JP6072682B2 - Heat pump system - Google Patents
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Description
本発明は、ヒート・ポンプ・システムに関する。一実施例では、本発明は、水を加熱する際に使用するヒート・ポンプ・システムに関する。 The present invention relates to a heat pump system. In one embodiment, the present invention relates to a heat pump system for use in heating water.
温水貯蔵槽に関する安全標準／規格は、家庭用貯水槽中の水の温度が水中での有害な細菌の成長を根絶又は防止するのに望ましい温度よりも高いことを要求している。ニュージーランドでは、要求される温度は、レジオネラ菌などの細菌を根絶するために少なくとも６０℃である。 Safety standards / standards for hot water storage tanks require that the temperature of the water in the domestic water tank be higher than desired to eradicate or prevent the growth of harmful bacteria in the water. In New Zealand, the required temperature is at least 60 ° C. to eradicate bacteria such as Legionella.
温水ヒート・ポンプ・システムは作動流体を使用して、熱源（周囲空気）から熱エネルギーを集めそのエネルギーを温水槽に伝達する。作動流体は閉じた循環路中を循環し、循環路中を循環する作動流体に熱エネルギーが伝達される。圧縮機が作動流体の圧力を上げて、作動流体の内部エネルギーを高める。高圧作動流体は、熱交換器を使用して作動流体のエネルギーを水に伝達する。熱交換器からの作動流体は、次にエキスパンダに送られる。作動流体は循環して熱源に戻り、このサイクルが続く。 A hot water heat pump system uses a working fluid to collect thermal energy from a heat source (ambient air) and transfer the energy to a hot water tank. The working fluid circulates in the closed circulation path, and heat energy is transmitted to the working fluid circulating in the circulation path. The compressor increases the pressure of the working fluid to increase the internal energy of the working fluid. The high pressure working fluid uses a heat exchanger to transfer the energy of the working fluid to the water. The working fluid from the heat exchanger is then sent to the expander. The working fluid circulates back to the heat source and this cycle continues.
Ｒ２２冷却剤は、冷却循環路で使用される作動流体の実例である。Ｒ２２冷却剤は、性能特性があまり高くなく、環境に有害なオゾン層破壊冷却剤である。 R22 coolant is an example of a working fluid used in a cooling circuit. R22 coolant is an ozone depleting coolant that does not have very high performance characteristics and is harmful to the environment.
Ｒ４１０ａ冷却剤は、Ｒ２２に取って代わり、地球温暖化係数がゼロ且つ低コスト高信頼性高効率の非飲料温水ヒート・ポンプ用途に関してしっかりした実績のある非オゾン層破壊作動流体である。Ｒ４１０ａ冷却剤は、高密度、優れた表面熱伝達率及び高蒸発エンタルピーのために改善された熱伝達率の形で高効率を示す。 R410a coolant replaces R22 and is a well-proven non-ozone depleting working fluid for zero-global warming potential, low cost, reliable and efficient non-drinking hot water heat pump applications. The R410a coolant exhibits high efficiency in the form of improved heat transfer rate due to high density, excellent surface heat transfer rate and high evaporation enthalpy.
Ｒ４１０ａ冷却剤を使用する循環路は、Ｒ２２及び他の同様な冷却剤を使用する循環路に比べて、より小容量の圧縮機、より小さな熱交換器、及びより小さな配管寸法を必要とする。これらの特徴は、広い範囲の周囲温度にわたって高い性能係数（ＣＯＰ）を発揮できる小型設備をもたらすことができる。Ｒ４１０ａ冷却剤を使用する循環路は、凝縮器温度が５５℃に限定されるとき５以上のＣＯＰ値をもたらすことができる。 A circuit using R410a coolant requires a smaller capacity compressor, a smaller heat exchanger, and smaller piping dimensions than a circuit using R22 and other similar coolants. These features can result in small equipment that can exhibit a high coefficient of performance (COP) over a wide range of ambient temperatures. A circuit using R410a coolant can provide a COP value of 5 or higher when the condenser temperature is limited to 55 ° C.
熱源の周囲温度が低いとき、普通Ｒ４１０ａ冷却剤に関連する高ＣＯＰ値は、５５℃を超えるＲ４１０ａ冷却剤の凝縮温度で達成可能でない。Ｒ４１０ａ冷却剤は、７２．１℃という低臨界温度を有する。この臨界温度に近いＲ４１０ａ冷却剤の凝縮温度では、例えば６５℃では、蒸発エンタルピーが減少し、過熱（感知可能な温度上昇）のレベルが高くなる。これらの条件の下では、吐出温度は高く、さらに圧力比が大きくなり過ぎて、高電力消費及び圧縮機効率の低下をもたらす。 When the ambient temperature of the heat source is low, the high COP values normally associated with R410a coolant are not achievable with R410a coolant condensation temperatures above 55 ° C. R410a coolant has a low critical temperature of 72.1 ° C. At the condensation temperature of the R410a coolant close to this critical temperature, for example, at 65 ° C., the evaporation enthalpy decreases and the level of overheating (detectable temperature rise) increases. Under these conditions, the discharge temperature is high and the pressure ratio becomes too high, resulting in high power consumption and reduced compressor efficiency.
Ｒ１３４ａ冷却剤は、別の非オゾン層破壊作動流体である。Ｒ１３４ａ冷却剤は、Ｒ４１０ａ冷却剤で可能な高ＣＯＰ値を示さない。しかし、Ｒ１３４ａ冷却剤は、臨界温度が１０１．２℃であり、性能を損なうことなくほぼ７０℃のより高い凝縮温度に対応することができる。 R134a coolant is another non-ozone depleting working fluid. R134a coolant does not exhibit the high COP values possible with R410a coolant. However, the R134a coolant has a critical temperature of 101.2 ° C. and can accommodate a higher condensation temperature of approximately 70 ° C. without compromising performance.
いくつかの既存の温水ヒート・ポンプ・システムは、完全な縦続接続構成で２つの作動流体循環路を使用する。第１の作動流体循環路は、熱源からエネルギーを集める。第１の作動流体循環路からの熱は、第２の作動流体循環路に直接伝達される。第２の作動流体循環路からの熱は、水が循環し且つ水貯蔵槽と連絡している負荷循環路に直接伝達される。既存の縦続接続システムは、低周囲温度条件に関して、単一リフト・システムよりも改善されたＣＯＰを実現する。縦続接続システムは、普通、第１の循環路で直接水を加熱しない。さらに、縦続接続システムは、ＣＯＰを最適化するために必要なＲ４１０ａ冷却剤に対して望ましいレベルのサブクーリングを行わない。 Some existing hot water heat pump systems use two working fluid circuits in a complete cascade configuration. The first working fluid circuit collects energy from a heat source. Heat from the first working fluid circuit is transferred directly to the second working fluid circuit. Heat from the second working fluid circuit is transferred directly to a load circuit through which water circulates and communicates with the water storage tank. Existing cascaded systems provide improved COP over single lift systems for low ambient temperature conditions. Cascaded systems usually do not heat water directly in the first circuit. Furthermore, the cascade system does not provide the desired level of subcooling for the R410a coolant needed to optimize the COP.
特許明細書、他の外部文献、又は他の情報源を参照しているこの明細書では、これは、概して本発明の特徴を論ずるための背景を提供するためのものである。別段特に述べられていない限り、そのような外部文献又はそのような情報源に対する参照は、そのような文献又はそのような情報源が、どの管轄区域でも、当技術分野において先行技術である、又は一般常識の一部を形成することを認めるものとして解釈されるべきでない。 In this specification, which references patent specifications, other external literature, or other sources of information, this is generally to provide a background for discussing features of the present invention. Unless otherwise stated, references to such external documents or such information sources are prior art in the art, such documents or such information sources, in any jurisdiction, or It should not be construed as an admission that it forms part of common sense.
本発明の少なくとも好ましい実施例の目的は、先に概説された問題の少なくとも一つに対処するシステムを提供することであり、又は有用な代替物を公衆に少なくとも提供することである。 An object of at least a preferred embodiment of the present invention is to provide a system that addresses at least one of the problems outlined above, or at least to provide a useful alternative to the public.
本発明の第１の態様によれば、負荷の温度を少なくとも所望温度に高めるためのヒート・ポンプ・システムが提供され、本システムは、
熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成された第１の作動流体循環路であって、負荷の温度が中間温度よりも低い場合に、それの熱エネルギーのいくらかを負荷に直接伝達して負荷の温度を少なくとも中間温度に高めるように構成された第１の作動流体循環路と、
第１の作動流体循環路から前記熱エネルギーのいくらかを直接受け取るように構成された第２の作動流体循環路であって、負荷の温度が所望温度よりも低い場合に、それの熱エネルギーのいくらかを負荷に直接伝達して負荷の温度を中間温度から少なくとも所望温度に高めるように構成された第２の作動流体循環路と
を備える。
According to a first aspect of the invention, there is provided a heat pump system for raising the temperature of a load to at least a desired temperature, the system comprising:
A first working fluid circuit configured to receive thermal energy from a thermal energy source, wherein when the temperature of the load is lower than an intermediate temperature, some of the thermal energy is directly transferred to the load A first working fluid circuit configured to raise the temperature of at least to an intermediate temperature;
A second working fluid circuit configured to directly receive some of the thermal energy from the first working fluid circuit, and if the temperature of the load is lower than the desired temperature, some of the thermal energy thereof And a second working fluid circuit configured to increase the temperature of the load from an intermediate temperature to at least a desired temperature.
この明細書で使用されるような「備える」という用語は、「少なくとも一部が〜で構成される」ことを意味する。言い換えると、「備える」を含むこの明細書の陳述を解釈するとき、各陳述においてこの用語によって始められる特徴は全て存在する必要があるが、他の特徴も存在し得る。「備える」及び「備えられた」のような関連用語は、同様に解釈されるべきである。 The term “comprising” as used herein means “at least partially composed of”. In other words, when interpreting the statements of this specification that include “comprising”, all features that are initiated by the term in each statement must be present, but other features may also be present. Related terms such as “comprising” and “provided” should be interpreted similarly.
本システムは、第１の作動流体循環路から負荷に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第１の熱交換器を備えることがある。好ましくは、本システムは、さらに、第１の作動流体循環路から第２の作動流体循環路に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第２の熱交換器を備える。好ましくは、本システムは、さらに、第２の作動流体循環路から負荷に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第３の熱交換器を備える。 The system may comprise a first heat exchanger configured to directly transfer thermal energy from the first working fluid circuit to the load. Preferably, the system further comprises a second heat exchanger configured to directly transfer thermal energy from the first working fluid circuit to the second working fluid circuit. Preferably, the system further comprises a third heat exchanger configured to directly transfer thermal energy from the second working fluid circuit to the load.
一実施例では、第１の作動流体循環路は、少なくとも中間温度まで、第１の熱交換器中の負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する作動流体を含む。好ましくは、第２の作動流体循環路は、少なくとも所望温度まで、第３の熱交換器中の負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する作動流体を含む。好ましくは、第１の作動流体循環路中の作動流体は、Ｒ４１０ａ冷却剤、Ｒ４０７冷却剤、Ｒ４３８冷却剤、又はＭ０９９冷却剤のいずれか１つである。好ましくは、第２の作動流体循環路中の作動流体は、Ｒ１３４ａ冷却剤、Ｒ６００冷却剤、又はＣＯ２のいずれか１つである。任意の他の適切な冷却剤を使用することができる。第１の作動流体循環路で使用される作動流体と第２の作動流体循環路で使用される作動流体が同じであることがある。 In one embodiment, the first working fluid circuit includes a working fluid having a coefficient of performance that is substantially stable at the temperature of the load in the first heat exchanger, at least to an intermediate temperature. Preferably, the second working fluid circuit includes a working fluid having a coefficient of performance that is substantially stable at the temperature of the load in the third heat exchanger, at least to the desired temperature. Preferably, the working fluid in the first working fluid circuit is any one of R410a coolant, R407 coolant, R438 coolant, or M099 coolant. Preferably, the working fluid of the second working fluid circulation path is R134a coolant R600 coolant, or any one of CO 2. Any other suitable coolant can be used. The working fluid used in the first working fluid circuit and the working fluid used in the second working fluid circuit may be the same.
好ましくは、第１の作動流体循環路は、外部熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成されている。好ましくは、外部熱エネルギー源は、周囲空気である。好ましくは、第１の作動流体循環路は、周囲空気から熱エネルギーを集める屋外インバータ・ユニットと連絡しているか、この屋外インバータ・ユニットを備えることがある。好ましくは、第１の作動流体循環路は、大地熱源屋外ユニットと連絡していることがあり、又は大地熱源屋外ユニットを備えることがある。 Preferably, the first working fluid circuit is configured to receive thermal energy from an external thermal energy source. Preferably, the external thermal energy source is ambient air. Preferably, the first working fluid circuit is in communication with or may comprise an outdoor inverter unit that collects thermal energy from ambient air. Preferably, the first working fluid circuit may be in communication with a ground source outdoor unit or may comprise a ground source outdoor unit.
好ましくは、第１の作動流体循環路は、負荷と熱エネルギーを直接交換する前に、第２の作動流体循環路と熱エネルギーを直接交換するように構成される。代わりに、第１の作動流体循環路は、第２の作動流体循環路と熱エネルギーを直接交換する前に、負荷と熱エネルギーを直接交換するように構成される。好ましくは、第１の作動流体循環路は、それの熱エネルギーの大部分を負荷と直接交換し、さらにそれの熱エネルギーのより少ない部分を第２の作動流体循環路と直接交換するように構成される。 Preferably, the first working fluid circuit is configured to directly exchange heat energy with the second working fluid circuit before directly exchanging heat with the load. Instead, the first working fluid circuit is configured to directly exchange heat with the load before directly exchanging heat energy with the second working fluid circuit. Preferably, the first working fluid circuit is configured to exchange most of its thermal energy directly with the load and further exchange less of its heat energy directly with the second working fluid circuit. Is done.
一実施例では、本システムは、加熱されるべき負荷流体を循環させるための負荷循環路を備える。好ましくは、負荷循環路は、加熱された負荷流体を貯蔵する流体貯蔵槽と連絡しているか、この流体貯蔵槽を備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、負荷を循環させる１つ又は複数の家庭用及び／又は軽商業用暖房素子又は設備と連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、家庭用高温ラジエータと連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、約６５から８０℃の温度を必要とする軽工業プロセス用途で使用される。工業プロセス用途の実例には、グリース、レジン、接着剤及び同様なものの製造がある。好ましくは、負荷流体は、単一リフトを使用して効率的に実現できるよりも高い温度に加熱する必要がある任意の流体である。好ましくは、負荷流体は、飲料水などの水である。 In one embodiment, the system includes a load circuit for circulating a load fluid to be heated. Preferably, the load circuit is in communication with or comprises a fluid reservoir that stores the heated load fluid. Additionally or alternatively, the load circuit is in communication with or comprises one or more home and / or light commercial heating elements or equipment that circulates the load. In addition, or alternatively, the load circuit is in communication with or provided with a domestic hot radiator. In addition, or alternatively, load circuits are used in light industrial process applications that require temperatures of about 65 to 80 ° C. Examples of industrial process applications include the production of greases, resins, adhesives and the like. Preferably, the load fluid is any fluid that needs to be heated to a higher temperature than can be efficiently achieved using a single lift. Preferably, the load fluid is water such as drinking water.
一実施例では、負荷循環路は、負荷循環路中の負荷流体の温度を制御するのを助けるように負荷循環路中の負荷流体の流量を制御するポンプを備える。 In one embodiment, the load circuit comprises a pump that controls the flow rate of the load fluid in the load circuit to help control the temperature of the load fluid in the load circuit.
好ましくは、ポンプは、負荷流体が第１の熱交換器を通過する前に置かれて、第１及び第３の熱交換器を通過する負荷流体の流量を制御する。 Preferably, the pump is placed before the load fluid passes through the first heat exchanger to control the flow rate of the load fluid through the first and third heat exchangers.
一実施例では、負荷循環路は、第１の作動流体循環路中の作動流体をサブクール状態にするように構成されている。一実施例では、負荷循環路は、第２の作動流体循環路中の作動流体を過熱低減し、凝縮し、さらにサブクール状態にするように構成されている。一実施例では、第２の作動流体循環路は、第２の作動流体循環路中の作動流体から負荷循環路中の負荷流体に熱エネルギーを伝達することによって冷却されるように構成された作動流体圧縮機を備える。この圧縮機は、固定速度圧縮機又は可変速度圧縮機であることがある。好ましくは、負荷流体が第１の熱交換器を通って流れる前に負荷流体が流れるように適合された例えば銅管などの熱伝達コイル又は冷却ジャケットが、第２の作動流体循環路の圧縮機の周りに巻かれる。 In one embodiment, the load circuit is configured to place the working fluid in the first working fluid circuit in a subcooled state. In one embodiment, the load circuit is configured to reduce overheating, condense, and further subcool the working fluid in the second working fluid circuit. In one embodiment, the second working fluid circuit is configured to be cooled by transferring thermal energy from the working fluid in the second working fluid circuit to the load fluid in the load circuit. A fluid compressor is provided. The compressor may be a fixed speed compressor or a variable speed compressor. Preferably, a heat transfer coil or cooling jacket, such as a copper tube, adapted to allow the load fluid to flow before the load fluid flows through the first heat exchanger is a compressor in the second working fluid circuit. Wrapped around.
一実施例では、第２の作動流体循環路は、第２の作動流体循環路を最適化するように調節可能な作動流体エキスパンダを備える。好ましくは、エキスパンダは、第２の作動流体循環路を最適化するように調節可能な線形膨張弁（ＬＥＶ）である。代わりに、エキスパンダは、毛細管である。 In one embodiment, the second working fluid circuit comprises a working fluid expander that is adjustable to optimize the second working fluid circuit. Preferably, the expander is a linear expansion valve (LEV) adjustable to optimize the second working fluid circuit. Instead, the expander is a capillary.
一実施例では、負荷循環路は、加熱された負荷流体を貯蔵するための流体貯蔵槽と連絡しているか、又はこの流体貯蔵槽を備え、さらに、本システムは、負荷流体が第１の熱交換器を通過する前の負荷流体温度、負荷流体が第１の熱交換器を通過した後の負荷流体温度、及び負荷流体が第３の熱交換器を通過した後の負荷流体温度を監視し、流体貯蔵槽中の負荷流体がいつ十分に加熱されたかを判定するように構成されている。好ましくは、本システムは、負荷流体温度に基づいて第１及び／又は第２の作動流体循環路の圧縮機及び／又はエキスパンダを制御するように構成されている。好ましくは、負荷循環路は、流体ポンプを止める前に、熱交換器及び負荷循環路中の加熱された負荷流体が流体貯蔵槽の中に移されるように動作するように構成された流体ポンプを備えて、加熱された負荷流体の損失量を最小限にする。 In one embodiment, the load circuit is in communication with or comprises a fluid reservoir for storing heated load fluid, and the system further includes the load fluid being a first heat reservoir. Monitor the load fluid temperature before passing through the exchanger, the load fluid temperature after the load fluid passes through the first heat exchanger, and the load fluid temperature after the load fluid passes through the third heat exchanger. , Configured to determine when the load fluid in the fluid reservoir is sufficiently heated. Preferably, the system is configured to control the compressor and / or expander of the first and / or second working fluid circuit based on the load fluid temperature. Preferably, the load circuit includes a fluid pump configured to operate such that the heated load fluid in the heat exchanger and the load circuit is transferred into the fluid reservoir before stopping the fluid pump. In order to minimize the amount of loss of heated load fluid.
流体貯蔵槽中の負荷流体は、比較的高温の別個の上部領域と比較的低温のより冷たい負荷流体の下部領域とを含んだ水温躍層を形成して層状になっていることがある。好ましくは、本システムは、流体貯蔵槽の少なくとも上部領域中の負荷流体を所望温度以上に維持するように構成され、さらに、流体貯蔵槽の下部領域からより冷たい負荷流体を取り出し、そのより冷たい負荷流体を負荷流体循環路に沿って循環させて、そのより冷たい負荷流体を少なくとも所望温度に上昇させ、さらに、その加熱された負荷流体を流体貯蔵槽の上部領域に戻すように構成されている。好ましくは、本システムは、より冷たい流体が流体貯蔵槽から取り出されるときに流体貯蔵槽内に層化を実質的に維持するように構成されている。 The load fluid in the fluid reservoir may be stratified by forming a water climatic layer that includes a relatively hot separate upper region and a cooler lower load fluid lower region. Preferably, the system is configured to maintain the load fluid in at least the upper region of the fluid reservoir above a desired temperature, and further removes the cooler load fluid from the lower region of the fluid reservoir and the cooler load. A fluid is circulated along the load fluid circuit to raise the cooler load fluid to at least a desired temperature and to return the heated load fluid to the upper region of the fluid reservoir. Preferably, the system is configured to substantially maintain stratification within the fluid reservoir as the cooler fluid is removed from the fluid reservoir.
好ましくは、本システムは、流体貯蔵槽の上部領域と連絡した負荷流体供給出口を備える。好ましくは、本システムは、流体貯蔵槽の下部領域と連絡した負荷流体供給入口を備える。好ましくは、本システムは、流体貯蔵槽内に層化を維持しさらに流体貯蔵槽中の温水と冷水の混合／攪拌を最小限にする、又は防止するように適合された、負荷流体供給入口に位置付けされたディフューザを備える。 Preferably, the system comprises a load fluid supply outlet in communication with the upper region of the fluid reservoir. Preferably, the system comprises a load fluid supply inlet in communication with the lower region of the fluid reservoir. Preferably, the system includes a load fluid supply inlet adapted to maintain stratification in the fluid reservoir and to minimize or prevent mixing / stirring of hot and cold water in the fluid reservoir. With a diffuser positioned.
一実施例では、本システムは、さらに、負荷循環路と交換される熱を制御する制御装置を備える。好ましくは、制御装置は、屋外インバータ・ユニットの制御ユニットと連絡するように適合されている。好ましくは、負荷循環路は、第１の作動流体循環路から熱を受け取る前の負荷の温度、第１の作動流体循環路から熱を受け取った後の温度、及び第２の作動流体循環路から熱を受け取った後の温度を監視する３つの温度センサを備え、３つのセンサは全て制御装置と連絡している。好ましくは、本システムは、流体貯蔵槽中の流体の量を決定する流体貯蔵槽センサを備え、この流体貯蔵槽センサは制御装置と連絡している。好ましくは、本システムは、制御装置と連絡している屋外温度センサを備える。好ましくは、本システムは、負荷循環路のポンプを制御しそれによって負荷循環路中の流量を制御する電子可変速度制御回路を備え、この速度回路は制御装置と連絡している。好ましくは、本システムは、制御装置と連絡して第２の作動流体循環路の圧縮機をオン／オフするための電源継電器を備える。 In one embodiment, the system further comprises a controller that controls the heat exchanged with the load circuit. Preferably, the control device is adapted to communicate with the control unit of the outdoor inverter unit. Preferably, the load circuit is the temperature of the load before receiving heat from the first working fluid circuit, the temperature after receiving heat from the first working fluid circuit, and the second working fluid circuit. With three temperature sensors that monitor the temperature after receiving heat, all three sensors are in communication with the controller. Preferably, the system includes a fluid reservoir sensor that determines the amount of fluid in the fluid reservoir, the fluid reservoir sensor being in communication with the controller. Preferably, the system includes an outdoor temperature sensor in communication with the controller. Preferably, the system includes an electronic variable speed control circuit that controls the pump in the load circuit and thereby controls the flow rate in the load circuit, the speed circuit being in communication with the controller. Preferably, the system includes a power relay for communicating with the controller to turn on / off the compressor of the second working fluid circuit.
好ましくは、本システムは、制御装置と連絡して第１の作動流体循環路と通信する互換電子インタフェースを備える。好ましくは、本システムは、カスタマー・フィードバックの付いた７日タイマを備え、このタイマは制御装置と連絡している。好ましくは、本システムは、制御装置と連絡しているスマート電力制御インタフェースを備える。好ましくは、本システムは、制御装置と連絡しているスマート家庭制御用外部ＬＡＮインタフェースを備える。 Preferably, the system includes a compatible electronic interface in communication with the controller and in communication with the first working fluid circuit. Preferably, the system includes a 7 day timer with customer feedback, which is in communication with the controller. Preferably, the system comprises a smart power control interface in communication with the controller. Preferably, the system comprises an external LAN interface for smart home control in communication with the control device.
本発明の第２の態様によれば、負荷の温度を所望温度に高めるヒート・ポンプ・システムで使用される装置が提供され、本装置は熱エネルギー源から熱エネルギーを集めるように構成された既存の熱交換器に動作可能に接続可能であり、本装置は、
負荷の温度が中間温度よりも低い場合に、既存の熱交換器によって集められたいくらかの熱エネルギーを受け取り、負荷に熱エネルギーを直接伝達して、負荷の温度を中間温度に高めるように構成された第１の熱交換器と、
既存の熱交換器によって集められたいくらかの熱エネルギーを受け取るように構成された第２の熱交換器と、
負荷の温度が所望温度よりも低い場合に、第２の熱交換器によって集められた熱エネルギーを受け取り、負荷に熱エネルギーを直接伝達して、負荷の温度を中間温度から少なくとも所望温度に高めるように構成された第３の熱交換器と
を備える。
According to a second aspect of the present invention, there is provided an apparatus for use in a heat pump system that raises the temperature of a load to a desired temperature, the apparatus being configured to collect thermal energy from a thermal energy source. Can be operably connected to the heat exchanger of the
It is configured to receive some thermal energy collected by existing heat exchangers and transfer heat energy directly to the load to raise the load temperature to the intermediate temperature when the load temperature is lower than the intermediate temperature. A first heat exchanger;
A second heat exchanger configured to receive some heat energy collected by the existing heat exchanger;
When the temperature of the load is lower than the desired temperature, the thermal energy collected by the second heat exchanger is received and transferred directly to the load to increase the temperature of the load from the intermediate temperature to at least the desired temperature And a third heat exchanger.
一実施例では、本装置は、加熱されるべき負荷流体を循環させるための負荷循環路を備える。好ましくは、負荷循環路は、加熱された負荷流体を貯蔵する流体貯蔵槽と連絡しているか、この流体貯蔵槽を備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、負荷を循環させる１つ又は複数の家庭用及び／又は軽商業用暖房素子又は設備と連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、家庭用高温ラジエータと連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、約６０から８０℃の温度を必要とする軽工業プロセス用途で使用される。工業プロセス用途の実例には、グリース、レジン、接着剤及び同様なものの製造がある。好ましくは、負荷流体は、ただ１つの冷却剤段階を使用する単一リフト・サイクルを使用して効率的に実現できるよりも高い温度に加熱する必要がある任意の流体である。好ましくは、負荷流体は、飲料水などの水である。好ましくは、本装置は、さらに、負荷循環ポンプを備えて、負荷循環路中の負荷流体の温度を制御するのを助けるように負荷循環路中の負荷流体の流量を制御する。 In one embodiment, the apparatus comprises a load circuit for circulating a load fluid to be heated. Preferably, the load circuit is in communication with or comprises a fluid reservoir that stores the heated load fluid. Additionally or alternatively, the load circuit is in communication with or comprises one or more home and / or light commercial heating elements or equipment that circulates the load. In addition, or alternatively, the load circuit is in communication with or provided with a domestic hot radiator. In addition, or alternatively, load circuits are used in light industrial process applications that require temperatures of about 60 to 80 ° C. Examples of industrial process applications include the production of greases, resins, adhesives and the like. Preferably, the load fluid is any fluid that needs to be heated to a higher temperature than can be efficiently achieved using a single lift cycle using only one coolant stage. Preferably, the load fluid is water such as drinking water. Preferably, the apparatus further comprises a load circulation pump to control the flow rate of the load fluid in the load circuit to help control the temperature of the load fluid in the load circuit.
好ましい実施例では、既存の熱交換器、第１の熱交換器及び第２の熱交換器は、第１の作動流体循環路の構成要素である。好ましくは、第１の作動流体循環路は、少なくとも中間温度までの、第１の熱交換器中の負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する第１の作動流体を含む。好ましくは、第１の作動流体循環路中の作動流体は、Ｒ４１０ａ冷却剤、Ｒ４０７冷却剤、Ｒ４３８冷却剤、又はＭ０９９冷却剤のいずれか１つである。任意の他の適切な冷却剤を使用することができる。 In a preferred embodiment, the existing heat exchanger, the first heat exchanger, and the second heat exchanger are components of the first working fluid circuit. Preferably, the first working fluid circuit includes a first working fluid having a performance factor that is substantially stable at the temperature of the load in the first heat exchanger, at least up to an intermediate temperature. Preferably, the working fluid in the first working fluid circuit is any one of R410a coolant, R407 coolant, R438 coolant, or M099 coolant. Any other suitable coolant can be used.
好ましい実施例では、第２の熱交換器及び第３の熱交換器は、第２の作動流体循環路の構成要素である。好ましくは、第２の作動流体循環路は、少なくとも所望温度までの、第３の熱交換器中の負荷の温度で実質的に安定な性能係数を有する第２の作動流体を含む。好ましくは、第２の作動流体循環路で使用される作動流体は、Ｒ１３４ａ冷却剤、Ｒ６００冷却剤、又はＣＯ２のいずれか１つである。任意の他の適切な冷却剤を使用することができる。好ましくは、第２の作動流体循環路は、高温循環路を最適化するように調節可能なエキスパンダを備える。好ましくは、エキスパンダは、第２の作動流体循環路を最適化するように調節可能な線形膨張弁（ＬＥＶ）である。代わりに、エキスパンダは毛細管である。一実施例では、第２の作動流体循環路は、第２の作動流体循環路中の作動流体から負荷循環路中の負荷流体に熱エネルギーを伝達することによって冷却される作動流体圧縮機を備える。好ましくは、圧縮機は、固定速度圧縮機である。代わりに、圧縮機は、可変速度圧縮機である。好ましくは、負荷流体が第１の熱交換器を通って流れる前に流れるように適合された銅管などの熱伝達コイルが、第２の作動流体循環路の圧縮機の周りに巻かれる。 In a preferred embodiment, the second heat exchanger and the third heat exchanger are components of the second working fluid circuit. Preferably, the second working fluid circuit includes a second working fluid having a coefficient of performance that is substantially stable at the temperature of the load in the third heat exchanger, at least up to the desired temperature. Preferably, the working fluid used in the second working fluid circuit is any one of R134a coolant, R600 coolant, or CO 2 . Any other suitable coolant can be used. Preferably, the second working fluid circuit comprises an expander that can be adjusted to optimize the hot circuit. Preferably, the expander is a linear expansion valve (LEV) adjustable to optimize the second working fluid circuit. Instead, the expander is a capillary. In one embodiment, the second working fluid circuit comprises a working fluid compressor that is cooled by transferring thermal energy from the working fluid in the second working fluid circuit to the load fluid in the load circuit. . Preferably, the compressor is a fixed speed compressor. Instead, the compressor is a variable speed compressor. Preferably, a heat transfer coil such as a copper tube adapted to flow before the load fluid flows through the first heat exchanger is wound around the compressor of the second working fluid circuit.
好ましくは、本装置は、負荷流体温度に基づいて第１及び／又は第２の作動流体循環路の圧縮機及び／又はエキスパンダを制御するように構成される。 Preferably, the apparatus is configured to control the compressor and / or expander of the first and / or second working fluid circuit based on the load fluid temperature.
好ましくは、第２の態様の装置は、既存の空気−空気ヒート・ポンプ・システムに組込み可能である。 Preferably, the apparatus of the second aspect can be incorporated into an existing air-air heat pump system.
第２の態様の装置は、先に第１の態様に関連して概説されたどれか１つ又は複数の特徴を有することがある。 The apparatus of the second aspect may have any one or more features outlined above in relation to the first aspect.
本発明の第３の態様によれば、ヒート・ポンプ・システム内で負荷流体の温度を所望温度に調節する方法が提供され、ヒート・ポンプ・システムは、熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成された第１の作動流体循環路と、第１の作動流体循環路から前記熱エネルギーのいくらかを直接受け取るように構成された第２の作動流体循環路と、第１の作動流体循環路及び／又は第２の作動流体循環路から熱エネルギーを直接受け取るように構成された負荷循環路とを備え、本方法は、
負荷流体の温度を測定するステップと、
負荷流体の温度を所望温度に調節するために、測定された温度に少なくとも部分的に基づいて負荷循環路内の負荷流体の流量を調節して、第１の作動流体循環路及び／又は第２の作動流体循環路から負荷流体に伝達される熱エネルギーを調節するステップと
を含む。
According to a third aspect of the present invention, a method for adjusting the temperature of a load fluid to a desired temperature within a heat pump system is provided, wherein the heat pump system receives thermal energy from a thermal energy source. A first working fluid circuit configured, a second working fluid circuit configured to directly receive some of the thermal energy from the first working fluid circuit, a first working fluid circuit, and And / or a load circuit configured to receive thermal energy directly from the second working fluid circuit,
Measuring the temperature of the load fluid;
In order to adjust the temperature of the load fluid to a desired temperature, the flow rate of the load fluid in the load circuit is adjusted based at least in part on the measured temperature, and the first working fluid circuit and / or the second Adjusting the thermal energy transferred from the working fluid circuit to the load fluid.
一実施例では、負荷は、負荷循環路中を循環する負荷流体を含む。好ましくは、負荷循環路は、加熱された負荷流体を貯蔵する流体貯蔵槽と連絡している。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、負荷を循環させる１つ又は複数の家庭用及び／又は軽商業用暖房素子と連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、家庭用高温ラジエータと連絡しているか、これを備える。それに加えて、又は代替として、負荷循環路は、約６０から８０℃の温度を必要とする軽工業プロセス用途で使用される。工業プロセス用途の実例には、グリース、レジン、接着剤及び同様なものの製造がある。好ましくは、負荷流体は、単一リフトを使用して効率的に実現できるよりも高い温度で加熱する必要がある任意の流体である。好ましくは、負荷流体は、飲料水などの水である。 In one embodiment, the load includes a load fluid that circulates in a load circuit. Preferably, the load circuit is in communication with a fluid reservoir that stores the heated load fluid. In addition or alternatively, the load circuit is in communication with or comprises one or more household and / or light commercial heating elements that circulate the load. In addition, or alternatively, the load circuit is in communication with or provided with a domestic hot radiator. In addition, or alternatively, load circuits are used in light industrial process applications that require temperatures of about 60 to 80 ° C. Examples of industrial process applications include the production of greases, resins, adhesives and the like. Preferably, the load fluid is any fluid that needs to be heated at a higher temperature than can be efficiently achieved using a single lift. Preferably, the load fluid is water such as drinking water.
本システムは、第１の作動流体循環路から負荷流体に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第１の熱交換器を備えることがある。好ましくは、本システムは、さらに、第１の作動流体循環路から第２の作動流体循環路に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第２の熱交換器を備える。好ましくは、本システムは、第２の作動流体循環路から負荷流体に熱エネルギーを直接伝達するように構成された第３の熱交換器を備える。 The system may comprise a first heat exchanger configured to directly transfer thermal energy from the first working fluid circuit to the load fluid. Preferably, the system further comprises a second heat exchanger configured to directly transfer thermal energy from the first working fluid circuit to the second working fluid circuit. Preferably, the system comprises a third heat exchanger configured to directly transfer thermal energy from the second working fluid circuit to the load fluid.
好ましくは、負荷循環路は流体ポンプを備え、本方法は、流体ポンプを調節して負荷流体の流量を調節するステップを含む。好ましくは、ポンプは、負荷流体が第１の熱交換器を通過する前に置かれ、第１及び第３の熱交換器を通過する負荷流体の流量を制御する。好ましくは、本方法は、流体ポンプを止める前に、第１及び第３の熱交換器及び負荷循環路中の加熱された負荷流体が流体貯蔵槽の中に移されるように流体ポンプを動かして、加熱された負荷流体の損失量を最小限にするステップを含む。 Preferably, the load circuit comprises a fluid pump, and the method includes adjusting the fluid pump to adjust the flow rate of the load fluid. Preferably, the pump is placed before the load fluid passes through the first heat exchanger and controls the flow rate of the load fluid through the first and third heat exchangers. Preferably, the method operates the fluid pump so that the heated load fluid in the first and third heat exchangers and the load circuit is transferred into the fluid reservoir before stopping the fluid pump. Minimizing the amount of loss of heated load fluid.
一実施例では、負荷流体の温度を測定するステップは、負荷が第１の熱交換器を通過する前の温度、負荷流体が第１の熱交換器を通過した後の温度、及び負荷流体が第３の熱交換器を通過した後の温度を測定するステップを含む。 In one embodiment, the step of measuring the temperature of the load fluid includes the temperature before the load passes through the first heat exchanger, the temperature after the load fluid passes through the first heat exchanger, and the load fluid Measuring the temperature after passing through the third heat exchanger.
好ましくは、本方法は、測定された温度が所望温度より高い場合に、第１及び第３の熱交換器を通過する負荷流体の流量を増やすステップを含む。好ましくは、本方法は、測定された温度が所望温度より低い場合に、第１及び第３の熱交換器を通過する負荷流体の流量を減らすステップを含む。 Preferably, the method includes increasing the flow rate of the load fluid passing through the first and third heat exchangers when the measured temperature is higher than the desired temperature. Preferably, the method includes reducing the flow rate of the load fluid passing through the first and third heat exchangers when the measured temperature is lower than the desired temperature.
本方法は、測定された温度が所望温度より低い場合に、第１及び第３の熱交換器を通過する負荷流体の流量をゼロから増やすステップを含むことがある。 The method may include increasing the flow rate of the load fluid passing through the first and third heat exchangers from zero when the measured temperature is lower than the desired temperature.
一実施例では、本方法は、さらに、測定された温度に少なくとも部分的に基づいて第１及び第２の作動流体循環路の圧縮機及び／又はエキスパンダを調節して、負荷流体の温度を調節するステップを含む。好ましくは、作動流体循環路の少なくとも１つのエキスパンダは、調節可能な線形膨張弁（ＬＥＶ）である。代わりに、作動流体循環路の少なくとも１つのエキスパンダは、毛細管である。 In one embodiment, the method further adjusts the compressor and / or expander of the first and second working fluid circuits based at least in part on the measured temperature to reduce the temperature of the load fluid. Adjusting step. Preferably, at least one expander of the working fluid circuit is an adjustable linear expansion valve (LEV). Instead, at least one expander of the working fluid circuit is a capillary tube.
流体貯蔵槽中の負荷流体は、比較的高温の別個の上部領域と比較的低温のより冷たい負荷流体の下部領域を含んだ水温躍層を形成して層状になっていることがある。好ましくは、負荷流体は、流体貯蔵槽の少なくとも上部領域で少なくとも所望温度に維持されており、さらに本方法は、流体貯蔵槽の下部領域からより冷たい負荷流体を取り出し、そのより冷たい負荷流体を負荷流体循環路に沿って循環させて、そのより冷たい負荷流体を少なくとも所望温度に上昇させるステップと、その加熱された負荷流体を流体貯蔵槽の上部領域に戻すステップとを含む。好ましくは、この層化は、より冷たい流体が流体貯蔵槽から取り出されるときに流体貯蔵槽中に維持されている。好ましくは、流体貯蔵槽内に層化を維持するために、及び流体貯蔵槽中での温水と冷水の混合／攪拌を最小限にする又は防止するために、ディフューザが設けられる。 The load fluid in the fluid reservoir may be stratified by forming a water climatic layer that includes a relatively hot separate upper region and a cooler colder load fluid lower region. Preferably, the load fluid is maintained at least at a desired temperature in at least the upper region of the fluid reservoir, and the method further removes the cooler load fluid from the lower region of the fluid reservoir and loads the cooler load fluid. Circulating along the fluid circuit to raise the cooler load fluid to at least a desired temperature and returning the heated load fluid to the upper region of the fluid reservoir. Preferably, this stratification is maintained in the fluid reservoir as the cooler fluid is removed from the fluid reservoir. Preferably, a diffuser is provided to maintain stratification within the fluid reservoir and to minimize or prevent mixing / stirring of hot and cold water in the fluid reservoir.
好ましくは、本方法は、制御装置によって実施される。 Preferably, the method is performed by a control device.
第３の態様は、先に第１又は第２の態様に関連して概説された特徴のどれか１つ又は複数を含むことがある。 The third aspect may include any one or more of the features outlined above in connection with the first or second aspect.
本発明の第４の態様によれば、プロセッサによって実行されたとき、ヒート・ポンプ・システム内で負荷流体の温度を所望温度に調節する方法をプロセッサに実施させるコンピュータ実行可能命令を格納しているコンピュータ読取り可能媒体が提供され、ヒート・ポンプ・システムは、熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成された第１の作動流体循環路と、第１の作動流体循環路から前記熱エネルギーのいくらかを直接受け取るように構成された第２の作動流体循環路と、第１の作動流体循環路及び／又は第２の作動流体循環路から熱エネルギーを直接受け取るように構成された負荷循環路とを備え、本方法は、
負荷流体の温度を測定するステップと、
負荷流体の温度を所望温度に調節するために、測定された温度に少なくとも部分的に基づいて負荷循環路内の負荷流体の流量を調節して、第１の作動流体循環路及び／又は第２の作動流体循環路から負荷流体に伝達される熱エネルギーを調節するステップと
を含む。
According to a fourth aspect of the present invention, computer-executable instructions are stored that, when executed by the processor, cause the processor to implement a method for adjusting the temperature of the load fluid to the desired temperature within the heat pump system. A computer readable medium is provided and the heat pump system includes a first working fluid circuit configured to receive thermal energy from a thermal energy source, and some of the thermal energy from the first working fluid circuit. A second working fluid circuit configured to directly receive the first working fluid circuit and / or a load circuit configured to receive thermal energy directly from the first working fluid circuit and / or the second working fluid circuit. The method comprises
Measuring the temperature of the load fluid;
In order to adjust the temperature of the load fluid to a desired temperature, the flow rate of the load fluid in the load circuit is adjusted based at least in part on the measured temperature, and the first working fluid circuit and / or the second Adjusting the thermal energy transferred from the working fluid circuit to the load fluid.
第４の態様は、先に第３の態様に関連して概説された特徴のどれか１つ又は複数を備えるか、含むことがある。 The fourth aspect may comprise or include any one or more of the features outlined above in relation to the third aspect.
本明細書で使用されるときに、名詞に続く「ｓ」は、その名詞の複数形及び／又は単数形を意味する。 As used herein, an “s” following a noun means the plural and / or singular of that noun.
本明細書で使用されるときに、「及び／又は」は、「及び」か「又は」を意味するか、状況が両方を可能にする場合を意味する。 As used herein, “and / or” means “and” or “or” or the situation allows both.
本発明は、上述のことにあり、また構造も考察し、その構造のほんの実例だけが下記に与えられる。 The present invention is as described above and also considers the structure, and only a few examples of the structure are given below.
本発明は、これから、ただ非限定の実例としてのみ、添付の図面に関連して説明される。 The present invention will now be described, by way of non-limiting example only, with reference to the accompanying drawings.
本発明の実施例は、負荷と熱を交換するヒート・ポンプ・システム１０を提供する。システム１０は、第１の作動流体を循環させる第１の閉じた作動流体循環路１２、第２の作動流体を循環させる第２の閉じた作動流体循環路１４、及び負荷循環路１６を備える。負荷循環路１６は、加熱されるべき負荷が循環する循環路である。
Embodiments of the present invention provide a
負荷は、加熱されるべき流体であり、一般に液体である。温水ヒート・ポンプ・システムの実例では、負荷は、加熱されるべき飲料水である。負荷は、負荷循環路１６中を循環する。負荷循環路１６は、加熱された負荷流体を貯蔵する流体貯蔵槽１８と連絡している。
The load is the fluid to be heated and is generally a liquid. In the example of a hot water heat pump system, the load is the drinking water to be heated. The load circulates in the
負荷循環路は、流体源から新しい冷たい流体を受け取るための負荷流体供給入口１６ａと加熱された流体を分配するための負荷流体供給出口１６ｂを備える。出口１６ｂは、流体貯蔵槽１８の上部領域と連絡して貯蔵槽の上部領域から又は第３の熱交換器２６（あとで説明される）から流体を送り出す。新しい冷たい流体は、入口１６ａを介して負荷循環路１６に入り、本発明のシステムを使用して加熱される。入口１６ａは、流体貯蔵槽１８の下部領域と連絡している。加熱された流体は、上から流体貯蔵槽１８に流し込まれ、また出口１６ｂを介して消費者の方に出力可能である。
The load circuit includes a load
負荷循環路１６は、第１及び第２の作動流体循環路１２及び１４の熱交換器２３及び２６を流れる、循環路１６中の流体の流量を制御する流体ポンプ２１を含む。負荷循環路１６中の流体の流量は、加熱された流体の温度を最適化するように調節することができる。負荷循環路１６中での流体ポンプ２１の配置は適応性があり、補助の水循環ポンプが、起こり得る騒音及び振動を最小限にするように負荷循環路のどこかに配置されることがある。
The
流体が長期間にわたって流体貯蔵槽１８中に留まることがあるとき、流体は熱を失うので、流体は、負荷循環路１６に沿って循環されて、このシステムで再度加熱される。
When the fluid may remain in the
第１の作動流体循環路１２は、熱エネルギー源と連絡している。図示された形では、熱エネルギー源は外部熱源であり、外部熱源からの熱エネルギーは屋外インバータ・ユニット２５によって集められることがある。屋外ユニット２５は、膨張弁のようなエキスパンダ２９の付いた圧縮機２７、空気流ＡＦから熱を引き出す熱交換器（図示されない）、及び空気流ＡＦを制御するファン（図示されない）を備える。屋外インバータ・ユニット２５は、消費者の住居のような建物の外Ｅに置かれる。屋外ユニット２５は、外部熱源から熱エネルギーを引き出すことができる任意の適切なデバイスとすることができる。熱源は、周囲空気とすることができる。ユニット２５は、ユニット２５中の熱交換器を通って流れる周囲空気ＡＦから熱を引き出して、その引き出された熱を第１の作動流体循環路１２中を循環する作動流体に伝達する。
The first working
例として、屋外インバータ・ユニットは、Ｒ４１０ａインバータ・ユニット、例えば、日本の三菱電機によって供給されるＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＧＥ３５又はＦＢ２５インバータ・ユニット、又は日本の三菱電機によって供給されるＦＢ３５インバータ・ユニットとすることができる。これらのユニットは、広い範囲の周囲条件で動作することができる。これらのユニットは、一般に、家庭空気−空気暖房に使用されるが、本発明のシステムは、これらの屋外ユニットを水加熱のような他の用途に使用できるようにする。 By way of example, the outdoor inverter unit can be an R410a inverter unit, for example a Mitsubishi GE35 or FB25 inverter unit supplied by Mitsubishi Electric in Japan, or an FB35 inverter unit supplied by Mitsubishi Electric in Japan. These units can operate in a wide range of ambient conditions. These units are typically used for home air-air heating, but the system of the present invention allows these outdoor units to be used for other applications such as water heating.
第１の作動流体循環路１２は、例えばＲ４１０ａ冷却剤、Ｒ４０７冷却剤又はＭＯ９９冷却剤のような任意の適切な冷却剤を含む第１の作動流体を含み、循環させる。第１の作動流体循環路１２は、壁Ｗを突き抜けて建物の内部Ｉに延びる絶縁配管を備える。第１の作動流体循環路１２は、第１の熱交換器２３及び第２の熱交換器２８と連絡している。
The first working
第２の作動流体循環路１４は、圧縮機３０と、第２の作動流体循環路１４を最適化するように調節可能なエキスパンダ３２を備える。好ましくは、エキスパンダ３２は、第２の作動流体循環路１４を最適化するように調節可能な線形膨張弁（ＬＥＶ）である。
The second working
第２の作動流体循環路１４は、Ｒ１３４ａ冷却剤、Ｒ６００冷却剤又はＣＯ２冷却剤のような任意の適切な冷却剤を含む第２の作動流体を含み、循環させる。第１の作動流体循環路中の作動流体は、第２の作動流体循環路中の作動流体と同じとすることができる。第１と第２の両方の作動流体循環路で同じ作動流体を使用することは、異なる作動流体を使用するのと同じ熱力学的有利点を与えるので除外されない。第２の作動流体循環路１４は、第３の熱交換器２６と連絡している。
The second working
第２の作動流体循環路１４の圧縮機３０は、家庭用除湿機に使用される圧縮機と同様な低コストのＲ１３４ａ固定速度３００Ｗ圧縮機を使用することができる。圧縮機３０の密閉ケース及び他の部品は、第１のＲ４１０ａ熱交換器２３の前の冷たい負荷流体入力を使用して冷却することができる。
As the
動作中に、屋外ユニット２５中の熱交換器（図示されない）は、周囲空気ＡＦから熱エネルギーを引き出し、その引き出された熱エネルギーを第１の作動流体循環路１２中を循環する作動流体に伝達する。屋外ユニット２５中の圧縮機２７は、作動流体を圧縮する。圧縮機２７を出る作動流体は、過熱状態になる。
During operation, a heat exchanger (not shown) in the
第１の作動流体循環路１２中の加熱された作動流体は、第２の熱交換器２８に通され、そこで、過熱され部分的に凝縮された作動流体を含むエネルギーのいくらかが、第２の作動流体循環路中の第２の熱交換器を通過する作動流体に直接伝達される。第２の熱交換器２８を出る第１の作動流体は、次に、第１の熱交換器２３に通され、そこで、第１の作動流体に残っている熱エネルギーのいくらかが、負荷循環路１６の第１の熱交換器を通過する負荷に直接伝達される。
The heated working fluid in the first working
第２の熱交換器２８は、第１の作動流体循環路１２中の第１の作動流体から第２の作動流体循環路１４中の第２の作動流体にいくらかの熱を伝達する。第２の作動流体循環路中の加熱された第２の作動流体は、圧縮機３０を使用して圧縮される。圧縮機３０を出る作動流体は、過熱されている。この過熱された作動流体は、第３の熱交換器２６に通され、そこで、過熱された作動流体からいくらかの熱が、負荷循環路１６の第３の熱交換器を通過する、第１の熱交換器からの負荷に直接伝達される。
The
第１及び第３の熱交換器２３及び２６を使用して作動流体から負荷に伝達される熱の量は、使用される作動流体に依存する。作動流体は、負荷のある温度限界まで実質的に安定した性能係数で動作することができる。第１の作動流体循環路１２から負荷に伝達される熱は、第１の熱交換器２３を通って循環する負荷の温度を中間温度に上げるのに十分であるべきであり、ここでこの中間温度は、第１の作動流体循環路中の第１の作動流体の温度限界以下である。同様に、第２の作動流体循環路１４から負荷に伝達される熱は、第３の熱交換器２６を通過する第１の熱交換器２３からの負荷の温度を、中間温度から少なくとも所望の温度に高めるのに十分であるべきであり、ここでこの所望の温度は、第２の作動流体循環路１４中の第２の作動流体の温度限界以下である。
The amount of heat transferred from the working fluid to the load using the first and
本発明の第２の実施例が、図２に示されている。図２に示された実施例は、図１に示された実施例と同様であり、第２の作動流体循環路１４の圧縮機３０に回収ジャケット３１の追加がある。回収ジャケット３１は、圧縮機３０の効率を改善し、圧縮機３０の熱損失を減少させる。図１で使用された参照数字は、図２で使用されてこのシステムの同様な部分を指示し、また、ここで説明される以外の特徴及び機能は、第１の実施例と同じである。
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. The embodiment shown in FIG. 2 is similar to the embodiment shown in FIG. 1, with the addition of a
負荷循環路１６中の低温の負荷流体は、第１の熱交換器２３を通って流れる前に、第２の循環路１４の圧縮機３０の回収ジャケット３１を通って流れる。回収ジャケット３１は、圧縮機３０の周りに巻かれた銅管などの冷却コイルとすることができる。図示された実施例では、低温（約２〜２５℃、好ましくは約１２℃）で負荷流体貯蔵槽１８を出る負荷流体は、負荷流体ポンプ２１を通り次に圧縮機３０の周りの冷却コイル３１を通って流れ、その後で熱交換器２３を通って流れる。
The cold load fluid in the
ジャケット回収のない圧縮機３０は、損失として熱エネルギーを発散する（一般におおよそ１５０Ｗ）。圧縮機３０の周りに銅管を複数回巻いて冷たい負荷流体をこの銅管に送り込むことで、第１のＲ４１０ａ−水熱交換器２３に入る前に、５０から２００Ｗ、好ましくは約１４０ワットの浪費エネルギーの回収が可能になる。
The
図１のシステム又は図２のシステムの動作を制御するために、制御装置３４が設けられる。制御装置３４は図３に示され、図４に示された方法を実施する。図３は、図１に対応するシステムを模式的に示しているが、制御装置の機能は、一般に、図１のシステムでも図２のシステムでも同じである。制御装置３４は、流体貯蔵槽１８と一緒に屋内に置かれて、スマート制御によって、エネルギーの分配を効率的な動作に必要なレベルに制御することができる。制御装置は、例えばプログラム可能論理制御（ＰＬＣ）ユニット又は組込み制御装置などの任意の適切な型とすることができる。
A
制御装置３４は、ステップ２０１で、負荷循環路１６での温度の測定に基づいてシステムの性能を監視する。３つの温度センサＡ、Ｂ及びＣが、負荷循環路１６に配置されて、この循環路中を循環する負荷の温度を監視する。第１の温度センサＡは、第１の熱交換器２３に入る前の負荷流体の温度を測定するように任意の適切な位置に配置される。温度センサＡによって感知される温度は、図１のシステムの負荷循環路１６で最低の温度である。代わりに、図２のシステムでは、第１の温度センサＡは、その図に示されるように位置付けされて、その負荷循環路１６の最低温度を測定することができる。どちらの実施例でも、第２の温度センサＢは、第１の熱交換器２３を出た後（第３の熱交換器２６に入る前）の負荷流体の温度を測定するように配置される。温度センサＢによって感知される温度は、第１の作動流体循環路から得られる流体の中間温度である。どちらの実施例でも、第３の温度センサＣは、第３の熱交換器２６を出た後の負荷流体の温度を測定するように配置される。温度センサＣによって感知される温度は、流体が所望温度に達しているかどうか測定する。
In
負荷循環路中の温度に基づいて、制御装置３４は、屋外ユニット２５、第２の作動流体循環路１４及び負荷循環路１６を制御して、システムのエネルギー必要量を計算し最適化する。
Based on the temperature in the load circuit, the
先に及び以下で説明される方法を制御装置３４に実施させる複数の組のコンピュータ実行可能命令が、制御装置３４の中で実行される。制御装置は、また、任意の他の計算デバイスによって行われるべき動作を指定する一組の命令を実行することができるそのデバイスを含むことがある。これらの命令は、順次型又は他の方法とすることができる。
A plurality of sets of computer-executable instructions are executed in the
「計算デバイス」という用語は、また、個々に又は共同で一組又は複数組の命令を実行して上述の方法のどれか１つ又は複数を実施するデバイスの任意の集まりを含む。 The term “computing device” also includes any collection of devices that individually or jointly execute a set or sets of instructions to perform any one or more of the above-described methods.
プロセッサ３４は、１つ又は複数の組のコンピュータ実行可能命令及び／又はデータ構造が格納されている機械読取可能媒体を含むか、この機械読取可能媒体にインタフェースで接続されている。これらの命令は、先に又は以下で説明される方法又は機能の１つ又は複数を実施する。
The
コンピュータ実行可能命令は、また、実行中に、完全に又は少なくとも部分的にプロセッサ３４の中に存在することがある。この場合、プロセッサ３４は、機械可読の有形記憶媒体を含む。
Computer-executable instructions may also be fully or at least partially in
コンピュータ読取可能媒体は、例示的な実施例において単一媒体であるように説明される。しかし、この用語は、単一媒体又は複数の媒体を含むように解釈されるべきである。「コンピュータ読取可能媒体」という用語は、また、上述の方法のどれか１つ又は複数をプロセッサに実施させる一組の命令を、プロセッサによる実行のために格納するか、符号化するか、保持することができる任意の媒体を含むように解釈されるべきである。コンピュータ読取可能媒体は、また、これらの組の命令で使用される又はこれらの組の命令に関連するデータ構造を格納するか、符号化するか、保持することができる。 The computer readable medium is described as being a single medium in the exemplary embodiment. However, this term should be construed to include a single medium or multiple media. The term “computer-readable medium” also stores, encodes, or retains a set of instructions for execution by a processor that causes the processor to perform any one or more of the above-described methods. Should be construed to include any medium capable of. The computer-readable medium can also store, encode, or maintain data structures used in or associated with these sets of instructions.
屋外インバータ・ユニット２５はスマート制御装置３３を含み、このスマート制御装置３３は、標準的なインバータ屋内ユニットの制御装置と通信するように設計されている屋外インバータ・ユニットの親制御ユニットである。スマート制御装置３３は、ファン速度、エキスパンダ２９及び／又は屋外ユニット２５の圧縮機２７を制御する。本発明のシステムでは、屋外インバータ・ユニット２５は、また、重要な情報を制御装置３４にフィードバックする。重要な情報の種類には、故障状態、ユニット２５が熱を供給し始めるとき、及び屋外ユニット２５が霜取りモードであるときがある。
The
本発明の制御装置３４は、制御プロトコルの観点から標準インバータ屋内ユニットの制御装置をエミュレートし、同じプロトコルを使用して屋外ユニット２５の親制御ユニット３３と通信する。制御装置３４は、この制御プロトコルを使用して屋外ユニット２５を制御することによって、システムのエネルギー必要量を計算し最適化する。
The
制御装置３４は、所望の負荷流体温度リフトを引き起こすように第１の作動流体（例えば、Ｒ４１０ａ冷却剤）を適切な温度に維持しながら、吐出温度をできるだけ低く保つことによって屋内で過熱温度及び凝縮器温度を安定に保つ。制御装置３４は、熱交換器２３から所望の中間温度リフトを与えながら、屋外ユニット２５から得ることができるＣＯＰを最適化する。
The
制御装置３４は、絶えず微調整することによってこのプロセスを最適化された状態に保つが、屋外ユニット２５が理想的な設計動作限界の範囲外に外れないように適切な限界を有する。
The
制御装置３４は、非常に大きな第１の作動流体（例えば、Ｒ４１０ａ冷却剤）凝縮温度リフトによって生じる任意の大きな性能低下を受ける前に、低温の第１の作動流体（例えば、Ｒ４１０ａ）循環路１２からの最も効率的な温度リフトを維持する。制御装置３４は、第２の熱交換器２８で熱エネルギーを交換する２つの冷却剤間の温度差を決定する。制御装置３４は、また、第２の作動流体循環路１４の線形膨張弁（ＬＥＶ）３２によって、第２の作動流体循環路１４中の作動流体の質量流量を制御することができる。毛細管がＬＥＶの代わりに使用されることがある。
The
図示された形では、制御装置３４は、所望エネルギー・レベルを維持するために屋外ユニット２５の親制御装置３３に伝えられる５つの異なる変数をエミュレートする。これらの変数は、
１．屋内の第１の作動流体（例えば、Ｒ４１０ａ）の凝縮温度、
２．屋内の第１の作動流体（例えば、Ｒ４１０ａ）の蒸発温度、
３．屋内の室内センサ温度、
４．屋内のファン速度、
５．屋内の室内設定温度
である。
In the form shown, the
1. The condensation temperature of the indoor first working fluid (eg R410a),
2. The evaporation temperature of the first indoor working fluid (eg R410a),
3. Indoor indoor sensor temperature,
4). Indoor fan speed,
5. Indoor indoor set temperature.
起動するとき／止めるときを含むこのデータは、屋外ユニット２５に送られる。これらの比は、所望の屋内エネルギー・レベルを実現するように制御装置の中のルック・アップ・テーブルに予め決められている。
This data, including when to start / stop, is sent to the
制御装置３４は、第１の作動流体循環路１２、第２の作動流体循環路１４及び負荷循環路１６の動作及びこれらの循環路間の相互作用を制御する。２つの重要なドライバは、システム負荷を直接制御する水流と、屋外インバータに多かれ少なかれエネルギーを供給するように命じることによって制御される全自由エネルギー入力である。本発明の制御装置３４は、最適な性能効率を保証するために、ルック・アップ・テーブルに設定された限界を調べる。最初に各循環路に流量及び限界を設定するために、入口の水温に依存して複数のルック・アップ・テーブルがあることがある。流体ポンプ２１循環路は、流体送り出し温度を選ばれた設定点に保つように流体の流れを調節する。流体の流れが遅すぎる場合には、制御装置３４は、屋外インバータ２５の制御装置３３に信号を送って、より多くのエネルギーを供給する。この場合に、第１の作動流体１２のサブクーリングが最適化されないことがある。制御装置３４は、第２の作動流体循環路１４中のエキスパンダＬＥＶ３２を制御することができるだけであり、このエキスパンダＬＥＶ３２は、熱交換器２６で最大温度上昇を与えるように調整される。負荷循環路１６中の流体の温度のリフトが小さすぎる場合には、屋外ユニット２５は、エネルギー入力を減らすように減速されて、流体の流量が減少する。ルック・アップ・テーブルは、全システムが大きくバランスを崩し過ぎることがなく定義された限界の範囲内で動作するように限界を設定する。
The
微調節は、上記の１と２の差を調節することによって達成される。粗調節は、上記の３と５の比を変えることによって達成される。 Fine adjustment is achieved by adjusting the difference between 1 and 2 above. Coarse adjustment is achieved by changing the ratio of 3 and 5 above.
制御装置３４は、屋外インバータ・ユニット２５の親制御装置３３と通信して、熱交換器２６によって所望の設定点温度を維持しながら熱交換器２３による中間温度をできるだけ低くする。屋外ユニット２５は、所望の流体出力温度を実現する可能な限り低いエネルギー入力の状態にされ、したがって可能な限り高いＣＯＰを可能にする。
The
屋外Ｒ４１０ａインバータ・ユニット２５は、重要な情報を制御装置３４にフィードバックする。重要な情報の種類には、故障状態、ユニット２５が熱を供給し始めるとき、及び屋外ユニット２５が霜取りモードであるときがある。
The outdoor
制御装置３４は、Ｒ４１０ａ圧縮機２７が始動してより低出力の圧縮機３０が循環路１４及び第３の熱交換器２６中の残っている水を加熱できるようにする前に、固定速度圧縮機３０を作動させる。この循環路１４ができるだけ高いＣＯＰを維持することが重要である。というのは、そのことが、どのくらいのリフトが第１の作動流体循環路１２に要求されるかを決定するからである。第２の作動流体（例えば、Ｒ１３４ａ）循環路１４は、線形膨張弁（ＬＥＶ）３２を使用して最適化することができる。制御装置３４は、Ｒ４１０ａ凝縮装置２７及び蒸発器の温度に基づいて第２の作動流体（例えば、Ｒ１３４ａ冷却剤）の流れを変えるようにＬＥＶ３２を調節する。
The
制御装置３４は、負荷流体ポンプ２１を電気的に制御して、流体貯蔵槽１８に送るために所望流体温度を維持する。制御装置３４は、Ｒ４１０ａ熱交換器２３の流体入口、Ｒ４１０ａ熱交換器２３の流体出口、及びＲ１３４ａ熱交換器２６の流体出口に位置付けされた３つの温度センサＡ、Ｂ、Ｃからの測定値に基づいて流体の流量を制御する。
The
図４を参照すると、Ｒ１３４ａ熱交換器２６の出口での負荷流体が所望温度を超える場合には（ステップ２０２）、流体ポンプ２１の速度が上げられる（ステップ２０４）。Ｒ１３４ａ熱交換器の出口での流体が所望温度より低い場合には（ステップ２０３）、流体ポンプ２１の流量がゼロでないという条件で（ステップ２０５）、ポンプ２１は減速される（ステップ２０６）。Ｒ１３４ａ循環路１４は固定速度圧縮機３０を備えるので、負荷流体の流れ以外にはトップアップ・リフトの調節はほとんどない。代わりに、固定速度圧縮機３０の代わりに可変速度圧縮機を使用することができる。
Referring to FIG. 4, when the load fluid at the outlet of
負荷流体が熱交換器２６を通過するのに数秒かかるので、Ｂでの中間負荷流体温度の監視が、いつその負荷流体流が粗調節を必要とするかを前もって警告する。
Since it takes several seconds for the load fluid to pass through the
Ｒ４１０ａ循環路１２の熱交換器２３による中間負荷流体温度の制御は、注意深く監視され、さらに屋外ユニット２５は、最適ＣＯＰを与えるようにエネルギー入力を調節するように命令される（ステップ２０７及び２０８で）。
Control of the intermediate load fluid temperature by the
加熱プロセスを止める
温度センサＡでの入力流体温度は、流体貯蔵槽中の流体がいつ十分に加熱されるかを特定するために注意深く監視される。図１に示されるように、流体貯蔵槽中の流体は層状になっていて、比較的高温の別個の上部領域１８ａと比較的低温の下部領域１８ｃとが「膜」１８ｂによって隔離されている。流体槽１８で流体層化を使用することは、入口流体が冷たいままであり槽が加熱されるとき急に高まることを意味する。これが２つの圧縮機２７、３０及び次に流体ポンプ２１をオフにするトリガとなる。流体ポンプ２１は、ポンプを止める前に熱交換器２３、２６及び配管中の大体の温水が流体槽の中に移されるように動作するようになっているので、高温負荷流体は浪費されない。
Stopping the heating process The input fluid temperature at temperature sensor A is carefully monitored to identify when the fluid in the fluid reservoir is fully heated. As shown in FIG. 1, the fluid in the fluid reservoir is layered, with a relatively hot separate
流体貯蔵槽トップアップ機能
温度センサＡの流体入口温度設定は、また、流体貯蔵槽がトップアップを必要とする場合に使用される。この場合に、屋外ユニット２５が非常に低いエネルギーで動作する必要があり、さらに負荷流体温度の引上げに入力されるべきＲ４１０ａエネルギーの大部分を引き出すためにＲ１３４ａ上部循環路１４が使用されることを制御装置３４は知っている。この状態で、負荷流体からのサブクーリングはないので、屋外ユニットは、全体的なＣＯＰをできるだけ高くするように、低エネルギー入力に減速されなければならない。
Fluid storage tank top-up function The fluid inlet temperature setting of temperature sensor A is also used when the fluid storage tank requires top-up. In this case, the
この場合に第３の熱交換器２６の後の負荷の温度が所望の温度（所望温度範囲、６０から８０℃、好ましくは約６２℃）よりあまり低くなく、屋外ユニットの圧縮機は、負荷の温度をトップアップするのに多くの仕事をする必要がない。屋外ユニットは、第２の作動流体循環路で使用されるのに十分なエネルギーを生成する必要がある。Ｒ４１０ａ冷却剤の熱の大部分は、Ｒ１３４ａ冷却剤に伝達される。Ｒ１３４ａ冷却剤からの熱は、熱交換器２６を使用してトップアップを必要とする負荷に実質的に伝達される。
In this case, the temperature of the load after the
負荷流体加熱プロセスを開始する
温度プローブは、熱質量を持つ流体貯蔵槽１８の最上部に配置される。熱質量は、１リットルの負荷流体を抜くこと、及びセンサがどんなに高温になりそれがどんなに長く高温のままであるかを制御装置が測定することによって、据え付け場所で計算される。また、流体貯蔵槽の容量も入力され、制御装置３４は、どのくらいの負荷流体が抜かれたかを推定し、さらにいつ屋外ユニットが流体貯蔵槽の加熱を再び開始する必要があるかを判断する。
The temperature probe that initiates the load fluid heating process is placed on top of the
長期間にわたって負荷流体が取り出されない場合には、システムは、上述の「流体貯蔵槽トップアップ」モードで動作を始める。 If the load fluid is not removed for an extended period of time, the system will begin to operate in the “fluid reservoir top-up” mode described above.
通常の開始プロセス
開始は、次のいずれか１つに基づいてトリガされる。すなわち、
・制御装置に組み込まれた７日タイマを介して、
・利用可能な負荷流体容量の８０％（また、顧客によって設定された他の値）が使用されたとき、又は
・流体貯蔵槽１８の温度センサが冷却された流体を検出したとき、
・電力供給会社が水シリンダ加熱のスイッチを入れたり切ったりすることができるようにする知的な建物電力計からの外部スマート制御を介して。これは、周囲温度が比較的高い日中により効率的であり、
・十分な高温負荷流体を維持しながら最適屋外周囲温度に基づいて加熱期間が自動的に決定される毎週の負荷流体（例えば、水）需要パターンに基づいて
トリガされる。
Normal start process Start is triggered based on one of the following: That is,
-Via a 7-day timer built into the control unit,
When 80% of the available load fluid capacity (and other values set by the customer) is used, or when the temperature sensor of the
• Via an external smart control from an intelligent building wattmeter that allows the power supplier to switch on and off the water cylinder heating. This is more efficient during the day when the ambient temperature is relatively high,
• Triggered based on weekly load fluid (eg, water) demand patterns where the heating period is automatically determined based on the optimal outdoor ambient temperature while maintaining sufficient hot load fluid.
Ｒ１３４ａ圧縮機３０は、この小さな圧縮機が熱交換器２６を温める時間を与えるようにすぐに起動される。Ｒ４１０ａ屋外ユニット２５が始動するように命じられるが、それは数分かかる。
The
熱交換器２３及び２６は、所望の出力負荷流体温度を超えて熱くなっても構わない。
The
これが起こるとすぐに、負荷流体ポンプ２１は、数秒間全速力で起動されて負荷流体を動かし、それから以前の動作速度、又は初めてであれば工場の理想速度に減速される。
As soon as this occurs, the
霜取り
屋外Ｒ４１０ａユニット２５が霜取りをする時間であると判断したとき、負荷流体の流れは、負荷流体ポンプ２１を制御することによって止められる。Ｒ１３４ａ圧縮機３０は作動され続けて、より速い霜取り回復のために余分なエネルギーを供給する。熱交換器２６の温度センサが監視される。その温度が高温になり過ぎた場合には、Ｒ１３４ａ圧縮機３０は止められる。代わりに、Ｒ１３４ａ圧縮機３０が高温になり過ぎた場合には、圧縮機３０は、限界の範囲内に戻るまで制御装置によって止められる。
Defrosting When the
本発明の実施例に従ったシステムの動作パラメータ
本発明の実施例に従ったシステムは、周囲空気ＡＦから熱を集める屋外Ｒ４１０ａインバータ・ユニット２５を備える。屋外ユニットは、ＣＯＰが４．８９であるＦＢ２５インバータ・ユニットであることがある。屋外インバータ・ユニットの熱交換器は、外部周囲空気から約２．７ｋＷの熱エネルギーを集め、そのエネルギーが、第１の作動流体循環路１２中のＲ４１０ａ冷却剤に伝達される。圧縮機２７は、Ｒ４１０ａ冷却剤を圧縮して、２．５から６．５ｋＷ、好ましくは約３．４ｋＷのエネルギーを運ぶ高圧作動流体を生成する。Ｒ４１０ａ冷却剤は、第１の作動流体循環路１２中を図示された矢印の方向に循環する。第１の作動流体循環路１２中のＲ４１０ａの流量は、約０．０１６ｋｇ／秒で一定に保たれている。
Operating Parameters of a System According to an Embodiment of the Invention A system according to an embodiment of the invention includes an outdoor
第１の作動流体循環路１２は、建物の外部Ｅから建物の壁Ｗを通って建物の内部Ｉに流体を運ぶ。この実例では、屋外ユニット２５で集められ第１の作動流体によって運ばれた熱のいくらかは、最初に第２の熱交換器２８に通されて、その熱のいくらかを第２の作動流体循環路１４に直接伝達し、その後で、第１の熱交換器２３に通されてその残りの熱のいくらかを負荷循環路１６に直接伝達する。Ｒ４１０ａ冷却剤中のエネルギーは、第２の作動流体循環路１４と負荷循環路１６の間で分けられる。第１の熱交換器２３の出力は、約２．４ｋＷである。第２の熱交換器２８の出力は、約１ｋＷである。したがって、第１の作動流体は、それの熱／エネルギーの大部分を負荷に伝達し、それの熱／エネルギーのより少ない部分を第２の作動流体に伝達する。より高い出力を、軽工業用途のために供給することができる。Ｒ４１０ａ冷却剤は、約７０℃の温度であり、第２の熱交換器２８に入る前に僅かに過熱されている。Ｒ４１０ａ冷却剤は、第２の熱交換器２８を通過した後、且つ第１の熱交換器２３を通過する前に、約４５℃の凝縮温度である。Ｒ４１０ａ冷却剤は、第１の熱交換器２３を通過した後で約２３℃の温度である。このことは、完全縦続接続システムが容易に達成することができないＲ４１０ａの実質的なサブクーリングを可能にする。
The first working
負荷循環路１６は、第１の作動流体循環路１２中の作動流体をサブクール状態にするように構成される。第１の熱交換器２３に入る冷たい水は、完全縦続接続システムにおいて第２の作動流体と熱エネルギーを交換する場合よりも低温である。入ってくる水は、第１の循環路１２中の凝縮された冷却剤の出口温度を下げて（サブクーリング）、空気熱エネルギー源からの熱エネルギー取込みを増加させる。
The
第１の熱交換器は、負荷流体の温度を入口１６ａでの約１２℃から中間温度に引き上げ、その中間温度は流体貯蔵槽１８に保管するための所望温度よりも低い。例として、中間温度は、約３５℃から約５５℃、好ましくは約３５℃から約４５℃、好ましくは約４０℃であることがある。選ばれる中間温度は、第１及び第２の作動流体循環路１２、１４で使用される作動流体と、負荷流体の所望最終温度とに依存する。
The first heat exchanger raises the temperature of the load fluid from about 12 ° C. at the
第２の作動流体循環路１４は、Ｒ１３４ａ冷却剤を循環させる。Ｒ１３４ａの流量は、約０．００７１ｋｇ／秒で一定に保たれる。第２の作動流体循環路１４では、Ｒ１３４ａ圧縮機３０が、Ｒ１３４ａ冷却剤の熱エネルギーを１ｋＷ引き上げるために使用され、７５から８０℃の１．２５ｋＷの過熱蒸気を生成し、この過熱蒸気は６７℃で凝縮する。Ｒ１３４ａ冷却剤中のエネルギーは、第３のＲ１３４ａ−水熱交換器２６を使用して負荷循環路１６中の負荷を中間温度から少なくとも約６２℃の所望温度まで引き上げるために使用される。
The second working
所望の温度は、負荷流体の温度、及びその地域の規格に依存する。例えば、ニュージーランドでは、所望温度は約６２℃であるが、少なくとも約６０℃である必要がある。２℃の差は、管での少量の熱損失を考慮に入れている。他の国又は地域では、所望温度は、より低いこともあればより高いこともある。好ましくは、システムは、約６０℃から約７０℃の所望温度を持った負荷流体を供給するように構成される。 The desired temperature depends on the temperature of the load fluid and the local standards. For example, in New Zealand, the desired temperature is about 62 ° C, but should be at least about 60 ° C. The 2 ° C difference allows for a small amount of heat loss in the tube. In other countries or regions, the desired temperature may be lower or higher. Preferably, the system is configured to supply a load fluid having a desired temperature of about 60 ° C to about 70 ° C.
ＬＥＶ弁及び水流量の調節によって、８０℃までの温度が可能である。負荷循環路中の流体の流量は、例えばおおよそ毎分０．８から１．８リットルであり、好ましくは毎分０．９から１リットルである。低流量を使用することによって、本発明のシステムは、第１及び第３の熱交換器２３及び２６で冷たい新しい水を少なくとも所望温度に上昇させることができる。温水貯蔵シリンダの近くに第２のＲ１３４ａ循環路１４を配置することによって、遅い水流速により、第２の循環路が屋外ユニット（ＦＢ２５）２５と共に屋外に配置される場合、普通なら大きいはずの損失が最小限になる。
Temperatures up to 80 ° C. are possible by adjusting the LEV valve and water flow rate. The flow rate of the fluid in the load circuit is, for example, approximately 0.8 to 1.8 liters per minute, and preferably 0.9 to 1 liters per minute. By using a low flow rate, the system of the present invention can raise cool fresh water at least to the desired temperature in the first and
この実例では、システムの性能係数（ＣＯＰ）は、７℃の周囲外部温度でほぼ３．２〜３．６である。Ｒ１３４ａジャケット冷却器３１による実際の熱回収及びＲ１３４ａ圧縮機３０への実際の電力入力は、試験される各メーカ／型で大きく変わることがある。
In this example, the coefficient of performance (COP) of the system is approximately 3.2 to 3.6 at an ambient external temperature of 7 ° C. The actual heat recovery by the R134a jacket cooler 31 and the actual power input to the
システムの代替構成
システムは、屋外ユニット２５、第１の作動流体又は冷却剤循環路１２、第２の作動流体又は冷却剤循環路１４、負荷循環路１６、及び随意に流体貯蔵槽１８を含めて添付の図に示された全ての構成要素を、新しいものから用意され取り付けることができる。
Alternative Configuration of the System The system includes an
代わりに、既存の取り付けられたヒート・ポンプ・システム及び温水槽の一部分を使用することができ、本発明の装置を既存のシステムに組み込むことができる。本装置は、既存の空気−空気ヒート・ポンプ・システムに組み込むことができる。その構成では、好ましい実施例の装置は、図１に破線ボックス中に示された構成要素、すなわち第１の熱交換器２３、第２の熱交換器２８、第３の熱交換器２６、負荷流体ポンプ２１、第２の作動流体循環路１４の他の構成要素、及び制御装置３４を備えることができる。システムは、既存のヒート・ポンプ・システム及び温水貯蔵システムの配管及び電子回路に接続することができ、且つ損失を最小限にするように温水槽の直ぐ近くに置くことができるハウジング形式で実現されることがある。
Alternatively, an existing installed heat pump system and part of the hot water tank can be used, and the device of the present invention can be incorporated into an existing system. The device can be incorporated into existing air-air heat pump systems. In that configuration, the apparatus of the preferred embodiment comprises the components shown in the dashed box in FIG. 1, namely the
本明細書で開示された数の範囲（例えば、１から１０まで）についての言及は、また、その範囲内の全ての有理数（例えば、１、１．１、２、３、３．９、４、５、６、６．５、７、８、９及び１０）及びまたその範囲内の有理数の任意の範囲（例えば、２から８まで、１．５から５．５まで及び３．１から４．７まで）についての言及を包含するので、本明細書で明確に開示された全ての範囲の中の全ての部分的範囲がこれによって明確に開示される意図である。これらは、具体的に意図されたものの実例に過ぎず、列挙された最小値と最大値の間の数値の全ての可能な組合せは、同様に本出願で明確に陳述されていると考えられるべきである。 References to a number range (eg, 1 to 10) disclosed herein are also intended to refer to all rational numbers within that range (eg, 1, 1.1, 2, 3, 3.9, 4 5, 6, 6.5, 7, 8, 9, and 10) and also any range of rational numbers within that range (eg, 2 to 8, 1.5 to 5.5, and 3.1 to 4) And all the sub-ranges within the full range explicitly disclosed herein are intended to be expressly disclosed thereby. These are only examples of what is specifically intended, and all possible combinations of numerical values between the minimum and maximum values listed should likewise be considered explicitly stated in this application. It is.
本発明の少なくともいくつかの実施例のシステムは、次の有利点を提供する。本発明の実施例の必ずしも全てが、述べられた有利点の全てを実現する必要がないことは理解されるであろう。 The system of at least some embodiments of the present invention provides the following advantages. It will be understood that not all of the embodiments of the invention need to realize all of the stated advantages.
このシステムは、低コスト屋外ユニットの使用を十分に活用することができる。例えば、ＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＧＥ３５又はＦＢ２５インバータは、ニュージーランドの大部分の地域で使用することができ、特別に寒い地域ではＦＢ３５を使用することができる。この同じシステムを、分割システム圧縮機及び都市複合設備と共に働くように適合することができる。Ｒ４１０ａ屋外ユニットは、いかなるストレス又は過負荷もなしに最大効率で動作することができる。Ｒ４１０ａ屋外ユニットは、優れた低環境性能を示す。大量生産Ｒ４１０ａ屋外ユニットを使用することによってコストが節約されるだろう。 This system can take full advantage of the use of low cost outdoor units. For example, a Mitsubishi GE35 or FB25 inverter can be used in most areas of New Zealand, and FB35 can be used in particularly cold areas. This same system can be adapted to work with split system compressors and urban complex facilities. The R410a outdoor unit can operate at maximum efficiency without any stress or overload. The R410a outdoor unit exhibits excellent low environmental performance. Cost will be saved by using mass production R410a outdoor units.
第１の作動流体循環路１２は、既存の未修正屋外ユニット２５に利用されて、それの設計された空気−空気応用とほとんど同じように動作しながら、例えば約３５〜５５℃の中間温度の水を生成することができる。これによって、圧縮機ストレスが減少し、ＣＯＰが大きくなる。屋外ユニットは、空気−空気応用で動作条件の広い範囲にわたって優れた結果をもたらすように設計され、また空気−水応用のために修正する必要がないだろう。空気−水応用は、完全縦続システムでは容易に実現できないＲ４１０ａ冷却剤の実質的なサブクーリングを可能にする。
The first working
屋外インバータ・ユニットは一般に親制御ユニットであるので、いくつかの屋外インバータ・ユニットは、屋外電力消費を屋内ユニットに伝えない。従来の空気−空気システムでは、屋外ユニットは、一般に、電力供給に接続され、電力は屋外ユニットから屋内ユニットに伝達される。本発明の好ましい実施例では、制御装置は屋内ユニットの一部である。大抵のシリンダ用戸棚は、実質的な電力供給を取り付けられて、電気素子にエネルギーを送るので、その既存の電力供給は一般に、好ましい実施例のシステムに電力を供給するために使用される。屋内ユニットは、最適ＣＯＰを保証するために屋外ユニットの電力消費が正確に測定され最適化されるように、屋外ユニットへの電力を切断するための主継電器及び電流検出を備える。 Since outdoor inverter units are generally parent control units, some outdoor inverter units do not communicate outdoor power consumption to indoor units. In conventional air-air systems, the outdoor unit is typically connected to a power supply, and power is transferred from the outdoor unit to the indoor unit. In a preferred embodiment of the invention, the control device is part of an indoor unit. Since most cylinder cupboards are fitted with a substantial power supply to deliver energy to the electrical elements, the existing power supply is generally used to power the preferred embodiment system. The indoor unit comprises a main relay and current detection for disconnecting power to the outdoor unit so that the power consumption of the outdoor unit is accurately measured and optimized to ensure optimal COP.
Ｒ１３４ａ循環路は、比較的一定の条件で動作して中間温度を所望温度に単に上昇させることだけを可能にする。Ｒ１３４ａ循環路は、Ｒ４１０ａ循環路の凝縮温度がＣＯＰの著しい改善で下がるようにする。電気抵抗加熱素子を使用することで、第２のＲ１３４ａ循環路による１５から２０℃の温度上昇に比べて、水のほんの４から６℃の温度上昇が与えられる。 The R134a circuit can only operate at relatively constant conditions to raise the intermediate temperature to the desired temperature. The R134a circuit allows the condensation temperature of the R410a circuit to drop with a significant improvement in COP. Using an electrical resistance heating element gives a temperature increase of only 4 to 6 ° C. of water compared to a temperature increase of 15 to 20 ° C. by the second R134a circuit.
システムは、周囲温度条件が７℃以下であるとき、水を６０℃よりも高くするときのＣＯＰを大きくする。 The system increases the COP when the water is above 60 ° C. when the ambient temperature condition is 7 ° C. or less.
システムは閉じていて実効水頭が水槽１８の高さと同等であるので、水を物理的に循環させるために、ほんの小さな水循環ポンプ２１が必要とされるだけである。
Since the system is closed and the effective head is equal to the height of the
水槽層化は、６０°から８０℃、好ましくは約６２℃の所望温度の水をこの槽の上部領域に静かに送り込むことによって、温水のほぼ即時の熱利用可能性をもたらす。 Aquarium stratification provides near instantaneous heat availability of warm water by gently pumping water at the desired temperature of 60 ° to 80 ° C., preferably about 62 ° C., into the upper region of the vessel.
昼間に暖房のために１つの屋外圧縮機を使用して夜に温水加熱に切り換えることが可能である。すなわち、本発明の実施例の装置は、システムが昼間には屋内空気を加熱し夜には水を加熱するように、既存の空気−空気ヒート・ポンプ・システムに繋ぎ込むことができる。 It is possible to switch to hot water heating at night using one outdoor compressor for heating during the day. That is, the apparatus of an embodiment of the present invention can be plugged into an existing air-air heat pump system so that the system heats indoor air during the day and water at night.
槽の水の温度は、時間がたつにつれて低下するので、非常に小さな電力でＲ４１０ａシステムを動かしＲ１３４ａ循環路を動かして、水を所望温度（６０から８０℃、好ましくは約６２℃）まで再び引き上げることによって、槽の中の冷えた水を効率的に再加熱することができる。 As the bath water temperature decreases over time, the R410a system is moved with very little power and the R134a circuit is moved to bring the water back up to the desired temperature (60-80 ° C, preferably about 62 ° C). By this, the cold water in the tank can be efficiently reheated.
Ｒ４１０ａ段階は、その作動流体から可能な利点を十分に使用して効率的に動作する。第１の熱交換器２３によって水を低い中間温度に直接加熱することによって、Ｒ４１０ａサイクルは、高いＣＯＰを保ち、また作動流体をサブクール状態にすることによって追加の（自由）エネルギー源の恩恵を受ける。
The R410a stage operates efficiently, taking full advantage of the benefits possible from its working fluid. By directly heating the water to a low intermediate temperature with the
Ｒ１３４ａは、低電力入力の小さなシステムを使用して、水に第２の温度リフトを与える。したがって、低周囲条件において高いＣＯＰで８０℃までの水温を達成することができる。 R134a provides a second temperature lift to the water using a small system with low power input. Thus, water temperatures up to 80 ° C. can be achieved with high COP in low ambient conditions.
温水は、温水シリンダに直ぐ隣接して置かれることがある高効率低損失システムによって作られる。８ｍまでの管を通して屋外から屋内に温水を送ることに関係する問題はなくなる。小口径低流量温水の長い移動での検出可能な熱損失は、相当に大きいことがあり、エネルギー伝達の非常に効率の悪い手段である。本システムは、屋外ユニットから生じる水移送問題及び霜問題を克服し、配管工ではなく冷却技術者が取り付けることができる。 Hot water is produced by a high efficiency, low loss system that may be placed immediately adjacent to the hot water cylinder. The problems associated with sending warm water from the outdoors through the pipes up to 8 meters are eliminated. The detectable heat loss with long movements of small-diameter low-flow hot water can be quite large and is a very inefficient means of energy transfer. The system overcomes the water transfer and frost problems arising from outdoor units and can be installed by a cooling technician rather than a plumber.
Ｒ４１０ａ屋外ユニットの従来の取付けは、作動流体配管を屋内ユニットまで普通に伸ばすことで可能である。この知られた手法は、屋内ユニットの影響を受けない。エネルギーは、普通のやり方で送られる。取付けは簡単で１人の職人を必要とするだけである。 Conventional installation of the R410a outdoor unit is possible by extending the working fluid piping normally to the indoor unit. This known approach is not affected by indoor units. Energy is sent in the usual way. Installation is simple and only requires one craftsman.
システムが停止されたときの外部送水管の凍結は、零下条件にさらされる地域では問題でない。特に、システムが動作していない場合（持ち主が休暇、最高温度までの水、及び水の使用が無視できる）。 Freezing of external water pipes when the system is shut down is not a problem in areas exposed to subzero conditions. Especially when the system is not working (the owner can ignore vacations, water up to the maximum temperature, and use of water).
Ｒ１３４ａ冷却剤を使用する第２の作動流体循環路１４は、一定の環境で動作するように設計され、また制御され、これによってインバータ圧縮機及び複雑な制御の必要性が大きく減少している。ＦＢ２５屋外ユニットは、設計通りに動作して、２０°から５０°までの空気を加熱する標準屋内フィン／コイル熱交換器ユニットと、Ｒ１３４ａ冷却剤及び水にそれぞれ熱を引き渡す熱交換器２３及び２８との間の差異を感知しない。ＣＯＰ能力は維持される。したがって、第２の作動流体循環路１４は、屋外周囲条件の影響を受けず、十分に制御された環境で動作する。
The second working
システムは、小型で、実質的に水槽の近くに配置することができるので、より多くのセンサを使用して、用法をより正確に監視し、またいつ水が加熱される必要があるかを最適化することができる。 The system is small and can be placed substantially close to the aquarium, so more sensors are used to monitor usage more accurately and when the water needs to be heated Can be
この方法は、広い範囲の気候条件にわたって最高の信頼性で最適性能を可能にするはずである。３．２ｋＷ入力及び水が直接６２℃に引き上げられることで、使用可能な回復時間は、より小さな流体貯蔵槽を使用できるようにする電気素子よりも速い。 This method should allow optimum performance with maximum reliability over a wide range of climatic conditions. With 3.2 kW input and water pulled directly to 62 ° C., the usable recovery time is faster than electrical elements that allow the use of smaller fluid reservoirs.
本発明の好ましい実施例は、ただ単に例として説明されただけであり、本発明の範囲から逸脱することなしに修正が加えられる可能性がある。 The preferred embodiments of the present invention have been described by way of example only and modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、システムは、温水ヒート・ポンプ・システムとして説明されている。しかし、システムには、また、循環水及び高温ラジエータを使用する家庭用及び軽工業用暖房などの他の用途がある。他の用途には、また、６５から８０℃までの温度を必要とする軽工業プロセス用途、又は製造又は試験中に任意の流体を効率的に加熱する必要がある場合がある可能性がある。システムは、最大加熱が制限される危険地域で特に有用である可能性がある。 For example, the system has been described as a hot water heat pump system. However, the system also has other applications such as domestic and light industrial heating using circulating water and high temperature radiators. Other applications may also require light industrial process applications that require temperatures from 65 to 80 ° C., or where it is necessary to efficiently heat any fluid during manufacturing or testing. The system can be particularly useful in hazardous areas where maximum heating is limited.
いくつかの実施例では、線形膨張弁などの第２のエキスパンダが、第１の作動流体循環路１２にエキスパンダ２９と直列に、ただし屋内ユニット内に、設けられる可能性がある。これは、第１の作動流体循環路中の作動流体の流れを遅くする可能性がある。代替として、副制御装置が、屋外ユニットのエキスパンダ２９と直列に取り付けられて、エキスパンダ２９を制御することができる。副制御装置は、屋外ユニット内のガス吐出ライン及び液体戻りラインに２つの温度センサを備えて、エキスパンダ２９の屋外制御に優先してサブクーリングを最適化することができる。
In some embodiments, a second expander, such as a linear expansion valve, may be provided in the first working
いくつかの実施例では、第２の作動流体循環路１４は、吸引／液体循環路として動作するように修正することができる。例えば、図２を参照して、追加の熱交換器を、第２の作動流体循環路の左側（追加の熱交換器が熱交換器２８と圧縮機３０の間に置かれる）と、第２の作動流体循環路の右側（追加の熱交換器が熱交換器２６とエキスパンダ３２の間に置かれる）との間で熱エネルギーを伝達するように設けることができる。代わりに、熱交換器２８と圧縮機３０の間を走る循環路の左側の管が、熱交換器２６とエキスパンダ３２の間を走る循環路の右側の管にクランプで締め付けられて、熱エネルギーがこれらの２つの管の間で直接伝達可能になり得る。熱交換器／締め付けは、図２に破線ＨＸで模式的に表されている。この構成は、追加のサブクーリングを可能にし、これが、今度は、第２の作動流体循環路のＣＯＰを高める可能性がある。
In some embodiments, the second working
特定の構成要素及びパラメータが説明されたが、これらは変えることができ、依然として本発明の範囲内で動作することになることを理解されたい。 Although specific components and parameters have been described, it should be understood that these can be varied and still operate within the scope of the present invention.
図示されたように、システムは、部分縦続構成になった２つの循環路を備え、各々の作動流体循環路が直接負荷に熱エネルギーを直接伝達する。ある用途では、追加の作動流体循環路を、部分縦続構成で設けることができる。例えば、第３の作動流体循環路は、第１又は第２の作動流体循環路１２又は１４から熱エネルギーを直接受け取りこの熱エネルギーを負荷循環路１６に直接伝達するように設けることができる。
As shown, the system includes two circuits in a partially cascaded configuration, each working fluid circuit directly transferring thermal energy to the load. In some applications, additional working fluid circuits can be provided in a partial cascade configuration. For example, the third working fluid circuit may be provided to receive thermal energy directly from the first or second working
他の実例の修正が、「発明の概要」の項で説明されている。 Other example modifications are described in the Summary of the Invention section.
本発明が関係する当業者には、本発明の構造及び広範囲に異なる実施例及び応用の多くの変化物が、添付の特許請求の範囲に定義されるような本発明の範囲から逸脱することなく連想されるだろう。本明細書での開示及び説明は、純粋に例示であり、いかなる意味においても限定である意図でない。この発明が関係する技術分野で知られた同等物を備える特定の完全なものが本明細書で言及される場合、そのような知られた同等物は、あたかも別々に示されたかのように本明細書に組み込まれると見なされる。 It will be apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains that many variations of the structure and broadly different embodiments and applications of the present invention may be made without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. It will be associated. The disclosures and the descriptions herein are purely illustrative and are not intended to be in any sense limiting. Where specific complete features comprising equivalents known in the art to which this invention pertains are referred to herein, such known equivalents are hereby as if presented separately. Considered to be incorporated into the book.
Claims (23)
屋外周囲空気又は大地熱源を含む外部熱エネルギー源から熱エネルギーを受け取るように構成された屋外ユニットを含む第１の作動流体循環路であって、前記負荷液体の温度が中間温度よりも低い場合に、それの熱エネルギーのいくらかを前記負荷液体に直接伝達して前記負荷液体の温度を少なくとも前記中間温度に高めるように構成された第１の作動流体循環路で、制御可能な膨張弁を含む第１の作動流体循環路と、
前記第１の作動流体循環路から前記熱エネルギーのいくらかを直接受け取るように構成された屋内第２の作動流体循環路であって、前記負荷液体の温度が前記所望温度よりも低い場合に、それの熱エネルギーのいくらかを前記負荷液体に直接伝達して前記負荷液体の温度を前記中間温度から少なくとも前記所望温度に高めるように構成された第２の作動流体循環路で、制御可能な膨張弁を含む第２の作動流体循環路と、
加熱されるべき負荷液体を循環させるための負荷循環路で、該負荷循環路中の前記負荷液体の温度を制御するのを助けるように前記負荷循環路中の前記負荷液体の流量を制御するポンプを備える負荷循環路と、
前記第１の作動流体循環路の制御可能な膨張弁と前記第２の作動流体循環路の制御可能な膨張弁と前記負荷循環路のポンプとを制御して、当該ヒート・ポンプ・システムを最適化する制御装置と、
を備え、
前記負荷循環路が、前記加熱された負荷液体を貯蔵するための流体貯蔵槽と連絡しているか、又はこの流体貯蔵槽を備え、
前記流体貯蔵槽中の負荷液体が、比較的高温の別個の上部領域と比較的低温のより冷たい負荷液体の下部領域とを含んだ水温躍層を形成して層状になるように、当該システムは動作可能であり、
前記流体貯蔵槽の少なくとも前記上部領域中の負荷液体を前記所望温度またはそれ以上に維持し、前記流体貯蔵槽の前記下部領域からより冷たい負荷液体を取り出し、前記より冷たい負荷液体を前記負荷循環路に沿って循環させて、前記より冷たい負荷液体を少なくとも前記所望温度に上昇させ、さらにその加熱された負荷液体を前記流体貯蔵槽の前記上部領域に戻すように、当該システムは動作可能であり、
前記より冷たい負荷液体が前記流体貯蔵槽から取り出されるときに前記流体貯蔵槽内において層化を実質的に維持するように、当該システムは動作可能であって、
前記制御装置は、当該システムのエネルギー必要量を最適化するために、負荷液体温度に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の作動流体循環路、前記第２の作動流体循環路及び前記負荷循環路の動作及びこれらの循環路間の相互作用を制御するように構成されている
ヒート・ポンプ・システム。 A heat pump system for raising the temperature of a load containing liquid indoors to at least a desired temperature,
A first working fluid circuit including an outdoor unit configured to receive thermal energy from an outdoor ambient air source or an external thermal energy source including a ground source , wherein the temperature of the load liquid is lower than an intermediate temperature A first working fluid circuit configured to directly transfer some of its thermal energy to the load liquid to raise the temperature of the load liquid to at least the intermediate temperature, and includes a controllable expansion valve. 1 working fluid circuit;
An indoor second working fluid circuit configured to directly receive some of the thermal energy from the first working fluid circuit, the temperature of the load liquid being lower than the desired temperature; A controllable expansion valve in a second working fluid circuit configured to directly transfer some of the heat energy to the load liquid to raise the temperature of the load liquid from the intermediate temperature to at least the desired temperature. A second working fluid circuit comprising:
A pump for controlling the flow rate of the load liquid in the load circuit to assist in controlling the temperature of the load liquid in the load circuit in a load circuit for circulating the load liquid to be heated A load circuit comprising:
Optimizing the heat pump system by controlling the controllable expansion valve of the first working fluid circuit, the controllable expansion valve of the second working fluid circuit and the pump of the load circuit A control device to
With
The load circuit is in communication with or comprises a fluid reservoir for storing the heated load liquid;
The system is such that the load liquid in the fluid reservoir is stratified by forming a water climax that includes a relatively hot separate upper region and a cooler lower load liquid lower region. Is operational,
Maintaining the load liquid in at least the upper region of the fluid reservoir at the desired temperature or above, removing cooler load liquid from the lower region of the fluid reservoir, and removing the cooler load liquid from the load circuit And the system is operable to circulate along the temperature to raise the cooler load liquid to at least the desired temperature and return the heated load liquid to the upper region of the fluid reservoir,
As the the colder load fluid to maintain a substantially stratified in the fluid storage tank when it is withdrawn from the fluid reservoir, I the system operable der,
The control device is configured to optimize the energy requirements of the system based on at least in part a load liquid temperature, the first working fluid circuit, the second working fluid circuit, and the load circuit. A heat pump system configured to control the operation of the path and the interaction between these circuits .
前記負荷液体の温度が中間温度よりも低い場合に、前記既存の屋外の熱交換器によって集められたいくらかの熱エネルギーを受け取り、さらに前記負荷液体に熱エネルギーを直接伝達して前記負荷液体の温度を前記中間温度に高めるように構成された第１の熱交換器と、
前記既存の屋外の熱交換器によって集められたいくらかの熱エネルギーを受け取るように構成された第２の熱交換器と、
前記負荷液体の温度が前記所望温度よりも低い場合に、前記第２の熱交換器によって集められた熱エネルギーを受け取り、さらに前記負荷液体に熱エネルギーを直接伝達して前記負荷液体の温度を前記中間温度から少なくとも前記所望温度に高めるように構成された第３の熱交換器と、を備え、
該装置は前記既存の屋外の熱交換器に動作可能に接続可能であって、前記既存の屋外の熱交換器、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器が第１の作動流体循環路の構成要素であるようにされ、さらに前記第１の作動流体循環路は制御可能な膨張弁を備え、
前記第２の熱交換器と前記第３の熱交換器は第２の作動流体循環路の構成要素であり、さらに前記第２の作動流体循環路は制御可能な膨張弁を備えており、
該装置は、さらに、
加熱されるべき前記負荷液体を循環する負荷循環路で、ポンプを備え、前記負荷循環路内の負荷液体の温度を制御するのを助けるように負荷循環路内の負荷液体の流量を制御する負荷循環路と、
前記第１の作動流体循環路の制御可能な膨張弁と、前記第２の作動流体循環路の制御可能な膨張弁と、前記負荷循環路のポンプとを制御して、当該システムを最適化する制御装置と、
を備え
前記負荷循環路が、前記加熱された負荷液体を貯蔵するための流体貯蔵槽と連絡しているか、又はこの流体貯蔵槽を備え、
前記流体貯蔵槽中の負荷液体が、比較的高温の別個の上部領域と比較的低温のより冷たい負荷液体の下部領域とを含んだ水温躍層を形成して層状になるように、当該装置は動作可能であり、
前記流体貯蔵槽の少なくとも前記上部領域中の負荷液体を前記所望温度またはそれ以上に維持し、前記流体貯蔵槽の前記下部領域からより冷たい負荷液体を取り出し、前記より冷たい負荷液体を前記負荷循環路に沿って循環させて、前記より冷たい負荷液体を少なくとも前記所望温度に上昇させ、さらにその加熱された負荷液体を前記流体貯蔵槽の前記上部領域に戻すように、当該装置は動作可能であり、
前記より冷たい負荷液体が前記流体貯蔵槽から取り出されるときに前記流体貯蔵槽内において層化を実質的に維持するように、当該装置は動作可能であって、
前記制御装置は、当該装置のエネルギー必要量を最適化するために、負荷液体温度に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の作動流体循環路、前記第２の作動流体循環路及び前記負荷循環路の動作及びこれらの循環路間の相互作用を制御するように構成されている、装置。 A device used in a heat pump system for raising the temperature of a load containing liquid at least to a desired temperature, the device being adapted to be placed indoors near the load and outdoors Operably connectable to an existing outdoor heat exchanger configured to collect thermal energy from an external thermal energy source including ambient air or a ground source , the device comprising:
When the temperature of the load liquid is lower than the intermediate temperature, it receives some thermal energy collected by the existing outdoor heat exchanger, and further transfers the heat energy directly to the load liquid to cause the temperature of the load liquid A first heat exchanger configured to raise the intermediate temperature to the intermediate temperature;
A second heat exchanger configured to receive some thermal energy collected by the existing outdoor heat exchanger;
When the temperature of the load liquid is lower than the desired temperature, the heat energy collected by the second heat exchanger is received, and the heat energy is directly transmitted to the load liquid to thereby change the temperature of the load liquid. A third heat exchanger configured to increase from an intermediate temperature to at least the desired temperature,
The apparatus is operably connectable to the existing outdoor heat exchanger, wherein the existing outdoor heat exchanger, the first heat exchanger, and the second heat exchanger are in a first operation. The first working fluid circuit is provided with a controllable expansion valve;
The second heat exchanger and the third heat exchanger are components of a second working fluid circuit, and the second working fluid circuit includes a controllable expansion valve,
The device further comprises:
A load circuit that circulates the load liquid to be heated and that includes a pump and that controls the flow rate of the load liquid in the load circuit to help control the temperature of the load liquid in the load circuit The circuit,
Controlling the controllable expansion valve of the first working fluid circuit, the controllable expansion valve of the second working fluid circuit and the pump of the load circuit to optimize the system A control device;
The load circuit is in communication with or comprises a fluid reservoir for storing the heated load liquid;
The apparatus is such that the load liquid in the fluid reservoir is stratified by forming a water climatic layer comprising a relatively hot separate upper region and a relatively cooler cold load liquid lower region. Is operational,
Maintaining the load liquid in at least the upper region of the fluid reservoir at the desired temperature or above, removing cooler load liquid from the lower region of the fluid reservoir, and removing the cooler load liquid from the load circuit And the apparatus is operable to circulate along the temperature to raise the cooler load liquid to at least the desired temperature and return the heated load liquid to the upper region of the fluid reservoir,
As the the colder load fluid to maintain a substantially stratified in the fluid storage tank when it is withdrawn from the fluid reservoir, I the apparatus operable der,
The control device is configured to optimize the energy requirement of the device based on at least in part on a load liquid temperature, the first working fluid circuit, the second working fluid circuit, and the load circuit. An apparatus configured to control the operation of the path and the interaction between these circuits .
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