JP6071540B2 - ヒートポンプ冷温水システム - Google Patents

Description

本発明は、除霜運転ができない状態を防ぐようにしたヒートポンプ冷温水システムに関するものである。

従来から、空気調和機などの熱負荷源に加熱又は冷却した水などの熱媒体を供給するようにしたヒートポンプ冷温水システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４７０７５６２号公報

特許文献１に記載されているようなヒートポンプ冷温水システムでは、低温水で使用する場合において、ヒートポンプ冷温水システムが除霜運転した時、ヒートポンプ冷温水システムの入口水温が低く、出口水温が下がって、水が凍結してしまう可能性がある。そのため、除霜運転ができないことがあった。このような場合、特許文献１に記載されているようなヒートポンプ冷温水システムでは、通常、入口側の水温が自然と上がるまで熱源機を停止するように制御していた。

本発明は、上記のような課題を解決するために為されたものであり、少なくとも２台の熱源機を並列に接続し、除霜運転ができない状態を防ぐことを可能としたヒートポンプ冷温水システムを提供することを目的とするものである。

本発明に係るヒートポンプ冷温水システムは、複数台が並列に接続され、それぞれに冷凍サイクルを備えている熱源機と、前記熱源機で加熱または冷却された熱媒体が供給される負荷と、を有し、前記熱源機のいずれか１つで除霜運転を実行可能なヒートポンプ冷温水システムであって、前記熱媒体を循環させる冷温水ポンプと、前記冷温水ポンプの上流側に設けられ、前記熱媒体の流れを切り替える熱媒体流路切替装置と、前記複数台の熱源機の熱媒体の流れ下流側と上流側とを接続し、前記負荷を迂回させるように前記熱媒体を流すバイパス管と、を備え、前記熱媒体流路切替装置は、切り替える方向のうちの第１の方向が前記冷温水ポンプを介して前記熱源機のそれぞれに接続され、切り替える方向のうちの第２の方向が前記負荷に接続され、切り替える方向のうちの第３の方向が前記バイパス管に接続されており、前記除霜運転を実行中、前記熱媒体流路切替装置によって、前記熱媒体を前記バイパス管に流し、前記負荷を迂回させることにより、前記熱媒体を、前記負荷を介さずに循環させるものである。

本発明に係るヒートポンプ冷温水システムは、除霜運転を実行中、熱媒体を、負荷を介さずに循環させるので、熱媒体を凍結させることがない。したがって、本発明に係るヒートポンプ冷温水システムによれば、除霜運転ができないような状態を発生させることなく、安定的に除霜運転を実行でき、信頼性の向上を図ることができる。

本発明の実施の形態に係るヒートポンプ冷温水システムのシステム構成を概略的に示す概略図である。 本発明の実施の形態に係るヒートポンプ冷温水システムの回路構成を示す概略回路構成図である。 本発明の実施の形態に係るヒートポンプ冷温水システムの制御部の制御動作の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係るヒートポンプ冷温水システム１００（以下、単にシステム１００と称する）のシステム構成を概略的に示す概略図である。図２は、システム１００の回路構成を示す概略回路構成図である。図３は、システム１００の制御部１７の制御動作の流れの一例を示すフローチャートである。図１〜図３に基づいて、システム１００の構成及び制御動作について説明する。図２では、（ａ）が通常運転時の冷媒の流れ（実線矢印）及び熱媒体の流れ（破線矢印）を示し、（ｂ）が除霜運転時の冷媒の流れ（実線矢印）及び熱媒体の流れ（破線矢印）を示している。

システム１００は、空気調和機などの熱負荷源（図１に示す負荷５０）に加熱又は冷却した水などの熱媒体を供給するものである。なお、以下においては、熱媒体が水であるものとして説明する。

［システム１００の機器構成］
図１及び図２に示すように、システム１００は、空気調和機などの熱負荷源（負荷５０）を通過する水を加熱または冷却する少なくとも２台の熱源機１１，２１と、熱源機１１，２１で加熱又は冷却され、合流された水（高温水又は低温水）が供給されることによって空気調和などを実行する負荷５０と、を有している。熱源機１１，２１は、並列に接続されており、熱源機１１，２１と負荷５０とは、熱媒体配管５によって配管接続されている。熱媒体配管５には、水を循環供給する冷温水ポンプ１２が設置されている。

また、冷温水ポンプ１２の上流側には、水の流れを切り替える三方弁１６が設置されている。三方弁１６は、三方のうちの一方が冷温水ポンプ１２を介して熱源機１１，２１に接続され、三方のうちの一方が負荷５０に接続され、三方のうちの一方がバイパス管６に接続されている。熱媒体配管５は、熱源機１１，２１の熱媒体の流れ下流側で合流されて負荷５０に接続され、熱源機１１，２１の熱媒体の流れ上流側で三方弁１６、冷温水ポンプ１２を介して熱源機１１，２１に接続されている。

熱媒体配管５には、熱源機１１，２１の熱媒体の流れ下流側で合流された後、負荷５０を迂回するようにバイパス管６が接続されている。バイパス管６は、熱源機１１，２１の熱媒体の流れ下流側と負荷５０との間における熱媒体配管５から分岐し、三方弁１６に接続している。つまり、バイパス管６は、熱媒体配管５に、負荷５０を迂回するように接続されている。

また、システム１００は、システム１００を統括制御する制御部１７を備えている。制御部１７は、マイコン等で構成されており、熱源機１１に搭載されている制御部１５、及び、熱源機２１に搭載されている制御部２５に無線又は有線で接続されている。そして、制御部１７は、制御部１５及び制御部２５から送られる熱源機の運転状態を示す情報に基づいて、熱源機１１，２１を管理している。例えば、制御部１７は、制御部１５及び制御部２５から送られる情報に基づいて、圧縮機１３，２３の駆動周波数や、絞り装置３１，４１の開度、熱交換器３２，４２に付設されている送風機の回転数、冷温水ポンプ１２の回転数、三方弁１６の開閉などを制御している。

熱源機１１には、圧縮機１３と、水と冷媒とが熱交換することで水を加熱または冷却する熱交換器１４と、冷媒の圧力を減圧する絞り装置３１と、空気と冷媒とで熱交換する熱交換器３２と、これらを制御する制御部１５と、が搭載されている。そして、圧縮機１３、熱交換器１４、絞り装置３１、熱交換器３２を順次配管接続し、冷凍サイクルを構成している。

圧縮機１３は、吸入した低温・低圧冷媒を圧縮し、高温・高圧冷媒として吐出し、系内に冷媒を循環させることで空調運転を可能とするものである。この圧縮機１３は、インバーターによる周波数制御可能なタイプで構成することが一般的であるが、回転数が一定のタイプであってもよい。また、図示は省略しているが、圧縮機１３の四方弁を設け、熱交換器１４による水の加熱運転時と冷却運転時とで冷媒流路を切り替えるようにしてもよい。また、四方弁を設けておけば、圧縮機１３からの吐出冷媒を熱交換器３２に供給し、除霜運転を実行することもできる。

熱交換器１４は、冷凍サイクルを流れる冷媒と、熱媒体配管５を流れる水（熱媒体）と、で熱交換を行ない、水を加熱又は冷却するものである。熱交換器１４は、冷媒−熱媒体熱交換器であり、例えば、二重管熱交換器や、プレート型熱交換器で構成するとよい。

絞り装置３１は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、冷媒を減圧して膨張させるものである。この絞り装置３１は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば代表的な電子式膨張弁で構成するものとする。熱交換器３２は、加熱運転時には蒸発器、冷却運転時には凝縮器（放熱器）として機能するものであり、冷媒と空気（図示省略のファンから供給される空気）との間で熱交換を行ない、冷媒を蒸発ガス化、もしくは、凝縮液化するものである。熱交換器３２は、例えば、フィンチューブ型熱交換器で構成するとよい。

制御部１５は、マイコン等で構成されており、熱源機１１の運転状態を検知するものである。制御部１５は、例えば、圧縮機１３から吐出される冷媒圧力、冷媒温度、圧縮機１３に吸入される冷媒圧力、冷媒温度、熱交換器１４の冷媒出入口の冷媒温度、熱交換器１４の熱媒体出入口の熱媒体温度、熱交換器３２の冷媒出入口の冷媒温度、熱交換器３２に供給される外気の温度などから、熱源機１１の運転状態を検知し、制御部１７に送信する。

同様に、熱源機２１には、圧縮機２３と、水と冷媒とが熱交換することで水を加熱または冷却する熱交換器２４と、冷媒の圧力を減圧する絞り装置４１と、空気と冷媒とで熱交換する熱交換器４２と、これらを制御する制御部２５と、が搭載されている。そして、圧縮機２３、熱交換器２４、絞り装置４１、熱交換器４２を順次配管接続し、冷凍サイクルを構成している。

圧縮機２３は、吸入した低温・低圧冷媒を圧縮し、高温・高圧冷媒として吐出し、系内に冷媒を循環させることで空調運転を可能とするものである。この圧縮機２３は、インバーターによる周波数制御可能なタイプで構成することが一般的であるが、回転数が一定のタイプであってもよい。また、図示は省略しているが、圧縮機２３の四方弁を設け、熱交換器２４による水の加熱運転時と冷却運転時とで冷媒流路を切り替えるようにしてもよい。また、四方弁を設けておけば、圧縮機２３からの吐出冷媒を熱交換器４２に供給し、除霜運転を実行することもできる。

熱交換器２４は、冷凍サイクルを流れる冷媒と、熱媒体配管５を流れる水（熱媒体）と、で熱交換を行ない、水を加熱又は冷却するものである。熱交換器２４は、冷媒−熱媒体熱交換器であり、例えば、二重管熱交換器や、プレート型熱交換器で構成するとよい。

絞り装置４１は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、冷媒を減圧して膨張させるものである。この絞り装置４１は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば代表的な電子式膨張弁で構成するものとする。熱交換器４２は、加熱運転時には蒸発器、冷却運転時には凝縮器（放熱器）として機能するものであり、冷媒と空気（図示省略のファンから供給される空気）との間で熱交換を行ない、冷媒を蒸発ガス化、もしくは、凝縮液化するものである。熱交換器４２は、例えば、フィンチューブ型熱交換器で構成するとよい。

制御部２５は、マイコン等で構成されており、熱源機２１の運転状態を検知するものである。制御部２５は、例えば、圧縮機２３から吐出される冷媒圧力、冷媒温度、圧縮機２３に吸入される冷媒圧力、冷媒温度、熱交換器２４の冷媒出入口の冷媒温度、熱交換器２４の熱媒体出入口の熱媒体温度、熱交換器４２の冷媒出入口の冷媒温度、熱交換器４２に供給される外気の温度などから、熱源機２１の運転状態を検知し、制御部１７に送信する。

なお、図１及び図２では、２台の熱源機を並列に接続して構成されている場合を例に示しているが、３台以上の熱源機を並列に接続して構成してもよい。また、熱媒体流路切替装置として三方弁１６を設置している場合を例に示しているが、バイパス管６を介して熱媒体を循環させることができるものであれば、例えば二方弁や四方弁で熱媒体流路切替装置を構成してもよい。二方弁で熱媒体流路切替装置を構成する場合、バイパス管６の合流部分よりも上流側に二方弁を設置すればよい。さらに、冷温水ポンプ１２は、熱源機１１，２１の熱媒体の流れ下流側で、熱媒体配管５の合流部分と、バイパス管６が接続されている部分との間に設けるようにしてもよい。

図１及び図２では、制御部を分けて搭載している場合を例に示しているが、制御部の個数を特に限定するものではない。また、図１及び図２に示すように、制御部を分けた場合は、各制御部が通信することによって、連携制御可能にしておくとよい。

［システム１００の制御動作］
熱源機１１，２１の運転状態を制御部１５，２５から制御部１７に送信する。熱源機１１，２１の運転状態とは、例えば熱源機１１，２１が暖房（加熱）運転をしているか、除霜運転をしているか、圧縮機１３，２３が運転しているか、圧縮機１３，２３が停止しているかなどである。ここでは、現在、熱源機１１，２１が通常の暖房運転をしているとする（ステップＳ１）。なお、暖房運転とは、負荷５０に高温水を供給する運転のことである。この場合、熱交換器１４，２４が凝縮器として機能する。

熱源機１１，２１が暖房運転を継続していると、蒸発器として機能している熱交換器３２，４２の周囲に着霜が発生することがある。特に、システム１００を水温が低い条件で使用する場合、熱交換器３２，４２の周囲の空気温度が低く、着霜が発生する可能性が高い。熱交換器３２，４２に着霜が発生すると、霜が熱抵抗となり、また熱交換器３２，４２の周囲の空気が流動する流路が狭くなって空気が流れ難くなる。その結果、冷媒と空気との熱交換が阻害され、機器の暖房能力および運転効率が低下してしまうことになる。そこで、システム１００では、熱交換器３２，４２に付着した霜を融かす除霜運転を実行するようにしている。

除霜運転は、例えば圧縮機１３，２３から吐出された冷媒を冷却運転時の流れに切り替えてホットガスリバース運転で実行したり、圧縮機１３，２３の吐出側の冷媒配管を分岐させてホットガスバイパス管を設けて、圧縮機１３，２３から吐出された冷媒を熱交換器３２，４２に供給することで実行したりするとよい。

また、単に、圧縮機１３，２３から吐出された冷媒を熱交換器３２，４２に供給し、熱交換器３２，４２を凝縮器として機能させたとすると、熱源機１１，２１に流入する水の入口水温が低いにも関わらず、熱交換器１４，２４が蒸発器として機能していることになる。そうすると、熱源機１１，２１から流出する際の水の出口水温が更に下がって、水が熱媒体配管５内で凍結してしまう可能性がある。

そこで、システム１００では、制御部１７が、制御部１５，２５から送られた熱源機１１，２１の運転状態によって、熱源機１１，２１のいずれか１台の除霜運転を実行するようになっている。なお、除霜運転の優先度は、熱交換器３２，４２に付着した霜の量や、熱交換器３２，４２で熱交換した後の空気温度、それぞれの稼動時間などに基づいて決定すればよい。

制御部１７は、熱源機１１，２１のいずれか１台、例えば熱源機２１が除霜運転を実行していると判断したとき（ステップＳ２；Ｙ）、三方弁１６を制御して、負荷５０への水の供給を停止する（ステップＳ３）。つまり、制御部１７は、バイパス管６を介して水を循環させる。この場合、除霜運転を実行していない熱源機１１では、圧縮機１３を停止させてもよいし、水を高温の状態に維持すべく、圧縮機１３を停止させず、熱交換器１４で水の加熱を継続させてもよい。いずれの場合においても、水は、バイパス管６を介して循環するので、負荷５０には流入しない。

したがって、水が負荷５０を経由しないことになるので、水の水温が除霜運転を開始した直後よりも低下することがない。そのため、システム１００では、除霜運転を継続して実行できる。なお、除霜運転中の熱源機２１の熱交換器２４は蒸発器として機能しているので、除霜運転中の熱源機２１に水を流入させないようにしてもよい。この場合、熱源機１１，２１の水の入口に開閉弁などを設けておけばよい。

制御部１７は、熱源機２１の除霜運転に続けて、熱源機１１の除霜運転を実行する。そして、熱源機１１，２１での除霜運転が終了したと判断すると（ステップＳ４；Ｙ）、制御部１７は、三方弁１６を切り替えて、バイパス管６ではなく、負荷５０に水を循環させる（ステップＳ５）。なお、除霜運転が終了したかどうかは、除霜運転の時間や、ホットガスを供給した熱交換器３２，４２で熱交換した後の空気温度などに基づいて判断すればよい。

以上のように、システム１００は、低温水で使用する場合においても、負荷５０への水の循環を切り替えることによって、水を凍結させることなく、除霜運転ができないような状態を発生させない。したがって、システム１００によれば、安定的に除霜運転を実行でき、信頼性の向上を図ることができる。

なお、熱源機の冷媒回路を循環させる冷媒の種類を特に限定するものではなく、たとえば二酸化炭素や炭化水素、ヘリウムなどの自然冷媒、ＨＦＣ４１０ＡやＨＦＣ４０７Ｃ（ＨＦＣのＲ３２／Ｒ１２５／Ｒ１３４ａが２３／２５／５２ｗｔ％の比率で混合されている非共沸混合冷媒）、ＨＦＣ４０４Ａなどの塩素を含まない代替冷媒、若しくは既存の製品に使用されているＲ２２やＲ１３４ａなどのフロン系冷媒のいずれを使用してもよい。
また、熱媒体として水を例に説明したが、熱媒体を水に限定するものではなく、たとえばブライン（不凍液）や、ブラインと水の混合液、水と防食効果が高い添加剤の混合液等を用いることができる。

５ 熱媒体配管、６ バイパス管、１１ 熱源機、１２ 冷温水ポンプ、１３ 圧縮機、１４ 熱交換器、１５ 制御部、１６ 三方弁、１７ 制御部、２１ 熱源機、２３ 圧縮機、２４ 熱交換器、２５ 制御部、３１ 絞り装置、３２ 熱交換器、４１ 絞り装置、４２ 熱交換器、５０ 負荷、１００ ヒートポンプ冷温水システム。

Claims (3)

1. 複数台が並列に接続され、それぞれに冷凍サイクルを備えている熱源機と、
   前記熱源機で加熱または冷却された熱媒体が供給される負荷と、を有し、
   前記熱源機のいずれか１つで除霜運転を実行可能なヒートポンプ冷温水システムであって、
   前記熱媒体を循環させる冷温水ポンプと、
   前記冷温水ポンプの上流側に設けられ、前記熱媒体の流れを切り替える熱媒体流路切替装置と、
   前記複数台の熱源機の熱媒体の流れ下流側と上流側とを接続し、前記負荷を迂回させるように前記熱媒体を流すバイパス管と、を備え、
   前記熱媒体流路切替装置は、切り替える方向のうちの第１の方向が前記冷温水ポンプを介して前記熱源機のそれぞれに接続され、切り替える方向のうちの第２の方向が前記負荷に接続され、切り替える方向のうちの第３の方向が前記バイパス管に接続されており、
   前記除霜運転を実行中、
   前記熱媒体流路切替装置によって、前記熱媒体を前記バイパス管に流し、前記負荷を迂回させることにより、前記熱媒体を、前記負荷を介さずに循環させる
   ことを特徴とするヒートポンプ冷温水システム。
2. 前記除霜運転が終了するまで、
   前記熱媒体流路切替装置は、
   前記熱媒体を前記バイパス管に流し、前記負荷を迂回させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ冷温水システム。
3. 前記熱媒体流路切替装置は、
   三方弁で構成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ冷温水システム。

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