JP2009168255A

JP2009168255A - 水熱源ヒートポンプ空調システム

Info

Publication number: JP2009168255A
Application number: JP2008003734A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Kimura; 恵一木村; Matsuo Morita; 満津雄森田; Shozo Shimizu; 正三清水
Original assignee: Kimura Kohki Co Ltd
Current assignee: Kimura Kohki Co Ltd
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2009-07-30

Abstract

【課題】設備コストや運転コストを節減できる水熱源ヒートポンプ空調システムを得る。
【解決手段】建物の被空調空間を空調する複数の水熱源ヒートポンプ式空調機（１）と、水熱源ヒートポンプ式空調機（１）のヒーポン用水熱交換器（２）を流通する熱源水が循環する熱源水回路（３)と、を備える。熱源水回路（３）に、建物で発生する汚水にて熱源水を水温調節する第１熱源用熱交換器（５）と、建物で発生する下水にて熱源水を水温調節する第２熱源用熱交換器（６）と、を設ける。ヒーポン用水熱交換器（２）の熱源水入口温度と汚水の温度と下水の温度とに応じて水熱源ヒートポンプ式空調機（１）の運転可能水温範囲に熱源水を調節する制御手段（７）を、設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は水熱源ヒートポンプ空調システムに関するものである。

建物の被空調空間を複数の水熱源ヒートポンプ式空調機で空調するシステムでは、水熱源ヒートポンプ式空調機のヒーポン用水熱交換器を流通する熱源水が循環する熱源水回路と、水熱源ヒートポンプ式空調機の運転可能水温範囲に前記熱源水を調節するボイラー及びクーリングタワーなどの熱源装置と、を備えていた。

特開２００１−３０４６１８号公報

このような熱源装置を運転するには石油やガス、電気などのエネルギーが必要で、運転コストが高く、ＣＯ２増加やヒートアイランドの原因となる。

本発明は上記課題を解決するため、建物の被空調空間を空調する複数の水熱源ヒートポンプ式空調機と、前記水熱源ヒートポンプ式空調機のヒーポン用水熱交換器を流通する熱源水が循環する熱源水回路と、を備え、前記熱源水回路に、前記建物で発生する汚水にて前記熱源水を水温調節する第１熱源用熱交換器と、前記建物で発生する下水にて前記熱源水を水温調節する第２熱源用熱交換器と、を設け、前記ヒーポン用水熱交換器の熱源水入口温度と前記汚水の温度と前記下水の温度とに応じて前記水熱源ヒートポンプ式空調機の運転可能水温範囲に前記熱源水を調節する制御手段を、設けたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば
（１）ボイラー及びクーリングタワーなどの熱源装置が不要で、既設の下水槽や汚水配管を利用して低コストで水熱源ヒートポンプ空調システムを構築できる。熱源装置運転用の石油やガス、電気が不要で、無駄に捨てられていた下水及び汚水の熱エネルギーを再利用して低コストで水熱源ヒートポンプ空調システムを運転できるので、大幅な省エネとヒートアイランド防止に効果大である。
（２）ヒーポン用水熱交換器の熱源水入口温度と下水温度と汚水温度の程度に応じて、下水及び汚水の保有熱エネルギーを最大限変換利用し、熱源水を運転可能水温範囲に確実に調節できて、水熱源ヒートポンプ式空調機の運転が安定し、快適な空調を行える。
（３）複数の水熱源ヒートポンプ式空調機で冷房運転と暖房運転を同時にするとき熱源水中の相互熱移動による相殺で熱源水の温度調節が不要となる場合など空調負荷の程度に応じて第１熱源用熱交換器及び第２熱源用熱交換器の一方又は両方に対し熱源水をバイパスさせて熱源水を循環させることができるので熱源水の搬送距離が短縮されて搬送動力の節減を図れ、省エネとなる。

図１は、本発明の水熱源ヒートポンプ空調システムの一実施例を示しており、この水熱源ヒートポンプ空調システムは、冷房運転・暖房運転切換自在として図示省略の建物の被空調空間を空調する複数の水熱源ヒートポンプ式空調機１…と、水熱源ヒートポンプ式空調機１のヒーポン用水熱交換器２を流通する熱源水が循環する熱源水回路３と、建物で発生した下水を浄化する下水槽４と、を備えている。熱源水回路３は送水ポンプ１３を備え、ヒーポン用水熱交換器２が通水自在に接続される。熱源水は、送水ポンプ１３により流量調節自在として白抜きの矢印方向に送られて、水熱源ヒートポンプ式空調機１に入り、ヒーポン用水熱交換器２にて熱交換された後、熱源水回路３に戻り循環する。

熱源水回路３には、建物で発生する汚水にて熱源水を水温調節する第１熱源用熱交換器５と、建物で発生する下水にて熱源水を水温調節する第２熱源用熱交換器６と、を設け、熱源水が任意の順序で第１熱源用熱交換器５と第２熱源用熱交換器６に１つずつ流れるように構成する。７は制御手段で、ヒーポン用水熱交換器２の熱源水入口温度及び熱源水出口温度と汚水の温度と下水の温度とに応じて第１熱源用熱交換器５と第２熱源用熱交換器６への熱源水の一部又は全部をバイパスさせて熱源水の流量制御を行って水熱源ヒートポンプ式空調機１の運転可能水温範囲（例えば１０〜４５℃）に熱源水を調節する。なお、本発明において、下水とは、建物内の生活機器２９で使用された洗面、風呂、調理、湯沸などの生活排水と、雨水とを含み、汚水は、建物内のトイレ８で使用されたし尿処理排水とする。

これらの下水及び汚水が大量に発生するホテルや病院などの各種施設の建物では、例えば建物内で下水を下水槽４に集めて浄化し、トイレ８…の給水管に流して、略常温（例えば夏期では２０〜２５℃、冬期では１０℃〜１５℃）の汚水を汚水配管９から建物外へ排水している。この汚水配管９の一部に第１熱源用熱交換器５を介して汚水と熱源水を熱交換自在に設ける。第１熱源用熱交換器５は熱源水が流通する容器状とし、内部に汚水配管９の一部を内設させる。図例では、汚水配管９の一部を、並列に汚水が分流する複数本の管状部３１…とし、熱交換量増加を図っている。この管状部３１…及び第１熱源用熱交換器５は図例以外の構造構成とするも自由である。第１熱源用熱交換器５より下流の汚水配管９には流量調整弁１０を設け、熱交換効率を高めるために第１熱源用熱交換器５内の汚水配管９の流量が設定値以上となるように制御する。

下水槽４には第２熱源用熱交換器６を介して下水槽４内の下水と熱源水を熱交換自在に設ける。第２熱源用熱交換器６は管状で、下水槽４内に第２熱源用熱交換器６を熱交換自在に内設させているが、これ以外の構造構成としたり、下水槽４を浄化用以外の下水槽とするも自由である。下水槽４には、排水管１２と流量調整弁１１を設け、熱交換効率を高めるために下水槽４の水が常時入替わるように制御する。下水槽４は、常温下水と風呂や湯沸などの高温下水が混合されるため常温を超える温度（例えば２０℃〜２５℃）となる。

一部図示省略するが、水熱源ヒートポンプ式空調機１は、ケーシング内にヒートポンプ３０と給気用ファン２６とを備え、このヒートポンプ３０は、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を行う給気用空気熱交換器２７及びヒーポン用水熱交換器２と、循環冷媒を圧縮する圧縮機２８と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構と、給気用空気熱交換器２７及びヒーポン用水熱交換器２の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の冷媒流路切換機構と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成る。このヒートポンプ３０の空気熱交換器２７にて空調用空気を冷却又は加熱し、冷房運転と暖房運転を切換自在に行い、被空調空間に給気して空調する。

制御手段７は、第１熱源用熱交換器５への熱源水の一部又は全部をバイパスさせて第１熱源用熱交換器５の熱源水流量を制御する第１流量制御機構１４と、第２熱源用熱交換器６への熱源水の一部又は全部をバイパスさせて第２熱源用熱交換器６の熱源水流量を制御する第２流量制御機構１５と、第１熱源用熱交換器５と第２熱源用熱交換器６の熱源水流通順序を切換える通水方向切換機構３２と、ヒーポン用水熱交換器２の熱源水入口温度Ａ１（以下Ａ１と表記する）を検出する熱源水入口温度検出器１６と、ヒーポン用水熱交換器２の熱源水出口温度Ａ２（以下Ａ２と表記する）を検出する熱源水出口温度検出器１７と、汚水配管９の汚水温度Ｂ１（以下Ｂ１と表記する）を検出する汚水温度検出器１８と、下水槽４の下水温度Ｂ２（以下Ｂ２と表記する）を検出する下水温度検出器１９と、熱源水入口温度Ａ１と熱源水出口温度Ａ２と汚水温度Ｂ１と下水温度Ｂ２とを比較して水熱源ヒートポンプ式空調機１の運転可能水温範囲Ｗ（以下Ｗと表記する）に熱源水が調節されるように第１流量制御機構１４と第２流量制御機構１５と通水方向切換機構３２を制御する制御器２０と、を備えている。

図例では、第１流量制御機構１４は第１熱源用熱交換器５の熱源水出入口をバイパスするバイパス流路２１と三方弁などの制御弁２３などにて構成し、第２流量制御機構１５は第２熱源用熱交換器６の熱源水出入口をバイパスするバイパス流路２２と三方弁などの制御弁２４などにて構成し、通水方向切換機構３２は四方弁などの制御弁にて構成しているが、通水方向切換機構３２や流量制御機構１４、１５の構成の変更は自由である。また、温度検出器１６、１７、１８、１９の配置変更は自由である。

この制御手段７による運転制御例を説明する。例えば図２に示すように、複数の水熱源ヒートポンプ式空調機１…が冷房運転で、熱源水入口温度Ａ１が運転可能水温範囲Ｗであって、熱源水出口温度Ａ２より熱源水入口温度Ａ１が低く、熱源水入口温度Ａ１より汚水温度Ｂ１が低く、汚水温度Ｂ１より下水温度Ｂ２が低い場合（熱源水出口温度Ａ２＞熱源水入口温度Ａ１＞汚水温度Ｂ１＞下水温度Ｂ２）、通水方向切換機構３２にて熱源水流通順序を第１熱源用熱交換器５から第２熱源用熱交換器６の方向に切換え、ヒーポン用水熱交換器２から出た熱源水を、第１流量制御機構１４にて第１熱源用熱交換器５に流して一次冷却し、第１熱源用熱交換器５に通水後の熱源水を、第２流量制御機構１５にて第２熱源用熱交換器６に流して二次冷却して、運転可能水温範囲Ｗに調節して熱源水回路３を循環させる。このように、熱源水出口温度Ａ２と熱源水入口温度Ａ１と汚水温度Ｂ１と下水温度Ｂ２の温度差に応じて、汚水と下水の両方をエネルギー変換ロス無しに熱源水の冷却に最大限利用する最適な熱源水流通ルートに設定する。

同様にして、複数の水熱源ヒートポンプ式空調機１…が暖房運転で、熱源水入口温度Ａ１が運転可能水温範囲Ｗであって、熱源水出口温度Ａ２＜熱源水入口温度Ａ１＜汚水温度Ｂ１＜下水温度Ｂ２の場合、通水方向切換機構３２にて熱源水流通順序を第１熱源用熱交換器５から第２熱源用熱交換器６の方向に切換え、ヒーポン用水熱交換器２から出た熱源水を、第１流量制御機構１４にて第１熱源用熱交換器５に流して一次加熱し、第１熱源用熱交換器５に通水後の熱源水を、第２流量制御機構１５にて第２熱源用熱交換器６に流して二次加熱して、運転可能水温範囲Ｗに調節して熱源水回路３を循環させ、汚水と下水の両方をエネルギー変換ロス無しに熱源水の加熱に最大限利用する最適な熱源水流通ルートに設定する。

また、図３に示すように、複数の水熱源ヒートポンプ式空調機１…が冷房運転で、熱源水入口温度Ａ１が運転可能水温範囲Ｗであって、熱源水出口温度Ａ２＞熱源水入口温度Ａ１＞下水温度Ｂ２＞汚水温度Ｂ１の場合、通水方向切換機構３２にて熱源水流通順序を第２熱源用熱交換器６から第１熱源用熱交換器５の方向に切換え、ヒーポン用水熱交換器２から出た熱源水を、第２流量制御機構１５にて第２熱源用熱交換器６に流して一次冷却し、第２熱源用熱交換器６に通水後の熱源水を、第１流量制御機構１４にて第１熱源用熱交換器５に流して二次冷却して、運転可能水温範囲Ｗに調節して熱源水回路３を循環させ、汚水と下水の両方をエネルギー変換ロス無しに熱源水の冷却に最大限利用する最適な熱源水流通ルートに設定する。

同様にして、複数の水熱源ヒートポンプ式空調機１…が暖房運転で、熱源水入口温度Ａ１が運転可能水温範囲Ｗであって、熱源水出口温度Ａ２＜熱源水入口温度Ａ１＜下水温度Ｂ２＜汚水温度Ｂ１の場合、通水方向切換機構３２にて熱源水流通順序を第２熱源用熱交換器６から第１熱源用熱交換器５の方向に切換え、ヒーポン用水熱交換器２から出た熱源水を、第２流量制御機構１５にて第２熱源用熱交換器６に流して一次加熱し、第２熱源用熱交換器６に通水後の熱源水を、第１流量制御機構１４にて第１熱源用熱交換器５に流して二次加熱して、運転可能水温範囲Ｗに調節して熱源水回路３を循環させ、汚水と下水の両方をエネルギー変換ロス無しに熱源水の加熱に最大限利用する最適な熱源水流通ルートに設定する。

次に、図４に示すように、複数の水熱源ヒートポンプ式空調機１…が冷房運転で、熱源水入口温度Ａ１が運転可能水温範囲Ｗであって、（熱源水出口温度Ａ２及び下水温度Ｂ２）＞熱源水入口温度Ａ１＞汚水温度Ｂ１の場合、通水方向切換機構３２にて熱源水通水順序を任意の方向（図例では第１熱源用熱交換器５から第２熱源用熱交換器６の方向）に切換え、ヒーポン用水熱交換器２から出た熱源水を、第１流量制御機構１４にて第１熱源用熱交換器５に流して冷却、及び第２流量制御機構１５にて第２熱源用熱交換器６の熱源水出入口をバイパスさせ、運転可能水温範囲Ｗに調節して熱源水回路３を循環させる。このように、熱源水出口温度Ａ２と熱源水入口温度Ａ１と汚水温度Ｂ１と下水温度Ｂ２の温度差に応じて、汚水と下水のうちでエネルギー変換ロスが無いものを熱源水の冷却に最大限利用する最適な熱源水流通ルートに設定できる。

同様にして、複数の水熱源ヒートポンプ式空調機１…が暖房運転で、熱源水入口温度Ａ１が運転可能水温範囲Ｗであって、（熱源水出口温度Ａ２及び下水温度Ｂ２）＜熱源水入口温度Ａ１＜汚水温度Ｂ１の場合、通水方向切換機構３２にて熱源水通水順序を任意の方向に切換え、ヒーポン用水熱交換器２から出た熱源水を、第１流量制御機構１４にて第１熱源用熱交換器５に流して加熱、及び第２流量制御機構１５にて第２熱源用熱交換器６の熱源水出入口をバイパスさせ、運転可能水温範囲Ｗに調節して熱源水回路３を循環させ、汚水と下水のうちでエネルギー変換ロスが無いものを熱源水の加熱に最大限利用する最適な熱源水流通ルートに設定する。

次に、図５に示すように、複数の水熱源ヒートポンプ式空調機１…が冷房運転で、熱源水入口温度Ａ１が運転可能水温範囲Ｗであって、（熱源水出口温度Ａ２及び汚水温度Ｂ１）＞熱源水入口温度Ａ１＞下水温度Ｂ２の場合、通水方向切換機構３２にて熱源水通水順序を任意の方向（図例では第１熱源用熱交換器５から第２熱源用熱交換器６の方向）に切換え、ヒーポン用水熱交換器２から出た熱源水を、第１流量制御機構１４にて第１熱源用熱交換器５の熱源水出入口をバイパス、及び第２流量制御機構１５にて第２熱源用熱交換器６に流して冷却し、運転可能水温範囲Ｗに調節して熱源水回路３を循環させ、汚水と下水のうちでエネルギー変換ロスが無いものを熱源水の冷却に最大限利用する最適な熱源水流通ルートに設定する。

同様にして、複数の水熱源ヒートポンプ式空調機１…が暖房運転で、熱源水入口温度Ａ１が運転可能水温範囲Ｗであって、（熱源水出口温度Ａ２及び汚水温度Ｂ１）＜熱源水入口温度Ａ１＜下水温度Ｂ２の場合、通水方向切換機構３２にて熱源水通水順序を任意の方向に切換え、ヒーポン用水熱交換器２から出た熱源水を、第１流量制御機構１４にて第１熱源用熱交換器５をバイパス、及び第２流量制御機構１５にて第２熱源用熱交換器６に流して加熱し、運転可能水温範囲Ｗに調節して熱源水回路３を循環させ、汚水と下水のうちでエネルギー変換ロスが無いものを熱源水の加熱に最大限利用する最適な熱源水流通ルートに設定する。

次に、図６に示すように、複数の水熱源ヒートポンプ式空調機１…が冷房・暖房同時運転で、熱源水入口温度Ａ１が運転可能水温範囲Ｗであって、熱源水出口温度Ａ２と熱源水入口温度Ａ１が略同じで温度調節が不要な場合（熱源水出口温度Ａ２≒熱源水入口温度Ａ１）、通水方向切換機構３２にて熱源水通水順序を任意の方向（図例では第１熱源用熱交換器５から第２熱源用熱交換器６の方向）に切換え、ヒーポン用水熱交換器２から出た熱源水を、第１流量制御機構１４にて第１熱源用熱交換器５の熱源水出入口をバイパス、及び第２流量制御機構１５にて第２熱源用熱交換器６をバイパスさせ、熱源水回路３を循環させて、無駄に熱源水を冷却、加熱をしないように最適な熱源水流通ルートに設定する。図示省略するが、熱源水を冷却、加熱せずに熱源水流通ルートがさらに短くなるように、バイパス流路や制御弁などを熱源水回路３に適宜設けるも自由である。

なお、前記実施例において、水熱源ヒートポンプ式空調機１の台数の増減は自由である。熱源水回路３はダイレクトレターン方式、リバースレターン方式やこれらの併用方式など各種の方式に変更自由である。また、必要に応じてクーリングタワーやボイラーなどの熱源装置を熱源水回路３に併設したり、第１熱源用熱交換器５と第２熱源用熱交換器６の一方を省略するも自由である。

本発明の水熱源ヒートポンプ空調システムの実施例である。本発明の第１の運転制御例である。本発明の第２の運転制御例である。本発明の第３の運転制御例である。本発明の第４の運転制御例である。本発明の第５の運転制御例である。

符号の説明

１水熱源ヒートポンプ式空調機
２ヒーポン用水熱交換器
３熱源水回路
５第１熱源用熱交換器
６第２熱源用熱交換器
７制御手段

Claims

建物の被空調空間を空調する複数の水熱源ヒートポンプ式空調機（１）と、前記水熱源ヒートポンプ式空調機（１）のヒーポン用水熱交換器（２）を流通する熱源水が循環する熱源水回路（３)と、を備え、前記熱源水回路（３）に、前記建物で発生する汚水にて前記熱源水を水温調節する第１熱源用熱交換器（５）と、前記建物で発生する下水にて前記熱源水を水温調節する第２熱源用熱交換器（６）と、を設け、前記ヒーポン用水熱交換器（２）の熱源水入口温度と前記汚水の温度と前記下水の温度とに応じて前記水熱源ヒートポンプ式空調機（１）の運転可能水温範囲に前記熱源水を調節する制御手段（７）を、設けたことを特徴とする水熱源ヒートポンプ空調システム。