JP6513010B2 - 雪室を用いた冷房設備 - Google Patents

Description

本発明は、冬期に貯蔵した雪を、夏期に冷熱源として利用する冷房設備に関し、大きな冷熱出力で安定した冷熱供給機能を有する雪室を用いた冷房設備に関する。

従来より、冬期に降った雪を雪室内に貯蔵し、夏期に雪から融解潜熱を取り出し冷熱源として水と熱交換して、該熱交換した水を冷熱需要施設の空調等に利用するという冷房方法が採用されている。
この方法における雪と水との熱交換は、雪室の床面を貯水ピットとし、雪が堆積している該床面に水を流し、雪と接触した水が雪を融解し雪の冷熱を吸収することで行われている。
そして、この熱交換により低温度となった冷水が、空調システム等へ送られて利用され、該空調システム等で利用されて温まって戻された水を、雪室の床面に送り、再び雪室内の雪と熱交換するというものである。
例えば、雪室の上流側の壁面に沿ってヘッダを設け、そのヘッダから延びる複数の供給口から空調戻り冷水を送水し各供給口から送水される水量を均等にするため、供給口にバルブを設けることで横方向において均等な水量で送水し雪の融解速度の横方向のばらつきを抑えて、冷熱出力を安定させている（特許文献１）。
また、雪室の下流側の床面にピットや堰を施工し、そのピットや堰から低温化した冷水を取出している（特許文献２）。
しかし、この従来技術では、空調戻り冷水を送水するのに、冷熱出力を安定化させるため、ヘッダやバルブを設けたり、低温化した冷水を取出すのに、ピットや堰を施工する必要があるなど、施工費がかかるという問題がある。
また、雪室の貯水ピットに送水すると、貯蔵されている雪の外縁や内部に水路が形成され、融解の進行とともに前記水路が拡大し、特に雪室の床面のコーナー領域で雪と接触せず熱交換に寄与しない水の割合（死水域）が増えてしまい、一定の熱交換がなされず熱交換率や冷熱出力が低下するという問題がある。
加えて、上流側の雪と冷水の温度差が、下流側の雪と冷水の温度差よりも大となり、上流側の雪と熱交換される熱出力が、下流側の雪と熱交換される熱出力よりも大となるため、上流側の雪の融解速度が、下流側の雪の融解速度よりも大となる。その結果、冷房終期には下流側のみ雪が残り、冷熱出力が不安定になるという問題がある。
そこで、この問題を解決するために、雪室の貯水ピットの床面に複数の溝を施工し、複数の水路を形成させることで、雪と水の接触面積（熱交換面積）を確保して、高い冷熱出力の維持を図ること雪冷蓄熱槽が存在する（特許文献３）。
しかし、これらの従来技術では、ヘッダやバルブを設けたり、ピットや堰を施工し、複数の溝を施工するのに施工費がかさんだり、冷房終期には下流側のみ雪が残り、冷熱出力が不安定になるという課題が残っている。

特開２０１５−１３２４２３号公報 特許第４６５０８５７号公報 特許第４５７７７０５号公報

本発明は、上記問題点を解決することを目的とするものであり、冬期に貯蔵した雪を、夏期に冷熱源として水熱交換して利用し、高冷熱出力で安定した冷熱供給機能を有する雪室を用いた冷房設備を提供することを目的とし、施工費のかかる空調戻り冷水を送水するのに、冷熱出力を安定化させるため、ヘッダやバルブを設けたり、低温化した冷水を取出すのに、ピットや堰を施工する必要がない、雪室を用いた冷房設備を提供することを目的とする。
また、雪を貯蔵する雪室の床面に多数の流路を強制的に形成することによって、伝熱面積の拡大と融解速度の安定化を実現し、冷熱出力の向上と安定化を可能とする雪室を用いた冷房設備を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を下記の手段により解決した。
（１）上流側に還り水の供給口を少なくとも一箇所備えるとともに、この供給口から対角線上の位置に下流側に熱交換されて冷却された冷水の取出口を少なくとも一箇所備えた雪室を用いた冷房設備において、
前記供給口から前記取出口に至る雪室床面に、供給口から取出口に向かって流れる水との接触によって、上流側に形成される雪島と下流側に形成される雪島との融解時間が同じとなるように取出口を中心として該取出口から供給口に向かう放射状の水路を設けたこと特徴とする雪室を用いた冷房設備。
（２）上流側に還り水の供給口を少なくとも一箇所備えるとともに、この供給口から対角線上の位置に下流側に熱交換されて冷却された冷水の取出口を少なくとも一箇所備えた雪室を用いた冷房設備において、
前記供給口から前記取出口に至る雪室床面に、供給口から取出口に向かって流れる水との接触によって、上流側に形成される雪島と下流側に形成される雪島との融解時間が同じとなるように取出口を中心として該取出口から供給口に向かう放射状の水路網を設けたこと特徴とする雪室を用いた冷房設備。
（３）前記水路網が、取出口を中心として該取出口から供給口に向かう複数の放射状の径方向の水路と、該径方向の水路に交差する複数の周方向の水路とからなることを特徴とする前記（２）に記載の雪室を用いた冷房設備。
（４）前記水路網を構成する取出口を中心として該取出口から供給口に向かう複数の放射状の径方向の水路と、該径方向の水路に交差する複数の周方向の水路とにより分断されて形成される雪島の底面積が取出口に向かって小さくなるように構成されたことを特徴とする前記（２）に記載の雪室を用いた冷房設備。
（５）前記水路網が、金属製棒体を雪室床面に敷設することによって生じる空間により水路が形成されるとともに、該金属製棒体に雪が接触し融解されて水路が形成されてなることを特徴とする前記（２）〜（４）のいずれか１に記載の雪室を用いた冷房設備。

（６）前記水路網を構成する取出口を中心として該取出口から供給口に向かう複数の放射状の径方向の水路の本数ｍを、冷房設備に使用する雪室の床面積、貯蔵する雪の高さ、雪室床面の上流側から供給する還り水の温度と取り出す温度に基づき求めるため、
雪室床面の形状に合わせて、径方向の水路をｍ本とし、該径方向の水路と交差する周方向の水路ｎ本を決め、また径方向の水路の幅の角度Φと、隣り合う径方向の水路がなす角度θ、水路の幅ｄを決めるステップ１と、
前記周方向の水路間の距離を最上流の幅広の円弧状の水路から下流側の円弧状の水路に向かってＬ_１（円弧状の水路ｎ_１とｎ_２の間隔）、Ｌ_２（円弧状の水路ｎ_２とｎ_３の間隔）・・Ｌ_ｎ−１（円弧状の水路ｎ−１とｎ間隔）とし、前記各水路間の距離を同一として、必要な径方向の水路の本数ｍを式（１）から（３）により求めるステップ２と、
円弧状の水路間のＬ_１、Ｌ_２・・Ｌ_ｎ−１の距離を異ならせ各雪島の融解時間が同じようになるように最適な各水路間の距離を式（４）及び式（５）から求めるステップ３と、
上記のより、求めた最適化した円弧状の水路間の間隔（Ｌ_１、Ｌ_２、・・Ｌ_ｎ−１）を使い、前記式（３）の条件を満たしているか否かを検証し同式（３）の条件が満たされていれば円弧状の水路間の間隔を確定し、前記式（３）の条件が満たされていないときは、径方向の水路の本数ｍを増やし、円弧状の水路間の距離を最適化し、前記式（３）の条件が満たされているか検証し、前記式（３）の条件が満たされるまで繰り返すことにより、上流側の雪島と下流側の雪島との融解時間差が小さくなるよう径方向の水路の最小本数と各周方向の水路の間隔（Ｌ_１、Ｌ_２・・Ｌ_ｎ−１）を求めるステップ４と
から求められた径方向の水路と周方向の水路とからなる水路網であることを特徴とする前記（２）〜（５）のいずれか１に記載の雪室を用いた冷房設備。

（７）上流側に還り水の供給口を少なくとも一箇所備えるとともに、この供給口から対角線上の位置に下流側に熱交換されて冷却された冷水の取出口を少なくとも一箇所備えた雪室を用いた冷房設備において、
前記供給口から前記取出口に至る雪室床面に、供給口から取出口に向かって流れる水との接触によって、取出口を中心として該取出口から供給口に向かう放射状の水路を設け、下記の条件式（６）及び式（７）を満足する最小のｍを、放射状の径方向の水路の本数ｍとしたことを特徴とする雪室を用いた冷房設備。

本発明によれば、上流側に還り水の供給口を少なくとも一箇所備えるとともに、この供給口から対角線上の位置に下流側に熱交換されて冷却された冷水の取出口を少なくとも一箇所備えた雪室を用いた冷房設備において、
前記供給口から前記取出口に至る雪室床面に、供給口から取出口に向かって流れる水との接触によって、上流側に形成される雪島と下流側に形成される雪島との融解時間が同じとなるように、取出口を中心として該取出口から供給口に向かう複数の放射状の水路や水路網を設けたので、伝熱面積の拡大と融解速度の安定化を実現し、冷熱出力の向上と安定化を可能とする雪室を用いた冷房設備を提供することができる。
また、前記水路網が、取出口を中心として該取出口から供給口に向かう複数の放射状の径方向の水路と、該径方向の水路に交差する複数の周方向の水路とから構成されているので、供給口から供給される水路網を流れる冷水によって、雪室内の雪島が扇状となると水路幅が拡大し水位差がほとんどなくなり冷水の速度は緩やかになる。そして、扇の円弧部分において、冷水と雪の温度差もそれほど変わらなくなるので、雪の融解速度の周方向のばらつきを抑えて、冷熱出力の向上と安定化を可能とする雪室を用いた冷房設備を提供することができる。
また、前記水路網が、金属製棒体を雪室の床面に敷設することによって生じる空間により水路が形成されるとともに、該金属製棒体に雪が接触し融解されて水路が形成されるので、大がかりな工事や設計変更等が不要で、新規の雪室はもちろん、既存の雪室にも容易に、かつ安価に配設することができる
さらに、出口管の開口を一方の隅部に臨ませ、入口管の開口を他方の隅部に臨ませるだけのシンプルな構成で済むので、ヘッダやバルブやピットや堰などの施工が不要な雪室を用いた冷房設備を提供することができる。

本発明の雪室を用いた冷房設備の構成を示す概略図である。 本発明における冷房設備の雪室床面に放射状の水路を形成する１例を示す平面図である。 本発明における雪室内の冷房負荷と必要とする冷房負荷の雪の貯蔵期間中の変化を示す図である。 雪室の熱負荷積算、冷房負荷積算、及び負荷トータルの冷房設備雪の貯蔵期間中の積算量の変化を示す図である。 本発明における雪島と従来の雪島の熱交換能力の差異を説明するための平面図である。 本発明における雪島と従来の雪島の熱交換能力の差異を説明するための立面図である。 本発明における水路網により形成される雪島の例を示す平面図である。 本発明における水路網により形成される一つの雪島の例を示す斜視図である。 本発明における水路網により形成される雪島の例における冷房開始初期と冷房負荷最大期の雪島の融解を示す平面図である。 本発明における水路網により形成される雪島を流れる水の温度変化を表す図である。 本発明の雪室床面に格子状の水路網を形成する場合の横方向の水路の数と縦方向の水路間の間隔を求める説明図である。

図１は本発明の雪室を用いた冷房設備の構成を示す概略図である。
同図において、１は冬期に降った雪を貯蔵する雪室、２は雪室の床面、３は熱交換器からの還り水の供給口、４は供給され雪室１内で冷却された水の取出口で、供給口３から対角線上の位置に設けられている。
本発明にかかる雪室を用いた冷房設備の基本構成は、図１に示すように、雪室１の上流側に設けられた供給口３から供給された還り水が、雪室１内の雪との熱交換により冷却され冷水となって下流側に設けられた取出口４から取り出される。前記取出口４から取り出された冷水は、熱交換器に送られ、冷熱需要施設の空調システム等の冷媒との間で熱交換され、冷熱需要施設の冷房等冷熱源として活用される。
そして、前記熱交換器での熱交換によって温められた水は、還り水として雪室１の供給口３へ送られ、雪室１内で再び雪との熱交換によって冷却され、取出口４から取り出される水の循環で冷房する機構となっている。
図１に示す例においては、雪室１の供給口３から供給された水が、雪との熱交換により５℃に冷やされて熱交換器に送られ、熱交換器で熱交換された７℃の冷媒が冷熱需要施設の空調システム等に供給される。そして、該空調システム等で使用されて温度が１２℃となった冷媒が熱交換器に送られる。
その後、熱交換器によって１０℃に調整された還り水は、雪室１の供給口３から雪室１に供給され、この還り水が雪と接触することで雪が融解され、該還り水は雪の冷熱を吸収して冷やされ、５℃程度の冷水となる。そして、この冷水は取出口４から取り出され、再び熱交換器に送られるという構成となっている。

図２は本発明における冷房設備の雪室床面に放射状の水路を形成する１例を示す平面図である。
図において、５は放射状に形成された水路網、５’は水路網を形成する水路網構成体、６は取出口４を中心として該取出口４から供給口３に向かう放射状の径方向の水路、７は該径方向の水路６に交差する周方向の水路である。
また、８は放射状の水路網５を構成する径方向に配置された棒、９は前記径方向に配置された棒８に交差する周方向に配置された棒である。
本発明の雪室を用いた冷房設備は、図２（ａ）に示すように、雪室の床面に水路網５が取出口４から供給口３に向かって放射状に形成される。
本発明における水路網５は、水の偏流によって雪が不規則に融解するのを防止し水の流れを誘導して、所定位置の雪の融解を促進し、水と雪の熱交換を一定に安定して実施させるために設けられるものである。
すなわち水路網５は、水の流れを誘導できるものであればよく、雪室の床面２にあらかじめ凹状に水路を形成して構成したり、熱伝導率の高い棒体を敷設して形成することが考えられる。
図２（ｂ）は、金属製の放射状に径方向に配置された棒８と、該径方向に配置された棒８に交差する周方向に配置された棒９から形成された水路構成体５’である。
本例においては、水路網５の形成する水路網構成体５’は、金属製棒体を雪室の床面２に敷設して構成されている。金属製棒体を雪室床面に敷設することによって生じる空間により水路が形成されるとともに、該金属製棒体に雪が接触して融解されることにより、金属製棒体を中心に水路が形成され、水路網５が形成される。これは、金属製棒体は、熱伝導性に優れていることから雪の融解を促進しやすく水路の形成に好適なためであるが、同様の効果を期待できるものであれば、これに限定されるものではない。
この放射状に形成された水路網構成体５’を雪室の床面に配置することで、各棒８、９に接する雪が優先的に溶け、棒体を中心に水路が形成され、各水路間に残る雪が雪島を形成することで、雪室の床面２に放射状に配列した複数の雪島が形成される。
そして、各雪島の縁部に位置する各棒に沿って水路６、７が形成され水路網５ができる構成となっている。
なお、図２（ｂ）に示すように、雪室の床面２に水路網５を形成するために配置する放射状の径方向の棒体（棒８）は、雪室の床面２の周囲は省略することができる。
これは、雪室の床面２の周囲は壁に面しており、該壁からの潜熱により周囲に水路が構成されるからであるが、壁面からの潜熱が期待できないような場合には、床面２の周囲に棒体を配設することが望ましい。
また、本実施例においては、径方向の水路６、棒８は同じ角度で配置、構成され、周方向の水路７、棒９は各径方向の配置間隔が異なって配置、構成されている。
これにより後述するように、雪室１に貯蔵されている雪が底面積の異なる複数の雪島を形成し、かつ、その底面積が供給口３から取出口４に向かって小さくなるので、供給口３から取出口４へ流れる間に変化する水の温度変化により変動する冷熱出力を安定させることができ、複数の雪島を平均して融解することができ、また融解部分が供給口３に偏って伝熱面積が減少することなく、全体の伝熱面積は拡大される。

図３は本発明における雪室１内の冷房負荷と必要とする冷房負荷の雪の貯蔵期間中の変化を示す図である。
同図において、横軸は雪の貯蔵期間、縦軸は熱負荷ｑ（Ｊ／ｓ）である。
ｑLは熱負荷で、例えば、雪室１の外から熱が貫流して入るため、その負荷は４月頃から発生しピークが８月頃になり、１０月頃まで発生する。
これに対してｑcは冷房負荷で、冷房の需要量を示している。冷房需要は例えば、６月頃から発生し、外気温が高くなるにつれて大きくなっていくという性質がある。そしてピーク値ｑｃ-maxは８月中旬頃となる。
したがって、このピーク値ｑｃ-maxに対応可能なように雪室１の床面積を設定し、必要量の雪を貯蔵する必要がある。
図４は、雪室の熱負荷積算、冷房負荷積算、及び負荷トータルの冷房設備雪の貯蔵期間中の積算量の変化を示す図である。
同図において、横軸は雪の貯蔵期間、縦軸は積算熱量Ｑ（Ｊ）を示す。
ＱＬ、Ｑｃ、Ｑsumはそれぞれ図３に示した、熱負荷ｑＬ、冷房負荷ｑｃ、及び負荷トータルｑＬ＋ｑｃの積算値を示したもので、ＱＬは雪室の冷房熱負荷の積算値で４月からゆっくりと上がっている。Ｑｃは冷房負荷の積算値で６月から急伸し後半はゆっくりと上がっている。
Ｑsum（点線）は、ＱＬとＱｃを合算したもので雪室１に対する熱負荷の合計である。したがって、このＱsumに対応できるように貯蔵する雪の量（Ｍs）が決められ、例えば、Ｑsum（熱負荷の合計）の１．２〜１．３倍の蓄積冷熱Ｑが確保される雪の量が貯蔵できるように雪室１を設計する。

図５は本発明における雪島と従来の雪島の熱交換能力の差異を説明するための平面図、 そして図６は本発明における雪島と従来の雪島の熱交換能力の差異を説明するための立面図である。
図５、図６において、（ａ）は本発明における放射状の水路網を雪室の床面２に配設した場合に形成される雪島２１の形状の例であり、（ｂ）は従来の雪室における雪島２２の典型的な形状を示している。雪島２１、２２はいずれも図６に示す雪島の下部の水に浸っている部分が伝熱面積１０（熱交換面積）であり、熱交換能力の大小にかかわる。
図５（ｂ）、図６（ｂ）に示すように従来の雪島２２は一つの大きな塊として形成されており、水に浸かった部分の面積は狭い。
これに対して、図５（ａ）、図６（ａ）に示すように本発明における雪島２１は、複数の径方向の放射状の水路６とこれに直交する複数の周方向の水路７とで分割されて形成されている。したがって、これら複数の雪島２１の外周の下部の水に浸っている部分のすべてが伝熱面積１０であり、従来の雪島２２の伝熱面積に比べて広く、雪室１全体の熱交換能力を大きくしている。

図７、図８は本発明における水路網により形成される雪島２１の配列を示す平面図、及び一つの雪島の形状を示す斜視図である。
図７（ａ）に示すように、雪室の床面２に幅の角度Φからなる径方向の水路６を４本（ｍ_１、ｍ_２、ｍ_３、ｍ_４）と、同じく幅ｄからなる周方向の水路７を３本（上流側からｎ_１、ｎ_２、ｎ_３）、前記周方向の水路７においては、ｎ_１とｎ_２との間隔をＬ１、ｎ２とｎ３との間隔をＬ２、ｎ３と取出口４との間隔をＬ３として敷設すると、径方向の水路６のｍ_１とｍ_２、ｍ_２とｍ_３、ｍ_３とｍ_４が、周方向の水路ｎ_１、ｎ_２、ｎ_３とによって区切られ、径方向に３列、周方向に３行の領域が形成される。
図７（ｂ）は上記図７（ａ）における、径方向の水路６のｍ_１とｍ_２とによって形成される雪島を表す図である。
同図示のように上流側からＡ_１、Ａ_２、Ａ_３で示す３個の雪島が径方向一列に形成される。そしてそれぞれの雪島の面積は雪島Ａ_１がａ_１、雪島Ａ_２がａ_２、雪島Ａ_３がａ_３と異なって構成される。
ここで雪島Ａ_１〜Ａ_３の幅の角度をθ、放射状の水路６の幅の角度をΦ、円弧状の水路７の幅をｄとすると、放射状の水路６のｍ_１とｍ_２の隣り合う水路６の中心線の為す角度（θ＋Φ）は、９０／（ｍ−１）となる。ここでｍ＝４本だと該隣り合う水路６の中心線の為す角度（θ＋Φ）は３０°である。
ここで、Ｗ１aを雪島Ａ_１の上流側の奥行き、Ｗ１ｂを雪島Ａ_１の下流側の奥行き、Ｗ２aを雪島Ａ_２の上流側の奥行き、Ｗ２ｂを雪島Ａ_２の下流側の奥行き、Ｗ３aを雪島Ａ_３の上流側の奥行き、Ｗ３ｂを雪島Ａ_３の下流側の奥行き、Ｌ_１を水路ｎ_１とｎ_２との間隔、Ｌ_２を水路ｎ_２とｎ_３との間隔、Ｌ_３を水路ｎ_３と取出口４との間隔、Ｌ_１’を雪島Ａ_１の径方向の幅、Ｌ_２’を雪島Ａ_２の径方向の幅、Ｌ_３’を雪島Ａ_３の径方向の幅、αwを雪島Ａ_１〜Ａ_３の径方向の熱伝導率、αLを雪島Ａ_１〜Ａ_３の周方向の熱伝導率、Ｈ’を雪島Ａ_１〜Ａ_３の高さ、ｈを雪島Ａ_１〜Ａ_３の下部の水に浸った部分の高さとする。

なお、径方向の水路の幅や周方向の水路の幅は、外気温が高くなる時期には雪島の融解が進み拡大するが、実際の構成のための計算では、ピーク時に冷房需要を満たせばよいと考えて、ピーク時における水路の幅について計算すれば良い。
該ピーク時までの熱負荷の合計をＱsum-ｔとし、雪島のほぼ全てが融解するのに必要な熱負荷の合計をＱsumとすると、Ｑsum-ｔ：Ｑsum＝ピーク時における既に融けた雪の面積：雪室の床面の面積となる。この比例関係よりΦやｄを求める。上記のように、水路の幅は径方向でも周方向でもさほど変わらないので、径方向の水路の幅の平均と周方向の水路の幅がほぼ同じになるようにすればよい。
図９は本発明における水路網により形成される雪島の例における冷房開始初期と冷房負荷最大期の雪島の融解を示す平面図で、同図（ａ）冷房開始初期の上流側から下流側への冷水が流れる図で、同図（ｂ）は冷房負荷最大期の上流側から下流側への冷水が流れる図である。
同図においてａ〜ｅは放射状の径方向の水路６と該径方向の水路と交差する周方向の水路７とによって形成された雪島であり、Ｆは前記雪島と還り水の供給口との間に形成された雪島である。
同図（ａ）に示すように冷房運転開始初期は冷水が流れる空隙が狭く流速が速く熱伝達率が特に大きい。また、冷水が分配されるより上流に位置している雪島Ｆは、周囲の流速が相対的に速いこともあり、初期に融解が進む。
そして同図（ｂ）示すように冷房負荷が最大となる中期には雪島Ｆは消失している。また、この時期には水路６、７が十分拡大しており、流速が特に小さく自然対流の影響が大きく雪島と水の熱伝達率は全体に一定的になっている。
そして図１０は、図７に示す条件での雪室の床面２を上流の供給口３から下流の取出口４に向かって流れていく水の温度変化を表したものであり、横軸は上流側から下流側までの距離、縦軸は水の温度を示し、Ｔ１は供給口３に供給される還り水の温度、Ｔ２は雪島Ａ_１とＡ_２との間を流れた水の温度、Ｔ３は雪島Ａ_２とＡ_３との間を流れた水の温度、Ｔ４は取出口４から取り出される水の温度、Ｔｓは雪の温度である。
同図において、供給口３に供給される還り水の温度が１０℃の時、雪室の床面２を流れる水は雪との熱交換によってその温度が指数関数的に徐々に下がり、取出口４で５℃位になることがわかる。
この供給口３から取出口４へ流れる水の温度は、下記の式（１）により算出できる。

ここで、径方向の水路の最上流側の位置を原点とし、「ＪＳＭＥテキスト 伝熱工学 日本機械学会編」に記載の、流体の温度変化の式に、最上流側の位置ｘ＝０[ｍ]のときの水温Ｔｉｎ（＝１０℃）と、最下流側の位置（冷水の取出口４）ｘ＝１０[ｍ]のときの水温Ｔｏｕｔ（＝５℃）を代入して、βを求めた。

式（１）から算出される水の温度を用いて、各雪島Ａ_１〜Ａｎにおける水と雪との間で交換される熱出力ｑを求めことができる。
ここで上流側から下流側に形成される雪島の数をｎとし、該雪島を上流側からＡ_１、Ａ_２、・・・Ａｎとすると、ｋ番目の雪島Ａ_Kにおいて熱交換される熱出力ｑ_ｋは、下記の式（２）により算出できる。

ここで、Ｗkaを雪島Ａ_ｋの上流側の奥行き、Ｗkbを雪島Ａ_ｋの下流側の奥行き、Ｌ_ｋを円弧状の水路ｎｋとｎｋ＋１の径方向の幅、Ｌ’_ｋを雪島Ａ_ｋの径方向の幅、αwを雪島Ａ_ｋの径方向の熱伝導率、αLを雪島Ａ_ｋの周方向の熱伝導率、Ｈ’を雪島Ａ_ｋの高さ、ｈを雪島Ａ_ｋの下部の水に浸った部分の高さ、ｄを周方向の水路の幅、ψを放射状の水路６の幅の角度とする。
また、ΔＴ_ｋ―Ｓを雪島Ａ_ｋの上流側の奥行き面の温度差、ΔＴ_{ｋ―（ｋ＋１）}を雪島Ａ_ｋの上流側と下流側の奥行き面の対数平均温度差、ΔＴ_{（ｋ＋１）−ｓ}を雪島Ａ_ｋの下流側の奥行き面の温度差とする。

例えば、式（２）を用いて、雪島Ａ_１において熱交換される熱出力ｑ_１は、下記の式（２ａ）により算出できる。

同様に雪島Ａ_２において熱交換される熱出力ｑ_２は、下記の式（２ｂ）により算出できる。
雪島Ａ_２において熱交換される熱出力（ｑ_２）

発明者が行った実験によると、雪島の角度θや放射状の水路の幅の角度Φ、水路の幅ｄや雪室の大きさに拘わらず取出口から２〜３ｍの雪が融けることが分かった。
従って、取出口直近に設けられる円弧状の周方向の水路と取出口との距離を２〜３ｍとすることが望ましい。
また、雪と冷水の温度差は小さいが、取出口付近では上下方向の冷水の乱流が促進されるので雪が融けることから、下流側の雪島Ａ_３は、（冷房需要の）ピーク時にはほとんど融けているかもしくは消滅しているので、無視することができる。

本発明における雪室を用いた冷房設備は、上記式（２）により求められる全雪島の持つ熱交換量ｑにより雪室１全体における可能な総熱交換量を算出し、前記図３に示した冷房需要のピーク値ｑｃ-maxに対応できるよう水路網５が構成される。前記雪室１全体における可能な総熱交換量と冷房需要のピーク値ｑｃ-maxとの関係は、下記式（３）のようになる。

また、雪島Ａ_ｋが持つ冷熱Ｑ_ｋは、下記式（４）により求められ、雪島Ａ_ｋを融解するために必要な時間ｔ_ｋは、下記式（４）により求められる。

ここで、ρｓは雪の密度 [ｋｇ／ｍ^３]、ηｓは雪の融解潜熱 [ｋＪ／ｋｇ]である。

本発明にかかる雪室を用いた冷房設備は、上記のごとく算出した各雪島Ａ_１〜Ａ_ｎの融解時間ｔ_１〜ｔ_ｎの差が同じになるように雪室の床面２に水路網５を敷設して形成される。
すなわち、雪室１の上流側と下流側の雪島２１に融解ムラが生じないように、前記雪島Ａ_１〜Ａ_ｎ−１を同じ時間（ｔ1＝ｔ2＝・・＝ｔｎ−１）で融解するよう放射状の水路網５を設けて径方向の水路７の間隔Ｌ_１〜Ｌ_ｎ−１を最適化して、冷熱出力の安定化を図るものである。
したがって、本発明に係る雪室を用いた冷房設備は、上記条件を充足するべく水路網５を構成するように径方向及び周方向の水路の本数及び配置間隔を調整している。

以下に、図１１を参考に、本発明の目的を達成するための雪室の床面２に構成される水路網５における径方向の水路の本数ｍと周方向の水路の本数ｎ及び縦方向の水路同士の間隔Ｌを求める例を示す。
〈ステップ１〉
冷房設備に使用する雪室床面２の床面積（図１１において縦及び横の長さａ）、貯蔵する雪の高さ、雪室床面の上流側から供給する還り水の温度と取り出す温度を定めた雪室の設計仕様に基づき、雪室の床面（縦及び横の長さａ）に合わせて、径方向の水路をｍ本と、円弧状の周方向の水路の本数ｎを決める。
この円弧状の水路ｎの本数は、雪室の大きさなどに応じて適宜決めればよいことから、例えば３本と決めると、同図に示すように床面が径方向の水路と周方向の水路とによって区切られ、径方向に３列、周方向に１行の区画が形成され、区画の各領域に、それぞれ上流側から雪島Ａ_１、中間のＡ_２、下流側の雪島Ａ_３の３個の雪島が形成される。
また放射状の水路の幅の角度をΦとし、雪島Ａ_１〜Ａ_３幅の角度（隣り合う径方向の水路がなす角度）をθとし、円弧状の水路の幅をｄとする。
なお、径方向の水路の幅の平均と周方向の水路の幅ｄが略同じになるようにｄとΦを決めればよい。
〈ステップ２〉
次に、最上流の幅広の円弧状の水路と最上流の水路に隣り合う下流側の円弧状の水路間の距離をＬ_１（円弧状の水路ｎ_１とｎ_２の間隔）、円弧状の水路ｎ_２とｎ_３の間隔をＬ_２、円弧状の水路ｎ_３と取出口４との間隔をＬ_３、Ｌ_１’を雪島Ａ_１の径方向の幅、Ｌ_２’を雪島Ａ_２の径方向の幅、Ｌ_３’を雪島Ａ_３の径方向の幅とする。ここで、水路の間隔Ｌ_３の距離は、雪島の角度θなどに応じて適宜決めればよいが、ピーク時に下流側の雪島が融解する程度の距離（本件の例においては、２．５ｍ）が好ましい。
ここで、下流側の雪島Ａ_３は、（冷房需要の）ピーク時にはほとんど融けているかもしくは消滅 しているので、Ｌ_３については無視することができるので、Ｌ_１とＬ_２を同一と仮定し、必要な放射状の水路の本数ｍを式（１）から（３）により求める。
〈ステップ３〉円弧状の水路間の距離を最適化するステップ
Ｌ_１、Ｌ_２の距離を異ならせ各雪島の融解時間が同じようになるよう式（４）及び式（５）から求める。
〈ステップ４〉
上記により最適化した円弧状の水路間の間隔（Ｌ_１、Ｌ_２）を使い、前記式（３）の条件を満たしているか否かを検証し同式（３）の条件が満たされていれば円弧状の水路間の間隔を確定し、前記式（３）の条件が満たされていないときは、径方向の水路の本数ｍを増やし、円弧状の水路間の距離を最適化し、前記式（３）の条件が満たされているか検証する。そして前記式（３）の条件が満たされるまで繰り返す。
この繰り返しにより、上流側の雪島と下流側の雪島との融解時間差が小さくなるよう径方向の水路の最小本数と各周方向の水路の間隔（Ｌ_１、Ｌ_２）を求める。なお、Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３＝ａであり、Ｌ_３も決まった値なので、Ｌ_１とＬ_２の和は一定となり、Ｌ_１の値が決まれば、Ｌ_２の値も一義的に決まる。
すなわち、Ｌ_１、Ｌ_２を適当な間隔で移行させて、雪島の融解時間ｔ_１、ｔ_２および融解時間のバラツキ（標準偏差σ）を求め、標準偏差σが最も小さくなるようなＬ_１、Ｌ_２を検出することで、上流側の雪島と下流側の雪島との融解時間差が小さくなる水路の間隔（Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３）を求めることができる。
なお、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３の求め方として、上記のような直接検出による最適化を例示したがそれに限られるものではない。また、融解時間の最大値と最小値の差が最も小さくなるようなＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３を検出してもよい。

具体的な例として、雪室の設計仕様を、縦の長さaが１０ｍ、横の長さがｂが１０ｍの床面２の雪室で、貯蔵する雪の高さＨ'を３ｍ、雪島Ａ_１〜Ａ_３の径方向に沿う両側面のなす角度θを０．７７［ｒａｄ］（４．４１°）、放射状の水路６の幅の角度Φを０．０８［ｒａｄ］（４．５８°）、円弧状の水路７の幅ｄを０．１ｍ、雪島の下部の水と接する部分の高さｈを０．２ｍ、雪島の奥行き側の熱伝達率α_ｗを２２７Ｗ／ｍ^２Ｋ、雪島の長さ側の熱伝達率α_Lを２２７Ｗ／ｍ^２Ｋ、雪密度ρｓを５００ｋｇ／ｍ^３、雪の溶解潜熱ηｓを３３０ｋＪ／ｋｇ、雪室床面の上流側の供給口から供給する還り水を１０℃、下流側の取出口から取り出す冷水の温度を５℃とする。
前記雪室の周方向の水路の本数ｎを３本とし、径方向の水路の本数ｍを１１本（９０÷（４．４１＋４．５８）＋１）とする。すると、１１本の径方向の水路ｍ１〜ｍ１１と３本の周方向の水路ｎ１〜ｎ３と取出口により３個の雪島Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３ができる。なお、上記のように、雪島Ａ_３はピーク時には非常に小さくなっているか、あるいは消滅している可能性が高いので無視することもできる。
上記により、式（１）〜（５）により求められた各雪島Ａ_１、Ａ_２の融解時間ｔ_１とｔ_２の差が小さくなるように、最適化する円弧状の水路７の間隔Ｌ_１、Ｌ_２をもとめるとＬ_１＝２．５５ｍ、Ｌ_２＝４．９５ｎ（Ｌ_３＝２．５ｍ）が求められる。このＬ_１及びＬ_２を使用し式（１）〜（２）により、各雪島の水との熱交換（ｑ_１、ｑ_２）を求める。
次に、熱交換熱交換（ｑ_１、ｑ_２）の結果を式（３）の不等式にあてはめて、全雪島Ａ_１、Ａ_２と水の熱交換の総熱出力（５６２００［Ｊ/ｓ］）が冷房ピーク時の負荷より大きくなることを確かめ、これによりこの金属棒の本数でピーク時の負荷を十分にまかなえることが判る。
なお、上記において、（３）の不等式を満たさないときは、径方向の水路の本数を増やし、増やした径方向の水路の本数を用いて上記の方法を実施し、最少本数の径方向の水路の本数を求める。

このように、上記ステップ１から径方向の水路の本数を求め、ステップ２から各周方向の水路間の距離（長さ）Ｌを求め、求めた各周方向の水路間の距離Ｌが式（３)の条件を満たすか否かを検証することで、上流側の雪島と下流側の雪島の融解時間の差が小さくなるような径方向の水路の本数と各周方向の水路間の距離Ｌが求まり、これにより算出された径方向の水路の本数と各周方向の水路間の距離で放射状の水路網５を雪室床面２に構成することで上流側から下流側まで各雪島からの水への熱交換能力の均等化が図られた優れた雪室を提供することができる。

なお、上記のような水路網５を形成するために、前記図２（ｂ）について説明したように、上記放射状の水路網５の形状と同一の形状を金属製の棒８と、該棒８に交差する棒９で水路構成体５’を形成し、該放射状に形成された水路構成体５’を雪室の床面に配置することで、各棒８及び棒９によって生じる空間により水路が形成されるとともに、各棒８及び棒９に接する雪島の縁部に沿って雪が溶け各棒８及び棒９の回りに水路を形成することができる。
また、上記において、各周方向の水路間の距離Ｌを均等として径方向の水路の最小本数を求め、求めた各周方向の水路間の距離Ｌが式（３）の条件を満たすか否かを検証したが、他の方法として、径方向の水路ｍの本数を適宜設定し、その本数で求めた各径方向の水路間の距離Ｌが前記条件を満たすか否かを検証し、前記条件が満たされていないときは、満たすまで径方向の水路の本数を増やして前記条件を満たすか否かを検証し、前記条件が満たされているときは、径方向の水路の本数を減らして前記条件を満たすか否かを検証し、この繰り返しにより、上流側の雪島と下流側の雪島との融解時間差が小さくなるよう径方向の水路の最小本数と各周方向の水路間の距離を求めることもできる。
本実施形態では、複数の放射状の径方向の棒８と、該棒８に直交する複数の周方向の棒９で水路構成体５’を形成し、径方向の棒８の一端が取出口４に位置し、径方向の棒８の他端が雪室の床面２の周囲に位置する構成を例示したが、径方向の棒８の他端が最上流側の周方向の棒９に位置する構成でもよい。
さらに、該棒８に直交する複数の周方向の棒９を省略し、径方向の棒８の他端が雪室の床面２の周囲に位置する構成でもよい。周方向の棒９を設置しないので、雪島は、半径が床面の一辺の長さａから水路ｄの半分を引いた長さ、角度が雪島Ａ_１の幅の角度θの扇状の雪島Ａ_１１つになる。このとき、総熱出力と冷房需要のピーク値との関係の式を満たすよう、下記の条件式（６）、（７）を満足する最小のｍを、放射状の径方向の水路の本数ｍとして規定する。
雪島Ａ_１において熱交換される熱出力

・雪室１全体における可能な総出力と冷房需要のピーク値ｑ_ｃ-maxとの関係は、下記式（７）のようになる。
総熱力と冷房設備のピーク値との関係

この式を満たす最小のｍを求める。その本数が放射状の水路６の本数になる。
・ここで、
ｗ_１：雪島Ａ_１の円弧の長さ
α_w：雪島Ａ_１の径方向の熱伝達率
α_L：雪島Ａ_１の周方向の熱伝達率
ΔＴ_１−ｓ（雪島Ａ_１の円弧の面の温度差）＝Ｔ_ｉｎ（水路ｎ１の水温＝還り冷水の温度＝１０℃）−Ｔ_ｓ（雪島Ａ_１の温度＝０℃）
ΔＴ_ａ−ｏ（雪島Ａ_１の円弧と中心の対数平均温度差）＝（ΔＴ_ｉｎ−ｓ−ΔＴ_{ｏｕｔ−ｓ}）／ｌｎ（ΔＴ_ｉｎ−ｓ／ΔＴ_{ｏｕｔ−ｓ}）＝（Ｔ_ｉｎ−Ｔ_ｏｕｔ）／ｌｎ（ΔＴ_ｉｎ−ｓ／ｄΔＴ_{ｏｕｔ−ｓ}）＝５／ｌｎ（ΔＴ_ｉｎ−ｓ／ΔＴ_{ｏｕｔ−ｓ}）
複数の周方向の棒９を省略した場合の水路網により形成される雪島の融解について説明する。冷房初期には、供給口から送水される冷水は、中央側の雪に当たり左右に分岐して放射状の水路を流れる。供給口付近を流れる冷水の速度は早いため、熱伝達率が大きくなり、冷水と雪の温度差も大きいため、中央側の雪は融解が早く進む。左右に分岐して低温化した冷水は、中央側の雪の隣りの雪に当たり更に左右に分岐して放射状の水路を流れる。左右に分岐した冷水の速度は遅くなるため、熱伝達率が小さくなり、低温化した冷水と雪の温度差も小さくなるため、隣りの雪は中央側の雪に比べて融解が遅くなる。このように、中央側から隅側にいくほど雪の融解が遅くなる。その結果、冷房ピーク時には、扇状に雪が残る。
このように、床面の一方の隅部に、取出口４を設け、その取出口４を中心に径方向の棒８を放射状に設置し、他方の隅部に、供給口３を設けるだけで、周方向の棒９を省略したとしても、雪の融解速度の違いで扇状に雪が残ることになり、更なる構成の簡素化が図れる。また、径方向の棒８と周方向の棒９を溶接しなくてもよく、径方向の棒８を転がし配置するだけでよいので、更なる施工の簡略化が図れる。

１：雪室
２：雪室の床面
３：供給口
４：取出口
５：水路網
５’：水路網構成体
６：径方向の水路
７：周方向の水路
８：径方向の棒
９：周方向の棒
１０：伝熱面積
２１、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３：本発明の雪島
２２：従来の雪島

Claims (7)

1. 上流側に還り水の供給口を少なくとも一箇所備えるとともに、この供給口から対角線上の位置に下流側に熱交換されて冷却された冷水の取出口を少なくとも一箇所備えた雪室を用いた冷房設備において、
   前記供給口から前記取出口に至る雪室床面に、供給口から取出口に向かって流れる水との接触によって、上流側に形成される雪島と下流側に形成される雪島との融解時間が同じとなるように取出口を中心として該取出口から供給口に向かう放射状の水路を設けたことを特徴とする雪室を用いた冷房設備。
2. 上流側に還り水の供給口を少なくとも一箇所備えるとともに、この供給口から対角線上の位置に下流側に熱交換されて冷却された冷水の取出口を少なくとも一箇所備えた雪室を用いた冷房設備において、
   前記供給口から前記取出口に至る雪室床面に、供給口から取出口に向かって流れる水との接触によって、上流側に形成される雪島と下流側に形成される雪島との融解時間が同じとなるように取出口を中心として該取出口から供給口に向かう放射状の水路網を設けたことを特徴とする雪室を用いた冷房設備。
3. 前記水路網が、取出口を中心として該取出口から供給口に向かう複数の放射状の径方向の水路と、該径方向の水路に交差する複数の周方向の水路とからなることを特徴とする請求項２に記載の雪室を用いた冷房設備。
4. 前記水路網を構成する取出口を中心として該取出口から供給口に向かう複数の放射状の径方向の水路と、該径方向の水路に交差する複数の周方向の水路とにより分断されて形成される雪島の底面積が取出口に向かって小さくなるように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の雪室を用いた冷房設備。
5. 前記水路網が、金属製棒体を雪室床面に敷設することによって生じる空間により水路が形成されるとともに、該金属製棒体に雪が接触し融解されて水路が形成されてなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１に記載の雪室を用いた冷房設備。
6. 前記水路網を構成する取出口を中心として該取出口から供給口に向かう複数の放射状の径方向の水路の本数ｍを、冷房設備に使用する雪室の床面積、貯蔵する雪の高さ、雪室床面の上流側から供給する還り水の温度と取り出す温度に基づき求めるため、
   雪室床面の形状に合わせて、径方向の水路をｍ本とし、該径方向の水路と交差する周方向の水路ｎ本を決め、また径方向の水路の幅の角度Φと、隣り合う径方向の水路がなす角度θ、水路の幅ｄを決めるステップ１と、
   前記周方向の水路間の距離を最上流の幅広の円弧状の水路から下流側の円弧状の水路に向かってＬ_１（円弧状の水路ｎ_１とｎ_２の間隔）、Ｌ_２（円弧状の水路ｎ_２とｎ_３の間隔）・・Ｌ_ｎ−１（円弧状の水路ｎ−１とｎ間隔）とし、前記各水路間の距離を同一として、必要な径方向の水路の本数ｍを式（１）から（３）により求めるステップ２と、
   円弧状の水路間のＬ_１、Ｌ_２・・Ｌ_ｎ−１の距離を異ならせ各雪島の融解時間が同じようになるように最適な各水路間の距離を式（４）及び式（５）から求めるステップ３と、
   上記のより、求めた最適化した円弧状の水路間の間隔（Ｌ_１、Ｌ_２、・・Ｌ_ｎ−１）を使い、前記式（３）の条件を満たしているか否かを検証し同式（３）の条件が満たされていれば円弧状の水路間の間隔を確定し、前記式（３）の条件が満たされていないときは、径方向の水路の本数ｍを増やし、円弧状の水路間の距離を最適化し、前記式（３）の条件が満たされているか検証し、前記式（３）の条件が満たされるまで繰り返すことにより、上流側の雪島と下流側の雪島との融解時間差が小さくなるよう径方向の水路の最小本数と各周方向の水路の間隔（Ｌ_１、Ｌ_２・・Ｌ_ｎ−１）を求めるステップ４と
   から求められた径方向の水路と周方向の水路とからなる水路網であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１に記載の雪室を用いた冷房設備。
   

   

   

   

   

   
7. 上流側に還り水の供給口を少なくとも一箇所備えるとともに、この供給口から対角線上の位置に下流側に熱交換されて冷却された冷水の取出口を少なくとも一箇所備えた雪室を用いた冷房設備において、
   前記供給口から前記取出口に至る雪室床面に、供給口から取出口に向かって流れる水との接触によって、取出口を中心として該取出口から供給口に向かう放射状の水路を設け、下記の条件式（６）及び式（７）を満足する最小のｍを、放射状の径方向の水路の本数ｍとしたことを特徴とする雪室を用いた冷房設備。
   

   

   

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