JP2015148427A - ヒートポンプ式暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ式暖房装置において、運転開始時に熱媒が暖房端末全体に行き渡る時間を短縮して暖房感の向上を図る。【解決手段】運転開始時に暖房端末に供給する往き熱媒の温度の設定温度Ｔ４以上のとき、熱媒循環流量の下限値（設定温度に見合った循環流量値）を設定し、熱媒循環流量が設定した下限値を下回らないように循環ポンプを駆動制御する。その後、低元側圧縮機から吐出される低元側吐出冷媒温度がＴ６に達するか運転開始から所定時間ｔが経過するかのどちらか一方の条件が満たされたときに、熱媒循環流量の下限値の設定を解除し、運転開始時の設定往き熱媒温度に応じた熱媒循環流量となるよう循環ポンプを駆動制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプ式暖房装置に関し、特に、二元圧縮型ヒートポンプユニットを用いたヒートポンプ式暖房装置における運転開始時の暖房感を向上させる技術に関する。

二元圧縮型のヒートポンプユニットを備えたヒートポンプ式暖房装置として、例えば特許文献１に記載されたヒートポンプ式暖房装置がある。このヒートポンプ式暖房装置は、冷媒が循環する冷媒配管に、圧縮機、熱交換器、カスケード熱交換器の凝縮部、膨張弁及び蒸発器を順に介装した低元側冷凍回路と、冷媒が循環する冷媒配管に、圧縮機、熱交換器、膨張弁及びカスケード熱交換器の蒸発部を順に介装した高元側冷凍回路と、を備えた二元圧縮型ヒートポンプユニットと、循環ポンプを用いて熱媒（例えば温水）を暖房端末（例えば住宅の各部屋等に設置するパネルヒータや床下に通したパイプに温水を流す床暖房ユニット等）に循環供給する暖房ユニットと、を備えて構成されている。二元圧縮型ヒートポンプユニットを用いることで、暖房端末に供給する熱媒温度を、一元型ヒートポンプを用いた場合（例えば５０℃）よりも高く（例えば６５℃）設定することが可能になる。

特開２０１２−９７９９３号公報

ところで、特許文献１に記載された二元圧縮型のヒートポンプユニットを備えたヒートポンプ式暖房装置の場合、暖房端末に供給する熱媒の温度を調節する場合、熱媒循環流量を一定に制御した状態で低元側冷凍回路の圧縮機から吐出される冷媒温度を調節する方法や、暖房ユニットの熱媒循環流量を調節する方法が考えられる。前者の方法は、冷媒温度が安定化するまでに時間を要すると共に、冷媒の温度制御が難しいという問題がある。一方、後者の方法は、暖房端末に供給する熱媒の設定温度が高い程、熱媒の循環流量を少なくするよう循環ポンプの回転数を制御すればよく、前者に比べて熱媒の温度調節が容易にできる。

しかしながら、熱媒循環流量を調整して熱媒温度を調節する場合、熱媒の温度を高く（例えば最高設定温度）設定した状態で暖房運転を開始すると、熱媒の循環流量が少ないために、例えば住宅内に複数のパネルヒータが設置されているような場合、全てのパネルヒータ（暖房端末）に熱媒（温水）が行き渡るまでに時間がかかり、暖房感が損なわれるという問題がある。

本発明は上記問題点に着目してなされたもので、暖房端末に供給する熱媒の設定温度を高く設定して運転を開始しても、暖房感が損なわれることのないヒートポンプ式暖房装置を提供することを目的とする。

このため、本発明のヒートポンプ式暖房装置は、循環ポンプにより暖房端末に熱媒を循環供給する暖房ユニットと、冷媒を、低元側圧縮機、低元側熱媒−冷媒熱交換器、カスケード熱交換器、低元側膨張弁及び低元側蒸発器を順に循環させて前記低元側熱媒−冷媒熱交換器で前記熱媒と熱交換させる低元側冷凍回路と、冷媒を、高元側圧縮機、高元側熱媒−冷媒熱交換器、高元側膨張弁及び前記カスケード熱交換器を順に循環させて前記高元側熱媒−冷媒熱交換器で前記熱媒と熱交換させる高元側冷凍回路と、を備えた二元圧縮型ヒートポンプユニットと、前記暖房端末に流入する熱媒の設定温度に応じて前記循環ポンプによる熱媒循環流量を制御する制御ユニットと、を備えたヒートポンプ式暖房装置であって、前記制御ユニットは、運転開始時の前記設定温度が所定温度以上のとき、運転開始から所定期間が経過するまでは前記熱媒循環流量の下限値を設定し、前記熱媒循環流量が前記下限値を下回らないように前記循環ポンプを駆動制御することを特徴とする。

本発明のヒートポンプ式暖房装置によれば、運転開始時に暖房端末に供給する熱媒の設定温度が所定温度以上のときは、運転開始から所定期間が経過するまでは熱媒循環流量の下限値を設定して熱媒循環流量が下限値を下回らないように循環ポンプを駆動制御するので、熱媒の１循環当たりの時間を短縮できる。従って、運転を開始してから住宅内に設置された暖房端末全体に熱媒が行き渡るまでの時間を短縮でき、運転開始時の暖房感を向上できる。

本発明のヒートポンプ式暖房装置の一実施形態を示す概略構成図。 起動時熱媒流量制御の動作を説明するフローチャート。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明のヒートポンプ式暖房装置の一実施形態を示す概略構成図である。
本実施形態のヒートポンプ式暖房装置は、低元側冷凍回路１０と高元側冷凍回路２０とを備えた二元圧縮型ヒートポンプユニット１と、暖房ユニット３０と、これら二元圧縮型ヒートポンプユニット１及び暖房ユニット３０を制御する制御ユニット２と、を備えて構成されている。

前記低元側冷凍回路１０は、低元側圧縮機１１、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２、カスケード熱交換器１３、内部熱交換器１４の凝縮部、低元側膨張弁１５、低元側蒸発器１６、内部熱交換器１４の蒸発部及び低元側アキュムレータ１７を、低元側冷媒循環路１８に順に介装して構成されている。冷媒には、例えばＣＯ₂が使用され、この冷媒が、低元側圧縮機１１、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２、カスケード熱交換器１３、内部熱交換器１４の凝縮部、低元側膨張弁１５、低元側蒸発器１６、内部熱交換器１４の蒸発部及び低元側アキュムレータ１７を順に循環してヒートポンプサイクルが実行される。即ち、冷媒は、低元側圧縮機１１で圧縮されて高温高圧となった後、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２において暖房ユニット３０の熱媒と熱交換する。次いで、冷媒は、カスケード熱交換器１３に流入し、高元側冷凍回路２０の冷媒と熱交換することにより高元側冷凍回路２０の吸熱源として利用される。次いで、冷媒は、内部熱交換器１４の凝縮部を通り低元側膨張弁１５で膨張後、ファン１９を備えた低元側蒸発器１６で外気と熱交換し、内部熱交換器１４の蒸発部を通り、蒸発しきれなかった液冷媒が低元側アキュムレータ１７によって分離された後、ガス状冷媒として低元側圧縮機１１へ戻る。

前記高元側冷凍回路２０は、高元側圧縮機２１、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２、高元側膨張弁２３、前記カスケード熱交換器１３及び高元側アキュムレータ２４を、高元側冷媒循環路２５に順に介装して構成されている。冷媒には、低元側と同じくＣＯ₂が使用され、この冷媒が、高元側圧縮機２１、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２、高元側膨張弁２３、カスケード熱交換器１３及び高元側アキュムレータ２４を順に循環してヒートポンプサイクルが実行される。即ち、冷媒は、高元側圧縮機２１で圧縮されて高温高圧となった後、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２において暖房ユニット３０の熱媒と熱交換する。次いで、冷媒は、高元側膨張弁２３で膨張後、カスケード熱交換器１３に流入して低元側冷凍回路１０の冷媒と熱交換し、蒸発しきれなかった液冷媒が高元側アキュムレータ２４によって分離された後、ガス冷媒として高元側圧縮機２１へ戻る。

前記暖房ユニット３０は、暖房端末に熱媒として温水（水）を循環供給するものである。暖房端末としては、例えば住宅の各部屋等に設置するパネルヒータや床下に配設したパイプに温水を流す床暖房ユニットがある。暖房端末がパネルヒータの場合、熱媒循環路３５との接続形態は、一管式（複数のパネルヒータが直列接続される）でも二管式（複数のパネルヒータが互いに並列接続される）でもよい。暖房ユニット３０は、前述した低元側熱媒−冷媒熱交換器１２と高元側熱媒−冷媒熱交換器２２の他に、循環ポンプ３１、バックアップヒータ３２、三方弁３３及びバッファタンク３４を、熱媒を暖房端末に循環供給する熱媒循環路３５に介装して構成されている。また、熱媒循環路３５は、三方弁３３とバッファタンク３４との間の区間が、２つの分流路、即ち、低元側分流路３５Ａと高元側分流路３５Ｂに分岐されており、低元側分流路３５Ａに低元側熱媒−冷媒熱交換器１２が介装され、高元側分流路３５Ｂに高元側熱媒−冷媒熱交換器２２が介装されている。

暖房ユニット３０では、熱媒（温水）が、循環ポンプ３１からバックアップヒータ３２を経由して暖房端末に供給され、暖房端末の熱媒流路を通って暖房端末から排出され、三方弁３３で低元側分流路３５Ａと高元側分流路３５Ｂに分流される。低元側分流路３５Ａに分流された熱媒は、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２で低元側冷凍回路１０の冷媒と熱交換し、高元側分流路３５Ｂに分流された熱媒は、高元側熱媒−冷媒熱交換器２２で高元側冷凍回路２０の冷媒と熱交換する。熱交換後の各熱媒は、低元側分流路３５Ａと高元側分流路３５Ｂからそれぞれバッファタンク３４に流入し、ここで混合した後、循環ポンプ３１へ戻る。尚、バックアップヒータ３２は、例えば住宅が広く暖房負荷が大きいような場合に、ヒートポンプユニット１の暖房能力を補うためのもので、ヒートポンプユニット本体に外付けで接続できるものであり、必ずしも設けなくともよい。

前記制御ユニット２は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）等を備え、二元圧縮型ヒートポンプユニット１の低元側冷凍回路１０及び高元側冷凍回路２０における圧縮機１１，２１の回転数や膨張弁１５，２３の開度及び暖房ユニット３０の循環ポンプ３１の回転数や三方弁３３の分流比率等を制御する。これらの制御にあたっては、各種温度センサの検出値を使用する。前記各種温度センサとしては、低元側圧縮機１１及び高元側圧縮機２１の各冷媒吐出温度をそれぞれ検出する冷媒吐出温度センサ４１，４２、低元側熱媒−冷媒熱交換器１２及び高元側熱媒−冷媒熱交換器２２の各熱媒流出温度を検出する熱媒温度センサ４３，４４、暖房端末に流入する熱媒の温度（往き熱媒温度）を検出する往き熱媒温度センサ４５、暖房端末から排出される熱媒の温度（戻り熱媒温度）を検出する戻り熱媒温度センサ４６、及び外気温を検出する外気温センサ４７等がある。また、制御ユニット２は、運転開始時に熱媒循環流量を制御する起動時熱媒流量制御機能を備えている。前記起動時熱媒流量制御機能は、運転開始時に暖房端末へ供給する熱媒の設定温度（往き熱媒温度）が所定温度以上のとき、運転開始から所定期間が経過するまでは循環ポンプ３１による熱媒循環流量の下限値を設定し、この下限値を下回らないように循環ポンプ３１の回転数を制御する機能である。

本実施形態のヒートポンプ式暖房装置では、暖房端末に循環供給する熱媒の温度（往き熱媒温度）は、例えば操作パネルやリモコンで所定の温度範囲（Ｔ１〜Ｔ５）で任意に設定可能である。ここで、前記所定の範囲（Ｔ１〜Ｔ５）としては、例えば４０℃〜６５℃とする。尚、操作パネルやリモコンによる設定可能な温度範囲は、４０℃〜６５℃に限るものではなく、Ｔ１は４０℃より低くてもよく、Ｔ５は６５℃より高くてもよく、ヒートポンプ式暖房装置の使用環境等に応じて適切に決定すればよい。熱媒の温度（往き熱媒温度）が設定されると、この設定温度と外気温センサ４７で検出される外気温度に基づいて、制御ユニット２により暖房能力（ヒートポンプユニット１の圧縮機１１，２１の回転数、目標往き熱媒温度）が決定される。そして、制御ユニット２は、往き熱媒温度センサ４５で検出される往き熱媒温度が目標往き熱媒温度になるように、循環ポンプ３１の回転数を制御して設定温度に見合った熱媒循環流量で熱媒を暖房端末に供給制御する。この際、運転開始時に操作パネルやリモコンで設定された往き熱媒の設定温度が所定温度Ｔ４以上のときは、制御ユニット２により熱媒循環流量の下限値を設定して熱媒循環流量を設定温度Ｔ４に見合った流量よりも多くなるよう起動時熱媒流量制御が実行される。尚、運転開始時に戻り熱媒温度センサ４６で検出される戻り熱媒温度（暖房端末から排出される熱媒温度）が予め定めた所定の戻り熱媒温度Ｔ２（Ｔ２は、熱媒循環流量を起動時熱媒流量制御によって強制的に増大しなくとも暖房感が損なわれないと考えられる戻り熱媒温度で、例えば４０℃等とする）以上のときは、制御ユニット２は、起動時熱媒流量制御を実行せずに、操作パネルやリモコンで設定された往き熱媒温度に見合った熱媒循環流量となるよう循環ポンプ３１の回転数を制御する。

次に、制御ユニット２による本実施形態の起動時熱媒流量制御について、図２のフローチャートを参照して説明する。
ヒートポンプ式暖房装置の運転が開始されると、まず、ステップ１（図中Ｓ１で示し、以下同様とする）では、操作パネルやリモコンにより設定された往き熱媒温度が所定温度Ｔ４以上か否かを判定する。設定された往き熱媒温度がＴ４以上であれば判定がＹＥＳとなり、ステップ２に進む。ここで、所定温度Ｔ４は、使用環境等により運転開始時に熱媒循環流量が少なくて暖房感が損なわれると考えられる温度で、前記所定温度範囲Ｔ１〜Ｔ５の範囲内で設定する。

ステップ２では、熱媒循環流量の下限値として、往き熱媒温度がＴ３に設定された場合の熱媒循環流量値を設定する。ここで、熱媒温度Ｔ３は、運転開始時に暖房感が損なわれないと考えられる熱媒循環流量を確保できる程度の往き熱媒温度として設定するもので、Ｔ４より低い温度である。

ステップ３では、循環ポンプ３１による熱媒循環流量がステップ２で設定された熱媒循環流量値を下回らないように循環ポンプ３１の回転数を制御して熱媒を暖房端末に循環供給する。

次いで、ステップ４で、冷媒吐出温度センサ４１で検出される低元側冷凍回路１０の圧縮機１１の冷媒吐出温度が所定温度Ｔ６に達したか否かを判定し、ステップ５で、運転開始から予め設定した所定時間ｔが経過したか否かを判定する。ステップ４とステップ５のどちらか一方の判定がＹＥＳ、即ち、圧縮機１１の冷媒吐出温度が所定温度Ｔ６に達した及び運転開始から予め設定した所定時間ｔが経過のいずれか一方の条件が満たされたときは、ステップ６に進む。尚、前記所定温度Ｔ６は、低元側冷凍回路１０の冷媒温度が安定化したと判断される冷媒温度（例えば１００℃等）で、使用する冷媒等に応じて任意に設定すればよい。また、前記所定時間ｔは、ヒートポンプユニットが熱供給できる程度に十分起動したと判断できる時間（例えば６０分等）で、使用環境や暖房装置の能力等に基づいて任意に設定すればよい。

ステップ６では、ヒートポンプユニット１が暖房端末に十分な熱を供給できる状態になったとして、ステップ２で設定した熱媒循環流量の下限値の設定を解除する。

ステップ７では、往き熱媒温度センサ４５の検出温度に基づいて循環ポンプ３１の回転数を制御して、操作パネルやリモコンにより設定された往き熱媒温度に見合った熱媒循環流量で熱媒を暖房端末に供給制御する。

本実施形態のヒートポンプ式暖房装置によれば、運転開始時の往き熱媒の設定温度が高いときに暖房ユニット３０における熱媒循環流量の下限値を設定することにより、運転開始時に前記設定温度に見合った熱媒循環流量よりも多い循環流量で暖房端末に熱媒を循環供給するので、往き熱媒の設定温度に見合った熱媒循環流量で運転開始時から暖房端末に熱媒を循環供給する場合に比べて、暖房端末全体に熱媒が行き渡る時間が短くなり、暖房感を向上できる。例えば、往き熱媒温度をＴ４に設定した場合の熱媒循環流量が３〜４リットル／分とし、往き熱媒温度をＴ３に設定した場合の熱媒循環流量が５〜６リットル／分とし、暖房ユニット３０の保有水量が１００リットルとした場合、暖房端末を含めた熱媒循環路３５を熱媒が１循環するのに要する時間は、往き熱媒温度Ｔ４の場合は、約３３分（１００／３）〜２５分（１００／４）となり、往き熱媒温度Ｔ３の場合は２０分（１００／５）〜約１７分（１００／６）となる。この場合、住宅内の暖房端末全体に熱媒（温水）が行き渡るまでの時間を２０％〜約５０％短縮することができる。

上記実施形態では、運転開始時に設定する熱媒循環流量の下限値を固定値（往き熱媒設定温度Ｔ３に見合った熱媒循環流量値）としたが、運転開始時の運転環境状況（例えば外気温センサ４７の検出する外気温度や戻り熱媒温度センサ４６の検出する運転開始時の戻り熱媒温度等）に応じて下限値を可変設定する構成としてもよい。

尚、上記実施形態の二元圧縮型ヒートポンプユニットの低元側冷凍回路には、内部熱交換器が設けられているが、省略してもよい。

１ 二元圧縮型ヒートポンプユニット
２ 制御ユニット
１０ 低元側冷凍回路
１１ 低元側圧縮機
１２ 低元側熱媒−冷媒熱交換器
１３ カスケード熱交換器
１５ 低元側膨張弁
１６ 低元側蒸発器
１８ 低元側冷媒循環路
１９ ファン
２０ 高元側冷凍回路
２１ 高元側圧縮機
２２ 高元側熱媒−冷媒熱交換器
２３ 高元側膨張弁
２５ 高元側冷媒循環路
３０ 暖房ユニット
３１ 循環ポンプ
３３ 三方弁
３４ バッファタンク
３５ 熱媒循環路
４１，４２ 冷媒吐出温度センサ
４３，４４ 熱媒温度センサ
４５往き熱媒温度センサ
４６戻り熱媒温度センサ
４７ 外気温センサ

Claims (3)

1. 循環ポンプにより暖房端末に熱媒を循環供給する暖房ユニットと、
   冷媒を、低元側圧縮機、低元側熱媒−冷媒熱交換器、カスケード熱交換器、低元側膨張弁及び低元側蒸発器を順に循環させて前記低元側熱媒−冷媒熱交換器で前記熱媒と熱交換させる低元側冷凍回路と、冷媒を、高元側圧縮機、高元側熱媒−冷媒熱交換器、高元側膨張弁及び前記カスケード熱交換器を順に循環させて前記高元側熱媒−冷媒熱交換器で前記熱媒と熱交換させる高元側冷凍回路と、を備えた二元圧縮型ヒートポンプユニットと、
   前記暖房端末に供給する熱媒の設定温度に応じて前記循環ポンプによる熱媒循環流量を制御する制御ユニットと、
   を備えたヒートポンプ式暖房装置であって、
   前記制御ユニットは、運転開始時の前記設定温度が所定温度以上のとき、運転開始から所定期間が経過するまでは前記熱媒循環流量の下限値を設定し、前記熱媒循環流量が前記下限値を下回らないように前記循環ポンプを駆動することを特徴とするヒートポンプ式暖房装置。
2. 前記所定期間は、前記低元側圧縮機から吐出される冷媒温度が所定温度に達するまで及び運転開始から予め設定した所定時間経過するまでのいずれか一方の条件が満たされるまでとし、前記制御ユニットは、前記所定期間の経過後は前記下限値の設定を解除し、前記設定温度に応じた熱媒循環流量となるよう前記循環ポンプを駆動制御する請求項１に記載のヒートポンプ式暖房装置。
3. 前記制御ユニットは、運転開始時の運転環境状況に応じて前記下限値を可変設定する請求項１又は２に記載のヒートポンプ式暖房装置。