JP3077175B2 - ヒートポンプ式空調設備 - Google Patents

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。

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，零度℃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。

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。

〔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房塔を
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。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，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機能を
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凝縮器に熱源水を通液して冷
房運転を行い，該凝縮器で加温された熱源水を冷却塔で
外気と熱交換して冷却するヒートポンプ式空調設備にお
いて，暖房運転のさいには前記の冷却塔をヒーテングタ
ワーとして利用しながら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
不凍液をヒーテ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設備であって，前記の冷却塔を兼
ねるヒーテングタワーを，一つの塔内に複数の散液ゾー
ンをもつ開放型タワーに構成し，暖房運転時にはこれら
の散液ゾーンを低温不凍液の散液ゾーンと高温不凍液の
散液ゾーンに使い分け前記低温不凍液の散液ゾーンに該
蒸発器で冷却された不凍液を散液し，該不凍液の一部を
加熱したものを前記高温不凍液の散液ゾーンに散液して
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０℃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凝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
ーテングタワーの高温不凍液の散液ゾーンに散液させれ
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高温不
凍液の散液ゾーンで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，ヒーターを通じての散液の発停を行えばよく，運
転動作も極めて簡単である。

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，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，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。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，防黴剤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
する不凍液に零度℃以下例えば−５℃に冷却された低温
不凍液は散液装置3aから充填物層2aに散液され，送風機
４の駆動によって充填物層2aを上昇する例えば０℃の外
気と直接的に接触して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なる。

この不凍液の濃縮のために，本発明設備ではヒーテン
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，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
15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
置がこの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，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。

なお，このヒーテングタワー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
ミネーターを示している。

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ー（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てある。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濃縮運
転を行う。なお，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１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，系内の不凍液濃縮（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３〜５図は，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23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，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，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，トラッ
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，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，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， 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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土山 公平 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 藤瀬 正彦 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−297967（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−210579（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−186172（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−106421（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24F 5/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヒートポンプ装置の凝縮器に熱源水を通液
   して冷房運転を行い，該凝縮器で加温された熱源水を冷
   却塔で外気と熱交換して冷却するヒートポンプ式空調設
   備において，暖房運転のさいには前記の冷却塔をヒーテ
   ングタワーとして利用しながら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
   された不凍液をこのヒーテ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設備であって，前記の
   冷却塔を兼ねるヒーテングタワーを，一つの塔内に複数
   の散液ゾーンをもつ開放型タワーに構成し，暖房運転時
   にはこれらの散液ゾーンを低温不凍液の散液ゾーンと高
   温不凍液の散液ゾーンに使い分け，前記低温不凍液の散
   液ゾーンに該蒸発器で冷却された不凍液を散液し，該不
   凍液の一部を加熱したものを前記高温不凍液の散液ゾー
   ン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. 【請求項２】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１
   に記載のヒートポンプ式空調設備。
3. 【請求項３】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２に記載のヒート
   ポンプ式空調設備。