JPH0526481A - ヒーテイングタワー利用の熱源設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 〔目的〕 冬期の低温高湿の外気条件でも外気からヒー
ティングタワーを用いて効率よく採熱できる空調用熱源
設備を得る。 〔構成〕 不凍液を外気と気液接触させるようにしたヒ
ーティングタワーと，このヒーティングタワーで昇温し
た不凍液から採熱する第一ヒートポンプ装置と，該第一
ヒートポンプ装置で採熱された熱を水を媒体して蓄熱す
る蓄熱槽と，この蓄熱槽内の水から採熱する第二ヒート
ポンプ装置とからなり，該第二ヒートポンプの凝縮器に
暖房給湯負荷を処理する熱媒を循環供給すると共にその
蒸発器に前記蓄熱槽内の水を循環供給し，この蒸発器を
零℃以下の過冷却水を作る過冷却器に構成したヒーティ
ングタワー利用の熱源設備である。

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
しない不凍液をヒーティングタワーで外気と気液接触さ
せて外気から採熱し，この加温した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
プを運転し，これによって建物の暖房給湯負荷を処理す
るようにした熱源設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】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装
置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】一方, 空気を熱源とするヒートポンプ装置
は家庭用や業務用を中心に普及しているが，地域冷暖房
や大型建物の大容量システムでは，大きな空気熱交換器
による設置スペースの問題や，厳冬期における空気熱交
換器での着霜の問題が付随する。除霜運転時の暖房停止
や暖房能力の低下等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並びに除
霜運転時の暖房停止は経費を圧迫することになる。

【０００４】このため，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。すなわ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。つまり，
全体として冬期でも空気を熱源として暖房給湯負荷を処
理するシステムである。

【０００５】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，ヒー
ティングタワー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が，エチレングリコールが適する
と考えられている。この方式ではヒートポンプ装置の水
側熱交換器とヒーティングタワーとの間で不凍液を循環
させ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，暖房能力の低下並びに除霜運転時の暖
房停止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。

【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が，この開
放式冷却塔を暖房シーズンにおいてヒーティングタワー
として使用すると，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
低温高湿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，不凍液
の濃度が徐々に低くなる（不凍液が希釈される）という
現象が生ずる。

【０００７】不凍液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。また，
不凍液濃度がおよそ30％以下になると細菌やかびによる
微生物劣化を生じ悪臭の発生源にもなるという問題があ
る。逆に，高濃度の不凍液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ポンプ等の搬送
動力が嵩み, 余計なランニングコストが掛かるという問
題もある。

【０００８】不凍液の濃度管理として，時々不凍液濃度
を監視して濃度が薄くなったと運転員が判断した時, エ
チレングリコール原液を投入するという方式もあるが，
これでは不凍液の液量の管理が出来ないだけでなく, 絶
えず凍結の危険性を抱えることになる。また凍結防止の
ために必要以上に不凍液を高濃度状態で運転することも
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
ストが掛かる。

【０００９】本発明は，熱源設備としてヒーティングタ
ワーを使用する場合の前記のような問題の解決を課題と
したものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば，不凍液
を外気と気液接触させるようにしたヒーティングタワー
と，このヒーティングタワーで昇温した不凍液から採熱
する第一ヒートポンプ装置と，該第一ヒートポンプ装置
で採熱された熱を水を媒体して蓄熱する蓄熱槽と，この
蓄熱槽内の水から採熱する第二ヒートポンプ装置とから
なり，第二ヒートポンプの凝縮器に暖房給湯負荷を処理
する熱媒を循環供給すると共にその蒸発器に蓄熱槽内の
水を循環供給し，この蒸発器を零℃以下の過冷却水を作
る過冷却器に構成したヒーティングタワー利用の熱源設
備を提供する。

【００１１】

【実施例】図１に本発明設備の実施例を示した。１は開
放式冷却塔と同じような構成のヒーティングタワーであ
る。すなわち，散水装置２から充填物層３に向けて不凍
液が散液され，ファン４の駆動によって充填物層３内を
通過する外気と該不凍液とが直接的に気液接触する。こ
れによって低温の不凍液は外気と熱交換して外気温度近
くまで昇温し，下部水槽５に溜まる。不凍液としては，
冷凍機ブラインと同じエチレングリコール水溶液が使用
されているが，既述のような他の不凍液であってもよ
い。

【００１２】６は第一ヒートポンプ装置である。この第
一ヒートポンプ装置６とヒーティングタワー１とによっ
て，空気からの熱回収サイクルを形成する。第一ヒート
ポンプ装置６は，圧縮機７→凝縮器８→膨脹弁９→蒸発
器10→圧縮機７を冷媒が循環するもので，凝縮器８と蒸
発器10は冷媒と液体との熱交換器である。蒸発器10には
ヒーティングタワー１の下部水槽５の不凍液が通液さ
れ，この不凍液から抜熱して冷媒が蒸発し，圧縮機７に
吸い込まれる。他方，冷却された不凍液はヒーティング
タワー１の散液装置３にポンプ11によって循環される。
このヒーティングタワー→第一ヒートポンプ装置の蒸発
器10→ヒーティングタワーを循環する不凍液回路を不凍
液循環路12と呼ぶことにする。圧縮機７から吐出する冷
媒は凝縮器８で凝縮するが，その凝縮熱は，ここを通水
する水に放熱される。

【００１３】13は水 (場合によって氷−水スラリー) を
蓄えた蓄熱槽である。蓄熱槽13内の水はポンプ14によっ
て第一ヒートポンプ装置６の凝縮器８に送水され，凝縮
器８で加温された水は蓄熱槽13に散水装置15を介して戻
される。この蓄熱槽13→第一ヒートポンプ装置６の凝縮
器８→蓄熱槽13の循環水路を第一循環水路16と呼ぶこと
にする。

【００１４】以上の不凍液循環路12, 第一ヒートポンプ
装置６および第一循環水路16の一連の稼働によって，空
気を熱源として蓄熱槽13には熱が供給され, ここに蓄熱
されることになる。

【００１５】この蓄熱槽に蓄えられる温水を建物の暖房
給湯用に直接使用することもできるが，この場合には負
荷側に供給される水温は少なくとも７℃以上を必要とす
るので，外気条件と負荷の状況によってはこの水温を維
持することが困難になることもある。そこで本発明設備
では，この蓄熱槽13内の水から過冷却水（蓄熱槽13の水
温によっては冷水) を生成し，同時に温水を製造する第
二ヒートポンプ装置18を設ける。

【００１６】第二ヒートポンプ装置18は，圧縮機19→凝
縮器20→膨脹弁21→蒸発器22→圧縮機19の順に冷媒が循
環するヒートポンプであり，凝縮器20には暖房給湯負荷
側からの戻り水が通水され，ここで加温された温水が暖
房給湯負荷に供される。この負荷側循環水路を23で示
す。

【００１７】第二ヒートポンプ装置18の蒸発器22は蓄熱
槽13内の水を零℃以下にまで過冷却するものであり，過
冷却水を作ることによって，蓄熱槽13内には微細な氷が
供給される。すなわち, 蒸発器22はシエルアンドチュー
ブ式熱交換器からなる過冷却器に構成され，そのシエル
側に第二ヒートポンプ装置18の膨脹弁21を経た冷媒が供
給され, チユーブ側に蓄熱槽13からの水がポンプ26によ
って通水される。この水 (水道水) が通水するチユーブ
の内壁温度がマイナス5.8 ℃以上で零℃以下に維持され
るならば，チユーブに連続的に導入される水の水温や水
量に拘わらず,チューブ内で凍結させることなく, チユ
ーブ出口端から零℃以下に過冷却された過冷却水24を連
続的に吐出させることができる。

【００１８】したがって，蒸発器22のシエル内では，膨
脹弁21を経た冷媒が蒸発するさいの抜熱によって, 各チ
ューブの内壁温度がマイナス5.8 ℃以上で零℃以下に維
持されるように冷却容量が制御される。この制御は蒸発
する冷媒の圧力制御によって簡便に行うことができる。
また，このシエル内に冷媒液が共存した状態で蒸発させ
る満液型の過冷却器とすることもできる。この場合には
沸騰現象によって効果的な過冷却器となる。

【００１９】過冷却水22は, 零℃以下の状態で吐出する
のでその落下衝撃によって微細な氷を析出する。したが
って，蓄熱槽内ではシャーベット状の氷となって溜まる
が，微細氷が水と共存することになるので解氷特性が良
好であり，前記の第一循環水路16の稼働中は直ちに解氷
し槽内水温を下げることになる。場合によっては，製氷
が優先して槽内に氷25が溜まることもあるが，これは水
面近くに浮遊し，底部からは水を取り出すことができ
る。蓄熱槽13→蒸発器22 (過冷却器) →蓄熱槽13を循環
する水路を第二循環水路27で示す。

【００２０】以上のようにして，ヒーティングタワー１
から不凍液循環路12を介して第一ヒートポンプ装置６に
外気から採熱された熱は，第一循環水路16の水を介して
蓄熱槽13に温水として供給されるが，この蓄熱槽内の水
は第二ヒートポンプ装置18の過冷却器22によって過冷却
水にまで冷却されて蓄熱槽に戻るので，第一ヒートポン
プ装置６の凝縮器８には低温の水が供給される。この結
果, 第一ヒートポンプ装置６の蒸発器10でもより低温の
不凍液をヒーティングタワー１に送り込むことができ
る。つまり, ヒートポンプの圧縮比が小さくても，低温
の外気から採熱ができる。

【００２１】他方, 第二ヒートポンプ装置18において
も，蓄熱槽内の温水を熱源として負荷側循環水路23の熱
媒 (通常は水) に熱を汲み上げるので圧縮比が小さくて
よく，しかも蒸発器が過冷却水を作る過冷却器であるの
で冷熱は氷の形態で蓄熱槽に戻すことができ，槽が小さ
くてもこの蓄熱槽は良好なサーモバンクとなる。この結
果, 負荷側循環水路23への熱の汲み上げは，外気条件の
変動に拘わらず, 安定して行うことができる。

【００２２】蓄熱槽13から第一ヒートポンプ装置６の凝
縮器８に至る第一循環水路16に熱交換器を介装すること
によって，本設備を多目的に利用できる。例えば図中の
熱交換器29は，不凍液循環路12の不凍液を適宜通液する
ようにした液・液熱交換器である。適宜とは，第一循環
水路16の水温と外気温度との差が多い場合である。例え
ば外気温度が第一循環水路16の水温よりもかなり高い場
合には，第一ヒートポンプ装置６の運転中または休止中
においても外気から直接的に採熱ができる。また，第一
循環水路16の水温が外気温度より高い温水の場合には，
この温水によって不凍液を加熱することができるので，
不凍液がヒーティングタワー１で外気と接触したとき
に，不凍液中の水分が外気に蒸発する。これによって，
不凍液の濃縮運転ができる。この場合には第一ヒートポ
ンプ装置６の運転は休止させておくことは勿論である。

【００２３】熱交換器30は排熱回収用熱交換器を示して
いる。建物の内部で発生する各種の熱を適切な熱媒を使
ってこの熱交換器30に送ることによって，建物排熱を回
収することができる。

【００２４】熱交換器31は，冷房負荷を処理する熱交換
器である。これによって，蓄熱槽13内に低温の蓄熱水が
存在する場合に，これを冷房用の冷熱源として利用でき
る。

【００２５】

【発明の効果】以上の構成になる本発明設備によれば,
次のような優れた効果を発揮する。ヒーティングタワー
で外気から採熱するものの，暖房給湯負荷側では第二ヒ
ートポンプ装置によって蓄熱槽内の水 (過冷却域まで)
を熱源とするので，熱源の急激な変動がなく，外気条件
に左右されずに安定して負荷側の温水を生成させること
ができる。

【００２６】過冷却器によってシャーベット状の氷を生
成させ，潜熱で蓄熱できるので蓄熱槽はコンパクト (小
容量) とすることができる。この蓄熱槽に残氷がある場
合にも負荷側の温水の製造が可能である。したがって，
蓄熱槽は良好なサーモバンクとして機能する。またシャ
ーベット状の氷であるから，解氷特性が良好であり，蓄
熱槽内の水温が安定かつ低温となり，この低温の水に不
凍液循環路および第一循環水路を介して熱を付与するの
が容易となり，これは場合によっては冷房負荷に利用で
きるし，低温の排熱からも熱回収ができる。

【００２７】第一ヒートポンプ装置と第二ヒートポンプ
装置との二つのサイクルが独立しているので，運転に大
きな自由度があり，両者の同時稼働またはいずれか一方
だけの稼働を外気状況, 蓄熱状況, 負荷状況に応じて使
い分けることができる。

【００２８】蓄熱槽の水は一般市水を使用することがで
き，導入が容易であり且つ槽内には特別な冷却部は不要
である。そして，蓄熱槽の水温は０〜７℃付近に安定し
て位置させることができ，零℃以下にはならない。

【００２９】加えて，外気条件が良好なとき（外気温度
が高く低湿度のとき）には，不凍液の濃縮運転ができ
る。そして，外気が低温高湿の場合でも，低温の槽内水
を用いることによって外気からの採熱ができる点で，冬
期においてヒーティングタワーを用いて採熱するヒート
ポンプ設備を格段に有利なものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従うヒーティングタワー利用の熱源設
備の機器配置を示す全体図である。

【符号の説明】

１ ヒーティングタワー ６ 第一ヒートポンプ装置 ７ 第一ヒートポンプ装置の圧縮機 ８ 第一ヒートポンプ装置の凝縮器 ９ 第一ヒートポンプ装置の膨脹弁 10 第一ヒートポンプ装置の蒸発器 12 不凍液循環路 13 蓄熱槽 16 第一循環水路 18 第二ヒートポンプ装置 19 第二ヒートポンプ装置の圧縮機 20 第二ヒートポンプ装置の凝縮器 21 第二ヒートポンプ装置の膨脹弁 22 第二ヒートポンプ装置の蒸発器 (過冷却器) 23 負荷側循環水路 27 第二循環水路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不凍液を外気と気液接触させるようにし
   たヒーティングタワーと，このヒーティングタワーで昇
   温した不凍液から採熱する第一ヒートポンプ装置と，該
   第一ヒートポンプ装置で採熱された熱を水を媒体して蓄
   熱する蓄熱槽と，この蓄熱槽内の水から採熱する第二ヒ
   ートポンプ装置とからなり，該第二ヒートポンプの凝縮
   器に暖房給湯負荷を処理する熱媒を循環供給すると共に
   その蒸発器に前記蓄熱槽内の水を循環供給し，この蒸発
   器を零℃以下の過冷却水を作る過冷却器に構成したこと
   を特徴とするヒーティングタワー利用の熱源設備。
2. 【請求項２】 第一ヒートポンプ装置は，圧縮機→凝縮
   器→膨脹弁→蒸発器→圧縮機に冷媒が循環され，その蒸
   発器に不凍液が循環供給され，その凝縮器に蓄熱槽の水
   が循環供給される請求項１に記載の熱源設備。
3. 【請求項３】 第二ヒートポンプ装置の蒸発器は，シエ
   ルアンドチューブ式熱交換器で構成され，シエル内に冷
   媒が供給され，チューブ内に水が通水される請求項１ま
   たは２に記載の熱源設備。
4. 【請求項４】 蓄熱槽内の水は，熱交換器を経たうえ，
   第一ヒートポンプ装置の凝縮器を経て蓄熱槽内に戻さ
   れ，この熱交換器にはヒーティングタワーからの戻り不
   凍液が適宜供給される請求項１，２または３に記載の熱
   源設備。
5. 【請求項５】 蓄熱槽内の水は，熱交換器を経たうえ，
   第一ヒートポンプ装置の凝縮器を経て蓄熱槽内に戻さ
   れ，この熱交換器で建物の排熱が該水に付与される請求
   項１，２，３または４に記載の熱源設備。
6. 【請求項６】 蓄熱槽内の水は，熱交換器を経たうえ，
   第一ヒートポンプ装置の凝縮器を経て蓄熱槽内に戻さ
   れ，この熱交換器で建物の冷房負荷が処理される請求項
   １，２，３，４または５に記載の熱源設備。