JP3340863B2 - ヒーティングタワーのブライン濃度管理方法 - Google Patents

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
しないブライン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ことによって
冷却されたブライン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、希釈されたブラインをこの外気加
熱によって濃縮する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、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。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】また、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、温水生産能力の低下といっ
た不具合がある。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】そこで、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。即ち、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】この方式の場合、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℃以下でも凍らないブ
ラインを使用することになる。かようなブラインとして
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
液など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ブラインを使用する必
要はないので、冷房シーズンでは通常の熱源水を使用
し、ブラインの使用は冬期の暖房運転シーズンだけに限
られる。

【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。ところ
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、ブラインが希釈され
るという問題が生ずる。例えば、零度℃以下に冷却され
たブライン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、ブライン中に外気中の水分
が移行し、ブラインの濃度が徐々に低くなるという現象
が生ずる。

【０００７】そして、ブライン濃度が低くなるとブライ
ンの凝固点が高くなり、凍結トラブルを惹起する。ま
た、ブラインの防食効果が低下し、腐食、腐敗が起こ
る。悪臭の発生源にもなるという問題がある。逆に、高
濃度のブライン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
力が増加し、余計なランニングコストがかかるという問
題がある。また、ヒートポンプ装置のＣＯＰも低下す
る。

【０００８】このように、ヒーティングタワーにおいて
はブラインの濃度管理が不可欠となるが、例えばブライ
ンの管理濃度を固定して（例えば常に５０ｗｔ％のブラ
インを使用して）運転を行うことは、ブラインの動粘性
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
かかることになる。更に、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
ドでブラインは主に濃縮され、逆に暖房モードでブライ
ン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
るブライン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。

【０００９】従って、ブライン濃度を一定の値に固定す
るよりも、凍結しない最低の濃度に常に管理して運転を
行う方が効率の良い運転となる。外気の温度が低くなっ
て、ブラインが凍結する危険性が最も高くなるのは、早
朝のヒートポンプ装置の運転開始時である。この開始時
においてブラインが濃縮された状態にしておく操作は、
早朝前の夜間に予め行っておく必要があり、その濃縮操
作を行う時点で既にブラインの管理濃度が決定されてい
ることが必要である。そして、ブラインの管理濃度を決
定するためには外気条件である外気湿球温度と外気絶対
湿度の予測が必要となる。

【００１０】ここで、外気条件の予測技術として、特開
平４−４３２３９号の「蓄熱式水熱源空調システムの運
転方法」が公知であり、この方法では最高最低外気温度
の予測手法が開示されている。また、この特開平４−４
３２３９号の方法を利用してヒーティングタワーの濃度
管理を行うものとして特開平４−２９５５２７号の「不
凍液利用のヒートポンプ式空調方式」が公知である。

【００１１】ところが、これら特開平４−４３２３９号
及び特開平４−２９５５２７号の手段において使用され
ている外気条件の予測方法は、もともと空調の中央監視
システムを想定したものであって、これらの方法による
と日射量、雲量（これは放射量から算出される）等の計
測が必要で、計測機器が高価であり、メンテナンスが面
倒で、気象の観測では有効だが、空調の制御に用いるた
めには不便であるといった問題がある。また、予測の精
度もそれほど高くなく、かなり大きな安全率を必要とす
る。

【００１２】本発明の目的は、これら特開平４−４３２
３９号及び特開平４−２９５５２７号の濃度管理方法を
改良し、ヒーティングタワーシステムにおいて最も省エ
ネルギな運転となるようにブライン濃度を管理すること
にある。

【０００１３】

【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
タワーとの間にブラインの循環路を形成し、該蒸発器で
冷却されたブラインをヒーティングタワーで外気と熱交
換して昇温させることによりブラインを濃縮する方法に
おいて、該ブライン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ブラインの濃縮運転を行なうさい
に、外気湿球温度の予測値と外気絶対湿度の予測値を用
いてブライン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ヒーティングタワーのブ
ライン濃度管理方法を提供する。そして、外気湿球温度
を予測するに際しては、過去数日分のデータと当日の２
１時の気温、絶対湿度から翌日の最高最低湿球温度を予
測し、１日のパターンに基づいて時刻毎の予測値を算出
するか、翌日の各時刻毎の湿球温度を過去数日分のデー
タと当日の２１時の気温、絶対湿度より直接予測するこ
とが可能である。

【００１４】

【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。

【００１５】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ブラインを
系内に装填する。このブラインは、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。

【００１６】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を通液するブラインは零度℃
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
ブラインは徐々に希釈されることになる。

【００１７】このブラインの濃縮のために、本発明設備
ではヒーティングタワー１の散液ゾーンを、前記のブラ
イン加熱用の散液ゾーンとブライン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内のブライ
ンの一部を液・液熱交換器１６で加温したうえで供給す
る。１５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、これらはブライン加熱
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
内のブラインは熱交換器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、
ブライン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、ブラインを加熱
するのに使われた残りの熱はブラインに顕熱として蓄え
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。

【００１８】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におけるブライン加熱用
の散液ゾーンとブライン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。

【００１９】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ブライン濃縮用の散液ゾー
ン２ａ、３ａを形成した例を示している。２０はブライ
ンタンクであり、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
まで濃縮されたブラインをここに貯蔵する。夏期はブラ
イン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・インバータ２４によって回転
数の制御ができるようになっている。

【００２０】図２において、２１は中間容器（ピット）
であり、循環中のブライン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もブライン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。

【００２１】ブライン濃縮運転のためのブラインの加熱
はヒーティングタワー１内のブラインの一部を加熱用熱
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２５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。

【００２２】以下に、ヒーティングタワーのブライン
（エチレングリコール水溶液）の濃縮を管理する方法に
ついて説明する。

【００２３】（１）蓄熱水槽２６は、予測されるブライ
ンの希釈に対して、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）に示すブラインの濃度予測機能で
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。

【００２４】（２）ヒーティングタワーの下部水槽７に
おけるブライン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、ブライン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ブライン濃度が管理下
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）に示すブラインの濃度
予測機能により、ブライン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。

【００２５】（３）熱交換器１６を通過した濃縮系統の
ブライン出口温度を温度計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）に示すブライン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のブライン
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。

【００２６】（４）夏期にブラインを抜いて冷却水と交
換しようとする時は、先ずブライン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。ブライン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、冷房運転ではブラインは冷
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内のブライン温度は外気湿球温度より高
く、ブライン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、ブラインを回収しようとす
る時期は、冷却塔として運転しブライン濃度が回収濃度
に到達した時と判断できる。ブラインの濃縮が回収濃度
に到達したことを確認した後、回収ピット２１に集液し
た濃縮ブラインを、ポンプ３６の駆動によりブラインタ
ンク２０に貯溜する。

【００２７】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４０
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
路のブラインを回収ピット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ブ
ラインや、２方弁４１を開放することにより濃縮系統の
配管内のブラインを回収する。回収ピット２１には液位
計４３が設備され、上限液位で警報が出るようにしてお
く。ブラインの回収ポンプ３６は手動で起動し、回収ピ
ット２１からブラインタンク２０に濃縮されたブライン
を給送する。

【００２８】（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。

【００２９】（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。

【００３０】（７）ブラインの濃度予測機能 以下に、本発明におけるブラインの濃度予測機能を、従
来のものと比較しながら説明する。

【００３１】［最高最低外気温度の予測方法］本発明の
ブラインの濃度予測機能においては湿球温度を直接予測
しており、外気温度の予測は行っていない。しかし、従
来の予測機能においては、先ず最初に、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。次に示
す回帰式において過去３０日のデータを用いて回帰係数
を求め、翌日の最高最低外気温度を予測する。

【００３２】 ΔＴa_max ＝ ａ₀＋ａ₁×ΣＫ／Ｖ＋ａ₂×Ｃe／Ｖ＋ａ₃×ｅ ΔＴa_min ＝ ｂ₀＋ｂ₁×ΣＫ／Ｖ＋ｂ₂×Ｃe／Ｖ＋ｂ₃×ｅ ΣＫ ：当日の日射量の積算（ｋｗ） Ｖ ：日平均風速（ｍ／ｓｅｃ） Ｃe ：日平均雲量放射係数 ｅ ：日平均水蒸気圧（ｍｍＨｇ） ΔＴa_max：２１時の気温−翌日の最高気温（℃） ΔＴa_min：２１時の気温−翌日の最低気温（℃） ａ₀、ａ₁、ａ₂、ａ₃、ｂ₀、ｂ₁、ｂ₂、ｂ₃ ：重相関の回帰変数

【００３３】この回帰式がどの程度の相関を持っている
かを調べるために、実際の９０日分の全データを用いて
重相関係数を算出した。結果は次の通りである。 ΔＴa_max：ｒ₂ ＝ ０.１１７６４３８ ΔＴa_min：ｒ₂ ＝ ０.０６８１２７６

【００３４】このように、重相関係数は共に０.１前後
の低い値となり、有意な相関はないと判断された。この
理由は、予測式は最高最低気温との回帰式で２１時と最
高最低気温の差では相関がないこと、及び、予測式は最
高最低気温とその日の気象条件との回帰式で翌日の最高
最低気温とは相関がないこと、が考えられる。

【００３５】一方、以上のように有意な相関が存在しな
いにも関わらず、従来においても最高最低外気温度をあ
る程度の精度で予測することが可能であった。その理由
を調べるため、重相関係数を算出する際に用いたデータ
によって、最高最低気温を予測した。その結果を図３〜
６に示す。なお、相関を調べる期間は１０日、２０、３
０の３通りとして予測を行った。その結果、相関を取る
期間は３０日が最も適当であり、最低気温は±３℃以内
の範囲で精度良く予測できていた。一方、最高気温につ
いては±６℃以内の範囲で予測できたが、これは良い結
果とはいえない。このように最高気温については精度良
く予測できていないのは、天候の急激な変化に予測が対
応できないためである。

【００３６】以上のように有意な相関が存在しないにも
関わらず、従来において最高最低外気温度をある程度の
精度で予測することが可能であった理由は、その日の２
１時の気温との差を過去のデータより算出し、その２１
時の気温を加えた温度を翌日の最高最低外気温度の予測
値としているため、２１時の気温に相関があれば重相関
で算出した気温差の予測値は相関がなくても予測ができ
るからである。従って、この結果から、簡易法としてそ
の日の２１時の気温のみから翌日の最高最低外気温度を
予測することも可能と考えられる。そこで、相関を取る
日数を３０日として２１時の気温のみから翌日の最高最
低外気温度を予測した結果を図７〜１０に示した。その
結果、２１時の気温のみから従来の方法とほぼ同じ精度
で翌日の最高最低外気温度を予測できることが分かっ
た。

【００３７】［時刻毎の外気温度の予測方法］以上のよ
うにして予測した最高最低外気温度の予測値を用い、次
に、時刻毎の外気温度を予測する。この予測は、１日の
気温パターンを用いて行う。図１１に示すように、１日
の平均的な気温の変化には明らかなパターンがある。こ
の気温パターンを利用すれば最高最低気温の予測値から
１日の時刻毎の気温を予測できる。但し、図１２に示す
ように、雨の日の気温パターンは平均的な気温パターン
と著しく相違するので、例えば前日の気温パターンのみ
を用いるなど、１日のみの気温パターンに基づいて予想
を行うのは好ましくなく、気温パターンとしては、過去
１０日以上の平均や、初期に設定した季節毎の気温パタ
ーンを用いるのが良い。

【００３８】［外気絶対湿度の予測方法］外気絶対湿度
は１日のパターンが気温ほどはっきりしないため、パタ
ーンに基づいて時刻毎に絶対湿度を予測することは難し
い。例えば図１３に示すように、月平均の時刻毎の外気
絶対湿度には、１日の湿度パターンが僅かに現れている
が、気温ほどははっきりとしたパターンが現れない。そ
こで、絶対湿度の予測方法として、次の３つの方法を試
みた。 予測方法１：当日の２１時の絶対湿度を翌日の全時刻で
の予測値とする方法。 予測方法２：前日の２２時から当日の２１時までの絶対
湿度の平均値を翌日の全時刻での予測値とする方法。 予測方法３：当日の２１時の絶対湿度、気圧、気温より
相関を求め、各時刻の絶対湿度を予測する方法。

【００３９】予測方法１によって予測した絶対湿度（予
測値１）と予測方法３によって予測した絶対湿度（予測
値３）を実際に測定した絶対湿度と比較した結果を図１
４に示す。なお、予測方法２によって予測した絶対湿度
は実際の測定値との差が大きく、図示しなかった。予測
値１と予測値３はほとんど優劣がなかった。なお、気圧
は相関はあるが予測精度を向上させるのにはあまり役に
立たない。予測方法１は簡便で精度も良いので、実施例
では予測方法１によって絶対湿度を予測した。予測値１
と測定値の誤差は平均で０.８ｇ／ｋｇ、最大で３.５ｇ
／ｋｇであった。なお、絶対湿度が急激に変化するとき
は、この方法では予測できない。急激な変化は日射量の
予測により修正をかける必要がある。現状ではそのよう
な絶対湿度の予測値の修正は、「晴」、「曇」、「雨」
等の天気要素に起因する日射量の減衰係数を手入力し、
また、「後」、「一時」、「時々」、「所により」など
といった期間要素に起因する日射量の生起確率から得た
日射係数を手入力することによって、行うこととしてい
る。

【００４０】［外気湿球温度の予測方法］湿球温度は、
従来法である予測方法１と、本発明の実施例である予測
方法２及び予測方法３によって予測した。

【００４１】予測方法１は、先ず、過去３０日のデータ
と当日の２１時の外気温度から翌日の最高最低外気温度
を予測し、次いで、１日のパターン（今回は全データの
平均）より翌日の時刻毎の気温を予測し、当日の２１時
の外気絶対湿度を翌日の時刻毎の予測値とし、最後に、
各時刻の気温と絶対湿度の予測値より翌日の湿球温度を
求める方法である。このように予測方法１においては、
最高最低外気温度と絶対湿度予測値より外気絶対湿度を
予測する。

【００４２】予測方法２は、過去３０日のデータと当日
の２１時の気温、絶対湿度から翌日の最高最低湿球温度
を予測し、１日のパターンに基づいて時刻毎の予測値を
算出する方法である。

【００４３】予測方法３は、翌日の各時刻毎の湿球温度
を過去３０日のデータと当日の２１時の気温、絶対湿度
より直接予測する方法である。このように、本発明の実
施例である予測方法２及び予測方法３においては、湿球
温度を直接予測するので、外気温度の予測は行う必要が
ない。

【００４４】また、外気湿球温度の予測においては、翌
日の最低湿球温度とヒートポンプ運転中の湿球温度とい
った二つの湿球温度を予測する。翌日の最低湿球温度は
１日の管理濃度を決定するために必要であり、ヒートポ
ンプ運転中の湿球温度は希釈（濃縮）量を算出するため
に必要である。

【００４５】１日の湿球温度の変化には、図１５に示す
ように明らかなパターンがあるので、最高最低湿球温度
の予測値から１日の時刻毎の湿球温度を予測できる。そ
こで、湿球温度は最高最低外気湿球温度より求めること
とする。なお、１日の湿球温度の変化のパターンは、気
温のときと同じ理由により初期設定した。

【００４６】また、気温を予測する際に簡易法として用
いた方法をこの湿球温度の予測においても用いることと
する。

【００４７】また、湿球温度は湿分の影響があり、気圧
との相関が高い可能性もあるので、気圧との相関を調べ
た。当日の２１時の気温、絶対湿度、気圧に基づいて翌
日の最低湿球温度を予測した結果を図１６に示す。最高
最低湿球温度は気圧との相関が低いため、気温と絶対湿
度との相関で十分であると判断した。

【００４８】最低湿球温度の予測精度を調べるため、従
来法である予測方法１によって予測した湿球温度（予測
値１）と、本発明の実施例である予測方法２及び予測方
法３によって予測した湿球温度（予測値２、予測値３）
を、実際の測定値と比較した。その結果を図１７、図１
８に示す。最低湿球温度と測定値の偏差の絶対値の値は
次のようになった。 予測値１：偏差の絶対値１.７７３６０１５ 予測値２：偏差の絶対値１.２１５８３８３ 予測値３：偏差の絶対値１.４６６０５６５

【００４９】最低湿球温度を直接予測した予測値２が最
も精度がよく、誤差が±３℃以内の範囲にほとんどが予
測することができた。なお、実際の湿球温度が急激に上
昇したときには大きく予測値が外れてしまったが、後述
するように、これは管理濃度の下限値である３０ｗｔ％
よりも低い範囲であるため、影響はほとんどない。

【００５０】図１７、図１８の結果から、予測方法２に
よって最高最低外気湿球温度を予測し、１日のパターン
を利用して時刻毎の外気湿球温度を予測するか、あるい
は、予測方法３によって時刻毎の外気湿球温度を予測す
る方法がよい。なお、天候の急激な変動に対しては、絶
対湿度を予測した場合と同様に、日射量などの予測を用
いて修正する。天気要素による日射量の減衰係数と、期
間要素による日射量の生起確率から得た日射係数との回
帰を求め、外気湿球温度の予測値を修正する。

【００５１】［翌日のブライン管理濃度の予測方法］翌
日の運転開始時刻のブライン管理濃度の予測値は、先に
予測した１日の最低湿球温度から凍結濃度を算出し、そ
の濃度＋１０％とする。現実には、最低湿球温度が現れ
るのは運転開始時刻よりも前のことが多いが、その差
は、安全率の範囲内と考えられる。

【００５２】先に説明した予測方法２及び予測方法３に
よって予測したブラインの管理濃度（予測値２、予測値
３）と実際に測定したブラインの凍結濃度の測定値を比
較した結果を図１９及び図２０に示す。上述したよう
に、最低湿球温度の予測値には約３℃程度の誤差がある
ので、管理濃度を求める際に、安全率としてブラインの
温度に−３℃を加えた。その結果、本発明の実施例であ
る予測方法２と予測方法３によって予測したブライン管
理濃度値は、何れも測定値を上回っており、精度よく予
測できていたことが分かった。どちらの予測方法でも実
システムに十分使用可能である。

【００５３】［ブラインの希釈に対する必要濃縮量の予
測］次に、濃縮装置においてどの程度の濃縮熱量が必要
か予測する。この濃縮熱量の予測は、濃度管理方法と関
わりがあるので運転パターン別に検討を行い、予測方法
を決定した。運転パターンとしては次の３通りを考え
た。 運転１：運転開始時刻のブライン管理濃度の最低値：３０ｗｔ％ 運転中のブライン管理濃度の最低値 ：３０ｗｔ％ 運転２：運転開始時刻のブライン管理濃度の最低値：３５ｗｔ％ 運転中のブライン管理濃度の最低値 ：３０ｗｔ％ 運転３：運転開始時刻のブライン管理濃度の最低値：３０ｗｔ％ 運転中のブライン管理濃度の最低値 ：２５ｗｔ％

【００５４】また、希釈量は次の式によって概算する。
なお、次式の係数は、過去のデータに基づいて近似して
求めることができる。 希釈量 ＝ 係数×循環空気量×（空気絶対湿度−ブラ
イン絶対湿度） なお、この式によって求められる希釈量は濃縮する場合
は負の値となる。また、循環空気量はヒーティングタワ
ー定格空気量（ｋｇ／ｈ）、空気絶対湿度はヒーティン
グタワー入口絶対湿度、ブライン絶対湿度はブラインの
代表温度での絶対湿度、である。

【００５５】以上によって予測された必要濃縮量は次の
通りである。なお、日別のグラフを図２１に示す。

【００５６】 運転中に必要な濃縮濃度の積算値（単位ｗｔ％） 運転パターン 計測値 予測値２ 予測値３ １ ３３５.４ ２２０.３ ２７２.２ ２ １１２.１ ７９.７ １０８.６ ３ ６７.９ ３６.７ ５６.２

【００５７】 運転停止中に必要な濃縮濃度の積算値（単位ｗｔ％） 運転パターン 計測値 予測値２ 予測値３ １ １７.８ ８２.２ ６５.３ ２ ２６０.０ ２２６.４ ２２８.１ ３ ２４２.０ ２３７.５ ２４５.２

【００５８】結果より、運転中に必要な濃縮量は予測値
２及び予測値３の方が少なく算出された。運転停止時に
濃縮を行う方が有利なので、運転パターン３を採用する
のがよい。運転パターン３では、予測値２と予測値３の
何れも傾向としてかなり近似している。予測値２または
予測値３の値を１.３倍すると計測値の値を超える。日
毎のデータをみると、これら予測値２、３と測定値の差
はかなりあり、予測値３×１.３でも最大で５ｗｔ％の
不足がみられる。この不足分は、ブラインの補給で補
う。

【００５９】［ブライン濃度管理に必要な予測方法の手
順］以下に、ブライン濃度管理に必要な予測方法の手順
を示す。なお、この予測方法の手順を図２２、図２３の
フローシートに分割して示した。

【００６０】（１）外気絶対湿度は、その日の２１時の
絶対湿度を翌日の全時刻での予測値とする。

【００６１】（２）外気湿球温度は、その日の２１時の
気温と絶対湿度と翌日の最高最低湿球温度の回帰式より
最高最低湿球温度を求め、１日のパターンより時刻毎の
予測値を求める。相関をとる日数は３０日とする。また
は、外気湿球温度は、その日の２１時の気温と絶対湿度
と翌日の各時刻との回帰式より求める。相関をとる日数
は３０日とする。または、外気湿球温度は、その日の２
１時の気温と絶対湿度と翌日の各時刻との回帰式より求
める。相関をとる日数は３０日とする。

【００６２】（３）湿球温度の予測値に安全率−３℃を
加え、凍結濃度をブラインの凍結曲線より求める。その
値に１０％加えた値を管理濃度とする。

【００６３】（４）翌日の希釈量の予測値を求め、濃縮
に必要な濃度に換算する。このとき安全率として１.３
を乗じる。

【００６４】（５）管理濃度の濃縮に必要な濃度を加え
た濃度を目標濃度とする。

【００６５】（６）最低管理濃度として運転前３０ｗｔ
％、運転中２５ｗｔ％、最高管理濃度４５ｗｔ％とし
て、目標濃度の値を修正する。

【００６６】［濃縮装置の運転方法］以上の予測は１日
に一回行う。ここでは、２１時として計測データの解析
が行われる。予測された目標濃度になるように夜間にブ
ラインを加熱して濃縮する。この濃縮装置の運転方法
は、特開平４−４３２３９号や特開平４−４３２３９号
で開示された方法と同じである。

【００６７】

【発明の効果】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ブライン温度の設定値を制御（ブラ
インの濃度予測機能）し、さらにブラインの希釈濃度を
予測（ブラインの濃度予測機能）し、ブラインを濃縮す
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（ブラインの濃度予測機能）
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（ブライン
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】本発明のブライン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】最高外気温度の計測値と従来技術による予測値
を比較したグラフ図

【図４】最高外気温度の計測値と従来技術による予測値
の差を示したグラフ図

【図５】最低外気温度の計測値と従来技術による予測値
を比較したグラフ図

【図６】最低外気温度の計測値と従来技術による予測値
の差を示したグラフ図

【図７】最高外気温度の計測値と従来技術による予測値
と実施例による予測値を比較したグラフ図

【図８】最高外気温度の計測値と従来技術による予測値
と実施例による予測値の差を示したグラフ図

【図９】最高外気温度の計測値と従来技術による予測値
と実施例による予測値を比較したグラフ図

【図１０】最高外気温度の計測値と従来技術による予測
値と実施例による予測値を比較したグラフ図

【図１１】１日の外気温度の時間変化を示すグラフ図

【図１２】晴れの日と雨の日での１日の外気温度の時間
的変化の違いを示すグラフ図

【図１３】１日の外気絶対湿度の時間的変化を示すグラ
フ図

【図１４】午前７時における外気絶対湿度の予測値と計
測値を示すグラフ図

【図１５】１日の外気湿球温度の時間的変化を示すグラ
フ図

【図１６】最低外気湿球温度の計測値と予測値の相関係
数に気圧がある場合とない場合を比較したグラフ図

【図１７】最低外気湿球温度の計測値と各予測値を比較
したグラフ図

【図１８】最低外気湿球温度の計測値と各予測値の差を
示したグラフ図

【図１９】ブラインの凍結濃度の計測値と予測値を示す
グラフ図

【図２０】ブラインの管理濃度の計測値と予測値を示す
グラフ図

【図２１】運転時の１日に必要な濃縮濃度の計測値と予
測値を示すグラフ図

【図２２】ブライン濃度管理に必要な予測方法の手順を
示すフローシート（その１）

【図２３】ブライン濃度管理に必要な予測方法の手順を
示すフローシート（その２）

【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 温水とブラインとを熱交換する熱交換器 ２０ ブラインタンク 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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−295527（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−90433（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−147598（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−348296（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−174285（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−43239（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−210579（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24F 5/00 101

Claims (3)

(57)【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ブラインの
   循環路を形成し、該蒸発器で冷却されたブラインをヒー
   ティングタワーで外気と熱交換して昇温させることによ
   りブラインを濃縮する方法において、該ブラインの少な
   くとも一部を加熱したうえ外気と気液接触させるブライ
   ンの濃縮運転を行なうさいに、外気湿球温度を直接予測
   し、該予測値と外気絶対湿度の予測値を用いてブライン
   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
   ことを特徴とするヒーティングタワーのブライン濃度管
   理方法。
2. 【請求項２】 上記外気湿球温度を予測するに際し、過
   去数日分のデータと当日の２１時の気温、絶対湿度から
   翌日の最高最低湿球温度を予測し、１日のパターンに基
   づいて時刻毎の予測値を算出することを特徴とする請求
   項１に記載のヒーティングタワーのブライン濃度管理方
   法。
3. 【請求項３】 上記外気湿球温度を予測するに際し、翌
   日の各時刻毎の湿球温度を過去数日分のデータと当日の
   ２１時の気温、絶対湿度より直接予測することを特徴と
   する請求項１に記載のヒーティングタワーのブライン濃
   度管理方法。