JP2004132612A - 暖房及び冷暖房システム及び暖房及び冷暖房システム付き住宅 - Google Patents

Abstract

【課題】低外気温時のヒートポンプサイクルの暖房能力の低下を簡易で低コスト、高効率でバックアップできる暖房及び冷暖房システムを得る。
【解決手段】ヒートポンプサイクルの冷媒を熱交換器４を介して水熱媒と熱交換させ、この水熱媒を送水する循環ポンプ３を備えたヒートポンプによる熱源機１と、この熱源機１に接続され熱源機１から搬送されてくる水熱媒により冷暖房を行うファンコイルユニット９やパネルヒータ１１等の室内放熱器とから構成される暖房及び冷暖房システムについて、その熱源機１と室内放熱器とを接続する水熱媒の主配管７に、熱源機１とは別体で独自の電源１３で動作する補助熱源用加熱手段１２を設ける。また、熱源機１に制御手段１５を設け、制御手段１５からの制御信号により補助熱源用加熱手段１２の運転を制御する。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプサイクルの冷媒を熱交換器を介して水熱媒に熱交換させ、冷・温水を生成して搬送するヒートポンプ熱源機から供給される水熱媒によって冷暖房を行う暖房及び冷暖房システム及び暖房及び冷暖房システム付きの住宅に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプサイクルにより採熱した熱で冷暖房に使う水熱媒を生成し、室内放熱器に送水して冷暖房を行うヒートポンプチラー冷暖房システムとも称される冷暖房システムにおいては、ヒートポンプサイクルで採熱できる熱量が外気温度に左右されることから、外気温度が低いときには暖房能力が低下し、必要とする暖房雰囲気が得がたくなる。こうした問題を、室内側熱交換器の冷媒通路または室内側熱交換器に接続した水配管の内部にＰＴＣヒータを設けて解消している（例えば、特許文献１参照）。また、別の手段として、ヒートポンプ熱源機にヒータを内蔵し、ヒートポンプの能力不足時に補助加熱する仕方も行われている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１―２５０４６２号公報（２頁〜３頁、第２図，第６図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のヒートポンプ式冷暖房機においては、ＰＴＣヒータがヒートポンプ式の冷媒サイクルとは自立して運転するため、冷媒サイクル側の能力に十分余裕がある場合でも、暖房立上り時にはＰＴＣヒータが運転してしまい、ランニングコストを高騰させている。また、ヒートポンプの効率は、生成する温水を低水温化することにより高くなることが知られているが、従来の技術では、暖房負荷が小さく、低温水で十分暖房が行える場合も、所定の水温に達するまでＰＴＣヒータにより水温を上げざるを得ず、効率が悪い。また、ヒートポンプ熱源機にヒータを内蔵した場合、ヒータの制御は容易なものの、ヒートポンプ熱源機の構造が複雑になるうえ、電気容量も大きくなるため、施工性、メンテナンス性が悪く、コストも高くなるといった問題点がある。
【０００５】
本発明は、係る従来の問題点を解決するためになされたものであって、第１の目的は、低外気温時のヒートポンプサイクルの暖房能力の低下を簡易で低コスト、高効率でバックアップできる暖房及び冷暖房システムを得ることであり、第２の目的は、ランニングコストの低い暖房及び冷暖房システム付き住宅を開発することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明は、ヒートポンプサイクルの冷媒を熱交換器を介して水熱媒と熱交換させ、この水熱媒を送水する送水手段を備えたヒートポンプ熱源機と、ヒートポンプ熱源機に接続されヒートポンプ熱源機から搬送されてくる水熱媒により暖房または冷暖房を行う放熱器とから構成される暖房及び冷暖房システムについて、そのヒートポンプ熱源機と放熱器とを接続する水熱媒の主配管に、ヒートポンプ熱源機とは別体で独自の電源で動作する補助熱源用加熱手段を設ける手段を採用する。
【０００７】
また、前記目的を達成するために本発明は、ヒートポンプサイクルの冷媒を熱交換器を介して水熱媒と熱交換させ、この水熱媒を送水する送水手段を備えたヒートポンプ熱源機の主要部を屋外に設置し、ヒートポンプ熱源機に接続されヒートポンプ熱源機から搬送されてくる水熱媒により暖房または冷暖房を行う放熱器を屋内に設置して構成される暖房及び冷暖房システム付き住宅について、そのヒートポンプ熱源機と放熱器とを接続する水熱媒の屋内の主配管に、ヒートポンプ熱源機とは独立し、独自の電源で動作する補助熱源用加熱手段を設ける手段を採用する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１〜図３によって示す本実施の形態は、不凍液等による水熱媒を生成して搬送する熱源機１で構成される熱源側熱媒サイクルと、これによって供給される水熱媒によって冷暖房を行う室内放熱器で構成される利用側サイクルとにより構成される暖房及び冷暖房システムに関するものである。熱源機１は、図１に示すように水熱媒を貯留するバッファタンク２と、バッファタンク２の水熱媒を循環させる送水手段としての循環ポンプ３と、水熱媒を熱交換器４を介して加熱又は冷却するヒートポンプ方式の冷凍サイクルとによって構成されている。
【０００９】
バッファタンク２には往き側接続口と、戻り側接続口がそれぞれ設けられていて、往き側接続口は、循環ポンプ３の吸込側に配管接続され、戻り側接続口は、採熱用の熱交換器４の二次流路に直列に接続された配管の出口側が接続されている。循環ポンプ３の吐出側には利用側サイクルの往き側配管が接続され、熱交換器４の二次流路の入口側には利用側サイクルの戻り側配管が接続されている。ヒートポンプによる冷凍サイクルは、一機又は複数機の室外熱交換器５と四方切換弁と圧縮機及び流量調節弁並びに熱交換器４の一次流路で構成された熱媒循環閉路であり、冷凍サイクルの冷媒と水熱媒とは相互に独立し、混じり合うことはないが熱交換器４により熱的には接続している。この熱源機１は、独自の電源６で動作し、少なくとも室外熱交換器５については屋外に設置される。
【００１０】
利用側サイクルは、往き側配管と戻り側配管とによる主配管７に枝管８によって接続された室内放熱器による水熱媒の循環系として構成されている。室内放熱器としては、室内空気を循環させながら冷却或いは加熱することで冷暖房機能を果す冷暖房兼用の一機又は複数機のファンコイルユニット９や、輻射や自然対流による暖房機能を果す暖房専用の床暖房パネル１０やパネルヒータ１１が接続される。暖房専用の室内放熱器の接続された主配管７の往き側配管には、補助熱源用加熱手段１２が接続されている。補助熱源用加熱手段１２は、熱源機１とは別の電源１３で動作し、ファンコイルユニット９のような冷暖房兼用の室内放熱器が設置されるシステムでは、ファンコイルユニット９より下流側に電磁弁１４又は熱動弁を介して、その能力に応じて一機又は複数機が配備される。
【００１１】
熱源機１には、図２に示すように循環ポンプ３や圧縮機及び補助熱源用加熱手段１２を制御するマイコンを含む制御手段１５が搭載されており、この制御手段１５に冷房モードや暖房モードの設定を行う設定スイッチや、ＬＥＤや液晶等により運転状態等を表示する表示手段を備えたコントローラ及び補助熱源用加熱手段１２が信号線により信号のやりとりを可能に接続されている。制御手段１５にはバッファタンク２の出口の水熱媒温度を検知する熱媒温度検知手段の出力、及び室外の温度を検知する外気温度検知手段の出力がそれぞれ制御情報として取込まれる。
【００１２】
また、室内放熱器にはコントローラ及び室温を検知する室温検知手段が備えられ、コントローラの操作によって水熱媒の流量をそれ自体に設けられた流量調節弁を動かして、室温が設定温度になるようにフィードバック制御を行うとともに、熱源機１の制御手段１５に運転情報や設定温度及び室内温度を制御情報として送信する。
【００１３】
熱源機１のコントローラにより、暖房モードが設定されると、制御手段１５はヒートポンプの冷凍サイクルを暖房サイクルに切換え、室内放熱器のコントローラからの運転情報の取込みを行う。室内放熱器のいずれかから運転要求の信号が入ると、利用側サイクルに送る水熱媒の温度を暖房できる温度になるように、熱源機１を制御する。水熱媒の温度が暖房できる温度にならない場合には、制御手段１５は図２に示す接点１６を閉じる制御信号を送る。この接点１６が閉じると、補助熱源用加熱手段１２の電気ヒータ１７に繋がったリレー１８のリレーコイルが励磁され、常開接点１９が閉接点となり電源１３と電気ヒータ１７とが繋がり、補助熱源用加熱手段１２が水熱媒の温度を上げるべく動作する。なお、室内放熱器側からの運転要求の信号が一つもない場合には、循環ポンプ３は停止状態におかれる。
【００１４】
一方、熱源機１のコントローラにより、冷房モードが設定されると、制御手段１５はヒートポンプの冷凍サイクルを冷房サイクルに切換え、電磁弁１４を閉弁させ室内放熱器のコントローラからの運転情報の取込みを行う。室内放熱器のいずれかから運転要求の信号が入ると、室内放熱器に送る水熱媒の温度を冷房できる温度になるように、熱源機１を制御する。室内放熱器側からの運転要求の信号が一つもない場合には、循環ポンプ３は停止状態におかれる。
【００１５】
本実施の形態の冷暖房システムにおいて制御手段１５は、暖房モードでは図３のフローチャートによって示すような制御動作を行う。即ち、図３におけるステップ♯１で暖房運転が開始されると、ステップ♯２において熱源機１を暖房サイクルに切換え、室内放熱器のコントローラから設定温度Ｔ１を読込み、ステップ♯３に進む。ステップ♯３では外気温度検知手段の出力から外気温度Ｔ０を検知してステップ♯４で外気温度Ｔ０が所定の温度、例えば−１５℃以上かどうかの判定を行い、−１５℃以上であればステップ♯８の処理に進み、そうでなければステップ♯５の処理に進む。
【００１６】
ステップ♯５では、外気温度が低温で圧縮機を保護する必要があり、ヒートポンプサイクルでの採熱を断念して圧縮機を停止し、補助熱源用加熱手段１２を動作させる処理をして、ステップ♯６において目標の熱媒温度を、例えば５０℃に固定する処理を行い、ステップ♯７へ進む。ステップ♯７では、外気温度Ｔ０の検知から所定時間（例えば５分）経過したかどうかの判定を行い、経過していればステップ♯２の処理に戻り、経過していなければステップ♯７の処理を繰り返す。
【００１７】
ステップ♯４で、外気温度Ｔ０≧−１５℃であれば、圧縮機の運転が可能であるとしてステップ♯８〜ステップ♯１５の一連の処理により、外気温度Ｔ０、設定温度Ｔ１、室内温度Ｔｓの関係から、室内暖房負荷に応じた最適ないくつかの目標送水温度Ｔｍ、β、αが算出される。これらの送水温度算出のためにまず、ステップ♯８において外気温度検知手段の出力による外気温度Ｔ０により、送水温度下限値αと、送水温度上限値βを算出する。送水温度下限値αと送水温度上限値βでは、対象となる暖房空間の断熱性能の幅を考慮した値であり、ある外気温度Ｔ０について設定温度Ｔ１を達成するために最低限必要な水熱媒温度と、設定温度Ｔ１を達成するために必要な最大限の水熱媒温度である。
【００１８】
ステップ♯９では、バッファタンク２の下流に設けられた熱媒温度検知手段による出力から現在の送水温度Ｔｗを読取り、ステップ♯１０で室温検知手段の出力から現在の室内温度Ｔｓを読取り、ステップ♯１１へ進む。ステップ♯１１では設定温度Ｔ１と現在の室内温度Ｔｓとの比較を行い、設定温度Ｔ１と現在の室内温度Ｔｓの温度差ΔＴ１を算出し、ステップ♯１２へ進み、算出した温度差ΔＴ１により送水温度の変化率ΔＧを算出し、ステップ♯１３へ進む。
【００１９】
ステップ♯１３では、前回の目標送水温度Ｔｍ０、現在の送水温度Ｔｗ、送水温度の変化率ΔＧから、算出式Ｔｍ＝Ｔｍ０＋Ｔｗ×ΔＧを使って目標送水温度Ｔｍを算出し、ステップ♯１４へ進む。ステップ♯１４とステップ♯１５において、前の処理で算出した目標送水温度Ｔｍと、外気温度Ｔ０により算出した送水温度下限値αと送水温度上限値βとの比較を行う。そして、送水温度下限値α＜目標送水温度Ｔｍ＜送水温度上限値βであれば、目標送水温度Ｔｍをステップ♯１６で採用する処理をし、目標送水温度Ｔｍ≦送水温度下限値αであれば目標送水温度αをステップ♯１８で採用する処理を行い、目標送水温度Ｔｍ≧送水温度上限値βであれば目標送水温度βをステップ♯１７で採用する処理を行ってそれぞれステップ♯１９へ進む。
【００２０】
ステップ♯１９では、採用した目標送水温度Ｔｍ或いはβ又はαと現在の送水温度Ｔｗとの温度差ΔＴ２を算出し、ステップ♯２０〜ステップ♯２２において、補助熱源用加熱手段１２の運転の可否を判定する。即ち、ステップ♯２０では、温度差ΔＴ２が所定の値（例えば８℃）より大きいかどうかを判定し、大きければ補助熱源が必要であるとして補助熱源用加熱手段１２を運転させる処理をステップ♯２３で行う。ステップ♯２１では、温度差ΔＴ２が例えば３℃より小さいかどうかの判定を行い、温度差ΔＴ２が３℃以上であればステップ♯２２へ進み、前の時刻に補助熱源用加熱手段１２が運転していたかどうかを判定し、温度差ΔＴ２が３℃未満であればステップ♯２４へ進み、補助熱源の必要はないとして補助熱源用加熱手段１２を運転しない処理を行う。ステップ♯２２で前の時刻に補助熱源用加熱手段１２が運転していた場合には、ステップ♯２３の処理に進み補助熱源用加熱手段１２を運転させる処理を行う。この処理は、補助熱源用加熱手段１２をチャタリングさせないためのものである。
【００２１】
ステップ♯２３で補助熱源用加熱手段１２を運転させる処理をした場合には、ステップ♯２５で所定時間（例えば５分）が経過したかどうかの判定を行い、経過していればステップ♯２の処理に戻り、経過していなければステップ♯２５の処理を繰り返す。また、ステップ♯２４で補助熱源用加熱手段１２を運転させない処理をした場合も、ステップ♯２６で所定時間（例えば５分）が経過したかどうかの判定を行い、経過していればステップ♯２の処理に戻り、経過していなければステップ♯２６の処理を繰り返す。
【００２２】
このような運転動作により、ヒートポンプサイクルの除霜運転時でも利用側サイクルに流れる水熱媒温度は低下せず、快適な暖房雰囲気を形成することができ、室内暖房負荷が小さい場合の除霜運転時などに不必要な補助熱源の運転が回避されるので省エネルギー性も備わる。また、外気温度が極めて低く、ヒートポンプによる採熱が有効でないばかりでなく、運転により圧縮機が破損するような状況では、補助熱源用加熱手段１２を有効に使って圧縮機の破損を回避したうえで、補助熱源用加熱手段１２による快適な暖房を、低いランニングコストで行うことができる。補助熱源用加熱手段１２を熱源機１の後流（出口）側に設ける構成を採ることにより、ヒートポンプの効率の悪化を招くことなく暖房能力、バックアップ機能を向上させることができる。
【００２３】
補助熱源用加熱手段１２を熱源機１とは別体とし、その電源１３についても熱源機１の電源６とは別にすることにより、熱源機１の小型化、機器個々の小容量化が可能になり、施工性も向上する。補助熱源用加熱手段１２の運転信号を接点信号とすることにより、補助熱源用加熱手段１２の駆動装置を簡易化でき装置の低コスト化を推進できる。冷房運転中には、補助熱源用加熱手段１２及び暖房専用の室内放熱器への水熱媒の導通を止水することにより、補助熱源用加熱手段１２に結露対策を講じる必要がなく、小型で低コストな構成となる。
【００２４】
実施の形態２．
図４に示す本実施の形態は、実施の形態１で示した暖房及び冷暖房システムを装備した住宅に関するもので、冷暖房システム自体の構成は実施の形態１で示したものと同じである。従って、実施の形態１で示したものと同じ部分については実施の形態１のものと同じ符号を用い、それらについての説明は省略する。
【００２５】
本実施の形態の暖房及び冷暖房システム付きの住宅は、居住区の住宅２０の外に熱源機１が配備され、住宅２０内には室内放熱器及び補助熱源用加熱手段１２と電磁弁１４が設けられている。圧縮機や循環ポンプ３等、運転音を発するものは、屋外に置かれ、運転音の殆ど発しない室内放熱器が室内に配備され、静粛な室内環境を実現している。冷暖房システム自体は、高効率で省エネルギー性があり、住宅２０の空調にかかるランニングコストは低く快適な空調環境が得られる。なお、熱源機１の室外機５のみを屋外に設置するようにしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
この発明によれば、低外気温時のヒートポンプサイクルの暖房能力の低下を簡易で低コスト、高効率でバックアップできる暖房及び冷暖房システムが得られる。
【００２７】
またこの発明によれば、ランニングコストの低い暖房及び冷暖房システム付き住宅が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の冷暖房システムを示すシステム構成図である。
【図２】実施の形態１の冷暖房システムにおける制御系のブロック構成図である。
【図３】実施の形態１の冷暖房システムにおける制御手段の制御動作を示すフローチャートである。
【図４】実施の形態２の冷暖房システム付きの住宅を示す説明図である。
【符号の説明】
１　熱源機、　４　熱交換器、　６　電源、　７　主配管、　９　ファンコイルユニット、　１１　パネルヒータ、　１２　補助熱源用加熱手段、　１３　電源、　１４　電磁弁、　１８　リレー、　１９　常開接点、　２０　住宅。

Claims (5)

1. ヒートポンプサイクルの冷媒を熱交換器を介して水熱媒と熱交換させ、この水熱媒を送水する送水手段を備えたヒートポンプ熱源機と、このヒートポンプ熱源機に接続され同ヒートポンプ熱源機から搬送されてくる水熱媒により暖房または冷暖房を行う放熱器とから構成される暖房及び冷暖房システムであって、前記ヒートポンプ熱源機と前記放熱器とを接続する水熱媒の主配管に、前記ヒートポンプ熱源機とは別体で独自の電源で動作する補助熱源用加熱手段を設けた暖房及び冷暖房システム。
2. 請求項１に記載の暖房及び冷暖房システムであって、ヒートポンプ熱源機に制御手段を設け、この制御手段からの制御信号により補助熱源用加熱手段の運転を制御するようにした暖房及び冷暖房システム。
3. 請求項２に記載の暖房及び冷暖房システムであって、制御手段の補助熱源用加熱手段に対する制御信号を接点信号とした暖房及び冷暖房システム。
4. 請求項１〜請求項３までのいずれかに記載の暖房及び冷暖房システムであって、放熱器を暖房専用の放熱器と冷暖房兼用の放熱器で構成し、補助熱源用加熱手段の上流側に止水弁を設け、冷房運転時にはこの止水弁を閉弁して、前記補助熱源用加熱手段及び前記暖房専用の放熱器への水熱媒の循環を停止するようにした暖房及び冷暖房システム。
5. ヒートポンプサイクルの冷媒を熱交換器を介して水熱媒と熱交換させ、この水熱媒を送水する送水手段を備えたヒートポンプ熱源機の主要部を屋外に設置し、このヒートポンプ熱源機に接続され同ヒートポンプ熱源機から搬送されてくる水熱媒により暖房または冷暖房を行う放熱器を屋内に設置して構成される暖房及び冷暖房システム付き住宅であって、前記ヒートポンプ熱源機と前記放熱器とを接続する水熱媒の屋内の主配管に、前記ヒートポンプ熱源機とは独立し、独自の電源で動作する補助熱源用加熱手段を設けた暖房及び冷暖房システム付き住宅。

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