JPH09257279A - 空調設備およびその運転方法と洗浄方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒーティングタワーを利用した空調設備にお
いて簡単に不凍液を回収できる手段を提供する。 【解決手段】 建物の熱負荷を処理するヒートポンプ９
の蒸発器１０とヒーティングタワー１との間に不凍液の
循環回路を形成し、蒸発器１０で冷却された不凍液をヒ
ーティングタワー１で外気と熱交換して昇温させる空調
設備において、循環回路の系外において循環回路よりも
下方位置に不凍液を貯留するための不凍液タンク２１を
配置すると共に、循環回路の系内の不凍液を自重で不凍
液タンク２１に回収する回収回路２２と、不凍液タンク
２１の不凍液をポンプ２６の稼働で循環回路の系内に戻
す戻し回路２５を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、建物の熱負荷を処
理するヒートポンプの蒸発器とヒーティングタワーとの
間に不凍液の循環回路を形成し、蒸発器で冷却された不
凍液をヒーティングタワーで外気と熱交換して昇温させ
る空調設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば特公平５−１０５７７号な
どにおいて、冷房運転ではヒートポンプで加温された熱
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
採熱する方式の空調設備が開示されている。かような設
備においては、暖房運転時期は外気温度が一般に低いの
で、その低温の外気から採熱するためには、ヒーティン
グタワーに供給する熱源液は外気温度よりさらに低温に
する必要があり、零度℃以下にしなければならないこと
も多い。そのため、この熱源液には、零度℃以下でも凍
結しない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水に溶解した不凍液（ブライン）が
用いられ、通常はエチレングリコールが用いられてい
る。

【０００３】この方式の空調設備では、夏期や中間期の
冷房シーズンでは不凍液を用いる必要はないため、不凍
液の代わりに水が熱源水に用いられる。冷房シーズンに
用いた水は、そのまま捨てることができるが、不凍液は
高価であり、また、不凍液を捨てるときには希釈法や焼
却法といった適当な方法で処理する必要がある。そのた
め、通常は不凍液を保管するタンク（不凍液タンク）を
設置し、冷房シーズンにはこの不凍液タンクに不凍液を
保管している。従って、冬期の暖房運転から夏期の冷房
運転に切り替えるときには、不凍液タンクに不凍液を回
収する必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の空調設備では、
不凍液を回収するときには回路内の不凍液を弁の開閉に
よって抜き取り、弁の開閉のみで抜けない部分はポンプ
の動力を用いて抜き取って、不凍液タンクに回収してい
る。このようにポンプを用いて回収した後においても、
配管内には少しの不凍液が残るが、不凍液が少しでも残
っていると、不凍液は栄養価が高く、そのまま冷房シー
ズンのための熱源水（水）を回路内に供給した場合は水
で薄められて不凍液に入っている防腐剤や防食剤の濃度
が低下するために、細菌やかびが繁殖したり、回路内壁
の腐食が起こる。そのため、不凍液を回収した後に、回
路内を水で洗浄し、規定の濃度まで希釈させた後に、冷
却水に入れ換えている。しかし、従来の空調設備では、
ポンプを利用した不凍液の回収作業が相当に煩雑であ
り、また、長時間要していた。

【０００５】本発明の目的は、ヒーティングタワーを利
用した空調設備において簡単に不凍液を回収できる手段
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、建物
の熱負荷を処理するヒートポンプの蒸発器とヒーティン
グタワーとの間に不凍液の循環回路を形成し、蒸発器で
冷却された不凍液をヒーティングタワーで外気と熱交換
して昇温させる空調設備において、循環回路の系外にお
いて循環回路よりも下方位置に不凍液を貯留するための
不凍液タンクを配置すると共に、循環回路の系内の不凍
液を自重で不凍液タンクに回収する回収回路と、不凍液
タンクの不凍液をポンプの稼働で循環回路の系内に戻す
戻し回路を設けたことを特徴とする。

【０００７】そして、請求項２は、この請求項１の空調
設備の運転方法であって、循環回路の系内の不凍液の増
減に応じて、循環回路の系内の不凍液を回収回路を介し
て自重で不凍液タンクに回収し、および／または、不凍
液タンクの不凍液を戻し回路を介してポンプの稼働で循
環回路の系内に戻すことを特徴とする。

【０００８】また、請求項３は、この請求項１の空調設
備の洗浄方法であって、循環回路の系内の不凍液を回収
回路を介して自重で不凍液タンクに回収した後、循環回
路の系内を水で洗浄することを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、直交流式の開放型冷却塔
を用いた通常の水熱源式の空調設備を示している。この
開放型冷却塔を暖房運転時におけるヒーティングタワー
１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。このように、図示の空調設備にあっては、夏期に
は、散水装置３→充填物層２→下部水槽７→水側熱交換
器１０→散水装置３の順に形成された循環回路に熱源水
を循環して、冷房運転が実施される。

【００１０】また、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
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、外気を熱源として暖
房運転も実施する。即ち、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、空調設備
の循環回路内に不凍液を装填する。この不凍液は、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。

【００１１】暖房運転では、ヒートポンプ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。そして、冬期には、散水
装置３→充填物層２→下部水槽７→蒸発器１０→散水装
置３の順に形成された循環回路に不凍液を循環して、暖
房運転が実施される。

【００１２】ヒートポンプ９の稼働により蒸発器１０を
通液する不凍液は零度℃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不凍液は徐々に希釈されること
になる。

【００１３】この不凍液の濃縮のために、図示の設備で
はヒーティングタワー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、後者の散液ゾーンに、下部水槽７内の不凍液の一部
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２
ａ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、これらは不凍液加熱の散液ゾー
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内の不凍液
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、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。

【００１４】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。

【００１５】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不凍液濃縮用の散液ゾーン
２ａ、３ａを形成した例を示している。

【００１６】２１は不凍液タンクであり、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不凍液をここに
貯蔵する。この不凍液タンク２１を、不凍液の循環回路
の系外において循環回路よりも下方位置に配置してい
る。また、循環回路内の不凍液を、回収回路２２を経て
自重で不凍液タンク２１に回収できるように構成されて
いる。各回収回路２２には弁２３がそれぞれ設けてあ
り、この弁２３を開放すると、循環回路内の不凍液は自
重で流下し、不凍液タンク２１に回収される。なお、図
示の例では回収回路２２は一本だけ記載しているが、循
環回路の中で不凍液が貯まりそうな部分には、回収回路
２２と同様の弁２３を備えたものを複数設置しても良
い。それら各所に設置した複数の回収回路２２の弁２３
をすべて開放することによって、不凍液タンク２１に不
凍液を自重によって容易に回収することができる。こう
して不凍液タンク２１内に回収した不凍液は、戻し回路
２５に設けられているポンプ２６を稼働することによ
り、ヒーティングタワー１の下部水槽７内に戻し回路２
５を経て戻すことができる。

【００１７】夏期には、弁２３を開放して回収回路２２
からこの不凍液タンク２１に不凍液を回収する。それに
代えて冷却水を循環経路内に充填し、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５
０％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４のモータ（図示せず）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（図示せず）によって回転数の制御ができるようにな
っている。

【００１８】一方、冬期は、循環経路内の冷却水を排水
し、ポンプ２６を稼働して不凍液タンク２１内の不凍液
を戻し回路２５からヒーティングタワー１の下部水槽７
内に戻す。そして、循環経路内に不凍液を循環させて暖
房運転を行う。この場合、塔１はヒーティングタワーと
して使用される。

【００１９】この暖房運転時には、不凍液タンク２１
は、中間容器（ピット）としての役割も兼ね備えてお
り、循環中の不凍液を運転中に適宜滞留させることにも
供される。即ち、暖房運転中に、ヒーティングタワー１
で不凍液が希釈し体積が増加したときや、不凍液の希釈
が激しく高濃度の不凍液を外部から注入することにより
循環回路中の不凍液の体積が増加した場合は、適宜弁２
３を開放し、循環中の不凍液を回収回路２２を経て不凍
液タンク２１に回収することができる。また、ヒーティ
ングタワー１の下部水槽７内において適当な高さにオー
バーフロー回路２８を開口させて、下部水槽７からオー
バーフローした不凍液をオーバーフロー回路２８を通じ
て不凍液タンク２１に導くように構成しても良い。この
ように、ヒーティングタワー１の下部水槽７からオーバ
ーフローした不凍液をオーバーフロー回路２８を通じて
不凍液タンク２１に導く方法と、弁２３を自動弁とし、
下部水槽７に設置した液面計２７の水位に応じて弁２３
を開いて不凍液タンク２１に不凍液を導く方法とがあ
る。不凍液タンク２１に回収した不凍液は、下部水槽７
の液面が低下したときなどに、ポンプ２６の稼働で、適
宜下部水槽７に戻すことができる。一方、不凍液タンク
２１内に不凍液がなくなり、ヒーティングタワー１の下
部水槽７内において液面が低下した場合には、下限水位
を保つように、下部水槽７に接続された給水回路４０か
ら給水を行う。なお、給水回路４０に設けた補給水弁２
４を自動弁とし、この給水を自動給水で行うようにして
も良い。

【００２０】ヒートポンプ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。２９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
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１
０も不凍液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】夏期に循環回路内の不凍液を抜いて冷却水
と交換する場合は、先ず、不凍液が微生物を含まない濃
度まで濃縮する（例えば回収濃度を６０％以上まで濃縮
する）必要がある。不凍液の濃縮は、ポンプ１５を稼働
してヒーティングタワー１内の不凍液の一部を加熱用熱
交換器１６に通液し、不凍液を加熱することによって行
われる。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３０から温水ポンプ３１によって供給される。蓄熱
水槽３０は電気ヒータ３２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３３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３
０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３２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３０
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３５が開放され、上限水位
で自動停止するように補給水弁３５が閉鎖される。な
お、補給水弁３５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】不凍液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、冷房運転では不凍液は冷却水として
利用することができる。これにより、ヒーティングタワ
ー１を濃縮装置として運転させることもできる。この場
合、濃縮系統のポンプ１５の他に、全ての不凍液が濃縮
できるように、ポンプ８も運転する。循環回路内の不凍
液の濃縮に応じて、タワー下部水槽７の液面が低下する
ので、その液面低下に応じてポンプ２６を稼働し、不凍
液タンク２１内の不凍液を戻し回路２５から循環回路内
に補給する。こうして、すべての不凍液が、循環回路内
に補給され、回収濃度にまで濃縮される。回収濃度の判
定は図示しない濃度計により行う。

【００２３】そして、循環回路内において不凍液を所定
の回収濃度（例えば６０％以上）まで濃縮すると、次
に、弁２３を開放し、循環回路内の不凍液を自重により
流下させ、回収回路２２を経て不凍液タンク２１に回収
する。なお、循環回路の中で不凍液が貯まりそうな部分
には、回収回路２２と同様の弁を備えた排液用の回路を
適宜設置しておくと良い。従って、回収回路２２は図示
のように一本に限らず、通常は、複数箇所において循環
回路に設置される。そして、それら各所に設置した複数
の回収回路２２の弁２３をすべて開放し、不凍液タンク
２１に不凍液を自重によって回収する。

【００２４】このようにすべての不凍液を回収した後に
おいても、循環回路内には少しの不凍液が残る。これを
洗浄するために、回収回路２２の弁２３を一旦閉じて、
ヒーティングタワー１に洗浄水を補給する。洗浄水を補
給した後、ポンプ８、ポンプ１５を稼働して循環回路内
に洗浄水を循環させる。そして、図示しない濃度計によ
り、循環回路内の洗浄水が所定の濃度以下であることを
確認した後、洗浄液をを排水する。この排水は、不凍液
タンク２１へは行わず、夏期に使用した冷却水と同様、
排水系統に廃棄する。その後、ヒートポンプ９を冷房モ
ードに切り替えて、冷却水をヒーティングタワー１から
補給し、冷房運転を行う。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、夏期や中間期にヒーテ
ィングタワーで使用されていた不凍液を、弁の開閉のみ
で自重により流下させて不凍液タンクに回収できるの
で、回収作業が容易かつ確実であり、不凍液の回収後の
循環回路内に残留する不凍液が少ないので、循環回路内
の洗浄も簡単に行うことができる。また、回収や洗浄に
ついての作業者の個人差による差異が少なく、しかも、
不凍液と水の入れ替えの自動化も容易になる。

【００２６】また、循環回路の系内の不凍液の増減に応
じて、不凍液を不凍液タンクに回収したり、不凍液タン
クから不凍液を補給することができるので、ヒーティン
グタワーの運転中にも、循環回路内で不凍液の体積が増
加した場合でも溢れること無く、不凍液の過不足に速や
かに対応できる。なお、不凍液を不凍液タンクに回収す
る場合は、ポンプ動力を必要とせず、弁を開放するだけ
で、確実に不凍液を回収タンクに導くことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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。

【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 ７ 下部水槽 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 温水と不凍液とを熱交換する熱交換器 ２１ 不凍液タンク ２２ 回収回路 ２３ 弁 ２４ 補給水弁 ２５ 戻し回路 ２６ ポンプ ２７ 液面計 ２８ オーバーフロー回路 ２９ 冷温水ポンプ ３０ 蓄熱水槽 ３３ 排熱回収装置 ３５ 補給水弁 ４０ 給水回路

Claims (3)

【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の
   蒸発器とヒーティングタワーとの間に不凍液の循環回路
   を形成し、蒸発器で冷却された不凍液をヒーティングタ
   ワーで外気と熱交換して昇温させる空調設備において、 循環回路の系外において循環回路よりも下方位置に不凍
   液を貯留するための不凍液タンクを配置すると共に、循
   環回路の系内の不凍液を自重で不凍液タンクに回収する
   回収回路と、不凍液タンクの不凍液をポンプの稼働で循
   環回路の系内に戻す戻し回路を設けたことを特徴とする
   空調設備。
2. 【請求項２】 請求項１の空調設備の運転方法であっ
   て、 循環回路内の不凍液の増減に応じて、循環回路の系内の
   不凍液を回収回路を介して自重で不凍液タンクに回収
   し、および／または、不凍液タンクの不凍液を戻し回路
   を介してポンプの稼働で循環回路の系内に戻すことを特
   徴とする方法。
3. 【請求項３】 請求項１の空調設備の洗浄方法であっ
   て、循環回路の系内の不凍液を回収回路を介して自重で
   不凍液タンクに回収した後、循環回路の系内を水で洗浄
   することを特徴とする方法。