JP2762155B2

JP2762155B2 - 地域冷暖房システム

Info

Publication number: JP2762155B2
Application number: JP2152794A
Authority: JP
Inventors: 可紀吉田; 信夫中田; 義東; 岳夫福島
Original assignee: Ebara Corp; Nippon Steel Corp
Current assignee: Ebara Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JPH0445332A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、地域冷暖房システムに係り、特に、中央熱
源プラントと需要家の間を２本の配管で結ぶ地域冷暖房
システムに関するものである。

〔従来の技術〕

従来の地域冷暖房システムは、中央プラントに冷水発
生機（冷凍機等）と温水発生機（ボイラ等）を設置し各
建物に長い地域配管で冷水・温水を供給するものであ
り、往復の配管を入れて４本の配管設備が必要であっ
た。

第５図に４管方式の地域冷暖房システムの基本構成図
を示す。

この方式は、長いあいだ地域冷暖房の基本システムと
して今日まで継承されてきたが、昨今の地域冷暖房のニ
ーズが多少変化の兆しがあり見直しの時期に来ていると
思われる。

最近の市街地再開発事業は、土地価格の上昇から機能
を充実させた「インテリジェントビル」の計画が多く、
なお且つ「24時間体制」の使用形態が殆どとなってい
る。

このように使用形態が変わってくると、従来冷房１に
対し暖房が0.6程度の負荷比率だったものが、建物の内
部で発生する熱（これを内部発生熱と称する。）が多く
なり、冷房負荷は大きくなり暖房負荷は小さくなる傾向
が顕著になって来ている。

これは、電算機等の機械設備が年間熱を発生するため
夏には冷房を増やし、冬も冷房を要する事からも容易に
推定できる。

更には、都市自体の排出するエネルギー（種類として
は下水処理水・焼却炉発生熱・コージェネレーション排
熱・地下設備排熱等が有る。）を有効に再利用する考え
が浸透してきている現在、従来の４管方式の儘では設備
が複雑化して価格・管理面で問題が生じる恐れが大き
い。

上記のように、地域冷暖房においては、冬期でも冷水
需要が必要になって来ており、その場合４管式では温水
と同時に冷水も供給している。中央熱源プラントにおい
て、温水を製造するヒートポンプと冷水を製造するヒー
トポンプの両方を設けると設備が重複するばかりでな
く、機器効率が低下する。このため熱回収ヒートポンプ
が使われるが、この熱回収ヒートポンプは冷水負荷によ
り制限温水量がきまる。したがって、要求温水負荷を満
足させることができず、別途に加熱設備を設けなければ
ならない。

一方、夏期に温水が必要な場合、この熱回収ヒートポ
ンプの使用は可能であるが、一般的に夏期の温水容量は
少ないにもかかわらず、わずかな温水負荷のために高ヘ
ッドの運転を強いられてサイクル効率が落ちるし、さら
に、冷房負荷の大きい分だけ、未利用の温水負荷を大気
等に放熱しなくてはならなくなりシステム効率が落ち
る。

また、４管式の場合、温水配管においては、N₂加圧等
の考慮をしないと、大気との接触酸化による腐蝕の問題
とか、温度差の大きい所から起因する放熱損失が大きい
等の欠点がある。

一方、熱源プラントと各需要家の間を２管式で結ぶ方
法も実施されてはいるが、その多くは冷房と暖房の切替
使用か、暖房専用プラス給湯用として使われるものであ
る。また、熱源プラントで中間的温度に制御した中温水
を作り、これを送って各需要家の冷房や暖房に使う場合
も考えられるが、ヒートポンプでさらに冷却すると、本
発明の場合よりも使用エネルギはふえてしまう。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、中央熱源
プラントと需要家の間を、２本の配管のみで結んで熱回
収の効率化と搬送動力の低減を可能とした地域冷暖房シ
ステムを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明では、中央熱源プ
ラントと冷暖房需要家とを配管で結ぶ地域冷暖房システ
ムにおいて、中央熱源プラントと需要家との間を供給配
管と戻り配管の２本の配管で結び、需要家側にはそれら
の配管と接続した冷水用熱交換器と液体熱源の温熱専用
ヒートポンプを設置すると共に、該冷水用熱交換器及び
温熱専用ヒートポンプは、それぞれ昇圧ポンプを介して
戻り配管と接続されていることを特徴とする地域冷暖房
システムとしたものである。

上記において、需要家側の冷水用熱交換器及び液体熱
源の温熱専用ヒートポンプと戻り配管の間には、昇圧ポ
ンプを迂回して直接戻り配管に接続するバイパス管が設
けられている。

本発明の地域冷暖房システムは具体的には、夏期は中
央熱源プラントより約０〜８℃の冷液体を供給すること
によって、需要家の冷熱需要をまかない、それによっ
て、昇温された冷液体戻り水を、当該温熱専用ヒートポ
ンプの熱源液体として利用するための配管と昇温ポンプ
を備えることによって、当該温熱専用ヒートポンプを運
転し、需要家の夏期における温熱需要をまかない、冬期
は中央熱源プラントより約10〜20℃の熱源液体を供給し
当該温熱専用ヒートポンプを運転することにより、需要
家の冬期における温熱需要をまかない、それによって、
冷却された熱源液体戻り水を冷水用熱交換機の冷液体と
して利用するための配管と昇圧ポンプを備えることによ
って、需要家の冬期における冷熱需要をまかなうことと
なる。

夏期の冷液体の温度は氷スラリ液体の場合、０〜４℃
の冷液体を供給することになる。

〔作用〕

上記のように構成したため、本発明の地域冷暖房シス
テムにおいては、各需要家の排出するエネルギーを完全
に回収でき、夏期における温熱需要、冬期における冷熱
需要をまかなうことができる。

すなわち、夏期の温熱需要に対しては、戻り配管から
約10〜20℃の液体を熱源液体として、昇圧ポンプを介し
て温熱専用ヒートポンプにより温熱を製造して供給で
き、一方冬期における冷熱需要にも戻り配管からの約８
〜14℃の冷水を冷水用熱交換器に通すことにより冷熱を
供給できる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本
発明はこれに限定されない。

実施例１第１図に本発明の基本構成図を示す。この第１図を用
いて、本発明を夏期と冬期にわけて説明する。

（ａ）夏期の運転夏期においては、冷熱需要の総和は温熱需要の総和を
上回ることを前提とする。中央熱源プラント１は７℃の
冷水を製造し、中央送水ポンプ２により、冷水が供給配
管３へ供給される。冷水は供給配管３より、需要家の冷
水用熱交換器５を通ることにより、14℃の冷水戻り水と
なり、戻り配管４へ流れ、中央熱源プラント１へ14℃に
昇温された水が戻る。この時、冷水バイパス弁９は全開
とする。

夏期においても、給湯のための温熱需要が存在する需
要家は、戻り配管４を流れる14℃の水を熱源水として、
温熱専用ヒートポンプ６により、温熱を製造する。14℃
の熱源水はヒートポンプにより７℃まで降温させられ
る。この状態を可能とするためには、熱源水バイパス弁
12を全閉とし、熱源水逆送ポンプ10を運転すればよい。

中央送水ポンプ２の流量は次式であらわされる。

q_ci：各需要家における冷水流量 q_hi：各需要家における熱源水流量 Δt:冷水、熱源水温度差 Q_ci：各需要家における冷熱需要 Q_Hi：各需要家における温熱需要 COP_hi：各需要家におけるヒートポンプの成績係数（１）式は（２）、（３）式とともに、本発明におけ
る熱回収の原理を示すものである。

本構成における中央送水ポンプ２と熱源水逆送ポンプ
10の所要動力の和は第２図に示すポンプ全掲揚程Hiとポ
ンプ効率Peffiにより（４）式のように表わせる。

供給配管３、戻り配管４における配管損失がゼロに近
く、（H₀＝H₁＝H₂＝・・・H_n）各ポンプのポンプ効率ef
fiが中央送水ポンプのポンプ効率effoに等しいと仮定す
ると（４）式は（４）′式となる。

従来方式の４管方式を同様な仮定のもとにポンプの所
要動力を求めると（５）式となる。

q_hi′:4管方式における温水流量（４）′式と（５）式を比較すると、本発明の２管方
式の搬送ポンプ動力が従来方式である４管方式の搬送ポ
ンプ動力より小さくできることが明らかである。

２管方式の供給配管３と戻り配管４の水収支を第３図
のような単純化したモデルで具体的な数値で確認する。

第３図において熱源水逆送ポンプ10の存在の元に、水
収支がハランスすることがわかる。また、２管方式が、
４管方式にくらべて、供給配管径が小さくなり、搬送動
力が減少する理由は本発明の熱回収の副次効果が送水流
量や搬送動力の減少へも及んでいることを示している。

以上の説明では、夏期において冷熱需要の総和が温熱
需要の総和を上回ることを前提としているが、４月、５
月、10月、11月の夜間、早朝において温熱需要が冷熱需
要を上回ることがありえる。

この場合、供給配管３の温度を７℃、戻り配管４の温
度を14℃に保つためには、中央送水ポンプ２を停止し、
中央送水ポンプバイパス弁14を開とすればよい。温熱需
要が冷熱需要を上回る場合には、正常時（冷水需要＞温
水需要）の供給配管３の流れと逆になる。

（ｂ）冬期の運転冬期においては、温熱需要の総和は冷熱需要の総和を
上回ることを前提とする。中央熱源プラント１は17℃の
熱源水を製造し、中央送水ポンプ２により、熱源水が供
給配管３へ供給される。熱源水は供給配管３より需要家
の温熱専用ヒートポンプ６を運転することにより、10℃
の熱源水戻り（冷水）となり、戻り配管４へ流れ、中央
熱源プラント１へ10℃に降温された水が戻る。この時、
熱源水バイパス弁12は全開とする。

冬期においても、電算機室等の冷熱需要が存在する需
要家は、戻り配管４を流れる10℃の水を冷水として、冷
水用熱交換器５を通すことにより、17℃に昇温されると
共に冷熱需要をまかなう。この状態を可能とするために
は、冷水バイパス弁９を全閉とし冷水逆送ポンプ７を運
転すればよい。

中央送水ポンプ２の流量は、夏期時の流量（１）式と
は逆に（６）式であらわされる。

冬期における中央送水ポンプ２の所要動力と冷水逆送
ポンプ７の所要動力の和についても、夏期と同様な考察
により、ポンプ搬送動力の省エネルギが可能であり、熱
回収についても同様である。水収支や供給配管３の流れ
の逆転時の対応については夏期と同一の考えで対処でき
る。

（ｃ）中央熱源プラントの構成２管方式の中央熱源プラントの機器構成例を第４−ａ
図に示し、４管方式の中央熱源プラントの機器構成例を
第４−ｂ図に示す。

中央熱源プラントに蓄熱槽を設けると、昼夜の負荷平
準化とヒートポンプ容量の節約を図れる他、安価な深夜
電力が利用できる。４管方式では、冷水槽24と温水槽17
の２つを設ける必要があり、一方、２管方式では１ケの
蓄熱槽23でよい。通常、夏期の冷熱ピーク時期において
も、温水槽17が存在するため、冷水槽24の容量は温水槽
17の容量の分だけ、減じられる。一方、２管方式では１
ケの蓄熱槽でよいため、ピーク時の蓄熱効果が良くな
る。

従来方式において、冷熱と温熱が同時に発生する際に
行なわれる熱回収は、中央熱源プラントに、熱回収ヒー
トポンプ21を設ける方法が用いられている。冬期に冷熱
需要がある場合の熱回収は、熱源を冷水（冬期では空気
温度より高くなっている）に求めることは合理的である
が、一方、夏期には温熱需要がある場合の熱回収は、温
水（夏期の冷却水温度より高い）に求めるため、冷水の
製造効率を減ずることになる。２管方式の熱回収は、逆
送ポンプ7,10を用いるため、４管方式の熱回収ヒートポ
ンプを用いる方法のような不合理が生ぜず、夏期、冬期
とも完全な熱回収ができる。したがって、本発明におけ
る熱回収は、夏期に温熱需要が存在するホテル、住宅を
含む地域冷暖房において、従来方式の熱回収ヒートポン
プよりも省エネルギとなる。

本発明の２管方式の供給温度は、冬期において、約10
〜20℃の熱源水であり、従来の４管方式の供給温度の45
°〜47℃にくらべてかなり低い。２管方式で使われるヒ
ートポプ20は、熱源水と空気熱源との温度差が低いた
め、ヒートポンプの圧縮機所要圧力も低くなっている。
従来の45℃温水を製造する空気熱源ヒートポンプは暖房
時に圧縮機を２ケ直列につかって冷媒の圧縮を行なって
いた。本発明の需要家側に温熱専用ヒートポンプを設置
することは従来２ケの圧縮機からなる空気熱源ヒートポ
ンプを、中央側の空気熱源ヒートポンプと需要側の水熱
源ヒートポンプに分散させたことに他ならない。

また、この水熱源ヒートポンプは給湯用のヒートポン
プとして使うことができる。更に、給湯負荷は定時的な
使われ方（例えば貯湯槽又はタンクの水面制御）が多く
両者を共用できるヒートポンプの製造が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば次のような効果を奏する。

（１）配管が４本から２本になるため配管費用が低減で
きる。また共同溝に供給配管を設置する場合は共同溝建
設費も低減できる。

（２）冷熱需要と温熱需要が同時に発生する場合、熱回
収が可能であり、夏期に温熱需要がある場合の熱回収の
効率は従来用いられている熱回収ヒートポンプより良く
なる。

（３）冷水または熱源水を熱回収を行ないながら供給す
る場合、従来の４管式の搬送動力より小さくなる。

（４）中央熱源プラントの蓄熱槽が１ケですむため、従
来方式の冷水槽、温水槽の２ケの蓄熱槽を設ける方式よ
り蓄熱槽の有効利用が図れる。また、その増量分だけ機
器を小さくできる。

（５）冬期の供給温度が従来の45℃温水供給にくらべ
て、低い温度の17℃熱源水であるため、供給配管からの
熱損失が減少する。

（６）地域配管において、特に温水系の配管の腐蝕が問
題となっているが、本方式では、鉄系材質の最適腐蝕温
度とされる40〜60℃の温水は使用せず、配管メンテナン
スも容易になる。

（７）給湯負荷がある場合でも、需要家側に含まれる水
熱源ヒートポンプでの対応が可能であり、地域の中にホ
テルなどの給湯負荷を要望される場合は、より効果的な
システムとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の地域冷暖房システムの基本構成図、
第２図は、２管方式のポンプ動力説明図、第３図は、２
管方式の水収支説明図、第４−ａ図は２管方式の中央熱
源プラントの構成図、第４−ｂ図は、４管方式の中央熱
源プラントの構成図、第５図は、４管式の従来の地域冷
暖房システムの基本構成図である。 1:中央熱源プラント、2:中央送水ポンプ、3:供給配管、
4:戻り配管、5:冷水用熱交換器、6:温熱専用ヒートポン
プ、7:冷水逆送ポンプ、8:冷水逆送ポンプ用逆止弁、9:
冷水バイパス弁、10:熱源水逆送ポンプ、11:熱源水逆送
ポンプ用逆止弁、12:熱源水バイパス弁、13:中央送水ポ
ンプ逆止弁、14:中央送水ポンプバイパス弁、15:冷水送
水ポンプ、16:温水送水ポンプ、17:温水蓄熱槽、18:温
水送水ポンプ、19:冷水送水ポンプ、20:ヒートポンプ、
21:熱回収形ヒートポンプ、22:冷却塔兼加熱塔、23:蓄
熱槽、24:冷水蓄熱槽、25:温水用熱交換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者東義東京都千代田区大手町２丁目６番３号新日本製鐵株式会社内 (72)発明者福島岳夫神奈川県相模原市西橋本５丁目９番１号新日本製鐵株式会社相模原技術センター内 (56)参考文献特開昭63−156955（ＪＰ，Ａ) 実開昭51−154948（ＪＰ，Ｕ) 特公昭38−8047（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F24F 3/06 F24F 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】中央熱源プラントと冷暖房需要家とを配管
で結ぶ地域冷暖房システムにおいて、中央熱源プラント
と需要家との間を供給配管と戻り配管の２本の配管で結
び、需要家側にはそれらの配管と接続した冷水用熱交換
器と液体熱源の温熱専用ヒートポンプを設置すると共
に、該冷水用熱交換器及び温熱専用ヒートポンプは、そ
れぞれ冷水及び熱源水の昇圧ポンプを介して戻り配管と
接続されていることを特徴とする地域冷暖房システム。
【請求項２】請求項１記載において、冷水用熱交換器及
び液体熱源の温熱専用ヒートポンプと戻り配管の間には
昇圧ポンプを迂回して直接戻り配管に接続するバイパス
管が設けられていることを特徴とする地域冷暖房システ
ム。
【請求項３】請求項１又は２記載において、供給配管に
は夏期は約０〜８℃の冷液体を、冬期は約10〜20℃の熱
源液体を供給することを特徴とする地域冷暖房システ
ム。