JP6570766B2 - 暖房制御システムおよびヒートポンプ給湯暖房システム - Google Patents

Description

本発明は、住宅またはアパート等の比較的小規模な建物に利用され、冷媒を用いた熱源機と負荷側装置との間に熱媒体を循環させて暖房を行う温水回路において、熱媒体の流量を可変する水循環ポンプを制御する暖房制御システムおよびヒートポンプ給湯暖房システムに関する。

欧州では負荷側装置として、床暖房パネルまたはラジエータ（パネルヒータ）等のような、温水循環により輻射暖房を行う放熱器が一般に使用されている。また近年、省エネルギー化の観点から、または環境規制等により、暖房に使用される水循環ポンプを一定速ポンプから可変速ポンプに変更したものがある。流量制御は、水循環ポンプにて流量を可変に調整することにより、水循環ポンプの動力すなわち消費電力を低減することを目的としている。また流量制御は、負荷側装置に流入する熱媒体の温度と負荷側装置から流出する熱媒体の温度との温度差を一定に保つことにより、熱源機の運転効率を向上させることを目的としている。しかし負荷側装置には、例えば、室温２０度の部屋で、熱源機へ戻る熱媒体の温度を２０度以下にすることはできない、というような放熱限界が存在する。そのため、接続機器の性能または環境条件等を無視して、負荷側装置における熱媒体の温度差を一定に保つために流量が過度に調整されると、例えば、霜取運転時に流量が低下しすぎて循環水が凍結する場合がある。これに対し、流量制御において下限流量を考慮した熱媒体流量制御装置が開示されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１において熱媒体流量制御装置は、熱源機の運転状態から熱媒体流量調整状態のパターンを決定する。例えば、パターンＣと決定された場合には、上限流量と、熱源機で規定される下限流量との間において、熱源機の出湯温度と入水温度との温度差およびそれらの温度目標値に基づいて算出した流量で流量調整がなされる。

国際公開第２０１６／０１０００６号

特許文献１の熱媒体流量制御装置において、下限流量は、熱源機の運転に支障をきたさない下限量である。したがって、水循環ポンプを制御して流量調整を行う室内機は、流量制御を実施する上で、予め下限流量を把握しておく必要がある。しかしながら、負荷側装置に接続可能な熱源機は複数機種存在しており、また熱源機の機種は今後も増加していくため、室内機において熱源機の「下限流量」を把握しておくことは困難である。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、熱媒体の流量可変制御を行うために、予め熱源機の下限流量情報を必要としない暖房制御システムおよびヒートポンプ給湯暖房システムを提供することを目的としている。

本発明に係る暖房制御システムは、熱源機と放熱器とを配管を介して循環する熱媒体の流量を可変する水循環ポンプを制御する暖房制御システムであって、前記熱源機から流出する前記熱媒体の出湯温度を検出する出湯温度センサと、前記熱源機に流入する前記熱媒体の入水温度を検出する入水温度センサと、前記配管を流れている前記熱媒体の流量を計測するフローセンサと、前記水循環ポンプを制御することで前記熱媒体の流量を調整する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記フローセンサにより計測された前記熱媒体の流量、前記出湯温度センサにより検出された出湯温度、および前記入水温度センサにより検出された入水温度である熱媒体情報を収集するデータ収集部と、前記データ収集部により収集された前記熱媒体情報に基づき、前記熱源機で供給される熱量が最小のときに流れる下限流量を算出する下限流量算出部と、前記下限流量算出部により算出された前記下限流量に基づいて、前記水循環ポンプの制御を行う流量制御司令部と、を備えたものである。

本発明の暖房制御システムによれば、フローセンサ、出湯温度センサ、および入水温度センサから収集した熱媒体情報に基づいて、接続されている熱源機に対する熱媒体の下限流量が算出される。そのため、暖房制御システムは、放熱器に接続され得る複数の熱源機の下限流量情報を予め記憶しておく必要がなく、また、算出された下限流量に基づいて、接続された熱源機に適した流量制御を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯暖房システムを示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る制御装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る制御装置が行う制御の一例を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯暖房システムを示す構成図である。ヒートポンプ給湯暖房システムは、温水回路と暖房制御システムとにより構成されている。図１に基づいて、暖房運転が行われる場合を例に、ヒートポンプ給湯暖房システムについて説明する。

温水回路１１は、熱源機２００、放熱器２１０、および、熱源機２００と放熱器とを接続する配管１０により構成される。また温水回路１１は、温水回路１１に熱媒体を循環させる水循環ポンプ２２０を備えている。水循環ポンプ２２０は配管１０等に設置され、例えば回転数制御により、熱媒体の流量を可変に調整する。また熱媒体とは、例えば、水を主成分とする液体である。

熱源機２００は、熱媒体を加熱するものであり、例えば、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプ室外機を示す。熱源機２００が冷媒回路を備える場合を例に、熱源機２００の構成について説明する。冷媒回路は、空気冷媒熱交換器２０３、圧縮機２０２、冷媒水熱交換器２０１、および冷媒流量調節弁２０４等が冷媒配管により接続されて構成される。空気冷媒熱交換器２０３は、空気中の熱を採熱して冷媒を加熱するものである。圧縮機２０２は、冷媒回路に冷媒を循環させるもので、熱源機２００の加熱能力は、圧縮機２０２の回転数等に応じて変化する。冷媒水熱交換器２０１は、冷媒が流れる流路と水熱媒が流れる流路とを備え、冷媒と熱媒体との間で熱交換を行うものである。なお、図示していないが、冷媒回路には四方弁等が設けられており、冷媒水熱交換器２０１は、暖房運転時に熱媒体を加熱し、冷房運転時には熱媒体を冷却するように構成されている。冷媒水熱交換器２０１にて熱交換された温水は、放熱器２１０へ送られる。

負荷側装置である放熱器２１０は、例えば床暖房パネルまたはラジエータにより構成される。放熱器２１０は、床下、室内、または室内の壁面等に設置され、熱源機２００で供給されて熱媒体により運ばれた熱を放熱することで暖房を行う。

配管１０は、行き配管１０ａおよび戻り配管１０ｂを有している。行き配管１０ａは、熱源機２００により加熱された熱媒体を放熱器２１０に供給するものであり、一端は冷媒水熱交換器２０１の流出口に接続され、他端は放熱器２１０の流入口に接続されている。戻り配管１０ｂは、放熱器２１０から流出した熱媒体を熱源機２００に戻すものであり、一端は放熱器２１０の流出口に接続され、他端は冷媒水熱交換器２０１の流入口に接続されている。

暖房制御システム１は、暖房運転を制御するものである。暖房制御システム１は、制御装置５と、フローセンサ２と、出湯温度センサ３と、入水温度センサ４等とにより構成される。暖房制御システム１は、水循環ポンプ２２０を制御するとともに、熱源機２００へ運転指令を送信する。

フローセンサ２は、温水回路１１に設置され、配管１０を流れている熱媒体の流量を計測するものである。出湯温度センサ３は、行き配管１０ａに設置され、熱源機２００から放熱器２１０へ流れる熱媒体の出湯温度を検出するものである。入水温度センサ４は、戻り配管１０ｂに設置され、放熱器２１０から熱源機２００へ流れる熱媒体の入水温度を検出するものである。出湯温度センサ３および入水温度センサ４は、それぞれ、例えばサーミスタで構成される。

制御装置５は、水循環ポンプ２２０を制御するもので、マイクロコンピュータ等により構成されている。制御装置５には、フローセンサ２、出湯温度センサ３、および入水温度センサ４等が接続されている。また制御装置５は、水循環ポンプ２２０に接続されており、出湯温度と入水温度との温度差に基づいて水循環ポンプ２２０の動作を制御することで熱媒体の流量を調整している。

また暖房制御システム１は、利用者が各種設定を行うためのリモコン６を備えていてもよい。リモコン６は、表示部および複数スイッチ等を備えており、制御装置５と、有線または無線通信により相互に通信できるように接続されている。利用者がリモコン６を操作して入力した設定データは、制御装置５へ送信される。またリモコン６は、利用者により設定が行われる際、制御装置５から必要な情報を取得して表示部に表示するよう構成されている。設定データとは例えば、暖房運転時における目標出湯温度、出湯温度の上限温度および下限温度等である。

図２は、本発明の実施の形態１に係る制御装置の機能構成を示すブロック図である。図２に基づき、制御装置５の機能、および制御装置５における信号の流れについて説明する。制御装置５は、データ収集部５１と、下限流量算出部５２と、流量制御司令部５３とにより構成されている。

データ収集部５１は、フローセンサ２、出湯温度センサ３および入水温度センサ４から、熱媒体の流量Ｆｗ１、出湯温度ＴＨＷ１および入水温度ＴＨＷ２等の熱媒体情報を受信する。またデータ収集部５１は、リモコン６から入力された設定データを受信して記憶する。データ収集部５１は、上記の複数のセンサから収集した熱媒体情報、およびリモコン６を介して設定された設定データを、下限流量算出部５２に出力する。

下限流量算出部５２は、データ収集部５１から入力された熱媒体情報および設定データ等に基づき、流量制御の開始判定および終了判定を行う。また下限流量算出部５２は、データ収集部５１から入力された情報に基づき、接続されている熱源機２００での熱媒体の下限流量を推定するものである。ここで下限流量とは、冷媒水熱交換器２０１で供給される熱量が最小のときに流れる熱媒体の流量を示している。下限流量算出部５２は、算出した下限流量を流量制御司令部５３へ出力する。

流量制御司令部５３は、下限流量算出部５２から入力された下限流量に基づいて、水循環ポンプ２２０の制御を行う。流量制御司令部５３は、水循環ポンプ２２０に制御信号を送信することで水循環ポンプ２２０の動作を制御し、配管１０に流れる熱媒体の流量を調整する。流量制御司令部５３は、データ収集部５１により収集される出湯温度ＴＨＷ１と入水温度ＴＨＷ２との温度差に応じて、熱媒体を循環させる流量を決定している。流量制御司令部５３は、このような流量制御において水循環ポンプ２２０が可変する流量の下限値として、下限流量算出部５２で算出した流量下限値を用いる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る制御装置が行う制御の一例を示すフローチャートである。一般に、循環させる熱媒体の適正流量は、熱源機２００の供給能力と相関関係にある。そのため制御装置５は、低負荷時における熱源機２００の供給能力Ｑｈｐを、収集した熱媒体情報に基づいて推定し、推定した供給能力Ｑｈｐと設定された熱媒体の目標温度差ΔＴとに基づいて適正流量Ｆｗ２を算出するよう構成されている。そして制御装置５は、低負荷時に算出した適正流量Ｆｗ２を、流量調整の下限流量ＦｗＬとして設定する。

図３のフローチャートに沿って、制御装置５が、熱源機２００に対して下限流量ＦｗＬを設定する具体的な手順について説明する。熱源機２００が最低能力で運転している状態において、図３に示される制御を開始する。なお、熱源機２００が最低能力で運転している状態とは、熱源機２００から供給される熱量が最小となる状態あり、例えば、圧縮機２０２が設定下限値の周波数で稼動している状態を示す。また図３の制御は、利用者がリモコン６等を介して入力した指令に基づいて、制御装置５が、熱源機２００を最低能力とする運転指令を送信し、ステップＳＴ１０１からステップＳＴ１０４を行う構成であってもよい。

まずステップＳＴ１０１において、データ収集部５１は、フローセンサ２、出湯温度センサ３、および入水温度センサ４から熱媒体情報を収集する。データ収集部５１は、収集した熱媒体情報と、制御装置５に設定されている設定データとを下限流量算出部５２に出力する。

ステップＳＴ１０２において、下限流量算出部５２は、熱媒体情報に基づいて熱源機２００の供給能力Ｑｈｐを（式１）により算出する。

安全率αは、フローセンサ２、出湯温度センサ３および入水温度センサ４の精度を考慮した値（１以上）である。なおセンサの精度は、例えば部品ばらつきまたは分解能等に依存する。

次に下限流量算出部５２は、算出された供給能力Ｑｈｐに基づいて適正流量Ｆｗ２を（式２）により算出する（ステップＳＴ１０３）。

目標温度差ΔＴは、霜取運転時の水凍結とならない範囲の温度差であって、かつ高効率運転となる温度差を示す。目標温度差ΔＴは、制御装置５に予め設定されていてもよい。また例えば、リモコン６を介して設定された設定データおよび熱媒体情報等に基づいて、下限流量算出部５２が目標温度差ΔＴを決定する構成であってもよい。

そして下限流量算出部５２は、算出された適正流量Ｆｗ２を下限流量として流量制御司令部５３に通知する。

流量制御司令部５３は、下限流量算出部５２により通知された下限流量を、熱源機２００における熱媒体の下限流量ＦｗＬとして設定する（ステップＳＴ１０４）。流量制御司令部５３において流量制御の下限流量ＦｗＬが設定されると、図３に示される制御は終了する。

制御装置５は、出湯温度ＴＨＷ１と入水温度ＴＨＷ２との温度差に応じて水循環ポンプ２２０を動作させ、温水回路１１を循環する熱媒体の流量を調整する。接続されている熱源機２００について、図３で示されるように下限流量ＦｗＬが設定された後では、流量制御司令部５３は、下限流量ＦｗＬを用いて流量制御する。例えば暖房運転時には、熱媒体の流量は、下限流量ＦｗＬ以上となる範囲で調整される。

以上のように、実施の形態１において暖房制御システム１は、出湯温度センサ３と、入水温度センサ４と、フローセンサ２と、制御装置５と、を備え、制御装置５は、フローセンサ２により計測された熱媒体の流量Ｆｗ１、出湯温度センサ３により検出された出湯温度ＴＨＷ１、および入水温度センサ４により検出された入水温度ＴＨＷ２である熱媒体情報を収集するデータ収集部５１と、データ収集部５１により収集された熱媒体情報に基づき、熱源機２００で供給される熱量が最小のときに流れる下限流量を算出する下限流量算出部５２と、下限流量算出部５２により算出された下限流量に基づいて、水循環ポンプ２２０の制御を行う流量制御司令部５３と、を備えるものである。

これより、熱媒体の流量制御を行う暖房制御システム１において、温水回路１１に接続されている熱源機２００の下限流量を算出するので、接続され得る複数機種の熱源機について機器情報を予め取得し制御装置に記憶させておく等といった作業を省略できる。また熱源機２００が温水回路１１に接続されれば下限流量は算出できるので、新機種の増加にも対応できる。

また、下限流量算出部５２は、熱源機２００で供給される熱量が最小である状態において、熱媒体情報に基づき熱源機２００の供給能力Ｑｈｐを算出し、算出された供給能力Ｑｈｐ、および予め設定された出湯温度と入水温度との目標温度差ΔＴに基づき適正流量Ｆｗ２を算出し、流量制御司令部５３は、算出された適正流量Ｆｗ２を下限流量ＦｗＬとして設定する。

これより、下限流量算出部５２は、適正流量と熱源機２００の供給能力との相関関係を利用することで、データ収集部５１から入力された熱媒体情報に基づいて、接続される熱源機について下限流量を推定することができる。

また、ヒートポンプ給湯暖房システムは、ヒートポンプサイクルを構成し、熱媒体を加熱する熱源機２００と、熱源機２００に、熱媒体が流れる配管１０を介して接続された放熱器２１０と、熱源機２００と放熱器２１０とに熱媒体を循環させる水循環ポンプ２２０と、上述した暖房制御システム１とを備えるものである。

これより、ヒートポンプ給湯暖房システムは、接続され得る複数機種の熱源機について機器情報を予め取得することなしに、接続されている熱源機２００に対応した下限流量を設定できる。また、その下限流量を用いて、温水回路１１に流れる熱媒体の流量調整がなされるので、霜取運転時の水凍結や、冷媒回路の高圧異常等といった熱媒体の流量の変化に起因する事象の発生を回避することができる。

なお、本発明の実施の形態は上記実施の形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、本実施の形態では、熱媒体として水を用いた場合について説明したが、熱媒体は特にこれに限定されず、設置国における規制の範囲内で、種々の液体（例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、或いはこれらの混合物等）を用いることができる。

また下限流量算出部５２は、適正流量Ｆｗ２を、下限流量として流量制御司令部５３に通知する代わりに、制御装置５に設けられた記憶手段に下限流量ＦｗＬとして設定する構成であってもよい。この場合、流量制御司令部５３は、記憶手段に設定された下限流量ＦｗＬを参照して流量制御を行う。また、記憶手段に、下限流量として初期値または設定値が記憶されている場合には、図３のステップＳＴ１０４において、これらの設定値を新たに算出した下限流量で置換すればよい。

１ 暖房制御システム、２ フローセンサ、３ 出湯温度センサ、４ 入水温度センサ、５ 制御装置、６ リモコン、１０ 配管、１０ａ 行き配管、１０ｂ 戻り配管、１１ 温水回路、５１ データ収集部、５２ 下限流量算出部、５３ 流量制御司令部、２００ 熱源機、２０１ 冷媒水熱交換器、２０２ 圧縮機、２０３ 空気冷媒熱交換器、２０４ 冷媒流量調節弁、２１０ 放熱器、２２０ 水循環ポンプ、Ｆｗ１ 流量、Ｆｗ２ 適正流量、ＦｗＬ 下限流量、Ｑｈｐ 供給能力、ＴＨＷ１ 出湯温度、ＴＨＷ２ 入水温度、ΔＴ 目標温度差。

Claims (3)

1. 熱源機と放熱器とを配管を介して循環する熱媒体の流量を可変する水循環ポンプを制御する暖房制御システムであって、
   前記熱源機から流出する前記熱媒体の出湯温度を検出する出湯温度センサと、
   前記熱源機に流入する前記熱媒体の入水温度を検出する入水温度センサと、
   前記配管を流れている前記熱媒体の流量を計測するフローセンサと、
   前記水循環ポンプを制御することで前記熱媒体の流量を調整する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記フローセンサにより計測された前記熱媒体の流量、前記出湯温度センサにより検出された出湯温度、および前記入水温度センサにより検出された入水温度である熱媒体情報を収集するデータ収集部と、
   前記データ収集部により収集された前記熱媒体情報に基づき、前記熱源機で供給される熱量が最小のときに流れる下限流量を算出する下限流量算出部と、
   前記下限流量算出部により算出された前記下限流量に基づいて、前記水循環ポンプの制御を行う流量制御司令部と、を備えた
   暖房制御システム。
2. 前記下限流量算出部は、前記熱源機で供給される熱量が最小である状態において、前記熱媒体情報に基づき前記熱源機の供給能力を算出し、算出された前記供給能力、および設定された出湯温度と入水温度との目標温度差に基づき適正流量を算出し、
   前記流量制御司令部は、算出された前記適正流量を下限流量として設定する請求項１記載の暖房制御システム。
3. ヒートポンプサイクルにより構成され、熱媒体を加熱する熱源機と、
   前記熱源機に、前記熱媒体が流れる配管を介して接続された放熱器と、
   前記熱源機と前記放熱器とに前記熱媒体を循環させる水循環ポンプと、
   請求項１又は２記載の暖房制御システムとを備える
   ヒートポンプ給湯暖房システム。

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