JP2010216784A

JP2010216784A - 空気調和システム

Info

Publication number: JP2010216784A
Application number: JP2009067331A
Authority: JP
Inventors: Yasuji Ogoshi; 靖二大越
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: JP5503167B2

Abstract

【課題】暖房運転時、コンデンサ出口温度の低下によるエンタルピ差の増加及び蒸発温度上昇による冷凍サイクルの性能の向上を図ることにより、外部熱源へ戻る水温を高くして、システムの外部熱を利用した暖房運転時間を長くできる空気調和システムを提供する。
【解決手段】本空気調和システムは、冷凍サイクルの第１の熱交換器に水又はブラインからなる流体を流通させ、冷媒管内を流れる冷媒と熱交換された流体を室内に循環させて室内の冷房又は暖房を行う第１の流体回路と、冷凍サイクルの第２の熱交換器に外部熱熱交換器と熱交換する水又はブラインからなる流体を流通させて、冷媒管内を流れて熱交換器内の冷媒を凝縮又は蒸発させる第２の流体回路を備え、暖房運転時、第１の流体回路を流れる第１の熱交換器より上流側の流体と、第２の流体回路を流れる第２の熱交換器より上流側の流体とを熱交換させる過冷却熱交換器を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は空気調和システムに係り、特に地中熱等を利用するのに適する熱利用サイクルを改良した空気調和システムに関する。

近年、自然エネルギー利用の一環として、外気に左右されず年間を通して安定した温度に保たれる地中熱を利用する地中熱利用空調システムが用いられている。

この種の地中熱利用空調システムは、地中熱交換器を設置し、地中熱交換器とヒートポンプとの間で熱交換可能として被空調空間を冷暖房するシステムであり、年間を通じて安定した温度の大地を熱源として利用するため、空気熱源等の他システムに比べ成績係数の高いシステムである。

しかし、従来の地中熱利用空調システムは、地中に設置された熱交換器とヒートポンプとの間で冷暖房運転のための放熱又は採熱の熱交換が続くと、時間の経過にともない地中熱交換器周辺の地中温度が上昇又は下降し、地中熱交換器の放熱又は採熱能力は減少する。

そこで、地中熱交換器とヒートポンプとの間を熱交換可能に連結し、ヒートポンプと被空調空間及び大気との熱交換器とを切換可能に連結し、冷暖房運転時には、地中熱交換器、ヒートポンプ、被空調空間とを連結して被空調空間を冷暖房し、冷暖房運転時以外で電気使用料金が安価な時に、地中熱交換器、ヒートポンプ、大気との熱交換器とを連結し、前記ヒートポンプを冷暖房運転時の運転と反対の運転をすることにより地中熱交換器の放熱又は採熱能力を回復させる地中熱利用空調システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−４８９７２号公報

しかしながら、特許文献１の空調システムでは、暖房運転時、地中に蓄えた熱量が早期に減少してしまい、運転継続可能時間が短いという問題がある。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、暖房運転時、コンデンサ出口温度の低下によるエンタルピ差の増加及び蒸発温度上昇による冷凍サイクルの性能の向上を図ることにより、外部熱源へ戻る水温を高くして、システムの外部熱を利用した暖房運転時間を長くできる空気調和システムを提供することを目的とする。

本発明に係る空気調和システムは、圧縮機に、冷媒管を介して順次、四方弁、第１の熱交換器、膨張装置、第２の熱交換器を接続して構成される冷凍サイクルと、前記第１の熱交換器に水又はブラインからなる流体を流通させ、前記冷媒管内を流れる冷媒と熱交換された流体を室内熱交換器に循環させて室内の冷房又は暖房を行う第１の流体回路と、前記第２の熱交換器に外部熱熱交換器と熱交換する水又はブラインからなる流体を流通させて、前記第２の熱交換器内を流れる冷媒を、凝縮又は蒸発させる第２の流体回路を備えた空気調和システムにおいて、暖房運転時、前記第１の流体回路を流れる前記第１の熱交換器より上流側の流体と、前記第２の流体回路を流れる前記第２の熱交換器より上流側の流体とを熱交換させる過冷却熱交換器を設けたことを特徴とする。

本発明に係る空気調和システムによれば、暖房運転時、コンデンサ出口温度の低下によるエンタルピ差の増加及び蒸発温度上昇による冷凍サイクルの性能の向上を図ることにより、外部熱源へ戻る水温を高くして、システムの外部熱を利用した暖房運転時間を長くできる空気調和システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る空気調和システムに用いる水熱源利用サイクル図。本発明の一実施形態に係る空気調和システムに用いる水熱源利用サイクル図（冷房運転時）。本発明に係る空気調和システムに用いる水熱源利用サイクル図（暖房運転時）。

本発明の一実施形態に係る空気調和システムについて図面を参照して説明する。

本実施形態に係る空気調和システムは、地中熱利用に適する地中熱源利用サイクルを備えた空気調和システムである。

図１に示すように、本実施形態に係る空気調和システムに用いる水熱源利用サイクル１は、冷凍サイクル２と、第１の流体回路３と、第２の流体回路４を備える。

冷凍サイクル２は、例えばＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮機２１に、冷媒管２２を介して順次、冷媒の流れを切換える四方弁２３、冷媒を蒸発させあるいは凝縮させる第１の熱交換器としての中間熱交換器２４、冷媒を減圧する膨張装置２５、冷媒を蒸発させあるいは凝縮させる第２の熱交換器としての水熱源利用熱交換器２６を接続して構成される。

第１の流体回路３は、冷凍サイクル２において冷媒が流れる中間熱交換器２４に、水又はブラインからなる流体を流通させて、冷媒と流体を熱交換させるためのもので、流体配管３１により、中間熱交換器２４、室内熱交換器３２、流体を循環させる第１のポンプ３３、流体の流れを適宜制御する第１の弁体３４、平行流に流れ、第１の流体回路３を流れる流体と第２の流体回路４を流れる流体を熱交換する過冷却熱交換器３５、中間熱交換器２４が順次接続される。

さらに、第１の弁体３４に並列に設けられ第１の弁体３４と協働して、流体を選択的に過冷却熱交換器３５に流す第２の弁体３６が接続される。

また、第２の流体回路４は、水熱源利用熱交換器２６に、流体配管４１により、流体を循環させる第２のポンプ４２、過冷却熱交換器３５及び、外部熱熱交換器として例えば垂直型の地中熱交換器４３が順次接続される。

地中熱交換器４３には、例えば、グラウト等の充填材を用いるタイプあるいは不凍液を用いるタイプのものを使用し、夏季冷房時に地中温度８〜１２℃、地中熱交換器温度が１５〜３０℃、冬季暖房時に地中温度８〜１２℃、地中熱交換器温度が−５〜５℃になる地中６０〜１５０ｍに埋設される。

なお、外部熱熱交換器としては、地中熱交換器に限らず、深夜電力利用蓄熱槽内に設置した熱交換器などであってもよい。

本発明の一実施形態に係る空気調和システムの動作について説明する。

最初に水熱源利用サイクル１の冷房運転時について説明する。

図２に矢示するように、圧縮機２１で圧縮された冷媒は、冷媒管２２、四方弁２３を介して、冷媒を凝縮する凝縮器として作用する水熱源利用熱交換器２６に流れる。

この水熱源利用熱交換器２６に流入した高温高圧のガス冷媒は、水熱源利用熱交換器２６により冷却され、液相の冷媒になる。

この水熱源利用熱交換器２６における冷媒の冷却は、第２のポンプ４２により、第２の流体回路４内を循環する流体により、冷凍サイクル２を流れる冷媒を冷却することで行われ、冷媒を冷却することで高温になった流体は、地中熱交換器４３で地中に放熱されて冷却される。

一方、水熱源利用熱交換器２６で液相になった冷媒は、膨張装置２５で減圧され、蒸発器として作用する中間熱交換器２４で蒸発して、中間熱交換器２４を流れる流体と熱交換し、四方弁２３を介して、圧縮機２１に戻る。

中間熱交換器２４を流れ、冷媒と熱交換して冷却された流体は、第１のポンプ３３の動作により、流体配管３１を介して室内熱交換器３２に流れ、室内空気を冷却し、室内を冷房する。

この冷房運転時、第１の弁体３４と協働して、過冷却熱交換器３５に流体を流す第２の弁体３６は閉止状態にあり、過冷却熱交換器３５に流体は流れない。

従って、過冷却熱交換器３５を設けても、冷房運転時、従来の空気調和システムと同等の性能を維持する。

さらに、水熱源利用サイクルの暖房運転時について説明する。

図３に矢示するように、圧縮機２１で圧縮された冷媒は、冷媒管２２、四方弁２３を介して、冷媒を凝縮させる凝縮器として作用する中間熱交換器２４に流れる。

中間熱交換器２４に流入した高温高圧のガス冷媒は、中間熱交換器２４で第１の流体回路３の流体と熱交換して冷却され、液冷媒になる。

中間熱交換器２４を流れ、冷媒と熱交換して加熱された例えば、５５℃の第１の流体回路３の流体は、第１のポンプ３３の動作により、流体配管３１を介して室内熱交換器３２に流れ、室内空気を加熱し、室内を暖房する。

さらに、室内熱交換器３２を流れ、５０℃に温度低下した第１の流体回路３の流体は、第１のポンプ３３を介して、閉止状態にある第１の弁体３４をバイパスし、開放状態にある第２の弁体３６を通過して、過冷却熱交換器３５に流入する。過冷却熱交換器３５に流入した第１の流体回路３の流体は、第２の流体回路４内を循環する１６℃の流体と熱交換し、４５℃に温度低下して、中間熱交換器２４に戻る。

冷凍サイクル２を流れる冷媒は、中間熱交換器２４で４５℃に温度低下した第１の流体回路３の流体と熱交換することにより過冷却される。この過冷却によりエンタルピ差が増加し、システムの性能が向上する。

中間熱交換器２４で冷却され、液相になった冷媒は、膨張装置２５で減圧され、蒸発器として作用する水熱源利用熱交換器２６でこの水熱源利用熱交換器２６を流れ、第２の流体回路４内を循環する流体と熱交換して蒸発し、四方弁２３を介して、圧縮機２１に戻る。

このとき、第２の流体回路４を流れる流体は、過冷却熱交換器３５で第１の流体回路３の流体と熱交換することにより１６℃から２１℃に加熱されており、水熱源利用熱交換器２６を流れる冷媒は、第２の流体回路４の２１℃の流体と熱交換して、加熱されて、蒸発温度が上昇する。

この蒸発温度の上昇に伴い、従来１２℃で地下に戻っていた流体温度は、１４℃と２℃上昇する。

暖房運転の継続により、第２の流体回路４の流体の温度は徐々に低下するが、地下からの供給可能限界温度を例えば４℃以下とした場合、従来に比べて、長時間地中熱を利用した暖房運転が可能になる。

本実施形態の空気調和システムによれば、暖房運転時、コンデンサ出口温度の低下によるエンタルピ差の増加及び蒸発温度上昇による冷凍サイクルの性能の向上を図ることにより、外部熱源へ戻る水温を高くして、システムの外部熱を利用した暖房運転時間を長くできる空気調和システムが実現する。

１…水熱源利用サイクル、２…冷凍サイクル、３…第１の流体回路、４…第２の流体回路、２１…圧縮機、２２…冷媒管、２３…四方弁、２４…中間熱交換器、２５…膨張装置、２６…水熱源利用熱交換器、３１…流体配管、３２…室内熱交換器、３３…第１のポンプ、３４…第１の弁体、３５…過冷却熱交換器、３６…第２の弁体、４１…流体配管、４２…第２のポンプ、４３…地中熱交換器。

Claims

圧縮機に、冷媒管を介して順次、四方弁、第１の熱交換器、膨張装置、第２の熱交換器を接続して構成される冷凍サイクルと、
前記第１の熱交換器に水又はブラインからなる流体を流通させ、前記冷媒管内を流れる冷媒と熱交換された流体を室内熱交換器に循環させて室内の冷房又は暖房を行う第１の流体回路と、
前記第２の熱交換器に外部熱熱交換器と熱交換する水又はブラインからなる流体を流通させて、前記第２の熱交換器内を流れる冷媒を、凝縮又は蒸発させる第２の流体回路を備えた空気調和システムにおいて、
暖房運転時、前記第１の流体回路を流れる前記第１の熱交換器より上流側の流体と、前記第２の流体回路を流れる前記第２の熱交換器より上流側の流体とを熱交換させる過冷却熱交換器を設けたことを特徴とする空気調和システム。
前記第１の流体回路は、前記室内熱交換器の出口側と前記中間熱交換器間に、第１の弁体が設けられ、前記室内熱交換器の出口側と前記過冷却熱交換器間には、前記第１の弁体と並列に第２の弁体が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和システム。
前記第２の流体回路には、地中に設置された地中熱交換器が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和システム。