JP6830296B2 - 複合熱源ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、外気以外の所定熱源を熱源とするヒートポンプ回路および外気を熱源とするヒートポンプ回路を有し、熱交換により加熱または冷却された負荷側の循環液を熱交換端末に供給することにより冷暖房を実行可能な複合熱源ヒートポンプ装置に関するものである。

従来、この種の複合熱源ヒートポンプ装置においては、外気以外の所定熱源を熱源とするヒートポンプ回路の負荷側熱交換器と、外気を熱源とするヒートポンプ回路の負荷側熱交換器とを、熱交換端末側の循環液が循環する循環回路に対して直列に連結し、外気温度と基準温度の比較によりいずれか一方のヒートポンプ回路の圧縮機を優先動力源、他方のヒートポンプ回路の圧縮機を補助動力源に設定し、熱交換端末に供給される循環液を加熱する暖房運転の立ち上げ時に、まず優先動力源のみを所定の優先回転速度で駆動させ、所定の目標時間の経過時における循環液の温度が所定の目標温度に到達していない場合、または所定の時間範囲内における循環液の温度変化率が所定の閾値に満たない場合には、補助動力源も所定の補助回転速度で駆動させる立ち上げ制御を行うものがあった。（例えば、特許文献１参照。）

特開２０１６−２３８２７号公報

ところで、近年、循環液を加熱して熱交換端末に供給する暖房運転を行うだけでなく、循環液を冷却して熱交換端末に供給する冷房運転も行うことができるヒートポンプ装置が普及してきており、従来のものにおける暖房運転の立ち上げ制御を、冷房運転に適用することが考えられた。

ここで、前記暖房運転の立ち上げ制御をそのまま冷房運転に適用した場合、まず優先動力源のみを所定の優先回転速度で駆動させ、所定の目標時間の経過時における循環液の温度が所定の目標温度に到達していない場合、または所定の時間範囲内における循環液の温度変化率が所定の閾値に満たない場合には、補助動力源も所定の補助回転速度で駆動させるものであるが、外気温度、室内設定温度、循環液の目標設定温度を鑑みると、冷房負荷は暖房負荷に比べて小さく、冷房運転時に暖房運転時と同じ立ち上げ制御を行うと出力過多となり、循環液の温度が目標温度に到達した後に大きくアンダーシュートしてしまい、目標温度に安定するまでに時間がかかり、無駄な電力の増大を招くという問題があった。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、冷房運転および暖房運転の立ち上げ時において、簡易な制御により循環液の温度を目標温度に迅速に到達させ、冷房運転時における負荷側循環液の目標温度からのアンダーシュート、および暖房運転時における負荷側循環液の目標温度からのオーバーシュートを効果的に抑制することができる複合熱源ヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、請求項１では、第１圧縮機、第１四方弁、第１負荷側熱交換器、第１膨張弁、及び、外気とは別の所定の熱源と熱交換可能な第１熱源側熱交換器、を第１冷媒配管で接続した第１ヒートポンプ回路と、第２圧縮機、第２四方弁、第２負荷側熱交換器、第２膨張弁、及び、外気と熱交換可能な第２熱源側熱交換器、を第２冷媒配管で接続した第２ヒートポンプ回路と、前記第１負荷側熱交換器、前記第２負荷側熱交換器、熱交換端末を、負荷側配管で接続し、前記第１負荷側熱交換器または前記第２負荷側熱交換器にて冷却あるいは加熱された循環液を前記熱交換端末に循環させる負荷側循環回路と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、動作を制御する制御装置と、を有し、冷却された前記循環液を前記熱交換端末に供給する冷房運転および加熱された前記循環液を前記熱交換端末に供給する暖房運転を行う複合熱源ヒートポンプ装置において、前記制御装置は、前記冷房運転および前記暖房運転の立ち上げ時において、前記外気温度検出手段が検出した外気温度に基づいて前記第１圧縮機および前記第２圧縮機のうち一方を優先動力源、他方を補助動力源と判定する優先回路判定ステップと、最大回転速度よりも回転速度を低く設定して前記優先動力源のみを駆動する優先回路駆動ステップと、前記優先回路駆動ステップ後に、所定の目標時間の経過時に前記循環液の温度が所定の目標温度に到達していない場合、または所定の時間範囲内における前記循環液の温度変化率が所定の閾値に満たない場合には、前記優先動力源の回転速度よりも回転速度を低く設定して前記補助動力源を駆動する補助回路駆動ステップと、を含む立ち上げ運転制御を実行し、前記補助回路駆動ステップにおける補助動力源の回転速度を、前記暖房運転時よりも前記冷房運転時の方を低い回転速度に設定するものとした。

この発明の請求項１によれば、制御装置は、冷房運転および暖房運転の立ち上げ時において、優先回路判定ステップと、優先回路駆動ステップと、補助回路駆動ステップとを含む立ち上げ運転制御を実行し、補助回路駆動ステップにおける補助動力源の回転速度を、暖房運転時よりも冷房運転時の方を低い回転速度に設定するようにしたことで、冷房運転時においては、簡易な制御により循環液の温度を目標温度に迅速に到達させつつも、冷房負荷の方が暖房負荷より小さいことから補助回路駆動ステップでの補助動力源の回転速度を低くして冷房負荷に見合う冷房出力としたので、循環液の温度が目標温度から大きくアンダーシュートするのを抑制することができ、また、暖房運転時においては、補助回路駆動ステップでの補助動力源の回転速度は冷房運転時よりも大きくしているので、冷房負荷よりも大きい暖房負荷に見合う暖房出力とすることができ、簡易な制御により循環液の温度を目標温度に迅速に到達させつつも、循環液の温度が目標温度から大きくオーバーシュートするのを抑制することができるものである。

本発明の実施形態に係る複合熱源ヒートポンプ装置の主要なユニットを示す外観構成図。 複合熱源ヒートポンプ装置の全体構成を示す構成図。 暖房運転時の動作を説明する説明図。 冷房運転時の動作を説明する説明図。 暖房運転における実施形態の立ち上げ制御を示すグラフであり、（ａ）は２台の圧縮機の回転速度の推移を示し、（ｂ）は負荷側循環液の温度の推移を示す。 冷房運転における第１比較例および実施形態の立ち上げ制御を示すグラフであり、（ａ）は２台の圧縮機の回転速度の推移を示し、（ｂ）は負荷側循環液の温度の推移を示す。

本発明の実施形態に係る複合熱源ヒートポンプ装置１の構成について適宜図１と図２を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、複合熱源ヒートポンプ装置１は、第１ヒートポンプ回路４０（図２参照）を備える地中熱ヒートポンプユニット４と、第２ヒートポンプ回路５０（図２参照）を備える空気熱ヒートポンプユニット５とを有している。また、複合熱源ヒートポンプ装置１は、熱交換端末３６に負荷側循環液Ｌ（例えば、水や不凍液）を循環させる負荷側循環回路３０と、熱源側循環回路２０と、複合熱源ヒートポンプ装置１の動作を制御する制御手段としての制御装置６（６１、６２）と、制御装置６に信号を送るリモコン６０とを有しており、熱交換端末３６が設置された室内の暖房または冷房を行うものである。

図２に示すように、本実施形態に係る複合熱源ヒートポンプ装置１は、外気とは別の熱源、ここでは地中熱源を利用して熱交換端末３６側の負荷側循環液Ｌを加熱または冷却する第１ヒートポンプ回路４０の第１負荷側熱交換器４１と、外気を熱源として利用して熱交換端末３６側の負荷側循環液Ｌを加熱または冷却する第２ヒートポンプ回路５０の第２負荷側熱交換器５１とを負荷側循環回路３０に対して直列に配設し、負荷側循環回路３０を循環する負荷側循環液Ｌの流れに対して、第１負荷側熱交換器４１が第２負荷側熱交換器５１よりも上流側に配設されている。この複合熱源ヒートポンプ装置１は、暖房装置および冷房装置として機能させることができるものである。

第１ヒートポンプ回路４０は、第１冷媒Ｃ１を圧縮する回転速度可変の第１圧縮機４３と、第１四方弁４４と、第１負荷側熱交換器４１と、第１減圧手段としての第１膨張弁４５と、第１熱源側熱交換器４６と、これらを環状に接続する第１冷媒配管４２とを備えて構成されている。

前記第１冷媒配管４２に設けられた第１四方弁４４は、第１ヒートポンプ回路４０における第１冷媒Ｃ１の流れ方向に切り換える切換弁としての機能を有し、第１圧縮機４３から吐出された第１冷媒Ｃ１を、第１負荷側熱交換器４１、第１膨張弁４５、第１熱源側熱交換器４６の順に流通させ、第１圧縮機４３に戻す流路を形成する状態（暖房運転時の状態）と、第１圧縮機４３から吐出された第１冷媒Ｃ１を、第１熱源側熱交換器４６、第１膨張弁４５、第１負荷側熱交換器４１の順に流通させ、第１圧縮機４３に戻す流路を形成する状態（冷房運転時の状態）とに切換可能なものである。

また、図２に示す地中熱ヒートポンプユニット４において、符号４２ａは、第１圧縮機４３から吐出された第１冷媒Ｃ１の温度を検出する第１冷媒吐出温度センサであり、符号４２ｂは、第１膨張弁４５から第１熱源側熱交換器４６までの第１冷媒配管４２に設けられ、暖房運転時の低圧側、または冷房運転時の高圧側の第１冷媒Ｃ１の温度を検出する第１冷媒温度センサである。

第２ヒートポンプ回路５０は、第２冷媒Ｃ２を圧縮する回転速度可変の第２圧縮機５３と、第２四方弁５４と、第２負荷側熱交換器５１と、第２減圧手段としての第２膨張弁５５と、送風ファン５６の作動により送られる外気との熱交換を行う第２熱源側熱交換器５７と、これらを環状に接続する第２冷媒配管５２とを備えて構成されている。

前記第２冷媒配管５２に設けられた第２四方弁５４は、第２ヒートポンプ回路５０における第２冷媒Ｃ２の流れ方向を切り換える切換弁としての機能を有し、第２圧縮機５３から吐出された第２冷媒Ｃ２を、第２負荷側熱交換器５１、第２膨張弁５５、第２熱源側熱交換器５７の順に流通させ、第２圧縮機５３に戻す流路を形成する状態（暖房運転時の状態）と、第２圧縮機５３から吐出された第２冷媒Ｃ２を、第２熱源側熱交換器５７、第２膨張弁５５、第２負荷側熱交換器５１の順に流通させ、第２圧縮機５３に戻す流路を形成する状態（冷房運転時の状態）とに切換可能なものである。

また、図２に示す空気熱ヒートポンプユニット５において、符号５２ａは、第２圧縮機５３から吐出された第２冷媒Ｃ２の温度を検出する第２冷媒吐出温度センサであり、符号５２ｂは、第２膨張弁５５から第２熱源側熱交換器５７までの第２冷媒配管５２に設けられ、暖房運転時の低圧側、または冷房運転時の高圧側の第２冷媒Ｃ２の温度を検出する第２冷媒温度センサであり、符号５２ｃは外気温度を検出する外気温度検出手段としての外気温度センサである。

なお、第１ヒートポンプ回路４０および第２ヒートポンプ回路５０の冷媒としては、Ｒ４１０ＡやＲ３２等のＨＦＣ冷媒や二酸化炭素冷媒等の任意の冷媒を用いることができる。

前記第１負荷側熱交換器４１、第１熱源側熱交換器４６、および第２負荷側熱交換器５１は、例えばプレート式熱交換器で構成されている。このプレート式熱交換器は、複数の伝熱プレートが積層され、冷媒を流通させる冷媒流路と循環液等の流体を流通させる流体流路とが各伝熱プレートを境にして交互に形成されている。

熱源側循環回路２０は、回転数可変の熱源側循環ポンプ２２と、第１熱源側熱交換器４６と、前記第１熱源側熱交換器４６を流通する第１冷媒Ｃ１と熱交換する熱源として（この例では地中に）設置された地中熱交換器２３とが、熱媒配管としての熱源側配管２１によって環状に接続されている。この熱源側配管２１には、熱源側循環ポンプ２２によって、熱媒として熱源側循環液Ｈ（水や不凍液）が循環されると共に、熱源側循環液Ｈを貯留し熱源側循環回路２０の圧力を調整する熱源側シスターン２４が設けられている。なお、地中熱交換器２３は、地中に設けられるのには限られず、例えば、湖沼、貯水池、井戸等の水源中に設けられていてもよい。

負荷側循環回路３０は、第１負荷側熱交換器４１と、第２負荷側熱交換器５１と、冷温水パネルやファンコイル等の暖房および冷房が行える負荷端末としての熱交換端末３６とが、負荷側配管３１によって上流側から順に環状に接続されている。この負荷側配管３１には、負荷側循環回路３０に負荷側循環液Ｌを循環させる負荷側循環ポンプ３２が設けられており、熱交換端末３６毎に分岐した負荷側配管３１の各々には、その開閉により熱交換端末３６への負荷側循環液Ｌの供給を制御する開閉手段としての熱動弁３３がそれぞれ設けられ、熱動弁３３は、熱交換端末３６が設置された室温が所定の温度になるように開閉が制御されるものであり、図２では熱交換端末３６外に設けられているが、熱交換端末３６に内蔵されていてもよいものである。なお、熱交換端末３６は図２では２つ設けられているが、１つであってもよく、３つ以上であってもよく、数量や仕様が特に限定されるものではない。

また、図２に示す負荷側循環回路３０において、符号３４は、負荷側配管３１に設けられ熱交換端末３６から第１負荷側熱交換器４１に流入する負荷側循環液Ｌの温度を検出する戻り温度センサであり、符号３５は、負荷側循環液Ｌを貯留し負荷側循環回路３０の圧力を調整する負荷側シスターンである。

制御装置６は、熱源側循環回路２０、負荷側循環回路３０、および第１ヒートポンプ回路４０の動作を制御する地中熱ヒートポンプ制御装置６１と、第２ヒートポンプ回路５０の動作を制御する空気熱ヒートポンプ制御装置６２とを備えている。制御装置６は、各種のデータやプログラムを記憶する記憶部と、演算・制御処理を行う制御部とを備えており、外気温度センサ５２ｃ等の温度センサ、およびリモコン６０からの信号を受けて、複合熱源ヒートポンプ装置１の動作を制御できるようになっている。

次に、図３を用いて暖房運転時の状態について説明する。暖房運転時においては、第１ヒートポンプ回路４０では、図示のように、前記第１四方弁４４が暖房運転時の状態に切り換えられ、第１圧縮機４３で圧縮された高温・高圧のガス状の第１冷媒Ｃ１が第１圧縮機４３から吐出され、第１冷媒Ｃ１は凝縮器として機能する第１負荷側熱交換器４１にて、負荷側循環回路３０を流れる負荷側循環液Ｌと熱交換を行って負荷側循環液Ｌに熱を放出して加熱しながら気液混合状態で高圧の冷媒に変化する。そして、この状態の第１冷媒Ｃ１が第１膨張弁４５において減圧されて低圧の冷媒となって蒸発しやすい状態となり、蒸発器として機能する第１熱源側熱交換器４６において、熱源側循環回路２０を流れる熱源側循環液Ｈと熱交換を行って熱源側循環液Ｈから吸熱して低温・低圧のガス状の第１冷媒Ｃ１となって、再び第１圧縮機４３へ戻るものである。

一方、第２ヒートポンプ回路５０では、第２圧縮機５３で圧縮された高温・高圧のガス状の第２冷媒Ｃ２が第２圧縮機５３から吐出され、第２冷媒Ｃ２は凝縮器として機能する第２負荷側熱交換器５１にて、負荷側循環回路３０を流れる負荷側循環液Ｌと熱交換を行って負荷側循環液Ｌに熱を放出して加熱しながら気液混合状態で高圧の冷媒に変化する。そして、この状態の第２冷媒Ｃ２が第２膨張弁５５において減圧されて低圧の冷媒になって蒸発しやすい状態となり、蒸発器として機能する第２熱源側熱交換器５７において、送風ファン５６の作動により送られる外気と熱交換を行って外気から吸熱して低温・低圧のガス状の第２冷媒Ｃ２となって、再び第２圧縮機５３へ戻るものである。

また、熱源側循環回路２０では、地中熱交換器２３によって地中熱が採熱され、その熱を帯びた熱源側循環液Ｈが熱源側循環ポンプ２２の駆動により第１熱源側熱交換器４６に供給される。そして第１熱源側熱交換器４６にて第１冷媒Ｃ１と熱源側循環液Ｈとで熱交換が行われ、地中熱交換器２３にて採熱された地中熱が第１冷媒Ｃ１側に汲み上げられ、第１冷媒Ｃ１が加熱され蒸発するものである。

また、負荷側循環回路３０では、一定回転数で駆動される負荷側循環ポンプ３２の駆動により第１負荷側熱交換器４１に流入した負荷側循環液Ｌは、凝縮器として機能する第１負荷側熱交換器４１において第１冷媒Ｃ１と熱交換されて加熱された後、凝縮器として機能する第２負荷側熱交換器５１において第２冷媒Ｃ２と熱交換されてさらに加熱され、加熱された負荷側循環液Ｌは、その後、熱交換端末３６に供給されて室内の暖房が行われ、熱交換端末３６にて放熱され温度低下した負荷側循環液Ｌは再び第１負荷側熱交換器４１へと戻るものである。

なお、前記においては、地中熱ヒートポンプユニット４および空気熱ヒートポンプユニット５の両方を動作させた暖房運転時の状態について説明したが、これに限られない。すなわち、地中熱ヒートポンプユニット４単体のみを動作させての暖房運転や、空気熱ヒートポンプユニット５単体のみを動作させての暖房運転も可能なものである。

次に、図４を用いて冷房運転時の状態について説明する。冷房運転時においては、第１ヒートポンプ回路４０では、図示のように、前記第１四方弁４４が冷房運転時の状態に切り換えられ、第１圧縮機４３で圧縮された高温・高圧のガス状の第１冷媒Ｃ１が第１圧縮機４３から吐出され、第１冷媒Ｃ１は凝縮器として機能する第１熱源側熱交換器４６にて、熱源側循環回路２０を流れる熱源側循環液Ｈと熱交換を行って熱源側循環液Ｈに熱を放出しながら気液混合状態で高圧の冷媒に変化する。そして、この状態の第１冷媒Ｃ１が第１膨張弁４５において減圧されて低圧の冷媒となって蒸発しやすい状態となり、蒸発器として機能する第１負荷側熱交換器４１において、負荷側循環回路３０を流れる負荷側循環液Ｌと熱交換を行って負荷側循環液Ｌから吸熱して低温・低圧のガス状の第１冷媒Ｃ１となって、再び第１圧縮機４３へ戻るものである。

一方、第２ヒートポンプ回路５０では、第２圧縮機５３で圧縮された高温・高圧のガス状の第２冷媒Ｃ２が第２圧縮機５３から吐出され、第２冷媒Ｃ２は凝縮器として機能する第２熱源側熱交換器５７において、送風ファン５６の作動により送られる外気と熱交換を行って外気へ熱を放出しながら気液混合状態で高圧の冷媒に変化する。そして、この状態の第２冷媒Ｃ２が第２膨張弁５５において減圧されて低圧の冷媒になって蒸発しやすい状態となり、蒸発器として機能する第２負荷側熱交換器５１において、負荷側循環回路３０を流れる負荷側循環液Ｌと熱交換を行って負荷側循環液Ｌから吸熱して低温・低圧のガス状の第２冷媒Ｃ２となって、再び第２圧縮機５３へ戻るものである。

また、熱源側循環回路２０では、熱源側循環液Ｈが熱源側循環ポンプ２２の駆動により第１熱源側熱交換器４６に供給される。そして第１熱源側熱交換器４６にて第１冷媒Ｃ１と熱源側循環液Ｈとで熱交換が行われ、高温となっている第１冷媒Ｃ１の熱が熱源側循環液Ｈ側に放熱されて第１冷媒Ｃ１が冷却され凝縮された後、熱源側循環液Ｈの熱は地中熱交換器２３によって地中へと放熱されるものである。

また、負荷側循環回路３０では、一定回転数で駆動される負荷側循環ポンプ３２の駆動により第１負荷側熱交換器４１に流入した負荷側循環液Ｌは、蒸発器として機能する第１負荷側熱交換器４１において第１冷媒Ｃ１と熱交換されて冷却された後、蒸発器として機能する第２負荷側熱交換器５１において第２冷媒Ｃ２と熱交換されてさらに冷却され、冷却された負荷側循環液Ｌは、その後、熱交換端末３６に供給されて室内の冷房が行われ、熱交換端末３６にて吸熱し温度上昇した負荷側循環液Ｌは再び第１負荷側熱交換器４１へと戻るものである。

なお、前記においては、地中熱ヒートポンプユニット４および空気熱ヒートポンプユニット５の両方を動作させた冷房運転時の状態について説明したが、これに限られない。すなわち、地中熱ヒートポンプユニット４単体のみを動作させての冷房運転や、空気熱ヒートポンプユニット５単体のみを動作させての冷房運転も可能なものである。

次に、暖房運転開始時の立ち上げ運転制御について説明する。
前記制御装置６は、地中熱ヒートポンプユニット４および空気熱ヒートポンプユニット５のどちらか一方を作動させると共に負荷側循環ポンプ３２を駆動させる、あるいは地中熱ヒートポンプユニット４および空気熱ヒートポンプユニット５の双方を作動させると共に負荷側循環ポンプ３２を駆動させて、負荷側循環回路３０を循環する負荷側循環液Ｌを加熱する暖房運転において、その立ち上げ時には、負荷側循環液Ｌの温度がリモコン６０等により設定された目標温度に到達するまでは、立ち上げ運転制御（図５参照）を実行する。目標温度に到達した後は優先動力源の圧縮機ＨＰ１のみを駆動する１台駆動通常運転制御、または優先動力源の圧縮機ＨＰ１と補助動力源の圧縮機ＨＰ２の両方を駆動する２台駆動通常運転制御に移行し、何れの場合も負荷側循環液Ｌの温度が目標温度となるように圧縮機の回転数が調整されるものである。
なお、以下、説明の便宜上、第１圧縮機４３および第２圧縮機５３のうち、優先動力源の圧縮機を圧縮機ＨＰ１といい、補助動力源の圧縮機を圧縮機ＨＰ２という。

前記暖房運転開始時の立ち上げ運転制御は、第１圧縮機４３および第２圧縮機５３のうち一方を優先動力源の圧縮機ＨＰ１、他方を補助動力源の圧縮機ＨＰ２と判定する優先回路判定ステップと、最大回転速度よりも回転速度を低く設定して優先動力源の圧縮機ＨＰ１のみを駆動する優先回路駆動ステップと、所定の目標時間の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度に到達していない場合には、最大回転速度よりも回転速度を低く設定して補助動力源の圧縮機ＨＰ２を駆動する補助回路駆動ステップと、を少なくとも含んでいる。

前記優先回路判定ステップでは、外気温度に基づいて、地中熱ヒートポンプユニット４および空気熱ヒートポンプユニット５のうちどちらの熱効率（ＣＯＰ）が高いか判定する。

具体的には、暖房運転時の優先回路判定ステップは、外気温度センサ５２ｃで検出した外気温度と所定の基準温度（例えば５℃）とを比較し、外気温度センサ５２ｃで検出した外気温度が所定の基準温度以上の場合には、空気熱ヒートポンプユニット５の方が地中熱ヒートポンプユニット４よりも採熱効率が高いため、第２圧縮機５３を優先動力源と判定し、第１圧縮機４３を補助動力源と判定する。
一方、外気温度が所定の基準温度（例えば５℃）よりも低い場合には、地中熱ヒートポンプユニット４の方が空気熱ヒートポンプユニット５よりも採熱効率が高いため、第１圧縮機４３を優先動力源と判定し、第２圧縮機５３を補助動力源と判定する。

前記優先回路駆動ステップでは、暖房運転の立ち上げ時において、最大回転速度（例えば９０ｒｐｓ）よりも回転速度を低く設定して、優先動力源の圧縮機ＨＰ１のみを駆動し（例えば７０ｒｐｓ）、補助動力源の圧縮機ＨＰ２は駆動しない。
なお、最大回転速度は、ヒートポンプ装置の仕様や圧縮機の性能を考慮して適宜設定し、圧縮機の最大回転速度でもよいし最大回転速度から低く設定してもよい。

前記補助回路駆動ステップでは、暖房運転の立ち上げ時において、所定の目標時間（例えば３分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度（例えば、使用者が設定した温度）に到達していない場合には、補助動力源の圧縮機ＨＰ２の熱効率の向上を図るため、最大回転速度（例えば９０ｒｐｓ）よりも回転速度を低く設定して、補助動力源の圧縮機ＨＰ２を駆動する（例えば５０ｒｐｓ）。

なお、本実施形態においては、所定の目標時間（例えば、３分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達したかどうかを判定したが、これに限定されるものではなく、所定の時間範囲内における負荷側循環液Ｌの温度の温度変化（ここでは温度上昇率）が所定の閾値に満たない場合には補助動力源の圧縮機ＨＰ２を駆動してもよい。
具体的には、例えば、所定の立ち上げ時間経過後（１分経過後）において、所定の経過時間ごと（３０秒ごと）に負荷側循環液Ｌの温度の温度上昇率を求め、温度上昇率が３０秒間に１．０℃に満たない場合には、補助動力源の圧縮機ＨＰ２を例えば、５０ｒｐｓで駆動してもよい。

また、前記補助回路駆動ステップを実行した後において、所定の判定時間（例えば、３分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達していない場合には、優先回路駆動ステップにおける回転速度（７０ｒｐｓ）よりも高く設定して優先動力源の圧縮機ＨＰ１を例えば最大回転速度の９０ｒｐｓで駆動する。なお、ここでは所定の判定時間（例えば、３分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達したかどうかを判定したが、所定の時間範囲内（例えば３０秒ごと）における負荷側循環液Ｌの温度の温度変化率（ここでは温度上昇率）が所定の閾値（例えば０．８℃）に満たない場合には優先動力源の圧縮機ＨＰ１を最大回転速度の９０ｒｐｓで駆動してもよい。

そして、前記ように優先動力源の圧縮機ＨＰ１を最大回転速度で駆動させた後において、所定の判定時間（例えば、１分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達していない場合には、補助回路駆動ステップにおける回転速度（５０ｒｐｓ）よりも高く設定して補助動力源の圧縮機ＨＰ２を駆動する（例えば、最大回転速度の９０ｒｐｓ）。なお、ここでは所定の判定時間（例えば、１分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達したかどうかを判定したが、所定の時間範囲内（例えば３０秒ごと）における負荷側循環液Ｌの温度の温度上昇率が所定の閾値（例えば０．８℃）に満たない場合には補助動力源の圧縮機ＨＰ２を最大回転速度の９０ｒｐｓで駆動してもよい。

続いて、暖房運転時の立ち上げ運転制御における基本動作について、図５を参照しながら説明する。図５（ａ）は２台の圧縮機ＨＰ１、ＨＰ２の回転速度の推移を示し、（ｂ）は負荷側循環液Ｌの温度の推移を示す。

図５に示すように、複合熱源ヒートポンプ装置１は、運転開始後の暖房運転の立ち上げ時において（ｔ＝０）、優先回路判定ステップと優先回路駆動ステップを実行し、最大回転速度（例えば９０ｒｐｓ）よりも回転速度を低く設定して、優先動力源の圧縮機ＨＰ１のみを例えば７０ｒｐｓで駆動する（ｔ１）。

このとき、熱交換端末３６が設置された被空調空間の暖房負荷が大きい場合には、所定の目標時間（例えば、３分間）の経過時（ｔ２）に負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度に到達しないため、制御装置６は、時刻ｔ２において、最大回転速度（例えば、９０ｒｐｓ）よりも回転速度を低く設定して補助動力源の圧縮機ＨＰ２を例えば５０ｒｐｓで駆動する（ｔ２〜ｔ３）。

補助回路駆動ステップによって補助動力源の圧縮機ＨＰ２を５０ｒｐｓで駆動させ（ｔ３〜ｔ４）、所定の判定時間（例えば、３分間）が経過する前に負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度に到達したら（ｔ４）、制御装置６は、時刻ｔ４において、戻り温度センサ３４により検出される負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達したことを判定し、その後は優先動力源の圧縮機ＨＰ１および補助動力源の圧縮機ＨＰ２の２台温度制御に移行して管理する（ｔ４〜）。なお、ここでは、時刻ｔ４以降において、負荷側循環液Ｌの温度が目標温度を上回っている場合、優先動力源の圧縮機ＨＰ１よりも先に補助動力源の圧縮機ＨＰ２の方の回転速度を低下させて、負荷側循環液Ｌの温度を目標温度になるように制御するようにしたことで、採熱効率のよい優先動力源の圧縮機ＨＰ１の仕事量をそのままに採熱効率の劣る補助動力源の圧縮機ＨＰ２の仕事量を減らして、効率のよい運転をさせるものである。

次に、冷房運転開始時の立ち上げ運転制御について説明する。
前記制御装置６は、地中熱ヒートポンプユニット４および空気熱ヒートポンプユニット５のどちらか一方を作動させると共に負荷側循環ポンプ３２を駆動させる、あるいは地中熱ヒートポンプユニット４および空気熱ヒートポンプユニット５の双方を作動させると共に負荷側循環ポンプ３２を駆動させて、負荷側循環回路３０を循環する負荷側循環液Ｌを冷却する冷房運転において、その立ち上げ時には、負荷側循環液Ｌの温度がリモコン６０等により設定された目標温度に到達するまでは、立ち上げ運転制御（図６参照）を実行する。目標温度に到達した後は優先動力源の圧縮機ＨＰ１のみを駆動する１台駆動通常運転制御、または優先動力源の圧縮機ＨＰ１と補助動力源の圧縮機ＨＰ２の両方を駆動する２台駆動通常運転制御に移行し、何れの場合も負荷側循環液Ｌの温度が目標温度となるように圧縮機の回転数が調整されるものである。
なお、以下、説明の便宜上、第１圧縮機４３および第２圧縮機５３のうち、優先動力源の圧縮機を圧縮機ＨＰ１といい、補助動力源の圧縮機を圧縮機ＨＰ２という。

前記冷房運転開始時の立ち上げ運転制御は、第１圧縮機４３および第２圧縮機５３のうち一方を優先動力源の圧縮機ＨＰ１、他方を補助動力源の圧縮機ＨＰ２と判定する優先回路判定ステップと、最大回転速度よりも回転速度を低く設定して優先動力源の圧縮機ＨＰ１のみを駆動する優先回路駆動ステップと、所定の目標時間の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度に到達していない場合には、最大回転速度よりも回転速度を低く設定して補助動力源の圧縮機ＨＰ２を駆動する補助回路駆動ステップと、を少なくとも含んでいる。

前記優先回路判定ステップでは、外気温度に基づいて、地中熱ヒートポンプユニット４および空気熱ヒートポンプユニット５のうちどちらの熱効率（ＣＯＰ）が高いか判定する。

具体的には、外気温度が比較的高い場合（３０℃以上の場合）には、外気への放熱効率が低くなることから、冷房運転時の優先回路判定ステップは、外気温度センサ５２ｃで検出した外気温度と所定の基準温度（例えば３０℃）とを比較し、外気温度センサ５２ｃで検出した外気温度が所定の基準温度以上の場合、地中熱ヒートポンプユニット４の方が空気熱ヒートポンプユニット５よりも放熱効率が高いため、第１圧縮機４３を優先動力源と判定し、第２圧縮機５３を補助動力源と判定する。
一方、外気温度が所定の基準温度（例えば３０℃）よりも低い場合には、空気熱ヒートポンプユニット５の方が地中熱ヒートポンプユニット４よりも放熱効率が高いため、第２圧縮機５３を優先動力源と判定し、第１圧縮機４３を補助動力源と判定する。

前記優先回路駆動ステップでは、冷房運転の立ち上げ時において、最大回転速度（例えば９０ｒｐｓ）よりも回転速度を低く設定して、優先動力源の圧縮機ＨＰ１のみを駆動し（例えば７０ｒｐｓ）、補助動力源の圧縮機ＨＰ２は駆動しない。
なお、最大回転速度は、ヒートポンプ装置の仕様や圧縮機の性能を考慮して適宜設定し、圧縮機の最大回転速度でもよいし最大回転速度から低く設定してもよい。

前記補助回路駆動ステップでは、冷房運転の立ち上げ時において、所定の目標時間（例えば３分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度（例えば、使用者が設定した温度）に到達していない場合には、補助動力源の圧縮機ＨＰ２の熱効率の向上を図るため、最大回転速度（例えば９０ｒｐｓ）よりも回転速度を低く設定して、補助動力源の圧縮機ＨＰ２を駆動する（例えば３５ｒｐｓ）。

なお、本実施形態においては、所定の目標時間（例えば、３分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達したかどうかを判定したが、これに限定されるものではなく、所定の時間範囲内における負荷側循環液Ｌの温度の温度変化率（ここでは温度低下率）が所定の閾値に満たない場合には補助動力源の圧縮機ＨＰ２を駆動してもよい。
具体的には、例えば、所定の立ち上げ時間経過後（１分経過後）において、所定の経過時間ごと（３０秒ごと）に負荷側循環液Ｌの温度の温度低下率を求め、温度低下率が３０秒間に１．０℃に満たない場合には、補助動力源の圧縮機ＨＰ２を例えば、３５ｒｐｓで駆動してもよい。

また、前記補助回路駆動ステップを実行した後において、所定の判定時間（例えば、３分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達していない場合には、優先回路駆動ステップにおける回転速度（７０ｒｐｓ）よりも高く設定して優先動力源の圧縮機ＨＰ１を例えば最大回転速度の９０ｒｐｓで駆動する。なお、ここでは所定の判定時間（例えば、３分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達したかどうかを判定したが、所定の時間範囲内（例えば３０秒ごと）における負荷側循環液Ｌの温度の温度変化率（ここでは温度低下率）が所定の閾値（例えば０．８℃）に満たない場合には優先動力源の圧縮機ＨＰ１を最大回転速度の９０ｒｐｓで駆動してもよい。

そして、前記ように優先動力源の圧縮機ＨＰ１を最大回転速度で駆動させた後において、所定の判定時間（例えば、１分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達していない場合には、補助回路駆動ステップにおける回転速度（３５ｒｐｓ）よりも高く設定して補助動力源の圧縮機ＨＰ２を駆動する（例えば、最大回転速度の９０ｒｐｓ）。なお、ここでは所定の判定時間（例えば、１分間）の経過時に負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達したかどうかを判定したが、所定の時間範囲内（例えば３０秒ごと）における負荷側循環液Ｌの温度の温度低下率が所定の閾値（例えば０．８℃）に満たない場合には補助動力源の圧縮機ＨＰ２を最大回転速度の９０ｒｐｓで駆動してもよい。

続いて、冷房運転時の立ち上げ運転制御における基本動作について、図６を参照しながら説明するが、まず、本実施形態の第１比較例として、暖房運転時の立ち上げ制御を冷房運転時の立ち上げ制御にそのまま適用した場合の圧縮機ＨＰ１、ＨＰ２の回転速度の推移、および負荷側循環液Ｌの温度の推移を破線で示すグラフにより説明する。なお、図６（ａ）は２台の圧縮機ＨＰ１、ＨＰ２の回転速度の推移を示し、（ｂ）は負荷側循環液Ｌの温度の推移を示す。

図６に破線で示すように、複合熱源ヒートポンプ装置１は、運転開始後の冷房運転の立ち上げ時において（ｔ＝０）、優先回路判定ステップと優先回路駆動ステップを実行し、最大回転速度（例えば９０ｒｐｓ）よりも回転速度を低く設定して、優先動力源の圧縮機ＨＰ１のみを例えば７０ｒｐｓで駆動する（ｔ１）。

このとき、熱交換端末３６が設置された被空調空間の冷房負荷が大きい場合には、所定の目標時間（例えば、３分間）の経過時（ｔ２）に負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度に到達しないため、制御装置６は、時刻ｔ２において、最大回転速度（例えば、９０ｒｐｓ）よりも回転速度を低く設定して補助動力源の圧縮機ＨＰ２を例えば５０ｒｐｓで駆動する（ｔ２〜ｔ４）。

補助回路駆動ステップによって補助動力源の圧縮機ＨＰ２を５０ｒｐｓで駆動させ（ｔ４〜ｔ５）、所定の判定時間（例えば、３分間）が経過する前に負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度に到達したら（ｔ５）、制御装置６は、時刻ｔ５において、戻り温度センサ３４により検出される負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達したことを判定し、その後は優先動力源の圧縮機ＨＰ１および補助動力源の圧縮機ＨＰ２の２台温度制御に移行して管理する（ｔ５〜）。

ここで、第１比較例において、負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度に到達した時刻ｔ５以降は、負荷側循環液Ｌは目標温度から大きくアンダーシュートし、補助動力源の圧縮機ＨＰ２の回転速度を低下させても目標温度に安定するまでには時間がかかっている。これは複合熱源ヒートポンプ装置１による冷房出力が過多の状態であることを意味しており、外気温度、室内設定温度、負荷側循環液Ｌの目標設定温度を鑑みると冷房負荷は暖房負荷に比べて小さいことから、第１比較例のように、冷房運転時において暖房運転時と同じ立ち上げ制御を適用した場合には、負荷側循環液Ｌの温度は目標温度に到達した後に大きくアンダーシュートしてしまい、無駄な電力の増大を招くおそれがある。

そこで、本実施形態においては、上記のようなアンダーシュートを抑制するために、前記第１比較例のように、冷房運転時において暖房運転時と同じ立ち上げ制御を適用し、冷房運転時の補助回路駆動ステップにおける補助動力源の圧縮機ＨＰ２の回転速度を、暖房運転時の補助回路駆動ステップにおける補助動力源の圧縮機ＨＰ２の回転速度と同じ回転速度（５０ｒｐｓ）に設定するのではなく、冷房運転時の補助回路駆動ステップにおける補助動力源の圧縮機ＨＰ２の回転速度を、暖房運転時の補助回路駆動ステップにおける補助動力源の圧縮機ＨＰ２の回転速度よりも低い回転速度（例えば３５ｒｐｓ）に設定して、補助動力源の圧縮機ＨＰ２を駆動する。これにより、前記第１比較例と異なり、図６の実線のグラフに示すような挙動となる。

すなわち、本実施形態では、図６に実線で示すように、複合熱源ヒートポンプ装置１は、運転開始後の冷房運転の立ち上げ時において（ｔ＝０）、優先回路判定ステップと優先回路駆動ステップを実行し、最大回転速度（例えば９０ｒｐｓ）よりも回転速度を低く設定して、優先動力源の圧縮機ＨＰ１のみを例えば７０ｒｐｓで駆動する（ｔ１）。

そして、所定の目標時間（例えば、３分間）の経過時（ｔ２）に負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度に到達しないため、制御装置６は、時刻ｔ２において、最大回転速度（例えば、９０ｒｐｓ）よりも回転速度を低く設定して補助動力源の圧縮機ＨＰ２を例えば３５ｒｐｓで駆動する（ｔ２〜ｔ３）。

補助回路駆動ステップによって補助動力源の圧縮機ＨＰ２を３５ｒｐｓで駆動させ（ｔ３〜ｔ６）、所定の判定時間（例えば、３分間）が経過する前に負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度に到達したら（ｔ６）、制御装置６は、時刻ｔ６において、戻り温度センサ３４により検出される負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達したことを判定し、その後は優先動力源の圧縮機ＨＰ１および補助動力源の圧縮機ＨＰ２の２台温度制御に移行して管理する（ｔ６〜）。

ここで、前記補助回路駆動ステップにおいて、第１比較例よりも補助動力源の圧縮機ＨＰ２の回転速度を低く駆動させたことで、負荷側循環液Ｌの温度を目標温度に迅速に到達させつつも、負荷側循環液Ｌの温度が目標温度に到達した後における目標温度からのアンダーシュートを抑制することができ、無駄な電力消費を抑制することができるものである。

なお、時刻ｔ６以降において、負荷側循環液Ｌの温度が目標温度を下回っている場合、優先動力源の圧縮機ＨＰ１よりも先に補助動力源の圧縮機ＨＰ２の方の回転速度を低下させて、負荷側循環液Ｌの温度を目標温度になるように制御するようにしたことで、放熱効率のよい優先動力源の圧縮機ＨＰ１の仕事量をそのままに放熱効率の劣る補助動力源の圧縮機ＨＰ２の仕事量を減らして、効率のよい運転をさせるものである。

以上のことから、暖房運転および冷房運転の立ち上げ時に、前記優先回路判定ステップと、前記優先回路駆動ステップと、前記補助回路駆動ステップとを含む立ち上げ運転制御を行うものにおいて、前記補助回路駆動ステップでの補助動力源の圧縮機ＨＰ２の回転速度を、暖房運転時よりも冷房運転時の方が低い回転速度に設定するようにしたことで、冷房運転時においては、簡易な制御により負荷側循環液Ｌの温度を目標温度に迅速に到達させつつも、冷房負荷の方が暖房負荷より小さいことから補助回路駆動ステップでの補助動力源の圧縮機ＨＰ２の回転速度を低くして冷房負荷に見合う冷房出力としたことで、負荷側循環液Ｌの温度が目標温度から大きくアンダーシュートするのを抑制することができ、また、暖房運転時においては、補助回路駆動ステップでの補助動力源の圧縮機ＨＰ２の回転速度は冷房運転時よりも大きくしているので、冷房負荷よりも大きい暖房負荷に見合う暖房出力とすることができ、簡易な制御により負荷側循環液Ｌの温度を目標温度に迅速に到達させつつも、負荷側循環液Ｌの温度が目標温度から大きくオーバーシュートするのを抑制することができるものである。

また、先に説明した図５および図６に示した本実施形態では、優先動力源の圧縮機ＨＰ１のみの駆動では負荷側循環液Ｌが目標温度に到達せず、補助動力源の圧縮機ＨＰ２も駆動して負荷側循環液Ｌが目標温度に到達する場合について説明したが、優先回路駆動ステップにおいて優先動力源の圧縮機ＨＰ１を駆動させて、所定の目標時間（例えば、３分間）が経過する前に負荷側循環液Ｌの温度が所定の目標温度に到達した場合は、優先動力源の圧縮機ＨＰ１の回転速度を調整することで負荷側循環液Ｌの温度を目標温度に維持させるように制御し、補助動力源の圧縮機ＨＰ２は駆動することがないものである。

なお、本発明は先に説明した一実施形態に限定されるものでなく、本実施形態では、地中熱ヒートポンプユニット４の熱源として地中熱交換器２３を示したが、熱源としては、地中熱の他に、湖沼、貯水池、井戸等の水熱源も利用可能であり、外気以外の熱源を利用するものであれば種類は問わないものであり、さらに、第１熱源側熱交換器４６に供給される熱源側循環液Ｈは熱源側循環回路２０のような閉回路を循環する形態でなくてもよく、熱源側循環液Ｈは第１熱源側熱交換器４６で熱交換した後は外部に排出されるような開放式の形態であってもよいものである。

１ 複合熱源ヒートポンプ装置
６ 制御装置
３０ 負荷側循環回路
３１ 負荷側配管
３６ 熱交換端末
４０ 第１ヒートポンプ回路
４１ 第１負荷側熱交換器
４２ 第１冷媒配管
４３ 第１圧縮機
４４ 第１四方弁
４５ 第１膨張弁
４６ 第１熱源側熱交換器
５０ 第２ヒートポンプ回路
５１ 第２負荷側熱交換器
５２ 第２冷媒配管
５２ｃ 外気温度センサ
５３ 第２圧縮機
５４ 第２四方弁
５５ 第２膨張弁
５７ 第２熱源側熱交換器
Ｌ 負荷側循環液
ＨＰ１ 優先動力源の圧縮機
ＨＰ２ 補助動力源の圧縮機

Claims (1)

1. 第１圧縮機、第１四方弁、第１負荷側熱交換器、第１膨張弁、及び、外気とは別の所定の熱源と熱交換可能な第１熱源側熱交換器、を第１冷媒配管で接続した第１ヒートポンプ回路と、
   第２圧縮機、第２四方弁、第２負荷側熱交換器、第２膨張弁、及び、外気と熱交換可能な第２熱源側熱交換器、を第２冷媒配管で接続した第２ヒートポンプ回路と、
   前記第１負荷側熱交換器、前記第２負荷側熱交換器、熱交換端末を、負荷側配管で接続し、前記第１負荷側熱交換器または前記第２負荷側熱交換器にて冷却あるいは加熱された循環液を前記熱交換端末に循環させる負荷側循環回路と、
   外気温度を検出する外気温度検出手段と、
   動作を制御する制御装置と、を有し、冷却された前記循環液を前記熱交換端末に供給する冷房運転および加熱された前記循環液を前記熱交換端末に供給する暖房運転を行う複合熱源ヒートポンプ装置において、
   前記制御装置は、前記冷房運転および前記暖房運転の立ち上げ時において、前記外気温度検出手段が検出した外気温度に基づいて前記第１圧縮機および前記第２圧縮機のうち一方を優先動力源、他方を補助動力源と判定する優先回路判定ステップと、
   最大回転速度よりも回転速度を低く設定して前記優先動力源のみを駆動する優先回路駆動ステップと、
   前記優先回路駆動ステップ後に、所定の目標時間の経過時に前記循環液の温度が所定の目標温度に到達していない場合、または所定の時間範囲内における前記循環液の温度変化率が所定の閾値に満たない場合には、前記優先動力源の回転速度よりも回転速度を低く設定して前記補助動力源を駆動する補助回路駆動ステップと、
   を含む立ち上げ運転制御を実行し、
   前記補助回路駆動ステップにおける補助動力源の回転速度を、前記暖房運転時よりも前記冷房運転時の方を低い回転速度に設定するようにしたことを特徴とする複合熱源ヒートポンプ装置。

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