JP2010236816A - ヒートポンプ式空調機およびヒートポンプ式空調機の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ヒートポンプ式空調機1において、外部熱源熱交換器17に導入される熱源水の少なくとも一部を、空調対象側冷媒と熱交換した後に、外部熱源熱交換器17に導入することで、空調対象側冷媒の冷熱または温熱のうち、空調の目標温度に対する空調能力の余剰分に相当する冷熱または温熱を、外部熱源側冷媒に移転させることとした。
【選択図】図1
Description
図1は、第一の実施形態に係るヒートポンプ式空調機1の概略構成を示す図である。ヒートポンプ式空調機1は、冷却塔(クーリングタワー)等の冷却水温度調節装置(図示は省略する)によって温度制御された冷却水(熱源水)の供給を受けて冷媒の温度調節を行う水熱源ヒートポンプ式の空調機であり、供給された冷却水を外部の熱源として冷媒との間で熱交換を行う外部熱源熱交換器としての水熱交換器17、冷媒を圧縮する圧縮機14、冷媒を膨張させる膨張弁16、冷媒と空調対象の空気との間で熱交換を行うことで空調を行う空調対象熱交換器としての空気熱交換器13、および冷媒の流路を切り替えることで冷房運転と暖房運転とを切り替える四方弁15を有する。これらの構成要素は冷媒管路19で接続されることで冷凍サイクルを形成し、四方弁15の切り替えによって、冷房運転と暖房運転とを切り替えることが出来る。
と、室温が設定温度から外れたことが検知された時点での空調機の運転再開と、が繰り返される(従来空調機の断続運転を示す図8を参照)。
ると判断し、比例三方弁11における冷却水迂回管路12へのルートを開弁することで、熱移転処理を開始する(ステップS105)。暖房運転中である場合も同様に、取得された室温と、設定温度Tsに比べて所定温度(例えば、本実施形態では、摂氏2度)だけ低い温度に設定された閾値Ts−2と、を比較する(ステップS104)。比較の結果、室温が閾値Ts−2よりも高くなった場合、制御装置90は、断続運転が発生する可能性があると判断し、比例三方弁11における冷却水迂回管路12へのルートを開弁することで、熱移転処理を開始する(ステップS105)。
。なお、本実施形態では、通常運転時および熱移転処理時における水熱交換器17の出口冷却水温の変動幅に基づいて比例三方弁11の開度を制御することとしているが、このような制御に代えて、補助水熱交換器18の入口冷却水温(図1に示した例では、摂氏25.2度)と出口冷却水温(図1に示した例では、摂氏23.53度)との変化幅(図1に示した例では、摂氏25.2度−摂氏23.53度=1.67度)に基づいて熱移転の量を把握し、比例三方弁11の開度制御(迂回する水量の調整)を行うこととしてもよい。この場合、補助水熱交換器18の入口と出口における冷却水の温度変化に基づいて迂回水量の調整が行われるため、余剰熱の移転量をより正確に反映した制御を行うことが可能となる。
図5は、第二の実施形態に係るヒートポンプ式空調機1bの概略構成を示す図である。第二の実施形態に係るヒートポンプ式空調機1bについても、部分負荷運転時の余剰な冷熱を空調対象側の冷媒から外部熱源側の冷媒へ移転させる熱移転処理を行うことによって、部分負荷時の断続運転を抑制し、連続運転を可能としている点については同様である。但し、第二の実施形態に係るヒートポンプ式空調機1bは、冷熱の移転に冷却水を介さず、冷媒熱交換器18bを用いて、空調対象側冷媒の余剰冷熱を外部熱源側冷媒に移転させる点で、第一の実施形態に示したヒートポンプ式空調機1と異なる。なお、本実施形態の説明において、第一の実施形態と概略同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
うに、開度制御される。本実施形態では、制御装置90は、通常負荷運転時に予め温度センサ93a、93bで計測されていた、膨張弁16の前後の冷媒温度の差(即ち、流量調整弁32の開度が0%の場合の冷媒温度差)と、部分負荷運転時に流量調整弁32が全開(開度100%)された場合(冷媒の全量が冷媒熱交換器18bに送られる場合)の膨張弁16の前後の冷媒温度の差と、を予め取得し、更に、取得された冷媒温度差の変動幅、即ち、通常負荷運転時の冷媒温度差から部分負荷運転時に流量調整弁32が全開された場合の冷媒温度差への最大変動幅を算出しておく。そして、制御装置90は、予め算出された最大変動幅に対する、部分負荷運転時の膨張弁16前後の冷媒温度差の変動幅の割合を定め、この目標値とする変動幅の割合に応じて、流量調整弁32の開度を決定する。
図6は、第三の実施形態に係るヒートポンプ式空調機1cの概略構成を示す図である。ヒートポンプ式空調機1cは、第一および第二の実施形態において示した水熱源ヒートポンプ式空調機1、1bと異なり、所謂室外機としての空気熱交換器によって冷媒の温度調節を行う空気熱源ヒートポンプ式の空調機である。ヒートポンプ式空調機1cは、外気を外部の熱源として冷媒との間で熱交換を行う外部熱源熱交換器としての空気熱交換器17b、冷媒を圧縮する圧縮機14、冷媒を膨張させる膨張弁16、冷媒と空調対象の空気との間で熱交換を行うことで空調を行う空調対象熱交換器としての空気熱交換器13、および冷媒の流路を切り替えることで冷房運転と暖房運転とを切り替える四方弁15を有する。なお、本実施形態の説明において、第一の実施形態または第二の実施形態と概略同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
て、部分負荷時の断続運転を抑制し、連続運転を可能としている点について、他の実施形態と同様である。ヒートポンプ式空調機1cは、熱移転処理のために、第二の実施形態に示したヒートポンプ式空調機1bと同様、冷媒迂回管路19b、閉止弁31、流量調整弁32および冷媒熱交換器18bを備える。また、通常負荷運転時に閉止弁31が閉弁され、流量調整弁32が全開されること、および、部分負荷運転において熱移転処理が開始されると、閉止弁31が開弁され、流量調整弁32が閉止または開度調整されることについても、第二の実施形態と概略同様であるため、説明を省略する。
図7は、第四の実施形態に係るヒートポンプ式空調機1dの概略構成を示す図である。ヒートポンプ式空調機1dは、建物に設置され、空気熱源によって冷媒の温度調整を行う室外機2dに接続された複数の室内機によって空調を行うビルマルチ用のヒートポンプ式空調機であり、外気を外部の熱源として冷媒との間で熱交換を行う外部熱源熱交換器としての空気熱交換器17d、空気熱交換器17dに外気を取り込むための送風機22d、冷媒を圧縮する圧縮機14、冷房運転時に冷媒を膨張させる冷房用膨張弁16a、暖房運転時に冷媒を膨張させる暖房用膨張弁16b、冷媒と空調対象の空気との間で熱交換を行うことで空調を行う空調対象熱交換器としての、複数の空気熱交換器13d、空気熱交換器13dに空調対象の空気を取り込むための送風機21d、および冷媒の流路を切り替えることで冷房運転と暖房運転とを切り替える四方弁15を有する。なお、本実施形態の説明において、第一の実施形態または第二の実施形態と概略同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
上記第一から第四の実施形態に示したヒートポンプ式空調機によれば、部分負荷運転時における連続運転が可能となり、COPの低下を防止することが可能となる。具体的には、従来のような断続運転が行われた場合には、空調負荷に比べ空調能力が大きいため、必要以上の空調能力が得られて電力が必要以上に消費されるが、本実施形態に示したヒートポンプ式空調機によれば、部分負荷時にも連続運転を行うことが可能であるため、空調負荷に見合った能力を発揮することが出来、断続運転に比べて期間消費電力が少なくなる。本願発明者の試算によると、従来の空調機では圧縮機が断続運転となる中間期の外気温条
件下で、従来の空調機の断続運転による総消費電力と、本実施形態に示したヒートポンプ式空調機の連続運転による総消費電力と、を比較すると、本実施形態に示したヒートポンプ式空調機の総消費電力は、従来の空調機の総消費電力に比べて57%減少するとの試算結果が得られた。
また、上記実施形態では、空調対象側の冷媒から外部熱源側の冷媒に熱の移転を行うための手段(例えば、補助水熱交換器18や、冷媒熱交換器18b、18d等)は、膨張弁16と空気熱交換器13との間の冷媒流路に設けられるが、空調対象側冷媒から外部熱源側冷媒に熱移転を行うための手段は、例えば、空気熱交換器13と圧縮機14の間の冷媒流路等、空調対象側の何れの位置に設けられてもよい。また、上記実施形態では、外部熱源側の冷媒管路を延長して空調対象側の熱交換器(冷媒熱交換器18b、18d等)に引き込むことで、冷媒間の熱交換を実現しているが、反対に、空調対象側の冷媒管路を延長して外部熱源側の熱交換器に引き込むこととしてもよいし、外部熱源側および空調対象側の冷媒管路の両方を延長して、他の位置に設けられた冷媒熱交換器に引き込むこととしてもよい。
11 比例三方弁
12 冷却水迂回管路
13 空気熱交換器
14 圧縮機
15 四方弁
16 膨張弁
17 水熱交換器
18 補助水熱交換器
18b、18d 冷媒熱交換器
19 冷媒管路
21、22 送風機
31 閉止弁
32、33、34 流量調整弁
90 制御装置
91 室温センサ
92、93a、93b、94a、94b 温度センサ
Claims (9)
- 圧縮機、空調対象熱交換器、膨張弁および外部熱源熱交換器が冷凍サイクルを形成するように、冷媒流路を介して接続されたヒートポンプ式空調機であって、
前記冷凍サイクルのうち前記空調対象熱交換器側を流れる空調対象側冷媒の冷熱または温熱の一部を、熱交換によって、前記外部熱源熱交換器側を流れる外部熱源側冷媒に移転させる熱移転手段を備える、
ヒートポンプ式空調機。 - 前記熱移転手段は、前記空調対象側冷媒の冷熱または温熱のうち、空調の目標温度に対する空調能力の余剰分に相当する冷熱または温熱を、熱交換によって前記外部熱源側冷媒に移転させる、
請求項1に記載のヒートポンプ式空調機。 - 前記ヒートポンプ式空調機は、外部熱源として熱源水の供給を受けて運転を行うヒートポンプであり、
前記熱移転手段は、前記外部熱源熱交換器に導入される前記熱源水の少なくとも一部を、前記空調対象側冷媒と熱交換した後に、前記外部熱源熱交換器に導入することで、前記空調対象側冷媒の冷熱または温熱の一部を、前記外部熱源側冷媒に移転させる、
請求項1または2に記載のヒートポンプ式空調機。 - 前記熱移転手段による、前記外部熱源熱交換器に導入される前記熱源水の、前記空調対象側冷媒との熱交換に用いられる水量を調整する水量調整手段を更に備える、
請求項3に記載のヒートポンプ式空調機。 - 前記熱移転手段は、前記外部熱源側冷媒と前記空調対象側冷媒とが導入される冷媒熱交換器を用いて、前記空調対象側冷媒の冷熱または温熱の一部を、前記外部熱源側冷媒に移転させる、
請求項1または2に記載のヒートポンプ式空調機。 - 前記冷媒熱交換器において熱交換に用いられる前記冷媒の量を調整する冷媒量調整手段を更に備える、
請求項5に記載のヒートポンプ式空調機。 - 空調対象の温度を取得する温度取得手段と、
前記空調対象の温度と空調の目標温度との差が所定以下になった場合に、前記熱移転手段による熱移転を開始させる制御手段と、
を更に備える、請求項1から6の何れか一項に記載のヒートポンプ式空調機。 - 前記圧縮機および前記外部熱源熱交換器に対して、複数の前記空調対象熱交換器が接続され、
前記複数の空調対象熱交換器のうち、運転停止に係る空調対象熱交換器の数が所定以下となった場合に、前記熱移転手段による熱移転を開始させる制御手段を更に備える、
請求項1から6の何れか一項に記載のヒートポンプ式空調機。 - 圧縮機、空調対象熱交換器、膨張弁および外部熱源熱交換器が冷凍サイクルを形成するように、冷媒流路を介して接続され、前記冷凍サイクルのうち前記空調対象熱交換器側を流れる空調対象側冷媒の冷熱または温熱の一部を、熱交換によって、前記外部熱源熱交換器側を流れる外部熱源側冷媒に移転させる熱移転手段を備えるヒートポンプ式空調機において、
空調対象の温度を取得する温度取得ステップと、
前記空調対象の温度と空調の目標温度との差が所定以下になった場合に、前記熱移転ステップにおける熱移転を開始させる制御ステップと、
を実行する、ヒートポンプ式空調機の制御方法。
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