する水とブラインの流量を０ｍ３／ｈとすることができ，製氷サイクルの運転を停止できた。なお，図５中の実線７２（横軸が時間，右側の縦軸が流量で表される）で示すように，氷蓄熱システムの運転中は，解氷サイクルは運転を続けており，４時１５分〜６時の間を除いて解氷サイクルには常に水が循環している。氷蓄熱システムの運転中，１３時〜１６時以外の間は，製氷サイクルの運転と解氷サイクルが運転が両方とも行われる。図５中には，加えて，予熱器２３での交換熱量の経時的変化を一点鎖線７３（横軸が時間，左側の縦軸が単位時間あたりの冷却負荷で表される）で示し，冷却器５３での交換熱量の経時的変化を点線７４（横軸が時間，左側の縦軸が単位時間あたりの冷却負荷で表される）で示した。
【００４７】
図６は冷水温度と残蓄熱率の関係を示すグラフである。図６中の一点鎖線８０（横軸が時間，左側の縦軸が温度で表される）で示すように，氷蓄熱システムの運転中，常に１．５℃以下の低温の水を蓄熱槽から取水できることが演算された。なお図６中には，加えて，過冷却器に供給される水の温度の経時的変化を実線８１（横軸が時間，左側の縦軸が温度で表される）で示し，解氷サイクルから蓄熱槽へ戻される水の温度の経時的変化を実線８２（横軸が時間，左側の縦軸が温度で表される）で示し，残蓄熱率（残蓄熱量／運転前の蓄熱量）の経時的変化を実線８３（横軸が時間，左側の縦軸が残蓄熱率）で示した。なお，運転を停止できる最大時間は上述のように求めるが，その最大時間を割り振る時刻は，最も電力料金が高価な時間帯とする。この例では真昼であり，その製氷サイクルの運転停止中（１３時〜１６時）も残蓄熱量を演算した。但し，氷蓄熱システムの運転を行わない４時１５分〜６時の間は残蓄熱量の演算はせず，製氷もしていない。残蓄熱比（残蓄熱量／運転前の蓄熱量）を０．４以上に維持することで，１．５℃以下の低温の冷水が常に得られた。また，運転終了時には運転前の蓄熱量に戻すことができ，翌日の運転が可能になった。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば，製氷サイクルの運転時間を短縮しつつ，冷却負荷の運転終了まで，水の温度を所定の上限温度に達しない範囲に制御でき，冷却負荷に対して所定の温度以下に冷却した熱媒を運転終了まで供給することが可能となる。そして，製氷サイクルの運転時間を短縮することにより，製氷コストをなるべく少なく抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるダイナミック型氷蓄熱システムの概略的な構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかるダイナミック型氷蓄熱システムにおける，制御装置の演算工程を示すフローチャートである。
【図３】最大時間Ｘを求める演算工程を示すフローチャートである。
【図４】最大時間Ｘを求める別の計算モデルの説明図である。
【図５】本発明の実施例における，冷却負荷の時間的変化と製氷サイクルの運転の制御を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例における，蓄熱槽から取水される水の温度の時間的変化と残蓄熱率の時間的変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 氷蓄熱システム
１０ 蓄熱槽
１１ 水
１２ 氷
１３，２６，４７，４８，５６ 温度センサー
２０ 製氷サイクル
２１ 製氷取水管
２２，４１，５２ ポンプ
２３ 予熱器
２４ 過冷却器
２５，４６，５５ 流量センサー
３０ 製造プロセス
３１，３２ 熱媒循環回路
３５ 往ヘッダ
３６ 還ヘッダ
４０ 冷凍機
４２ ブライン往管
４３ ブライン還管
４５ 過冷却解除パイプ
５０ 解氷サイクル
５１ 解氷取水管
５３ 冷却器
６０ 制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は，ダイナミック型氷蓄熱槽システム及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
氷の融解潜熱を利用して冷熱をより小さい蓄熱槽に蓄える氷蓄熱システムが普及している。製氷方式の氷蓄熱システムには，蓄熱槽内の伝熱管の廻りにブロック状の氷を製造し，製氷過程，蓄氷過程，解氷過程を同一の蓄熱槽内で行うスタティック型氷蓄熱システムと，蓄熱槽外の製氷機で製造した氷・水スラリーを蓄熱槽に供給するダイナミック型氷蓄熱システムがあり，スタティック型氷蓄熱システムは，ビル空調システムの熱源機器や，工場での製造プロセスの冷却などで採用されている。一方，ダイナミック型氷蓄熱システムは，近年では，ビル空調システムの熱源機器などに採用されている。
【０００３】
一般に，製造プロセスの冷却では，ビル空調システムと比べて，低温の冷水を連続（例えば２４時間運転など）して供給する必要がある。特に食品や医薬品，半導体その他の電子部品等の製造プロセスなどにあっては，先鋭的で大きな冷却負荷（ピーク的な冷却負荷）が発生した場合においても，常に０℃近くの低温の冷水を供給することが要求される。このように低温の冷水を昼夜通して連続して供給する場合，蓄熱槽内の水を昇温させる解氷工程と蓄熱槽内の水を冷却する製氷工程とが同時に行われることになる。
【０００４】
ここで，スタティック型氷蓄熱システムにおいて，このように解氷工程と製氷工程とが同時になされた場合，スタティック型氷蓄熱システムでは，氷の成長と融解が限定された伝熱管の廻りで行われるので，蓄熱槽内での熱源水（水）を冷却する能力は，伝熱管の表面積あるいは氷の表面積に限定されてしまう。このためスタティック型氷蓄熱システムでは，先鋭的で大きな熱負荷に対しては，０℃近くの低温の冷水を連続して得ることが難しくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方，ダイナミック型氷蓄熱システムでは，蓄熱槽外で製造した氷・水スラリーを供給した蓄熱槽内にシャーベット状の氷を蓄えるので，製氷工程と解氷工程が分離されている。空調用途の一般的なダイナミック型氷蓄熱システムでは，製氷工程と解氷工程が同時には行われないのが通常であるが，仮にダイナミック型氷蓄熱システムにおいてそれらの工程が同時になされた場合，蓄熱槽内の氷融解に係わりなく，氷・水スラリーを蓄熱槽に供給でき，より先鋭的で大きな熱負荷に対しても，０℃近くの低温の冷水を連続して得ることが可能になる。ところが，ダイナミック型氷蓄熱システムにおいて，このように製氷工程と解氷工程を同時に行った場合，電力などのエネルギー費が高い日中に製氷工程を行うことが回避し難くなる。
【０００６】
従って本発明の目的は，製氷コストをなるべく少なく抑えつつ，先鋭的で大きな熱負荷が発生しても，０℃近くの低温の冷水を連続して得ることが可能なダイナミック型氷蓄熱システム及びその運転方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために，本発明によれば，氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水した水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルと，蓄熱槽から製氷サイクルへの取水を制御する制御装置を備え，製氷サイクルで製造した氷・水スラリーを蓄熱槽に供給して蓄熱し，解氷サイクルで製造プロセスの冷却負荷を冷却するダイナミック型氷蓄熱システムであって，制御装置は，予め設定された製造プロセスの冷却負荷の時間的変化と蓄熱槽内に浮遊している氷の融解熱量に基づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで演算し，該演算される水の温度が製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可能な最大時間Ｘを求め，この最大時間Ｘの間，製氷サイクルの運転を停止させる制御を行うことを特徴とする，ダイナミック型氷蓄熱システムが提供される。
【０００８】
また本発明によれば，氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水した水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルとを備え，製氷サイクルで製造した氷・水スラリーを蓄熱槽に供給して蓄熱し，解氷サイクルで製造プロセスの冷却負荷を冷却するダイナミック型氷蓄熱システムの運転方法であって，予め設定された製造プロセスの冷却負荷の時間的変化と蓄熱槽内に浮遊している氷の融解熱量に基づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで演算し，該演算される水の温度が製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可能な最大時間Ｘを求める工程と，この最大時間Ｘの間，製氷サイクルの運転を停止させる工程を有し，蓄熱槽から取水した水を製氷サイクルにおいて氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する工程と，蓄熱槽から取水した水を解氷サイクルにおいて熱交換して昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷工程を，時期的に重複して行うことを特徴とする，ダイナミック型氷蓄熱システムの運転方法が提供される。
【０００９】
この運転方法にあっては，最大時間Ｘが所定の下限停止時間（たとえば，冷凍機の再起動防止タイマーの時間）を超えていない場合は，製氷サイクルの運転を停止させないものであっても良い。
【００１０】
本発明によれば，変化する製造プロセスの冷却負荷の要求に対し冷熱の供給が下回ることはなく，製氷サイクルの運転時間を短縮しつつ，製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで，水の温度を所定の上限温度に達しない範囲に制御でき，製造プロセスの冷却負荷に対して所定の温度以下に冷却した熱媒を運転終了まで供給することが可能となる。
また本発明によれば，氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水した水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルとを備え，製氷サイクルで製造した氷・水スラリーを蓄熱槽に供給して蓄熱し，解氷サイクルで製造プロセスの冷却負荷を冷却するダイナミック型氷蓄熱システムを運転するにあたり，予め設定された製造プロセスの冷却負荷の時間的変化と蓄熱槽内に浮遊している氷の融解熱量に基づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで演算し，該演算される水の温度が製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可能な最大時間Ｘを求めることを特徴とする，ダイナミック型氷蓄熱システムにおける最大時間Ｘの予測方法が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。図１に示されるように，本発明の実施の形態にかかるダイナミック型氷蓄熱システム１（以下，「氷蓄熱システム１」）において，蓄熱槽１０の内部に水１１が充填されている。また，この蓄熱槽１０の内部の水１１に，次に説明する製氷サイクル２０によって生成されたシャーベット状の氷１２が蓄えられている。蓄熱槽１０の底部には温度センサー１３が装着されており，蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１が，この温度センサー１３によって検知されている。
【００１２】
製氷サイクル２０は，蓄熱槽１０の下部（底部または氷の存在しない範囲の下方）から取水する製氷取水管２１と，この製氷取水管２１に設けられたポンプ２２の稼働によって蓄熱槽１０から取水した水１１を予熱する予熱器２３と，この予熱器２３による予熱後において，水１１を氷点下温度まで冷却させる製氷のための過冷却器２４を備えている。製氷取水管２１には，流量センサー２５と温度センサー２６が装着されており，製氷取水管２１によって送液される水１１の流量Ｆ１が流量センサー２５によって検知され，予熱器２３を経て過冷却器２４に送液される水１１の温度Ｔ２が，温度センサー２６によって検知されている。
【００１３】
予熱器２３には，冷却負荷の一例としての製造プロセス３０との間で熱媒水を循環させる熱媒循環回路３１が導入されている。予熱器２３においては，こうして熱媒循環回路３１を経て製造プロセス３０に循環供給される熱媒水と，製氷取水管２１を送液される水１１とが熱交換を行い，熱媒水は冷却され，水１１は加熱される。これにより，製造プロセス３０には予熱器２３にて冷却された熱媒水が循環供給され，過冷却器２４には予熱器２３にて加熱された水１１が供給される。
【００１４】
過冷却器２４には，冷凍機４０で冷却されたブライン（不凍液）が，ポンプ４１の稼働によって，ブライン往管４２及びブライン還管４３を経て循環供給されている。冷凍機４０は，ブラインを氷点下温度まで冷却するための冷凍機凝縮器や冷却塔などを備える。
【００１５】
過冷却器２４では，製氷取水管２１を経て供給された水１１を，ブラインの冷熱により−２〜−３℃の過冷却状態に冷却させる。こうして過冷却状態に冷却させられた水１１が過冷却器２４から吐出され，過冷却解除パイプ４５において水の状態から氷の状態に相変化し，氷・水スラリーとなって蓄熱槽１０内に供給されるようになっている。これにより，蓄熱槽１０の内部には，水１１にシャーベット状の氷１２が蓄えられた状態となる。
【００１６】
冷凍機４０から過冷却器２４にブラインを送液するブライン往管４２には，流量センサー４６と温度センサー４７が装着されており，ブライン往管４２に送液されるブラインの流量Ｆ２が流量センサー４６によって検知され，過冷却器２４に送液されるブラインの温度Ｔ３が，温度センサー４７によって検知されている。ブライン還管４３には，温度センサー４８が装着されており，ブライン還管４３を経て冷凍機４０に戻されるブラインの温度Ｔ４が，温度センサー４８によって検知されている。
【００１７】
解氷サイクル５０は，蓄熱槽１０の下方から冷水を取水する解氷取水管５１と，この解氷取水管５１に設けられ，蓄熱槽１０から水１１を取水して冷熱を負荷に供するためのポンプ５２と，製造プロセス３０の熱媒水を水１１と熱交換させる冷却器５３を備えている。なお，取水を直接製造プロセス３０に供給するシステムであっても良い。その場合，水１１と例えば飲料を直接熱交換する熱交換器が冷却器５３に該当する。解氷取水管５１には，流量センサー５５と温度センサー５６が装着されており，解氷取水管５１によって送液される水１１の流量Ｆ３が流量センサー５５によって検知され，水１１の温度Ｔ５が，温度センサー５６によって検知されている。
【００１８】
冷却器５３には，製造プロセス３０との間で熱媒水を循環させる熱媒循環回路３２が導入されている。冷却器５３においては，こうして熱媒循環回路３２を経て製造プロセス３０に循環供給される熱媒水と，解氷取水管５１を送液される水１１とが熱交換を行い，熱媒水は冷却され，水１１は加熱される。これにより，製造プロセス３０には冷却器５３にて冷却された熱媒水が循環供給され，冷却器５３にて加熱された水１１は，解氷取水管５１から蓄熱槽１０の上方に再び戻される。昇温した水１１は槽内の氷１２を解氷する。
【００１９】
製造プロセス３０は，往ヘッダ３５と還ヘッダ３６を備えている。前述のように予熱器２３から熱媒循環回路３１を経て供給された熱媒水と冷却器５３から熱媒循環回路３２を経て供給された熱媒水は，往ヘッダ３５で合流された後，供給管３７によって製造プロセス３０の所望の場所に適宜供給されている。一方，製造プロセス３０の各箇所から戻り管３８を経て戻された熱媒水は，還ヘッダ３６で合流された後，先に説明した熱媒循環回路３１及び熱媒循環回路３２を経て予熱器２３と冷却器５３に分配されて戻される。
【００２０】
製造プロセス３０は，例えば飲料や薬品原料などの冷却が必要なものであり，製造プロセス３０には，常に０℃近くの低温の冷水を供給することが要求されている。製造プロセス３０において要求される冷却負荷の時間的変化は予め設定されており，この氷蓄熱システム１に備えられた制御装置６０に入力されている。また，先に説明した温度センサー１３によって検知された水１１の温度Ｔ１，温度センサー２６によって検知された水１１の温度Ｔ２，温度センサー４７によって検知されたブラインの温度Ｔ３，温度センサー４８によって検知されたブラインの温度Ｔ４，温度センサー５６によって検知された水１１の温度Ｔ５と，流量センサー２５によって検知された水１１の流量Ｆ１，流量センサー４６によって検知されたブラインの流量Ｆ２，流量センサー５５によって検知された水１１の流量Ｆ３が，制御装置６０にそれぞれ入力されている。後に説明するように，制御装置６０は，こうして入力された冷却負荷の時間的変化と，各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，流量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に基づいて演算を行い，製氷サイクル２０において製氷取水管２１に設けられたポンプ２２，冷凍機４０及びポンプ４１の稼働を制御するようになっている。なお，取水される水の温度は予熱器側，冷却器側で同じ温度であり，温度センサーは符号２６，４７のいずれか一方のものであってもかまわない。
【００２１】
さて，以上のように構成された氷蓄熱システム１において，製氷サイクル２０にあっては，ポンプ２２の稼働により，蓄熱槽１０の下部から取水された水１１が製氷取水管２１を経て，予熱器２３，過冷却器２４の順に送液される。そして，予熱器２３では，熱媒循環回路３１を送液される熱媒水と熱交換を行うことにより，水１１は氷点を超える温度（例えば約０．５℃程度）まで加熱され，過冷却器２４まで送液される（なお，取水温度が例えば約０．５℃以上の場合は，加熱されない）。過冷却器２４では，こうして供給される水１１を，冷凍機４０からブライン往管４２及びブライン還管４３を経て循環供給されるブラインの冷熱により，−２〜−３℃の過冷却状態に安定して冷却させる。こうして過冷却状態に冷却させられた水１１が過冷却器２４から吐出され，過冷却解除パイプ４５において水の状態から氷の状態に相変化し，氷・水スラリーとなって蓄熱槽１０内に供給する。こうして，蓄熱槽１０の内部には，水１１にシャーベット状の氷１２が充填された状態となる。また，予熱器２３において水１１と熱交換をしたことにより冷却された熱媒水は熱媒循環回路３１を経て製造プロセス３０に循環供給される。
【００２２】
一方，解氷サイクル５０にあっては，ポンプ５２の稼働により，蓄熱槽１０の底部から取水された水１１が，解氷取水管５１を経て冷却器５３に送液される。そして，冷却器５３では，熱媒循環回路３２を送液される熱媒水と熱交換を行うことにより水１１は加熱され，こうして昇温した状態となって水１１は，解氷取水管５１から蓄熱槽１０の上方に再び戻される。また，冷却器５３において水１１と熱交換をしたことにより冷却された熱媒水は熱媒循環回路３２を経て製造プロセス３０に循環供給される。
【００２３】
こうして，製造プロセス３０には，予熱器２３及び冷却器５３にて冷却された熱媒水が供給されることとなり，製造プロセス３０に対して，常に０℃近くの低温の冷水を供給することが可能となる。
【００２４】
ここで，以上のように構成された氷蓄熱システム１にあっては，製造プロセス３０において要求される冷却負荷の時間的変化は予め設定されており，この冷却負荷の時間的変化は制御装置６０に入力されている。図２に示すように，先ず氷蓄熱システム１が起動されると（Ｓ１），制御装置６０には，温度センサー１３によって検知された水１１の温度Ｔ１，温度センサー２６によって検知された水１１の温度Ｔ２，温度センサー４７によって検知されたブラインの温度Ｔ３，温度センサー４８によって検知されたブラインの温度Ｔ４，温度センサー５６によって検知された水１１の温度Ｔ５と，流量センサー２５によって検知された水１１の流量Ｆ１，流量センサー４６によって検知されたブラインの流量Ｆ２，流量センサー５５によって検知された水１１の流量Ｆ３が，それぞれ入力される（Ｓ２）。
【００２５】
次に制御装置６０は，こうして入力された各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，流量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に基づいて演算を行い，先ず，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求める（Ｓ３）。ここで，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）の時間的変化は，蓄熱槽１０への冷熱の単位時間あたりの供給量と，蓄熱槽１０からの冷熱の単位時間あたりの取り出し量（「製造プロセス３０の熱媒水に供給される単位時間あたりの冷熱量」に等しい）との差として表すことができる。そして，このように表される時間的変化を経時的に積算（積分）することにより，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求める。
【００２６】
なお，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求めるにあたり，蓄熱槽１０への冷熱の単位時間あたりの供給量は，冷凍機４０からブライン往管４２を経て過冷却器２４に供給されるブラインの温度Ｔ３と，過冷却器２４からブライン還管４３を経て冷凍機４０に戻されるブラインの温度Ｔ４との温度差Ｔ３−Ｔ４及びブライン往管４２及びブライン還管４３を送液されるブラインの流量Ｆ２に基づいて，ブラインの比熱及び比重を考慮して求めることができる。蓄熱槽１０からの冷熱の単位時間あたりの取り出し量は，予熱器２３によって水１１から取り出される単位時間あたりの冷熱量と，冷却器５３によって水１１から取り出される単位時間あたりの冷熱量の和である。予熱器２３によって水１１から取り出される単位時間あたりの冷熱量は，蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１と過冷却器２４に送液される水１１の温度Ｔ２との差Ｔ１−Ｔ２及び製氷取水管２１を送液される水１１の流量Ｆ１に基づいて，水１１の比熱及び比重を考慮して求めることができる。冷却器５３によって水１１から取り出される単位時間あたりの冷熱量は，蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１と冷却器５３から蓄熱槽１０に戻される水１１の温度Ｔ５との差Ｔ１−Ｔ５及び解氷取水管５１を送液される水１１の流量Ｆ３に基づいて，水１１の比熱及び比重を考慮して求めることができる。
【００２７】
こうして蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求めた後，次に制御装置６０は，前述のように予め設定された製造プロセス３０において要求される冷却負荷の時間的変化に基づいて，蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１（蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１に等しい）を，冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで演算する。こうして，演算された水１１の温度Ｔ１が冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクル２０の運転を停止可能な最大時間Ｘを求める（Ｓ４）。
【００２８】
ここで，最大時間Ｘは次のようにして求められる。即ち，図３に示すように，先ず，最初に最大時間Ｘ＝０と仮定する（Ｓ１０）。なお，最大時間Ｘ＝０とは，製氷サイクル２０の運転を停止せずに，製造プロセス３０の運転終了まで製氷サイクル２０を連続運転させる状態を意味する。こうして先ず最大時間Ｘ＝０と仮定して，蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了まで演算する（Ｓ１１）。
【００２９】
ここで，蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１の時間的変化ｄＴ１／ｄｔは，次式（１）によって表すことができる。
Ｃ・ρ・η・Ｖ’（ｄＴ１／ｄｔ）＝Ｑ１−Ｑ２ …（１）
【００３０】
この式（１）において，Ｑ１は，予め制御装置６０に設定されている冷却負荷の時間的変化である。Ｑ２は，蓄熱槽１０内に浮遊している氷１２の融解熱量である。Ｃは，水の比熱である。ρは，水の比重である。Ｖ’は蓄熱槽１０内にあるシャーベット状の氷１２以外の水１１の領域の容積を示し，Ｖ’＝Ｖ・ηである。Ｖは，蓄熱槽１０の容積である。ηは，蓄熱の利用率を示し，η＝１−（残蓄熱量／最大蓄熱量）である。なお，Ｑ２は別途の実験整理式（蓄熱槽の寸法，運転条件（Ｔ５，Ｆ３），ηなどの関数）から求めることができる。
【００３１】
そして，このように表される時間的変化（ｄＴ１／ｄｔ）を経時的に積算（積分）することにより，蓄熱槽１０から取水される水１１の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了まで演算する。
【００３２】
なお，実際には過冷却解除パイプ４５から蓄熱槽１０内には氷・水スラリーが供給されており，図４に模式的に示すように，蓄熱槽１０内には氷１２が浮遊している氷層６５の部分と，過冷却解除パイプ４５から落下した水１１が蓄熱槽１０内において氷１２に接触せずに，蓄熱槽１０の下部まで流れるバイパス部分６６が存在する。この図４に示す計算モデルにおいては，蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１の時間的変化ｄＴ１／ｄｔは，次式（２）によって表すことができる。
Ｃ・ρ・Ｖ’・（ｄＴ１／ｄｔ） ＝ Ｃ・ρ・Ｆ３・Ｔｂ＋Ｃ・ρ・Ｆｂｗ・Ｔｂｗ−Ｃ・ρ・（Ｆ３＋Ｆｂｗ）・Ｔ１ …（２）
【００３３】
この式（２）において，Ｔｂは，氷層６５の融解で蓄熱槽１０の底部に形成される水域と氷層６５との境界温度である。Ｆｂｗは，バイパス部分６６を流れる水１１の流量である。Ｔｂｗは，過冷却解除パイプ４５から落下した水１１の温度（バイパス部分６６を流れる水１１の温度に等しい）である。なお，Ｔｂは，次式（３）のＱ２との関係から求めることができる。
Ｑ２ ＝ Ｃ・ρ・Ｆ３・（Ｔｂ−Ｔ５） …（３）
【００３４】
そして，図４に示す計算モデルにおいて，こうして表される時間的変化（ｄＴ１／ｄｔ）を経時的に積算（積分）することにより，蓄熱槽１０から取水される水１１の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了まで演算することができる。
【００３５】
こうして蓄熱槽１０から取水される水１１の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了まで演算した後，図３に示すように，水１１の温度Ｔ１の温度が製造プロセス３０の運転終了までの間において，所定の上限温度未満であるか否かを判定する（Ｓ１２）。ここで，所定の上限温度は，製造プロセス３０の要求によって定められ，例えば飲料を冷却する製造プロセスなどにあっては，例えば１．５℃程度に定められる。
【００３６】
そして，このＳ１２の判定にて，製造プロセス３０の運転終了までの間において，水１１の温度Ｔ１の温度が常に所定の上限温度未満である場合は，最大時間Ｘ＝Ｘ＋ΔＸとする（Ｓ１３）。次に，このようにΔＸだけ増やした最大時間Ｘについて，先と同様に，再び蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１を，製造プロセス３０の運転終了まで演算する（Ｓ１１）。その後，水１１の温度Ｔ１の温度が製造プロセス３０の運転終了までの間において，所定の上限温度未満であるか否かを判定する（Ｓ１２）。こうして，製造プロセス３０の運転終了までの間において，水１１の温度Ｔ１の温度が常に所定の上限温度未満である限り，最大時間ＸをΔＸずつ増やし続ける。
【００３７】
一方，このＳ１２の判定にて，水１１の温度Ｔ１の温度が製造プロセス３０の運転終了までの間において，所定の上限温度以上となった場合は，最大時間Ｘを決定する（Ｓ１４）。この場合，最大時間Ｘは，水１１の温度Ｔ１の温度が所定の上限温度以上となる直前の時間とする。こうして，最大時間Ｘが求められる。
【００３８】
次に，図２に示すように，こうして求めた最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えているか否かを判定する（Ｓ５）。ここで，所定の下限停止時間は，冷凍機４０によって定められ，例えば冷凍機４０の再起動防止タイマーの値で定められる。
【００３９】
そして，このＳ５の判定にて，最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えている場合は，製氷サイクル２０の運転を停止させる（Ｓ６）。この場合，製氷取水管２１に設けられたポンプ２２，冷凍機４０及びポンプ４１の稼働を停止させることにより，製氷サイクル２０の運転を停止させる。なお，冷凍機４０に，上述したような下限停止時間がない場合は，このＳ５に示す判定は省略し，最大時間Ｘが０である場合を除いて，直ちに製氷サイクル２０の運転を停止させて良い。
【００４０】
こうして製氷サイクル２０の運転を停止させた後，先と同様に，制御装置６０は，その時点の各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５及び各流量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に基づいて再び演算を行い，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求める（Ｓ３）。その後，制御装置６０は，予め設定された製造プロセス３０において要求される冷却負荷の時間的変化に基づいて，蓄熱槽１０から取水される水の温度Ｔ１（蓄熱槽１０内の水１１の温度Ｔ１に等しい）を，冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで再び演算し，水１の温度Ｔ１が冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクル２０の運転を停止可能な最大時間Ｘを，先に図３で説明した工程に従って求める（Ｓ４）。そして，最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えているか否かを判定する（Ｓ５）。こうして，最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えなくなるまで，製氷サイクル２０の運転を停止させる。なお，冷凍機４０に，上述したような下限停止時間がない場合は，最大時間Ｘが０になるまで，製氷サイクル２０の運転を停止させる。
【００４１】
一方，Ｓ５の判定にて，最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えなくなった場合は，製氷サイクル２０の運転は停止させない。なお，冷凍機４０に，上述したような下限停止時間がない場合は，最大時間Ｘが０である場合，製氷サイクル２０の運転を停止させないようにする（なお，冷凍機４０に，上述したような下限停止時間を例えば別に設けた冷凍機の稼働や冷系統の冷熱などでまかなうなど，顧慮する必要のない場合で最大負荷がない場合は，最大時間Ｘが０である場合，製氷サイクル２０の運転を停止させないようにする）。
【００４２】
こうして製氷サイクル２０の運転を停止させない場合も，先と同様に，制御装置６０は，常にその時点の各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５及び各流量Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に基づいて再び演算を行い，蓄熱槽１０に残っている残蓄熱量（冷熱量）を求め（Ｓ３），以下同様に，水１の温度Ｔ１が冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクル２０の運転を停止可能な最大時間Ｘを求める（Ｓ４）。こうして，最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えているか否かを判定するか（Ｓ５），もしくは最大時間Ｘが０になったか否かを判定し，製氷サイクル２０の運転を制御する。
【００４３】
こうして，図１で説明した氷蓄熱システム１は，製氷サイクル２０の運転時間を短縮しつつ，冷却負荷である製造プロセス３０の運転終了まで，水１の温度Ｔ１を所定の上限温度に達しない範囲に制御することができる。これにより，製造プロセス３０に対し，所定の温度以下に冷却した熱媒水を運転終了まで供給することが可能となる。必要十分な製氷がされるので省エネルギー的である。
【００４４】
以上，本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが，本発明はここで説明した形態に限定されない。例えば，冷却負荷の一例として食品などの製造プロセス３０を示して説明したが，本発明において冷却負荷はそのような製造プロセスに限られるものではなく，例えば空調（建物の冷房など）や他の熱源器（冷蔵，ショーケースの冷却，ケーブルトンネルの冷却）など，製造プロセス以外の冷却負荷について本発明を適用しても良い。
【００４５】
【実施例】
以下，本発明の実施例を説明する。図１で説明した氷蓄熱システムにおいて，本発明に従って運転を行った場合についてシミュレーションした。図５中の実線７０は，横軸を時間，左側の縦軸を単位時間あたりの冷却負荷として表した，一日における冷却負荷の変化を示している。製造プロセスの運転時間は０時から２２時過ぎまでで，２２時１５分以降から２４時には製造プロセスが運転されず，運転中は実線７０で示したように冷却負荷が変化すると想定した。また，製造プロセスの冷却負荷は連続的には発生せず，一時間の間にも３０分間程度の先鋭的な負荷の発生と，残りの３０分間程度の無負荷の状態があると想定した。蓄熱槽の大きさは１１×１４×２．２７ｍＨ（容積３５０ｍ３）で，製氷サイクルの能力（製氷能力）は１２１０Ｍｃａｌ／ｈ（１４１０ｋＷ），製氷サイクルに循環する水の定格流量は４８３ｍ３／ｈ，解氷サイクルに循環する水の定格流量は５８０ｍ３／ｈである。蓄熱槽には，運転前に氷充填率ＩＰＦ＝４０％の氷が蓄えられている。以上のような氷蓄熱システムにおいて，運転中，常に１．５℃以下の低温の水を得るように制御した。
【００４６】
その結果，図５中の一点鎖線７１（横軸が時間，右側の縦軸が流量で表される）で示すように，１３時〜１６時の間は冷凍機と冷凍機に送液するポンプの稼働を停止し，製氷サイクルに循環する水とブラインの流量を０ｍ３／ｈとすることができ，製氷サイクルの運転を停止できた。なお，図５中の実線７２（横軸が時間，右側の縦軸が流量で表される）で示すように，氷蓄熱システムの運転中は，解氷サイクルは運転を続けており，４時１５分〜６時の間を除いて解氷サイクルには常に水が循環している。氷蓄熱システムの運転中，１３時〜１６時以外の間は，製氷サイクルの運転と解氷サイクルが運転が両方とも行われる。図５中には，加えて，予熱器２３での交換熱量の経時的変化を一点鎖線７３（横軸が時間，左側の縦軸が単位時間あたりの冷却負荷で表される）で示し，冷却器５３での交換熱量の経時的変化を点線７４（横軸が時間，左側の縦軸が単位時間あたりの冷却負荷で表される）で示した。
【００４７】
図６は冷水温度と残蓄熱率の関係を示すグラフである。図６中の一点鎖線８０（横軸が時間，左側の縦軸が温度で表される）で示すように，氷蓄熱システムの運転中，常に１．５℃以下の低温の水を蓄熱槽から取水できることが演算された。なお図６中には，加えて，過冷却器に供給される水の温度の経時的変化を実線８１（横軸が時間，左側の縦軸が温度で表される）で示し，解氷サイクルから蓄熱槽へ戻される水の温度の経時的変化を実線８２（横軸が時間，左側の縦軸が温度で表される）で示し，残蓄熱率（残蓄熱量／運転前の蓄熱量）の経時的変化を実線８３（横軸が時間，左側の縦軸が残蓄熱率）で示した。なお，運転を停止できる最大時間は上述のように求めるが，その最大時間を割り振る時刻は，最も電力料金が高価な時間帯とする。この例では真昼であり，その製氷サイクルの運転停止中（１３時〜１６時）も残蓄熱量を演算した。但し，氷蓄熱システムの運転を行わない４時１５分〜６時の間は残蓄熱量の演算はせず，製氷もしていない。残蓄熱比（残蓄熱量／運転前の蓄熱量）を０．４以上に維持することで，１．５℃以下の低温の冷水が常に得られた。また，運転終了時には運転前の蓄熱量に戻すことができ，翌日の運転が可能になった。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば，製氷サイクルの運転時間を短縮しつつ，冷却負荷の運転終了まで，水の温度を所定の上限温度に達しない範囲に制御でき，冷却負荷に対して所定の温度以下に冷却した熱媒を運転終了まで供給することが可能となる。そして，製氷サイクルの運転時間を短縮することにより，製氷コストをなるべく少なく抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるダイナミック型氷蓄熱システムの概略的な構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかるダイナミック型氷蓄熱システムにおける，制御装置の演算工程を示すフローチャートである。
【図３】最大時間Ｘを求める演算工程を示すフローチャートである。
【図４】最大時間Ｘを求める別の計算モデルの説明図である。
【図５】本発明の実施例における，冷却負荷の時間的変化と製氷サイクルの運転の制御を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例における，蓄熱槽から取水される水の温度の時間的変化と残蓄熱率の時間的変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 氷蓄熱システム
１０ 蓄熱槽
１１ 水
１２ 氷
１３，２６，４７，４８，５６ 温度センサー
２０ 製氷サイクル
２１ 製氷取水管
２２，４１，５２ ポンプ
２３ 予熱器
２４ 過冷却器
２５，４６，５５ 流量センサー
３０ 製造プロセス
３１，３２ 熱媒循環回路
３５ 往ヘッダ
３６ 還ヘッダ
４０ 冷凍機
４２ ブライン往管
４３ ブライン還管
４５ 過冷却解除パイプ
５０ 解氷サイクル
５１ 解氷取水管
５３ 冷却器
６０ 制御装置
Claims (4)
- 氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水した水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルと，蓄熱槽から製氷サイクルへの取水を制御する制御装置を備え，
製氷サイクルで製造した氷・水スラリーを蓄熱槽に供給して蓄熱し，解氷サイクルで製造プロセスの冷却負荷を冷却するダイナミック型氷蓄熱システムであって，
制御装置は，予め設定された製造プロセスの冷却負荷の時間的変化と蓄熱槽内に浮遊している氷の融解熱量に基づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで演算し，該演算される水の温度が製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可能な最大時間Ｘを求め，この最大時間Ｘの間，製氷サイクルの運転を停止させる制御を行うことを特徴とする，ダイナミック型氷蓄熱システム。 - 氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水した水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルとを備え，
製氷サイクルで製造した氷・水スラリーを蓄熱槽に供給して蓄熱し，解氷サイクルで製造プロセスの冷却負荷を冷却するダイナミック型氷蓄熱システムの運転方法であって，
予め設定された製造プロセスの冷却負荷の時間的変化と蓄熱槽内に浮遊している氷の融解熱量に基づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで演算し，該演算される水の温度が製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可能な最大時間Ｘを求める工程と，
この最大時間Ｘの間，製氷サイクルの運転を停止させる工程を有し，
蓄熱槽から取水した水を製氷サイクルにおいて氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する工程と，蓄熱槽から取水した水を解氷サイクルにおいて熱交換して昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷工程を，時期的に重複して行うことを特徴とする，ダイナミック型氷蓄熱システムの運転方法。 - 最大時間Ｘが所定の下限停止時間を越えていない場合は，製氷サイクルの運転を停止させないことを特徴とする，請求項２のダイナミック型氷蓄熱システムの運転方法。
- 氷を蓄える蓄熱槽と，蓄熱槽から取水した水を冷却し，氷・水スラリーにして蓄熱槽に供給する製氷サイクルと，蓄熱槽から取水した水を熱交換し，昇温した水を蓄熱槽に戻す解氷サイクルとを備え，
製氷サイクルで製造した氷・水スラリーを蓄熱槽に供給して蓄熱し，解氷サイクルで製造プロセスの冷却負荷を冷却するダイナミック型氷蓄熱システムを運転するにあたり，
予め設定された製造プロセスの冷却負荷の時間的変化と蓄熱槽内に浮遊している氷の融解熱量に基づいて，蓄熱槽から取水される水の温度を製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで演算し，該演算される水の温度が製造プロセスの冷却負荷の運転終了まで所定の上限温度に達しない範囲で，製氷サイクルの運転を停止可能な最大時間Ｘを求めることを特徴とする，ダイナミック型氷蓄熱システムにおける最大時間Ｘの予測方法。
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