JP2002333232A - ヒートポンプ設備及びそれを用いた融雪設備 - Google Patents

ヒートポンプ設備及びそれを用いた融雪設備

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JP2002333232A JP2001140202A JP2001140202A JP2002333232A JP 2002333232 A JP2002333232 A JP 2002333232A JP 2001140202 A JP2001140202 A JP 2001140202A JP 2001140202 A JP2001140202 A JP 2001140202A JP 2002333232 A JP2002333232 A JP 2002333232A
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幸博 矢野
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    • Y02E10/10Geothermal energy

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒートポンプ設備におけるファン夜間騒音の
問題を抑止する。 【解決手段】 ヒートポンプ3の運転により対空気熱交
換器4でファン7による通風外気OAから熱採取してそ
の採取熱を負荷熱交換器2で放熱させる空気熱源運転
と、ヒートポンプ3の運転により地中熱交換器1で地中
Gから熱採取してその採取熱を負荷熱交換器2で放熱さ
せる地中熱源運転との選択実施を可能にしたヒートポン
プ設備において、昼間には地中熱源運転に優先して空気
熱源運転を実施し、かつ、夜間には空気熱源運転に優先
して地中熱源運転を実施する制御手段13を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はヒートポンプ設備及
びそれを用いた融雪設備に関し、詳しくは、ヒートポン
プの運転により対空気熱交換器でファンによる通風外気
から熱採取してその採取熱を負荷熱交換器で放熱させる
空気熱源運転と、ヒートポンプの運転により地中熱交換
器で地中から熱採取してその採取熱を負荷熱交換器で放
熱させる地中熱源運転との選択実施を可能にしたヒート
ポンプ設備、及び、それを用いた融雪設備に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、上記の如きヒートポンプ設備で
は、各時点において地中と外気(大気空気)とのうち採
熱源として好条件にあるものから熱採取するように地中
熱源運転と空気熱源運転との切り換えを行なっていた。
【0003】また、ヒートポンプの運転により対空気熱
交換器でのファン通風外気からの熱採取及び地中熱交換
器での地中からの熱採取の両方を実施してそれら採取熱
を負荷熱交換器で放熱させる2熱源運転の選択実施を可
能し、負荷熱交換器の負荷が大きいときには、この2熱
源運転を実施するようにしたものもある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来のヒ
ートポンプ設備では、昼間の地中熱源運転で地中熱交換
器周りの地中温度が低下した等のことが原因で夜間に空
気熱源運転を実施することも多いため、また、夜間の2
熱源運転もあって、対空気熱交換器に対する外気通風フ
ァンを夜間に運転することが多く、このファンの夜間運
転が近隣者にとって騒音となる虞があった。
【0005】また、この問題を回避するのに、低騒音タ
イプのファンを使用したり防音構造を採るなどの対策も
施されるが、これと組み合わせてファン夜間騒音の問題
を効果的に抑止できる有効な手段が望まれていた。
【0006】この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、
合理的な運転形態を採ることにより、ヒートポンプ設備
における上記の如きファン夜間騒音の問題を効果的に抑
止できるようにする点にある。
【0007】
【課題を解決するための手段】〔1〕請求項1に係る発
明はヒートポンプ設備に係り、その特徴は、ヒートポン
プの運転により対空気熱交換器でファンによる通風外気
から熱採取してその採取熱を負荷熱交換器で放熱させる
空気熱源運転と、前記ヒートポンプの運転により地中熱
交換器で地中から熱採取してその採取熱を前記負荷熱交
換器で放熱させる地中熱源運転との選択実施を可能にし
た構成において、昼間には地中熱源運転に優先して空気
熱源運転を実施し、かつ、夜間には空気熱源運転に優先
して地中熱源運転を実施する制御手段を設けてある点に
ある。
【0008】つまり、この構成によれば、夜間には、フ
ァン運転が不要な地中熱源運転を空気熱源運転に優先し
て実施することから、また、ファン騒音が問題となるこ
とが少ない昼間において地中熱源運転よりも優先的に空
気熱源運転を実施することで、夜間における地中熱源運
転の優先実施に備え昼間に地中熱交換器周りの地中温度
を回復させることができて、そのことで夜間における地
中熱源運転の優先実施を促進できることからも、先述の
如き従来のヒートポンプ設備に比べ、ファン夜間騒音の
問題を効果的に抑止することができる。
【0009】なお、昼間における空気熱源運転の優先実
施にもかかわらず地中熱交換器周りの地中温度を十分に
回復できない場合などでは、夜間の空気熱源運転を実施
することもあり得るが、この場合は対空気熱交換器に対
する外気通風ファンの出力を負荷に応じ制御するなどし
てファン夜間騒音を極力低減するようにすることが望ま
しい。
【0010】〔2〕請求項2に係る発明は、請求項1に
係る発明の実施に好適な実施形態を特定するものであ
り、その特徴は、前記ヒートポンプの運転により前記対
空気熱交換器でのファン通風外気からの熱採取及び前記
地中熱交換器での地中からの熱採取の両方を実施してそ
れら採取熱を前記負荷熱交換器で放熱させる2熱源運転
の選択実施を可能し、前記制御手段を、前記負荷熱交換
器の負荷に応じて、昼間及び夜間の夫々で負荷が大きい
ときには2熱源運転を実施し、昼間で負荷が小さいとき
には前記空気熱源運転を実施し、夜間で負荷が小さいと
きには前記地中熱源運転を実施する構成にしてある点に
ある。
【0011】つまり、この構成では、昼間及び夜間の夫
々において負荷が大きいときには2熱源運転を行なうよ
うにすることで高い負荷対応能力を発揮させるが、この
ように対空気熱交換器に対する外気通風ファンの運転を
要する2熱源運転を昼間及び夜間に実施するようにしな
がらも、前述の夜間における地中熱源運転の優先実施と
して、夜間で負荷が小さいときには地中熱源運転を実施
し、また、前述の昼間における空気熱源運転の優先実施
として、昼間で負荷が小さいときには空気熱源運転を実
施することで、請求項1に係る発明の効果を得ることが
でき、これにより、2熱源運転により高負荷に対応する
ものについても、従来のヒートポンプ設備に比べファン
夜間騒音の問題を効果的に抑止することができる。
【0012】なお、2熱源運転の夜間実施時には、前述
の如く夜間の空気熱源運転が必要になる場合と同様、対
空気熱交換器に対する外気通風ファンの出力を負荷に応
じ制御するなどしてファン夜間騒音を極力低減するよう
にすることが望ましい。
【0013】〔3〕請求項3に係る発明は、請求項1又
は2に係る発明の実施に好適な実施形態を特定するもの
であり、その特徴は、前記ヒートポンプを停止した状態
で前記地中熱交換器と前記負荷熱交換器との間で熱媒を
直接に循環させる直接循環運転の選択実施を可能にし、
前記制御手段を、前記負荷熱交換器での負荷が極小さい
ときには直接循環運転を実施する構成にしてある点にあ
る。
【0014】つまり、この構成では、直接循環運転とし
てヒートポンプを停止(対空気熱交換器に対する外気通
風ファンも停止)した状態で地中熱交換器と負荷熱交換
器との間で熱媒を直接に循環させることにより、負荷熱
交換器での放熱で低温化した熱媒を地中熱交換器での対
地熱交換により温度回復させて再び負荷熱交換器に送る
といった形態で極小さい負荷に対応するが、このように
極小さい負荷に対し直接循環運転で対応することによ
り、地中熱源運転をもって極小さい負荷に対応するに比
べヒートポンプの運転騒音(主に圧縮機音)を回避する
ことができ、また、空気熱源運転をもって極小さい負荷
に対応するに比べればファン騒音及びヒートポンプ騒音
の両方を回避でき、これにより、請求項1に係る発明と
相俟って騒音抑止面で一層優れたヒートポンプ設備にす
ることができる。
【0015】また、このように負荷が極小さいときに直
接循環運転を実施することで、ヒートポンプの運転に要
する動力も節減できて、省エネ面及び運転コスト面でも
優れたヒートポンプ設備にすることができる。
【0016】〔4〕請求項4に係る発明は、請求項1〜
3のいずれか1項に係る発明の実施に好適な実施形態を
特定するものであり、その特徴は、前記ヒートポンプを
停止した状態で前記地中熱交換器と前記負荷熱交換器と
の間で熱媒を直接に循環させる直接循環運転の選択実施
を可能にし、前記制御手段を、設備の起動時に直接循環
運転を所定期間だけ実施した上で前記ヒートポンプの運
転を伴う設備運転に移行する構成にしてある点にある。
【0017】つまり、ヒートポンプの運転を伴う設備運
転(地中熱源運転や空気熱源運転、あるいは2熱源運
転)を設備の起動時に直ちに実施すると、大きな初期負
荷(立ち上げ負荷)のためにヒートポンプの運転におい
て大きな運転騒音を生じ、また、大きな運転動力を要す
るが、上記の如く、設備の起動時に直接循環運転を所定
期間だけ実施した上でヒートポンプの運転を伴う設備運
転に移行するようにすれば、所定期間の直接循環運転に
より初期負荷を軽減した状態でヒートポンプの運転に入
ることができて、上記の如き起動時における大きな運転
騒音や大きな動力消費を効果的に抑止することができ、
これにより、請求項1に係る発明と相俟って騒音抑止面
で一層優れたヒートポンプ設備にすることができ、ま
た、省エネ面及び運転コスト面でも優れたヒートポンプ
設備にすることができる。
【0018】〔5〕請求項5に係る発明は、請求項1〜
4のいずれか1項に係るヒートポンプ設備を用いた融雪
設備に係り、その特徴は、前記負荷熱交換器を融雪用熱
交換器として融雪対象箇所に設置し、その負荷熱交換器
からの放熱により融雪対象箇所の融雪を行なう構成にし
てある点にある。
【0019】つまり、融雪設備は一般の空調設備などと
異なり設備の運転時刻が不確定で夜間を通じての運転が
必要になることも多く、このことから夜間運転による騒
音が特に問題になり易く、また、それを回避することも
難しいのが実情であるが、上記の如く負荷熱交換器を融
雪用熱交換器として融雪対象箇所に設置して、その負荷
熱交換器からの放熱により融雪対象箇所の融雪を行なう
といった形態で、請求項1〜4のいずれか1項に係るヒ
ートポンプ設備を用いて融雪設備を構成すれば、それら
請求項1〜4に係る発明により得られる前述の如き効果
(すなわち、ファン夜間騒音の抑止効果やヒートポンプ
運転騒音の抑止効果)をもって、夜間騒音の抑止面で極
めて優れた融雪設備にすることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】図1は2熱源ヒートポンプを用い
た融雪設備を示し、1は地中Gに埋設した地中熱交換
器、2は道路などの融雪対象箇所Yに設置した負荷熱交
換器としての融雪用熱交換器、3は屋外設置型のパッケ
ージ式ヒートポンプであり、このヒートポンプ3は、そ
の主要構成装置として圧縮機及び膨張弁とともに第1及
び第2の蒸発器4,5並びに凝縮器6を備え、また、対
空気熱交換器としての第1蒸発器4に対し外気OAを通
風するファン7を備えている。
【0021】8は地中熱交換器1とヒートポンプ3の第
2蒸発器5との間で熱媒Lを第1ポンプP1により循環
させる熱源側循環路、9は融雪用熱交換器2とヒートポ
ンプ3の凝縮器6との間で熱媒Lを第2ポンプP2によ
り循環させる負荷側循環路であり、また、10a,10
bは熱源側循環路8と負荷側循環路9とを短絡する形態
で地中熱交換器1と融雪用熱交換器2との間での直接の
熱媒循環を可能にする渡り路、Vは熱媒Lの循環経路を
切り換える切換弁である。
【0022】そして、この融雪設備では上記構成により
次の(イ)〜(ニ)の4つの運転の選択実施を可能にし
てある。
【0023】(イ)空気熱源運転 図2に示す如く、切換弁Vにより渡り路10a,10b
を閉じた状態で負荷側循環路9において熱媒Lを循環さ
せるのに対し熱源側循環路8での熱媒循環を停止し、か
つ、ファン7を運転状態にし、この状態でヒートポンプ
3を運転して第1蒸発器4により通風外気OAからのみ
熱採取しながら、その採取熱を融雪用熱交換器2で放熱
させる。
【0024】(ロ)地中熱源運転 図3に示す如く、切換弁Vにより渡り路10a,10b
を閉じた状態で熱源側循環路8及び負荷側循環路9の各
々において熱媒Lを循環させ、かつ、ファン7を停止状
態にし、この状態でヒートポンプ3を運転して地中熱交
換器1により地中Gからのみ熱採取しながら、その採取
熱を融雪用熱交換器2で放熱させる。
【0025】(ハ)2熱源運転 図4に示す如く、切換弁Vにより渡り路10a,10b
を閉じた状態で熱源側循環路8及び負荷側循環路9の各
々において熱媒Lを循環させ、かつ、ファン7を運転状
態にし、この状態でヒートポンプ3を運転して第1蒸発
器4での通風外気OAからの熱採取及び地中熱交換器1
での地中Gからの熱採取の両方を実施しながら、その採
取熱を融雪用熱交換器2で放熱させる。
【0026】(ニ)直接循環運転 図5に示す如く、ヒートポンプ3及びファン7を停止状
態にし、かつ、切換弁Vにより渡り路10a,10bを
開き、この状態で第1及び第2ポンプP1,P2を運転
して地中熱交換器1と融雪用熱交換器2との間で直接に
熱媒Lを循環させ、これにより、融雪用熱交換器2での
放熱で低温化した熱媒Lを地中熱交換器1での対地熱交
換により温度回復させて再び融雪用熱交換器2に送ると
いった形態で融雪用熱交換器2から放熱させる。
【0027】11は融雪用熱交換器2への送り熱媒Lの
温度tiを検出するセンサ、12は融雪用熱交換器2か
らの戻り熱媒Lの温度toを検出するセンサ、13は制
御装置であり、この制御装置13は各センサ11,12
の検出温度ti,toに基づいて上記(イ)〜(ニ)の
4つの運転の切り換えを図6に示す如き制御手順をもっ
て実行する。
【0028】すなわち、制御装置13は両検出温度t
i,toの差Δt(=to−ti)から融雪用熱交換器
2における現在の負荷Q(融雪負荷)を判定してその負
荷Qが極小さいか(#1)、あるいは、現在が初春又は
初冬か(#2)、あるいはまた、設備の起動時点からの
経過時間Tが設定時間Ts(例えば5分間)以内である
か(#3)のいずれかであれば直接循環運転(#11)
を実施する。
【0029】また、上記の3つの判定事項(#1〜#
3)のいずれにも該当しない場合は、現在が昼間か夜間
かの判定(#4)、及び、現在の負荷Qが大きいか小さ
いかの判定(#5,#6)を行ない、昼間及び夜間の夫
々で負荷Qが大きいときには2熱源運転(#7,#9)
を実施し、昼間で負荷Qが小さいときには空気熱源運転
(#8)を実施し、夜間で負荷Qが小さいときには地中
熱源運転(#10)を実施する。
【0030】そしてまた、2熱源運転(#7,#9)の
場合及び空気熱源運転(#8)の場合は、ファン7の出
力を台数制御やインバータ制御などにより現在の負荷Q
に応じた出力に調整(#12〜#14)する。
【0031】つまり、この融雪設備では、昼間の小負荷
時には空気熱源運転を選択し、かつ、夜間の小負荷時に
は地中熱源運転を選択するといった形態で、昼間には地
中熱源運転に優先して空気熱源運転を実施し、かつ、夜
間にはファン運転を伴う空気熱源運転に優先してファン
運転が不要な地中熱源運転を実施するようにしてあり、
これにより、ファン7の夜間騒音の問題を抑止する。
【0032】また、負荷Qが極小さいときには、ヒート
ポンプ3の運転及びファン7の運転を伴わない直接循環
運転を実施することで、さらには、設備の起動時には直
接循環運転を所定期間(設定時間Ts)だけ実施した上
でヒートポンプ3の運転を伴う空気熱源運転や地中熱源
運転あるいは2熱源運転に移行するようにすることで、
一層の騒音抑止効果及び省エネ効果を図っている。
【0033】なお、両検出温度ti,toの差Δt(=
to−ti)に基づく負荷Qの判定としては、その温度
差Δtが3つの閾値α1〜α3(α1<α2<α3)に
より区分される4つの領域のいずれに属するかをもって
判定しており、温度差Δtが第1領域(Δt<α1)に
あるときには負荷Qが極小さいと判定し、温度差Δtが
第2領域(α1<Δt<α2)にあるときには負荷Qが
小さいと判定し、温度差Δtが第3領域(α2<Δt<
α3)にあるときには負荷Qが適正であると判定し、温
度差Δtが第4領域(α3<Δt)にあるときには負荷
Qが大きいと判定する形態を採っている。そして、図6
では省略したが負荷Qが適正である場合には現行の運転
を継続するようにしてある。
【0034】〔別実施形態〕次に本発明の別実施形態を
列記する。
【0035】前述の実施形態では融雪用熱交換器2(負
荷熱交換器)における入出口の熱媒温度差Δtに基づい
て負荷Qを判定する例を示したが、負荷Qの判定方式は
これに限られるものではなく、例えば、融雪設備の場合
では外気温度や降雪量あるいは積雪量などに基づいて負
荷Qを判定するようにしてもよく、また、融雪設備以外
の場合でも負荷熱交換器2の設置域における温度やその
設置域における冷却源の稼動状況などに基づいて負荷Q
を判定するようにしてもよい。
【0036】また、前述の実施形態では、大負荷と小負
荷との閾値として昼間と夜間とで同じ閾値を用いるよう
にしたが、この閾値を昼間と夜間とで異ならせるように
してもよい。
【0037】前述の実施形態では大負荷時に2熱源運転
を実施する例を示したが、本発明は2熱源運転を行なわ
ない設備にも適用できる。
【0038】そしてまた、前述の実施形態では、昼間に
おいて地中熱源運転を全く実施せず、また、夜間におい
て空気熱源運転を全く実施しないようにしたが、昼間に
おいて空気熱源運転を地中熱源運転よりも優先するの
に、昼間には通常は空気熱源運転を実施するが、外気温
度が設定下限値よりも低いときや何らかの原因で空気熱
源運転の実施が不都合なときのみ昼間の地中熱源運転を
許すといった優先形態を採ってもよく、また同様に、夜
間において地中熱源運転を空気熱源運転よりも優先する
のに、夜間には通常は地中熱源運転を実施するが、地中
温度が設定下限値よりも低いときや何らかの原因で地中
熱源運転の実施が不都合なときのみ夜間の空気熱源運転
を許すといった優先形態を採ってもよい。
【0039】請求項1〜4に係るヒートポンプ設備は、
融雪に限らず種々の用途に使用できる。
【0040】また、請求項5に係る融雪設備は、融雪に
限らず路面等の凍結防止にも適用でき、本発明において
融雪とは凍結防止を含む広義のものを言う。
【図面の簡単な説明】
【図1】融雪設備の構成図
【図2】空気熱源運転の運転形態を示す図
【図3】地中熱源運転の運転形態を示す図
【図4】2熱源運転の運転形態を示す図
【図5】直接循環運転の運転形態を示す図
【図6】運転切り換え制御のフローチャート
【符号の説明】
1 地中熱交換器 2 負荷熱交換器,融雪用熱交換器 3 ヒートポンプ 4 対空気熱交換器 7 ファン 13 制御手段 G 地中 OA 外気 Y 融雪対象箇所
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F25B 30/06 F25B 30/06 T

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ヒートポンプの運転により対空気熱交換
    器でファンによる通風外気から熱採取してその採取熱を
    負荷熱交換器で放熱させる空気熱源運転と、 前記ヒートポンプの運転により地中熱交換器で地中から
    熱採取してその採取熱を前記負荷熱交換器で放熱させる
    地中熱源運転との選択実施を可能にしたヒートポンプ設
    備であって、 昼間には地中熱源運転に優先して空気熱源運転を実施
    し、かつ、夜間には空気熱源運転に優先して地中熱源運
    転を実施する制御手段を設けてあるヒートポンプ設備。
  2. 【請求項2】 前記ヒートポンプの運転により前記対空
    気熱交換器でのファン通風外気からの熱採取及び前記地
    中熱交換器での地中からの熱採取の両方を実施してそれ
    ら採取熱を前記負荷熱交換器で放熱させる2熱源運転の
    選択実施を可能し、 前記制御手段を、前記負荷熱交換器の負荷に応じて、 昼間及び夜間の夫々で負荷が大きいときには2熱源運転
    を実施し、昼間で負荷が小さいときには前記空気熱源運
    転を実施し、夜間で負荷が小さいときには前記地中熱源
    運転を実施する構成にしてある請求項1記載のヒートポ
    ンプ設備。
  3. 【請求項3】 前記ヒートポンプを停止した状態で前記
    地中熱交換器と前記負荷熱交換器との間で熱媒を直接に
    循環させる直接循環運転の選択実施を可能にし、 前記制御手段を、前記負荷熱交換器での負荷が極小さい
    ときには直接循環運転を実施する構成にしてある請求項
    1又は2記載のヒートポンプ設備。
  4. 【請求項4】 前記ヒートポンプを停止した状態で前記
    地中熱交換器と前記負荷熱交換器との間で熱媒を直接に
    循環させる直接循環運転の選択実施を可能にし、 前記制御手段を、設備の起動時に直接循環運転を所定期
    間だけ実施した上で前記ヒートポンプの運転を伴う設備
    運転に移行する構成にしてある請求項1〜3のいずれか
    1項に記載のヒートポンプ設備。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか1項に記載のヒ
    ートポンプ設備を用いた融雪設備であって、 前記負荷熱交換器を融雪用熱交換器として融雪対象箇所
    に設置し、その負荷熱交換器からの放熱により融雪対象
    箇所の融雪を行なう構成にしてある融雪設備。
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