JP2013139954A

JP2013139954A - ヒートポンプシステム及びヒートポンプ装置の制御方法

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Publication number: JP2013139954A
Application number: JP2011290349A
Authority: JP
Inventors: Koji Matsuzawa; 耕司松澤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: CN103185420B; EP2610558B1; CN103185420A; EP2610558A3; EP2610558A2; JP5452581B2

Abstract

【課題】自然対流方式の暖房装置を用いたヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ装置が備える圧縮機の停止回数を減らすことを目的とする。
【解決手段】制御装置１００は、外気温度に対して予め記憶したＣＯＰが所定値となる供給温度を制限温度として設定する。制御装置１００は、供給温度が予め設定された目標温度になるように、圧縮機１の動作周波数を予め設定された下限周波数と上限周波数との間で制御するとともに、設定した制限温度に供給温度がなると、圧縮機１を一時停止させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、ヒートポンプシステムが備える圧縮機の制御技術に関する。特に、この発明は、季節の中間期等、比較的負荷が低い場合における圧縮機の制御技術に関する。

ヒートポンプ装置で温水を生成し、生成した温水を床暖房やパネルヒータ等の暖房装置へ供給し、暖房装置の輻射熱による暖房運転を行うヒートポンプ式の暖房システムがある。
ヒートポンプ式の暖房システムでは、暖房装置へ供給される温水の温度（供給温度）が予め設定された目標温度になるようにヒートポンプ装置が制御される。

ヒートポンプ式の暖房システムでは、ヒートポンプ装置のインバータ制御の特性を活かし、室内の快適性を損なわない範囲で、可能な限りヒートポンプ装置を連続運転することが、省エネルギー化を進める上で重要である。
しかし、ヒートポンプ装置の能力が負荷に対して高いと、ヒートポンプ装置の能力をできる限り低く抑えて運転しても、すぐに供給温度が目標温度を超えてしまう状態となる。この場合、目標温度よりも少し高く設定された上制限温度よりも供給温度が高くなるとヒートポンプ装置の運転を一旦停止し、目標温度よりも少し低く設定された下制限温度になると再びヒートポンプ装置を運転するという動作を繰り返してしまう。つまり、ヒートポンプ装置を連続運転することができず、省エネルギー化を進める上で好ましくない。

特許文献１には、ヒートポンプ装置の停止回数を計測し、停止回数が多い場合には負荷が低いと判断して目標温度を下げることについての記載がある。
特許文献１では、停止回数が多い場合に目標温度を下げることにより、ヒートポンプ装置の能力を落として運転することができ、運転効率が高くなる。また、ヒートポンプ装置の能力を落として運転することにより、供給温度が目標温度に達するまでに時間がかかり、ヒートポンプ装置の停止回数が減る。

特開２００２−６１９２５号公報

特許文献１に記載された方法は、ヒートポンプ装置の能力を下げることが可能な場合に利用できるものであって、ヒートポンプ装置の能力をできる限り低く抑えて運転している場合には利用できない。

また、特許文献１は、ファンを用いた強制対流方式による空調運転を前提としたものである。そのため、特許文献１では、暖房装置の輻射熱を用いた自然対流方式による暖房運転の特性は考慮されていない。
強制対流方式では、ヒートポンプ装置の運転状態と、室内温度との相関関係が大きいという特性がある。これに対して、自然対流方式では、ヒートポンプ装置の運転状態と、室内温度との相関関係が小さいという特性がある。つまり、強制対流方式では、ヒートポンプ装置の能力を上げれば室内温度はすぐに上がり、ヒートポンプ装置の能力を下げれば室内温度はすぐに下がる。しかし、自然対流方式では、ヒートポンプ装置の能力を変化させ、供給温度を変化させても、室内温度が変化するまでに時間がかかる。

この発明は、自然対流方式の暖房装置を用いたヒートポンプシステムにおいて、ヒートポンプ装置が備える圧縮機の停止回数を減らすことを目的とする。

この発明に係るヒートポンプシステムは、
圧縮機を有するヒートポンプ装置を備え、前記ヒートポンプ装置で加熱した流体を、輻射熱による自然対流の熱交換により前記流体と空気とを熱交換させる暖房装置へ供給するヒートポンプシステムであり、
外気温度を計測する外気温度計測部と、
前記暖房装置へ供給される流体の温度を供給温度として計測する供給温度計測部と、
外気温度と供給温度とをそれぞれ変化させた場合におけるＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＯｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の値を記憶したＣＯＰ記憶部と、
前記外気温度計測部が計測した外気温度に対して、前記ＣＯＰ記憶部が記憶したＣＯＰが所定値となる供給温度を温度Ａとして、前記温度Ａを制限温度として設定する制限温度設定部と、
前記供給温度計測部が計測した供給温度が予め設定された目標温度になるように、前記圧縮機の動作周波数を制御するとともに、前記制限温度設定部が設定した制限温度に前記供給温度がなると、前記圧縮機を一時停止させる制御部と
を備えることを特徴とする。

この発明に係るヒートポンプシステムでは、目標温度よりも少しだけ高い温度を制限温度とするのではなく、ＣＯＰに基づき制限温度を通常よりも高めに設定する。これにより、供給温度が制限温度を超えるまでの時間が長くなり、圧縮機を停止させる回数が少なくなる。
なお、この発明に係るヒートポンプシステムでは、自然対流方式による暖房運転を前提としており、供給温度が目標温度よりも多少高くなったとしても、すぐに室内温度が上昇することはない。したがって、室内の快適性を損なうこともない。

実施の形態１に係るヒートポンプシステム２００の構成図。実施の形態１に係る制御装置１００の構成図。実施の形態１に係る制御装置１００の制御処理の流れを示すフローチャート。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るヒートポンプシステム２００の構成図である。
ヒートポンプシステム２００は、ヒートポンプ装置１０、補助熱源２０、室内空間６０に設置された暖房装置３０、ポンプ４０を備え、順次流体配管５０によって接続されている。なお、流体配管５０は、ヒートポンプ装置１０が備える熱交換器２に接続されている。また、流体配管５０の内部には、水（流体の一例）が流れている。
また、暖房装置３０が設置された室内空間６０には、設定温度等を入力するためのリモートコントローラ７０が設けられている。

ヒートポンプ装置１０は、圧縮機１と熱交換器２と膨張機構３と熱交換器４とが冷媒配管５により順次接続されたヒートポンプサイクルを有する。圧縮機１、熱交換器２、膨張機構３、熱交換器４の順にヒートポンプサイクル内を冷媒が循環することにより、冷媒は、熱交換器４で空気等から吸熱して、熱交換器２で流体配管５０を流れる水へ放熱する。つまり、ヒートポンプ装置１０により、流体配管５０を流れる水が加熱され、温水になる。
補助熱源２０は、ヒートポンプ装置１０が加熱した温水を、さらに加熱する。例えば、補助熱源２０は、電気ヒータ等である。
暖房装置３０は、ヒートポンプ装置１０や補助熱源２０により加熱された温水の熱を、室内空間６０の空気へ放出する。その結果、室内空間６０内部は暖かくなり、温水は冷却され冷水になる。暖房装置３０は、輻射熱による自然対流の熱交換により温水と空気とを熱交換させる床暖房パネルやパネルヒータ等である。
ポンプ４０は、流体配管５０内を水を循環させる。つまり、ポンプ４０が稼動することにより、ヒートポンプ装置１０、補助熱源２０、暖房装置３０の順に水が循環する。そして、上述したように、水は、ヒートポンプ装置１０で加熱され、補助熱源２０でさらに加熱され、暖房装置３０で冷却されることを繰り返す。これにより、室内空間６０が暖められる。

また、ヒートポンプシステム２００は、温度センサ１０１〜１０３を備える。
温度センサ１０１は、暖房装置３０へ供給される水の温度を供給温度として計測する。温度センサ１０２は、外気の温度を計測する。温度センサ１０３は、室内空間６０の空気の温度を室内温度として計測する。

さらに、ヒートポンプシステム２００は、マイクロコンピュータ等により構成される制御装置１００を備える。
制御装置１００は、温度センサ１０１〜１０３が計測する温度や、リモートコントローラ７０により入力される設定温度等を取得する。制御装置１００は、取得した情報に基づき、暖房装置３０へ供給する水の温度が目標温度になるように、ヒートポンプ装置１０を制御する。また、制御装置１００は、取得した情報に基づき、補助熱源２０のＯＮ／ＯＦＦや、ポンプ４０のＯＮ／ＯＦＦを制御する。

図２は、実施の形態１に係る制御装置１００の構成図である。
制御装置１００は、温度計測部１１０、温度記憶部１２０、制御部１３０、温度設定部１４０を備える。

温度計測部１１０は、各種温度を計測、又は取得する。温度計測部１１０は、供給温度計測部１１１、外気温度計測部１１２、室内温度計測部１１３、設定温度取得部１１４を備える。
供給温度計測部１１１は、温度センサ１０１により供給温度を計測する。外気温度計測部１１２は、温度センサ１０２により外気温度を計測する。室内温度計測部１１３は、温度センサ１０３により室内温度を計測する。設定温度取得部１１４は、リモートコントローラ７０により入力された設定温度を取得する。

温度記憶部１２０は、制御部１３０の制御に必要な温度を記憶する記憶装置である。温度記憶部１２０は、目標温度記憶部１２１、制限温度記憶部１２２を備える。
目標温度記憶部１２１は、目標温度を記憶する記憶装置である。目標温度は、例えば、ヒートポンプシステム２００の据え付け時等に所定の温度が設定されている。あるいは、目標温度は、暖房負荷に応じて計算され、設定されてもよい。
制限温度記憶部１２２は、目標温度よりも高い温度を上制限温度として記憶し、目標温度よりも低い温度を下制限温度として記憶する記憶装置である。なお、上制限温度は、後述する制限温度設定部１４３により設定され、下制限温度は、目標温度よりも所定温度（例えば２℃）低い温度が予め設定される。

制御部１３０は、目標温度記憶部１２１に記憶された目標温度に供給温度がなるように、ヒートポンプ装置１０を制御する。具体的には、制御部１３０は、目標温度に供給温度がなるように、圧縮機１の動作周波数を、予め設定された下限周波数と上限周波数との間で制御して、圧縮機１を動作させる。例えば、制御部１３０は、目標温度と供給温度との供給温度差が大きい場合には、圧縮機１の運転周波数が高くなるようにする。一方、制御部１３０は、供給温度差が小さい場合には、圧縮機１の運転周波数が低くなるようにする。
また、制御部１３０は、供給温度が上制限温度よりも高くなった場合、圧縮機１を停止させ、圧縮機１の停止後、供給温度が下制限温度よりも低くなった場合、再び圧縮機１を稼働させる。
なお、制御部１３０は、ヒートポンプ装置１０だけでは加熱量が足りない場合には、補助熱源２０をＯＮすることにより、目標温度に供給温度がなるようにする。

温度設定部１４０は、制限温度を制限温度記憶部１２２に設定する。温度設定部１４０は、ＣＯＰ記憶部１４１、限界温度入力部１４２、制限温度設定部１４３を備える。

ＣＯＰ記憶部１４１は、外気温度と供給温度とをそれぞれ変化させた場合におけるヒートポンプ装置１０のＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＯｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の値を記憶した記憶装置である。
なお、原則として、外気温度が高いほど、ＣＯＰは高くなり、供給温度が高いほど、ＣＯＰは低くなる。

限界温度入力部１４２は、ヒートポンプシステム２００の据え付け時等に、利用者に供給温度の上限値である限界温度をリモートコントローラ７０等から入力させる。
供給温度の上限値は、例えば、暖房装置として床暖房を用いており、４０℃以上になると床を破壊する恐れがある場合には、４０℃が入力される。

制限温度設定部１４３は、以下の規則ＡからＣの各規則に基づき温度Ａ，Ｂ，Ｃを決定する。制限温度設定部１４３は、各規則に基づき決定した温度Ａ，Ｂ，Ｃのうち最も低い温度を上制限温度として設定する。

（規則Ａ）
制限温度設定部１４３は、ＣＯＰ記憶部１４１に記憶されたＣＯＰが所定値（例えば、３）となる温度を温度Ａとして決定する。ＣＯＰ記憶部１４１には、外気温度と供給温度とをそれぞれ変化させた場合におけるＣＯＰが記憶されている。したがって、制限温度設定部１４３は、外気温度計測部１１２が計測した外気温度において、ＣＯＰが所定値となる場合の供給温度を求め、その供給温度を温度Ａとする。
これは、ＣＯＰを著しく落としてまで、ヒートポンプ装置の連続運転を行い、かえって効率を悪化させることがないようにするためである。

（規則Ｂ）
制限温度設定部１４３は、室内温度計測部１１３が計測した室内温度と、設定温度取得部１１４が取得した設定温度との差である設定温度差が小さいほど、低い温度を温度Ｂとして決定する。例えば、制限温度設定部１４３は、設定温度差に対する温度Ｂを予め記憶しておく、あるいは、設定温度差から温度Ｂを計算する計算式を記憶しておく。そして、制限温度設定部１４３は、設定温度差と記憶した情報とに基づき、温度Ｂを決定する。
これは、室内の快適性を害さないようにするためである。上述したように、自然対流方式では、ヒートポンプ装置の運転状態と、室内温度との相関関係が小さいという特性がある。そのため、設定温度差が大きい場合には、供給温度が高くなってもすぐに室内温度が設定温度に達することはない。したがって、上制限温度を高くすることができる。一方、設定温度差が小さい場合には、供給温度が高くなると室内温度が設定温度に達する可能性がある。したがって、上制限温度を高くすることができない。

（規則Ｃ）
制限温度設定部１４３は、限界温度入力部１４２が利用者に入力させた限界温度を温度Ｃとする。
これは、限界温度よりも高い温度が上制限温度として設定され、供給温度が限界温度を超えることがないようにするためである。

図３は、実施の形態１に係る制御装置１００の制御処理の流れを示すフローチャートである。

（Ｓ１：温度計測処理）
温度計測部１１０は、各温度を計測する。

（Ｓ２：制限温度設定処理）
温度設定部１４０は、Ｓ１で計測又は取得された各温度を用いて、上述した方法により、上制限温度を制限温度記憶部１２２に設定する。
（Ｓ３：制御処理）
制御部１３０は、Ｓ１で計測又は取得された各温度を用いて、目標温度記憶部１２１に記憶された目標温度に供給温度がなるように、ヒートポンプ装置１０が備える圧縮機１を制御する。
この際、制御部１３０は、制限温度設定部１４３に記憶された上制限温度よりも供給温度が高くなると、圧縮機１を停止させ、圧縮機１を停止させた後、下制限温度よりも供給温度が低くなると、圧縮機１を再び稼働させる。

所定時間経過後、再びＳ１から処理が開始される。

以上のように、実施の形態１に係るヒートポンプシステム２００では、ＣＯＰや、設定温度差等に基づき、上制限温度をできるだけ高く設定する。これにより、供給温度が上制限温度を超えるまでの時間が長くなり、圧縮機を停止させる回数が少なくなる。
なお、ヒートポンプシステム２００では、自然対流方式による暖房運転を前提としており、供給温度が目標温度よりも多少高くなったとしても、供給温度の上昇に伴いすぐに室内温度が上昇することはない。したがって、室内の快適性を損なうこともない。

なお、上記説明における上限周波数や下限周波数は、圧縮機１やヒートポンプ装置１０の特性に応じて、製品出荷時等に定められるものである。

また、上記説明では、規則ＡからＣの３つの規則を用いて、上制限温度を決定した。しかし、例えば、規則Ａ，Ｂだけ、規則Ａ，Ｃだけとしてもよい。また、規則Ａの温度を超えることが考えられないのであれば、規則Ｂ，Ｃだけ、規則Ｂだけ、規則Ｃだけとしてもよい。

１圧縮機、２熱交換器、３膨張機構、４熱交換器、５冷媒配管、１０ヒートポンプ装置、２０補助熱源、３０暖房装置、４０ポンプ、５０流体配管、６０室内空間、７０リモートコントローラ、１００制御装置、１０１，１０２，１０３温度センサ、１１０温度計測部、１１１供給温度計測部、１１２外気温度計測部、１１３室内温度計測部、１１４設定温度取得部、１２０温度記憶部、１２１目標温度記憶部、１２２制限温度記憶部、１３０制御部、１４０温度設定部、１４１ＣＯＰ記憶部、１４２限界温度入力部、１４３制限温度設定部、２００ヒートポンプシステム。

Claims

圧縮機を有するヒートポンプ装置を備え、前記ヒートポンプ装置で加熱した流体を、輻射熱による自然対流の熱交換により前記流体と空気とを熱交換させる暖房装置へ供給するヒートポンプシステムであり、
外気温度を計測する外気温度計測部と、
前記暖房装置へ供給される流体の温度を供給温度として計測する供給温度計測部と、
外気温度と供給温度とをそれぞれ変化させた場合におけるＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＯｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の値を記憶したＣＯＰ記憶部と、
前記外気温度計測部が計測した外気温度に対して、前記ＣＯＰ記憶部が記憶したＣＯＰが所定値となる供給温度を温度Ａとして、前記温度Ａを制限温度として設定する制限温度設定部と、
前記供給温度計測部が計測した供給温度が予め設定された目標温度になるように、前記圧縮機の動作周波数を制御するとともに、前記制限温度設定部が設定した制限温度に前記供給温度がなると、前記圧縮機を一時停止させる制御部と
を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
前記ヒートポンプシステムは、さらに、
前記暖房装置が設置された部屋の温度を室内温度として計測する室内温度計測部と、
利用者により設定された前記部屋の設定温度を取得する設定温度取得部と
を備え、
前記制限温度設定部は、前記室内温度計測部が計測した室内温度と前記設定温度取得部が取得した設定温度との差が小さいほど低い温度を温度Ｂとして、前記温度Ａと前記温度Ｂとのうち低い方の温度を制限温度として設定する
ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
前記ヒートポンプシステムは、さらに、
利用者に限界温度を入力させる限界温度入力部と
を備え、
前記制限温度設定部は、前記限界温度入力部が入力させた限界温度を温度Ｃとして、前記温度Ａと前記温度Ｂと前記温度Ｃとのうち最も低い温度を制限温度として設定する
ことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプシステム。
圧縮機を有するヒートポンプ装置を備え、前記ヒートポンプ装置で加熱した流体を、輻射熱による自然対流の熱交換により前記流体と空気とを熱交換させる暖房装置へ供給するヒートポンプシステムにおける前記ヒートポンプ装置の制御方法であり、
温度センサが、外気温度を計測する外気温度計測処理と、
温度センサが、前記暖房装置へ供給される流体の温度を供給温度として計測する供給温度計測処理と、
制御装置が、外気温度と供給温度とをそれぞれ変化させた場合におけるＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＯｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の値を記憶した記憶装置から、前記外気温度計測処理で計測した外気温度に対して記憶したＣＯＰが所定値となる供給温度を温度Ａとして読み出し、前記温度Ａを制限温度として設定する制限温度設定処理と、
制御装置が、前記供給温度計測処理で計測した供給温度が予め設定された目標温度になるように、前記圧縮機の動作周波数を制御するとともに、前記制限温度設定処理で設定した制限温度に前記供給温度がなると、前記圧縮機を一時停止させる制御処理と
を備えることを特徴とするヒートポンプ装置の制御方法。