JP2006266587A - ヒートポンプ式暖房装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 機器の高効率化が図れるヒートポンプ式暖房装置を提供する。
【解決手段】 暖房端末の流体入口温度、流体出口温度及び暖房端末を設置した部屋の室温から算出される温度効率に基づいて、循環ポンプの循環量を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプで加熱した流体を循環させて暖房を行う暖房装置において、機器の高効率化を図るヒートポンプ式暖房装置に関する。
一般に、温水暖房装置は、熱源機と暖房端末を温水管路で接続し、熱源機で、例えば、約６０℃に加熱された温水を管路内に循環させ、暖房端末で暖房を行う。例えば、床暖房器具による暖房は快適性が高く、普及しつつある。また、石油やガスを燃料とする燃焼式の温水暖房装置は、消費エネルギや安全性の面から問題があり、これらに代わるものとして、ヒートポンプ式温水暖房装置が商品化されている。
例えば、温水を加熱する水冷媒熱交換器の温度により、温水循環量を制御することで床暖房器具の立上げ時間を短縮するヒートポンプ式床暖房装置が提案されている（特許文献１参照）。
また、温水暖房回路の戻り水温を検知して、所定時間の間、圧縮機回転数を最低回転数に制御することにより、温水温度を安定させ、効率を高くするヒートポンプ式床暖房装置が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００２−１２２３３４ 特開２０００−４６４１７
一般に、ヒートポンプ式床暖房装置に接続される床暖房パネルは、部屋の大きさ、例えば、畳数により変化する。このとき、畳数毎にＣＯＰ（暖房能力/入力）が最高となる温水循環量が存在する。この理由を以下に述べる。
図５はある畳数の床暖房パネルの温水入口温度と床暖房能力(図５(a))及び温水出口温度(図５(b))との関係を示し、温水循環量をパラメータ（大、中、小）としたものである。また、室温一定を仮定している。床暖房パネルの温水取入れ口における水温を温水入口温度、同じ床暖房器具の温水流出口における水温を温水出口温度として以下説明する。
同一床暖房能力の条件下では、温水循環量を低下させると、温水入口温度を上昇させる必要がある。この場合、温水出口温度は逆に下降し、温水入口と温水出口との温度差は大きくなる。
このとき、ヒートポンプ式床暖房装置は、床暖房パネルの温水出口温度から温水入口温度まで加熱を行う。ヒートポンプ式床暖房装置の冷凍サイクル図を図６に示す。図６では、温水循環量をパラメータ（大、中、小）として、モリエル線図上に示す。用いた冷媒は二酸化炭素である。
温水循環量が小さいほど、ヒートポンプ式床暖房装置での温水加熱の昇温幅が大きくなるため、ガスクーラの冷媒側入口と出口での温度差も大きくなる。したがって、単位質量当りのエンタルピ差も大きくなる。
一方、温水循環量が小さいほど流速の低下により、水冷媒熱交換器（ガスクーラ）の水側の熱伝達率が減少する。そのため、同一の暖房能力を得ようとすると水側と冷媒側の温度差が大きくなり、結果として圧縮機の吐出圧力が上昇し、単位質量当りの圧縮仕事が増加する。
すなわち、温水循環量が小さいほど、エンタルピ差及び圧縮仕事が増加するが、それらの増加割合が異なるため、ある温水循環量で、ＣＯＰ（但し、圧縮機効率一定を仮定、循環ポンプ入力含まず）がピークとなる点が存在する。
また、温水をＤＣポンプで送水する場合、温水循環量を減少させるほど、ポンプ入力は低下する。したがって、ポンプ入力も含めたＣＯＰのピークは、ポンプ入力を含めないＣＯＰのピークより、温水循環量の小さい方に若干ずれた分布となる。
以上まとめて、図７に畳数毎（大、中、小）の温水循環量に対するＣＯＰの概略図を示す。図から、畳数毎にＣＯＰがピークとなる温水循環量が存在する。しかしながら、ヒートポンプ式床暖房装置において、従来技術では、畳数毎に温水循環量を調節することは行われていなかった。また、同様にヒートポンプ式温水暖房装置においても、暖房端末毎に温水循環量を調節することは行われていなかった。
本発明は、上記課題を解決して、機器の高効率化が図れるヒートポンプ式暖房装置を提供するものである。
上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式暖房装置は、圧縮機と、その圧縮機により圧縮された冷媒と流体との熱交換を行う熱交換器と、熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒と空気との熱交換を行う蒸発器とが、冷媒管路で接続されたヒートポンプ冷媒回路と、前記流体を前記熱交換器に送る循環ポンプと、前記水冷媒熱交換器で加熱された流体が流入する流体入口とその流体が流出する流体出口を有してその流体の熱を放熱する暖房端末とが、管路で接続された暖房回路と、前記ヒートポンプ冷媒回路と暖房回路の機器を運転制御する運転制御手段と、前記暖房端末の流体入口温度及び流体出口温度に基づいて、前記循環ポンプを制御する循環量制御手段とを備えたことを特徴とする。
この発明において、暖房回路は暖房端末の流体入口温度、流体出口温度及び暖房端末を設置した部屋の室温に基づいて、循環ポンプの温水循環量を制御してもよい。
上記発明において、暖房回路に温水循環量センサを備えてもよい。また、上記発明において、循環ポンプの循環量設定手段を備えてもよい。
上記発明は、暖房回路に複数の暖房端末を有し、それらの暖房端末の毎に、循環ポンプの循環量を変えてもよい。
上記発明において、ヒートポンプ冷媒回路の冷媒として、二酸化炭素を用いることができる。
本発明によれば、機器の高効率化が図れるヒートポンプ式暖房装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を適用してなるヒートポンプ式暖房装置の主要部の構成図である。ヒートポンプ式暖房装置は、ヒートポンプ冷媒回路１、暖房回路３、運転制御手段５から構成される。熱源ユニット１０としては、ヒートポンプ冷媒回路１と暖房回路３の一部と運転制御回路１０１を備える。暖房回路３内を循環する流体は、何も添加物が入っていない温水や、不凍性剤や防腐剤等の添加剤が混合された温水でもよい。以下、それらを温水用ブラインとして説明する。
ヒートポンプ冷媒回路１は、圧縮機１１、水冷媒熱交換器１４、減圧装置１７、蒸発器２０を順次、冷媒配管で接続した閉回路で構成され、冷媒が封入されている。圧縮機１１は容量制御が可能で、低速から高速まで回転数が制御可能な構成を備える。水冷媒熱交換器１４は、冷媒側伝熱管と温水側伝熱管とからなり、この間で熱交換が行われる。蒸発器２０は、空気と冷媒との熱交換を行う空気冷媒熱交換器である。
暖房回路３は、循環ポンプ４１、水冷媒熱交換器１４、暖房端末４８を順次、配管で接続した閉回路で構成され、温水用ブラインが封入されている。循環ポンプ４１は、暖房端末４８と水冷媒熱交換器１４の温水側伝熱管入口とを接続する配管の途中に設けられている。循環ポンプ４１の運転により、温水用ブラインを暖房回路３内で図示した矢印の向きに循環させるものである。この循環ポンプ４１は温水循環量を制御手段により制御可能な構成を備える。
暖房端末４８は、水冷媒熱交換器１４で加熱されたブラインが伝熱管４８aの中を通過する際に主に床面側に熱を放出する構造を有している。例えば、床暖房端末(床暖房パネル)や浴室暖房端末がある。
床暖房パネルへ向かう流体温度を検知する流体入口（往き）温度センサ５０は水冷媒熱交換器１４の温水配管出口と暖房端末４８の伝熱管４８ａ入口とを接続する配管に取り付けられている。床暖房端末４８から水冷媒熱交換器１４に向かう流体温度を検知する流体出口（戻り）温度センサ５１は、床暖房端末４８の伝熱管４８ａ出口と水冷媒熱交換器１４の温水配管入口とに接続する配管に取り付けられている。それぞれのセンサは、温水の往きと戻りの水温をセンシングする。室温センサ５２は床暖房を行う部屋の室温をセンシングする。図面には室温サンサ５２は、リモコン１０５と一体に構成されているが、別体としてもよい。
運転制御手段５は、制御回路１０１とリモコン１０５、各センサにより構成されている。リモコン１０５の操作設定、並びに各部の温度を検出する温度センサ、圧力を検出する圧力センサ等、各センサの検出信号が制御回路１０１に入力されるようになっている。
リモコン１０５の操作設定により、ヒートポンプ冷媒回路１の運転・停止並びに圧縮機１１の回転数制御を行うと共に、温水暖房回路３の循環ポンプ４１の温水循環量制御等を行う。また、暖房運転開始直後には、暖房立上げ時間を短縮するため、圧縮機１１の回転数を所定の高速回転数で運転するように制御される。
次に、本発明であるヒートポンプ式温水暖房装置の温水循環量制御について説明する。
ところで、床暖房パネルの温水側の移動単位数NTUは、以下で表せる。
NTU = KAp / (αMCpρ) ………（１）
ここで、Kは温水から空気までの熱通過率、Apは床暖房パネルの表面積、αは床暖房の上面放熱率、Mは温水循環量、Cpは水比熱、ρは水密度である。
また、温水側の温度効率εは、以下で表せる。
ε = (Tin Tout) / (Tin Tr)
=1 exp(-NTU) ………（２）
ここで、Tinは床暖房パネルの流体入口温度、Toutは床暖房パネルの流体出口温度、Trは室温である。
式（１）の温水から空気までの熱通過率Kは、空気側の熱抵抗が支配的なため、温水側の循環量Mがある程度変化しても、その影響は小さく、Kの値はほぼ一定とみなせる。また、式（１）のAp，α，Cp，ρの値も、一定値またはほぼ一定値となる。
したがって、式（１）（２）により、温度効率εと温水循環量Mとの間にはほぼ１対１の関係があり、所定の温水循環量Mに対応する温度効率εになるように、循環ポンプ４１を制御することにより、所望の温水循環量を得ることができる。すなわち、床暖房パネル４８の流体入口温度センサ５０、床暖房パネル４８の流体出口温度センサ５１及び室温センサ５２の値から算出される温度効率が所定値となるように、循環ポンプ４１を適正に制御することにより、高効率にヒートポンプ式温水暖房装置を運転することができる。
設置した床暖房パネルでＣＯＰがピークとなる温水循環量に対応する目標となる温度効率は、例えば、リモコン１０５から入力される。
または、ＣＯＰがピークとなる温水循環量に対応する目標となる温度効率が、床暖房パネルの大きさにより、あまり変化がない場合は、制御回路１０１内に目標温度効率を予め記憶させておいてもよい。
したがって、設置した床暖房パネルに適した温水循環量に制御できるため、高効率な運転が可能である。
図２に第２の実施例に係るヒートポンプ式温水暖房装置の主要部の構成図を示す。この実施例の第１の実施例との相違は、室温センサ５２が無く、その代わりリモコン１０５ａに室温入力手段１１０を設けたものである。
ヒートポンプ式温水暖房装置で部屋を暖房し、室温がほぼ一定となった時、その時の室温をリモコン１０５ａに入力する。制御回路１０１は、入力された室温Trと、温度センサ５０、５１の床暖房パネルの流体入口温度Tinと流体出口温度Toutから温度効率εを算出し、その値が目標値となるように循環ポンプ４１の循環量を制御する。
したがって、実施例１と同様に、設置した床暖房パネルに適した温水循環量に制御できるため、高効率な運転が可能である。
また、実施例１と比較して、室温センサが無くせる分、コストの低減を図ることができる。
また、室温入力手段１１０を設けず、床暖房運転安定後に、室温を例えば２０℃と仮定し、温度効率を算出し、その値が目標値となるように循環ポンプ４１の循環量を制御するようにしてもよい。
図３に第３の実施例に係るヒートポンプ式温水暖房装置の主要部の構成図を示す。この実施例の第１及び第２の実施例との相違は、流量センサ５５を温水暖房回路３に設けた点である。
制御回路１０１は、流量センサ５５の値が所定の温水循環量になるように循環ポンプ４１を制御する。所定の温水循環量は、設置した床暖房パネルに適した値がリモコン１０５から入力される。
したがって、設置した床暖房パネルに適した温水循環量に制御できるため、高効率な運転が可能である。
また、実施例１及び２と比較して、温水循環量を直接制御するため、より精度良く温水循環量を調節でき、高効率運転しやすい。
図４に第４の実施例に係るヒートポンプ式温水暖房装置の主要部の構成図を示す。この実施例の第１乃至第３の実施例との相違は、循環ポンプ４１の温水循環量設定手段としての指示電圧入力手段１１１をリモコン１０５ｃに設けた点である。
施工者または使用者は、設置した床暖房パネル４８に適した温水循環量（施工マニュアル等に記載）を使って、その時の温水暖房回路における通水抵抗を算出する。次に、その温水循環量と通水抵抗と釣り合う循環ポンプ（ＤＣポンプ）４１の指示電圧をポンプの揚程-流量曲線（施工マニュアル等に記載）から求める。次に、その指示電圧をリモコン１０５ｃに設けられた指示電圧入力手段１１１を介して入力を行う。つまり、本ヒートポンプ式暖房装置に組み合わせる暖房端末に応じた循環ポンプ４１のポンプ回転数制御に関する設定を変える手段を備え、例えば、リモコン１０５ｃにその設定値を入力する手段を備えさせるものである。
ヒートポンプ式暖房装置運転中、制御回路１０１は循環ポンプ４１に適切な指示電圧を与える。したがって、ヒートポンプ式温水暖房装置は、適切な温水循環量で運転されるため、高効率な運転が可能である。
実施例１乃至４は、暖房端末として床暖房パネルを設けたが、その他の、例えば、浴室暖房乾燥機等の端末についても、機種毎にエネルギ効率が最高となる温水循環量が存在するため、本発明は床暖房パネル以外の端末機にも適用できる。
本発明の第１の実施例に係るヒートポンプ式暖房装置の主要部の構成図である。 本発明の第２の実施例に係るヒートポンプ式暖房装置の主要部の構成図である。 本発明の第３の実施例に係るヒートポンプ式暖房装置の主要部の構成図である。 本発明の第４の実施例に係るヒートポンプ式暖房装置の主要部の構成図である。 床暖房パネルの流体入口温度と床暖房能力及び流体出口温度との関係を示す図である。 ヒートポンプ式床暖房装置の冷凍サイクル図を、温水循環量をパラメータとして、モリエル線図上に示した図である。 畳数をパラメータとした時の温水循環量に対するＣＯＰを示した図である。
符号の説明
１ ヒートポンプ冷媒回路、３ 温水暖房回路、５ 運転制御手段、１１ 圧縮機、１４ 水冷媒熱交換器、１７ 膨張弁、２０ 蒸発器、４１ 循環ポンプ、４８ 床暖房端末（床暖房パネル）、４８ａ 伝熱管、５０ 流体入口温度センサ、５１ 流体出口温度センサ、５２ 室温センサ、５５ 流量センサ、１０１ 制御回路、１０５，１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ リモコン、１１０ 室温入力手段、１１１ 循環ポンプ指示電圧入力手段。
上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式暖房装置は、圧縮機と、その圧縮機により圧縮された冷媒と流体との熱交換を行う熱交換器と、熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒と空気との熱交換を行う蒸発器とが、冷媒管路で接続されたヒートポンプ冷媒回路と、前記熱交換器と、前記熱交換器で加熱された流体が流入する流体入口とその流体が流出する流体出口を有してその流体の熱を放熱する暖房端末と、前記流体出口から流出した前記流体を前記熱交換器に送る循環ポンプとが、管路で接続された暖房回路と、前記ヒートポンプ冷媒回路と暖房回路の機器を運転制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記暖房端末の流体入口温度及び流体出口温度に基づいて、前記循環ポンプを制御することを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式暖房装置は、
圧縮機と、その圧縮機により圧縮された冷媒と流体との熱交換を行う熱交換器と、熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒と空気との熱交換を行う蒸発器とが、冷媒管路で接続されたヒートポンプ冷媒回路と、
前記熱交換器と、前記熱交換器で加熱された流体が流入する流体入口とその流体が流出する流体出口を有してその流体の熱を放熱する暖房端末と、前記流体出口から流出した前記流体を前記熱交換器に送る循環ポンプとが、管路で接続された暖房回路と、
前記ヒートポンプ冷媒回路と暖房回路の機器を運転制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、暖房運転安定後、前記暖房端末の流体入口温度及び流体出口温度、室温に基づいて、前記循環ポンプを制御することを特徴とする。
また、
圧縮機と、その圧縮機により圧縮された冷媒と流体との熱交換を行う熱交換器と、熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒と空気との熱交換を行う蒸発器とが、冷媒管路で接続されたヒートポンプ冷媒回路と、
暖房端末内に流れる前記流体の出口である伝熱管出口と入口である伝熱管入口とに各々接続される温水配管入口と温水配管出口とを有し、前記暖房端末を接続することによって当該暖房端末と前記熱交換器とで暖房回路を形成することができる温水配管と、
前記暖房回路内に配設され、前記流体を前記暖房回路内で循環させる循環ポンプと、
前記熱交換器の加熱能力を制御するために各センサの出力および設定された値に基づいて前記圧縮機の回転数を制御すると共に、暖房運転安定後、前記暖房端末へ流入する流体の温度および前記暖房端末から流出する流体の温度、室温とに基づいて前記循環ポンプを制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
ところで、床暖房パネルの温水側の移動単位数NTUは、以下で表せる。
NTU = KA p / (αMC p ρ) ………（１）
ここで、Kは温水から空気までの熱通過率、Apは床暖房パネルの表面積、αは床暖房の上面放熱率、Mは温水循環量、Cpは水比熱、ρは水密度である。
また、温水側の温度効率εは、以下で表せる。
ε= (T in −T out ) / (T in −T r )
=1−exp(-NTU) ………（２）
ここで、Tinは床暖房パネルの流体入口温度、Toutは床暖房パネルの流体出口温度、Trは室温である。

Claims (6)

  1. 圧縮機と、その圧縮機により圧縮された冷媒と流体との熱交換を行う熱交換器と、熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒と空気との熱交換を行う蒸発器とが、冷媒管路で接続されたヒートポンプ冷媒回路と、
    前記流体を前記熱交換器に送る循環ポンプと、前記水冷媒熱交換器で加熱された流体が流入する流体入口とその流体が流出する流体出口を有してその流体の熱を放熱する暖房端末とが、管路で接続された暖房回路と、
    前記ヒートポンプ冷媒回路と暖房回路の機器を運転制御する運転制御手段と、
    前記暖房端末の流体入口温度及び流体出口温度に基づいて、前記循環ポンプを制御する循環量制御手段とを備えたヒートポンプ式暖房装置。
  2. 前記循環量制御手段は、前記暖房端末の流体入口温度と流体出口温度との差に基づいて前記循環ポンプを制御する請求項１に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  3. 前記循環量制御手段は、前記暖房端末の流体入口温度、流体出口温度及び前記暖房端末を設置した部屋の室温から前記循環ポンプを制御する請求項１に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  4. 前記暖房回路に循環量センサを備えた請求項１に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  5. 前記暖房回路は複数の暖房端末を有し、前記循環量制御手段は前記暖房端末毎に、前記循環ポンプの循環量を変える請求項1乃至５に記載のヒートポンプ式暖房装置。
  6. 前記ヒートポンプ冷媒回路の冷媒を二酸化炭素とした請求項１乃至６に記載のヒートポンプ式暖房装置。
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