JP2015145758A - 空気調和システム - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒートポンプ部と別熱源部とを備えた空気調和システムにおいて、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、一時的に室内温度が低下して快適性が損なわれることを抑える。【解決手段】空気調和システム(1)の制御部(8)は、別熱源部(70)によって室内の暖房を行う別熱源暖房運転からヒートポンプ部(60)によって室内の暖房を行うヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させ、重複暖房終了条件を満たした後に、別熱源暖房運転を終了させる。【選択図】図4

Description

本発明は、空気調和システム、特に、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって室内の暖房を行うヒートポンプ部と、ヒートポンプ部とは別の熱源によって室内の暖房を行う別熱源部とを有する空気調和システムに関する。
従来より、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって室内の暖房を行うヒートポンプ部と、ヒートポンプ部とは別の熱源であるガスファーネスによって室内の暖房を行う別熱源部とを有する空気調和システムがある。そして、このような空気調和システムとして、特許文献1(特開昭64−54160号公報)に示すような、外気温度の低下によって、ヒートポンプ部による暖房運転(以下、「ヒートポンプ暖房運転」とする)を、別熱源部による暖房運転(以下、「別熱源暖房運転」とする)に切り換え、外気温度の上昇によって、別熱源暖房運転をヒートポンプ暖房運転に切り換えるものがある。
上記特許文献1における別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転への切り換え手法では、ヒートポンプ暖房運転の立ち上がりに時間がかかるため、一時的に室内温度が低下して快適性が損なわれるおそれがある。
本発明の課題は、ヒートポンプ部と別熱源部とを備えた空気調和システムにおいて、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、一時的に室内温度が低下して快適性が損なわれることを抑えることにある。
第1の観点にかかる空気調和システムは、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって室内の暖房を行うヒートポンプ部と、ヒートポンプ部とは別の熱源によって室内の暖房を行う別熱源部と、ヒートポンプ部及び別熱源部の動作を制御する制御部と、を有している。そして、ここでは、制御部は、別熱源部によって室内の暖房を行う別熱源暖房運転からヒートポンプ部によって室内の暖房を行うヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させ、重複暖房終了条件を満たした後に、別熱源暖房運転を終了させるようにしている。
ここでは、上記のように、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、別熱源部によってヒートポンプ暖房運転の立ち上がり時の暖房能力不足を補助することができる。
これにより、ここでは、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、一時的に室内温度が低下して快適性が損なわれることを抑えることができる。
第2の観点にかかる空気調和システムは、第1の観点にかかる空気調和システムにおいて、ヒートポンプ部が、冷凍サイクルにおける冷媒の放熱によって空気を加熱する冷媒放熱器を有している。そして、重複暖房終了条件は、冷媒放熱器によって加熱された後の空気の温度が重複暖房終了空気温度以上に達することである。
ヒートポンプ部と別熱源部とを備えた空気調和システムにおいて、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたとき、ヒートポンプ部を構成する冷媒放熱器によって加熱された後の空気の温度が十分に上昇していれば、ヒートポンプ部の暖房能力が十分に大きくなっているもの、すなわち、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がっているものと推測できる。
そこで、ここでは、上記のように、ヒートポンプ部を構成する冷媒放熱器によって加熱された後の空気の温度に基づいて、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを判定するようにしている。
これにより、ここでは、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを適切に判定して、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換えることができる。
第3の観点にかかる空気調和システムは、第1の観点にかかる空気調和システムにおいて、ヒートポンプ部が、冷凍サイクルにおける冷媒の放熱によって空気を加熱する冷媒放熱器を有しており、別熱源部が、ヒートポンプ部とは別の熱源の放熱によって空気を加熱する別熱源放熱器を有している。また、ここでは、空気調和システムが、冷媒放熱器及び別熱源放熱器の両方によって加熱される空気を室内に供給する室内送風機をさらに有している。そして、重複暖房終了条件は、冷媒放熱器及び別熱源放熱器の両方によって加熱された後の空気の温度及び室内送風機によって室内に供給される空気の流量から算出される暖房能力から別熱源部の暖房能力を差し引いた暖房能力が重複暖房終了能力以上に達することである。
ここでは、上記のように、空気調和システムとして、ヒートポンプ部を構成する冷媒放熱器及び別熱源部を構成する別熱源放熱器の両方によって加熱した後の空気を室内に供給する構成を採用している。このため、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたとき、実質的には、別熱源部の暖房能力によって空気の温度が上昇しているだけで、ヒートポンプ部の暖房能力が十分に大きくなっていない場合がある。
そこで、ここでは、上記のように、冷媒放熱器及び別熱源放熱器の両方によって加熱された後の空気の温度及び室内送風機によって室内に供給される空気の流量から算出される暖房能力から別熱源部の暖房能力を差し引いた暖房能力、すなわち、ヒートポンプ部の暖房能力に基づいて、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを判定するようにしている。
これにより、ここでは、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを適切に判定して、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換えることができる。
第4の観点にかかる空気調和システムは、第1の観点にかかる空気調和システムにおいて、ヒートポンプ部が、冷凍サイクルにおける冷媒の放熱によって空気を加熱する冷媒放熱器を有しており、別熱源部が、ヒートポンプ部とは別の熱源の放熱によって空気を加熱する別熱源放熱器を有している。そして、重複暖房終了条件は、冷媒放熱器及び別熱源放熱器の両方によって加熱された後の空気の温度が重複暖房終了空気温度以上に達することである。
ここでは、上記のように、空気調和システムとして、ヒートポンプ部を構成する冷媒放熱器及び別熱源部を構成する別熱源放熱器の両方によって加熱した後の空気を室内に供給する構成を採用している。このため、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたとき、実質的には、別熱源部の暖房能力によって空気の温度が上昇しているだけで、ヒートポンプ部の暖房能力が十分に大きくなっていない場合がある。ここで、別熱源部の暖房能力による空気の温度の上昇分は、別熱源暖房運転を行った場合の別熱源放熱器によって加熱された後の空気の温度から推定することができる。このため、冷媒放熱器及び別熱源放熱器の両方によって加熱された後の空気の温度を知ることができれば、ヒートポンプ暖房運転による空気の温度の上昇分も推定することができる。
そこで、ここでは、上記のように、冷媒放熱器及び別熱源放熱器の両方によって加熱された後の空気の温度に基づいて、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを判定するようにしている。
これにより、ここでは、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを適切に判定して、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換えることができる。
第5の観点にかかる空気調和システムは、第1の観点にかかる空気調和システムにおいて、重複暖房終了条件は、室内温度から目標室内温度を差し引いた温度差が重複暖房終了空気温度差以上に達することである。
ヒートポンプ部と別熱源部とを備えた空気調和システムにおいて、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたとき、室内温度から目標室内温度を差し引いた温度差が十分に大きくなる場合には、ヒートポンプ部の暖房能力と別熱源部の暖房能力との合計の暖房能力が十分に大きくなっているため、ヒートポンプ部の暖房能力も十分に大きくなっているもの、すなわち、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がっているものと推測できる。
そこで、ここでは、室内温度から目標室内温度を差し引いた温度差に基づいて、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを判定するようにしている。
これにより、ここでは、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを適切に判定して、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換えることができる。
第6の観点にかかる空気調和システムは、第1の観点にかかる空気調和システムにおいて、ヒートポンプ部が、冷凍サイクルにおける冷媒の放熱によって空気を加熱する冷媒放熱器を有しており、別熱源部が、ヒートポンプ部とは別の熱源の放熱によって空気を加熱する別熱源放熱器を有している。また、ここでは、空気調和システムが、冷媒放熱器及び別熱源放熱器の両方によって加熱される空気を室内に供給する室内送風機をさらに有している。ここで、別熱源放熱器は、冷媒放熱器よりも風上側に配置されている。そして、重複暖房終了条件は、冷媒放熱器を流れる冷媒の温度が重複暖房終了熱交温度以上に達することである。
ここでは、上記のように、空気調和システムとして、別熱源部を構成する別熱源放熱器によって加熱した空気をさらにヒートポンプ部を構成する冷媒放熱器によって加熱し、その後に室内に供給する構成を採用している。このため、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたとき、別熱源放熱器によって加熱された空気の温度が過度に高くなることで、ヒートポンプ部を構成する冷媒放熱器の温度、ひいてはヒートポンプ部の冷凍サイクルが過度に高温高圧側にシフトしてしまい、ヒートポンプ部の保護が必要になる場合がある。
そこで、ここでは、上記のように、冷媒放熱器を流れる冷媒の温度に基づいて、ヒートポンプ部の保護を図るようにしている。
これにより、ここでは、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、ヒートポンプ部の保護を図りつつ、一時的に室内温度が低下して快適性が損なわれることを抑えることができる。
以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
第1の観点にかかる空気調和システムでは、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、一時的に室内温度が低下して快適性が損なわれることを抑えることができる。
第2〜第5の観点にかかる空気調和システムでは、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを適切に判定して、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換えることができる。
第6の観点にかかる空気調和システムでは、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、ヒートポンプ部の保護を図りつつ、一時的に室内温度が低下して快適性が損なわれることを抑えることができる。
本発明の一実施形態にかかる空気調和システムの配置を示す模式図である。 空気調和システムの概略構成図である。 空気調和システムの制御ブロック図である。 ヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作を示すフローチャートである。 変形例<A>にかかるヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作を示すフローチャートである。 変形例<B>にかかるヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作を示すフローチャートである。 変形例<C>にかかるヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作を示すフローチャートである。 変形例<D>にかかるヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作を示すフローチャートである。 変形例<E>にかかるヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作を示すフローチャートである。 変形例<F>にかかる空気調和システムの概略構成図である。 変形例<G>にかかる空気調和システムの配置を示す模式図である。 変形例<G>にかかる空気調和システムの概略構成図である。 変形例<H>にかかる空気調和システムの配置を示す模式図である。 変形例<H>にかかる空気調和システムの概略構成図である。
以下、本発明にかかる空気調和システムの実施形態について、図面に基づいて説明する。尚、本発明にかかる空気調和システムの実施形態の具体的な構成は、下記の実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
(1)空気調和システムの構成
<全体>
図1は、本発明の一実施形態にかかる空気調和システム1の配置を示す模式図である。図2は、空気調和システム1の概略構成図である。空気調和システム1は、住宅やビルの空調に使用される装置である。ここでは、空気調和システム1は、2階建て構造の住宅100に設置されている。住宅100には、1階に部屋101、102が設けられ、2階に部屋103、104が設けられている。また、住宅100には、地下室105が設けられている。
空気調和システム1は、いわゆるダクト式の空気調和システムである。空気調和システム1は、主として、室外ユニット2と、利用ユニット3と、室外ユニット2と利用ユニット3とを接続する冷媒連絡管6、7と、利用ユニット3で空調された空気を部屋101〜104に送るダクト9と、を有している。ダクト9は、部屋101〜104に分岐されて、各部屋101〜104の通風口101a〜104aに接続されている。
ここで、室外ユニット2、利用ユニット3の一部である室内ユニット4、及び、冷媒連絡管6、7は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって室内の暖房を行うヒートポンプ部60を構成している。また、利用ユニット3の一部であるガスファーネスユニット5は、ヒートポンプ部60とは別の熱源(ここでは、ガス燃焼による熱)によって室内の暖房を行う別熱源部70を構成している。このように、ここでは、利用ユニット3は、ヒートポンプ部60を構成する室内ユニット4、及び、別熱源部70を構成するガスファーネスユニット5の両方を有している。また、利用ユニット3は、利用ユニット3の筐体30内に部屋101〜104内の空気を取り込んで、ヒートポンプ部60(室内ユニット4)や別熱源部70(ガスファーネスユニット5)で空調された空気を部屋101〜104内に供給するための室内送風機40も有している。また、利用ユニット3には、筐体30の空気出口31における空気の温度である吹出空気温度Trdを検出する吹出空気温度センサ33と、筐体30の空気入口32における空気の温度である室内温度Trを検出する室内温度センサ34とが設けられている。尚、室内温度センサ34は、利用ユニット3ではなく、部屋101〜104内に設けられていてもよい。
<ヒートポンプ部>
ヒートポンプ部60は、上記のように、室外ユニット2、利用ユニット3の一部である室内ユニット4、及び、冷媒連絡管6、7によって構成されている。ここで、室外ユニット2と室内ユニット4とは、冷媒連絡管6、7を介して接続されている。すなわち、ヒートポンプ部60は、冷媒回路20は、室外ユニット2と、室内ユニット4とが冷媒連絡管6、7を介して接続されることによって構成されている。ここで、冷媒連絡管6、7は、空気調和システム1を設置する際に、現地にて施工される冷媒管である。
室内ユニット4は、ここでは、住宅100の地下室105に設置された利用ユニット3の筐体30内に設けられている。室内ユニット4は、冷媒連絡管6、7を介して室外ユニット2に接続されており、冷媒回路20の一部を構成している。室内ユニット4は、主として、冷凍サイクルにおける冷媒の放熱によって空気を加熱する冷媒放熱器としての室内熱交換器42を有している。ここでは、室内熱交換器42は、利用ユニット3の筐体30に形成された空気入口32から空気出口31までの通風路内の最も風下側に配置されている。また、室内ユニット4には、室内熱交換器42を流れる冷媒の温度Thxを検出する室内熱交温度センサ35が設けられている。
室外ユニット2は、住宅100の屋外に設置されている。室外ユニット2は、冷媒連絡管6、7を介して室内ユニット4に接続されており、冷媒回路20の一部を構成している。室外ユニット2は、主として、圧縮機21と、室外熱交換器23と、室外膨張弁24とを有している。圧縮機21は、ケーシング内に図示しない圧縮要素及び圧縮要素を回転駆動する圧縮機モータ22が収容された密閉型圧縮機である。圧縮機モータ22は、図示しないインバータ装置を介して電力が供給されるようになっており、インバータ装置の周波数(すなわち、回転数)を変化させることによって、運転容量を可変することが可能になっている。室外熱交換器23は、室外空気によって冷凍サイクルにおける冷媒を蒸発させる冷媒蒸発器として機能する熱交換器である。室外熱交換器23の近傍には、室外熱交換器23に室外空気を送るための室外ファン25が設けられている。室外ファン25は、室外ファンモータ26によって回転駆動されるようになっている。室外膨張弁24は、冷媒回路20を循環する冷媒を減圧して冷媒放熱器としての室内熱交換器42を流れる冷媒の流量を調節する弁である。ここで、室外膨張弁24は、室外熱交換器23の液側に接続された電動膨張弁である。また、室外ユニット2には、室外ユニット2が配置される住宅100の屋外の室外空気の温度、すなわち、外気温度Taを検出する室外温度センサ27が設けられている。また、室外ユニット2は、室外ユニット2を構成する各部の動作を制御する室外側制御部28を有している。そして、室外側制御部28は、室外ユニット2の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータ、メモリや圧縮機モータ22を制御するインバータ装置等を有しており、利用ユニット3の利用側制御部38との間で制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。
<別熱源部>
別熱源部70は、上記のように、利用ユニット3の一部であるガスファーネスユニット5によって構成されている。
ガスファーネスユニット5は、ここでは、住宅100の地下室105に設置された利用ユニット3の筐体30内に設けられている。ここでは、ガスファーネスユニット5は、ガス燃焼式暖房装置であり、主として、燃料ガス弁51と、ファーネスファン52と、燃焼部54と、ファーネス熱交換器55と、給気管56と、排気管57とを有している。燃料ガス弁51は、開閉制御が可能な電磁弁等からなり、筐体30外から燃焼部54まで延びる燃料ガス供給管58に設けられている。ここで、燃料ガスとしては、天然ガスや石油ガス等が使用される。ファーネスファン52は、給気管55を通じて燃焼部54に空気を取り込んで、その後、ファーネス熱交換器55に空気を送り、排気管57から排出するという空気の流れを生成するファンである。ファーネスファン52は、ファーネスファンモータ53によって回転駆動されるようになっている。燃焼部54は、ガスバーナ等(図示せず)によって燃料ガスと空気との混合ガスを燃焼させて高温の燃焼ガスを得る機器である。ファーネス熱交換器55は、燃焼部54で得られた燃焼ガスの放熱によって空気を加熱する熱交換器であり、ヒートポンプ部60とは別の熱源(ここでは、ガス燃焼による熱)の放熱によって空気を加熱する別熱源放熱器として機能するものである。ここでは、ファーネス熱交換器55は、利用ユニット3の筐体30に形成された空気入口32から空気出口31までの通風路内において、冷媒放熱器としての室内熱交換器42よりも風上側に配置されている。
<室内送風機>
室内送風機40は、上記のように、ヒートポンプ部60を構成する冷媒放熱器としての室内熱交換器42や別熱源部70を構成する別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55によって加熱される空気を部屋101〜104内に供給するための送風機である。ここでは、室内送風機40は、利用ユニット3の筐体30に形成された空気入口32から空気出口31までの通風路内において、室内熱交換器42及びファーネス熱交換器55の両方よりも風上側に配置されている。室内送風機40は、室内ファン43と、室内ファン43を回転駆動する室内ファンモータ44とを有している。
<制御部>
利用ユニット3は、利用ユニット3を構成する各部(室内ユニット4、ガスファーネスユニット5、及び、室内送風機40)の動作を制御する利用側制御部38を有している。そして、利用側制御部38は、利用ユニット3の制御を行うために設けられたマイクロコンピュータやメモリ等を有しており、室外ユニット2との間で制御信号等のやりとりを行うことができるようになっている。
そして、利用ユニット3の利用側制御部38と、室外ユニット2の室外側制御部28とは、図2に示すように、空気調和システム1全体の運転制御を行う制御部8を構成している。制御部8は、図3に示されるように、各種センサ27、33、34、35等の検出信号を受けることができるように接続されている。そして、制御部8は、これらの検出信号等に基づいて各種機器及び弁22、24、26、44、51、53を制御すること、すなわち、ヒートポンプ部60及び別熱源部70の動作を制御することによって、空調運転(暖房運転)を行うように構成されている。ここでは、制御部8は、ヒートポンプ部60によって部屋101〜104内の暖房を行うヒートポンプ暖房運転と、別熱源部70によって部屋101〜104内の暖房を行う別熱源暖房運転と、を適宜切り換えて行いつつ、部屋101〜104内の室内温度Trが目標室内温度Trsになるように制御する。ここで、図3は、空気調和システム1の制御ブロック図である。
(2)空気調和システムの基本動作
次に、空気調和システム1の空調運転(暖房運転)の基本動作について、図1〜図3を用いて説明する。上記のように、空気調和システム1の暖房運転には、上記のように、ヒートポンプ部60によって室内の暖房を行うヒートポンプ暖房運転と、別熱源部70によって室内の暖房を行う別熱源暖房運転と、がある。
<ヒートポンプ暖房運転>
ヒートポンプ暖房運転においては、冷媒回路20内の冷媒が圧縮機21に吸入されて圧縮されて高圧のガス冷媒となる。この高圧のガス冷媒は、ガス冷媒連絡管7を経由して、室外ユニット2から利用ユニット3の室内ユニット4に送られる。
利用ユニット3の室内ユニット4に送られた高圧のガス冷媒は、冷媒放熱器としての室内熱交換器42に送られる。室内熱交換器42に送られた高圧のガス冷媒は、室内熱交換器42において、室内送風機40によって供給される室内空気F1(F2)と熱交換を行って冷却されることによって凝縮して、高圧の液冷媒となる。この高圧の液冷媒は、液冷媒連絡管6を経由して、利用ユニット3の室内ユニット4から室外ユニット2に送られる。一方、室内熱交換器42において加熱された室内空気F3は、ダクト9を通じて利用ユニット3から各部屋101〜104に送られて、暖房が行われる。
室外ユニット2に送られた高圧の液冷媒は、室外膨張弁24に送られ、室外膨張弁24によって減圧されて、低圧の気液二相状態の冷媒となる。この低圧の気液二相状態の冷媒は、冷媒蒸発器としての室外熱交換器23に送られる。室外熱交換器23に送られた低圧の気液二相状態の冷媒は、室外熱交換器23において、室外ファン25によって供給される室外空気と熱交換を行って加熱されることによって蒸発して、低圧のガス冷媒となる。この低圧のガス冷媒は、再び、圧縮機21に吸入される。
そして、上記のヒートポンプ暖房運転において、制御部8は、圧縮機21の運転容量Grを制御することによって、また、室外膨張弁24の開度MVを制御することによって、部屋101〜104内の室内温度Trが目標室内温度Trsになるように制御している。具体的には、室内温度Trから目標室内温度Trsを差し引いた温度差ΔTrが大きい場合には、圧縮機21の運転容量Gr(例えば、圧縮機モータ22の回転数)を大きくし、室外膨張弁24の開度MVを大きくする。具体的には、制御部8は、室内温度Trから目標室内温度Trsを差し引いた室内温度差ΔTrが大きくなると、圧縮機21の運転容量Grを大きくし、室外膨張弁24の開度MVを大きくし、室内温度差ΔTrが小さくなると、圧縮機21の運転容量Grを小さくし、室外膨張弁24の開度MVを小さくする制御を行う。
<別熱源暖房運転>
別熱源暖房運転においては、燃料ガス弁51を開けることによって燃焼部54に燃料ガスを供給し、ファーネスファン52によって給気管56を経由して利用ユニット3のガスファーネスユニット5に取り込まれる空気と燃焼部54内で混合し着火することで燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成させる。
燃焼部54内で生成した高温の燃焼ガスは、別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55に送られる。ファーネス熱交換器55に送られた高温の燃焼ガスは、ファーネス熱交換器55において、室内送風機40によって供給される室内空気F1と熱交換を行って冷却され、低温の燃焼ガスとなる。この低温の燃焼ガスは、排気管57を経由して利用ユニット3のガスファーネスユニット5から排出される。一方、ファーネス熱交換器55において加熱された室内空気F2(F3)は、ダクト9を通じて利用ユニット3から各部屋101〜104に送られて、暖房が行われる。
そして、上記の別熱源暖房運転において、制御部8は、燃料ガス弁51を開閉制御することによって、部屋101〜104内の室内温度Trが目標室内温度Trsになるように制御している。具体的には、制御部8は、室内温度Trから目標室内温度Trsを差し引いた室内温度差ΔTrが大きくなると、燃料ガス弁51を開け、室内温度差ΔTrが小さくなると、燃料ガス弁51を閉止する制御を行う。
(3)ヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作
<基本の切り換え動作>
空気調和システム1では、外気温度Taが非常に低い場合にヒートポンプ暖房運転では室内(ここでは、部屋101〜104)の空調負荷(暖房負荷)をカバーできない場合があるため、外気温度Taの低下によって、ヒートポンプ暖房運転を、別熱源暖房運転に切り換え、外気温度Taの上昇によって、別熱源暖房運転をヒートポンプ暖房運転に切り換える動作を行う必要がある。
そこで、ここでは、基本の切り換え動作として、ヒートポンプ暖房運転を行っている際に、外気温度Taが第1切換外気温度Tas1に達する第1切換条件を満たす場合に、ヒートポンプ暖房運転から別熱源暖房運転に切り換えるようにし、別熱源暖房運転を行っている際に、外気温度Taが第2切換外気温度Tas2に達する第2切換条件を満たす場合に、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換えるようにしている。
次に、基本の切り換え動作について、図1〜図4を用いて説明する。ここで、図4は、ヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作を示すフローチャートである。尚、ヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作は、制御部8によって行われる。
具体的には、まず、空気調和システム1の運転が開始すると、ステップST1のヒートポンプ暖房運転を行う。そして、ステップST1のヒートポンプ暖房運転時においては、ステップST2の第1切換条件を満たすかどうかの判定を行う。この第1切換条件は、ヒートポンプ暖房運転から別熱源暖房運転への切り換えを行うかどうかの判定条件である。尚、ここでは、ヒートポンプ暖房運転時における外気温度Taが第1切換外気温度Tas1以下に達することに加えて、切り換えのタイミングを適切なものとして快適性及び省エネ性を向上させることができるようにするために、ヒートポンプ部60による暖房能力が上限に達することも判定条件としている。すなわち、ここでは、外気温度Taが第1切換外気温度Tas1に達し、かつ、ヒートポンプ部60による暖房能力が上限に達することを第1切換条件としている。ここで、ヒートポンプ部60による暖房能力が上限に達しているかどうかは、室内温度Trやヒートポンプ部60を構成する機器(ここでは、圧縮機21や室外膨張弁24)の運転容量に基づいて判定される。尚、第1切換条件は、外気温度Taの条件だけであってもよい。
そして、ステップST2において、第1切換条件を満たすと判定された場合には、ステップST3の処理に移行、すなわち、ヒートポンプ暖房運転から別熱源暖房運転に切り換える。一方、ステップST2において、第1切換条件を満たさないと判定された場合には、ステップST1のヒートポンプ暖房運転を継続する。
次に、ステップST3の別熱源暖房運転時においては、ステップST4の第2切換条件を満たすかどうかの判定を行う。この第2切換条件は、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転への切り換えを行うかどうかの判定条件である。ここでは、別熱源暖房運転時における外気温度Taが第2切換外気温度Tas2以上に達することである。
そして、ステップST4において、第2切換条件を満たすと判定された場合には、後述の別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させる動作(ステップST5、ST6)を経て、ステップST1の処理に移行、すなわち、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える。一方、ステップST4において、第2切換条件を満たさないと判定された場合には、ステップST3の別熱源暖房運転を継続する。
<別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際の詳細な動作>
上記の基本の切り換え動作では、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、ヒートポンプ暖房運転の立ち上がりに時間がかかるため、一時的に室内温度Trが低下して快適性が損なわれるおそれがある。
そこで、ここでは、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、一時的に室内温度が低下して快適性が損なわれることを抑えるために、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させ、重複暖房終了条件を満たした後に、別熱源暖房運転を終了させるようにしている。
次に、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際の詳細な動作について説明する。
具体的には、まず、ステップST4において、第2切換条件を満たすと判定された場合には、ステップST5の処理に移行して、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させる。これにより、別熱源部70によってヒートポンプ暖房運転の立ち上がり時の暖房能力不足を補助することができる。そして、ステップST5の別熱源暖房運転を伴うヒートポンプ暖房運転時においては、ステップST6の重複暖房終了条件を満たすかどうかの判定と、ステップST7の第1切換条件を満たすかどうかの判定とを行う。
ここで、ステップST7の第1切換条件を満たすかどうかの判定は、ステップST2の第1切換条件を満たすかどうかの判定と同じ判定内容であり、ステップST5の別熱源暖房運転を伴うヒートポンプ暖房運転時に第1切換条件を満たすと判定された場合には、ステップST3の処理に移行、すなわち、ステップST1のヒートポンプ暖房運転に移行せずに、別熱源暖房運転に戻り、再度、ステップST4の第2切換条件を満たすかどうかの判定が行われる。
一方、ステップST6の重複暖房終了条件は、別熱源暖房運転を終了させるかどうか、すなわち、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかの判定条件である。ここでは、冷媒放熱器としての室内熱交換器42によって加熱された後の空気の温度Trdが重複暖房終了空気温度Trds1以上に達することを重複暖房終了条件としている。ここで、この条件を採用したのは、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたとき、ヒートポンプ部60を構成する冷媒放熱器としての室内熱交換器42によって加熱された後の空気の温度Trdが十分に上昇していれば、ヒートポンプ部60の暖房能力Qaが十分に大きくなっているもの、すなわち、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がっているものと推測できるからである。
このように、ここでは、ヒートポンプ部60を構成する冷媒放熱器としての室内熱交換器42によって加熱された後の空気の温度Trdに基づいて、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを判定するようにしている。
そして、ステップST6において、重複暖房終了条件を満たすと判定された場合には、ステップST1の処理に移行、すなわち、ヒートポンプ暖房運転に移行する。
これにより、ここでは、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、一時的に室内温度Trが低下して快適性が損なわれることを抑えることができる。また、ここでは、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを適切に判定して、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換えることができる。
(4)変形例
<A>
上記実施形態におけるステップST6の重複暖房終了条件は、上記実施形態のものに限定されるものではない。
例えば、図5に示すように、制御部8が、ステップST6において、冷媒放熱器としての室内熱交換器42及び別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55の両方によって加熱された後の空気の温度Trd及び室内送風機40によって室内に供給される空気の流量Gaから算出される暖房能力Qtから別熱源部70の暖房能力Qgを差し引いた暖房能力Qaが重複暖房終了能力Qas1以上に達することを重複暖房終了条件としてもよい。ここで、この条件を採用したのは、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたとき、実質的には、別熱源部70の暖房能力Qgによって空気の温度Trdが上昇しているだけで、ヒートポンプ部60の暖房能力Qaが十分に大きくなっていない場合があるからである。ここでは、冷媒放熱器としての室内熱交換器42及び別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55の両方によって加熱された後の空気の温度Trdから冷媒放熱器としての室内熱交換器42及び別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55の両方によって加熱される前の室内空気の温度Trを差し引き、これにより得られた温度差に、室内送風機40の室内ファンモータ44の回転数等から算出した室内空気の流量Gaを乗算することによって、室内熱交換器42及びファーネス熱交換器55の両方における交換熱量(すなわち、ヒートポンプ部60及び別熱源部70の合計の暖房能力Qt)を算出する。そして、別熱源部70の暖房能力Qgが一定の暖房能力であると仮定して、暖房能力Qtから別熱源部70の暖房能力Qgを差し引くことで、ヒートポンプ部60の暖房能力Qaを算出し、この暖房能力Qaが重複暖房終了能力Qas1以上に達しているかどうかを判定する。
このように、ここでは、冷媒放熱器としての室内熱交換器42及び別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55の両方によって加熱された後の空気の温度Trd及び室内送風機40によって室内に供給される空気の流量Gaから算出される暖房能力Qtから別熱源部70の暖房能力Qgを差し引いた暖房能力Qa、すなわち、ヒートポンプ部60の暖房能力Qaに基づいて、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを判定するようにしている。そして、この判定方法でも、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを適切に判定して、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換えることができる。
<B>
上記実施形態におけるステップST6の重複暖房終了条件は、上記実施形態やその変形例のものに限定されるものではない。
例えば、図6に示すように、制御部8が、ステップST3の別熱源暖房運転時に、別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55によって加熱された後の空気の温度Trdmを記憶して、この空気の温度Trdmから別熱源部70の暖房能力Qgによる空気の温度の上昇分ΔTgを推定する。そして、ステップST6において、この空気の温度の上昇分ΔTgを考慮して重複暖房終了空気温度Trds2を決定し、冷媒放熱器としての室内熱交換器42及び別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55の両方によって加熱された後の空気の温度Trdがこの重複暖房終了空気温度Trds2以上に達することを重複暖房終了条件としてもよい。ここで、この条件を採用したのは、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたとき、実質的には、別熱源部70の暖房能力Qgによって空気の温度Trdが上昇しているだけで、ヒートポンプ部60の暖房能力Qaが十分に大きくなっていない場合があるからである。ここで、別熱源部70の暖房能力Qgによる空気の温度Trdの上昇分ΔTgは、上記のように、別熱源暖房運転を行った場合の別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55によって加熱された後の空気の温度(ここでは、温度Trdm)から推定することができる。このため、冷媒放熱器としての室内熱交換器42及び別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55の両方によって加熱された後の空気の温度Trdを知ることができれば、ヒートポンプ暖房運転による空気の温度の上昇分も推定することができる。
このように、ここでは、冷媒放熱器としての室内熱交換器42及び別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55の両方によって加熱された後の空気の温度Trdに基づいて、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを判定するようにしている。より具体的には、別熱源暖房運転を行った場合の別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55によって加熱された後の空気の温度Trdmと、冷媒放熱器としての室内熱交換器42及び別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55の両方によって加熱された後の空気の温度Trdとに基づいて、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを判定するようにしている。そして、この判定方法でも、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを適切に判定して、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換えることができる。
<C>
上記実施形態におけるステップST6の重複暖房終了条件は、上記実施形態やその変形例のものに限定されるものではない。
例えば、図7に示すように、制御部8が、ステップST6において、室内温度Trから目標室内温度Trsを差し引いた温度差ΔTrが重複暖房終了空気温度差ΔTrs1以上に達することを重複暖房終了条件としてもよい。ここで、この条件を採用したのは、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたとき、室内温度Trから目標室内温度Trsを差し引いた温度差ΔTrsが十分に大きくなる場合には、ヒートポンプ部60の暖房能力Qaと別熱源部70の暖房能力Qgとの合計の暖房能力Qtが十分に大きくなっているため、ヒートポンプ部60の暖房能力Qaも十分に大きくなっているもの、すなわち、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がっているものと推測できるからである。
このように、ここでは、室内温度Trから目標室内温度Trsを差し引いた温度差ΔTrsに基づいて、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを判定するようにしている。そして、この判定方法でも、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを適切に判定して、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換えることができる。
また、この温度差ΔTrに基づく重複暖房終了条件は、上記実施形態やその変形例A、Bにおけるヒートポンプ部60を構成する冷媒放熱器としての室内熱交換器42によって加熱された後の空気の温度Trdやヒートポンプ部60の暖房能力Qa、冷媒放熱器としての室内熱交換器42及び別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55の両方によって加熱された後の空気の温度Trdに基づく重複暖房終了条件と併用してもよい。
<D>
上記実施形態やその変形例では、空気調和システム1として、別熱源部70を構成する別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55によって加熱した空気をさらにヒートポンプ部60を構成する冷媒放熱器としての室内熱交換器42によって加熱し、その後に室内に供給する構成を採用している。このため、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたとき、別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55によって加熱された空気の温度が過度に高くなることで、ヒートポンプ部60を構成する冷媒放熱器としての室内熱交換器42の温度Thx、ひいてはヒートポンプ部60の冷凍サイクルが過度に高温高圧側にシフトしてしまい、ヒートポンプ部60の保護が必要になる場合がある。
そこで、ここでは、図8に示すように、制御部8が、冷媒放熱器としての室内熱交換器42を流れる冷媒の温度Thxが重複暖房終了熱交温度Thxs1以上に達することを重複暖房終了条件としている。尚、図8においては、上記実施形態のヒートポンプ部60を構成する冷媒放熱器としての室内熱交換器42によって加熱された後の空気の温度Trdに基づく重複暖房終了条件と併用した例を示しているが、変形例A〜Cの重複暖房終了条件と併用してもよい。
このように、ここでは、冷媒放熱器としての室内熱交換器42を流れる冷媒の温度Thxに基づいて、ヒートポンプ部60の保護を図るようにしている。
これにより、ここでは、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、ヒートポンプ部60の保護を図りつつ、一時的に室内温度Trが低下して快適性が損なわれることを抑えることができる。
<E>
上記実施形態におけるステップST6の重複暖房終了条件は、上記実施形態やその変形例のものに限定されるものではない。
例えば、図9に示すように、制御部8が、ステップST6において、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたときからの時間tが重複暖房終了時間ts1に達することを重複暖房終了条件としてもよい。そして、この判定方法でも、ヒートポンプ暖房運転が立ち上がったかどうかを適切に判定して、別熱源暖房運転からヒートポンプ暖房運転に切り換えることができる。
また、別熱源暖房運転を継続させた状態でヒートポンプ暖房運転を開始させたときからの時間tに基づく重複暖房終了条件は、上記実施形態やその変形例A〜Dにおけるヒートポンプ部60を構成する冷媒放熱器としての室内熱交換器42によって加熱された後の空気の温度Trdやヒートポンプ部60の暖房能力Qa、冷媒放熱器としての室内熱交換器42及び別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55の両方によって加熱された後の空気の温度Trd、ヒートポンプ部60を構成する冷媒放熱器としての室内熱交換器42の温度Thxに基づく重複暖房終了条件と併用してもよい。
<F>
上記実施形態やその変形例では、利用ユニット3において、別熱源部70を構成するガスファーネスユニット5(すなわち、別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55)をヒートポンプ部60を構成する室内ユニット4(すなわち、冷媒放熱器としての室内熱交換器42)の風上側に配置しているが、これに限定されるものではない。
例えば、図10に示すように、別熱源部70としてのガスファーネスユニット5(すなわち、別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55)をヒートポンプ部60としての室内ユニット4(すなわち、冷媒放熱器としての室内熱交換器42)の風下側に配置してもよい。
このような構成においても、変形例Dを除いた上記実施形態やその変形例A〜C、Eと同様のヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作を行うことができる。但し、ステップST6において、ヒートポンプ部60を構成する冷媒放熱器としての室内熱交換器42によって加熱された後の空気の温度Trdに基づく重複暖房終了条件を採用する場合には、冷媒放熱器としての室内熱交換器42と別熱源放熱器としてのファーネス熱交換器55との間に温度センサ36を設ける必要がある。
<G>
上記実施形態やその変形例では、別熱源部70を構成するガスファーネスユニット5とヒートポンプ部60を構成する室内ユニット4とが一体の利用ユニット3として構成されているが、これに限定されるものではない。
例えば、図11及び図12に示すように、別熱源部70を構成するガスファーネスユニット5とヒートポンプ部60を構成する室内ユニット4とが別置きになっていてもよい。但し、この場合には、上記実施形態やその変形例でガスファーネスユニット5及び室内ユニット4の両方に共通に設けられていた室内送風機40等の各種機器やセンサを、ガスファーネスユニット5及び室内ユニット4の両方に設ける必要がある。
このような構成においても、変形例A、B、Dを除いた上記実施形態やその変形例C、Eと同様のヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作を行うことができる。
<H>
上記実施形態やその変形例では、室外ユニット2に対して利用ユニット3(室内ユニット4)が1台接続された構成であるが、これに限定されるものではない。
例えば、図13及び図14に示すように、室外ユニット2に対して複数台(ここでは、2台)の利用ユニット3(室内ユニット4)が冷媒連絡管6、7を介して接続された構成にして、一方の利用ユニット3を部屋103、104の空調に使用し、他方の利用ユニット3を部屋101、102の空調に使用してもよい。尚、図14では、一方の利用ユニット3の詳細を図示し、他方の利用ユニット3については、ヒートポンプ部60を構成する冷媒放熱器としての室内熱交換器42のみを図示している。また、室外ユニット2に対して複数台の利用ユニット3を接続する構成を採用する場合には、地下室105ではなく、空調に使用される部屋又はその近傍に対応する利用ユニット3を設けるようにしてもよい。また、各部屋101〜104に対応する利用ユニット3を設ける場合には、ダクト式ではなく、各部屋101〜104に床置き設置や壁掛け設置、天井設置などの型式の利用ユニット3を設けるようにしてもよい。また、各部屋101〜104に利用ユニット3を設ける場合にも、変形例Eと同様に、各部屋別熱源部70を構成するガスファーネスユニット5とヒートポンプ部60を構成する室内ユニット4とを別置きで設けてもよい。
このような構成においても、上記実施形態やその変形例A〜Eと同様のヒートポンプ暖房運転と別熱源暖房運転との切り換え動作を行うことができる。
<I>
上記実施形態やその変形例では、ヒートポンプ部60が暖房専用の冷媒回路20を有しているが、冷媒回路20に四路切換弁等を設けて冷媒の循環方向を切り換えることができるようにして、冷房運転も可能な構成にしてもよい。
<J>
上記実施形態やその変形例では、別熱源部70として燃料ガスの燃焼を熱源とするガスファーネスユニット5を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、温水ボイラや電気ヒータなどのように、ヒートポンプ部60とは別の熱源であればどのようなものでも別熱源部70として採用可能である。
本発明は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって室内の暖房を行うヒートポンプ部と、ヒートポンプ部とは別の熱源によって室内の暖房を行う別熱源部とを有する空気調和システムに対して、広く適用可能である。
1 空気調和システム
8 制御部
40 室内送風機
42 室内熱交換器(冷媒放熱器)
55 ファーネス熱交換器(別熱源放熱器)
60 ヒートポンプ部
70 別熱源部
特開昭64−54160号公報

Claims (6)

  1. 蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって室内の暖房を行うヒートポンプ部(60)と、
    前記ヒートポンプ部とは別の熱源によって室内の暖房を行う別熱源部(70)と、
    前記ヒートポンプ部及び前記別熱源部の動作を制御する制御部(8)と、
    を備えており、
    前記制御部は、前記別熱源部によって室内の暖房を行う別熱源暖房運転から前記ヒートポンプ部によって室内の暖房を行うヒートポンプ暖房運転に切り換える際に、前記別熱源暖房運転を継続させた状態で前記ヒートポンプ暖房運転を開始させ、重複暖房終了条件を満たした後に、前記別熱源暖房運転を終了させる、
    空気調和システム(1)。
  2. 前記ヒートポンプ部(60)は、前記冷凍サイクルにおける冷媒の放熱によって空気を加熱する冷媒放熱器(42)を有しており、
    前記重複暖房終了条件は、前記冷媒放熱器によって加熱された後の空気の温度が重複暖房終了空気温度以上に達することである、
    請求項1に記載の空気調和システム(1)。
  3. 前記ヒートポンプ部(60)は、前記冷凍サイクルにおける冷媒の放熱によって空気を加熱する冷媒放熱器(42)を有しており、
    前記別熱源部(70)は、前記ヒートポンプ部とは別の熱源の放熱によって空気を加熱する別熱源放熱器(55)を有しており、
    前記冷媒放熱器及び別熱源放熱器の両方によって加熱される空気を室内に供給する室内送風機(40)をさらに備えており、
    前記重複暖房終了条件は、前記冷媒放熱器及び前記別熱源放熱器の両方によって加熱された後の空気の温度及び前記室内送風機によって室内に供給される空気の流量から算出される暖房能力から前記別熱源部の暖房能力を差し引いた暖房能力が重複暖房終了能力以上に達することである、
    請求項1に記載の空気調和システム(1)。
  4. 前記ヒートポンプ部(60)は、前記冷凍サイクルにおける冷媒の放熱によって空気を加熱する冷媒放熱器(42)を有しており、
    前記別熱源部(70)は、前記ヒートポンプ部とは別の熱源の放熱によって空気を加熱する別熱源放熱器(55)を有しており、
    前記重複暖房終了条件は、前記冷媒放熱器及び前記別熱源放熱器の両方によって加熱された後の空気の温度が重複暖房終了空気温度以上に達することである、
    請求項1に記載の空気調和システム(1)。
  5. 前記重複暖房終了条件は、室内温度から目標室内温度を差し引いた温度差が重複暖房終了空気温度差以上に達することである、
    請求項1に記載の空気調和システム(1)。
  6. 前記ヒートポンプ部(60)は、前記冷凍サイクルにおける冷媒の放熱によって空気を加熱する冷媒放熱器(42)を有しており、
    前記別熱源部(70)は、前記ヒートポンプ部とは別の熱源の放熱によって空気を加熱する別熱源放熱器(55)を有しており、
    前記冷媒放熱器及び前記別熱源放熱器の両方によって加熱される空気を室内に供給する室内送風機(40)をさらに備えており、
    前記別熱源放熱器は、前記冷媒放熱器よりも風上側に配置されており、
    前記重複暖房終了条件は、前記冷媒放熱器を流れる冷媒の温度が重複暖房終了熱交温度以上に達することである、
    請求項1に記載の空気調和システム(1)。
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