JP2005233475A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】安価かつ簡単な構成にすることができるとともに、メンテナンスも容易となり、また、ブラインの濃度低下を防止することができるヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】リバースサイクル式ヒートポンプ２と、密閉式ヒーティングタワー１と、ヒートポンプ２とヒーティングタワー１との間でブラインを循環させるブライン配管３とを備えた。ヒートポンプ２は、冷媒を圧縮する圧縮機２１と、ブライン配管３内のブラインと冷媒との間で熱交換を行う熱源側熱交換器２２と、負荷側と冷媒との間で熱交換を行う負荷側熱交換器２３と、冷媒流路を切替可能な四方弁２４とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに係り、特に空調分野における冷暖房用冷温水を製造する、ヒーティングタワー付ヒートポンプシステムに関するものである。

従来のヒーティングタワーを利用したヒートポンプシステムでは、主に、地域冷暖房施設において使用されるような大容量のヒートポンプが用いられている。したがって、システムが大型化し、現地での設置作業が大規模化する。また、現場ごとに個別の対応を施す必要があるため、システムを構築することが煩雑である。

さらに、従来のヒートポンプシステムにおいては、ヒートポンプが大容量であるため、あるいは、低圧冷媒を使用しているため、現実的に冷媒系統を切り替えることができない。すなわち、冷房運転と暖房運転との切替を行うためには、冷房用の外部配管と暖房用の外部配管とを設けて、これらの外部配管を切り替える必要がある。したがって、システムの配管構成が複雑となる。

図１は、従来の開放式ヒーティングタワー１００を利用したヒートポンプシステムを示すブロック図である。図１に示されるように、このヒートポンプシステムは、開放式ヒーティングタワー１００とヒートポンプ２００とを備えている。ヒーティングタワー１００とヒートポンプ２００との間には、ブライン配管１０２によりブラインが循環されている。なお、図１において、１０４はブラインポンプ、１０６は温水蓄熱槽、１０８は温水ポンプ、１１０は冷水蓄熱槽、１１２は冷水ポンプを表している。

このようなヒートポンプシステムにおいて、冬期の暖房運転時には、ヒートポンプ２００で冷却されたブラインが、ブラインポンプ１０４によりヒーティングタワー１００内に散布され、外気（大気）１１４から熱を吸収する。また、夏期の冷房運転時には、ヒーティングタワー１００をクーリングタワーとして機能させる。すなわち、ヒートポンプ２００で加温されたブラインが、ヒーティングタワー（クーリングタワー）１００内に散布され、外気（大気）１１４に放熱する。

このような開放式ヒーティングタワーを利用したヒートポンプシステムにおいては、冬期の暖房運転時に、ヒーティングタワー１００内の大気１１４中の湿気がブラインに混入して、ブラインの濃度が低下するという問題がある。このため、従来のヒートポンプシステムにおいては、図１に示されるように、ブラインの濃度を監視するブライン濃度管理装置１１６が設けられており、このブライン濃度管理装置１１６の出力に基づいてブラインタンク１１８からブラインを補充してブラインの濃度を維持することがなされている。

図２は、従来の密閉式ヒーティングタワー３００を利用したヒートポンプシステムを示すブロック図である。このヒートポンプシステムは、冬期のデフロスト運転のためにヒータ３０２を有するブラインタンク３０４を備えている。デフロスト運転が必要となった場合には、バルブＶＡを閉じ、バルブＶＢを開ける。そして、デフロストポンプ３０６を駆動して、ヒータ３０２で加熱したブラインを循環させてデフロスト運転が行われる。このように、デフロスト運転中はバルブＶＡが閉じられるため、負荷側のヒートポンプにブラインを一時的に供給できなくなる。また、このようなシステムでは、デフロスト運転のためにヒータ３０２やブラインタンク３０４などの設備が必要となり、システムの構成が複雑になるとともに高価になってしまう。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、安価かつ簡単な構成にすることができるとともに、メンテナンスも容易となり、また、ブラインの濃度低下を防止することができるヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、リバースサイクル式ヒートポンプと、密閉式ヒーティングタワーと、上記ヒートポンプと上記ヒーティングタワーとの間でブラインを循環させるブライン配管とを備えたヒートポンプシステムが提供される。

本発明の好ましい一態様によれば、上記リバースサイクル式ヒートポンプは、冷媒を圧縮する圧縮機と、上記ブライン配管内のブラインと上記冷媒との間で熱交換を行う熱源側熱交換器と、負荷側と上記冷媒との間で熱交換を行う負荷側熱交換器と、上記圧縮機の吐出口、上記熱源側熱交換器、上記負荷側熱交換器、上記圧縮機の吸込口の順番に冷媒を導く第１の流路と、上記圧縮機の吐出口、上記負荷側熱交換器、上記熱源側熱交換器、上記圧縮機の吸込口の順番に冷媒を導く第２の流路とのいずれかに冷媒流路を切替可能な四方弁とを備える。

本発明によれば、ヒートポンプとしてリバースサイクル式ヒートポンプを用いているので、冷房用の外部配管と暖房用の外部配管とを設けてこれらを切り替える必要がなくなり、配管構成を簡素化することができる。また、デフロスト運転のためのヒータやブラインタンクなどの付加設備が不要となるので、システムが大幅に簡素化され、安価なシステムを構築することができる。また、このようにシステムが簡素化されるため、そのメンテナンスも容易になる。

また、密閉式ヒーティングタワーを用いているので、ブラインが大気と接触することがなく、ブラインに大気中の水分が混入することがない。したがって、ブラインの濃度低下を防止することができ、従来のヒートポンプシステムのようにブライン濃度管理装置などを必要としない。

本発明の好ましい一態様によれば、上記四方弁は、上記ヒーティングタワー内の上記ブライン配管の表面に着霜したときに、上記冷媒流路を上記第１の流路に切り替える。このように、四方弁を切り替えるだけでデフロスト運転を行うことができるので、デフロスト運転のためのヒータやブラインタンクなどの付加設備が不要となる。

本発明の好ましい一態様によれば、上記ヒートポンプシステムは、少なくとも上記ヒートポンプと上記ヒーティングタワーとを１つのユニットとしたヒートポンプユニットを複数備えている。このようにヒートポンプとヒーティングタワーとを１つのユニットとすることで、モジュール化された複数のヒートポンプユニットを現地に持ち込んで、現地で簡単にヒートポンプシステムを構築することができる。したがって、現地での設置作業が軽減されるともに、作業の均一化および品質の安定化を図ることができる。

本発明の好ましい一態様によれば、上記ブライン配管は、第１の切替弁を介して上記複数のヒートポンプユニットの各ヒートポンプと各ヒーティングタワーのそれぞれに接続される主ブライン配管と、第２の切替弁を介して上記複数のヒートポンプユニットの各ヒートポンプと各ヒーティングタワーのそれぞれに接続されるデフロスト用ブライン配管と備えている。このような構成により、冬期の暖房運転において、ヒートポンプユニットごとに暖房運転とデフロスト運転とを選択して運転することができる。したがって、少なくとも１つのヒートポンプユニットで暖房運転を継続すれば、システムの暖房運転を継続しながら、各ヒーティングタワーのデフロスト運転を行うことができる。

本発明によれば、ヒートポンプシステムを安価かつ簡単な構成にすることができるとともに、メンテナンスも容易となる。また、ブラインの濃度低下を防止することができる。

以下、本発明に係るヒートポンプシステムの実施形態について図３から図７を参照して詳細に説明する。なお、図３から図７において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図３は、本発明の第１の実施形態におけるヒートポンプシステムを示すブロック図である。図３に示されるように、このヒートポンプシステムは、密閉式ヒーティングタワー１と、リバースサイクル式ヒートポンプ２と、ヒーティングタワー１とヒートポンプ２との間でブラインを循環させるブライン配管３と、空調機４と、ヒートポンプ２と空調機４との間で水（冷温水）を循環させる冷温水配管５とを備えている。

密閉式ヒーティングタワー１は、送風機１０と、ブライン配管３のコイル部３０の外表面に水を散布する散布ノズル１１と、水を散布ノズル１１に供給する散水ポンプ１２とを備えている。また、ブライン配管３には、ブライン配管３中のブラインを循環させるブラインポンプ３１が設けられている。冷温水配管５は空調機４に接続されており、この冷温水配管５には冷温水配管５中の水を循環させる冷温水ポンプ５０が設けられている。

上述したように、ヒートポンプ２は、リバースサイクル式ヒートポンプであり、冷媒を圧縮する圧縮機２１と、ブライン配管３内のブラインと冷媒との間で熱交換を行う熱源側熱交換器２２と、冷温水配管５内の水と冷媒との間で熱交換を行う負荷側熱交換器２３と、ヒートポンプ２内の冷媒流路を切替え可能な四方弁２４とを備えている。この四方弁２４は、圧縮機２１の吐出口、熱源側熱交換器２２、負荷側熱交換器２３、圧縮機２１の吸込口の順番に冷媒を導く第１の流路と、圧縮機２１の吐出口、負荷側熱交換器２３、熱源側熱交換器２２、圧縮機２１の吸込口の順番に冷媒を導く第２の流路とのいずれかに冷媒流路を切り替えることができるようになっている。この冷媒流路の切替により、冷房運転と暖房運転とを切り替えることができる。

図３には、夏期の冷房運転時の状態が示されている。冷房運転時には、四方弁２４は冷媒流路を第１の流路に切り替える。すなわち、圧縮機２１の吐出口から吐き出された高温高圧の冷媒ガスは、四方弁２４を経て熱源側熱交換器２２に導かれ、ここでブライン配管３内のブラインと熱交換して凝縮し冷媒液となる。この冷媒液は膨張弁（図示せず）で減圧された後、負荷側熱交換器２３に導かれる。ここで、冷媒液は空調機４の冷温水配管５内の水との熱交換により蒸発して冷媒ガスとなる。この冷媒ガスは四方弁２４を経て圧縮機２１の吸込口に導かれ、再び圧縮機２１で圧縮される。

冬期の暖房運転時には、図４に示されるように、四方弁２４は冷媒流路を第２の流路に切り替える。すなわち、圧縮機２１の吐出口から吐き出された高温高圧の冷媒ガスは、四方弁２４を経て負荷側熱交換器２３に導かれ、ここで空調機４の冷温水配管５内の水と熱交換して凝縮し冷媒液となる。この冷媒液は膨張弁（図示せず）で減圧された後、熱源側熱交換器２２に導かれる。ここで、冷媒液はブライン配管３内のブラインとの熱交換により蒸発して冷媒ガスとなる。この冷媒ガスは四方弁２４を経て圧縮機２１の吸込口に導かれ、再び圧縮機２１で圧縮される。

このように、本実施形態では、ヒートポンプとしてリバースサイクル式ヒートポンプ２を用いているので、四方弁２４を切り替えるだけで冷房運転と暖房運転とを切り替えることができる。したがって、冷房用の外部配管と暖房用の外部配管とを設けてこれらを切り替える必要がなくなり、配管構成を簡素化することができる。

また、ヒーティングタワー１内のコイル部３０に着霜したときには、デフロスト運転を行う。このデフロスト運転時には、冷媒流路が図３に示される第１の流路に切り替えられ、リバースサイクルによりデフロスト運転が行われる。すなわち、圧縮機２１の吐出口から吐き出された高温高圧の冷媒ガスは、四方弁２４を経て熱源側熱交換器２２に導かれ、ここでブライン配管３内のブラインと熱交換して凝縮し冷媒液となる。この熱源側熱交換器２２では、ブライン配管３内のブラインが冷媒との熱交換により加熱され、加熱されたブラインがブラインポンプ３１によってヒーティングタワー１のコイル部３０に送られる。これにより、コイル部３０の表面に付着した霜が融解される。

熱源側熱交換器２２を出た冷媒液は膨張弁（図示せず）で減圧された後、負荷側熱交換器２３に導かれる。ここで、冷媒液は空調機４の冷温水配管５内の水との熱交換により蒸発して冷媒ガスとなる。この冷媒ガスは四方弁２４を経て圧縮機２１の吸込口に導かれ、再び圧縮機２１で圧縮される。

このように、本実施形態では、ヒートポンプとしてリバースサイクル式ヒートポンプ２を用いているので、四方弁２４を切り替えるだけでデフロスト運転を行うことができる。したがって、デフロスト運転のためのヒータやブラインタンクなどの負荷設備が不要となり、システムが大幅に簡素化され、安価なシステムを構築することができる。また、このようにシステムが大幅に簡素化されるため、そのメンテナンスも容易になる。

また、本実施形態では、密閉式ヒーティングタワーを用いているので、ブラインが大気と接触することがなく、ブラインに大気中の水分が混入することがない。したがって、ブラインの濃度低下を防止することができ、従来のヒートポンプシステムのようにブライン濃度管理装置なども不要となる。

図５は、本発明の第２の実施形態におけるヒートポンプシステムを示すブロック図である。本実施形態では、上述した第１の実施形態におけるヒーティングタワー１とヒートポンプ２とブライン配管３とを１つのヒートポンプユニット６とし、ヒートポンプシステム内に複数のヒートポンプユニット６を設けている。すなわち、各ヒートポンプユニット６のヒーティングタワー１を並べて配置するとともに、各ヒートポンプユニット６のヒートポンプ２を並列に並べて冷温水配管５に接続している。なお、図５では、５つのヒートポンプユニット６を並設した例を示しているが、ヒートポンプユニット６の数はこれに限られるものではない。

本実施形態のヒートポンプシステムによれば、ヒートポンプとヒーティングタワーとを１つのユニットとしているので、モジュール化された複数のヒートポンプユニットを現地に持ち込んで、現地で簡単にヒートポンプシステムを構築することができる。したがって、現地での設置作業が軽減されるともに、作業の均一化および品質の安定化を図ることができる。

図６は、本発明の第３の実施形態におけるヒートポンプシステムを示すブロック図である。本実施形態のヒートポンプシステムは、上述した第２の実施形態と同様に、５つのヒートポンプユニットＵ１〜Ｕ５を備えている。図６に示されるように、ヒートポンプユニットＵ１はヒーティングタワーＨＴ１とヒートポンプＲ１、ヒートポンプユニットＵ２はヒーティングタワーＨＴ２とヒートポンプＲ２、ヒートポンプユニットＵ３はヒーティングタワーＨＴ３とヒートポンプＲ３、ヒートポンプユニットＵ４はヒーティングタワーＨＴ４とヒートポンプＲ４、ヒートポンプユニットＵ５はヒーティングタワーＨＴ５とヒートポンプＲ５をそれぞれ有している。

また、本実施形態のヒートポンプシステムは、主ブライン配管７とデフロスト用ブライン配管８とからなる２系統のブライン配管を備えている。これらの主ブライン配管７とデフロスト用ブライン配管８とは、ヒートポンプユニットＵ１〜Ｕ５に共通のものとなっており、主ブライン配管７とデフロスト用ブライン配管８には、それぞれ主ブラインポンプ７１とデフロスト用ブラインポンプ８１が設置されている。

ヒーティングタワーＨＴ１〜ＨＴ５と主ブライン配管７は、第１の切替弁Ｖ１〜Ｖ５を介してそれぞれ接続されており、ヒートポンプＲ１〜Ｒ５と主ブライン配管７は、第１の切替弁Ｖ６〜Ｖ１０を介してそれぞれ接続されている。また、ヒーティングタワーＨＴ１〜ＨＴ５とデフロスト用ブライン配管８は、第２の切替弁Ｖ１１〜Ｖ１５を介してそれぞれ接続されており、ヒートポンプＲ１〜Ｒ５とデフロスト用ブライン配管８は、第２の切替弁Ｖ１６〜Ｖ２０を介してそれぞれ接続されている。

このような構成において、冬期の暖房運転をする場合、例えば、ヒートポンプＲ２〜Ｒ５とヒーティングタワーＨＴ２〜ＨＴ５は主ブライン配管７を用いて通常の暖房運転をしつつ、ヒートポンプＲ１とヒーティングタワーＨＴ１はデフロスト用ブライン配管８を用いてデフロスト運転を行うことができる。すなわち、ヒーティングタワーＨＴ２〜ＨＴ５の主ブライン配管７上の切替弁Ｖ２〜Ｖ５を開き、デフロスト用ブライン配管８上の切替弁Ｖ１２〜Ｖ１５を閉じる。また、ヒートポンプＲ２〜Ｒ５の主ブライン配管７上の切替弁Ｖ７〜Ｖ１０を開き、デフロスト用ブライン配管８上の切替弁Ｖ１７〜Ｖ２０を閉じる。そして、ヒーティングタワーＨＴ１の主ブライン配管７上の切替弁Ｖ１を閉じ、デフロスト用ブライン配管８上の切替弁Ｖ１１を開く。また、ヒートポンプＲ１の主ブライン配管７上の切替弁Ｖ６を閉じ、デフロスト用ブライン配管８上の切替弁Ｖ１６を開く。

このような状態で、ヒートポンプＲ１をデフロスト運転、ヒートポンプＲ２〜Ｒ５を暖房運転に設定すれば、ヒートポンプＲ２〜Ｒ５とヒーティングタワーＨＴ２〜ＨＴ５で通常の暖房運転を行いつつ、ヒートポンプＲ１とヒーティングタワーＨＴ１でデフロスト運転を行うことができる。したがって、その後、デフロスト運転を行うヒーティングタワーを順次変えて行くことで、システムの暖房運転を継続しながら、各ヒーティングタワーのデフロスト運転を行うことができる。

図７は、上述した第１の実施形態のヒートポンプシステムを、夜間電力を利用した氷蓄熱に応用した例を示すブロック図である。この例では、ヒートポンプ２の負荷側に２次側ブライン配管９０を介して氷蓄熱槽９が接続されている。２次側ブライン配管９０には２次側ブラインポンプ９１が設置され、２次側ブライン配管９０と冷温水配管５との間には熱交換器９２が設けられている。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

従来の開放式ヒーティングタワーを利用したヒートポンプシステムを示すブロック図である。 従来の密閉式ヒーティングタワーを利用したヒートポンプシステムを示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態におけるヒートポンプシステムを示すブロック図である。 図３のヒートポンプシステムの冬期暖房運転時の状態を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態におけるヒートポンプシステムを示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態におけるヒートポンプシステムを示すブロック図である。 図３のヒートポンプシステムを、夜間電力を利用した氷蓄熱に応用した例を示すブロック図である。

符号の説明

１，ＨＴ１〜ＨＴ５ 密閉式ヒーティングタワー
２，Ｒ１〜Ｒ５ リバースサイクル式ヒートポンプ
３ ブライン配管
４ 空調機
５ 冷温水配管
６，Ｕ１〜Ｕ５ ヒートポンプユニット
７ 主ブライン配管
８ デフロスト用ブライン配管
１０ 送風機
１１ 散布ノズル
１２ 散水ポンプ
２１ 圧縮機
２２ 熱源側熱交換器
２３ 負荷側熱交換器
２４ 四方弁
５０ 冷温水ポンプ
７１ 主ブラインポンプ
８１ デフロスト用ブラインポンプ
Ｖ１〜Ｖ１０ 第１の切替弁
Ｖ１１〜Ｖ２０ 第２の切替弁

Claims (5)

1. リバースサイクル式ヒートポンプと、
   密閉式ヒーティングタワーと、
   前記ヒートポンプと前記ヒーティングタワーとの間でブラインを循環させるブライン配管と、
   を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記リバースサイクル式ヒートポンプは、
   冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記ブライン配管内のブラインと前記冷媒との間で熱交換を行う熱源側熱交換器と、
   負荷側と前記冷媒との間で熱交換を行う負荷側熱交換器と、
   前記圧縮機の吐出口、前記熱源側熱交換器、前記負荷側熱交換器、前記圧縮機の吸込口の順番に冷媒を導く第１の流路と、前記圧縮機の吐出口、前記負荷側熱交換器、前記熱源側熱交換器、前記圧縮機の吸込口の順番に冷媒を導く第２の流路とのいずれかに冷媒流路を切替可能な四方弁と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記四方弁は、前記ヒーティングタワー内の前記ブライン配管の表面に着霜したときに、前記冷媒流路を前記第１の流路に切り替えることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプシステム。
4. 少なくとも前記ヒートポンプと前記ヒーティングタワーとを１つのユニットとしたヒートポンプユニットを複数備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
5. 前記ブライン配管は、
   第１の切替弁を介して前記複数のヒートポンプユニットの各ヒートポンプと各ヒーティングタワーのそれぞれに接続される主ブライン配管と、
   第２の切替弁を介して前記複数のヒートポンプユニットの各ヒートポンプと各ヒーティングタワーのそれぞれに接続されるデフロスト用ブライン配管と、
   を備えたことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプシステム。

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