JP2007064513A

JP2007064513A - ヒートポンプ式空調方法及び装置

Info

Publication number: JP2007064513A
Application number: JP2005248205A
Authority: JP
Inventors: Koji Suzuki; 浩二鈴木
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】夏季の冷房時や冬季の暖房時には換気系統からの排気の熱エネルギを回収して室外機の運転効率を向上させ、春季や秋季などの中間期にも逆効果を招かない。
【解決手段】室外機１８と室内機１４とを有して被空調室１０内を冷房又は暖房するヒートポンプと、室内の空気の一部を排気として排気ダクト５２から室外に放出する排気手段と、冷房時の外気温度が排気の温度よりも高い時、又は暖房時の外気温度が排気の温度よりも低い時には排気を室外機１８の冷媒コイル３４に経由させて大気に放出させ、冷房時の外気温度が排気の温度よりも低い時、又は暖房時の外気温度が排気の温度よりも高い時には排気を室外機１８の冷媒コイル３４に経由させず大気に放出させる切替ダンパ５８，６０とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ式空調方法及び装置に係り、特に換気系統を備えたヒートポンプ式空調方法及び装置に関する。

室外機と室内機とからなるヒートポンプを用いたヒートポンプ式空調装置は、一般家庭用又はオフィス用などの空調装置として周知であり、室内空気の入れ替えを目的として換気系統を備えたものが知られている。強制換気を行うヒートポンプ式空調方法では、冷房時には室内の冷気が排気として室外に放出され、暖かい外気が室内に給気されるので空調エネルギが損失する。また、暖房時には室内の暖気が排気として室外に放出され、冷たい外気が室内に給気されるので同様に空調エネルギが損失する。

このため、エネルギ回収を目的として換気系統に全熱交換ユニットを取り付け、排気と給気とを熱交換させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば排気が保有する冷熱エネルギ又は暖熱エネルギを全熱交換ユニットによって熱交換し、給気に移行させることができる。しかしながら、全熱交換ユニットの熱交換率は一般に６０〜７０％にとどまり、排気が保有する熱エネルギの３０〜４０％は依然として室外に無駄に放出される。

特許文献２には、給気と熱交換した後の排気をヒートポンプの室外機の冷媒コイルに導く方法が記載されている。この方法によれば、給気と熱交換した後の排気に残存する熱エネルギを利用しながら室外機を稼動する。このため、室外機の冷媒コイルの熱交換能を上げ、ひいては室外機の運転効率を向上させることができる。
特開平７−４２９６８号公報特開２００２−２５７３８０号公報

特許文献２に記載の方法は換気系統からの排気を一律的にヒートポンプの室外機に導く方法であり、夏季の冷房時や冬季の暖房時など空調目的が明確な場合には有効に機能する。しかしながら、春季や秋季などの中間期では冷房時の外気が比較的冷たく、又は暖房時の外気が比較的暖かい場合がある。このような場合に換気系統からの排気をヒートポンプの室外機に導くと、熱回収機能を果たすことができず、かえって逆効果を招くケースがあった。

本発明の目的は上記従来技術の問題点を改善し、夏季の冷房時や冬季の暖房時には換気系統からの排気の熱エネルギを回収して室外機の運転効率を向上させるとともに、春季や秋季などの中間期にも逆効果を招かないヒートポンプ式空調方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るヒートポンプ式空調方法は、室外機と室内機とからなるヒートポンプによって室内を冷房又は暖房するとともに、前記室内の空気の一部を排気として室外に放出する空調方法において、冷房時の外気温度が前記排気の温度よりも高い時、又は暖房時の外気温度が前記排気の温度よりも低い時には前記排気を前記室外機の冷媒コイルに経由させて大気に放出し、冷房時の外気温度が前記排気の温度よりも低い時、又は暖房時の外気温度が前記排気の温度よりも高い時には前記排気を前記室外機の冷媒コイルに経由させずに大気に放出することを特徴とする。

本発明に係るヒートポンプ式空調装置は、室外機と室内機とを有して室内を冷房又は暖房するヒートポンプと、前記室内の空気の一部を排気として排気ダクトから室外に放出する排気手段と、冷房時の外気温度が前記排気の温度よりも高い時、又は暖房時の外気温度が前記排気の温度よりも低い時には前記排気を前記室外機の冷媒コイルに経由させて大気に放出し、冷房時の外気温度が前記排気の温度よりも低い時、又は暖房時の外気温度が前記排気の温度よりも高い時には前記排気を前記室外機の冷媒コイルに経由させずに大気に放出する切替手段とを具備したことを特徴とする。

また、上記構成のヒートポンプ式空調装置は、前記切替手段は前記排気ダクトに配設された切替ダンパと、外気温度と前記排気の温度との比較結果に基づいて前記切替ダンパの開閉を制御する制御器とからなることを特徴とする。また、上記構成のヒートポンプ式空調装置は、室外から導入した外気を前記排気と熱交換した後に前記室内に給気する第１の給気系統と、室外から導入した外気を前記排気と熱交換させずに前記室内に給気する第２の給気系統とを切替可能な給気手段が付設されたことを特徴とする。

本発明のヒートポンプ式空調方法及び装置によれば、夏季の冷房時のように外気温度が排気の温度よりも高い時、又は冬季のように暖房時の外気温度が排気の温度よりも低い時には、排気を室外機の冷媒コイルに経由させてから大気に放出する。このため、排気が保有している熱エネルギを利用して室外機の運転効率を向上させることができる。また、春季や秋季などの中間期において、冷房時の外気温度が排気の温度よりも低い時、又は暖房時の外気温度が排気の温度よりも高い時には、排気を室外機の冷媒コイルに経由させずに大気に放出する。このため、排気を室外機の冷媒コイルに経由させることによって生じる室外機の運転効率低下の弊害を防止することができる。

図１は本発明に係るヒートポンプ式空調方法及び装置の第１実施形態を示す系統図である。被空調室１０の天井部１２にはヒートポンプの室内機１４と全熱交換ユニット１６が配設されている。また、被空調室１０の室外にはヒートポンプの室外機１８とミキシングボックス２０が配設されている。

室内機１４は被空調室１０内の空気を取り込む吸気口２２、冷媒コイル２４、送風機２６、吹出し口２８及び全熱交換ユニット１６からの給気を取り込む給気口３０を具備している。室外機１８はミキシングボックス２０からの空気を取り込む吸気口３２、冷媒コイル３４、送風機３６を具備している。室外機１８には図示を省略した圧縮機や膨脹弁が装備されている。

これらの圧縮機や膨脹弁と室内機１４の冷媒コイル２４、室外機１８の冷媒コイル３４とが冷媒管３８，４０によって連結されており，これらの機器間に冷媒を循環させることによって圧縮式冷凍サイクルが形成される。すなわち、冷房時においては室内機１４の冷媒コイル２４が蒸発器（室内空気の冷却器）、室外機１８の冷媒コイル３４が凝縮器として作動する。暖房時においては室内機１４の冷媒コイル２４が凝縮器（室内空気の加熱器）、室外機１８の冷媒コイル３４が蒸発器として作動する。

冷房時において凝縮器として作動させる室外機１８の冷媒コイル３４では、送風機３６を駆動して冷媒コイル３４の表面に空気を流し、この空気と冷媒コイル３４内を流れる冷媒とを間接的に熱交換させることにより、冷媒を冷却し凝縮させる。したがって、冷媒コイル３４の表面に流す空気の温度が低いほど凝縮器としての機能が向上し、ひいては室外機１８の運転効率が向上する。逆に、暖房時において蒸発器として作動させる室外機１８の冷媒コイル３４では、送風機３６を駆動して冷媒コイル３４の表面に空気を流し、この空気と冷媒コイル３４内を流れる冷媒とを間接的に熱交換させることにより、冷媒を加熱し蒸発させる。したがって、冷媒コイル３４の表面に流す空気の温度が高いほど蒸発器としての機能が向上し、ひいては室外機１８の運転効率が向上する。

全熱交換ユニット１６は被空調室１０内の空気を排気として取り込む吸気口４２、外気を給気として取り込む外気口４４、吸気口４２から取り込んだ排気と外気口４４から取り込んだ給気を全熱交換させる熱交換部４６、熱交換後の排気を送風する排気送風機４８及び熱交換後の給気を送風する給気送風機５０とによって構成される。給気送風機５０によって送風された熱交換後の給気は、室内機１４の給気口３０から室内機１４内に送り込まれる。

排気送風機４８の吐出側には排気ダクト５２が接続している。排気ダクト５２は途中で二方向に分岐しており、分岐後の各ダクト５４，５６には切替ダンパ５８，６０が取り付けられている。また、排気ダクト５２には内部を流れる排気の温度センサ６２が取り付けられている。温度センサ６２の検出値は制御器６４に送信される。制御器６４では外気の温度センサ６６の検出値と温度センサ６２の検出値とを比較し、その比較結果に基いて後述するように切替ダンパ５８，６０の開閉を制御する。ダクト５４の他端は大気に開放され、ダクト５６の他端はミキシングボックス２０に接続している。ミキシングボックス２０はルーバ式の外気取入口６８を有し、一側が室外機１８の吸気口３２側に開口している。

以下、上記構成のヒートポンプ式空調装置の運転方法について説明する。冷房運転では前記したように室内機１４の冷媒コイル２４は蒸発器（室内空気の冷却器）として作動する。したがって、送風機２６によって吸気口２２から取り込まれた被空調室１０内の空気は冷媒コイル２４を通過する過程で冷却され、吹出し口２８から被空調室１０内に吹出すことによって、冷房が行われる。

一方、換気系統の一部を構成する全熱交換ユニット１６では、排気送風機４８と給気送風機５０が駆動することによって、吸気口４２からは被空調室１０内の空気が排気として取り込まれる。また、外気口４４からは外気が給気として取り込まれる。これらの排気と給気は熱交換部４６で全熱交換し、熱交換後の排気は排気ダクト５２を介してミキシングボックス２０側に送られる。また、排気との全熱交換によって冷熱を回収した給気は、室内機１４の給気口３０に送り込まれ、前記吸気口２２から取り込まれた被空調室１０内の空気と混合した後に吹出し口２８から被空調室１０内に吹出す。

排気ダクト５２を流れる排気の温度が温度センサ６２によって検出され、温度センサ６２の検出値は制御器６４に送信される。制御器６４では外気の温度センサ６６の検出値と温度センサ６２の検出値とを比較し、外気温度が排気の温度よりも高い時には切替ダンパ５８が閉、切替ダンパ６０が開となるように制御する。その結果、排気がミキシングボックス２０内に流入する。ミキシングボックス２０内では排気ダクト５２から流入した排気と外気取入口６８から流入した外気とが混合した混合空気が、室外機１８の吸気口３２から吸い込まれ、冷媒コイル３４を通過した後に、送風機３６によって大気に放出される。

冷房時において冷媒コイル３４は凝縮器として作動する。上記の混合空気は外気よりも低温の排気と外気とが混合したものであるから、外気よりも当然低温である。このような外気よりも低温な混合空気を冷媒コイル３４の表面に流す冷却空気として用いるので、冷媒コイル３４は凝縮器としての機能が向上し、ひいては室外機１８の運転効率が向上する。

一方、春季や秋季などの中間期において外気が比較的冷たく、外気温度が排気の温度よりも低い時には、制御器６４では切替ダンパ５８が開、切替ダンパ６０が閉となるように制御する。その結果、排気はミキシングボックス２０や冷媒コイル３４を経由せずに、ダクト５４から直接に大気に放出される。このため、ミキシングボックス２０には外気よりも高温の排気が流入せず、比較的低温の外気のみが冷媒コイル３４の冷却に利用される。したがって、この制御方法によれば下記の弊害、すなわち、外気よりも高温の排気がミキシングボックス２０に流入して混合空気の温度を相対的に引き上げる結果、冷媒コイル３４の凝縮器としての機能を低下させ、ひいては室外機１８の運転効率を低下させる弊害を防止することができる。

暖房運転では前記したように室内機１４の冷媒コイル２４は凝縮器（室内空気の加熱器）として作動する。したがって、送風機２６によって吸気口２２から取り込まれた被空調室１０内の空気は冷媒コイル２４を通過する過程で加熱され、吹出し口２８から被空調室１０内に吹出すことによって、暖房が行われる。

一方、全熱交換ユニット１６では、排気との全熱交換によって温熱を回収した給気は、室内機１４を介して被空調室１０内に吹出す。全熱交換ユニット１６を経て排気ダクト５２を流れる排気の温度が温度センサ６２によって検出され、温度センサ６２の検出値は制御器６４に送信される。制御器６４では外気の温度センサ６６の検出値と温度センサ６２の検出値とを比較し、外気温度が排気の温度よりも低い時には切替ダンパ５８が閉、切替ダンパ６０が開となるように制御する。その結果、排気がミキシングボックス２０内に流入する。ミキシングボックス２０内では排気ダクト５２から流入した排気と外気取入口６８から流入した外気とが混合した混合空気が、室外機１８の吸気口３２から吸い込まれ、冷媒コイル３４を通過した後に、送風機３６によって大気に放出される。

暖房時において冷媒コイル３４は蒸発器として作動する。上記の混合空気は外気よりも高温の排気と外気とが混合したものであるから、外気よりも高温である。このような外気よりも高温な混合空気を冷媒コイル３４の表面に流す加熱空気として用いるので、冷媒コイル３４は蒸発器としての機能が向上し、ひいては室外機１８の運転効率が向上する。

一方、春季や秋季などの中間期において外気が比較的暖かく、外気温度が排気の温度よりも高い時には、制御器６４では切替ダンパ５８が開、切替ダンパ６０が閉となるように制御する。その結果、排気はミキシングボックス２０や冷媒コイル３４を経由せずに、ダクト５４から直接に大気に放出される。このため、ミキシングボックス２０には外気よりも低温の排気が流入せず、比較的高温の外気のみが冷媒コイル３４の加熱に利用される。したがって、この制御方法によれば下記の弊害、すなわち、外気よりも低温の排気がミキシングボックス２０に流入して混合空気の温度を相対的に引き下げる結果、冷媒コイル３４の蒸発器としての機能を低下させ、ひいては室外機１８の運転効率を低下させる弊害を防止することができる。

なお、通常の冷房時又は暖房時では全熱交換ユニット１６での排気と給気（外気）の熱交換が熱エネルギ回収の有効な方法となる。しかしながら、冷房時の外気温度が排気の温度よりも低い場合、又は暖房時の外気温度が排気の温度よりも高い場合とは、取りも直さず全熱交換ユニット１６での排気と給気（外気）の熱交換が不要であるか、又は熱交換が逆効果となる場合であるから、このような場合には相互の熱交換をさせないようにすることが望ましい。したがって、全熱交換ユニット１６では排気と給気（外気）の熱交換をさせる場合とさせない場合の両様に対応可能なように、室外から導入した外気を排気と熱交換した後に室内に給気する第１の給気系統と、室外から導入した外気を排気と熱交換させずに室内に給気する第２の給気系統とに切替可能な構成にすることが望ましい。

上述のように、本実施形態のヒートポンプ式空調方法及び装置によれば、夏季の冷房時のように外気温度が排気の温度よりも高い時、又は冬季のように暖房時の外気温度が排気の温度よりも低い時には、排気を室外機１８の冷媒コイル３４に経由させてから大気に放出するようにした。このため、排気が保有している熱エネルギを利用して室外機１８の運転効率を向上させることができる。

本実施形態によって達成できる省エネ効果はケースバイケースであるが、試算例では従来の全熱交換ユニットを装備したヒートポンプ式空調装置に比べて酷暑時の冷房では１〜２％、厳寒時の暖房では２〜４％の省エネ効果が得られる。また、従来の全熱交換ユニットを装備しないヒートポンプ式空調装置に比べて酷暑時の冷房では３〜５％、厳寒時の暖房では６〜１０％の省エネ効果が得られる。

また、春季や秋季などの中間期のように、冷房時の外気温度が前記排気の温度よりも低い時、又は暖房時の外気温度が前記排気の温度よりも高い時には、排気を室外機１８の冷媒コイル３４に経由させずに大気に放出するようにした。このため、排気を室外機１８の冷媒コイル３４に経由させることによって生じる室外機１８の運転効率低下の弊害を防止することができる。

図２は本発明に係るヒートポンプ式空調方法及び装置の第２実施形態を示す系統図である。図２において図１と同一の符号を付した要素は第１実施形態で説明したものと同様の要素であり、その説明を省略する。本実施形態では第１実施形態で説明した全熱交換ユニット１６に代わって排気ボックス７２が被空調室１０の天井部１２に配設されている。排気ボックス７２内に装備した排気送風機４８が駆動することによって、排気口４２から吸込んだ排気が排気ダクト５２を介してミキシングボックス２０側に送られる。被空調室１０の側壁には給気口７４が設けられ、排気量に見合った量の給気が給気口７４から流入する。

排気ダクト５２とミキシングボックス２０との接続部は切替ダンパ７８を収容した切替ボックス７６とされている。切替ダンパ７８は制御器６４からの信号によって開閉駆動される。切替ダンパ７８が実線で示した閉状態では排気ダクト５２とミキシングボックス２０とは遮断され、排気ダクト５２からの排気は切替ボックス７６の側面に設けた放出口８０から大気に直接に放出される。また、切替ダンパ７８が点線で示した開状態では排気ダクト５２とミキシングボックス２０が連通し、排気ダクト５２からの排気はミキシングボックス２０内に流れ込む。

被空調室１０内に室内温度を制御するための温度センサ８２が設けられている。温度センサ８２で検出される室内温度と排気の温度は同等である。したがって、制御器６４では温度センサ８２の検出値と外気の温度センサ６６の検出値とを比較し、その比較結果に基いて切替ダンパ７８の開閉を制御する。すなわち、冷房時の外気温度が排気の室内温度よりも高い時、又は暖房時の外気温度が室内温度よりも低い時には切替ダンパ７８を開状態とする。すると、排気ダクト５２からの排気はミキシングボックス２０内に流れ込み、この排気と外気取入口６８から流入した外気とが混合した混合空気が、室外機１８の吸気口３２から吸い込まれ、冷媒コイル３４を通過した後に、送風機３６によって大気に放出される。

逆に、冷房時の外気温度が室内温度よりも低い時、又は暖房時の外気温度が室内温度よりも高い時には切替ダンパ７８を閉状態とする。すると、排気ダクト５２からの排気は冷媒コイル３４に経由せずに切替ボックス７６の側面に設けた放出口８０から大気に直接に放出される。

本実施形態に係るヒートポンプ式空調方法及び装置は全熱交換ユニットを装備しない場合の排気からの熱エネルギ回収システムとして有効である。本実施形態によって達成できる省エネ効果はケースバイケースであるが、試算例では従来の全熱交換ユニットを装備しないヒートポンプ式空調装置に比べて酷暑時の冷房では２〜４％、厳寒時の暖房では４〜８％の省エネ効果が得られる。

図３は本発明に係るヒートポンプ式空調方法及び装置の第３実施形態を示す系統図である。図３において図２と同一の符号を付した要素は第２実施形態で説明したものと同様の要素であり、その説明を省略する。本実施形態はセントラルタイプのヒートポンプ式空調方法及び装置であり、建屋１００の屋上に設置した中央室外機９０と複数の被空調室１０に配置された複数の室内機１４とが冷媒管３８，４０によって連結されている。各被空調室１０には排気ボックス７２及び給気口７４が取り付けられている。

各排気ボックス７２は共通の排気ダクト５２に連通しており、排気ダクト５２に設けた共通の排気送風機４８によって、各被空調室１０の空気が排気としてミキシングボックス２０側に抜き出される。排気ダクト５２はミキシングボックス２０の手前で分岐している。また、排気ダクト５２には内部に流れる排気の温度センサ８２が取り付けられている。そして、図示しない制御器が温度センサ８２で検出した排気の温度と外気温度とを比較し、前記各実施形態と同様に排気をミキシングボックス２０を介して室外機９０の冷媒コイル３４に経由させるか、又はミキシングボックス２０手前の分岐ダクトから直接に大気に放出させるかの切替制御を実行する。この第３実施形態は、図示のとおりセントラルタイプのヒートポンプ式空調方法及び装置に対する本発明の適用例として有効である。

前記各実施形態では排気の行き先を切替える手段として、切替ダンパの開閉を制御する制御器を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明はこのような制御器による制御を必須とするものではない。例えば、装置の操作員が排気の温度と外気温度との比較結果に応じて、排気の行き先をマニュアルで切替える方法や切替え可能な装置構成も本発明に包含される。

本発明に係るヒートポンプ式空調方法及び装置の第１実施形態を示す系統図である。本発明に係るヒートポンプ式空調方法及び装置の第２実施形態を示す系統図である。本発明に係るヒートポンプ式空調方法及び装置の第３実施形態を示す系統図である。

符号の説明

１０……被空調室、１２……天井部、１４……室内機、１６……全熱交換ユニット、１８……室外機、２０……ミキシングボックス、２２，３２……吸気口、２４，３４……冷媒コイル、２６，３６……送風機、２８……吹出し口、３０……給気口、３８，４０……冷媒管、４２……吸気口、４４……外気口、４６……熱交換部、４８……排気送風機、５０……給気送風機、５２……排気ダクト、５８，６０……切替ダンパ、６２……温度センサ、６４……制御器、６６……温度センサ、６８……外気取入口、７２……排気ボックス、７４……給気口、７６……切替ボックス、７８……切替ダンパ、８０……放出口、８２……温度センサ。

Claims

室外機と室内機とからなるヒートポンプによって室内を冷房又は暖房するとともに、前記室内の空気の一部を排気として室外に放出する空調方法において、冷房時の外気温度が前記排気の温度よりも高い時、又は暖房時の外気温度が前記排気の温度よりも低い時には前記排気を前記室外機の冷媒コイルに経由させて大気に放出し、冷房時の外気温度が前記排気の温度よりも低い時、又は暖房時の外気温度が前記排気の温度よりも高い時には前記排気を前記室外機の冷媒コイルに経由させずに大気に放出することを特徴とするヒートポンプ式空調方法。
室外機と室内機とを有して室内を冷房又は暖房するヒートポンプと、前記室内の空気の一部を排気として排気ダクトから室外に放出する排気手段と、冷房時の外気温度が前記排気の温度よりも高い時、又は暖房時の外気温度が前記排気の温度よりも低い時には前記排気を前記室外機の冷媒コイルに経由させて大気に放出し、冷房時の外気温度が前記排気の温度よりも低い時、又は暖房時の外気温度が前記排気の温度よりも高い時には前記排気を前記室外機の冷媒コイルに経由させずに大気に放出する切替手段とを具備したことを特徴とするヒートポンプ式空調装置。
前記切替手段は、前記排気ダクトに配設された切替ダンパと、外気温度と前記排気の温度との比較結果に基づいて前記切替ダンパの開閉を制御する制御器とからなることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式空調装置。
室外から導入した外気を前記排気と熱交換した後に前記室内に給気する第１の給気系統と、室外から導入した外気を前記排気と熱交換させずに前記室内に給気する第２の給気系統とを切替可能な給気手段が付設されたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のヒートポンプ式空調装置。