JPH04295527A - 不凍液利用のヒートポンプ式空調方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，冬期の外気温度で凍結
しない不凍液をヒートポンプ装置の水側熱交換器（蒸発
器）に通液してヒートポンプを運転するヒートポンプ式
空調設備に係り，詳しくは，この運転によって冷却され
た不凍液をヒーティングタワーで外気によって加熱する
と同時に，　この外気加熱によって希釈された不凍液を
有利に濃縮する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ヒートポンプ装置の水側熱交換器に熱源
水を循環させ，冷房時にはこの水側熱交換器を凝縮器，
暖房時には蒸発器として機能させることによって冷暖房
を行ういわゆる水熱源空調方式が普及しているが，この
方式では，冷房運転時には加温された熱源水を冷却塔で
放熱し，暖房運転時には冷却された熱源水を別の熱源で
加熱するのが通常である。この水熱源方式は，蓄熱水槽
を用いることによって冷熱または温熱を蓄熱できるとい
う利点があり，また冷房運転では冷却塔で放熱すればよ
いので合理的でもある。しかし暖房運転ではボイラー等
による化石燃料の使用，或いは電力による熱源水の加熱
が必要である点において，空気を熱源とする方式よりも
設備費用やエネルギー消費が大きくなるという問題があ
る。

【０００３】一方，　空気を熱源とするヒートポンプ装
置で温水を製造する場合には，除霜運転時の暖房停止や
暖房能力の低下等の不具合がある。温水生産能力の低下
は事務所ビル設備においては居住環境の快適性を阻害す
る。特に熱供給単価が契約で決められる地域冷暖房施設
において暖房能力の低下並びに除霜運転時の暖房停止は
経費を圧迫することになる。しかし冷水と温水を生産で
きるヒートポンプ装置は伝統的な冷凍機とボイラの設備
に比べて設置面積は少なく，地球環境上からもクリーン
な熱エネルギー生産機であり広く採用され始めている。

【０００４】このため，水熱源ヒートポンプ方式で冷房
運転を実施すると同時に，この冷房運転で使用する冷却
塔（クーリングタワー）を暖房運転ではヒーティングタ
ワーとして機能させてヒートポンプ装置を稼働する方式
が提案されている。すなわち冷房運転ではヒートポンプ
装置で加温された熱源水を冷却塔で外気に放熱し，暖房
運転ではヒートポンプ装置で冷却された熱源液をヒーテ
ィングタワーで外気から採熱する方式である。

【０００５】この場合，暖房運転時期では外気温度が一
般に低いので，この低温の外気から採熱するには，加熱
塔に供給する熱源液はこの外気温度よりさらに低温にす
ることが必要であり，零度℃以下となることも多い。従
って，この熱源液は零度℃以下でも凍らない不凍液を使
用することになる。かような不凍液としては例えば冷凍
機で零度℃以下の冷水を製造する場合のブラインと同種
のもの，例えばエチレングリコール，プロピレングリコ
ール，塩化カルシウム等を溶解した水溶液を使用するこ
とになるが，エチレングリコールが適すると考えられる
。この方式ではヒートポンプ装置とヒーティングタワー
を設備することにより低い外気温度から熱エネルギーを
回収することができ，暖房能力の低下並びに除霜運転時
の暖房停止等の不具合を改善できる。なお，この方式で
は，夏期や中間期の冷房運転シーズンでは不凍液を使用
する必要はないので，冷房シーズンでは通常の熱源水を
使用し，不凍液の使用は冬期の暖房運転シーズンだけに
限られることになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】冷房シーズンで使用す
る冷却塔は外気と直接気液接触させる開放式のものが効
率がよいので普通にはこれが採用されているが，この開
放式冷却塔を暖房シーズンでもヒーティングタワーとし
て併用しようとすると，不凍液が希釈されるという問題
が生ずる。例えば，零度℃以下に冷却された不凍液を冬
期の低温の外気に直接接触させて外気温度近傍まで加熱
する場合に，不凍液中に外気中の水分が移行し，不凍液
の濃度が徐々に低くなるという現象が生ずる。不凍液濃
度が低くなると不凍液の凝固点が高くなり，凍結トラブ
ルを惹起することになる。また，不凍液濃度がおよそ３
０％以下になると細菌やかびによる微生物劣化を生じ悪
臭の発生源にもなるという問題がある。逆に，高濃度の
不凍液はその動粘性が急激に増加するので必要以上の高
濃度で運転をすると熱源水のポンプ等の搬送動力が嵩み
，　余計なランニングコストが掛かるという問題がある
。

【０００７】不凍液の濃度管理として，時々不凍液濃度
を監視して濃度が薄くなったと運転員が判断した時，　
エチレングリコール原液を投入するという方式もあるが
，これでは不凍液の液量の管理が出来ないだけでなく，
　絶えず熱源水の凍結の危険性を抱えることになる。ま
た凍結防止のために必要以上に不凍液を高濃度状態で運
転することは不凍液の動粘性の増加と吸湿力の増加によ
り余計なランニングコストが掛かる。さらに冬期間の濃
度管理ができたとしても，　冷房と暖房の交互運転とな
る中間期に冷房モードで不凍液は主に濃縮され，逆に暖
房モードで不凍液は急激に希釈されるため，エチレング
リコール原液の投入時期の判断が困難である。また夏期
間回収し貯蔵する不凍液は濃縮出来ず大容量の回収タン
クを必要とするばかりでなく，　回収タンクや配管内部
等で微生物劣化が生じ悪臭の発生源になったりする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は，建物の熱負荷
を処理するヒートポンプ装置の蒸発器とヒーティングタ
ワーとの間に不凍液の循環路を形成し，該蒸発器で冷却
された不凍液をヒーティングタワーで外気と熱交換して
昇温させるヒートポンプ式空調方法において，該循環不
凍液の少なくとも一部を加熱したうえ外気と気液接触さ
せる不凍液の濃縮運転を行なうさいに，外気乾球温度の
予測値と外気絶対湿度の予測値を用いて不凍液濃度が設
定範囲となるように該濃縮運転操作を制御することを特
徴とする不凍液利用のヒートポンプ式空調方法を提供す
る。ここで，不凍液濃縮のための不凍液の加熱は温水と
の熱交換によって行ない，この温水は建物の排熱および
／または夜間電力利用の電熱によって製造する。また不
凍液濃縮のための外気との気液接触は同じヒーティング
タワー内で行なうことができる。このヒーティングタワ
ーはまた夏期冷房時には冷却水のクーリングタワーとし
て使用される。不凍液としてはエチレングリコール水溶
液を使用し，その管理濃度としては　［不凍液凍結濃度
＋５］％〜［不凍液凍結濃度＋１０］％の範囲とする。

【０００９】

【実施例】図１は，直交流式の開放型冷却塔を用いた通
常の水熱源ヒートポンプ式空調設備を示しており，この
開放型冷却塔を本発明では暖房運転時におけるヒーティ
ングタワーとして利用する例を示したものである。タワ
ー１内には空気が通過する充填物層２が配置され，この
充填物層２に向けて散液できるように散水装置３が設置
されている。塔頂の送風機４の駆動によって外気取入口
５から塔内に吸引された外気は充填物層２を通過し，散
水装置３から散水される熱源水と気液接触したうえ排気
筒６から外部に排気され，充填物層２を通過した熱源水
は下部水槽７に蓄えられる。下部水槽７内の熱源水は熱
源水ポンプ８によって散水装置３に循環される。ここま
では通常の冷却塔と何ら異なるところはない。この冷却
塔を用いて冷房運転を実施する場合には，建物内の各所
に設置されたヒートポンプ装置９の凝縮器として機能し
ている水側熱交換器１０にポンプ８によって熱源水を循
環し，ヒートポンプ装置９の蒸発器として機能している
熱交換器１２で冷風または冷水を作る。以上の設備はヒ
ートポンプを利用する冷房設備として周知のものであり
，汎用されている。しかし，かような設備では，暖房運
転を行う場合には冷却塔は休止し，別途熱源水をボイラ
ー等の加熱設備で加熱して温水を作るか空気熱源のヒー
トポンプ装置を稼働することが必要であった。本発明で
は該冷却塔をヒーティングタワーとして利用して，外気
を熱源として暖房運転を実施する。

【００１０】このために，暖房シーズンが到来すると，
冷房シーズンで使用していた熱源水に代えて不凍液を系
内に装填する。この不凍液は，既述のように，エチレン
グリコール，　プロピレングリコール，　塩化カルシウ
ム等の凍結防止剤を水に溶解したものであり，防黴剤や
防錆剤も必要に応じて添加したものである。以下の説明
ではエチレングリコールを使用した例について述べる。

【００１１】暖房運転では，ヒートポンプ装置９は冷媒
回路が切換えられて水側熱交換器１０は蒸発器として機
能し，他方の熱交換器１２は凝縮器となり，ここで暖房
用の温風または温水が作られる。このヒートポンプ装置
９の稼働により蒸発器１０を通液する不凍液は零度℃以
下，例えば−５℃に冷却されてヒーティングタワー１に
送られ散液装置３から充填物層２に散液され，送風機４
の駆動によって充填物層を通過する，例えば０℃の外気
と直接的に接触し，０℃の温度にまで加熱されて下部水
槽７に落下する。その間に，外気中の水分を吸収して不
凍液は徐々に希釈されることになる。

【００１２】この不凍液の濃縮のために，本発明設備で
はヒーティングタワー１の散液ゾーンを，前記の不凍液
加熱用の散液ゾーンと不凍液濃縮用の散液ゾーンに分割
し，後者の散液ゾーンに，　下部水槽７内の不凍液の一
部を液・液熱交換器１６で加温したうえで供給する。１
５はこの濃縮運転のためのポンプである。図１において
２ａで示す充填物層および３ａで示す散液装置がこの散
液ゾーンに対応しており，これらは，不凍液加熱の散液
ゾーンに比べてその面積比は小さくてよく，例えば７：
３のような割合でよい。これによって下部水槽７内の不
凍液は熱交換器１６において外気温度以上に加熱されて
外気とタワー１内で気液接触することにより，不凍液中
の水分が外気に蒸発して濃縮される。そのさい，蒸発潜
熱は外気に持ち去られるが，不凍液を加熱するのに使わ
れた残りの熱は不凍液に顕熱として蓄えられ，その結果
として，暖房熱源に供されることになるから，無駄な熱
消費は起こらない。

【００１３】なお，このヒーティングタワー１が屋外に
設置されたものである場合には，稼働中もしくは休止中
に雨水が塔内に侵入するのを防止するために，排気筒６
は雨よけができる構造とし，外気取入口５には，気流方
向を可変にする反転可能な気流案内用のルーバを設けて
おくのがよい。１８はミスト捕集用のエリミネーターを
示している。また，充填物層２における不凍液加熱用の
散液ゾーンと不凍液濃縮用の散液ゾーンとの間には，通
気性の良いスペーサ１９を介装しておくのがよい。

【００１４】図２は，図１で示したような濃縮機能付ヒ
ーティングタワーを用いて空調を行なう場合の具体的な
装置構成と運転制御の系統を示したものである．図２に
おいて図１と同じ数字で示した部材は図１のそれに対応
している。ただし，　図２では直交流式の塔１において
充填物層の風下側の内側全体に不凍液濃縮用の散液ゾー
ン２ａ，３ａを形成した例を示している。２０は不凍液
タンクであり，ヒーティングタワーとしての使用期間が
過ぎた中間期を終える頃，　微生物劣化が生じない濃度
まで濃縮された不凍液をここに貯蔵する。夏期は不凍液
に代えて冷却水を充填し，塔１は冷却塔として使用され
る。冷却塔では濃縮系統は不要であるが，濃縮用の散液
ゾーンも含めた全体の充填物層に水を散布して冷却塔と
する。なお冷却塔として使用する時は送風機４の風量は
ヒーティングタワーとして使用する時の約５０％で性能
が確保されるので，送風能力を可変速制御できるように
送風機モータ２３はポールチエンジモータを使用するか
またはトランジスタ・インバー２４によって回転数の制
御ができるようになっている。

【００１５】図２において，２１は中間容器　（ピット
）　であり，循環中の不凍液を運転中に適宜滞留させる
のに供される。ヒートポンプ装置９では，空調負荷等の
熱負荷に対して冷温水を熱媒として熱を伝達する。２２
はこのための冷温水ポンプである。したがって，ヒート
ポンプ装置９における一方の熱交換器１２は冷温水対冷
媒の熱交換を行なう熱交換器が使用されており，他方の
熱交換器１０も不凍液または冷却水と冷媒との熱交換を
行なう熱交換器が使用されている。

【００１６】不凍液濃縮運転のための不凍液の加熱はヒ
ーティングタワー１内の不凍液の一部を加熱用熱交換器
１６に通液することによって行われるが，この熱交換器
１６は液・液熱交換器が使用されており，熱源用には温
水が使用される。この温水は蓄熱水槽２６から温水ポン
プ２７によって供給される。蓄熱水槽２６は電気ヒータ
２５を備えており，夜間電力を利用して槽内水を適温ま
で加熱できる。また，　建物内の排熱回収装置２８によ
って回収された排熱も温水加熱のために利用される。排
熱の回収にあたっては，例えばエレベータ機械室・電気
室等の排熱を回収する熱回収用ヒートポンプで生産され
た熱を温水とし，　これを蓄熱水槽２６で蓄熱する。太
陽集熱パネルで生産した温水も使用できる。またヒート
ポンプ９で生産した温水も余熱がある場合には利用でき
る。このような排熱または余剰熱がない場合に，電気ヒ
ータ２７が，　必要な熱量の全部又は一部を補給する熱
源機器として使用される。蓄熱水槽２６の水位は水位計
　（図示しない）　で計測され，下限水位で自動給水す
るように補給水弁２９が開放され，上限水位で自動停止
するように補給水弁２９が閉鎖される。なお，補給水弁
２９の故障等の原因により水槽内の水位が下限水位以下
になった時警報が出るようにしておく。

【００１７】以下に，　不凍液　（エチレングリコール
水溶液）の濃縮運転を行なう場合のヒーティングタワー
の運転制御管理について説明する。

【００１８】（１）　蓄熱水槽２６は，　予測される不
凍液の希釈に対して，　これを濃縮するために必要な一
日分の熱量を温水として蓄える。このため，制御コンピ
ュータ３０は，　後記（７）に示す不凍液の濃度予測機
能で予測した濃縮に必要な熱量を供給できる温水温度設
定値を決定し，蓄熱水槽の水温制御器３１の設定温度を
カスケード制御する。蓄熱水槽２６の水温制御器３１は
温水が設定値に到達するまで夜間電力を利用して電気ヒ
ータ２５を二値制御するか，　またはサイリスタで比例
積分制御して連続に電気ヒータの加熱容量を調整する。

【００１９】（２）　ヒーティングタワーの下部水槽７
における不凍液の液位またはヒーティングタワー入口の
熱源水濃度を計測し，不凍液が希釈されて液位が上昇し
設定上限液位に達した時または不凍液濃度が管理下限濃
度　（外気湿球条件で凍結しない不凍液濃度＋５％を管
理下限濃度とする）を下回る時に，温水ポンプ２７およ
び濃縮ポンプ１５に起動を指令する。液位が設定下限液
位または管理上限濃度　（管理下限濃度＋１０％を管理
上限濃度とする。）　で停止を指令する。なお，濃縮ポ
ンプ１５は温水ポンプ２７と連動して起動・停止する。 また制御用のコンピュータ３０は，　後記（７）に示す
不凍液の濃度予測機能により，　不凍液濃度の予測値が
管理下限濃度を下回る時に，　温水ポンプ２７および濃
縮ポンプ１５の起動を指令し，濃縮運転終了で停止を指
令する。

【００２０】（３）　熱交換器１６を通過した濃縮系統
の不凍液出口温度を温度計３２で検出し，この温度が設
定温度になるように温水三方弁３３の開度を温度調節計
３４が調節する。そのさいコンピュータ３０は，後記（
７）に示す不凍液の濃度予測演算により予測された濃度
変化に対応して濃縮系統の熱交換器１６の不凍液出口温
度を決定し，温度調節計３４の設定値をカスケード制御
する。

【００２１】（４）　夏期に不凍液を抜いて冷却水と交
換しようとする時は，　先ず不凍液が微生物劣化を受な
い濃度まで　（例えば回収濃度を６０％以上とする。）
　濃縮する必要がある。不凍液を回収する時期は暖房負
荷が無く，　ヒートポンプ９を停止しているか冷房運転
をしている頃である。そのさい，冷房運転では不凍液は
冷却水として利用することができる。ヒーティングタワ
ーの下部水槽７内の不凍液温度は外気湿球温度より高く
，　不凍液の水蒸気分圧は外気絶対湿度より大きいため
必ず濃縮される。 従って，不凍液を回収しようとする時期は，　冷却塔と
して運転し不凍液濃度が回収濃度に到達した時と判断で
きる。不凍液の濃縮が回収濃度に到達したことを確認し
た後，　回収ピット２１に集液した濃縮不凍液を，ポン
プ３６の駆動により不凍液タンク２０に貯溜する。

【００２２】そのさい，下部水槽７の液位が最低液位に
なったことを確認後，　２方弁３９を閉鎖し，２方弁４
０を開放してヒーティングタワーとヒートポンプの循環
経路の不凍液を回収ピット２１に落とし込む。また回収
ピット２１には下部水槽７からのオーバーフローした不
凍液や，２方弁４１を開放することにより濃縮系統の配
管内の不凍液を回収する。回収ピット２１には液位計４
３が設備され，上限液位で警報が出るようにしておく。 不凍液の回収ポンプ３６は手動で起動し，回収ピット２
１から不凍液タンク２０に濃縮された不凍液を給送する
。

【００２３】（５）　ヒートポンプ９は一般にはタイマ
ーにより起動し，また停止する。一方，ヒートポンプ入
口水温を温度計４５が検出し，温度調節計４６の設定温
度廻りで水温が一定になるように冷温水ポンプ２２の容
量制御を行なう。そのさい，　ビル空調等では始業時ま
でに室温を設定温度にするための空調余熱時間は其日の
外気温度と空調起動時の室温によって変化するので，　
最適な予熱温度を決定する場合は後記（８）に示すコン
ピュータ３０の最適起動時刻演算機能により起動時刻を
演算し，ヒートポンプ９をコンピュータ３０の信号で起
動する。ヒートポンプ９の停止制御にはヒートポンプ停
止後，熱源水ポンプ８と冷温水ポンプ２２を数分間運転
し続けてヒートポンプ９を保護する残留運転制御が含ま
れている。

【００２４】（６）　塔の送風機４は熱源水ポンプ８と
連動して起動する。冬期は熱源水の温度が高いほどヒー
トポンプ９の総合効率ＣＯＰ（熱出力／電気入力）は高
い。 従ってタワー送風機４は全能力で運転する。一方，夏期
は熱源水の温度が低いほどヒートポンプのＣＯＰは高い
。そこでタワー送風機４は全能力で運転することになる
。しかし冷却塔として使用する時はヒーティングタワー
で必要とした送風量の約５０％であるので，タワー送風
機４には４極／８極のポールチエンジ型のモータを採用
して２段階で回転数を制御するか，トランジスタインバ
ータ２４で周波数を変換して連続に回転数を調節する方
法が使用される。

【００２５】（７）　不凍液の濃度予測機能前日の外気
乾球温度，外気絶対湿度，　日射量，　風速，　気圧の
計測値から当日の最高外気温度と最低外気温度を予測す
る。これは，同一発明者らによる特願平２−１４９８４
６号に記載した方法によって行なうことができる。コン
ピュータ３０はこのために使用することができる。そし
て，予測された最高外気温度および最低外気温度と前日
までの毎時刻の外気乾球温度の実測値とから，　当日の
外気乾球温度θａ（℃）　を予測する。図３の実線は，
前日の外気乾球温度の実測値の時間変化を示し，点線は
，予測した最低最高温度と前日の外気乾球温度の実測値
を用いて予測された当日の外気乾球温度を示している。 なお外気絶対湿度は一日の間では大きな変化を示さない
が気圧の変化の変曲点で大きく変わることが知られてい
る。

【００２６】当日の外気絶対湿度Ｘａ（ｋｇｆ／ｋｇＤ
Ａ）も同様にして予測することができる。そして，予測
された外気乾球温度θａ（℃）　と外気絶対湿度Ｘａ（
ｋｇｆ／ｋｇＤＡ）から湿り空気線図による周知の関係
を用いて外気湿球温度θ”ａ（℃）　を求める。これに
よって当日の外気乾球温度と外気湿球温度の予測値が得
られる。

【００２７】ヒートポンプ９の蒸発器１０を出る不凍液
は凍結してはならないので，ヒーティングタワー１の塔
頂部に供給される不凍液温度をθＥＧ（℃）　とすると
，不凍液温度は近似的に次式で与えられる。ｔは毎時刻
を示す。 不凍液温度θＥＧ（ｔ）＝〔外気湿球温度θ”ａ（ｔ）
−７〕（℃）

【００２８】一方，不凍液の凍結濃度は，不凍液の凍結
温度と濃度の周知の関係，例えば図４に示す関係から，
求めることができる。 不凍液温度θＥＧ（ｔ）→不凍液凍結濃度Ｍｉｃｅ（ｔ
）

【００２９】凍結を防止するための安全を加味した濃
度を不凍液下限濃度，　過剰な濃度を防止するための濃
度を不凍液上限界濃度とすると，毎時刻の下限界濃度と
上限界濃度はそれぞれ次式で示される。 不凍液下限界濃度ＭＬ（ｔ）＝〔不凍液凍結濃度Ｍｉｃ
ｅ（ｔ）＋５〕（％） 不凍液上限界濃度ＭＵ（ｔ）＝〔不凍液凍結濃度Ｍｉｃ
ｅ（ｔ）＋１０〕（％） ただし，　演算された不凍液下限界濃度が３０％未満の
場合には， ＭＬ（ｔ）＝３５％ ＭＵ（ｔ）＝４０％ と決定する。時刻ｔの不凍液の水蒸気分圧（ｍｍＨｇ）
または不凍液の絶対湿度ＸＬ（ｋｇｆ／ｋｇＤＡ）は図
５に示すような不凍液濃度と不凍液温度の周知の関係か
ら求められる。

【００３０】外気絶対湿度Ｘａと不凍液の絶対湿度ＸＬ
の差を推進力として希釈と濃縮が起こる。すなわち，希
釈・・Ｘａ（ｔ）−ＸＬ（ｔ）≧０ 濃縮・・Ｘａ（ｔ）−ＸＬ（ｔ）＜０ 単位時間当たりの希釈速度ＲＤ（ｋｇｆ／ｈｒ）は，ヒ
ーティングタワー１の送風量をＱ（ｍ３／ｈｒ）　とし
，空気の比重量をν（ｋｇ／ｍ３）　とすると次式で示
される。 ＲＤ（ｔ）＝Ｑ・ν・〔Ｘａ（ｔ）−ＸＬ（ｔ）〕（ｋ
ｇｆ／ｈｒ）従って，　毎時刻ｔの希釈量Ｒ（ｋｇｆ）
　は次式で示される。 　　計測されたその日の初期の不凍液濃度をＭｍ（％）
，　また，不凍液の全重量をＶＬ（ｋｇｆ）　とすると
，　毎時刻の不凍液濃度ＭＰ（％）　は次式で演算され
る。 ＭＰ（ｔ）＝Ｍｍ・ＶＬ／〔ＶＬ＋Ｒ（ｔ）〕（％）毎
時刻の不凍液濃度ＭＰ（ｔ），　不凍液下限界濃度ＭＬ
（ｔ）と不凍液上限界濃度ＭＵ（ｔ）　の関係　（例え
ば図６）から，濃縮操作を実施するか禁止するかの，次
に示す操作区分の判断ができる。 ＭＰ（ｔ）≦ＭＬ（ｔ）の時，　濃縮操作を実施する。 ＭＬ（ｔ）＜ＭＰ（ｔ）≦ＭＵ（ｔ）　か，またはＭＵ
（ｔ）＜ＭＰ（ｔ）の時，　濃縮操作を禁止する。

【００３１】（ａ）　濃縮系統の不凍液出口温度の決定
外気湿球温度θ”ａ（℃）　は連続に変化するので毎時
刻の不凍液濃度ＭＰ（ｔ）と不凍液下限界濃度ＭＬ（ｔ
）は図７のように変化する。不凍液濃度ＭＰ（ｔ）が不
凍液下限界濃度ＭＬ（ｔ）以下になっている時間をΔｔ
，　不凍液濃度ＭＰ（ｔ）と不凍液下限界濃度ＭＬ（ｔ
）の差が最大になる時刻をｔＭＡＸとすると，不凍液濃
度と不凍液下限界濃度の差が最大になる時の希釈量Ｒ（
ｔＭＡＸ）　と不凍液濃度ＭＰ（ｔ）が不凍液下限界濃
度ＭＬ（ｔ）以下になっている時間Δｔから，　希釈速
度ＲＤ（ｔＭＡＸ）　を近似的に見積もることができる
。 ＲＤ（ｔＭＡＸ）＝Ｒ（ｔＭＡＸ）／Δｔ

【００３２】
計算されたＲＤ（ｔＭＡＸ）　は濃縮すべき速度を示す
ので，　次式から濃縮系統の不凍液の絶対湿度ＳＸＬ（
ｔ）を演算し，不凍液下限界濃度ＭＬ（ｔＭＡＸ）　と
ＳＸＬ（ｔ）の関係から図５を使って不凍液温度θＥＧ
（ｔ）　を求める。 更に濃縮系統の水量を勘案して濃縮系統の不凍液出口温
度ＳθＥＧ（ｔ）　を決定する。 ＳＸＬ（ｔ）＝Ｘａ（ｔ）＋〔ＲＤ（ｔＭＡＸ）／θ・
ν〕ＳＸＬ（ｔ）→θＥＧ（ｔ） ＳθＥＧ（ｔ）＝θＥＧ（ｔ）／０．３

【００００】（
ｂ）　蓄熱水槽の温水温度設定値の決定濃縮系統を循環
する不凍液の循環量をＱＷ（ｋｇｆ／ｈ）とした場合，
　Δｔ（ｈ）の間，　最高の不凍液温度ＳθＥＧ（ｔＭ
ＡＸ）　に保つための熱量ｑＷは，　不凍液を濃縮する
時の初期温度をθＥＧ（ｔＭＡＸ）とし不凍液の比熱を
ＣＷ（ｋｃａｌ／ｋｇｆ・℃）とすると次式で与えられ
る。 ｑＷ＝ＱＷ・Δｔ・ＣＷ・〔ＳθＥＧ（ｔＭＡＸ）−θ
ＥＧ（ｔＭＡＸ）〕従って蓄熱水槽の保有水量をＷ（ｋ
ｇｆ），　初期の蓄熱水槽の温水温度をθＷｉ（℃），
水の比熱をＣＰ（ｋｃａｌ／ｋｇｆ・℃）とすると，蓄
熱水槽の温水温度設定値温度ＳθＷ（℃）　は次式で決
定される。 ＳθＷ＝θＷｉ＋（ｑＷ／　ＣＰ・Ｗ）

【００３３】コ
ンピュータ３０は，以上の演算および判断を行い，　不
凍液濃縮系統のポンプ１５や温水ポンプ２７への発停指
令，　温度調節計３４や３１への設定値指令を出力して
，不凍液濃縮運転を制御する。

【００３４】（８）最適起動時刻演算機能空調対象の部
屋の空調起動直前の温度を初期室温とすると図８に示す
ように予熱時間と初期室温には直線相関がある。初期温
度は前日の空調時間や其日の天候・気温により影響され
るので概ね３０日間程度の予熱時間と初期室温に関する
学習により，　直線相関の傾斜を決めることができる。 しがって初期室温を部屋毎に定時に計測し，図８から予
熱時間を割りだし，ヒートポンプを始業時から予熱時間
を引いて求めた起動時刻に起動する。同一発明者による
特願平２−３８１９０号に記載した内容をこの演算に利
用することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように，　夏期は不凍液を抜いて
冷却水を熱源水とする冷却塔として利用しながら，冬期
は冷却水の代わりにエチレングリコール系不凍液を用い
て該冷却塔をヒーティングタワーとして利用し，不凍液
の濃度管理のためにヒーティングタワー底部の槽から一
部の不凍液を熱交換器に送って加熱したうえヒーティン
グタワーに循環することにより，期間を通じてエチレン
グリコール系不凍液を濃縮できるようにした設備におい
て，該不凍液の濃縮運転管理を行なうにさいし，本発明
によれば，前日の気象条件から当日の空調負荷を予測し
てヒートポンプの冷水，温水の生産開始時刻を決定（最
適起動時刻決定機能）し，ヒーティングタワーの出口不
凍液温度の設定値を制御（不凍液の濃度予測機能）し，
さらに不凍液の希釈濃度を予測（不凍液の濃度予測機能
）し，不凍液を濃縮するのに必要な熱エネルギーが最小
になるように蓄熱水槽の温水温度を設定して蓄熱（不凍
液の濃度予測機能）し，熱損失を防止すると共に，蓄熱
水槽の補助熱源として例えば電気ヒータを使用する場合
は安価な夜間契約電力を最大限に利用できる蓄熱運転時
間を決定（不凍液の濃度予測機能）することによりラン
ニングコストを最小にし，さらに管理容易性を高めた濃
縮装置付きヒーティングタワーの運転制御管理法を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の不凍液濃縮運転を実施するヒーティン
グタワー回りの機器を示す略断面図である。

【図２】冷却塔兼用のヒーティングタワーによって建物
の空調をヒートポンプ式空調設備の一連の設備と制御機
器を示す全体系統図である。

【図３】毎時刻の外気温度の前日の実測値と当日の予測
値との関係を示す図である。

【図４】不凍液の凍結温度と濃度の関係を示す図である
。

【図５】不凍液濃度と不凍液温度の関係を示す図である
。

【図６】不凍液の下限界濃度ＭＬ（ｔ）と不凍液の上限
界濃度ＭＵ（ｔ）の関係から濃縮および希釈状態を示す
図である。

【図７】毎時刻の不凍液濃度ＭＰ（ｔ）と不凍液下限界
濃度ＭＬ（ｔ）の変化を示す図である。

【図８】空調対象室の空調起動直前の初期室温と予熱時
間の関係を示す図である。

【符号の説明】

１　　ヒーティングタワー（クーリングタワー）２　　
充填物層 ３　　散液装置 ４　　送風機 ８　　熱源水ポンプ ９　　ヒートポンプ １０　　暖房時に蒸発器，　冷房時に凝縮器として機能
する熱交換器 １２　　暖房時に凝縮器，　冷房時に蒸発器として機能
する熱交換器 １５　　濃縮ポンプ １６　　温水と不凍液とを熱交換する熱交換器２０　　
不凍液タンク ２１　　回収ピット ２２　　冷温水ポンプ ２６　　蓄熱水槽 ２８　　排熱回収装置 ３０　　制御用コンピュータ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　建物の熱負荷を処理するヒートポンプ
   装置の蒸発器と，ヒーティングタワーとの間に不凍液の
   循環路を形成し，該蒸発器で冷却された不凍液をヒーテ
   ィングタワーで外気と熱交換して昇温させるヒートポン
   プ式空調方法において，該循環不凍液の少なくとも一部
   を加熱したうえ外気と気液接触させる不凍液の濃縮運転
   を行なうさいに，外気乾球温度の予測値と外気絶対湿度
   の予測値を用いて不凍液濃度が設定範囲となるように該
   濃縮運転操作を制御することを特徴とする不凍液利用の
   ヒートポンプ式空調方法。
2. 【請求項２】　　不凍液濃縮のための不凍液の加熱は温
   水との熱交換によって行われ，この温水は建物の排熱お
   よび／または夜間電力利用の電熱によって製造される請
   求項１に記載のヒートポンプ式空調方法。
3. 【請求項３】　　不凍液濃縮のための外気との気液接触
   は，該ヒーティングタワー内で行われる請求項１または
   ２に記載のヒートポンプ式空調方法。
4. 【請求項４】　　ヒーティングタワーは，夏期冷房時に
   は冷却水のクーリングタワーとして使用される請求項１
   に記載のヒートポンプ式空調方法。
5. 【請求項５】　　不凍液はエチレングリコール水溶液で
   あり，この不凍液濃度が　［不凍液凍結濃度＋５］％〜
   　［不凍液凍結濃度＋１０］％の範囲に制御される請求
   項１に記載のヒートポンプ式空調方法。