JPH0823421B2 - 蓄熱式ヒートポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、１台で夏冬兼用することのできる蓄熱式ヒ
ートポンプに関する。

〔従来の技術〕

従来、ビルディングにおける蓄熱手段としては、例え
ば、3000m²以下の小型ビルディングでは、第４図に示す
ように、空気熱源ヒートポンプHPを屋上Ｖに設置し、屋
上Ｖ、または地下室Ｓに配設した複数の水槽Ｗに内設し
た蓄熱コイルWcへ配管ｐにより接続して水槽Ｗの水ｗに
蓄熱する構成としている。前記ヒートポンプHPと蓄熱コ
イルWcとの間はブラインを循環させて、夏は氷蓄熱、冬
は温水蓄熱を行っている。そして該水ｗを二次ポンプで
ビルディング内所要の室等に送り空調をしている。

なお、前記ヒートポンプHPは、ガス体冷媒を高圧高温
にする圧縮機Ａと、ファンＦにより吸引排出される外気
ａにより熱交換される空気熱交換器Ｃと、ブラインを加
熱冷却させる熱交換器Ｂととからなり、該熱交換器Ｂ内
には、前記配管ｐに接続するコイルBcが設けられてい
る。

また、近年、10,000m²以上の大規模ビルディングにお
いては、第５図及び第６図に示すように、ターボ圧縮機
によるヒーティング方式ヒートポンプも出現している。

第５図は、暖房運転フローを示す概略構成図で、図に
おいて、61は、ヒーティングタワー、62は、該タワー61
の底部にブラインｂの濃度調節用水を補給する水補給
弁、63はヒートポンプユニットで、冷媒ｒの蒸発器64
と、冷却水コンデンサ65と、温水コンデンサ66と、主圧
縮機67及びブースタ圧縮機68とからなる。そして前記タ
ワー61底部からの降流管69が、蒸発器64のコイル64cを
経てブラインポンプ70に至り、該ポンプ70からはタワー
61上部内へ昇流管71が導かれており、前記降流管69に並
列して、ブライン収集管72,ブラインタンク73並びにブ
ライン注入ポンプ74を有するブライン注入管75が設けら
れている。

また、76は送水ポンプで、水槽（この場合は温水用）
77から温水whを吸入する吸入管78と、温水コンデンサ66
のコイル66cを経由して前記水槽77へ戻す吐出管79とに
接続されている。

叙上の構成において冬期の暖房運転時には、ヒートポ
ンプユニット63により冷却され、例えば外気ａよりも低
温の−11℃に保たれたブラインｂをヒーティングタワー
（夏期はクーリングタワーとなる）61内に散布し、外気
（湿球温度−1.5℃）ａに接触させて−７℃まで加熱す
る。このブラインｂは、ヒートポンプユニット63の蒸発
器64のコイル64cに流入し、更に低温の冷媒ｒに熱を与
え−16℃で蒸発させるが、ブラインｂは−11℃まで蒸発
器64で冷却され再びヒーティングタワー61へ戻る。この
ブラインｂの循環路は、太い実線で示したものである。

一方、蒸発した冷媒ｒは、２台の圧縮機67,68によっ
て高温高圧に圧縮され、温水コンデンサ66まで運ばれて
コイル66c内の温水whに熱を与えて53℃で凝縮し蒸発器6
4へ戻るが、温水whは45℃に温度上昇して水槽77へ帰り
貯溜される。この温水whの循環路は、太い破線で示した
ものである。

また、夏期の冷房運転時には、第６図の冷房運転フロ
ーの概略構成図に示すように、ヒーティングタワー61は
クーリングタワー61′に、ブラインポンプ70は冷却水ポ
ンプ70′にそれぞれなり、ブラインｂはブラインタンク
73に集められる一方、水補給弁62から供給される水、す
なわち冷却水wrと交替する。そして、クーリングタワー
61′からの降流管69′は、冷却水コンデンサ65内のコイ
ル65cを経由して冷却水ポンプ70′の吸入口へ導かれ、
また、送水ポンプ（この場合は冷水用）76′からの吐出
管79′は、蒸発器64内のコイル64cを経て水槽（この場
合は冷水用）77′へ導かれ、これらによって一般のター
ボ冷凍機と同じ組合せシステムとなり、冷却水wrは、太
い一点鎖線で示す循環路に沿って流れ、一方、水槽77′
内の冷水wcは、細い破線で示す経路に従って循環する
が、これらの熱の授受に関する作用の説明は省略する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来のヒートポンプにあっ
ては前者の場合、大型ビルに適用するには多数台を設置
しなければならないばかりか、暖房に際してデフロスト
時には、一時的に暖房が不能になり、補助的にボイラを
設ける必要がある。

また、後者のヒーティングタワー方式のものにあって
は、一番重要な要素である氷蓄熱ができないという致命
的な欠点がある。

なお、近年ビルディングの冷暖房には蓄熱が叫ばれて
おり、特に、夏期の冷房時には氷蓄熱のようなコンパク
トでしかも高効率な装置が要望されている。しかも、年
間冷暖房用として１台で夏冬兼用できる装置の開発を急
務としているのが現状である。

本発明は、叙上の事情に鑑みてなされたもので、構成
も簡単で、冷房と暖房との運転状態変換を、タワー系統
循環路内のブラインと冷却水との相互入替えによって行
い、しかも変換操作も極めて簡易に実施でき、さらに省
エネルギー効果に富み、効率にすぐれた蓄熱式ヒートポ
ンプを得ることを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る蓄熱式ヒートポンプは、屋上の冷却加熱
塔からのタワー系統循環路と、水槽内コイルからの水槽
系統循環路とに、複数の三方弁と、これらにそれぞれ接
続する連結管とでなる転換系統路を組み合わせ、前記三
方弁の通路変更を行うことによりヒートポンプユニット
の凝縮器と蒸発器とにそれぞれ連通する前記２つの循環
路との組み合せを夏期，冬期にそれぞれ対応して交替
し、ブラインと水とを入れ替えて使用する構成としたも
のである。

なお、冬期の場合、水槽系統循環路に空調用の水槽内
水を直接、使用するように配管し、往流三方弁及び還流
三方弁を設ける構成もある。

〔作用〕

叙上の構成により、夏期冷房に際しては、冷却加熱塔
（冷却用）からのタワー系統循環路は水を充填して凝縮
器に接続し、水槽系統循環路には、ブラインを充填して
蒸発器に接続し、それぞれに熱交換を行って水槽内コイ
ルにより水槽内水を冷却する。

また、冬期暖房に際しては、転換系統路の三方弁全部
を切り替えて、冷却加熱塔（加熱用）からのタワー系統
循環路には蒸発器を含ませてブラインを充填し、一方、
水槽系統循環路には凝縮器を含ませて水を充填し、それ
ぞれに熱交換を行って水槽内コイルにより、水槽内水を
加熱する。

なお、冬期、他の手段として上記水槽系統循環路から
往流，還流三方弁の切替えにより、水槽内コイルを除外
し、水槽内水へ連通させた場合には、水槽内水を凝縮器
に導いて加熱するとともに、そのまま水槽内水を空調器
へ送って暖房を行う。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図及び第２図に基づい
て説明する。

まず、構成を述べる。

本実施例の概略構成を夏期使用の状態で示す第１図に
おいて、１は、建造物の屋上に設置され、ファン1fで吸
入排出される外気ａによって、内設された散布器17から
の水ｗを冷却する冷却加熱塔（この場合、クーリングタ
ワー1Cとして作用する）、２はヒートポンプユニット
で、圧縮機３と凝縮器４及び蒸発器５とが組み合ってな
る。６は、地下室に複数個配設され、上下で連通した水
槽である。

そして、タワー系統循環路10は、クーリングタワー1C
の底部に接続された降流管11−第１三方弁31−吸水管12
−送水ポンプ13−導入管14−凝縮器内コイル4c−導出管
15−第２三方弁32−昇流管16−散布器17とから形成され
る一方、水槽系統循環路20は、複数の水槽６の各水槽内
コイル6cから立ち上った往流枝管21sを合流させる往流
管21−第３三方弁33−吸液管22−ブラインポンプ23−導
入管24−蒸発器内コイル5c−導出管25−第４三方弁34−
還流管26−還流枝管26s−水槽内コイル6cの回路により
形成されている。

また、転換系統路30は、前記第１三方弁31から分岐し
て吸液管22に接続される第１連結管35,第２三方弁32か
ら分岐して還流管26に接続される第２連結管36,第３三
方弁33から分岐して吸水管12に接続される第３連結管37
及び第４三方弁34から分岐して昇流管16に接続される第
４連結管38とからなる。

なお、空調系統循環路40は、水槽６の側壁6Sの下部に
接続されたＭ主管41に並列された第５三方弁45,二次ポ
ンプ43,第６三方弁46を経由した後、各室の空調機AHUに
は分岐管49aにより導かれるＭ経路と、前記側璧6Sの上
部に取り付けられたＮ主管42に並設された第７三方弁4
7,第８三方弁48を経由した後、前記空調機AHUに分岐管4
9bにより導かれるＮ経路と、各三方弁45,46,47,48から
それぞれ他の主管41又は42へ接続される連絡管45r,46r,
47r,48rとから構成されている。

なお、図示省略したが、地下室に設置されたブライン
タンクからブライン補給ポンプを介して導出管25（又は
導入管24）に接続する塞止弁付き注入管と、該導出管25
からブラインタンクへの塞止弁付き収集管とが設けられ
ており、また、導出管15（又は導入管14）には、屋上の
高架水槽から水補給弁付き給水管が導かれ、かつ、排水
弁も設けてある。

従って、冷房用と暖房用との切替えに対しては、第１
〜第４三方弁31〜34の切替え操作だけでなく、ブライン
ｂと水ｗとの入替えを行う。

すなわち、ブラインｂは前記ブラインタンクに１度収
納し、他の配管系から水ｗを完全に抜いた後、前記三方
弁31〜34の切替えを行ってからブライン補給ポンプを用
いて該配管系へ充填する。そして、ブラインｂを抜いた
配管系へは前記高架水槽から水ｗを補給する。

次に、作用について述べる。

夏期冷房の場合、第１図に見られるように、各三方弁
31,32,33,34をすべて直通状態に設定して使用する。

まず、タワー系統循環路10においては、送水ポンプ13
から送り出された32℃の水ｗは、ヒートポンプ２の凝縮
器内コイル4cにより、凝縮器４内の冷媒ｒから熱を奪い
37℃に温度上昇し導出管15,第２三方弁32を通り昇流管1
6から散布器17に到達してクーリングタワー1C内へ放散
される。そこで、32℃の外気ａにより放散された水ｗは
熱を奪われて冷却し、前記タワー1Cの底部に溜り、次い
で降流管11を流下して第１三方弁31,吸水管12を通り送
水ポンプ13に戻る太い実線で示した水ｗによる冷却サイ
クルを行う。

一方、水槽系統循環路20においては、ブラインポンプ
23から送り出された−４℃のブラインｂは、蒸発器内コ
イル5cにより蒸発器５内の冷媒ｒに熱を奪われて−８℃
に冷却し、導出管25,第４三方弁34,還流管26を通って還
流枝管26sからそれぞれの水槽内コイル6cに入り、水槽
６内の水w₆から熱を奪いこれを冷却して−８℃にする
が、自らは−４℃に昇温して往流枝管21s,往流管21,第
３三方弁33,吸液管22を通り再びブラインポンプ23へ戻
る二重線で示したブラインｂによる冷却サイクルを行
う。

この冷却サイクルで水槽内水w₆を冷やすだけでなく、
水槽内コイル6cの周囲に氷を作成し、これを生長させ
る。このことによって小さな蓄熱水槽で大容量の冷熱を
蓄熱できる。

さらに、夜間このブラインヒートポンプを運転するこ
とによって安価な夜間料金を利用することができる。

なお、この水槽内水w₆は、空調系統循環路40のＭ経路
によって所要の室の空調機AHUへ送られ、Ｎ経路を通っ
て水槽６へ戻る循環経路により、ビルディング内の冷房
を実施する。

また、冬期暖房に際しては、転換系経路30の各三方弁
31〜34を、第２図に示すように、夏期冷房の直通状態か
ら90度逆時計方向へ回動して折曲通路状態に設定する。
そこで、タワー系統循環路10′は、ブラインポンプ23−
導入管24−蒸発器内コイル5c−導出管25−第４三方弁34
−第４連結管38−昇流管16−散布器17−ヒーティングタ
ワー1H−降流管11−第１三方弁31−第１連結管35−吸液
管22−ブラインポンプ23の二重線で示した経路に形成さ
れ、該ブラインポンプ23から送り出された０℃のブライ
ンｂは、蒸発器内コイル5cにより蒸発器５内の冷媒ｒに
熱を奪われて−11℃に冷却し、前記経路に沿って散布器
17に導かれヒーティングタワー1H内に散布される。この
とき、０℃の外気ａから熱を奪って−７℃に昇温したブ
ラインｂは、降流管11を経て再びブラインポンプ23へ戻
る二重線で示したブラインｂによる加熱サイクルを行
う。

一方、水槽系統循環路20′は、送水ポンプ13−導入管
14−凝縮器内コイル4c−導出管15−第２三方弁32−第２
連結管36−還流管26−還流枝管26s−水槽内コイル6c−
往流枝管21s−往流管21−第３三方弁33−第３連結管37
−吸水管12−送水ポンプ13の太い実線で示した経路に形
成され、該送水ポンプ13から送り出された40℃の水ｗ
は、凝縮器内コイル4cにより凝縮器４内の冷媒ｒから熱
を奪って45℃に昇温し、水槽内コイル6cに導かれて水槽
６内の水w₆に熱を与えて45℃に昇温させる反面、自らは
40℃となって送水ポンプ13へ戻る太い実線で示した水ｗ
による加熱サイクルを行う。そして、45℃に加熱された
水槽内水w₆は、空調系統循環路40の各三方弁45,46,47,4
8を90度時計方向へ回動して各連絡管45r〜48rにそれぞ
れ連通させた後、水槽６の側壁6Sの上部から実線で示す
往路に従い二次ポンプ43により空調機AHUへ送られ、同
じく実線で示す復路に沿い側壁6Sの下部に戻る循環経路
によって、ビルディング内の暖房を実施する。

次に、他の実施例を第３図に基づいて述べる。

本実施例は、その水槽系統循環路20″を、冬期の暖房
運転に際する蓄熱回路としては、水槽内コイル6cを経路
から除外し、水槽内水w₆をヒートポンプユニット２の凝
縮器内コイル4cに直接導くように、水槽内水直接加温系
統路50を付設したものであって、その他の構成は、前述
の水槽系統循環路20′と同様である。

前記加温系統路50は、送水ポンプ13の吸入口手前にお
いて、往流管21に設けた往流三方弁51と、水槽６の一方
の側壁6S下部とを連絡する往水管52を設け、また、第２
連結管36と還流枝管26sとの間において還流管26に設け
た還流三方弁53と、水槽６の他方の側壁6S′上部とを連
絡する還水管54を設けた構成としてある。

したがって、水槽内水w₆は、往流三方弁51と還流三方
弁53とを折曲通路状態に設定し水槽系統循環路20″によ
り凝縮器内コイル4cから直接受熱して昇温するととも
に、空調系統循環路40により空調器AHUに送られた暖房
を行うため、熱効率がさらに向上する。

なお、本実施例を夏期に使用する場合等には、往流三
方弁51と還流三方弁53とを逆時計方向に90度回動して直
線通路状態に設定することにより前記加温系統路50を除
外して運転すればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、夏冬兼用の冷却
加熱塔，ヒートポンプユニット及び水槽とを、転換系統
路を組み合わしたタワー系統循環路と水槽系統循環路と
で接続して１つのシステムとした蓄熱式ヒートポンプを
構成したため、転換系統路における複数の三方弁の切替
えだけにより、ブラインと水との流路交替が極めて円滑
簡易に行えるので、１台の機械で冷房用にも暖房用にも
効率よく使用することができ、従来、大型ビルでは不可
能としていた年間蓄熱運転を可能にし得たばかりか、部
品点数も少く費用も安上りで済むという効果がある。

また、本発明では冷却及び加熱兼用の一体型の冷却加
熱塔を用いており、小さな熱交換器のスペースで済むと
いう効果がある。

なお、冬期暖房用として水槽系統循環路に、水槽内水
直接加温系統路を付設した場合には、空調用の水槽内水
を凝縮器により直接加温することとなるので暖房効率を
さらに向上することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の夏期使用の状態で示す概
略構成図、第２図は、同じく冬期使用の状態を示す概略
構成図、第３図は、他の実施例の冬期使用の状態を示す
概略構成図、第４図は、従来の小型ビルディングにおけ
る空気熱源ヒートポンプの概略構成図、第５図は、従来
のヒーティングタワー方式ヒートポンプの暖房運転状態
を示す概略構成図、第６図は、同じく冷房運転状態を示
す概略構成図である。 １……冷却加熱塔 ２……ヒートポンプユニット ４……凝縮器 ５……蒸発器 6c……水槽内コイル 10,10′……タワー系統循環路 11……降流管 12……吸水管 15……導出管 16……昇流管 20,20′20″……水槽系統循環路 22……吸液管 25……導出管 26……還流管 30……転換系統路 31……第１三方弁 32……第２三方弁 33……第３三方弁 34……第４三方弁 35……第１連結管 36……第２連結管 37……第３連結管 38……第４連結管 50……水槽内水直接加温系統路 51……往流三方弁 52……往水管 53……還流三方弁 54……還水管 ｗ……水 w₆……水槽内水 ｂ……ブライン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷却及び加熱機能を有した冷却加熱塔から
   のタワー系統循環路と、水槽内コイルからの水槽系統循
   環路とをヒートポンプユニットに組み合わせてなる蓄熱
   式ヒートポンプにおいて、両循環路のそれぞれの配管途
   中に、他方の循環路の配管に接続する連結管を有する三
   方弁複数を設けてなる転換系統路を組み付け、前記ヒー
   トポンプユニットの凝縮器と蒸発器とにそれぞれ連通す
   る前記両循環路との組合せを、夏期冷房，冬期暖房に対
   応して三方弁の切替えによりブラインと水とを入れ替え
   て使用する構成としたことを特徴とする蓄熱式ヒートポ
   ンプ。
2. 【請求項２】前記水槽系統循環路に、水槽内水を通水す
   る水槽内水直接加温系統路を、水槽内コイルに対し切替
   え可能に並列して設けたことを特徴とする請求項１記載
   の蓄熱式ヒートポンプ。