JPH09257379A - 空調設備およびその運転方法 - 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
ける不凍液の濃縮を専用の濃縮装置などを用いずに行う
ことができ、冬期でも簡単に冷水を作ることのできる手
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２
の蒸発器１６とヒーティングタワー１との間で不凍液を
循環させる回路３、４を形成し、蒸発器１６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、回路３、４を流れる不凍液
の一部を取り出してその取り出した不凍液を密閉式冷却
塔５０に導入する回路４０、４１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】本発明は空調設備に関し、特
に、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ように構成された空調設備に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ヒートポンプ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
ういわゆる空調設備は、従来より普及している。この設
備では、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。この空調設備は、例えば蓄熱水
槽などを用いれば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。更に、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
てヒートポンプを稼働する方法が提案されている。即
ち、冷房運転ではヒートポンプで加温された熱源水を冷
却塔に散布して外気に放熱し、暖房運転ではヒートポン
プで冷却された不凍液をヒーティングタワーに散布して
外気から採熱する方法である。

【０００３】この場合は、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散布する不凍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
ない液体（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
する場合の不凍液と同種のもの、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
プとヒーティングタワーを設備することにより低温の外
気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冷却水を使用
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。

【０００４】

【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、開放式のヒーティングタワーでは不凍液と外気が直
接接触するため、外気条件によって不凍液の濃縮や希釈
が生ずる。特に冬期は、例えば零度℃以下に冷却した不
凍液を低温の外気に直接接触させて外気温度近傍まで加
熱することが行われるが、その際、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という現
象が生ずる。そして、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。また、不
凍液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、ヒートポンプのＣＯＰも低下する。

【０００５】不凍液が濃縮された場合は、給水すること
で簡単に希釈できる。しかし、不凍液の濃度が低下した
場合は、不凍液を加熱して冷却塔に散布するなどの方法
で濃縮する必要がある。この濃縮を行うために、ヒート
ポンプの運転停止時にヒーティングタワーにおいて加熱
した不凍液を散布することで不凍液の濃縮を行う方法が
特公平５−１０５７８号などに開示されている。しかし
ながら、従来のものは何れも不凍液を濃縮するためだけ
に用いられる専用の濃縮装置（例えば、前記特公平５−
１０５７８号についていえばヒーティングタワー）が必
要であった。また、これら特公平５−１０５７８号など
の空調設備において冬期に冷水を作る場合は、別途新し
い冷却器を設ける必要があった。

【０００６】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ける不凍液の濃縮を専用の濃縮装置
などを用いずに行うことができ、冬期でも簡単に冷水を
作ることのできる手段を提供することにある。

【０００７】

【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
グタワーとの間で不凍液を循環させる回路を形成し、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、前記回路を流
れる不凍液の一部を取り出してその取り出した不凍液を
密閉式冷却塔に導入する回路を設けたことを特徴とす
る。

【０００８】この請求項１の空調設備において前記密閉
式冷却塔は、例えば請求項２に記載したように、処理流
体を流通させる密閉回路の表面に不凍液を散布すること
により処理流体と不凍液とを熱交換させるように構成さ
れている。

【０００９】そして、請求項３の発明は、この請求項２
の空調設備の運転方法であって、前記密閉式冷却塔の密
閉回路に加熱流体を流通させ、該密閉回路の表面に不凍
液を散布することにより不凍液を加熱して濃縮させるこ
とを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を図面に基づいて説明する。図１、２は、何れも本発
明の実施の形態にかかる空調設備のシステム構成を示す
系統図であり、図１は夏期における運転状態、図２は冬
期における運転状態を示している。

【００１１】開放型のタワー１とヒートポンプ装置２の
間で熱媒としての冷却水または不凍液を循環させる回路
３、４が形成されている。タワー１は、図１に示す夏期
の運転状態では熱媒としての冷却水を冷却する冷却塔１
として稼働し、図２に示す冬期の運転状態では熱媒とし
ての不凍液を昇温させるヒーティングタワー１として稼
働する。

【００１２】タワー１内には空気が通過する充填物層５
が設けられ、この充填物層５に向かって上方から熱媒を
散布できるように散布装置６が設置されている。塔頂に
は送風機７が配置され、この送風機７の稼働により塔内
に吸引された外気が充填物層５を上方に向かって通過
し、その際に散布装置６から散布された熱媒と気液接触
して熱媒を冷却または昇温させた後、塔上部に排気され
る。こうして充填物層５において外気で冷却または昇温
された熱媒は塔底部の水槽８に蓄えられる。

【００１３】回路３はポンプ１０を備えており、このポ
ンプ１０の稼働によって塔底部の水槽８に蓄えられた熱
媒を回路３を介してヒートポンプ装置２に供給し、ヒー
トポンプ装置２にて冷熱またを温熱を放出した熱媒は回
路４を介してタワー１の散布装置６に戻される。なお、
ポンプ１０の上流側と下流側との間で回路３を流れる熱
媒の濃度測定を行うことができる。

【００１４】ヒートポンプ装置２は、建物の熱負荷を処
理するべく建物の適宜箇所に設置されている。図１、２
では、ヒートポンプ装置２を一台のみ示しているが、ヒ
ートポンプ装置２は建物の複数箇所に設置されているの
が一般的であり、それら複数のヒートポンプ装置２のそ
れぞれに対してタワー１の水槽８に蓄えた熱媒を回路
３、４によって循環させることができる。ヒートポンプ
装置２は、凝縮器１５、蒸発器１６、凝縮器１７を備え
ており、凝縮器１５と蒸発器１６との間、および蒸発器
１６と凝縮器１７との間において熱のやり取りを行うヒ
ートポンプがそれぞれ構成される。これら凝縮器１５、
蒸発器１６、凝縮器１７は、コイル１８、１９、２０を
それぞれ備えている。

【００１５】そして、図１に示す夏期の冷房運転時には
凝縮器１５のコイル１８の両端に設けられている弁２
１、２２が開かれ、コイル１８内には熱媒としての冷却
水が回路３を介して導入される。こうして、コイル１８
内を流れて冷熱を奪われた冷却水は、回路４を介してタ
ワー１の散布装置６に戻る。同様に夏期の冷房運転時に
は弁２３、２４が開かれて、蒸発器１６のコイル１９に
は建物の熱負荷で高温となった冷水が回路２５を経て導
入される。こうして、コイル１９内を流れて冷却された
冷水が、回路２６から建物の負荷側に供給される。な
お、夏期は、後述するバイパス回路３２、３３の弁３
０、３１および後述する回路３７、３８の弁３５、３６
は何れも閉じておく。

【００１６】一方、図２に示す冬期の暖房運転時には弁
３０、３１が開かれ、蒸発器１６のコイル１９には熱媒
としての不凍液が回路３およびバイパス回路３２を介し
て導入される。こうして、コイル１９内を流れて熱を奪
われた不凍液は、バイパス回路３３および回路４を介し
てタワー１の散布装置６に戻る。同様に冬期の暖房運転
時には、凝縮器１７のコイル２０の両端に設けられてい
る弁３５、３６が開かれ、コイル２０には建物の熱負荷
で低温となった温水が回路３７を経て導入される。こう
して、コイル２０内を流れて加熱された温水が、回路３
８から建物の負荷側に供給される。なお、冬期は、凝縮
器１５のコイル１８両端の弁２１、２２および回路２
５、２６の弁２３、２４は何れも閉じておく。

【００１７】回路３、４には、タワー１とヒートポンプ
装置２との間で循環している熱媒の一部を取り出すため
の回路４０、４１が接続されている。これら回路４０、
４１には弁４２、４３が設けられており、これら弁４
２、４３を開放すると回路３、４内から回路４０、４１
に熱媒の一部が流れ込み、その熱媒が回路４４を経て密
閉式冷却塔５０に導入されるように構成されている。な
お、密閉式冷却塔５０には、例えばスクリューチラーの
冷凍能力の約１／８の能力の密閉式冷却塔が使用され
る。

【００１８】密閉式冷却塔５０の内部には、処理流体と
しての冷水または温水を流通させる密閉回路５１が設け
られ、この密閉回路５１の表面に向かって上方の散布装
置５２、５３から熱媒を散布することにより、密閉回路
５１内を流れる処理流体と熱媒との熱交換が行われる。
こうして処理流体との熱交換で冷却または加熱された熱
媒は塔底部の水槽５４に蓄えられる。塔頂には送風機４
９が配置され、この送風機４９の稼働により塔内に吸引
された外気が密閉回路５１の表面付近を通過した後、塔
上部に排気される。なお、水槽５４に蓄えられている熱
媒をポンプ５５の稼働によって回路５６から散布装置５
３に戻して、再び散布することもできる。

【００１９】こうして密閉式冷却塔５０の水槽５４に蓄
えられた熱媒は、回路６０からタワー１の水槽８に戻す
ことができる。水槽５４から水槽８に熱媒を戻す場合
は、回路６０に設けられている弁５９を開く。

【００２０】密閉式冷却塔５０の水槽５４に蓄えられた
熱媒のオーバーフロー分は、回路６１を経てバッファタ
ンク６２に回収される。このバッファタンク６２は、系
内を循環する熱媒の量を調節する役割を果たす。また、
水槽５４の底部には回路６３が開口しており、水槽５４
に蓄えられた熱媒をこの回路６３から回路６４に流し出
すことができる。回路６４には、回路６３との接続点を
挟んで両側に弁６５、６６が配置してある。水槽５４内
の熱媒を排液しない場合は、これら弁６５、６６は何れ
も閉じておく。一方、弁６５のみを開ければ、水槽５４
内の熱媒を回路６３、６４、６１を経てバッファタンク
６２に回収することができる。また、弁６６のみを開け
れば、水槽５４内の熱媒を回路６３、６４を経て系外に
廃棄することができる。

【００２１】先に説明したタワー１の水槽８に蓄えられ
た熱媒も、同様に、回路７０、７１から回路７２に流し
出すことができる。回路７２には弁７３、７４が配置し
てあり、弁７３のみを開ければ、水槽８内の熱媒は回路
７０、７１、７２を経てバッファタンク６２に回収され
る。また、弁７４のみを開ければ、水槽８内の熱媒は回
路７０、７１、７２を経て系外に廃棄される。なお、タ
ワー１の水槽８には、給水用の回路６７が接続されてお
り、弁６８を開くことによって水槽８内に水を供給でき
るようになっている。

【００２２】バッファタンク６２内の熱媒は回路７５か
ら補給タンク７６に供給することができる。その場合、
回路７５に設けられている弁７７、７８を何れも開く。
冬期においては、補給タンク７６は比較的高濃度の不凍
液を保管しておく役割を果たす。

【００２３】回路７５において弁７７、７８の間には、
先に説明した回路４４とを結ぶ回路８０が接続されてい
る。この回路８０にはポンプ８１と弁８２が設けられて
おり、ポンプ８１の上流側と下流側との間で回路８０を
流れる熱媒の濃度測定ができるようになっている。ま
た、回路８０においてポンプ８１と弁８２の間には、先
に説明したタワー１の水槽８とを結ぶ回路８３が接続さ
れている。回路８３は弁８４を備える。

【００２４】さて、図１に示す夏期の冷房運転状態にお
いては、タワー１は開放型の冷却塔として稼働する。そ
して、冷却塔１（以下、冷房運転時では「タワー１」を
「冷却塔１」と呼ぶ）とヒートポンプ装置２の間に、熱
媒としての冷却水を回路３、４を経て循環させる。冷却
水には、例えば水が利用される。冷却水は、給水用の回
路６７に設けられている弁６８を開いて冷却塔１の水槽
８に水を供給することによって補給することができる。

【００２５】冷却塔１において外気で冷却された冷却水
は塔底部の水槽８に蓄えられる。こうして水槽８に蓄え
た冷却水をポンプ１０の稼働によって凝縮器１５のコイ
ル１８に導入する。なお、夏期には弁２１、２２は開
け、弁３０、３１は閉じる。また、蒸発器１６のコイル
１９には建物の熱負荷で高温となった冷水を回路２５を
経て導入する。なお、夏期には弁２３、２４は開け、弁
３５、３６は閉じる。

【００２６】そして、コイル１８内を流れて昇温した冷
却水は、回路４を介してタワー１の散布装置６に戻し、
充填物層５に向かって散布して外気で冷却し、水槽８に
蓄える。一方、コイル１９内を流れて冷却された冷水
を、回路２６から建物の負荷側に供給する。このよう
に、夏期においては、冷却塔１で冷却水を冷却し、その
冷熱を凝縮器１５と蒸発器１６とで構成されたヒートポ
ンプを利用してコイル１９内を流れる冷水に移すことに
より、冷房運転が実施される。

【００２７】次に、図２に示す冬期の暖房運転を行う場
合には、タワー１をヒーティングタワーとして利用し、
外気を温熱源として暖房運転を実施する。即ち、暖房シ
ーズンが到来すると、先ず、冷房シーズンで使用してい
た冷却水を廃棄し、これに代えて、系内に不凍液を装填
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。冷却水を廃棄する場合、
弁７４を開けてヒーティングタワー１（以下、暖房運転
時では「タワー１」を「ヒーティングタワー１」と呼
ぶ）の水槽８内の冷却水を回路７０、７１、７２を経て
系外に廃棄する。そして、予めバッファタンク６２と補
給タンク７６に入れておいた不凍液をヒーティングタワ
ー１の水槽８内に供給する。バッファタンク６２から水
槽８内に不凍液を供給する場合は、弁７８を閉じ、弁７
７、８４を開けてポンプ８１を稼働させる。補給タンク
７６から水槽８内に不凍液を供給する場合は、弁７７を
閉じ、弁７８、８４を開けてポンプ８１を稼働させる。

【００２８】こうして系内に不凍液を供給した後、水槽
８に蓄えた不凍液をポンプ１０の稼働によって蒸発器１
６のコイル１９に導入する。なお、冬期には弁２１、２
２は閉じ、弁３０、３１は開ける。また、凝縮器１７の
コイル２０には建物の熱負荷で低温となった温水を回路
３７を経て導入する。なお、冬期には弁２３、２４は閉
じ、弁３５、３６は開ける。

【００２９】そして、コイル１９内を流れて熱を奪われ
た不凍液は、回路４を介してヒーティングタワー１の散
布装置６に戻し、充填物層５に向かって散布して外気で
昇温させ、水槽８に蓄える。一方、コイル２０内を流れ
て加熱された温水を、回路３８から建物の負荷側に供給
する。このように、冬期においては、ヒーティングタワ
ー１で不凍液を昇温させ、その熱を蒸発器１６と凝縮器
１７とで構成されたヒートポンプを利用してコイル２０
内を流れる温水に移すことにより、暖房運転が実施され
る。

【００３０】ここで、蒸発器１６のコイル１９に通液さ
れる不凍液は、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、散布装置６から充填物
層５に散布され、送風機７の駆動によって充填物層５を
通過する、例えば０℃の外気と直接的に接触し、０℃の
温度にまで昇温されて水槽８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。

【００３１】この不凍液を濃縮するために、図示の設備
ではヒーティングタワー１とヒートポンプ装置２との間
で循環している不凍液の一部を回路４０、４１に取り出
し、その不凍液を回路４４を経て密閉式冷却塔５０に導
入する。なお、この導入は、弁４２、４３を開けること
により行う。そして、密閉式冷却塔５０に導入した不凍
液を密閉回路５１の表面に向かって散布装置５２から散
布する。不凍液を濃縮するためには、密閉回路５１内に
例えば約４０℃程度の温水を流し、密閉回路５１の表面
に散布された不凍液を加熱し、同時に送風機４９の稼働
で外気を密閉回路５１の表面付近に通過させることによ
り、不当液中の水分を取り去る。こうして加熱・濃縮し
た不凍液は塔底部の水槽５４に一時的に蓄えた後、回路
６０からヒーティングタワー１の水槽８に直接戻しても
良いし、一旦バッファタンク６２に回収してから、回路
８０、８３を経て水槽８に戻しても良い。水槽５４から
水槽８に不凍液を直接戻す場合は、回路６０の弁５９は
開けておく。一方、バッファタンク６２から水槽８に不
凍液を戻す場合は、弁７７、８４を開けてポンプ８１を
稼働させる。なお、密閉式冷却塔５０において不凍液を
確実に濃縮するために、水槽５４の不凍液をポンプ５５
で回路５６から汲み上げて散布装置５３からの散布を繰
り返すこともできる。

【００３２】このようにして、密閉式冷却塔５０を用い
て濃縮した不凍液をヒーティングタワー１の水槽８に戻
すことにより、ヒーティングタワー１とヒートポンプ装
置２との間で循環している不凍液の濃度を所望の範囲に
維持できるようになる。

【００３３】一方、冬期の暖房運転時に冷水が必要な場
合は、密閉式冷却塔５０の密閉回路５１内に水を流せば
良い。そうすれば、密閉回路５１の表面に散布される低
温の不凍液から冷熱を奪うことにより、密閉回路５１内
にて冷水を作り出すことができる。こうして得られた冷
水を利用して、例えば、冬期において暖房と同時に冷房
を行うようなことも可能となる。

【００３４】再び夏期には、暖房シーズンで使用してい
た不凍液をバッファタンク６２と補給タンク７６に回収
し、これに代えて、系内に冷却水を装填する。冷房シー
ズンに冷却水として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、冷房シーズンには不凍液
を専用のタンクに保管している。

【００３５】不凍液を回収する場合、弁７３を開けてヒ
ーティングタワー１の水槽８内の不凍液を回路７０、７
１、７２を経てバッファタンク６２に回収することがで
きる。また、密閉式冷却塔５０の水槽５４内の不凍液
は、弁６５を開けることにより回路６３、６４、６１を
経てバッファタンク６２に回収する。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、ヒーティングタワーを
利用した空調設備において、密閉式冷却塔を利用するこ
とにより、専用の濃縮装置などを用いずに不凍液を濃縮
できるようになる。また、本発明によれば、冬期でも簡
単に冷水を作ることができ、例えば、冬期において暖房
と同時に冷房を行うようなこともできる。本発明の空調
設備は、冷水回収と濃縮を密閉式冷却塔で兼用して行う
ので、設備容積の節約にもなる。

【００３７】なお、本発明の空調設備の運転実績では、
温水１，４５２ＭＷｈに対し、冷水２４５ＭＷｈが得ら
れ、濃縮に使用した熱量は９９ＭＷｈとなり、冷水回収
量が濃縮熱量を上回り、効率的な運転ができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヒーティングタワー兼用の冷却塔によって建物
の空調を行う空調設備の系統図であり、夏期の冷房運転
状態を示している。

【図２】冷却塔兼用のヒーティングタワーによって建物
の空調を行う空調設備の系統図であり、冬期の暖房運転
状態を示している。

【符号の説明】

１ タワー（ヒーティングタワー、冷却塔） ２ ヒートポンプ装置 １５ 凝縮器 １６ 蒸発器 １７ 凝縮器 ５０ 密閉式冷却塔 ５１ 密閉回路 ６２ バッファタンク ７６ 補給タンク

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で不凍液を循環させ
   る回路を形成し、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、 前記回路を流れる不凍液の一部を取り出してその取り出
   した不凍液を密閉式冷却塔に導入する回路を設けたこと
   を特徴とする空調設備。
2. 【請求項２】 前記密閉式冷却塔は、処理流体を流通さ
   せる密閉回路の表面に不凍液を散布することにより処理
   流体と不凍液とを熱交換させるように構成されている請
   求項１に記載の空調設備。
3. 【請求項３】 請求項２の空調設備の運転方法であっ
   て、前記密閉式冷却塔の密閉回路に加熱流体を流通さ
   せ、該密閉回路の表面に不凍液を散布することにより不
   凍液を加熱して濃縮させることを特徴とする方法。