JP2013088021A - ヒートポンプ式温水暖房装置 - Google Patents

ヒートポンプ式温水暖房装置 Download PDF

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Abstract

【課題】複数の部屋の床暖房パネルを異なる床温度で運転することで、快適性の向上を実現させたヒートポンプ式温水暖房装置を提供すること。
【解決手段】圧縮機３を有し温水を加熱するヒートポンプサイクル２と、複数の放熱手段１３と、前記ヒートポンプサイクル２により加熱された湯水を前記複数の放熱手段１３へと循環させる温水循環ポンプ９と、前記複数の放熱手段１３にそれぞれ接続された開閉手段１１と、制御部１６と備え、前記複数の放熱手段１３の設定温度を異なる温度で同時運転した場合、設定温度が最も高い放熱手段以外の放熱手段に接続された複数の開閉手段を、所定の周期で開閉させるとともに、前記複数の開閉手段を閉めるタイミングを略同時にすることを特徴とするヒートポンプ式温水暖房装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて生成した温水で暖房を行うヒートポンプ式温水暖房装置に関するものである。
従来、石油やガスなどの燃焼系の燃料を熱源とした暖房機器の利用が大半を占めていたが、近年では、ヒートポンプ技術を利用した暖房市場が急激に拡大している。
しかしながら、従来の空気調和機だけでは、暖房時に足元が暖まりにくい等の課題があり、それを解消するためにヒートポンプ技術を利用した温水暖房装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
前記特許文献１に記載の温水暖房装置では、高温冷媒と温水とを熱交換して、熱交換して昇温した温水を床暖房パネル等の暖房端末へ送り、暖房を行っている。
また、ヒートポンプ式温水暖房装置は、冷凍サイクルユニットと温水循環ユニットを組み合わせて構成されている。
まず、冷凍サイクルユニットでは、圧縮機と、凝縮器としての水冷媒熱交換器の冷媒側配管と、膨張弁と、蒸発器とを、順次冷媒配管で環状に接続して冷凍サイクルを構成しており、この冷凍サイクルによって加熱された高温冷媒と温水とを水冷媒熱交換器内において熱交換させて温水を加熱する。
次に、温水循環ユニットでは水冷媒熱交換器の循環水側配管と、温水循環ポンプと、温水タンクと、熱動弁を接続して構成しており、冷凍サイクルユニットと温水循環ユニットを制御する制御装置と温水温度を設定できるリモコンにより、暖房運転開始を指示すると、リモコンで設定された温水温度に応じて冷凍サイクル運転を行い、リモコンに登録された熱動弁を開き、温水循環ポンプを運転して、リモコンの操作によって開いた熱動弁に接続された床暖パネルに温水を循環させて暖房を行う。
また、ヒートポンプ式温水暖房装置に複数のリモコンと複数の床暖パネルが接続されていて、それぞれ床暖パネルに対応するリモコンの設定温度が異なる時は、設定温度が最も高いリモコンに対応する床暖房パネル以外の床暖房パネルに対して、低温設定リモコンに対応する床暖パネルへの温水の供給路を開閉する開閉弁を所定の周期で開閉させる間欠運転により、低温設定エリアの床温度の上昇を低減して適温にしていた。
特開２０１０−２０３７４９号公報
しかしながら、上記従来のヒートポンプ式温水暖房装置では、床暖パネルに必要な熱量を供給するには、冷媒が高温高圧となる状態で冷凍サイクルを運転する必要があり、間欠運転等の熱動弁の開閉に伴って温水の流量が著しく変化し、特に閉弁時において、温水流量が低下して冷媒から温水への伝熱量が少なくなり、冷媒が高温高圧となる。
この時、圧縮機保護のため、冷凍サイクルの運転を頻繁に停止しなければならない。そのとき、冷凍サイクルによる加熱が途絶えてしまうため温水の温度が下がり、床暖パネル表面温度も低下して快適性を低下させてしまう傾向がある。
この課題への対策として、前記特許文献１においては温水循環ポンプ流量を変化させる手段が記載されているが、実際には床暖房パネルの圧力損失が高いため流量を増加させることが困難であり、高温高圧になってしまった冷凍サイクルを冷やすだけの十分な流量増加ができず効果がほとんど無いという問題があった。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、複数の部屋の床暖房パネルを異なる床温度で運転することで、快適性の向上を実現させたヒートポンプ式温水暖房装置を提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために本発明は、圧縮機を有し温水を加熱するヒートポンプサイクルと、複数の放熱手段と、前記ヒートポンプサイクルにより加熱された湯水を前記複数の放熱手段へと循環させる温水循環ポンプと、前記複数の放熱手段にそれぞれ接続された開閉手段と、制御部と備え、前記複数の放熱手段の設定温度を異なる温度で同時運転した場合、設定温度が最も高い放熱手段以外の放熱手段に接続された複数の開閉手段を、所定の周期で開閉させるとともに、前記複数の開閉手段を閉めるタイミングを略同時にすることを特徴とするヒートポンプ式温水暖房装置で、負荷変動を予測するために、開閉手段の閉まるタイミングを一定するものである。
本発明によれば、複数の部屋の床暖房パネルを異なる床温度で運転することで、快適性の向上を実現させたヒートポンプ式温水暖房装置を提供できる。
本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式温水暖房装置の回路構成図 同ヒートポンプ式温水暖房装置の運転時タイムチャート
第１の発明は、圧縮機を有し温水を加熱するヒートポンプサイクルと、複数の放熱手段と、前記ヒートポンプサイクルにより加熱された湯水を前記複数の放熱手段へと循環させる温水循環ポンプと、前記複数の放熱手段にそれぞれ接続された開閉手段と、制御部と備え、前記複数の放熱手段の設定温度を異なる温度で同時運転した場合、設定温度が最も高い放熱手段以外の放熱手段に接続された複数の開閉手段を、所定の周期で開閉させるとともに、前記複数の開閉手段を閉めるタイミングを略同時にすることを特徴とするヒートポンプ式温水暖房装置で、負荷変動を予測するために、開閉手段の閉まるタイミングを一定するものである。
第２の発明は、特に第１の発明において、前記開閉手段が閉まるタイミングより前に、前記圧縮機の運転周波数を低下させることを特徴とするもので、温水流量が低下して冷媒から温水への伝熱量が少なくなり、冷媒が高温高圧となるのを抑制することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式温水暖房装置について、図１、図２を用
いて説明する。
図１は、本発明の対象となるヒートポンプ温水暖房装置１の構成図である。ヒートポンプ温水暖房装置１は、ヒートポンプサイクル２、温水循環回路８、そして制御部１６とで構成される。
ヒートポンプサイクル２は、冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧の冷媒を吐出する圧縮機３、室外空気から採熱する空気熱交換器４、室外空気を強制的に空気熱交換器４に導入する空気熱交換器ファン５、冷媒の流量を調整する冷媒流量調整弁６、そして、冷媒と温水との熱交換を行う水冷媒熱交換器７で構成されている。
一方、温水循環回路８は、水冷媒熱交換器７と接続され、温水循環回路８内の温水を循環させる温水循環ポンプ９、温水を貯留するバッファタンク１０、例えば３台の放熱手段である床暖房パネル１３ａ〜１３ｃ、そして、個々の床暖房パネル１３への温水供給を制御する開閉手段である熱動弁１１ａ〜１１ｄで構成されている。
ヒートポンプサイクル２の冷媒と温水循環回路８の温水とは、互いに独立し、混合することはないが、水冷媒熱交換器７を介して熱交換可能な構成となっている。水冷媒熱交換器７には、二重管式熱交換器やプレート熱交換器が使用される。
温水循環回路８において、水冷媒熱交換器７の出口側には、水冷媒熱交換器７から床暖房パネル１３ａ〜１３ｄに向かう温水の往き温度Ｔｗｏを計測する往き温度検知センサ１５が設置されている。
また、水冷媒熱交換器７の入口側には、床暖房パネル１３ａ〜１３ｄから水冷媒熱交換器７に戻る温水の入水温度Ｔｉを計測する戻り温度検知センサ１４が設置されている。
制御部１６は、マイコン（図示せず）に組み込まれた制御プログラムで、室外温度、圧縮機３の吐出温度（ともに図示しない温度センサにより検知）、往き温度検知センサ１５で検知した往き温度Ｔｏ、戻り温度検知センサ１４で検知した入水温度Ｔｉを取得し、圧縮機３の周波数、空気熱交換器ファン５の回転数、冷媒流量調整弁６の開度を制御する。
リモコン１２ａ〜１２ｃと床暖房パネル１３ａ〜１３ｃは、共に暖房対象となる部屋内に設置される。リモコン１２ａ〜１２ｃは、３台接続して、床暖房パネル１３ａ〜１３ｃを個別に制御するようにしても、リモコンを２台接続して、床暖房パネル１３ａ〜１３ｃのうち数台ごとに制御するようにしても、リモコンを１台接続して、床暖房パネル１３ａ〜１３ｃの全てを制御するようにしてもよい。
床暖房パネル表面温度は、リモコン１２ａ〜１２ｃの「温調」の設定を変更することで設定でき、この例の場合、ボタンを操作することで、「高」から「低」まで１０段階の調節ができる。本実施の形態では、「５」の設定にされており、供給される湯温は約４０℃、床暖房パネルの表面温度は約２８℃である。
リモコン１２ａ〜１２ｃの操作により、ヒートポンプ温水暖房装置１が稼動し、加熱された温水が、温水循環ポンプ９により床暖房パネル１３ａ〜１３ｃに搬送され放熱することにより、部屋の暖房が行われる。
沸き上げ運転について説明する。まず、使用者はリモコン１２で、水冷媒熱交換器７における湯水の目標往き温度Ｔｈを設定する。そして沸き上げ運転が開始されると、温水循環ポンプ９が駆動し、温水が水冷媒熱交換器７へ供給される。そして、往き温度検知センサ１５で検出される温度が、目標往き温度Ｔｈを超えるまでヒートポンプサイクル２によ
る沸き上げ運転が継続される。
その結果、圧縮機３から吐出される高温冷媒が水冷媒熱交換器７へ流入し、湯水へと放熱することによって高温水を生成することができる。なお、水冷媒熱交換器７内では、水と冷媒とは対向流にして熱交換効率を向上させている。
そして、往き温度検知センサ１５で検出する水冷媒熱交換器７から出湯する湯水の温度が、目標往き温度Ｔｈに近づいてくると、圧縮機３の回転数を小さくして能力を下げる。
そして往き温度検知センサ１５で検出する温度が、目標往き温度Ｔｈよりも所定温度Ｔａ（例えば、２℃）だけ高くなると、圧縮機３の運転を停止して沸き上げ運転を終了する。
また、ヒートポンプサイクル２による沸き上げ運転が終了した後も、温水循環ポンプ９を駆動させて温水を水冷媒熱交換器７へ循環させている。これは沸き上げ運転停止中であっても、戻り温度検知センサ１４および往き温度検知センサ１５で温水の温度を検出しておく必要があり、温水の温度が低下するとすぐにヒートポンプサイクル２による沸き上げ運転を再開しなければならないからである。
そして、圧縮機３が運転停止中も温水循環ポンプ９を駆動して、往き温度検知センサ１５で温水温度を常時検出しており、往き温度検知センサ１５で検出する温度が、圧縮機３の運転を停止した時に記憶した入水温度Ｔｉよりも所定温度Ｔｂ（例えば、５℃）だけ小さくなった時に圧縮機３の運転を再開し、沸き上げ運転を開始する。
例えば、沸き上げ温度Ｔｈに５５℃を設定すると、往き温度検知センサ１５で検出する温度が５７℃（＝５５℃＋２℃）を超えたときに圧縮機３の運転を停止する。
そして、圧縮機３の運転を停止した時の戻り温度検知センサ１４で検知した温度が５３℃であったとすると、入水温度Ｔｉが５３℃であると記憶する。
そして、圧縮機３による沸き上げ運転終了後も温水循環ポンプ９の駆動を行い、往き温度検知センサ１５が検出する温度が入水温度Ｔｉよりも所定温度Ｔｂ（例えば、５℃）小さくなったときに圧縮機３の運転を再開する。また、本実施の形態に示した所定温度Ｔａ、Ｔｂは、本実施の形態に限定されるものではない。
複数の床暖房パネル１３ａ〜１３ｃのそれぞれに対応するリモコン１２ａ〜１２ｃで、異なる目標往き温度で運転する場合について説明する。
床暖房パネル１３が１系統のみ運転ＯＮの場合は、その温度設定によって暖房往き目標温度を決めるが、複数系統で同時運転ＯＮした場合、設定温度の高い端末の目標往き温度Ｔｈを採用する。
そして、目標往き温度Ｔｈの低い端末１３は、対応する熱動弁１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを間欠運転して、床暖房パネル１３へのインプット熱量を調節する。
図２は複数の床暖房パネル１３ａ〜１３ｃのそれぞれに対応するリモコン１２ａ〜１２ｃで異なる目標往き温度での運転例のタイミングチャートである。
リモコン１２ａ〜１２ｃの３台において、設定温度の高いリモコン１２ａ（温度設定１）で運転中に、リモコン１２ａ（温度設定１）より低い設定温度のリモコン１２ｂ（温度
設定２）、続いてリモコン１２ａ（温度設定１）より低い設定温度のリモコン１２ｃ（温度設定３）にて運転開始を指示すると、設定温度が異なることより、リモコン１２ｂに登録された熱動弁１１ｂ、１１ｃ、続いてリモコン１２ｃに登録された１１ｄは間欠運転を開始し、所定の周期で熱動弁１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを閉じるタイミングが同時である間欠運転を行う。そして、間欠運転を行っていて、暖房往き目標温度が変更された場合には、間欠運転をリセットする。
以上のように、間欠運転周期を変動させる要因が発生するたびに、周期をリセットすることにより、間欠運転による流量低下のタイミングを常に予測して制御することが可能となる。
これにより複数の床暖房パネル１３ａ〜１３ｃのそれぞれに対応するリモコン１２ａ〜１２ｃで異なる目標往き温度での運転時において、熱動弁１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが閉まるタイミングより前に、ヒートポンプサイクル２の圧縮機３の加熱能力である運転周波数を下げて運転することで、温水流量が低下して冷媒から温水への伝熱量が少なくなり、冷媒が高温高圧となるのを抑制することができる。
以上のように、本発明に係るヒートポンプ式温水暖房装置は、快適性を向上しつつ、複数の床暖房パネル１３ａ〜１３ｃのそれぞれに対応するリモコン１２ａ〜１２ｃで、異なる目標往き温度での運転ができるヒートポンプ式温水暖房装置を提供することができる。
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ式温水暖房装置は、複数の部屋の床暖房パネルを異なる床温度で運転することで、快適性の向上を実現するため、温水回路を有した給湯機、床暖房あるいは温水暖房などの暖房機器に適用できる。
１ ヒートポンプ温水暖房装置
２ ヒートポンプサイクル
３ 圧縮機
４ 空気熱交換器
５ 空気熱交換器ファン
６ 冷媒流量調整弁
７ 水冷媒熱交換器
８ 温水循環回路
９ 温水循環ポンプ
１０ バッファタンク
１１ａ〜１１ｄ 熱動弁（開閉手段）
１２ａ〜１２ｃ リモコン
１３ａ〜１３ｃ 床暖房パネル（放熱手段）
１４ 戻り温度検知センサ
１５ 往き温度検知センサ
１６ 制御部

Claims (2)

  1. 圧縮機を有し温水を加熱するヒートポンプサイクルと、複数の放熱手段と、前記ヒートポンプサイクルにより加熱された湯水を前記複数の放熱手段へと循環させる温水循環ポンプと、前記複数の放熱手段にそれぞれ接続された開閉手段と、制御部と備え、前記複数の放熱手段の設定温度を異なる温度で同時運転した場合、設定温度が最も高い放熱手段以外の放熱手段に接続された複数の開閉手段を、所定の周期で開閉させるとともに、前記複数の開閉手段を閉めるタイミングを略同時にすることを特徴とするヒートポンプ式温水暖房装置。
  2. 前記開閉手段が閉まるタイミングより前に、前記圧縮機の運転周波数を低下させることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式温水暖房装置。
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