JP2006336949A - 蓄熱式空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】 暖房運転時における加熱効率の低下を抑制すること。
【解決手段】 圧縮機７、空気側熱交換器１５、膨張弁１３、一次側熱交換器１１を有するヒートポンプ熱源機１により加熱又は冷却された第１の熱媒体を蓄熱槽２７又は熱交換器２５へ導いて循環させる一次側回路３と、蓄熱槽２７及び熱交換器２５と空調負荷２９との間で第２の熱媒体を循環させる二次側回路５と、設定時間帯にヒートポンプ熱源機１と一次側回路３を運転し、蓄熱槽２７内の第２の熱媒体を加熱又は冷却して蓄熱する制御手段とを備え、制御手段は、空調負荷２９の暖房運転時に、第１の熱媒体の経路を熱交換器２５側に切り替えるとともに、熱交換器２５にて第１の加熱温度に加熱された第２の熱媒体を蓄熱槽２７に導いて第１の加熱温度よりも高い第２の加熱温度に加熱して空調負荷２９に循環供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄熱式空気調和機に関し、特に、蓄熱槽に蓄えた蓄熱を利用する暖房運転、及びその暖房運転中に除霜を行なう技術に関する。

一般に、蓄熱式空気調和機は、ヒートポンプ熱源機と、このヒートポンプ熱源機にて加熱又は冷却されたブラインを蓄熱槽又は熱交換器へ導いて循環させる一次側回路と、蓄熱槽や熱交換器にて加熱又は冷却された冷温水を空調負荷との間で循環させる二次側回路と、これらを運転制御する制御装置を備えている。

このような構成において、昼間の暖房運転又は冷房運転に利用する熱を蓄熱槽に蓄えるため、前日の夜間からヒートポンプ熱源機と一次側回路を運転させて設定された熱量を蓄熱し、例えば、昼間の冷房運転中に、蓄熱槽に生成された氷の融解熱を二次側回路の冷温水を介して空調負荷へ搬送することで、室内を冷房する。

ここで、冷房運転時には、例えば、蓄熱槽の氷の融解熱を利用する解氷冷房運転と、ヒートポンプ熱源機で冷却されたブラインと熱交換した冷温水を利用する追掛け冷房運転を交互に実行することで、蓄熱槽の解氷速度（時間）を制御する蓄熱式空気調和機が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３１７７９４号公報（第１図）

ところで、蓄熱式空気調和機は、冷房運転では潜熱蓄熱となるのに対し、暖房運転では顕熱蓄熱となるため、暖房蓄熱量は冷房蓄熱量と比べて少なく、昼間の暖房負荷を蓄熱で賄う割合は小さい。さらに、暖房運転の開始時は、通常、朝方で負荷が大きく、蓄熱を利用した運転を単独で実施するため、蓄熱分が早々に放熱してしまい、放熱後はヒートポンプ熱源機による単独運転となる。

このように、ヒートポンプ熱源機により単独運転を行なう場合、ヒートポンプ熱源機の出力を高くしなければならず、ヒートポンプ熱源機で加熱されるブライン温度は高温となることから、結果として加熱能力は低下し、効率が悪くなるという問題がある。

本発明は、暖房運転時における加熱効率の低下を抑制することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、圧縮機、空気側熱交換器、膨張弁、一次側熱交換器を有するヒートポンプ熱源機と、ヒートポンプ熱源機により加熱又は冷却された第１の熱媒体を蓄熱槽又は熱交換器へ導いて循環させる一次側回路と、蓄熱槽及び熱交換器と空調負荷との間で第２の熱媒体を循環させる二次側回路と、設定時間帯にヒートポンプ熱源機と一次側回路を運転し、蓄熱槽内の第２の熱媒体を加熱又は冷却して蓄熱する制御手段とを備え、制御手段は、空調負荷の暖房運転時に、第１の熱媒体の経路を熱交換器側に切り替えるとともに、熱交換器にて第１の加熱温度に加熱された第２の熱媒体を蓄熱槽に導いて第１の加熱温度よりも高い第２の加熱温度に加熱して空調負荷に循環供給することを特徴とする。

すなわち、暖房運転開始時から二次側回路の第２の熱媒体を熱交換器で予備加熱した後、蓄熱槽に導いて混合加熱することにより、蓄熱槽に蓄えられた蓄熱分の放熱を抑制することができ、蓄熱を利用する暖房運転の時間を長くすることができる。これにより、ヒートポンプ熱源機による単独運転の時間が減少するため、暖房運転全体として加熱効率の低下を抑制することができる。

ここで、熱交換器を経由した第２の熱媒体は、蓄熱槽に導入されることで混合加熱され、所定温度に調整されて空調負荷に供給されるが、これにより、蓄熱槽内の蓄熱量は次第に減少し、蓄熱槽の加熱能力は低下する。このため、例えば、蓄熱槽に蓄えられる第２の熱媒体の温度を検出し、その検出温度に基づいて、熱交換器の加熱能力、つまり第１の加熱温度を制御することにより、空調負荷に供給される熱量を安定化させ、蓄熱を利用した暖房運転の時間を一層長くすることができる。

ところで、暖房運転時に、ヒートポンプ熱源機の空気側熱交換器は、外気温度の低下や冷媒の蒸発潜熱による吸熱作用により周辺温度が低下し、表面に着霜が生じることがある。この着霜が進行すると、空気側熱交換器は、熱交換性能が低下し、暖房運転性能が低下するおそれがある。

そこで、本発明では、空調負荷の暖房運転時に空気側熱交換器を除霜運転する場合、上記の制御手段において、ヒートポンプ熱源機の循環冷媒を逆サイクルで運転し、第１の熱媒体の経路を蓄熱槽側に切り替えるとともに、第２の熱媒体の経路から蓄熱槽を遮断するように制御する。

このように、ヒートポンプ熱源機を逆サイクルの冷却運転に切り替えると、一次側熱交換器は蒸発器として機能するため、ここを通過して冷却された第１の熱媒体は、蓄熱槽で吸熱を行なう。一方、第２の熱媒体の経路から蓄熱槽を遮断することにより、第２の熱媒体は、低温化された蓄熱槽で放熱ロスを生じることがなくなるため、暖房温度の低下を抑え、加熱効率の低下を抑制することができる。なお、ヒートポンプ熱源機の逆サイクルの運転に伴い、蓄熱槽内の温度は低下するが、これについては、夜間の蓄熱運転にて加熱し昇温すればよいため、夜間への電力移行率が向上し、蓄熱式空気調和機の経済性を高めることができる。

本発明によれば、暖房運転時における加熱効率の低下を抑制することができる。

以下、本発明を適用してなる蓄熱式空気調和機の一実施形態について図１乃至図９を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる蓄熱式空気調和機の構成図である。図２は、図１において暖房蓄熱運転時の熱媒体の流れ方向を示す図である。図３は、図１において蓄熱した温水による暖房運転時の一般的な熱媒体の流れ方向を示す図である。図４は、図１において蓄熱した温水の放熱完了後の暖房運転時における一般的な熱媒体の流れ方向を示す図である。図５は、本発明に係る暖房運転時の熱媒体の流れ方向を示す図である。図６は、本発明に係る除霜運転時の熱媒体の流れ方向を示す図である。図７は、本発明に係る蓄熱分の放熱完了後の暖房運転時における熱媒体の流れ方向を示す図である。図８は、ヒートポンプ熱源機のブライン出口温度と加熱能力との関係を示す図である。図９は、暖房運転における運転モードを示す図である。

本実施形態の蓄熱式空気調和機は、図１に示すように、冷媒系統となるヒートポンプ熱源機１、一次側回路３、二次側回路５、これらの動作を制御する制御装置（図示せず）を備えて構成され、二次側回路５では、蓄熱槽２７内に蓄えられた熱媒体（水）を循環させて空調を行なう外融式となっている。

ヒートポンプ熱源機１は、圧縮機７、四方弁９、ブライン側熱交換器１１、膨張弁１３、空気側熱交換器１５、四方弁９、圧縮機７が順次接続された閉回路になっている。四方弁９は、例えば、弁を切り替えることにより圧縮機７から吐出される高温高圧の冷媒を空気側熱交換器１５に通流させ、空気側熱交換器１５に付着した霜を融解させる除霜運転時に使用する。

一次側回路３は、ブライン側熱交換器１１、電動二方弁１９、蓄熱熱交換器２１、ブラインポンプ２３が順次環状に接続され、更に、電動二方弁１９、蓄熱熱交換器２１と並列に、電動二方弁１７、ブライン・水熱交換器２５が配設されている。蓄熱槽２７は、例えば、複数の伝熱管を蛇行させて形成される蓄熱熱交換器２１を容器内の水に浸漬させて構成される。また、蓄熱槽２７には、容器内の水温を検知する水温センサが設けられ、検出された温度は、例えば、電気信号として制御装置に入力されるようになっている。

二次側回路５は、空調負荷２９、ブライン・水熱交換器２５、蓄熱槽２７、電動三方弁３１、ポンプ３３が順次環状に接続され、更に、蓄熱槽２７をバイパスさせて、ブライン・水熱交換器２５と電動三方弁３１を接続するバイパス管３５が設けられている。

また、制御装置は、ヒートポンプ熱源機１、一次側回路３、二次側回路５に設けられた各種弁の開度、及び圧縮機７の回転数等を、例えば、センサ類の検出信号等に基づいて制御するものである。

次に、本実施形態の作用を従来の一般的な使用態様と対比して説明する。

夜間の設定時間帯の暖房蓄熱運転時は、図２に示す通り、ヒートポンプ熱源機１及び一次側回路３を運転する。ヒートポンプ熱源機１では、圧縮機７から吐出された冷媒が矢印の方向に沿って通流する。すなわち、圧縮機７から吐出された高温高圧の冷媒は、ブライン側熱交換器１１において後述するブライン溶液と熱交換し、放熱により凝縮して液冷媒となる。ブライン側熱交換器１１を出た液冷媒は、膨張弁１３によって減圧されて低温低圧となり、続いて空気側熱交換器１５に導かれると、空気と熱交換し、吸熱により蒸発してガス冷媒となり、圧縮機７に戻されて再び圧縮される。

一方、一次側回路では、電動二方弁１７を全閉、電動二方弁１９を全開とし、ブラインポンプ２３を稼動させることにより、ブライン側熱交換器１１に導かれたブライン溶液は所定温度に加熱され、続いて電動二方弁１９を経由して蓄熱熱交換器２１に導かれる。蓄熱熱交換器２１に導かれたブライン溶液は、蓄熱槽２７内に蓄えられた水と熱交換し、放熱により顕熱蓄熱した後、ブラインポンプ２３に戻される。

次に、昼間の暖房空調運転時における一般的な運転動作について説明する。従来、暖房空調運転時は、早朝の運転開始時において、図３に示す通り、ヒートポンプ熱源機１、一次側回路３が停止する一方、二次側回路５では、電動三方弁３１を蓄熱槽２７側で全開とし、空調負荷２９で冷却された温水がブライン・水熱交換器２５を経て蓄熱槽２７内に導かれる。この蓄熱槽２７に導入された温水は、蓄熱槽２７内に蓄熱された温水と混合して加熱され、所定温度に調整されると、続いて、ポンプ３３を介して空調負荷２９に供給され、暖房空調を行なう。なお、二次側回路５を循環する温水は、ブライン・水熱交換器２５を経由するが、早朝の運転開始時は、一次側回路３の運転を停止させているため、ブライン・水熱交換器２５では加熱されない。

しかし、このような二次側回路５の循環経路によれば、夜間に蓄熱した温水が空調負荷２９の必要温度にかかわらず垂れ流しとなり、その結果、蓄熱槽２７に蓄えた温水温度は低下してしまうことから、図４に示す通り、ヒートポンプ熱源機１の単独による暖房空調を早々に実施しなければならない。この場合、一次側回路３は、ブライン側熱交換器１１にて加熱されたブライン溶液をブライン・水熱交換器２５に導いて二次側回路５の温水と熱交換し、その後ブラインポンプ２３を介して循環させる運転を行なう。

このとき、ヒートポンプ熱源機１においてブライン側熱交換器１１のブライン溶液出口温度は、ヒートポンプ熱源機１単独にて空調負荷２９に必要な熱量を賄うため、所定の高温に加熱しなければならない。しかし、一般にブライン溶液出口温度と加熱能力の関係は外気温度を一定とした場合、図８に示すように、ブライン出口温度が高いほど加熱能力が低くなり、これに伴い、運転効率が悪くなる。

そこで、本実施形態では、図５に示すように、空調運転開始時からヒートポンプ熱源機１、一次側回路３を運転し、二次側回路５の温水をブライン・水熱交換器２５にて予備加熱した後、この加熱された温水の一部を電動三方弁３１の制御により蓄熱槽２７内に導入する一方、残りをバイパス管３５へ通すことにより、合流部において蓄熱槽２７で蓄熱された温水と混合し、空調負荷２９に必要な温度を得るようにしている。これによれば、蓄熱槽２７に蓄えられた蓄熱分の放熱を抑制することができ、その分、蓄熱を利用した暖房運転の時間を長くとることができる。そして、ヒートポンプ熱源機１による加熱と蓄熱による加熱を併用すれば、ブライン溶液出口温度を低く設定できるため、ヒートポンプ熱源機１による加熱効率が向上し、暖房運転全体としてみても、加熱能力の向上、及び、加熱効率の向上を実現することができる。

また、蓄熱槽２７には、蓄熱された温水の温度よりも低温の温水がブライン・熱交換器２５側から供給されるため、蓄熱分は放熱されて蓄熱槽２７内の温水温度は次第に低下する。そのため、例えば、蓄熱槽２７内に蓄えられた水温を水温センサで検知し、その検出値に基づいてヒートポンプ熱源機１の加熱能力を適宜調整する。そして、蓄熱槽２７の検出温度が設定温度以下になったとき、電動三方弁３１を制御により、温水が蓄熱槽２７に入る経路を遮断してバイパス管３５のみ開放し、ヒートポンプ熱源機１の単独運転を行なうようにする。これにより、ブライン・水熱交換器２５を通過して加熱された温水が、蓄熱槽２７を通過することによる放熱ロスを解消することができ、加熱効率の低下を抑制することができる。

一方、暖房運転時に、ヒートポンプ熱源機１の空気側熱交換器１５は、外気温度の低下や冷媒の蒸発潜熱による吸熱作用により周辺温度が低下し、表面に着霜が生じる。このように、着霜が進行すると、空気側熱交換器１５の熱交換性能が低下し、暖房運転の性能が低下するおそれがあることから、定期的な除霜運転が必要になる。

このように、暖房運転中に除霜運転を行なう場合、ヒートポンプ熱源機１は、四方弁９の制御により、逆サイクル運転、つまり、空気側熱交換器１５は凝縮器側となり、ブライン側熱交換器１１は蒸発器側となるため、ブライン側熱交換器１１にて熱交換された一次側回路３のブライン溶液は冷却され、このブライン溶液がブライン・水熱交換器２５へ流れると、二次側回路５の温水は熱交換により本来加熱されるべきところを冷却されることになる。

そのため、図６に示す通り、除霜運転の際は、一次側回路３において電動二方弁１７を全閉、電動二方弁１９を全開とし、ブライン溶液をブライン・水熱交換器２５へは流さず、蓄熱熱交換器２１へ流すようにする。この場合、蓄熱槽２７内の蓄熱された温水は冷却されることになるが、二次側回路５において、温水が蓄熱槽２７に流入しないように電動三方弁３１を制御することで、一次側回路３のブラインと二次側回路５の温水との熱交換を回避することができる。これにより、暖房運転中に二次側回路５の温水の温度低下を抑制することができ、暖房運転の効率低下を抑制することができる。

また、蓄熱槽２７内の温度は、二次側回路５の温水の空調負荷２９からの戻り温度よりも低下することになるが、これは夜間の蓄熱運転により挽回することが可能であり、夜間電力は昼間電力よりも安価のため経済的に優れたものとなる。

以上の発明を実施した場合の運転モードを図９に示す。図において、横軸は時間、縦軸は負荷量を表している。すなわち、夜間の蓄熱時間帯においては、昼間の空調負荷分と除霜及び放熱ロス等の合計に応じた熱量が蓄熱され、昼間の暖房時間帯においては、暖房運転開始時から蓄熱槽２７とヒートポンプ熱源機１による出力を空調負荷２９側へ供給し、蓄熱槽２７の出力低下に応じて、ヒートポンプ熱源機１の出力を増加させ、蓄熱槽２７からの出力が停止したところで、ヒートポンプ熱源機１による単独運転に切り替える。

本実施形態によれば、このような運転制御を行なうことにより、暖房運転時における加熱効率の低下を抑制することができ、経済的に優れた蓄熱式空気調和機を提供することができる。また、暖房運転時の除霜運転においては、二次側回路５の温水温度の低下を抑制できるため、加熱効率の低下を抑制することができる。

本発明を適用してなる蓄熱式空気調和機の構成図である。 図１において暖房蓄熱運転時の熱媒体の流れ方向を示す図である。 図１において蓄熱した温水による暖房運転時の一般的な熱媒体の流れ方向を示す図である。 図１において蓄熱した温水の放熱完了後の暖房運転時における一般的な熱媒体の流れ方向を示す図である。 本発明に係る暖房運転時の熱媒体の流れ方向を示す図である。 本発明に係る除霜運転時の熱媒体の流れ方向を示す図である。 本発明に係る蓄熱分の放熱完了後の暖房運転時における熱媒体の流れ方向を示す図である。 ヒートポンプ熱源機のブライン出口温度と加熱能力との関係を示す図である。 暖房運転における運転モードを示す図である。

符号の説明

１ ヒートポンプ熱源機
３ 一次側回路
５ 二次側回路
１１ ブライン側熱交換器
２１ 蓄熱熱交換器
２５ ブライン・水熱交換器
２７ 蓄熱槽
２９ 空調負荷
３１ 電動三方弁

Claims (3)

1. 圧縮機、空気側熱交換器、膨張弁、一次側熱交換器を有するヒートポンプ熱源機と、該ヒートポンプ熱源機により加熱又は冷却された第１の熱媒体を蓄熱槽又は熱交換器へ導いて循環させる一次側回路と、前記蓄熱槽及び前記熱交換器と空調負荷との間で第２の熱媒体を循環させる二次側回路と、設定時間帯に前記ヒートポンプ熱源機と前記一次側回路を運転し、前記蓄熱槽内の前記第２の熱媒体を加熱又は冷却して蓄熱する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記空調負荷の暖房運転時に、前記第１の熱媒体の経路を前記熱交換器側に切り替えるとともに、前記熱交換器にて第１の加熱温度に加熱された前記第２の熱媒体を前記蓄熱槽に導いて前記第１の加熱温度よりも高い第２の加熱温度に加熱して前記空調負荷に循環供給することを特徴とする蓄熱式空気調和機。
2. 前記制御手段は、前記蓄熱槽の前記第２の熱媒体の検出温度に基づいて、前記第１の加熱温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の蓄熱式空気調和機。
3. 前記制御手段は、前記空調負荷の暖房運転時に前記空気側熱交換器を除霜運転する場合、前記ヒートポンプ熱源機の循環冷媒を逆サイクルで運転し、前記第１の熱媒体の経路を前記蓄熱槽側に切り替えるとともに、前記第２の熱媒体の経路から前記蓄熱槽を遮断することを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄熱式空気調和機。
   

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