JP5669402B2

JP5669402B2 - ヒートポンプ及びヒートポンプの熱媒流量演算方法

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Publication number: JP5669402B2
Application number: JP2010002624A
Authority: JP
Inventors: 上田　憲治; 憲治上田; 松尾　実; 実松尾
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2030-01-08
Also published as: EP2343490A3; US20110167843A1; KR101242385B1; CN102121766B; JP2011141097A; CN102121766A; KR20110081756A; EP2343490B1; EP2343490A2

Description

本発明は、ヒートポンプ及びヒートポンプの熱媒流量演算方法に関するものである。

例えば、地域冷暖房や半導体製造工場等の冷暖房等を実現するものとして、ターボ冷凍機が用いられている。図４に従来のターボ冷凍機を用いた熱源システムの一構成図を示す。図４に示すように、ターボ冷凍機５０は、空調機やファンコイル等の外部負荷５１から供給された冷水（熱媒）を所定の温度まで冷却し、冷却後の冷水を外部負荷５１に供給する。冷水流れからみたターボ冷凍機５０の上流側には、冷水を圧送する冷水ポンプ５２が設置されている。また、冷水ポンプ５２の下流側には、冷水ポンプ５２から流出する冷水流量を計測する冷水流量計５３が設けられている。この冷水流量計５３の出力は、ターボ冷凍機５０の制御を行う制御装置（図示略）へと送られ、この冷水流量が制御パラメータの一つとして用いられてターボ冷凍機の制御が行われる。

特開２００９−２０４２６２号公報

例えば、上述したような熱源システムにおいては、ターボ冷凍機から出力される冷水の流量を計測する冷水流量計として、電磁流量計が利用されている。しかしながら、電磁流量計は高価であり導入することが難しい場合がある。
また、一般的に、電磁流量計よりも比較的低価格な差圧センサを用いて差圧から流量を算出する手法が知られている。しかし、ターボ冷凍機は冷水等の熱媒の圧力変動が生じやすく、一般的な差圧センサをターボ冷凍機に適用しようとすると、計測される値のばらつきが多く、要求される精度を満たすことができないという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、低価格な差圧センサを用いた場合でも、熱媒流量を十分な精度で取得することのできるヒートポンプ及びヒートポンプの熱媒流量演算方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、外部負荷から流入する熱媒を冷却または加熱する第１熱交換器と、外気または冷却水と熱交換を行う第２熱交換器と、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で冷媒を循環される冷媒循環路と、該冷媒循環路に設けられたターボ圧縮機とを備えたヒートポンプであって、前記第１熱交換器における前記熱媒の入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測する差圧計測手段と、前記第１熱交換器の損失係数を有し、該損失係数と前記差圧計測手段から出力された差圧とに基づいて、前記第１熱交換器における前記熱媒の流量を算出する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記熱媒の流量を用いて制御を行うとともに、該熱媒の流量を設備側の装置に送信し、前記ターボ圧縮機の消費動力と、前記第１熱交換器の交換熱量と、前記第２熱交換器の交換熱量との関係を表した関係式に、現在の前記ターボ圧縮機の消費動力と前記第２熱交換器の交換熱量とを代入することにより、前記第１熱交換器の取り得る交換熱量を求め、該第１熱交換器の取り得る交換熱量から前記第１熱交換器における前記熱媒の取り得る流量範囲を決定し、演算により求めた前記熱媒の流量が前記熱媒の流量範囲を超えていた場合に、前記熱媒の流量範囲に基づいて前記熱媒の流量を決定し、この値を前記設備側装置へ送信するヒートポンプを提供する。

上記構成によれば、差圧センサを用いて第１熱交換器の熱媒の入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測し、この計測データと当該第１熱交換器に固有の損失係数とを用いて第１熱交換器における熱媒の流量を算出する。したがって、廉価でかつ簡易な構成により、要求された精度を十分に満たす熱媒流量を得ることができる。
また、このような構成によれば、制御手段が、ターボ圧縮機の消費動力と、第１熱交換器の交換熱量と、第２熱交換器の交換熱量との間に成立する関係式を保有しており、この関係式を用いて第１熱交換器における熱媒流量の取り得る範囲を決定し、前記差圧センサの計測データに基づいて算出された冷水流量が上記熱媒流量の取り得る範囲を超えていた場合には、上記関係式から得られる第１熱交換器の熱媒流量を決定し、この値を設備側装置へ送信する。
したがって、上記関係式を用いて差圧センサによる計測データの信頼性を評価することが可能でき、差圧センサの異常を検知することが可能となる。また、差圧センサの異常が検知された場合でも、上記関係式から求められる熱媒の流量を設備側装置へ送信するので、設備側装置へのデータ送信を継続して行うことが可能となる。

上記ヒートポンプにおいて、前記制御手段は、前記第１熱交換器における前記熱媒の保有量による前記出口側圧力の計測時間遅れに依存する補正項を求め、前記補正項を用いて前記熱媒の流量を補正することとしてもよい。

このように第１熱交換器における熱媒の保有量に基づく出口側圧力の計測時間遅れに依存する補正項を用いて流量を補正するので、第１熱交換器の熱媒の保有量に基づく誤差を解消することができ、熱媒流量の演算精度を向上させることができる。

本発明は、外部負荷から流入する熱媒を冷却または加熱する第１熱交換器と、外気または冷却水と熱交換を行う第２熱交換器と、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で冷媒を循環される冷媒循環路と、該冷媒循環路に設けられたターボ圧縮機とを備えたヒートポンプの熱媒流量演算方法であって、前記第１熱交換器の前記熱媒の流入出入口に、入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測する差圧計測手段を設け、前記第１熱交換器の損失係数と前記差圧計測手段から出力された差圧とに基づいて、前記第１熱交換器における前記熱媒の流量を算出し、前記熱媒の流量を用いて制御を行うとともに、該熱媒の流量を設備側の装置に送信し、前記ターボ圧縮機の消費動力と、前記第１熱交換器の交換熱量と、前記第２熱交換器の交換熱量との関係を表した関係式に、現在の前記ターボ圧縮機の消費動力と前記第２熱交換器の交換熱量とを代入することにより、前記第１熱交換器の取り得る交換熱量を求め、該第１熱交換器の取り得る交換熱量から前記第１熱交換器における前記熱媒の取り得る流量範囲を決定し、演算により求めた前記熱媒の流量が前記熱媒の流量範囲を超えていた場合に、前記熱媒の流量範囲に基づいて前記熱媒の流量を決定し、この値を前記設備側装置へ送信するヒートポンプの熱媒流量演算方法を提供する。

本発明によれば、低価格な差圧センサを用いた場合でも、熱媒流量を十分な精度で取得することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る熱源システムの概略構成を示した図である。本発明の第１実施形態に係るターボ冷凍機の概略構成を示した図である。蒸発器の冷水保有流量に基づいて冷水流量を補正する場合について説明するための図である。従来の熱源システムの概略構成を示した図である。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプについて、図を用いて説明する。本実施形態においては、ヒートポンプがターボ冷凍機であることを例に挙げて説明することとするが、これに限定されない。例えば、ターボ冷凍機に代えて、チラー、吸収冷凍機等であってもよいこととする。
図１には、本実施形態に係るターボ冷凍機が適用される熱源システム１の概略構成が示されている。熱源システム１は、例えば、ビルや工場設備に設置される。図１に示すように、熱源システム１は、空調機やファンコイル等の外部負荷３に供給する冷水（熱媒）に対して冷熱を与える３台のターボ冷凍機１１を備えている。これらターボ冷凍機１１は、外部負荷３に対して並列に設置されている。

冷水流れからみた各ターボ冷凍機１１の上流側には、それぞれ、冷水を圧送する冷水ポンプ２１が設置されている。これら冷水ポンプ２１によって、リターンヘッダ３２からの冷水が各ターボ冷凍機１１へと送られる。各冷水ポンプ２１は、インバータモータによって駆動されるようになっており、これにより、回転数を可変とすることで可変流量制御される。

サプライヘッダ３１には、各ターボ冷凍機１１において得られた冷水が集められるようになっている。サプライヘッダ３１に集められた冷水は、外部負荷３に供給される。外部負荷３にて空調等に供されて昇温した冷水は、リターンヘッダ３２に送られる。冷水は、リターンヘッダ３２において分岐され、各ターボ冷凍機１１に送られる。

各ターボ冷凍機１１の上流側の冷水配管には、各ターボ冷凍機１１へと流入する冷水温度を計測するための冷水入口温度センサ２９が設けられている。この冷水入口温度センサ２９の出力はそれぞれ、後述する各ターボ冷凍機１１の制御盤７４（図２参照）へと送られる。なお、バイパス配管３３のバイパス弁３４が全閉であれば、冷水入口温度センサに代えて、リターンヘッダ３２の上流側の冷水配管に設けた温度センサ２９ｂを用いても良い。

図２には、ターボ冷凍機１１の詳細構成が示されている。
ターボ冷凍機１１は、２段圧縮２段膨張サブクールサイクルを実現する構成となっている。このターボ冷凍機１１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機６０と、ターボ圧縮機６０によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器（第２熱交換器）６２と、凝縮器６２にて凝縮された液冷媒に対して過冷却を与えるサブクーラ６３と、サブクーラ６３からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁６４と、高圧膨張弁６４に接続されるとともにターボ圧縮機６０の中間段および低圧膨張弁６５に接続される中間冷却器６７と、低圧膨張弁６５によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器（第１熱交換器）６６とを備えている。

ターボ圧縮機６０は、遠心式の２段圧縮機であり、インバータ７０によって回転数制御された電動モータ７２によって駆動されている。インバータ７０は、制御盤７４によってその出力が制御されている。なお、ターボ圧縮機６０は、回転数一定の固定速の圧縮機であってもよい。ターボ圧縮機６０の冷媒吸入口には、吸入冷媒流量を制御するインレットガイドベーン（以下「ＩＧＶ」という。）７６が設けられており、ターボ冷凍機１１の容量制御が可能となっている。

凝縮器６２には、凝縮冷媒圧力を計測するための凝縮冷媒圧力センサＰｃが設けられている。センサＰｃの出力は、制御盤７４に送信される。
サブクーラ６３は、凝縮器６２の冷媒流れ下流側に、凝縮された冷媒に対して過冷却を与えるように設けられている。サブクーラ６３の冷媒流れ下流側直後には、過冷却後の冷媒温度を計測する温度センサＴｓが設けられている。
凝縮器６２及びサブクーラ６３には、これらを冷却するための冷却伝熱管８０が挿通されている。冷却水流量は流量計Ｆ２により、冷却水出口温度は温度センサTcoutにより、冷却水入口温度は温度センサTcinにより計測されるようになっている。冷却水は、図示しない冷却塔において外部へと排熱された後に、再び凝縮器６２及びサブクーラ６３へと導かれるようになっている。

中間冷却器６７には、中間圧力を計測するための圧力センサＰＭが設けられている。
蒸発器６６の冷水出入口には、冷水の出入差圧を計測するための差圧センサＰＥｉｎ，ＰＥｏｕｔが設けられている。蒸発器６６において吸熱されることによって定格温度（例えば７℃）の冷水が得られる。蒸発器６６には、外部負荷へ供給される冷水を冷却するための冷水伝熱管８２が挿通されている。冷水出口温度は温度センサToutにより、冷水入口温度はTinにより計測されるようになっている。

凝縮器６２の気相部と蒸発器６６の気相部との間には、ホットガスバイパス管７９が設けられている。そして、ホットガスバイパス管７９内を流れる冷媒の流量を制御するためのホットガスバイパス弁７８が設けられている。ホットガスバイパス弁７８によってホットガスバイパス流量を調整することにより、ＩＧＶ７６では制御が十分でない非常に小さな負荷領域での容量制御が可能となっている。

また、図２に示したターボ冷凍機１１では、凝縮器６２及びサブクーラ６３を設け、冷媒により冷却塔において外部へと排熱した冷却水との間で熱交換を行い、冷却水を温める場合について述べたが、例えば、凝縮器６２及びサブクーラ６３に代えて空気熱交換器を配置し、空気熱交換器において外気と冷媒との間で熱交換を行うような構成としてもよい。

また、本実施形態に適用されるターボ冷凍機１１は、上述した冷房機能のみを有するターボ冷凍機に限定されず、例えば、暖房機能のみ、或いは、冷房機能及び暖房機能の両方を有しているものであってもよい。また、冷媒と熱交換される媒体は、水でも空気でもよい。

図２において、制御盤７４には、各センサによって測定された計測データが送信され、制御盤７４においてこれらの計測データに基づく各種制御が行われる。
以下、本発明の特徴部分である、蒸発器６６における冷水の流量計測について具体的に説明する。
制御盤７４は、蒸発器６６の予め損失係数ζを保有している。制御盤７４は、以下の（１）式に、差圧センサの計測点ＰＥｉｎ及びＰＥｏｕｔによって計測された差圧ΔＰは損失係数ζを用いることにより、流量Ｑを算出する。ここで、Ａは断面積、ζは損失係数、ρは熱媒の密度、ｖは流速とする。

そして、この流量Ｑ等の各種パラメータに基づいてターボ冷凍機１１の制御を行うとともに、この流量Ｑ及び各種パラメータを通信媒体を介して外部に設置されている設備側装置へ送信する。設備側装置では、例えば、ターボ冷凍機１１のＣＯＰ等を監視しており、これらの監視事項に送信されたパラメータが使用される。

以上、説明してきたように、本実施形態に係るターボ冷凍機及びターボ冷凍機の熱媒流量算出方法によれば、差圧センサを用いて蒸発器６６の冷水出入口における差圧を計測し、この計測データと各蒸発器６６個別の損失係数ζとを用いて蒸発器６６における冷水の流量を算出するので、安価でかつ簡易な構成により、要求された精度を十分に満たす熱媒流量を得ることができる。

なお、蒸発器６６における熱媒流量Ｑは、温度依存性を有している。したがって、制御盤７４は、上記（１）式に代えて、温度依存性を加味した演算式を用いて流量Ｑを算出することとしてもよい。

さらに、上記差圧センサから送信される計測データには、ターボ冷凍機１１の冷媒循環路上に設けられている各種バルブの開閉等による外乱が含まれている。このような外乱を排除するために、例えば、差圧センサによって計測されたサンプリングデータを以下の（２）式または（３）式を用いて処理し、これら処理後のデータを用いて上記（１）式から熱媒流量Ｑを算出することとしてもよい。

上記（２）式、（３）式はいずれも移動平均を算出するための演算式であり、ｘ_aveは、移動平均した所定時間における差圧ΔＰ、ΔＴはサプリング周期、ｎは移動平均データ数、ｘ_ave・n-1はひとつ前のサンプリングデータにおける移動平均を示している。このように移動平均差圧を用いて上記（１）式から熱媒流量Ｑを求めることにより、ターボ冷凍機の冷凍サイクル内に設けられたバルブの開閉等による外乱（ノイズ）を除去し、より精度の高い熱媒流量Ｑを求めることが可能となる。

また、ターボ冷凍機１１における蒸発器６６は、大型であるため保有水量も大きい。このため、蒸発器６６の冷水入口における圧力と冷水出口における圧力とは保有水量に応じた時間差が生じてしまう。従って、この時間差による差圧の誤差を解消するために、蒸発器の保有水量に基づく補正項を求め、この補正項を用いて冷水流量を補正することとしてもよい。
例えば、時間的な圧力の変化として図３に示すように、蒸発器６６における冷水入口側の圧力Ｐ１（ｔ）が一定の変化率で増加し、冷水出口側における圧力Ｐ２（ｔ）は一定である場合を想定する。
この場合、現在時刻を時刻Ｔとすると、その時点における流量Ｑ［m³／sec］は以下の（４）式で表わされる。

一方、差圧を計測する冷水入口側から冷水出口側までの保有水量をＶ［m³］とすると、現在時刻Ｔを起点として、現時点の流量で冷水入口側から冷水出口側に到達するまでの時間を遡った時刻の状態での流量Ｑ´［m³／sec］は以下の（５）式で表わされる。

したがって、上記時間遅延を考慮した差圧ΔＰ´を用いて流量Ｑ´を算出することで、蒸発器６６の保有流量による誤差を解消することができ、冷水流量の演算精度を向上させることができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係るターボ冷凍機及びターボ冷凍機の熱媒流量演算方法について説明する。
ターボ冷凍機１１においては、ターボ圧縮機６０の消費動力Ｗと、蒸発器６６の交換熱量Ｑｅと、凝縮器６２の交換熱量Ｑｃとの間に以下の（６）式で表わされる関係式が成立する。

Ｑｅ＝Ｑｃ−Ｗ（６）

また、通常、ターボ冷凍機では、図２に示したように、凝縮器６２に流入または凝縮器６２から流出する冷却水の流量を計測する流量計Ｆ２が設けられており、この流量計Ｆ２により冷却水流量が計測され、この冷却水流量から以下の（７）式を用いて凝縮器６２における交換熱量Ｑｃを算出することができる。
Ｑｃ＝ｃ_ｐ・ρ・ｑ_ｃ・（Ｔ_ｃｏｕｔ−Ｔ_ｃｉｎ）（７）
ここで、ｃ_ｐは比熱［kJ／（kg・K）］、ρは密度［kg／m^３］、ｑ_ｃは体積流量［m^３／sec］、Ｔ_ｃｏｕｔは冷却水出口温度［Ｋ］、Ｔ_ｃｉｎは冷却水入口温度［Ｋ］とする。

また、消費動力Ｗについても制御盤７４において常時計測されている。従って、冷却水流量から得た凝縮器６２の交換熱量Ｑｃと消費動力Ｗとを上記（６）式に用いることで、蒸発器６６における交換熱量Ｑｅが求められ、この交換熱量Ｑｅから蒸発器６６における冷水流量の取り得る範囲を決定することができる。冷水流量の取り得る範囲は、例えば、交換熱量Ｑｅから算出される冷水流量のプラスマイナス２０％の範囲に設定される。

そして、上記第１実施形態において説明したような演算方法を用いて算出した蒸発器６６の流量から得られる冷水流量が、上記（６）式から求めた蒸発器６６における冷水流量の取り得る範囲を超えていた場合には、例えば、蒸発器６６に設けられている差圧センサに異常が発生したと判断する。また、このようなセンサの異常が検知された場合には、制御盤７４は、上記（６）式から得られる冷水流量を設備側装置に送信したり、この冷水流量を用いてターボ冷凍機の制御を行うこととしてもよい。

以上、説明してきたように、本発明の第２実施形態によれば、制御盤７４に、ターボ圧縮機６０の消費動力Ｗと、蒸発器６６の交換熱量Ｑｅと、凝縮器６２の交換熱量Ｑｃとの間に成立する関係式を設定しておき、この関係式を用いて蒸発器６６における冷水流量の取りうる範囲を決定し、蒸発器６６の冷水出入口に設けられた差圧センサの計測データに基づいて算出された冷水流量が上記冷水流量の取り得る範囲を超えていた場合には、センサ異常を検出するので、センサ異常を迅速に検知することができる。また、センサ異常が検知された場合でも、上記（６）式の関係式から得られる蒸発器６６の冷水流量を用いることで、ターボ冷凍機１１の運転を引き続き行うことができるとともに、設備側装置へのデータ送信も継続して行うことが可能となる。

なお、ターボ冷凍機においては、上記（６）式で示した関係式の他に、例えば、ターボ圧縮機６２におけるヘッド、インバータ周波数と基準周波数におけるＱ−Ｈ特性からも蒸発器６６の冷水流量の関係式が成立する。圧縮機のＱ−Ｈ特性に対して、凝縮冷媒圧力Ｐｃと蒸発冷媒圧力Ｐｅの差圧に対応したヘッドＨが求まるので、Ｑ−Ｈ特性を使って圧縮機を通過する冷媒の体積流量が求まる。この体積流量をＱ１とすると、蒸発器を流れる冷媒重量流量Ｇｅが以下の式で求められる。ここで、ρ_Rは冷媒ガス密度、βは蒸発器流量と圧縮機流量との比とする。
Ｇｅ＝β・ρ_Ｒ・Ｑ１

また、圧縮機６０の消費動力Ｗは、圧縮機所要ヘッドをΔｈとすると、圧縮機効率η_ｃを用いて以下の式で表現できる。
Ｗ＝Ｇｅ・Δｈ・η_ｃ
従って、上記（６）式に代えて、Ｑ−Ｈ特性等に基づいて蒸発器６６における冷水流量の取り得る範囲を決定し、この取り得る範囲を用いて差圧センサの異常等を検知することとしてもよい。

１１ターボ冷凍機
６０ターボ圧縮機
６２凝縮器
６６蒸発器
７０インバータ
Ｆ２流量計
ＰＥｉｎ，ＰＥｏｕｔ差圧センサ
Ｔｏｕｔ、Ｔｉｎ温度センサ

Claims

外部負荷から流入する熱媒を冷却または加熱する第１熱交換器と、外気または冷却水と熱交換を行う第２熱交換器と、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で冷媒を循環される冷媒循環路と、該冷媒循環路に設けられたターボ圧縮機とを備えたヒートポンプであって、
前記第１熱交換器における前記熱媒の入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測する差圧計測手段と、
前記第１熱交換器の損失係数を有し、該損失係数と前記差圧計測手段から出力された差圧とに基づいて、前記第１熱交換器における前記熱媒の流量を算出する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記熱媒の流量を用いて制御を行うとともに、該熱媒の流量を設備側の装置に送信し、
前記ターボ圧縮機の消費動力と、前記第１熱交換器の交換熱量と、前記第２熱交換器の交換熱量との関係を表した関係式に、現在の前記ターボ圧縮機の消費動力と前記第２熱交換器の交換熱量とを代入することにより、前記第１熱交換器の取り得る交換熱量を求め、該第１熱交換器の取り得る交換熱量から前記第１熱交換器における前記熱媒の取り得る流量範囲を決定し、演算により求めた前記熱媒の流量が前記熱媒の流量範囲を超えていた場合に、前記熱媒の流量範囲に基づいて前記熱媒の流量を決定し、この値を前記設備側装置へ送信するヒートポンプ。
前記制御手段は、前記第１熱交換器における前記熱媒の保有量による前記出口側圧力の計測時間遅れに依存する補正項を求め、前記補正項を用いて前記熱媒の流量を補正する請求項１に記載のヒートポンプ。
外部負荷から流入する熱媒を冷却または加熱する第１熱交換器と、外気または冷却水と熱交換を行う第２熱交換器と、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で冷媒を循環される冷媒循環路と、該冷媒循環路に設けられたターボ圧縮機とを備えたヒートポンプの熱媒流量演算方法であって、
前記第１熱交換器の前記熱媒の流入出入口に、入口側圧力と出口側圧力との差圧を計測する差圧計測手段を設け、
前記第１熱交換器の損失係数と前記差圧計測手段から出力された差圧とに基づいて、前記第１熱交換器における前記熱媒の流量を算出し、
前記熱媒の流量を用いて制御を行うとともに、該熱媒の流量を設備側の装置に送信し、
前記ターボ圧縮機の消費動力と、前記第１熱交換器の交換熱量と、前記第２熱交換器の交換熱量との関係を表した関係式に、現在の前記ターボ圧縮機の消費動力と前記第２熱交換器の交換熱量とを代入することにより、前記第１熱交換器の取り得る交換熱量を求め、該第１熱交換器の取り得る交換熱量から前記第１熱交換器における前記熱媒の取り得る流量範囲を決定し、演算により求めた前記熱媒の流量が前記熱媒の流量範囲を超えていた場合に、前記熱媒の流量範囲に基づいて前記熱媒の流量を決定し、この値を前記設備側装置へ送信するヒートポンプの熱媒流量演算方法。