JPH0490433A - ヒートポンプ式空調設備 - 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】 〔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
ポンプを暖房運転するヒートポンプ式空調設備に係り、
詳しくは、この暖房運転によって冷却された不凍液をヒ
ーテングタワーで外気によって加熱し且つこのヒーテン
グタワーで不凍液の濃縮操作を行うようにした不凍液利
用のヒートポンプ式空調設備に関する。

〔従来の技術〕

熱源水を建物内に配置されたヒートポンプ装置の水側熱
交換器に循環させ、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。しが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。

このため、水熱源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
、暖房運転では加熱塔（ヒーテングタワー）として機能
させる方式が提案されている。すなわち冷房運転では加
温された熱源水を冷却塔で外気に放熱し、暖房運転では
冷却された熱源液を加熱塔で外気から採熱する方式であ
る。

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９ｗ度℃以下となるのが普通である。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。

例エバエチレングリコール、プロピレンクリコール、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
。

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５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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記のように冷房シーズンで使用されていた冷却塔を暖
房シーズンでは加熱塔に利用する方式においては、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加熱塔
として利用しようとすると、不凍液が希釈されるという
問題が生ずる０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、エ
チレングリコール等の凍結防止剤の濃度が徐々に低くな
るという現象が生ずる。この凍結防止剤の濃度が低くな
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。

濃度が低下した不凍液の凝縮を図るには、不凍液中の水
分を蒸発させればよいが、この蒸発のために外部熱源を
備えた濃縮装置を別途施設することはそれだけ余分の設
備を必要とし且つ蒸発用の熱エネルギーも必要である。

また、このような濃縮装置を別途に設置しても、その稼
働は冬期だけに限られ、また冬期の稼働中でも不凍液の
希釈の程度に応じて適宜運転することが必要であり、そ
の運転管理とメインテナンスに多大の労力を必要とする
。

本発明は、このような開放型冷却塔を加熱塔に利用する
場合の前記のような問題点の解決を図ることを目的とし
たものである。

〔問題点を解決する手段］ 前記の問題点の解決を図るために１本発明では開放型冷
却塔の機能をそのまま加熱塔（以後、ヒーテングタワー
と呼ぶ）に利用すると共にその開放型冷却塔の１！能を
濃縮塔としても利用する点に特徴がある。すなわち本発
明は、ヒートポンプ装置の蒸発器に不凍液を通液して暖
房運転を行い。

該蒸発器で冷却された不凍液を外気と熱交換して昇温さ
せるヒートポンプ式空調設備において、外気が通気する
充填物層に不凍液を散液させるようにした気液接触型ヒ
ーテングタワーで不凍液と外気の熱交換を行い、不凍液
の一部を加熱してから前記のヒーテングタワーに散液し
て不凍液を濃縮することを特徴とするヒートポンプ式空
調設備を提供するものである。

〔作用〕

ヒートポンプ装置の蒸発器で例えば−５℃にまで冷却さ
れた不凍液をヒーテングタワーで例えば０℃の外気と気
液接触させれば不凍液を０℃まで加熱することができる
。このＯ″Ｃの不凍液をヒートポンプ装置の蒸発器に循
環させれば、ヒートポンプ装置の＃縮器側ではこの不凍
液を熱源として温風または温水を得ることができ、結局
、外気を熱源として意図する暖房運転ができる。

他方、ヒーテングタワーにおいて不凍液は外気と直′接
接触することによって外気中の水分を吸収して希釈され
ることになるが、系内を循環する不凍液の一部だけをヒ
ーターによって外気温度より高温に加熱してから同じヒ
ーテングタワーに散液させれば、外気によって冷却され
ると同時に外気中に水分が蒸発するので不凍液を濃縮さ
せることができる。すなわち、気液直接接触型のヒーテ
ングタワーの特徴を利用して、外気温度以上に一部の不
凍液を加熱してから外気と気液接触させれば不凍液の濃
縮を図ることができる。この濃縮運転は、不凍液の濃度
を監視し、その濃度検出値が所定の濃度に維持されるよ
うに、ヒーターを通しての散液の発停を行えばよ（、運
転動作も極めて簡単である。そのさい、ヒーテングタワ
ーにおいては１通常の不凍液加熱用の散液と不凍液濃縮
用の散液を一基のヒーテングタワー内で行うこともでき
るし、数基のヒーテングタヮー設備が存在する大規模設
備ではそのうちの一基だけを濃縮運転用に利用してもよ
い。一基のヒーテングタワー内で実施する場合には、散
液帯域を区分しておくのが便宜である。そのさい、濃縮
運転用の散液帯域は外気の流れにおいて加熱用の散液帯
域よりも下流側のほんの一部を利用すればよい。

なお、冷房運転のさいには、不凍液を不凍液タンクに収
容し２通常の熱源水を系内に装填して該ヒーテングタワ
ーをそのまま冷却塔に用いて水熱源ヒートポンプ装置に
よる冷房運転を実施すればよい。勿論、冷房運転時には
前記の濃縮運転は行わない。

以下に図面の実施例に従って２本発明設備の構成と作用
を具体的に説明する。

〔実施例〕

第１図は、向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に向けて散水装置３が設置されている。頭
頂の送風機４の駆動にって外気取入口５から塔内に吸引
された外気は充填物層２を上昇し、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
プユニット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１１によって熱源水を循環し、ヒートポン
プユニット９の蒸発器として機能している空気側熱交換
器１２で冷風を作る。この空気側熱交換器１２は、場合
によっては冷水を作る液・液熱交換器であってもよい、
この場合にはヒートポンプユニット９は冷凍機というこ
とになる。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、温
水を作ることが必要であった０本発明設備ではかような
外部熱源による温水製造は行わず、冷却塔をヒーテング
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。

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を系外に排出し。

不凍液タンク１３内の不凍液１４を系内に装填する。

この不凍液１４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、防黴側や防錆剤も必要に
応じて添加したものである。冷凍機のブラインとして通
常使用されているようなものの使用が好適である。暖房
運転では、ヒートポンプユニット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、空気側
熱交換器１２は凝縮器となりここで暖房用の温風が作ら
れる。この空気側熱交換器１２が液・液熱交換器である
場合には温水が作られる。このヒートポンプユニット９
の稼働により蒸発器１０を通液する不凍液は零度゛Ｃ以
下例えば−５℃に冷却されてヒーテングタワ−１の下部
水槽７に入り、この下部水槽７の低温不凍液はポンプ８
によって散液装置３ａから充填物層２ａに散液され、送
風Ｉ１４の駆動によって充填物層２ａを上昇する例えば
Ｏ″Ｃの外気と直接的に接触してＯ″Ｃ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。

この不凍液の濃縮のために１本発明設備ではヒーテング
タワ−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、この後者
の散液ゾーンに下部水槽７内の不凍液の一部をポンプ１
５の駆動によってヒーター１６を通じたあとで供給する
。第１図において２ｂで示す充填物層および３ｂで示す
散液装置が二〇散液ゾーンに対応しており、これらは、
不凍液加熱ゾーンの充填物層２ａおよび散液装置３ａに
比べてその面積比は極めて少さくてよい。これによって
例えば下部水槽７内の０℃の不凍液はヒーター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１Ｍ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。

なお、このヒーテングタワ−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には雨よけの屋
根１７を設け、また外気取入口５には、後記の第３図に
説明する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−を示している。

第２図は、横方向に外気が通気する充填物層３に対して
上部水槽１９から散液するようにした以外は第１図と同
様のヒーテングタワ−（冷房時は冷却塔）を示しており
、第２図中において第１図と同じ数字で示した部材は第
１図で説明したものと同じものを表している。上部水槽
１９の底部は多孔板で形成されており、この多孔の底板
を通じて充填物層３に散液されるが、充填物層３を通過
する空気の下流側帯域にヒーター１６を通過した不凍液
を散液させるようにしである。このために、小さな上部
水槽１９ｂを塔内の内側に形成し、この上部水槽１９ｂ
にヒーター１６で加熱された不凍液を供給することによ
って＊ｍ運転を行う、なお１本例では排気筒６として方
向が９０℃変換する雨よけエルボが使用されている。第
２図のヒーテングタワーｌも、第１図と同様に冷房時に
は通常の冷却塔として使用されるものであり、この場合
にはヒーター１６への通電は休止する。負荷が大きいと
きにはヒーター１６は休止した状態にしておいてポンプ
１５を稼働して全充填物ゾーンを冷却に使用すればよい
。

なお、暖房運転時の不凍液の濃縮運転すなわちヒーター
１６とポンプ１５の発停は、系内の不凍液濃度（例えば
下部水槽７内の不凍液濃度）を濃度計２０で検出し続け
、この検出値が所定の設定値となるように、この検出値
を指示値としてヒーター１６とポンプ１５を発停制御す
ればよく、これによって不凍液濃度を常に一定にする自
動制御が簡単に行なえる。

第１図および第２図は、−台のヒーテングタワーで不凍
液の加熱運転と濃縮運転を行う例を示したが、建物の規
模によって複数台の冷却塔を設置するような設備では、
これをヒーテングタワーとして機能させる場合には、そ
の内の一台だけを濃縮運転に使用し、残りの台数は不凍
液の加熱運転に使用するといった台数の使い分けをする
こともできるし、その内の一台だけを第１〜２図のよう
に濃縮運転と加熱運転を併用した併合運転としてもよい
。

第３〜５図は１本発明に従う設備において、タワー１の
外気取入口５に取り付けるルーバ構造の例を示したもの
である。暖房運転時の外気による不凍液の加熱時におい
て、雨水の塔内への侵入は濃縮運転の負荷を増大させる
ので出来るだけ防止する必要があるが、このために、第
３図に示すようにルーバ２１の各羽根を外下がりに傾斜
させて雨水の侵入を防止する。他方、冷房運転時におけ
る熱源水の冷却時には外気の取入れ抵抗を出来るだけ低
くするために、第４図に示すようにルーバ２１の各羽根
を内下がりに傾斜させる。このようにルーバ２１の傾斜
を変えるには、第５図に示すようにルーバの各羽根を軸
２２に回転可能に取り付けると共に各羽根を連結バー２
３に回動軸２４を介して連結し、この連結バー２３を上
下させることによって。

各羽根を軸２２の回りに一斉に回転させるようにするの
が便宜である。連結バー２３の上下運動は手動で行って
もよいし電動式としてもよい、また外気温度に連動させ
ることを意図する場合には、形状記憶合金を用いるのも
便宜である。なお、第３〜４図では１反転可能な気流案
内用のルーバ２１よりも内側にさらに固定ルーバ２５を
設けた例を示したが、これは、既設の冷却塔の固定ルー
バ２５に対して反転可能なルーバ２１を増設したからで
あり、新設の設備では必ずしも固定ルーバ２５は必要と
しない場合もある。また、第５図に示すように各羽根の
外側端に背面トラップ２６を設けておくと１羽根の裏側
に付着した水滴が空中に落下するのを防止することがで
きる。そして背面トラップ２６をやや傾斜させておけば
、トランプ２６内の水を羽根の片側から槽外に排出させ
ることもできる。

〔効果〕

以上のようにして１本発明設備によれば、水熱源ヒート
ポンプ式冷暖房において、冷房時は通常の冷却塔を用い
て水熱源方式での運転を行いながら、暖房時にはボイラ
ー等の外部熱源を用いなくても外気を熱源として暖房運
転が可能となり、そのさい、冷房時に使用した冷却塔は
不凍液のヒーテングタワーとしてそのまま使用すること
ができる。そしてこの不凍液の加熱運転時において、不
凍液温度が大気の露点温度より低くなって大気中の湿分
が不凍液に移行して不凍液の希釈が生じても９本発明設
備ではヒーテングタワー自体を濃縮塔として機能させる
から、別途に濃縮装置や濃縮塔を設置することが不要と
なり、設備的には極めて安価になり設置スペースも必要
としないという優れた利点がある。加えて、濃縮運転の
時に使用する不凍液加熱用のヒータでは、ここで受熱し
た熱量は一部は水蒸気の蒸発潜熱として外部に放出され
るが、残りは不凍液の加熱に利用されるので熱的な無駄
は全く生じることがなく、極めて省エネルギー的に不凍
液の濃縮ができる。加えて本発明設備は、冷却塔を備え
た既存の空調設備において新設設備を殆んど要すること
なく空気熱源のヒートポンプ式暖房設備に簡単に改変で
きる点において極めて経済的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従うヒートポンプ式空調設備の全体機
器配置図、第２図は本発明に従う他のヒーテングタワー
（冷房時には冷却塔）の例を示す略断面図、第３図は不
凍液加熱運転時の外気取入口のルーバ構造を示す略断面
図、第４図は熱源水冷却時の外気取入口のルーバ構造を
示す略断面図第５図はルーバの羽根の回転機構の例を示
す略断面図である。 １・・ヒーテングタワー（冷房時は冷却塔）。 ２・・散水（散液）装置、　　３・・充填物層４・・送
風機、　　　　　　　５・・外気取入口。 ７・・下部水槽、　　　　　　８・・ポンプ９・　・ヒ
ートポンプユニット。 １０・・ヒートポンプユニットの水側熱交換器。 １３・・不凍液タンク、１４・・不凍液。 １５・・ポンプ、１６・・ヒータ。 １７・・雨よけ屋根、１８・・エリミネータ。 ２１・・方向可変ルーバ。 第２ズ 第３図 第４図

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）ヒートポンプ装置の蒸発器に不凍液を通液して暖
   房運転を行い、該蒸発器で冷却された不凍液を外気と熱
   交換して昇温させるヒートポンプ式空調設備において、
   外気が通気する充填物層に不凍液を散液させるようにし
   た気液接触型ヒーテングタワーで不凍液と外気の熱交換
   を行い、不凍液の一部を加熱してから前記のヒーテング
   タワーに散液して不凍液を濃縮することを特徴とするヒ
   ートポンプ式空調設備。
2. （２）ヒーテングタワーは、低温不凍液の散液ゾーンと
   高温不凍液の散液ゾーンを備えている請求項１に記載の
   ヒートポンプ式空調設備。
3. （３）ヒーテングタワーは複数基設置され、そのうちの
   一基が不凍液の濃縮運転用に使用される請求項１に記載
   のヒートポンプ式空調設備。
4. （４）ヒーテングタワーにおける不凍液の濃縮運転は、
   ヒーテングタワー内の不凍液の一部をタワー外のヒータ
   ーで加熱したあと、低温不凍液の散液中に充填物層に散
   液される請求項１、２または３に記載のヒートポンプ式
   空調設備。
5. （５）ヒーテングタワーは、冷房運転時には冷却塔とし
   て使用される請求項１に記載のヒートポンプ式空調設備
   。
6. （６）冷房運転は、ヒートポンプ装置の凝縮器に熱源水
   が通液され、暖房運転用の不凍液は不凍液タンクに貯留
   される請求項５に記載のヒートポンプ式空調設備。
7. （７）暖房運転時に使用する不凍液は、エチレングリコ
   ール水溶液またはプロピレングリコール水溶液である請
   求項１、２または３に記載のヒートポンプ式空調設備。
8. （８）ヒーテングタワーは、その外気取入口に、勾配が
   反転可能な気流案内用のルーバが取り付けられ、暖房運
   転時の不凍液の散液中と冷房運転の熱源水の散液中とで
   該ルーバの勾配を切り替えるようにした請求項５に記載
   のヒートポンプ式空調設備。
9. （９）ヒーテングタワーは、その排気口に雨よけ手段が
   装着されている請求項１または８に記載のヒートポンプ
   式空調設備。