JP6381927B2 - ヒートポンプシステムおよびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、システム負荷に対して複数台のヒートポンプを接続しているヒートポンプシステムおよびその運転方法に関するものである。

空冷ヒートポンプチラーは、外気温が低い条件下での暖房運転時に熱源側熱交換器に着霜（フロスト）し、それが進行すると、熱交換を阻害して効率が低下するため、霜を溶かす除霜（デフロスト）運転が必要となる。この場合、ヒートポンプチラーでは、利用側の水熱交換器が蒸発器として機能することにより熱を奪うため、負荷への供給温度が低下してしまうという課題が発生する。

そこで、負荷に対して複数台のヒートポンプを接続したシステムにおいて、或るヒートポンプがフロストしてデフロスト運転に入ったとき、停止していたヒートポンプを強制的に運転し、あるいは非定常運転の予備のヒートポンプを運転することにより、能力の低下分をバックアップするようにしたものが特許文献１，２に開示されている。また、特許文献３には、複数台接続されたヒートポンプの中の２台以上が同時期にデフロスト運転に入るのを極力回避するようにした技術が開示されている。

一方、近年のヒートポンプは、ユニット内モジュール化が進んでおり、例えば、個々の空冷ヒートポンプチラーをモジュール化し、そのモジュールを複数台直列に接続してユニットを構成し、更に外部負荷（システム負荷）に対して複数台のユニットを並列に接続した構成のヒートポンプシステムが実用化されている。

特開平６−７４５３１号公報 特許第３２２１２３２号公報 特開２０１３−１０８７３２号公報

しかしながら、負荷に対して複数台のヒートポンプを接続した構成のヒートポンプシステムでは、いずれかのヒートポンプがデフロスト中であっても、中に暖房能力を発揮できるヒートポンプが存在している場合、デフロスト運転に入ったヒートポンプに対応して直ちに予備や停止中のヒートポンプを追加運転する必要はなく、特許文献１，２に示すもののように、或るヒートポンプがデフロストに入ったとき、それに対応して予備機や停止機を追加運転するものでは、予備機や停止機を無駄に運転することになり兼ねず、省エネルギー化に反する等の課題を有していた。

また、デフロスト運転中のヒートポンプは、利用側熱交換器が蒸発器として機能し、熱を奪うことになるため、単純にデフロスト運転に入ったヒートポンプ台数に対応して、予備機や停止機を追加運転するだけでは、システム負荷の熱負荷に対して能力不足に陥る場合がある等の課題があった。

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、システム負荷に対して複数台のヒートポンプを接続したヒートポンプシステムにおいて、いずれかのヒートポンプがデフロスト中でもその運転台数を適切に制御できるとともに、常に負荷に対応した能力で運転ができるヒートポンプシステムおよびその運転方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明のヒートポンプシステムおよびその運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるヒートポンプシステムは、システム負荷に対して複数台のヒートポンプが接続されているヒートポンプシステムであって、暖房運転中の前記ヒートポンプが出力可能な能力の合計値を能力演算値として逐次演算し、前記能力演算値に対して、前記ヒートポンプにおける成績係数が所定値以上となる負荷率範囲の上限値である増段負荷率、または前記負荷率範囲の下限値である減段負荷率を掛けた値を閾値として前記システム負荷の熱負荷と比較し、前記熱負荷が前記能力演算値に増段負荷率を掛けた値である閾値よりも大きい場合に、前記ヒートポンプの運転台数を増加させ、前記熱負荷が前記能力演算値に減段負荷率を掛けた値である閾値よりも小さい場合に、前記ヒートポンプの運転台数を減少させ、前記ヒートポンプの運転台数を制御するシステム制御部を備え、前記システム制御部は、前記ヒートポンプのいずれかがデフロスト運転を行っている間、前記合計値から、デフロスト運転を行っているヒートポンプが奪う熱分をマイナス能力として減算することで前記能力演算値を演算可能な構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、システム負荷に対して複数台のヒートポンプを接続しているヒートポンプシステムにあって、運転中のヒートポンプが出力可能な能力を逐次演算し、その能力演算値を閾値としてシステム負荷の熱負荷と比較し、ヒートポンプの運転台数を制御するシステム制御部を備え、そのシステム制御部が、各ヒートポンプのいずれかがデフロスト運転を開始または終了したとき、そのヒートポンプの能力分を増減して各ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされているため、各ヒートポンプがデフロスト運転を開始したり、デフロスト運転を終了したりすることによって、出力可能な能力が増減したとしても、その時の運転中のヒートポンプが出力可能な能力の演算値を閾値とし、それとシステム負荷の熱負荷とを比較してヒートポンプの運転台数を制御することによって、運転中のヒートポンプに暖房能力を発揮できるヒートポンプが存在しておれば、直ちに他のヒートポンプを追加運転することなく、システム負荷の熱負荷に対応し得る能力でヒートポンプシステムを運転することができる。従って、いずれかのヒートポンプがデフロスト時でも、条件によっては他のヒートポンプの追加運転を不要とし、最少のヒートポンプ台数で効率よくヒートポンプシステムを運転することにより、省エネルギー化を図ることができる。また、ヒートポンプのオンオフ頻度を抑制し、頻繁なオンオフの繰り返しによる故障やトラブルの発生を防止して、システムの信頼性を向上することができる。更に、出力可能な能力が増減したとしても、それを含めて出力可能な能力を随時的確に演算することができるため、各ヒートポンプがデフロスト運転の有無にかかわらず、システム負荷の熱負荷に対してヒートポンプ運転台数を正確に設定して運転することができ、能力不足に陥る事態等を確実に回避することができる。
また、システム制御部が、デフロスト中のヒートポンプが奪う熱分をマイナス能力として各ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされているため、デフロスト中のヒートポンプの能力分を減ずるだけでなく、デフロスト中のヒートポンプの利用側熱交換器が蒸発器として機能し奪う熱分を、更にマイナス能力としてヒートポンプが出力可能な能力を演算することによって、より正確に出力可能な能力を演算することができる。従って、システム負荷の熱負荷に対してヒートポンプ運転台数を正確に設定して運転することができ、能力不足に陥る事態等を確実に回避することができる。
また、ヒートポンプの運転台数の増減が、システム負荷の熱負荷が能力演算値である閾値に対して、増段負荷率または減段負荷率を掛けた値以上か否かにより決定されるため、能力演算値である閾値と熱負荷とを比較してヒートポンプの運転台数を増減する際、閾値である能力演算値に増段負荷率または減段負荷率を掛けた値とシステム負荷の熱負荷とを比較し、ヒートポンプの運転台数を増減するかそのままの台数を維持するかを決定するようにしている。これにより、各ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が所定値以上となる負荷率範囲を予め設定しておき、ヒートポンプの能力と要求熱負荷との関係で規定される負荷率がその負荷率範囲の上限値（増段負荷率）を超えた場合、ヒートポンプの運転台数を増加し、負荷率が負荷率範囲の下限値（減段負荷率）を超えた場合、ヒートポンプの運転台数を減少してヒートポンプの運転台数を増減することで、各ヒートポンプを常に所定値以上のＣＯＰで運転可能とすることができ、従って、運転台数の変更にかかわらず、常にヒートポンプシステムを高ＣＯＰで効率よく安定的に運転することができる。

さらに、本発明のヒートポンプシステムは、上記のヒートポンプシステムにおいて、前記各ヒートポンプの出力可能な能力の演算は、前記各ヒートポンプ側の制御部または前記システム制御部のいずれかにより演算可能とされていることを特徴とする。

本発明によれば、各ヒートポンプの出力可能な能力の演算が、各ヒートポンプ側の制御部またはシステム制御部のいずれかにより演算可能とされているため、各ヒートポンプ側の制御部が能力の演算機能を有していない場合でも、システム制御部に能力の演算機能を付加することにより、上記の如く、或るヒートポンプがデフロスト時でも、条件によっては予備のヒートポンプを追加運転することなく、最少のヒートポンプ台数で効率よくヒートポンプシステムを運転することができる。従って、既設のヒートポンプシステムに対しても簡易に本発明を適用することができる。

さらに、本発明のヒートポンプシステムは、上述のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、前記システム制御部は、前記各ヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転を開始したとき、予め設定されている１．０未満の余裕率を掛け算して運転中の前記ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、システム制御部が、各ヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転を開始したとき、予め設定されている１．０未満の余裕率を掛け算して運転中のヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされているため、或るヒートポンプがデフロスト運転に入ったことを以って他のヒートポンプもフロストしており、デフロストに入り易い状態で運転されていると見做すことにより、この場合、出力可能な能力を予め設定されている余裕率を掛け算して演算し、そのヒートポンプに熱負荷をかけないようにすることによりフロストを抑制し、他のヒートポンプが追従してデフロスト運転に入らないようにすることができる。従って、各ヒートポンプがデフロスト運転に入る頻度を低減あるいはデフロスト運転に入るタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を高めることができる。

さらに、本発明のヒートポンプシステムは、上記のヒートポンプシステムにおいて、前記システム制御部は、前記デフロスト運転終了後の前記ヒートポンプに対して、デフロスト運転終了時点から設定時間だけ、前記出力可能能力への前記余裕率の掛け算を解除する構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、システム制御部が、デフロスト運転終了後のヒートポンプに対して、デフロスト運転終了時点から設定時間だけ、出力可能能力への余裕率の掛け算を解除する構成とされているため、出力可能な能力の演算時、デフロスト終了直後のヒートポンプが存在した場合、そのヒートポンプはフロストしていないと見做せることから余裕率を掛け算する必要がないと判断し、デフロスト終了時点から設定時間だけ余裕率の掛け算を解除することによって、より実態に近い出力可能な能力を演算することができる。これによって、出力可能な能力をより正確に演算し、システム負荷の熱負荷に対してヒートポンプ運転台数を適切に設定して運転することができる。

さらに、本発明のヒートポンプシステムは、上述のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、前記システム制御部は、前記各ヒートポンプが暖房運転を継続している時間が長くなるほど、前記余裕率を漸次低減して掛け算する構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、システム制御部が、各ヒートポンプが暖房運転を継続している時間が長くなるほど、余裕率を漸次低減して掛け算する構成とされているため、暖房運転を継続している時間が長いヒートポンプほどフロストが発生し易く、他のヒートポンプに追従してデフロスト運転に入り易くなることから、この場合、運転継続時間に応じて漸次低減する余裕率を掛け算して出力可能な能力を演算し、そのヒートポンプに熱負荷をかけないようにしてフロストを抑制することにより、他のヒートポンプのデフロスト運転入りを抑止することができる。従って、各ヒートポンプがデフロスト入りする頻度を低減あるいはデフロスト運転入りするタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を向上することができる。

さらに、本発明のヒートポンプシステムは、上述のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、前記システム制御部は、運転中の前記ヒートポンプのデフロスト回数をカウントし、その回数が多くなるほど、前記余裕率を漸次低減して掛け算する構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、システム制御部が、運転中のヒートポンプのデフロスト回数をカウントし、その回数が多くなるほど、余裕率を漸次低減して掛け算する構成とされているため、デフロストを実施しても一部の霜が溶け残しにより残存し、短時間のうちに再度デフロストに入ってデフロスト回数が多くなる場合があることから、この場合、運転中のヒートポンプのデフロスト回数をカウントし、その回数に応じて漸次低減する余裕率を掛け算して出力可能な能力を演算することにより、当該ヒートポンプに熱負荷をかけないようにしてフロストを抑制し、そのヒートポンプのデフロスト運転入りを抑止することができる。従って、各ヒートポンプがデフロスト入りする頻度を低減あるいはデフロスト運転入りするタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を向上することができる。

さらに、本発明にかかるヒートポンプシステムの運転方法は、システム負荷に対して複数台のヒートポンプが接続されているヒートポンプシステムの運転方法であって、暖房運転中の前記ヒートポンプが出力可能な能力の合計値を能力演算値として逐次演算し、前記能力演算値に対して、前記ヒートポンプにおける成績係数が所定値以上となる負荷率範囲の上限値である増段負荷率、または前記負荷率範囲の下限値である減段負荷率を掛けた値を閾値として前記システム負荷の熱負荷と比較する比較工程と、前記熱負荷が前記能力演算値に増段負荷率を掛けた値である閾値よりも大きい場合に、前記ヒートポンプの運転台数を増加させ、前記熱負荷が前記能力演算値に減段負荷率を掛けた値である閾値よりも小さい場合に、前記ヒートポンプの運転台数を減少させ、前記ヒートポンプの運転台数を制御する制御工程と、前記ヒートポンプのいずれかがデフロスト運転を行っている間、前記合計値から、デフロスト運転を行っているヒートポンプが奪う熱分をマイナス能力として減算することで前記能力演算値を演算する演算工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、システム負荷に対して複数台のヒートポンプを接続しているヒートポンプシステムの運転方法にあって、運転中のヒートポンプが出力可能な能力を逐次演算し、各ヒートポンプのいずれかがデフロスト運転を開始または終了したとき、そのヒートポンプの能力分を増減して各ヒートポンプが出力可能な能力を演算する過程と、その能力演算値を閾値としてシステム負荷の熱負荷と比較する過程と、システム負荷の熱負荷が能力演算値である閾値を超えている否かによりヒートポンプの運転台数を増減制御する過程とを備えるため、運転中のヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転を開始したり、デフロスト運転を終了したりすることによって、出力可能な能力が増減したとしても、その時の運転中のヒートポンプが出力可能な能力の演算値を閾値に、それとシステム負荷の熱負荷とを比較し、システム負荷の熱負荷が能力演算値である閾値以上か否かによりヒートポンプの運転台数を増減することによって、運転中のヒートポンプに暖房能力を発揮できるヒートポンプが存在しておれば、直ちに他のヒートポンプを追加運転することなく、システム負荷の熱負荷に対応し得る能力でヒートポンプシステムを運転することができる。従って、いずれかのヒートポンプがデフロスト時でも、条件によっては他のヒートポンプの追加運転を不要とし、最少のヒートポンプ台数で効率よくシステムを運転することにより、省エネルギー化を図ることができる。また、ヒートポンプのオンオフ頻度を抑制し、頻繁なオンオフの繰り返しによる故障やトラブルの発生を防止して、システムの信頼性を向上することができる。

本発明のヒートポンプシステムおよびその運転方法によると、運転中のヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転に入ったり、デフロスト運転を終了したりしたとしても、その時の運転中のヒートポンプが出力可能な能力の演算値を閾値とし、それとシステム負荷の熱負荷とを比較してヒートポンプの運転台数を制御することにより、運転中のヒートポンプに暖房能力を発揮できるヒートポンプが存在しておれば、直ちに他のヒートポンプを追加運転することなく、システム負荷の熱負荷に対応し得る能力でヒートポンプシステムを運転することができるため、或るヒートポンプがデフロスト時でも、条件によっては他のヒートポンプの追加運転を不要とし、最少のヒートポンプ台数で効率よくヒートポンプシステムを運転することによって、省エネルギー化を図ることができる。また、ヒートポンプのオンオフ頻度を抑制し、頻繁なオンオフの繰り返しによる故障やトラブルの発生を防止して、システムの信頼性を向上することができる。

本発明の第１実施形態に係るヒートポンプシステムの概略構成図である。 上記ヒートポンプシステムの各ユニットの構成図である。 上記ヒートポンプシステムの各ユニットの運転台数を制御する際のフローチャート図である。 上記ヒートポンプシステムの各ユニットの運転台数を増減する際の制御閾値のイメージ図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１ないし図４を用いて説明する。
図１には、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプシステムの概略構成図が示され、図２には、その各ユニットの構成図が示されている。
ヒートポンプシステム１は、ファンコイルユニット等の空調機器、給湯機器、工場設備等の外部負荷（以下、システム負荷という。）２に対して、熱媒体（ここでは、温水または冷水）を循環する熱媒体配管３を備えている。この熱媒体配管３の供給側にはサプライヘッダ４、戻り側にはリターンヘッダ５が設けられている。

リターンヘッダ５とサプライヘッダ４間には、バイパス弁６を備えたバイパス配管７が接続されており、サプライヘッダ４側からリターンヘッダ５側に対して熱媒体がバイパス可能とされている。また、リターンヘッダ５とサプライヘッダ４間には、それぞれ熱媒体配管８Ａ，８Ｂ，８Ｃおよび熱媒体ポンプ９Ａ，９Ｂ，９Ｃを介して複数台のヒートポンプ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが並列に接続されている。ここでは、３台のヒートポンプ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを並列に接続した例を示すが、台数は、システム負荷の大きさ等に応じて増減されることは云うまでもない。

以下、本実施形態では、このヒートポンプ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃをそれぞれ「ユニット」と称することとし、各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、それぞれ単独のヒートポンプで構成されるもの、複数台のヒートポンプを直列に接続して構成されるもののいずれであってもよく、また、複数台のヒートポンプで構成されるユニットの場合、それぞれのヒートポンプを「モジュール」と称することとし、このモジュールと称するヒートポンプには、モジュール化したヒートポンプ、モジュール化していない通常ヒートポンプのいずれをも含むものとする。

各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃには、各々のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを個別に制御するユニット側制御部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが設けられている。また、各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、個々のヒートポンプ（ここでは、ヒートポンプチラー）１２をモジュール１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄとして複数台直列に接続して構成したものである。なお、この実施形態では、４台のモジュール１３Ａないし１３Ｄを直列に接続することにより、１台のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを構成したものを例示しているが、モジュールの接続台数は、これに限られるものではなく、適宜増減することができるものとする。

以下に、各モジュール１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄを構成する個々のヒートポンプチラー１２の構成について説明する。
ヒートポンプチラー１２は、並列に接続される複数台の圧縮機１４Ａ，１４Ｂと、冷媒の流れ方向を切換える四方切換弁１５と、冷媒と水とを熱交換し、温水または冷水を製造する水熱交換器１６と、膨張弁１７と、外気と冷媒とを熱交換する空気熱交換器１８とを順次冷媒配管を介して接続することにより構成された閉回路の冷凍サイクルを備えたものである。このヒートポンプチラー１２自体は、公知のものでよく、各々のモジュール１３Ａないし１３Ｄとも、同一構成のヒートポンプチラー１２が使用されている。但し、必ずしも同一構成である必要はない。

個々のヒートポンプチラー１２は、それぞれ水熱交換器１６の熱媒体入口配管および出口配管に設けられている温度センサ１９，２０の検出値に基づいて圧縮機１４Ａ，１４Ｂの回転数等を制御するモジュール基板２１、インバータ基板２２Ａ，２２Ｂ等の制御系を備えたものであり、モジュール化された構成とされている。

本実施形態において、上記した各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、図２に示されるように、４台のモジュール１３Ａないし１３Ｄを熱媒体配管８Ａ，８Ｂ，８Ｃに対して直列に接続した構成とされており、そのモジュールの１つ１３Ａに、４台のモジュール１３Ａないし１３Ｄの制御を統括するユニット統括基板２３および操作部２４を備えた各ユニット側の制御部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが設けられた構成とされている。このユニット側制御部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃには、各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに対する熱媒体入口配管および出口配管に設けられた温度センサ２５，２６からの検出値が入力されるようになっている。

また、上記ヒートポンプシステム１には、システム負荷２に対して並列に接続されている複数台のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの運転台数を制御するシステム制御部２７が設けられている。このシステム制御部２７は、システム負荷２の熱負荷（流量×往還温度差×比重・比熱）Ｑと、運転しているユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが出力可能な能力Ｃとを随時演算し、その結果に基づいて両者を比較し、ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの運転台数を増減制御するものである。
以下に、システム制御部２７によるユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの運転台数の増減制御を、図３および図４を参照して詳しく説明する。

図３には、運転台数を増減する際の制御フローチャート図が示され、図４には、その制御閾値のイメージ図が示されている。
制御が開始されると、ステップＳ１およびステップＳ１１において、システム負荷２の熱負荷Ｑおよび運転中のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが出力可能な能力Ｃの計算（演算）が随時実行される。システム負荷２の熱負荷Ｑは、ステップＳ２で負荷側への送水データである主管流量Ｆ、冷水往温度Ｔｓ、冷水還温度Ｔｒ等を各センサから取得し、またステップＳ３で予め設定されている比重Ｃｐ、比熱ρ等のデータを取り込み、ステップＳ４において、下記（１）式から演算することができる。
Ｑ＝Ｆ（Ｔｒ−Ｔｓ）Ｃｐ・ρ （１）

一方、運転中のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが出力可能な能力Ｃは、ステップＳ１２で運転中のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各モジュール１３Ａないし１３Ｄのデフロスト状態監視データを、暖房運転モジュール数Ｍ_Ｈ、デフロストモジュールＭ_Ｄとして取得し、またステップＳ１３で予め設定されている各モジュール（ヒートポンプ）の定格能力Ｃｒａｔｅを取り込むことにより、ステップＳ１４において、下記（２）式から演算することができる。
Ｃ＝Σ｛Ｃｒａｔｅ（Ｍ_Ｈ／Ｍ_Ｓ＋Ｍ_Ｄ）−Ｃｒａｔｅ（Ｍ_Ｄ／Ｍ_Ｈ＋Ｍ_Ｄ）｝（２）
なお、Ｃｒａｔｅ（Ｍ_Ｄ／Ｍ_Ｈ＋Ｍ_Ｄ）を、α×Ｍ_Ｄにより代替してもよい。

ここで、暖房運転中の各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが出力可能な能力Ｃは、各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを構成している４台のモジュール１３Ａないし１３Ｄのいずれかの空気熱交換器１８がフロストした場合、その霜を溶かすためにデフロスト運転しなければならず、当該モジュールの暖房運転が中断されることから、その能力を差し引いて演算する必要がある。例えば、各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの能力を各々１００ｋＷとしたとき、上記した１ユニット４モジュールの場合、１モジュールがフロストしてデフロスト運転に入ると、各ユニットの出力可能な能力Ｃは、
１００ｋＷ×（３／４）＝７５ｋＷ
となる。

こうして演算されたシステム負荷２の熱負荷Ｑと、暖房運転中のユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力ＣとをステップＳ５において比較し、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を増減するようにしている。つまり、本実施形態においては、運転中のユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃを逐次演算し、その演算値をユニットの運転台数を増減制御する際の閾値として用いる構成としている。上記ケースでは、図４に示すように、本来、熱負荷Ｑが出力可能な能力Ｃである１００ｋＷを上回った場合、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数が増加されることになるが、１モジュールがデフロスト中であり、出力可能能力Ｃが７５ｋＷとなることから、この値を閾値としてユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数が増加されることになる。

このように、ステップＳ５においては、システム負荷２の熱負荷Ｑが出力可能な能力Ｃを上回っているが否かを判断し、ＹＥＳであれば、ステップＳ６に移行してユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を１台増加指示する。本実施形態では、熱負荷Ｑと出力可能能力Ｃとを比較してユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を増減制御するに当たり、出力可能能力Ｃに対して増段負荷率および減段負荷率を掛けた値を用いるようにしている。

この増段負荷率および減段負荷率は、各ユニット１０Ａないし１０Ｃの成績係数（ＣＯＰ）が所定値以上となる負荷率範囲を予め設定しておき、ユニット１０Ａないし１０Ｃの能力と要求熱負荷との関係で規定される負荷率がその負荷率範囲の上限値として定義される増段負荷率を超えた場合、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を増加し、負荷率が負荷率範囲の下限値として定義される減段負荷率を超えた場合、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を減少して、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を増減することによって、各ユニット１０Ａないし１０Ｃを常に所定値以上のＣＯＰで運転できるようにするものである。

これによって、ステップＳ５においては、「Ｑ＞Ｃ×増段負荷率」が判断され、熱負荷Ｑが「Ｃ×増段負荷率」を超える場合、ステップＳ６で「Ｑ＜Ｃ×増段負荷率」となるユニット台数を計算して運転台数を増加指示することになる。また、ステップＳ５でＮＯと判断されると、ステップＳ７に移行し、ここで「Ｑ＜Ｃ×減段負荷率」が判断され、熱負荷Ｑが「Ｃ×減段負荷率」未満である場合、ステップＳ８に移行し、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数減少を指示することになり、ステップＳ７でＮＯと判定されると、ステップＳ９に移行し、何もせず（運転台数を増減せず）にスタート位置に戻ることになる。

なお、上記実施形態では、運転中のユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃをシステム制御部２７で演算するようにした例について説明したが、各ユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃは、各ユニット１０Ａないし１０Ｃ側の制御部１１Ａないし１１Ｃで演算し、その演算結果をシステム制御部２７に送って運転台数の増減を決定するようなシステムとしてもよい。この場合、図４におけるステップＳ１１ないしステップＳ１４に示す機能を各ユニット１０Ａないし１０Ｃ側の制御部１１Ａないし１１Ｃが担うことになる。

斯くして、上記のヒートポンプシステム１によると、適宜台数のユニット１０Ａないし１０Ｃを運転することにより冷水または温水を製造し、その冷水または温水をシステム負荷２に循環することによりその利用に供することができる。この際、システム制御部２７またはユニット側制御部１１Ａないし１１Ｃにおいて、システム負荷２の熱負荷Ｑおよび各ユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃを随時演算され、その熱負荷Ｑと出力可能な能力Ｃとが比較されることにより、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数が増減制御され、システム負荷２の熱負荷Ｑに対応し得る能力にてヒートポンプシステム１が運転されることになる。

つまり、本実施形態では、各ユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃを逐次演算し、その能力演算値Ｃを閾値としてシステム負荷２の熱負荷Ｑと比較し、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を制御するシステム制御部２７を備えているため、各ユニット１０Ａないし１０Ｃ内のいずれかのモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト運転に入ったとしても、その時の各ユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃの演算値を閾値に、それとシステム負荷２の熱負荷Ｑとを比較してユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を制御することにより、当該ユニット１０Ａないし１０Ｃ内に暖房能力を発揮できるモジュール１３Ａないし１３Ｄが存在しておれば、直ちに他のユニット１０Ａないし１０Ｃを追加運転することなく、システム負荷２に対応し得る能力でヒートポンプシステム１を運転することができる。

従って、ユニット１０Ａないし１０Ｃ内のモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト時でも、条件によっては他のユニット１０Ａないし１０Ｃの追加運転を不要とし、最少のユニット台数で効率よくヒートポンプシステム１を運転することにより省エネルギー化を図ることができる。また、ユニット１０Ａないし１０Ｃのオンオフ頻度を抑制し、頻繁なオンオフの繰り返しによる故障やトラブルの発生を防止してヒートポンプシステム１の信頼性を向上することができる。

また、システム負荷２の熱負荷Ｑと運転中のユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃとを比較して、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を増減制御する際、システム負荷２の熱負荷Ｑが閾値である出力可能な能力Ｃに対して増段負荷率または減段負荷率を掛けた値を超えている否かで決定するようにしているため、各ユニット１０Ａないし１０Ｃを常に所定値以上の成績係数（ＣＯＰ）で運転可能とすることができ、従って、運転台数の変更にかかわらず、常にヒートポンプシステム１を高ＣＯＰで効率よく安定的に運転することができる。

また、運転中のユニット１０Ａないし１０Ｃの出力可能な能力Ｃの演算を、各ユニット１０Ａないし１０Ｃ内のいずれかのモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト運転を開始または終了したとき、そのモジュール１３Ａないし１３Ｄの能力分を増減して演算するようにしているため、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロストを開始したり、終了したりすることにより、出力可能な能力Ｃが増減しても、それを含めて出力可能な能力を随時的確に演算することができる。従って、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト運転の有無にかかわらず、システム負荷２の熱負荷Ｑに対してユニット運転台数を正確に設定して運転することができ、能力不足に陥る事態等を確実に回避することができる。

さらに、本実施形態では、各ユニット１０Ａないし１０Ｃの出力可能な能力Ｃの演算を各ユニット側の制御部１１Ａないし１１Ｃまたはシステム制御部２７のいずれかで演算可能としているため、各ユニット側の制御部１１Ａないし１１Ｃが能力の演算機能を有していない場合であっても、システム制御部２７に能力の演算機能を付加することにより、或るモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト時でも、条件によっては予備のユニットユニット１０Ａないし１０を追加運転することなく、システム負荷２の熱負荷Ｑに対応させて最少のユニット台数で効率よくヒートポンプシステム１を運転することができる。これにより、既設のヒートポンプシステムに対しても簡易に本発明を適用することができる。

［他の実施形態］
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
［実施例１］
上記した第１実施形態では、各ユニット１０Ａないし１０Ｃを構成している複数台のモジュール１３Ａないし１３Ｄのいずれかがデフロスト運転に入ったり、その運転が終了したりした際、そのモジュール１３Ａないし１３Ｄの能力分を増減して出力可能な能力Ｃを演算するようにしているが、ヒートポンプでは、暖房時にデフロスト運転に入ると、利用側熱交換器である水熱交換器１６が蒸発器として機能するため、当該モジュール１３Ａないし１３Ｄでは負荷側から熱を奪うことになる。

本実施例では、この点を考慮して出力可能な能力Ｃを演算するようにしたものである。
つまり、デフロスト運転に入ったモジュール１３Ａないし１３Ｄは、出力可能な能力Ｃが零になるだけでなく、熱を奪う分がマイナス能力として作用するため、上記した１ユニットが４モジュールの場合、１モジュールがフロストしてデフロスト運転に入ると、各ユニットの出力可能な能力Ｃは、
１００ｋＷ×（３／４）−１００ｋＷ×（１／４）＝５０ｋＷ
となる。また、３モジュールがフロストしてデフロスト運転に入ると、
１００ｋＷ×（１／４）−１００ｋＷ×（３／４）＝−５０ｋＷ
となり、ユニット１０Ａないし１０Ｃの能力が、マイナス能力となるため、追加されるユニットの運転台数は、１台もしくは２台になることも考えられる。

このように、デフロスト中のモジュール１３Ａないし１３Ｄの能力分を差し引くだけでなく、デフロスト中のモジュール１３Ａないし１３Ｄの利用側熱交換器が蒸発器として機能し奪う熱分を、マイナス能力としてユニット１０Ａないし１０Ｃの出力可能能力Ｃを演算することによって、より正確に出力可能能力Ｃを演算することができるため、システム負荷２の熱負荷Ｑに対してユニット運転台数を正確に設定して運転することができ、能力不足に陥る事態等を確実に回避することができる。

［実施例２］
さらに、ユニット１０Ａないし１０Ｃ内のいずれかのモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト運転に入ったことを以って、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄもフロストしており、デフロストに入り易い状態で運転されていると見做すことができる。このような場合、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄも追従してデフロストに入る虞があり、それを回避するため、出力可能な能力Ｃを演算する際、余裕率（例えば、０．９）を設定してそれを割り掛け（掛け算）し、ユニット１０Ａないし１０Ｃに対して熱負荷をかけないようにすることにより、フロストを抑制し、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄが追従してデフロスト運転に入らないようにすることができる。

この場合の各ユニット１０Ａないし１０Ｃの出力可能な能力Ｃは、上記した１ユニット４モジュールの場合で、１モジュールがデフロストのとき、
１００ｋＷ×（３／４）×０．９＝６７．５ｋＷ
あるいは、
１００ｋＷ×（３／４）×０．９−１００ｋＷ×（１／４）＝４２．５ｋＷ
として演算することができる。

このように、デフロストに入り易い状態で運転していると見做すことができる場合、出力可能な能力Ｃを予め設定されている余裕率を掛け算して演算し、そのユニット１０Ａないし１０Ｃに熱負荷をかけないようにすることにより、フロストを抑制し、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄが追従してデフロスト運転に入らないようにすることができ、これによって、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロストに入る頻度を低減あるいはデフロストに入るタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を高めることができる。

なお、余裕率は、上記では「例えば、０．９」としたが、これに限定されるものではないことは云うまでもなく、適宜変更してもよい。また、暖房運転しているモジュール１３Ａないし１３Ｄの数に応じて、余裕率を変えるようにしてもよい。

［実施例３］
上記実施例２では、ユニット１０Ａないし１０Ｃの出力可能な能力Ｃの演算時、余裕率を掛け算することにより、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロストに入り難くなるようにしているが、デフロスト終了後のモジュール１３Ａないし１３Ｄは、通常フロストしていないと見做すことができる。このため、デフロスト終了後のモジュール１３Ａないし１３Ｄについては、デフロスト運転終了時点から設定時間Ｔだけ、出力可能な能力Ｃの演算時において、上記余裕率の掛け算を解除するようにしてもよい。

つまり、上記実施例２の後者のケースで、１モジュールがデフロスト中で、１モジュールがデフロスト終了後Ｔ時間以内の場合、
１００ｋＷ×（２／４）×０．９＋１００ｋＷ×（１／４）−１００ｋＷ×（１／４）＝４５ｋＷ
として出力可能な能力Ｃを演算することができる。

このように、ユニット１０Ａないし１０Ｃ内にデフロスト終了直後のモジュール１３Ａないし１３Ｄが存在した場合、そのモジュール１３Ａないし１３Ｄに対してデフロスト運転終了時点から設定時間だけ、出力可能な能力Ｃの演算時、余裕率の掛け算を解除することにより、より実態に近い出力可能能力Ｃを演算することができる。従って、出力可能能力Ｃをより正確に演算し、システム負荷２の熱負荷Ｑに対してユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を適切に設定して運転することができる。

［実施例４］
また、各ユニット１０Ａないし１０Ｃまたはモジュール１３Ａないし１３Ｄが暖房運転を継続している時間が長くなるほど、フロストが発生し易く、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄに追従してデフロスト運転に入り易くなる。このため、暖房運転の継続時間に応じて、その時間が長くなるほど、上記余裕率を漸次低減して掛け算するようにすることができる。つまり、余裕率の設定に時間的な概念を取り入れ、例えば、ｔ分経過する度に余裕率を１０％ずつ低下するようにする。

この場合、１ユニット４モジュールで、１モジュールがデフロスト中のとき、ユニット１０Ａないし１０Ｃとしてのデフロストがｔ分継続時、出力可能な能力Ｃは、
１００ｋＷ×（３／４）×（１−０．１×ｔ）−１００ｋＷ×（１／４）＝５０ｋＷ
として演算することができる。

このように、運転継続時間に応じて漸次低減される余裕率を掛け算して出力可能な能力Ｃを演算し、そのユニット１０Ａないし１０Ｃに熱負荷をかけないようにしてフロストを抑制することにより、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄのデフロスト運転入りを抑止することができる。従って、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト入りする頻度を低減あるいはデフロスト運転入りするタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を向上することができる。

［実施例５］
さらに、デフロストを実施しても霜が溶け残しにより残存することがあり、このような場合、再度デフロスト入りし易くなる。そこで、ユニット１０Ａないし１０Ｃが運転中のモジュール１３Ａないし１３Ｄのデフロスト回数をカウントし、デフロスト回数が多くなるほど、余裕率を漸次低減して掛け算するようにしてもよい。つまり、デフロスト回数に応じて、例えば１回のデフロストにより余裕率を１０％ずつ低下させて掛け算し、出力可能な能力Ｃを演算するようにする。

この場合、１ユニット４モジュールで、１モジュールがデフロストに入り、運転継続している３モジュールがそれぞれ２回デフロスト済みのとき、出力可能な能力Ｃは、
１００ｋＷ×（３／４）×（１−０．１×２）−１００ｋＷ×（１／４）＝３５ｋＷ
として演算することができる。

このように、デフロスト時の霜の溶け残しによって、短時間のうちに再度デフロスト入りしてデフロスト回数が多くなることがあるので、この場合、ユニット運転中のモジュール１３Ａないし１３Ｄのデフロスト回数をカウントし、その回数に応じて漸次低減された余裕率を掛け算して出力可能能力Ｃを演算することにより、当該ユニット１０Ａないし１０Ｃに熱負荷をかけないようにしてフロストを抑制し、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄのデフロスト運転入りを抑止することができる。このため、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト入りする頻度を低減あるいはデフロスト運転入りするタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を向上することができる。

なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト時に奪う熱量を各モジュール１３Ａないし１３Ｄの能力と同等としたが、別途固定値を与えるようにしてもよい。

更に、上記実施形態では、便宜上、個々のヒートポンプをモジュールまたはそれを１台または複数台接続したものをユニットと称して説明したが、本発明は、負荷に対して個別のヒートポンプを複数台接続したヒートポンプシステム、または複数台のヒートポンプをユニットとし、それを複数台接続したヒートポンプシステムのいずれにも適用することができるものであり、この場合、それぞれにおいてモジュールあるいはユニットをヒートポンプと読み替えればよく、また、各々のヒートポンプは、上述した通り、モジュール化されたもの、されていないもののいずれであってもよい。

１ ヒートポンプシステム
２ システム負荷（外部負荷）
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ ユニット（ヒートポンプ）
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ ユニット側制御部
１２ ヒートポンプ（ヒートポンプチラー）
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ モジュール（ヒートポンプ）
２７ システム制御部

Claims (7)

1. システム負荷に対して複数台のヒートポンプが接続されているヒートポンプシステムであって、
   暖房運転中の前記ヒートポンプが出力可能な能力の合計値を能力演算値として逐次演算し、前記能力演算値に対して、前記ヒートポンプにおける成績係数が所定値以上となる負荷率範囲の上限値である増段負荷率、または前記負荷率範囲の下限値である減段負荷率を掛けた値を閾値として前記システム負荷の熱負荷と比較し、前記熱負荷が前記能力演算値に増段負荷率を掛けた値である閾値よりも大きい場合に、前記ヒートポンプの運転台数を増加させ、前記熱負荷が前記能力演算値に減段負荷率を掛けた値である閾値よりも小さい場合に、前記ヒートポンプの運転台数を減少させ、前記ヒートポンプの運転台数を制御するシステム制御部を備え、
   前記システム制御部は、前記ヒートポンプのいずれかがデフロスト運転を行っている間、前記合計値から、デフロスト運転を行っているヒートポンプが奪う熱分をマイナス能力として減算することで前記能力演算値を演算可能な構成とされていることを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記各ヒートポンプの出力可能な能力の演算は、前記各ヒートポンプ側の制御部または前記システム制御部のいずれかにより演算可能とされていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記システム制御部は、前記各ヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転を開始したとき、予め設定されている１．０未満の余裕率を掛け算して運転中の前記各ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされていることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記システム制御部は、前記デフロスト運転終了後の前記ヒートポンプに対して、デフロスト運転終了時点から設定時間だけ、前記出力可能な能力への前記余裕率の掛け算を解除する構成とされていることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプシステム。
5. 前記システム制御部は、前記各ヒートポンプが暖房運転を継続している時間が長くなるほど、前記余裕率を漸次低減して掛け算する構成とされていることを特徴とする請求項３または４に記載のヒートポンプシステム。
6. 前記システム制御部は、運転中の前記ヒートポンプのデフロスト回数をカウントし、その回数が多くなるほど、前記余裕率を漸次低減して掛け算する構成とされていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
7. システム負荷に対して複数台のヒートポンプが接続されているヒートポンプシステムの運転方法であって、
   暖房運転中の前記ヒートポンプが出力可能な能力の合計値を能力演算値として逐次演算し、前記能力演算値に対して、前記ヒートポンプにおける成績係数が所定値以上となる負荷率範囲の上限値である増段負荷率、または前記負荷率範囲の下限値である減段負荷率を掛けた値を閾値として前記システム負荷の熱負荷と比較する比較工程と、
   前記熱負荷が前記能力演算値に増段負荷率を掛けた値である閾値よりも大きい場合に、前記ヒートポンプの運転台数を増加させ、前記熱負荷が前記能力演算値に減段負荷率を掛けた値である閾値よりも小さい場合に、前記ヒートポンプの運転台数を減少させ、前記ヒートポンプの運転台数を制御する制御工程と、
   前記ヒートポンプのいずれかがデフロスト運転を行っている間、前記合計値から、デフロスト運転を行っているヒートポンプが奪う熱分をマイナス能力として減算することで前記能力演算値を演算する演算工程と、
   を含むことを特徴とする運転方法。

Images