JP2016003789A

JP2016003789A - 温水生成装置

Info

Publication number: JP2016003789A
Application number: JP2014123028A
Authority: JP
Inventors: 明広重田; Akihiro Shigeta; 繁男青山; Shigeo Aoyama; 俊二森脇; Shunji Moriwaki
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2016-01-12
Anticipated expiration: 2034-06-16
Also published as: JP6361021B2

Abstract

【課題】熱媒の温度の安定性に優れた温水生成装置を提供する。
【解決手段】圧縮機、冷媒と熱媒との間で熱交換を行う利用側熱交換器、膨張手段、熱源側熱交換器、が冷媒配管で環状に接続されて構成されたヒートポンプサイクルと、熱媒を環状の熱媒回路の内部で循環させる循環ポンプと、利用側熱交換器の出口側の熱媒の温度Ｔｗｏを検出する出口温度検出手段と、利用側熱交換器の入口側の熱媒の温度Ｔｗｉを検出する入口温度検出手段と、制御装置と、を備え、制御装置は、出口温度Ｔｗｏと入口温度Ｔｗｉとの平均温度Ｔｗａが低い時よりも高いときに、圧縮機１の周波数を低くし、また、出口温度Ｔｗｏが目標出口温度Ｔｗｏｔとなるように、循環ポンプの搬送量を制御するので、循環ポンプの制御と圧縮機の制御との干渉を抑制して、暖房負荷の変動時等でも出口温度Ｔｗｏの変動を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍サイクルを利用した温水生成装置に関するものである。

従来、この種の温水生成装置として、圧縮機１００、冷媒１０１と熱媒１０２との間で熱交換を行う利用側熱交換器１０３、膨張弁１０４、熱源側熱交換器１０５、が冷媒配管で環状に接続され、冷媒が循環する冷媒回路１０６と、利用側熱交換器１０３、放熱器１１０、容量可変型の循環ポンプ１０９が水配管で環状に接続され、水系熱媒が循環する熱媒回路１１１とを備えたものがある（例えば、特許文献１を参照）。

図４は、特許文献１に記載された温水生成装置の概略図である。図４に示すように、熱媒回路１１１には、利用側熱交換器１０３の入口側の水系熱媒の温度を測定する入口温度センサ１０７と、利用側熱交換器１０３の出口側の水系熱媒の温度を測定する出口温度センサ１０８と、が設けられている。また、温水生成装置の制御装置（図示せず）は、出口温度センサ１０８で検出した温度Ｔ１が目標の第１目標温度Ｔｔとなるように圧縮機１００の周波数を制御し、また、出口温度センサ１０８で検出した温度Ｔ１と入口温度センサ１０７で検出した温度Ｔ２との温度差が目標の第２目標温度差ΔＴｔとなるように循環ポンプ１０９の搬送量を制御する。これにより、利用側熱交換器１０３の負荷が減少した場合でも、水系熱媒の過度な温度変化を防止しようとするものである。

特開２０１０−１９６９４６号公報

前記従来の構成では、例えば、暖房負荷が安定していた状態から一部の部屋で暖房が不要になり、必要な暖房負荷が低下したような場合には、図５に示すように、出口温度センサ１０８で検出される温度Ｔ１と、入口温度センサ１０７で検出される温度Ｔ２とがともに上昇する。この場合、制御装置は、利用側熱交換器１０３の出口の温度Ｔ１が目標温度Ｔｔとなるように圧縮機１００の周波数Ｆｑが調整する。また、制御装置は、利用側熱交換器１０３の出口と入口との温度差ｄＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が目標温度差ｄＴｔとなるように、循環ポンプ１０９の搬送量Ｇｗを制御する。

しかしながら、このようにすると、循環ポンプ１０９による循環量Ｇｗの増減によって、再び利用側熱交換器１０３の出口の温度Ｔ１が変化する。したがって、再び圧縮機１００の周波数Ｆｑが調整される。すなわち、循環ポンプ１０９による循環量Ｇｗの増減と、圧縮機１００の周波数の増減とが繰り返されて、熱媒回路を流れる水系熱媒の温度が収束しない場合があるという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するためのもので、暖房負荷の変動によっても、熱媒回路を循環する水系熱媒の温度の変動を抑制する温水生成装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の温水生成装置は圧縮機、冷媒と熱媒との間で熱交換を行う利用側熱交換器、膨張手段、熱源側熱交換器、が冷媒配管で環状に接続さ
れて構成されたヒートポンプサイクルと、前記熱媒を環状の熱媒回路の内部で循環させる循環ポンプと、前記利用側熱交換器の出口側の前記熱媒の温度を検出する出口温度検出手段と、前記利用側熱交換器の入口側の前記熱媒の温度を検出する入口温度検出手段と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記出口温度検出手段で検出される出口温度と前記入口温度検出手段で検出される入口温度との平均温度が低い時よりも高いときに、前記圧縮機の周波数を低くし、前記制御装置は、前記出口温度が目標出口温度となるように、前記循環ポンプの搬送量を制御することを特徴とするものである。

これにより、循環ポンプによる循環量の増減と圧縮機の周波数の増減との干渉を抑制し、利用側熱交換器の出口の熱媒の温度の変動を抑制することができる。

本発明によれば、暖房負荷の変動によっても、水系熱媒の温度の変動を抑制することが可能な温水生成装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における温水生成装置の概略構成図同温水生成装置の制御フローチャート同温水生成装置において暖房負荷の変動があった場合の圧縮機の周波数、循環ポンプの搬送量、利用側熱交換器の熱媒の出口温度および入口温度の時間変化を示すグラフ従来の温水生成装置の概略構成図従来の温水生成装置において暖房負荷の変動があった場合の圧縮機の周波数、循環ポンプの搬送量、利用側熱交換器の熱媒の出口温度および入口温度の時間変化を示すグラフ

第１の発明は、圧縮機、冷媒と熱媒との間で熱交換を行う利用側熱交換器、膨張手段、熱源側熱交換器、が冷媒配管で環状に接続されて構成されたヒートポンプサイクルと、前記熱媒を環状の熱媒回路の内部で循環させる循環ポンプと、前記利用側熱交換器の出口側の前記熱媒の温度を検出する出口温度検出手段と、前記利用側熱交換器の入口側の前記熱媒の温度を検出する入口温度検出手段と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記出口温度検出手段で検出される出口温度と前記入口温度検出手段で検出される入口温度との平均温度が低い時よりも高いときに、前記圧縮機の周波数を低くし、前記制御装置は、前記出口温度が目標出口温度となるように、前記循環ポンプの搬送量を制御することを特徴とするものである。

これにより、例えば、暖房負荷が急激に低下した場合には、利用側熱交換器の出口温度および入口温度の双方が上昇するので、圧縮機の周波数が調整されて低くなり、また、循環ポンプの回転数（熱媒の循環量）が調整されて減少する。よって、利用側熱交換器の出口温度が過大となることを防止することができる。また、熱媒回路における熱媒の循環量が減少することで、続いて利用側熱交換器の入口温度が上昇するが、この場合には、入口温度と出口温度との平均温度が上昇するので、まず、圧縮機の周波数が調整されて低くなる。したがって、出口温度が目標出口温度よりも高くなることを抑制する。一方、循環ポンプの回転数は、出口温度が上昇するまでは変動しない。よって、循環ポンプによる循環量の増減と圧縮機の周波数の増減との干渉を抑制し、利用側熱交換器の出口の熱媒の温度の変動を抑制することができる。その結果、暖房負荷の変動によっても、水系熱媒の温度の変動を抑制することが可能な温水生成装置を提供することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記制御装置は、前記出口温度が前記目標出
口温度となるまでの間に、前記入口温度が低いときよりも高いときに、前記圧縮機の周波数を高くすることを特徴とするものである。

これにより、利用側熱交換器の入口温度が高くなり、利用側熱交換器における冷媒のエンタルピー差が小さくなっても、加熱能力の低下を抑制し、目標出口温度の熱媒を得ることができる。

その結果、例えば、除霜運転から通常運転への復帰時等で、利用側熱交換器の出口温度が低下している状態でも、目標出口温度の熱媒を得るまでの時間（復帰時間）を短縮し、使用者の快適性に優れた温水生成装置とすることができる。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態における温水生成装置の概略構成図である。図１に示すように、本実施の形態の温水生成装置は、気体状態の冷媒２を吸入して圧縮し、高温高圧の冷媒２を吐出する圧縮機１と、冷媒２と熱媒３との間で熱交換を行う利用側熱交換器４と、冷媒２の流量を調整する膨張手段５と、室外空気から採熱する熱源側熱交換器６が冷媒配管で環状に接続されて構成された冷媒回路９０を有するヒートポンプサイクル８を備えている。また、温水生成装置は、熱源側熱交換器６に空気を送風する送風ファン７を備えている。ヒートポンプサイクル８と送風ファン７とはヒートポンプ装置を構成する。

また、温水生成装置は、熱媒３を環状の熱媒回路１２で循環させる循環ポンプ９と、熱媒３の利用側熱交換器４の出口温度Ｔｗｏを検出する出口温度検出手段１０と、熱媒３の利用側熱交換器４の入口温度Ｔｗｉを検出する入口温度検出手段１１と、を備えている。

利用側熱交換器４は、熱媒配管によって放熱器２０と接続される。これにより、循環ポンプ９、利用側熱交換器４、放熱器２０が熱媒配管で環状に接続された熱媒回路１２が構成される。ここで、放熱器２０は、放熱器２０が配置される対象空間へ、熱媒３の熱を放熱するものである。

さらに、温水生成装置は、圧縮機１、膨張手段５、送風ファン７、循環ポンプ９等の制御を行う制御装置３０を備えている。

温水生成装置は、ヒートポンプサイクル８で加熱された冷媒２の熱を利用側熱交換器４で熱媒３に伝え、その熱を放熱器２０で対象空間に放熱することで冷暖房を行う。利用側熱交換器４には、小型かつ高効率で熱交換が可能なプレート熱交換器や二重管熱交換器を用いる。利用側熱交換器４は、冷媒２と熱媒３とが対向流となるように構成される。

循環ポンプ９としては、例えば、搬送量が多い渦巻きポンプを用いる。

制御装置３０は、ヒートポンプ装置の機能部品である圧縮機１、膨張手段５、送風ファン７を制御する第１制御部３０ａと、出口温度検出手段１０、入口温度検出手段１１の検出温度を取得し、循環ポンプ９の搬送量を制御する第２制御部３０ｂとを備えている。第１制御部３０ａと第２制御部３０ｂは通信線で繋がれている。第２制御部３０ｂで取得した温度等の情報は、通信線を介して第１制御部３０ａに送られる。また、第１制御部３０ａで取得したヒートポンプ装置の異常等の情報は通信線を介して第２制御部３０ｂに送られる。

温水生成装置は、圧縮機１、利用側熱交換器４、膨張手段５、熱源側熱交換器６、循環ポンプ９をひとつ筐体に収容して構成することができる。また、利用側熱交換器４、循環ポンプ９を、圧縮機１、利用側熱交換器４、膨張手段５と異なる筐体に収容して構成する
ことができる。さらに、循環ポンプ９をヒートポンプ装置と異なる筐体に収容して構成することができる。

放熱器２０には、床下に埋め込まれ、輻射暖房を行う床暖房パネル、室内の壁面近傍に設置され輻射暖房を行うラジエータ、送風機を用い放熱器２０の熱を強制対流させるファンコンベクタを用いることができる。

以上のように構成された温水生成装置について、以下その動作、作用を説明する。図２は、本実施の形態における暖房運転時の制御動作のフローチャートである。

図２において、ステップＳ１で制御装置３０がリモコン等のコントローラ（図示せず）から運転開始の信号を受け取ると、制御装置３０は初期運転の制御フローを開始する。初期運転において、制御装置３０は、熱媒３の利用側熱交換器４の出口温度Ｔｗｏの目標温度Ｔｗｏｔを設定する（ステップＳ２）。ここで、暖房運転の開始は、制御装置３０が、放熱器が配置された対象空間の温度や、利用側熱交換器４の入口温度の低下を認識し、自動的に開始することとしてもよい。また、初期運転は、熱源側熱交換器６の表面に付着した霜を融解させる除霜運転の終了後、続いて暖房運転を行う場合にも行われる。

次に、制御装置３０の第２制御部３０ｂは、ステップＳ３で、循環ポンプ９を所定の搬送量Ｇｗ１（初期搬送量）で運転する。また、第２制御部３０ｂは、熱媒３の利用側熱交換器４入口温度Ｔｗｉを検出する。（ステップＳ４）
次に、制御装置３０の第１制御部３０ａは、ステップＳ５で、第２制御部３０ｂで取得した熱媒３の利用側熱交換器４の入口温度Ｔｗｉ、出口温度Ｔｗｏ、目標温度Ｔｗｏｔに基づき、圧縮機１の周波数Ｆｑ０（初期周波数）を決定する。第１制御部３０ａは、設定された初期周波数Ｆｑ０と目標温度Ｔｗｏｔとに基づいて、圧縮機１、膨張手段５、送風ファン７を制御する。

制御装置３０は、圧縮機１の初期周波数での運転を所定時間継続する（ステップ６）。制御装置３０は、所定時間が経過した後に、定常運転へと移行する。なお、本実施の形態では、定常運転の前に初期運転を行う期間を設けたが、初期運転の方法は本実施の形態の方法に特に限定されない。また、初期運転の方法によらず、定常運転を行えば、暖房負荷の変動に対応するという本発明の効果を発揮することができる。

制御装置３０は、ステップＳ７において、熱媒３の利用側熱交換器４の出口温度Ｔｗｏと目標温度Ｔｗｏｔとを比較する。

ここで、熱媒３の利用側熱交換器４の出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｔである場合には、ステップＳ８に進み、循環ポンプ９の搬送量Ｇｗを維持する。

また、熱媒３の利用側熱交換器４の出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｔより小さい場合は、ステップＳ９に進み、循環ポンプ９の搬送量Ｇｗを減少させる。また、熱媒３の利用側熱交換器４の出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｔより大きい場合は、ステップＳ１０に進み、循環ポンプ９の搬送量Ｇｗを増加させる。これにより、熱媒３の利用側熱交換器４出口温度Ｔｗｏを目標温度Ｔｗｏｔに近づける。

なお、ここで、ステップＳ７において、出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｔと同一である場合にステップＳ８に進むこととしたが、所定値α（例えば、３Ｋ）を設けて、目標温度Ｔｗｏｔと出口温度Ｔｗｏとの温度差（絶対値）が所定値αの範囲内である場合には、ステップＳ８に進むこととしてもよい。このとき、（Ｔｗｏｔ−Ｔｗｏ）＜−αである場合にはステップＳ９に進み、（Ｔｗｏｔ−Ｔｗｏ）＞αである場合には、ステップＳ１０
に進む。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１１で熱媒３の利用側熱交換器４の出口温度Ｔｗｏ及び入口温度Ｔｗｉの平均温度Ｔｗａと、目標平均温度Ｔｗａｔとを比較する。ここで。目標平均温度Ｔｗａｔは、目標温度Ｔｗｏｔと、目標温度Ｔｗｏｔよりも所定温度（例えば５Ｋ〜１５Ｋ）低い温度に設定される目標入水温度Ｔｗｉｔとの平均値である。

制御装置３０は、平均温度Ｔｗａが目標平均温度Ｔｗａｔと等しい場合は、放熱器２０が配置される対象空間での暖房負荷と、利用側熱交換器４における加熱量とが釣り合っていると判断し、ステップＳ１２に進む。制御装置３０は、ステップ１２において圧縮機１の周波数Ｆｑをそのまま維持する。

一方、平均温度Ｔｗａが目標平均温度Ｔｗａｔより低い場合は、放熱器２０が配置された対象空間への暖房負荷が不足している判断して、ステップＳ１３に進む。制御装置３０は、ステップＳ１３において、圧縮機１の周波数Ｆｑが初期周波数Ｆｑ０もしくは初期周波数以上である場合には、周波数を維持する。一方、制御装置３０は、圧縮機１の周波数が初期周波数Ｆｑ０よりも小さい場合には、周波数を増加させる。

また、制御装置３０は、平均温度Ｔｗａが目標平均温度Ｔｗａｔより高い場合は、放熱器２０が放熱する対象空間への暖房負荷が過剰であると判断して、ステップＳ１４に進む。制御装置３０は、ステップ１４において、圧縮機１の周波数Ｆｑを低下させる。

なお、ここで、ステップ１１において、平均温度Ｔｗａが目標平均温度Ｔｗａｔと同一である場合にステップ１２に進むこととしたが、所定値β（例えば、３Ｋ）を設けて、平気温度Ｔｗａと平均目標温度Ｔｗａｔとの温度差（絶対値）が所定値βの範囲内である場合には、ステップＳ１２に進むこととしてもよい。このとき、（Ｔｗａｔ−Ｔｗａ）＜−βである場合には、ステップ１３に進み、（Ｔｗａｔ−Ｔｗａ）＞βである場合には、ステップ１４に進む。定常運転の制御動作は、暖房運転の停止がリモコン等から指示された場合や、熱媒回路１２を循環する熱媒３が所定温度以上となった場合等に停止される。

このような制御動作を行うと、利用側熱交換器４の出口温度Ｔｗｏが変化した場合に循環ポンプ９の搬送量Ｇｗによって出口温度Ｔｗｏを調整しても、必要な暖房負荷が変動しない場合は放熱量も変動しない。したがって、出口温度Ｔｗｏと入口温度Ｔｗｉとの平均温度Ｔｗａは変化せず、圧縮機１の周波数Ｆｑは変化しない。

そのため、例えば、対象空間で暖房が不要となり、暖房負荷が低下して、平均温度Ｔｗａが高くなった場合には、図３に示すように、暖房負荷に合った平均温度Ｔｗａとなるように圧縮機１の周波数Ｆｑを低下させる。また、圧縮機１の周波数Ｆｑが調整されたことにより、出口温度Ｔｗｏが変動しても、平均温度Ｔｗａによって制御される圧縮機１の周波数Ｆｑに干渉することなく循環ポンプ９の搬送量Ｇｗを減少させる。これによって、熱媒３の出口温度Ｔｗｏを目標温度Ｔｗｏｔに戻す。

以上のように、本実施の形態では、出口温度Ｔｗｏと、入口温度Ｔｗｉとの平均温度Ｔｗａが低い時よりも高いときに、圧縮機１の周波数Ｆｑを低くする。また、出口温度Ｔｗｏが目標出口温度Ｔｗｏｔとなるように、循環ポンプ９の搬送量Ｇｗを調整する。これにより、出口温度Ｔｗｏが変化すると循環ポンプ９の搬送量Ｇｗにより調整するが、暖房負荷が変動しない場合には放熱量も変動しないので、平均温度Ｔｗａは変化せず、圧縮機１の周波数Ｆｑは変化しない。

したがって、暖房負荷の変動によって平均温度Ｔｗａが高くなった場合でも、暖房負荷
に合った圧縮機１の周波数Ｆｑに調整される。また、圧縮機１の周波数Ｆｑが調整されたことに起因する出口温度Ｔｗｏの変動を、圧縮機１の周波数Ｆｑに干渉することなく循環ポンプ９の搬送量Ｇｗによって調整する。

よって、熱源の能力が暖房負荷に合った所定の範囲に調整される。さらに、暖房負荷の変動に対応して熱源の能力が変化しても、出口温度Ｔｗｏを目標出口温度Ｔｗｏｔに安定させることができる。

なお、初期運転において、出口温度Ｔｗｏが目標出口温度Ｔｗｏｔとなるまでの間、入口温度Ｔｗｉが低い時よりも高い時、すなわち、平均温度Ｔｗａが低い時よりも高い時に、圧縮機１の周波数Ｆｑを高くしてもよい。これにより、入口温度Ｔｗｉが高くなって、利用側熱交換器４における冷媒２のエンタルピー差が小さくなって場合でも、加熱能力の低下を抑制して、目標出口温度Ｔｗｏｔの湯水をより早く生成でき、またそれを維持することができる。

その結果、除霜運転からの復帰等で出口温度Ｔｗｏが下がり切った場合でも、出口温度Ｔｗｏが目標出口温度Ｔｗｏｔに到達するまでの時間（復帰時間）を短縮し、使用者の快適性を向上させることができる。

以上のように、本発明にかかる温水生成装置は、暖房負荷の変動があった場合でも圧縮機と循環ポンプの制御が干渉せず、制御の安定性を向上することができるもので、ヒートポンプ式温水暖房機や温水循環加熱装置、チラー等の用途に適用できる。

１圧縮機
４利用側熱交換器
５膨張手段
６熱源側熱交換器
８ヒートポンプサイクル
９循環ポンプ
１０出口温度検出手段
１１入口温度検出手段
１２熱媒回路
３０制御装置

Claims

圧縮機、冷媒と熱媒との間で熱交換を行う利用側熱交換器、膨張手段、熱源側熱交換器、が冷媒配管で環状に接続されて構成されたヒートポンプサイクルと、
前記熱媒を環状の熱媒回路の内部で循環させる循環ポンプと、
前記利用側熱交換器の出口側の前記熱媒の温度を検出する出口温度検出手段と、
前記利用側熱交換器の入口側の前記熱媒の温度を検出する入口温度検出手段と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記出口温度検出手段で検出される出口温度と前記入口温度検出手段で検出される入口温度との平均温度が低い時よりも高いときに、前記圧縮機の周波数を低くし、
前記制御装置は、前記出口温度が目標出口温度となるように、前記循環ポンプの搬送量を制御することを特徴とする温水生成装置。
前記制御装置は、前記出口温度が前記目標出口温度となるまでの間に、前記入口温度が低いときよりも高いときに、前記圧縮機の周波数を高くすることを特徴とする請求項１に記載の温水生成装置。