JP4493889B2 - 冷暖房システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプサイクルの冷媒を熱交換器を介して水熱媒に熱交換させ、冷・温水を生成して搬送する熱源機によって供給される水熱媒によって冷暖房を行う冷暖房システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプサイクルにより採熱した熱で冷暖房に使う水熱媒を生成し、室内放熱器に送水して冷暖房を行うヒートポンプチラー冷暖房システムとも称される冷暖房システムにおいては、ヒートポンプサイクルで採熱できる熱量が外気温度に左右されることから、外気温度が低いときには暖房能力が低下し、必要とする暖房雰囲気が得がたくなる。こうした問題を、例えば特開昭５５―２０３１５号公報に示されているヒートポンプ式の空調技術では、室内熱交換器に正特性サーミスタ加熱器を配置して、水熱媒温度低下時の暖房能力低下を正特性サーミスタ加熱器で補うことで解決している。この技術では、室内熱交換器の水熱媒温度をモニターしていて、水熱媒温度が設定温度以下になったときには補助熱源として正特性サーミスタ加熱器を動作させ、暖房能力の不足を補っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のヒートポンプ式の空調技術においては、暖房運転の場合で室内暖房負荷が小さい場合でも、除霜運転時などでは水熱媒温度が低下するため正特性サーミスタ加熱器による不必要な熱補給が行われることになり、非経済的であるといった問題点がある。また、室内熱交換器の水熱媒温度により正特性サーミスタ加熱器の運転の可否を決定しているため、例えば暖房起動時、冷たい室内を急速に暖房したいような場合でも補助的にしか正特性サーミスタ加熱器が働かず暖房の立上がりが悪いといった問題点もある。
【０００４】
本発明は、係る従来の問題点を解決するためになされたものであって、その課題とするところは、省エネルギー性を備え快適な暖房を実現できるヒートポンプ式の冷暖房システムを開発することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するために請求項１の発明は、ヒートポンプサイクルの冷媒を熱交換器を介して水熱媒と熱交換させ、水熱媒を加熱する補助熱源用加熱手段と送水手段を備えた熱源機と、熱源機に接続され熱源機から搬送されてくる水熱媒により冷暖房を行う室内放熱器とから構成される冷暖房システムについて、暖房時においてその室内放熱器で設定される設定温度と室内放熱器で検知される室内温度との温度差に応じて算出された目標送水温度と、検知された外気温度に応じて算出された目標送水温度下限値および目標送水温度上限値と、のいずれかを採用し、採用された目標送水温度と現在の送水温度との差に応じて、補助熱源用加熱手段の運転の可否を判定する手段を採用する。
【０００６】
前記課題を達成するために請求項２の発明は、ヒートポンプサイクルの冷媒を熱交換器を介して水熱媒に熱交換させ、水熱媒を加熱する補助熱源用加熱手段と送水手段を備えた熱源機と、熱源機に接続され熱源機から搬送されてくる水熱媒により冷暖房を行う室内放熱器とから構成される冷暖房システムについて、検知された外気温度が所定の設定値以下の場合には圧縮機を停止し、補助熱源用加熱手段を運転する手段を採用する。
【０００８】
前記課題を達成するために請求項３の発明は、請求項１または請求項２に係る前記手段における室内放熱器に、急速暖房設定手段を設け、この急速暖房設定手段により急速暖房の設定がなされた場合、補助熱源用加熱手段を連続運転させ、通常の温度より高い温度の水熱媒を生成するようにする手段を採用する。
【０００９】
前記課題を達成するために請求項４の発明は、請求項１〜請求項３までのいずれかに係る前記手段における熱交換器の下流側に、補助熱源用加熱手段を設ける手段を採用する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１〜図５によって示す本実施の形態は、不凍液等による水熱媒を生成して搬送する熱源機で構成される熱源側熱媒サイクルと、これによって供給される水熱媒によって冷暖房を行う室内放熱器で構成される利用側サイクルとにより構成される冷暖房システムに関するものである。熱源機は、図１に示すように水熱媒を貯留するバッファタンク１と、バッファタンク１の水熱媒を循環させる送水手段としての循環ポンプ２と、水熱媒を熱交換器３を介して加熱又は冷却するヒートポンプ方式の冷凍サイクルとによって構成されている。
【００１１】
バッファタンク１には往き側接続口と、戻り側接続口がそれぞれ設けられていて、往き側接続口は、循環ポンプ２の吸込側に配管接続され、戻り側接続口は、採熱用の熱交換器３の二次流路に直列に接続された補助熱源用加熱手段４の出口側が配管接続されている。循環ポンプ２の吐出側には利用側サイクルの往き側配管が接続され、熱交換器３の二次流路の入口側には利用側サイクルの戻り側配管が接続されている。ヒートポンプによる冷凍サイクルは、室外熱交換器５と四方切換弁６と圧縮機７及び流量調節弁８並びに熱交換器３の一次流路で構成された熱媒循環閉路であり、冷凍サイクルの冷媒と水熱媒とは相互に独立し、混じり合うことはないが熱交換器３により熱的には接続している。上記構成の熱源機は、熱交換ユニット９として単一のケーシングに収められ、室外に設置される。
【００１２】
利用側サイクルは、往き側配管と戻り側配管とに接続された室内放熱器１０により水熱媒の循環系として構成されている。室内放熱器１０としては、室内空気を循環させながら冷却或いは加熱することで冷暖房機能を果す一機又は複数機のファンコイルユニットや、輻射による冷暖房機能を果す床暖房パネル等による一組又は複数組の輻射パネルが接続される。
【００１３】
熱交換ユニット９には、図２に示すように循環ポンプ２や圧縮機７及び補助熱源用加熱手段４等を制御するマイコンを含む制御手段１１が搭載されており、この制御手段１１に冷房モードや暖房モードの設定を行う設定スイッチや、ＬＥＤや液晶等により運転状態等を表示する表示手段を備えたコントローラが信号線又は赤外線信号により信号のやりとりを可能に接続されている。制御手段１１にはバッファタンク１の出口の水熱媒温度を検知する熱媒温度検知手段１２の出力、及び室外の温度を検知する外気温度検知手段１３の出力がそれぞれ制御情報として取込まれる。
【００１４】
また、室内放熱器１０にはコントローラ１４及び室温を検知する室温検知手段１５が備えられ、コントローラ１４の操作によって水熱媒の流量をそれ自体に設けられた流量調節弁を動かして、室温が設定温度になるようにフィードバック制御を行うとともに、熱交換ユニット９の制御手段１１に運転情報や設定温度及び室内温度を制御情報として送信する。
【００１５】
熱交換ユニット９のコントローラにより、暖房モードが設定されると、制御手段１１はヒートポンプの冷凍サイクルを暖房のサイクルに切換え、室内放熱器１０のコントローラ１４からの運転情報の取込みを行う。室内放熱器１０のいずれかから運転要求の信号が入ると、利用側サイクルに送る水熱媒の温度を暖房できる温度になるように、熱交換ユニット９を制御する。室内放熱器１０側からの運転要求の信号が一つもない場合には、循環ポンプ２は停止状態におかれる。
【００１６】
一方、熱交換ユニット９のコントローラにより、冷房モードが設定されると、制御手段１１はヒートポンプの冷凍サイクルを冷房のサイクルに切換え、室内放熱器１０のコントローラ１４からの運転情報の取込みを行う。室内放熱器１０のいずれかから運転要求の信号が入ると、室内放熱器１０に送る水熱媒の温度を冷房できる、例えば７℃になるように、熱交換ユニット９を制御する。室内放熱器１０側からの運転要求の信号が一つもない場合には、循環ポンプ２は停止状態におかれる。
【００１７】
本実施の形態の冷暖房システムは、暖房運転における省エネルギー性と快適性の実現をテーマとしており、制御手段１１は暖房モードでは図３のフローチャートによって示すような制御動作を行う。即ち、図３におけるステップ♯１で暖房運転が開始されると、ステップ♯２において室内放熱器１０のコントローラ１４から設定温度Ｔ１を読込み、ステップ♯３に進む。ステップ♯３では外気温度検知手段１３の出力から外気温度Ｔ０を検知してステップ♯４で外気温度Ｔ０が所定の温度、例えば−１５℃以上かどうかの判定を行い、−１５℃以上であればステップ♯８の処理に進み、そうでなければステップ♯５の処理に進む。
【００１８】
ステップ♯５では、外気温度が低温で圧縮機７を保護する必要があり、ヒートポンプサイクルでの採熱を断念して圧縮機７を停止し、補助熱源用加熱手段４を動作させる処理をして、ステップ♯６において目標の熱媒温度を、例えば５０℃に固定する処理を行い、ステップ♯７へ進む。ステップ♯７では、外気温度Ｔ０の検知から所定時間（例えば５分）経過したかどうかの判定を行い、経過していればステップ♯２の処理に戻り、経過していなければステップ♯７の処理を繰り返す。
【００１９】
ステップ♯４で、外気温度Ｔ０≧−１５℃であれば、圧縮機７の運転が可能であるとしてステップ♯８〜ステップ♯１５の一連の処理により、外気温度Ｔ０、設定温度Ｔ１、室内温度Ｔｓの関係から、室内暖房負荷に応じた最適ないくつかの目標送水温度Ｔm、β、αが算出される。これらの送水温度算出のためにまず、ステップ♯８において外気温度検知手段１３の出力による外気温度Ｔ０により、送水温度下限値αと、送水温度上限値βを算出する。送水温度下限値αと送水温度上限値βでは、対象となる暖房空間の断熱性能の幅を考慮した値であり、ある外気温度Ｔ０について設定温度Ｔ１を達成するために最低限必要な水熱媒温度と、設定温度Ｔ１を達成するために必要な最大限の水熱媒温度であり、例えば、図４に示すように予め割付けした外気温度Ｔ０の条件によって算出される。
【００２０】
ステップ♯９では、バッファタンク１の下流に設けられた熱媒温度検知手段１２による出力から現在の送水温度Ｔｗを読取り、ステップ♯１０で室温検知手段１５の出力から現在の室内温度Ｔｓを読取り、ステップ♯１１へ進む。ステップ♯１１では設定温度Ｔ１と現在の室内温度Ｔｓとの比較を行い、設定温度Ｔ１と現在の室内温度Ｔｓの温度差ΔＴ１を算出し、ステップ♯１２へ進み、算出した温度差ΔＴ１により送水温度の変化率ΔＧを算出し、ステップ♯１３へ進む。温度差ΔＴ１と送水温度の変化率ΔＧとは例えば、図５に示すような関係にある。
【００２１】
ステップ♯１３では、前回の目標送水温度Ｔｍ０、現在の送水温度Ｔｗ、送水温度の変化率ΔＧから、算出式Ｔｍ＝Ｔｍ０＋Ｔｗ×ΔＧを使って目標送水温度Ｔｍを算出し、ステップ♯１４へ進む。ステップ♯１４とステップ♯１５において、前の処理で算出した目標送水温度Ｔｍと、外気温度Ｔ０により算出した送水温度下限値αと送水温度上限値βとの比較を行う。そして、送水温度下限値α＜目標送水温度Ｔｍ＜送水温度上限値βであれば、目標送水温度Ｔｍをステップ♯１６で採用する処理をし、目標送水温度Ｔｍ≦送水温度下限値αであれば目標送水温度αをステップ♯１８で採用する処理を行い、目標送水温度Ｔｍ≧送水温度上限値βであれば目標送水温度βをステップ♯１７で採用する処理を行ってそれぞれステップ♯１９へ進む。
【００２２】
ステップ♯１９では、採用した目標送水温度Ｔｍ或いはβ又はαと現在の送水温度Ｔｗとの温度差ΔＴ２を算出し、ステップ♯２０〜ステップ♯２２において、補助熱源用加熱手段４の運転の可否を判定する。即ち、ステップ♯２０では、温度差ΔＴ２が所定の値（例えば８℃）より大きいかどうかを判定し、大きければ補助熱源が必要であるとして補助熱源用加熱手段４を運転させる処理をステップ♯２３で行う。ステップ♯２１では、温度差ΔＴ２が例えば３℃より小さいかどうかの判定を行い、温度差ΔＴ２が３℃以上であればステップ♯２２へ進み、前の時刻に補助熱源用加熱手段４が運転していたかどうかを判定し、温度差ΔＴ２が３℃未満であればステップ♯２４へ進み、補助熱源の必要はないとして補助熱源用加熱手段４を運転しない処理を行う。ステップ♯２２で前の時刻に補助熱源用加熱手段４が運転していた場合には、ステップ♯２３の処理に進み補助熱源用加熱手段４を運転させる処理を行う。この処理は、補助熱源用加熱手段４をチャタリングさせないためのものである。
【００２３】
ステップ♯２３で補助熱源用加熱手段４を運転させる処理をした場合には、ステップ♯２５で所定時間（例えば５分）が経過したかどうかの判定を行い、経過していればステップ♯２の処理に戻り、経過していなければステップ♯２５の処理を繰り返す。また、ステップ♯２４で補助熱源用加熱手段４を運転させない処理をした場合も、ステップ♯２６で所定時間（例えば５分）が経過したかどうかの判定を行い、経過していればステップ♯２の処理に戻り、経過していなければステップ♯２６の処理を繰り返す。
【００２４】
このような運転動作により、ヒートポンプサイクルの除霜運転時でも利用側サイクルに流れる水熱媒温度は低下せず、快適な暖房雰囲気を形成することができ、室内暖房負荷が小さい場合の除霜運転時などに不必要な補助熱源の運転が回避されるので省エネルギー性も備わる。また、外気温度が極めて低く、ヒートポンプによる採熱が有効でないばかりでなく、運転により圧縮機７が破損するような状況では、補助熱源用加熱手段４を有効に使って圧縮機７の破損を回避したうえで、補助熱源による快適な暖房を行うことができる。補助熱源用加熱手段４を熱交換器３の二次流路の後流側に設ける構成を採ることにより、ヒートポンプの効率の悪化を招くことなく暖房能力を向上させることができる。なお、補助熱源用加熱手段４については電気によるものの方が制御が容易であるが、ガスや灯油を燃焼させる方式のものでも構わない。
【００２５】
実施の形態２．
図６と図７に示す本実施の形態は、実施の形態１で示した冷暖房システムに急速暖房機能を付加したもので、この機能に係る構成以外は実施の形態１のものと同じである。従って、実施の形態１のものと同じ部分については実施の形態１のものと同じ符号を用い、それらについての説明は省略する。
【００２６】
本実施の形態の冷暖房システムの室内放熱器１０には図６に示すようにコントローラ１４及び室温を検知する室温検知手段１５が備えられ、コントローラ１４には急速暖房設定手段１６が設けられている。この急速暖房設定手段１６の設定は、熱交換ユニット９の制御手段１１に制御情報として送信される。暖房モードで急速暖房設定手段１６により急速暖房が設定されると、熱交換ユニット９の制御手段１１は、設定温度Ｔ１と室内温度Ｔｓの関係がＴ１＝Ｔｓ＋γとなるまで補助熱源用加熱手段４を運転させ急速暖房運転を行う。そして、Ｔ１＝Ｔｓ＋γとなった時点で急速暖房運転を終了し、実施の形態１の図３によって示した制御動作に移行する。これによって、起動時に急速暖房の設定を行うことにより速やかな暖房が可能になる。これ以外の機能は実施の形態１のものと同じである。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、省エネルギー性を備え快適な暖房を実現できるヒートポンプ式の暖房システムが得られる。
【００２８】
請求項２の発明によれば、省エネルギー性を備えるとともに、外気温度が低くても圧縮機の保護を図りながら快適な暖房ができるようになる。
【００３０】
請求項３の発明によれば、請求項１または請求項２に係る前記効果とともに立上がりの速い急速暖房運転が可能になる。
【００３１】
請求項４の発明によれば、請求項１〜請求項３までのいずれかに係る前記効果とともにヒートポンプの効率を落すことなく暖房能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１の冷暖房システムを示すシステム構成図である。
【図２】 実施の形態１の冷暖房システムにおける制御系のブロック構成図である。
【図３】 実施の形態１の冷暖房システムにおける制御手段の制御動作を示すフローチャートである。
【図４】 実施の形態１の冷暖房システムの制御手段における制御動作に関する外気温度と送水温度の上限・下限の関係を示す説明図である。
【図５】 実施の形態１の冷暖房システムの制御手段における制御動作に関する設定温度と室内温度の温度差と、送水温度の変化率の関係を示す説明図である。
【図６】 実施の形態２の冷暖房システムにおける制御手段の制御動作を示すフローチャートである。
【図７】 実施の形態２の冷暖房システムを示すシステム構成図である。
【符号の説明】
３ 熱交換器、 ４ 補助熱源用加熱手段、 ７ 圧縮機、 ９ 熱交換ユニット、 １０ 室内放熱器、 １１ 制御手段、 １２ 熱媒温度検知手段、 １３ 外気温度検知手段、 １５ 室温検知手段、 １６ 急速暖房設定手段。

Claims (4)

1. ヒートポンプサイクルの冷媒を熱交換器を介して水熱媒と熱交換させ、この水熱媒を加熱する補助熱源用加熱手段と送水手段を備えた熱源機と、この熱源機に接続され同熱源機から搬送されてくる水熱媒により冷暖房を行う室内放熱器とから構成される冷暖房システムであって、暖房時において前記室内放熱器で設定される設定温度と同室内放熱器で検知される室内温度との温度差に応じて算出された目標送水温度と、検知された外気温度に応じて算出された目標送水温度下限値および目標送水温度上限値と、のいずれかを採用し、採用された目標送水温度と現在の送水温度との差に応じて、補助熱源用加熱手段の運転の可否を判定することを特徴とする冷暖房システム。
2. ヒートポンプサイクルの冷媒を熱交換器を介して水熱媒と熱交換させ、この水熱媒を加熱する補助熱源用加熱手段と送水手段を備えた熱源機と、この熱源機に接続され同熱源機から搬送されてくる水熱媒により冷暖房を行う室内放熱器とから構成される冷暖房システムであって、検知された外気温度が所定の設定値以下の場合には圧縮機を停止し、補助熱源用加熱手段を運転することを特徴とする冷暖房システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の冷暖房システムであって、室内放熱器に急速暖房設定手段を設け、この急速暖房設定手段により急速暖房の設定がなされた場合、補助熱源用加熱手段を連続運転させ、通常の温度より高い温度の水熱媒を生成するようにした冷暖房システム。
4. 請求項１〜請求項３までのいずれかに記載の冷暖房システムであって、熱交換器の下流側に補助熱源用加熱手段を設けた冷暖房システム。

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