JP4779480B2

JP4779480B2 - 高温冷水適用の熱源システム

Info

Publication number: JP4779480B2
Application number: JP2005207338A
Authority: JP
Inventors: 英男宮原; 尚貴吉田; 里志西脇; 信三伊藤
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: JP2007024402A

Description

本発明は、高温冷水適用の熱源システムに関し、特に、外気を大量に使用し、かつ内部機器による発熱が大きい半導体、液晶等の製造工場のクリーンルーム等を所定の温度、湿度に保つ空調システムに適用され、空調システムの省エネルギー化を図ることができる高温冷水適用の熱源システムに関する。

一般に、外気を大量に使用する半導体、液晶等の製造工場においては、外部から外気を取り入れて外気処理用冷却コイルで所定の温度まで冷却し、この冷却した空気と室内を循環している空気とを混合させ、ファンフィルターユニットを介してクリーンルーム内に供給し、クリーンルーム内を循環させた後にクリーンルーム外に排出させ、クリーンルームの周囲を循環させてドライコイルで冷却した後に再びクリーンルーム内に供給する空調システムが利用されている。

従来は、例えば、図５に示すように、冷凍機２１と、冷凍機２１から供給される冷水を冷熱源とするドライコイル２２、外気処理用冷却コイル２４を有する外気処理空調機２３、及び生産設備２５を備えており、冷凍機２１から例えば６℃の冷水をドライコイル２２、外気処理用冷却コイル２４、及び熱交換器を介して生産設備２５に供給し、この冷水を冷熱源として、ドライコイル２２を冷却し、外気処理用冷却コイル２４で外部から取り入れた外気を冷却し、さらに生産設備２５を冷却するように構成した空調システムが知られている。

ところで、上記のような空調システムが使用される半導体等の製造工場等においては、全ての冷却負荷の内の外気負荷が全体の３５〜４５％を占め、その内の約２／３が潜熱負荷であり、また、外気負荷の内の約２／３〜４／５は、１２℃程度の高温冷水を冷熱源とする外気処理用冷却コイルで処理することができる。従って、外気負荷の内の約１／５〜１／３（全冷却負荷の内の７〜１５％）のみに対して、冷熱源として６℃の冷水を使用すればよく、それ以外の冷却負荷は１２〜２０℃の高温冷水で十分に処理することができる。これに対して、図５に示す例では、全ての冷却負荷に６℃程度の冷水を冷熱源として使用しているので、１２〜２０℃の高温冷水の場合と比べて、冷水製造手段の成績係数を低下させ、その結果、余分なエネルギーを消費することになる。

一方、特許文献１には、既設の空調システムの空調機の前又は後ろに、配管のサイズを変えることなく、水冷ヒートポンプを増設し、既設の空調機の冷・暖房能力を高めるように構成したものが提案されている。
特開２００５−６９５５２号公報

しかし、システム全体として省エネルギー化を図ることについては、何ら考慮されていない。特許文献１に記載されている空調システムは、冷暖房能力を向上させるべく、建築、設備のリニューアルを行うことを目的としたものである。

本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、半導体、液晶等の製造工場のクリーンルームの空調システムに適用した場合に、必要以上にエネルギーを消費することがなく、省エネルギー化及び省資源化を図ることができる高温冷水適用の熱源システムを提供することを目的とする。

上記のような課題を解決するために、本発明は、以下のような手段を作用している。
すなわち、請求項１に係る発明は、１２℃以上の高温冷水を作る冷水製造手段と、該冷水製造手段から供給される高温冷水を冷熱源として、取り込んだ外気を冷却する外気処理用冷却コイルと、該冷水製造手段から供給される高温冷水を冷熱源として冷却される第１冷却対象と、前記第１冷却対象で使用された高温冷水を熱源水として、前記外気処理用冷却コイルで冷却された外気を更に冷却する水熱源ヒートポンプと、前記外気処理用冷却コイルで使用された高温冷水と前記水熱源ヒートポンプで使用された高温冷水とを混合し、この混合した高温冷水を冷熱源として冷却される第２冷却対象とを備え、該第２冷却対象で使用された高温冷水及び前記混合した高温冷水を前記冷水製造手段に戻すことを特徴とする。

本発明による高温冷水適用の熱源システムによれば、冷水製造手段から供給される高温冷水を冷熱源として、外気処理用冷却コイルで取り込んだ外気が所定の温度まで冷却される。また、冷水製造手段から供給される高温冷水を冷熱源として、第１冷却対象が所定の温度まで冷却される。さらに、第１冷却対象で使用された高温冷水を熱源水として、水熱源ヒートポンプで外気処理用冷却コイルで冷却された外気が更に冷却され、必要とする温湿度まで冷却される。さらに、水熱源ヒートポンプで使用された高温冷水と外気処理用冷却コイルで使用された高温冷水とが混合され、この混合された高温冷水を冷熱源として、第２冷却対象が冷却される。そして、第２冷却対象で使用された高温冷水及び前記の混合された高温冷水が冷水製造手段に戻されることになる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の高温冷水適用の熱源システムであって、前記第２冷却対象を循環する高温冷水と前記混合した高温冷水との間で熱交換器を介して熱交換することにより、前記第２冷却対象を循環する高温冷水が冷却されることを特徴とする。

さらに、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の高温冷水適用の熱源システムであって、前記第１冷却対象は、ドライコイルであり、前記第２冷却対象は、室内に設けられる各種の生産設備であることを特徴とする。

本発明による高温冷水適用の熱源システムによれば、冷水製造手段から供給される高温冷水を冷熱源として、ドライコイルが所定の温度まで冷却される。さらに、水熱源ヒートポンプで使用された高温冷水と外気処理用冷却コイルで使用された高温冷水とを混合して得られる高温冷水を冷熱源として、室内の各種の生産設備が冷却されることになる。

さらに、請求項４に係る発明は、請求項１から３の何れかに記載の高温冷水適用の熱源システムであって、外気温度が低い場合には、前記冷水製造手段により所定の高温冷水を作り、該冷水製造手段から供給される高温冷水を温熱源として、取り込んだ外気を前記外気処理用冷却コイルにより予熱し、前記第１冷却対象で室内の空気を所定の温度まで冷却し、該第１冷却対象で使用された高温冷水を熱源水として、前記水熱源ヒートポンプにより前記外気処理用冷却コイルで予熱された外気を更に加熱し、必要とする温度まで加熱することを特徴とする。

以上、説明したように、本発明の高温冷水適用の熱源システムによれば、冷水製造手段から供給される高温冷水を冷熱源として、外気処理用冷却コイルで取り込んだ外気を所定の温度まで冷却し、第１冷却対象で室内の空気を所定の温度まで冷却し、第１冷却対象で使用された高温冷水を熱源水として、水熱源ヒートポンプで外気処理用冷却コイルで冷却された外気を更に冷却して、必要とする温湿度まで冷却することができる。さらに、外気処理用冷却コイルで使用された高温冷水と水熱源ヒートポンプで使用された高温冷水とを混合し、この混合した高温冷水を冷熱源として、第２冷却対象を冷却することができ、この第２冷却対象で使用された高温冷水及び前記の混合した高温冷水を冷水製造手段に戻すことができる。

従って、冷水製造手段の出口側の高温冷水の温度を従来よりも高くすることができるので、冷水製造手段の成績係数を大幅に上昇させることができ、従来システムから追加になった水熱源ヒートポンプの消費電力を加えても、全体としての消費電力を大幅に減少させることができる。

また、本発明の高温冷水適用の熱源システムによれば、外気温度が低い冬季等においては、冷水製造手段から供給される高温冷水を温熱源として、取り込んだ外気が外気処理用冷却コイルにより予熱され、第１冷却対象が所定の温度まで冷却され、第１冷却対象で使用された高温冷水を熱源水として、水熱源ヒートポンプにより外気処理用冷却コイルで予熱された外気が更に加熱され、必要とする温度まで加熱されることになる。

従って、外気処理用冷却コイルを冷却器として機能させる分だけ、冷水製造手段の運転負荷を軽減させることができるので、省エネルギー化を図ることができ、同時に、負荷が軽減された冷水製造手段への冷却水の供給が軽減できるので、冷却塔への冷却水の補給を軽減でき、水の省資源化を図ることができる。

以下、図面に示す本発明の実施の形態について説明する。
図１には、本発明による高温冷水適用の熱源システムの第１の実施の形態が示されていて、この高温冷水適用の熱源システム１は、半導体、液晶等の製造工場等の建物の内部に設けられるクリーンルームの冷却に適用され、クリーンルーム内を所定の条件（所定の温度、湿度）に保つ空調システムに有効なものである。

すなわち、この高温冷水適用の熱源システム１は、所定の温度の高温冷水を作る冷水製造手段２と、冷水製造手段２から供給される高温冷水を冷熱源として、取り込んだ空気を所定の温度まで冷却する外気処理用冷却コイル７と、冷水製造手段２から供給される高温冷水を冷熱源として冷却される第１冷却対象５と、第１冷却対象５で使用された高温冷水を熱源水として、外気処理用冷却コイル７で冷却された外気を更に冷却する水熱源ヒートポンプ８と、外気処理用冷却コイル７で使用された高温冷水と水熱源ヒートポンプ８で使用された高温冷水とを混合し、この混合した高温冷水を冷熱源として冷却される第２冷却対象１０とを備えており、第２冷却対象１０で使用された高温冷水及び前記の混合した高温冷水を冷水製造手段２に戻すように構成している。

冷水製造手段２は、第１冷凍機３と第２冷凍機４とを直列に接続して構成したものであって、第１冷凍機３の入口側の高温冷水の温度（Ｔ_０）は例えば２２℃に設定され、この温度Ｔ_０（２２℃）の高温冷水が第１冷凍機３で冷却されて所定の温度（Ｔ_１＝１７℃）の高温冷水とされる。そして、この温度（Ｔ_１＝１７℃）の高温冷水が第２冷凍機４に供給され、第２冷凍機４で冷却されて所定の温度（Ｔ_２＝１２℃）の高温冷水とされ、この温度（Ｔ_２＝１２℃）の高温冷水が配管１５を介して外気処理用冷却コイル７及び第１冷却対象５に供給される。なお、冷水製造手段２は、１つ又は３つ以上の冷凍機によって構成してもよい。

第１冷却対象５は、ドライコイル５であって、クリーンルームの周囲を循環する空気の顕熱を冷やすために使用される。ドライコイル５は、第２冷凍機４から供給される温度（Ｔ_２＝１２℃）の高温冷水を冷熱源とし、この冷熱源とドライコイル５に作用するクリーンルームの周囲を循環する空気との間で熱交換することにより、その空気を冷却する。ドライコイル５では、結露が生じない程度の温度に空気を冷却する。ドライコイル５で使用された高温冷水は、所定の温度（Ｔ_３＝１５℃）の高温冷水となって配管１５内に排出され、配管１５を介して水熱源ヒートポンプ８に供給される。

外気処理用冷却コイル７は、第２冷凍機４から供給される所定温度（Ｔ_２＝１２℃）の高温冷水を冷熱源とし、この高温冷水と外部から取り入れた外気との間で熱交換することにより、外気を所定の温度まで冷却する。この場合、外気処理用冷却コイル７では、外気をクリーンルーム内で必要とされる条件まで一度に冷却することができないので、外気処理用冷却コイル７で冷却した空気を後述する水熱源ヒートポンプ用の直接膨張コイル９で更に冷却し、必要とされる温度まで冷却する。外気処理用冷却コイル７で使用された高温冷水は、所定温度（Ｔ_４＝２２℃）の高温冷水となって配管１５内に排出される。

水熱源ヒートポンプ８は、ドライコイル５からの高温冷水（Ｔ_３＝１５℃）を熱源水とする。水熱源ヒートポンプ８には、外気処理用冷却コイル７に連設される直接膨張コイル９が一体に設けられ、この直接膨張コイル９内を循環する冷媒と外気処理用冷却コイル７で冷却された空気との間で熱交換することにより、外気処理用冷却コイル７からの空気を更に冷却し、クリーンルーム内で必要とされる温度まで冷却する。水熱源ヒートポンプ８では、ドライコイル５からの高温冷水（Ｔ_３＝１５℃）を熱源水として用い、直接膨張コイル９を循環する冷媒から高温冷水に排熱することにより、水熱源ヒートポンプ８で使用された高温冷水は、所定温度（Ｔ_５＝約１６．５℃）の高温冷水となって配管１５内に排出される。

外気処理用冷却コイル７から排出された高温冷水（Ｔ_４＝２２℃）と、水熱源ヒートポンプ８から排出された高温冷水（Ｔ_５＝約１６．５℃）は、配管１５内で混合されて所定の温度（Ｔ_６＝約１８．５℃）の高温冷水とされ、この高温冷水と第２冷却対象１０を循環する高温冷水との間で熱交換器１８を介して熱交換が行われ、第２冷却対象１０を循環する高温冷水が冷却され、第２冷却対象１０である生産設備１０が所定の温度まで冷却される。

第２冷却対象１０の冷却に熱交換器１８を介して使用された高温冷水は、前記の高温冷水（Ｔ_６＝約１８．５℃）と混合し、所定の温度（Ｔ_７＝２２℃）の高温冷水となって配管１５を介して第１冷凍機３の入口側に戻される。

図２には、本発明による高温冷水適用の熱源システムの第２の実施の形態が示されていて、この高温冷水適用の熱源システム１は、第２冷却対象１０に高温冷水を直接供給し、第２冷却対象１０の高温冷水の入口側と出口側との間にバイパス回路１３を設けたものであって、その他の構成は前記第１の実施の形態に示すものと同様であるので、同一の部分には同一の番号を付してその詳細な説明は省略するものとする。

バイパス回路１３の途中には、バイパス回路１３を開閉させるバルブ１４が設けられ、このバルブ１４を必要に応じて開放させることにより、第２冷却対象１０で使用された高温冷水がバイパス回路１３内を循環する。
第２の実施の形態では、第１の実施の形態の熱交換器１８を省略しているが、高い清浄度が要求される生産設備１０に高温冷水が供給されるのを防止するため、図１に示すように、熱交換器１８を介してもよい、

図３に、本発明による高温冷水適用の熱源システム１を、半導体製造工場のクリーンルームの空調システムに適用した例を示す。
すなわち、この適用例では、クリーンルーム３１は建物３０の内部に設けられている。また、建物３０の床下には、外気処理用冷却コイル７、水熱源ヒートポンプ８、及び直接膨張コイル９が設けられ、建物３０の内部のクリーンルーム３１に隣接する部分にはドライコイル５が設けられ、クリーンルーム３１の内部には第２冷却対象１０である生産設備１０が設けられ、クリーンルーム３１の上部には、クリーンルーム３１内に空気を供給するためのファンフィルターユニット３２が設けられている。

そして、空調システムを作動させて、外気処理用冷却コイル７、水熱源ヒートポンプ８、及び直接膨張コイル９を作動させると、外部から建物３０の床下に外気が取り込まれ、この外気が外気処理用冷却コイル７で冷却されて所定の温度の空気とされ、この空気が水熱源ヒートポンプ８で更に冷却されて所定の温度の空気とされ、この空気が床下から建物３０の内部に噴出され、建物３０の内部を循環してファンフィルターユニット３２を介してクリーンルーム３１の内部に供給され、クリーンルーム３１の内部を循環してクリーンルーム３１内を冷却した後に、クリーンルーム３１外に排出される。そして、クリーンルーム３１外に排出された空気は、クリーンルーム３１の周囲を循環し、ドライコイル５で冷却されて、再びクリーンルーム３１内に供給される。

上記のように構成した本発明による高温冷水適用の熱源システム１にあっては、例えば、第１冷凍機３の入口側の高温冷水の温度をＴ_０＝Ｔ_７＝２２℃、出口側の温度（第２冷凍機４の入口側の温度）をＴ_１＝１７℃、第２冷凍機４の出口側の温度をＴ_２＝１２℃に設定している。

一般に、冷凍機の成績係数は、冷水温度が高いほど向上する。従って、本実施の形態によれば、冷凍機３、４の入口側及び出口側の冷水温度が従前の６℃よりも高くなっているので、冷凍機３、４の成績係数を高めて、その消費電力を減少させることができる。また、冷凍機３、４に接続される冷却塔での冷却水の蒸発水量を抑えて、補給水量を減らすことができるので、水の省資源化を図ることもできる。

図４に、１０００ＵＳＲＴの冷凍能力を持つ冷凍機の冷水温度と冷凍機の消費電力及び成績係数との関係の一例を示す。図４において、例えば、上から２段目を見ると、冷凍機の入口側の冷水温度が１１℃、出口側の温度が６℃、消費電力が５８２ｋＷ、成績係数（ＣＯＰ）が６．０４を示している。この図４に示す関係から、冷凍機の出口側の冷水温度を高くする方が成績係数がよいことが分かる。一方、本実施の形態においては、第１冷凍機３の入口側の高温冷水の温度をＴ_０＝Ｔ_７＝２２℃、出口側の温度（第２冷凍機４の入口側の温度）をＴ_１＝１７℃、第２冷凍機４の出口側の温度をＴ_２＝１２℃に設定している。図４において、例えば、一番下のデータ（２０／１５）を使用すると、消費電力は、４４４ｋＷとなる。また、同じ図４の下から４段目の（１７／１２）を使用すると、消費電力は４９７ｋＷであるので、概略の全消費電力は、合計４４４＋４９７＝９４１ｋＷとなる。従来のものは、６℃の冷水を使用しているから、上から２番目のデータ（１１／６）を使用すると、消費電力は、５８２×２＝１１６４（ｋＷ）となり、その差は、１１６４−９４１＝２２３（ｋＷ）となり、この分が省エネルギーとなる。

また、本発明においては、高温冷水をカスケード利用しているので、すなわち、ドライコイル５で使用された高温冷水を水熱源ヒートポンプ８で再使用し、外気処理用冷却コイル７で使用された高温冷水と水熱源ヒートポンプ８で使用された高温冷水とを混合したものを生産設備１０で再使用しているので、カスケード利用していない従来のものと比較して、高温冷水の第１冷凍機３及び第２冷凍機４の入口側と出口側での温度差を大きくとることができる。従って、高温冷水の循環水量を大幅に減らすことができるので、配管１５の口径を細くすることができるとともに、高温冷水を循環させるポンプ１６の容量を小さくすることができ、配管系のコストダウンを図ることができる。この結果、水熱源ヒートポンプ８を増設するコストの増加と相殺し、イニシャルコストを上昇させずに、ランニングコストを大幅に低減させることができる。

さらに、第１冷凍機３の入口側の高温冷水の温度をＴ_０＝Ｔ_７＝２２℃、出口側の温度をＴ_１＝１７℃としているので、第１冷凍機３として消費電力の非常に少ない省エネ型の冷水供給器、例えば、チルドタワー（商品名；日立金属（株））を使用することが可能になり、更に省エネルギー化を図ることができる。

さらに、外気温度の低い冬季等においては、図２に示すように、外気処理用冷却コイル７に取り込んだ低温の外気で高温冷水を冷却することにより、つまり、外気処理用冷却コイル７を冷却器として機能させることにより、外気処理用冷却コイル７を冷却器として機能させる分だけ、冷水製造手段２の運転負荷を軽減させることができるので、更なる省エネルギー化を図ることができる。また、同時に、負荷が軽減された冷水製造手段２への冷却水の供給が軽減できるので、冷却塔への冷却水の補給を軽減でき、水の省資源化を図ることができる。

なお、前記の説明においては、高温冷水をカスケード利用する対象として２つの冷却対象を設けたが、３つ以上の冷却対象を設けてもよいものであり、その場合にも同様の作用効果を奏する。

本発明による高温冷水適用の熱源システムの第１の形態を示したブロック線図である。本発明による高温冷水適用の熱源システムの第２の形態を示したブロック線図である。本発明による高温冷水適用の熱源システムの適用例を示した説明図である。冷水温度と冷凍機の消費電力及び成績係数との関係を示した説明図である。従来の冷水の循環システムの一例を示したブロック線図である。

符号の説明

１高温冷水適用の熱源システム２冷水製造手段
３第１冷凍機４第２冷凍機
５第１冷却対象（ドライコイル）７外気処理用冷却コイル
８水熱源ヒートポンプ９直接膨張コイル
１０第２冷却対象（生産設備）１２水用フィルター
１３バイパス回路１４バルブ
１５配管１６ポンプ
１８熱交換器２１冷凍機
２２ドライコイル２３外気処理空調機
２４外気処理用冷却コイル２５生産設備
３０建物３１クリーンルーム
３２ファンフィルターユニット

Claims

１２℃以上の高温冷水を作る冷水製造手段と、該冷水製造手段から供給される高温冷水を冷熱源として、取り込んだ外気を冷却する外気処理用冷却コイルと、該冷水製造手段から供給される高温冷水を冷熱源として冷却される第１冷却対象と、該第１冷却対象で使用された高温冷水を熱源水として、前記外気処理用冷却コイルで冷却された外気を更に冷却する水熱源ヒートポンプと、前記外気処理用冷却コイルで使用された高温冷水と前記水熱源ヒートポンプで使用された高温冷水とを混合し、この混合した高温冷水を冷熱源として冷却される第２冷却対象とを備え、該第２冷却対象で使用された高温冷水及び前記混合した高温冷水を前記冷水製造手段に戻すことを特徴とする高温冷水適用の熱源システム。
前記第２冷却対象を循環する高温冷水と前記混合した高温冷水との間で熱交換器を介して熱交換することにより、前記第２冷却対象を循環する高温冷水が冷却されることを特徴とする請求項１に記載の高温冷水適用の熱源システム。
前記第１冷却対象は、ドライコイルであり、前記第２冷却対象は、室内に設けられる各種の生産設備であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温冷水適用の熱源システム。
外気温度が低い場合には、前記冷水製造手段により所定の高温冷水を作り、該冷水製造手段から供給される高温冷水を温熱源として、取り込んだ外気を前記外気処理用冷却コイルにより予熱し、前記第１冷却対象で室内の空気を所定の温度まで冷却し、該第１冷却対象で使用された高温冷水を熱源水として、前記水熱源ヒートポンプにより前記外気処理用冷却コイルで予熱された外気を更に加熱し、必要とする温度まで加熱することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の高温冷水適用の熱源システム。