JP2016023828A - 複合熱源ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】放熱端末2の加熱循環回路31に直列に配設された加熱熱交換器41、51と、地中熱源の第1ヒートポンプ回路の第1圧縮機43と、空気熱源の第2ヒートポンプ回路の第2圧縮機53とを有する複合熱源ヒートポンプ装置1であって、圧縮機43、53のうち一方を優先動力源HP1、他方を補助動力源HP2と判定し、優先動力源HP1と補助動力源HP2の両方を駆動する通常運転において、循環液温度が目標温度を超えている場合、補助動力源HP2の回転速度を下限回転速度N2を限度として下げる下限運転動作と、優先動力源HP1の回転速度を下限回転速度N1を限度として下げる下限運転動作とを実行し、補助動力源HP2が下限回転速度N2で駆動し、かつ優先動力源HP1が下限回転速度N1で駆動しているときに、循環液温度が目標温度を超えている場合、補助動力源HP2を停止する。
【選択図】図4
Description
特許文献1に記載されたヒートポンプ装置は、暖房負荷が小さい場合には、外気温度に基づいて熱源として採熱効率の良い方のヒートポンプを選択して効率のよい暖房運転を行わせることができ、暖房負荷が大きい場合には、地中熱ヒートポンプおよび空気熱ヒートポンプの2つの圧縮機を両方とも駆動させて、循環液の温度が目標温度になるように加熱する暖房運転を行うものであった。
このため、本発明に係る複合熱源ヒートポンプ装置は、採熱効率の高い熱源を優先動力源とすることができるため、効率よく消費電力を抑制することができる。
複合熱源ヒートポンプ装置1は、図1に示すように、放熱端末2に熱媒としての循環液L(例えば、温水)を循環させる加熱熱交換部3と、地中熱を熱源とする地中熱ヒートポンプ装置4と、空気熱を熱源とする空気熱ヒートポンプ装置5と、動作を制御する制御装置6(61,62)と、制御装置6に信号を送るリモコン60と、を備えている。
第1加熱熱交換器41は、加熱循環回路31における第2加熱熱交換器51の上流側に直列に配設されている。
第1加熱熱交換器41では、第1圧縮機43により圧縮された高温の冷媒C1と加熱循環回路31を通って放熱端末2から戻ってきた低温の循環液Lとが対向して流れて熱交換が行われ、循環液Lを加熱するようになっている。
空気熱源熱交換器55は、送風ファン56から送風される空気と冷媒C2との熱交換を行って冷媒C2を加熱する。
なお、以下、説明の便宜上、第1圧縮機43および第2圧縮機53のうち、優先動力源の圧縮機を圧縮機HP1といい、補助動力源の圧縮機を圧縮機HP2という。
<立ち上げ運転制御>
立ち上げ運転制御は、第1圧縮機43および第2圧縮機53のうち一方を優先動力源の圧縮機HP1、他方を補助動力源の圧縮機HP2と判定する優先回路判定ステップと、最大回転速度よりも回転速度を低く設定して優先動力源の圧縮機HP1のみを駆動する優先回路駆動ステップと、所定の目標時間の経過時に循環液Lの温度が所定の目標温度に到達していない場合には、最大回転速度よりも回転速度を低く設定してさらに補助動力源の圧縮機HP2を駆動する補助回路駆動ステップと、所定の判定時間の経過時に循環液Lの温度が目標温度に到達していない場合には、優先回路駆動ステップにおける回転速度よりも高く設定して優先動力源の圧縮機HP1を駆動する優先回路増速ステップと、所定の判定時間の経過時に循環液Lの温度が前記目標温度に到達していない場合には、補助回路駆動ステップにおける回転速度よりも高く設定して補助動力源の圧縮機HP2を駆動する補助回路増速ステップと、を含んでいる。
優先回路判定ステップでは、外気温度に応じて、地中熱ヒートポンプ装置4および空気熱ヒートポンプ装置5のうちどちらの熱効率(COP)が高いかを判定する。
一方、外気温度が所定の基準温度(例えば、5度)よりも低い場合には、地中熱ヒートポンプ装置4の方が空気熱ヒートポンプ装置5よりも採熱効率が高いため、第1圧縮機43を優先動力源と判定し、第2圧縮機53を補助動力源と判定する。
優先回路駆動ステップでは、暖房運転の立ち上げ時において、最大回転速度(例えば、90rps)よりも回転速度を低く設定して、優先動力源の圧縮機HP1のみを駆動し(例えば、70rps)、補助動力源の圧縮機HP2は駆動しない。
なお、最大回転速度は、ヒートポンプ装置の仕様や圧縮機の性能を考慮して適宜設定し、圧縮機の最大回転速度でもよいし最大回転速度から低く設定してもよい。
補助回路駆動ステップでは、暖房運転の立ち上げ時において、所定の目標時間(例えば、3分間)の経過時に循環液Lの温度が所定の目標温度(例えば、使用者が設定した温度)に到達していない場合には、補助動力源の圧縮機HP2の熱効率の向上を図るため、最大回転速度(例えば、90rps)よりも回転速度を低く設定して、補助動力源の圧縮機HP2を駆動する(例えば、50rps)。
具体的には、例えば、所定の立ち上げ時間経過後(1分経過後)において、所定の経過時間ごと(30秒ごと)に、1分間ごとの循環液Lの温度の温度上昇率を求め、温度上昇率が30秒間に1.0度に満たない場合には、補助動力源の圧縮機HP2を例えば、50rpsで駆動してもよい。
補助回路駆動ステップを実行した後、所定の判定時間(例えば、30秒間)の経過時に循環液Lの温度が目標温度に到達していない場合には、優先回路駆動ステップにおける回転速度(70rps)よりも高く設定して優先動力源の圧縮機HP1を例えば最大回転速度の90rpsで駆動する。
具体的には、例えば、所定の経過時間ごと(例えば、20秒ごと)に、20秒ごとの循環液Lの温度の温度上昇率を求め、温度上昇率が20秒間に0.8度に満たない場合には、優先動力源の圧縮機HP1を最大回転速度の90rpsで駆動してもよい。
優先回路増速ステップを実行した後、所定の判定時間(例えば、30秒間)の経過時に循環液Lの温度が目標温度に到達していない場合には、補助回路駆動ステップにおける回転速度(50rps)よりも高く設定して補助動力源の圧縮機HP2を駆動する(例えば、最大回転速度の90rps)。
補助回路増速ステップは、前記した優先回路増速ステップと同様であるので、詳細な説明は省略する。
図3に示すように、複合熱源ヒートポンプ装置1は、運転開始後の暖房運転の立ち上げ時において(t=0)、優先回路判定ステップと優先回路駆動ステップを実行し、最大回転速度(例えば、90rps)よりも回転速度を低く設定して、優先動力源の圧縮機HP1のみを例えば70rpsで駆動(起動)する(t1)。
基本動作Bは、図4に示すように、複合熱源ヒートポンプ装置1は、運転開始後の暖房運転の立ち上げ時において(t=0)、優先回路判定ステップと優先回路駆動ステップを実行し、最大回転速度(例えば、90rps)よりも回転速度を低く設定して、優先動力源の圧縮機HP1のみを例えば70rpsで駆動(起動)する(t1)。
複合熱源ヒートポンプ装置1は、図5に示すように、制御装置6(図2参照)によって、暖房運転開始後、優先回路判定ステップを実行し、外気温センサ57が検出した外気温度と予め設定した所定の基準温度(例えば、5度)とを対比して、優先動力源の圧縮機HP1と補助動力源の圧縮機HP2を決定する(S1)。
このステップS3において、制御装置6は、所定の目標時間(例えば、3分間)が経過する前に循環液Lの温度が目標温度に到達した場合には(S3のYes)、基本動作Aを実行し(図3の時刻t2〜)、後記する図8のDに飛ぶ。
通常運転制御は、立ち上げ運転制御によって循環液Lの温度が目標温度に到達した場合の制御であり、優先動力源の圧縮機HP1と補助動力源の圧縮機HP2とを両方とも駆動する2台駆動通常運転制御(図6、図7参照)、および2台駆動通常運転制御から移行して優先動力源の圧縮機HP1のみを1台で駆動する1台駆動通常運転制御(図8参照)で構成される。
本発明の実施形態に係る2台駆動通常運転制御では、循環液Lの温度が所定の目標温度を超えている場合において、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度を所定の下限回転速度N2(図4(a)参照)を限度として減速する下限運転動作を実行する補助動力源の下限運転動作ステップと、優先動力源の回転速度を所定の下限回転速N1(図4(a)参照)を限度として減速する下限運転動作を実行する優先動力源の下限運転動作ステップと、を実行し、補助動力源が所定の下限回転速度N2で駆動し、かつ、優先動力源が所定の下限回転速度N1で駆動しているときに、循環液Lの温度が所定の目標温度を超えている場合には、補助動力源を停止する。
具体的には、2台駆動通常運転制御(図6の6A参照)では、図4(t8〜)、および図6と図7に示すように、制御装置6(図2参照)は、端末温度センサ34が検出した放熱端末2から戻ってくる循環液Lの温度と設定された目標温度とを対比して、循環液Lの温度が目標温度を超えているかどうかを判定する(図6のS101)。
このステップS101において、所定の判定時間(例えば、30秒間)が経過後、循環液Lの温度が目標温度を超えている場合には(S101のYes)、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度を所定の下限回転速度N2rpsを限度として減速する補助動力源の下限運転動作と、優先動力源の圧縮機HP1の回転速度を所定の下限回転速度N1rpsを限度として減速する下限運転動作を実行する優先動力源の下限運転動作とを実行し、まずは、図6に示すように、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度が所定の下限回転速度N2rpsになったかどうかを判定する(S102、図4(a)参照)。
具体的には、所定の下限回転速度N2rpsは、補助動力源の圧縮機HP2をΔR4rps(図4(a)参照)ずつ段階的に減速した場合において下回ることがない下限の回転速度であり、下限回転速度N2rpsよりも低下させた場合、熱効率が過度に低下するのでそれ以上は減速せずに停止する判断の基準となる回転速度である。
ステップS102において、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度が下限回転速度N2rpsになっていない場合には(S102のNo)、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度をΔR4rpsだけ一段階下げて(S103、図4(a)参照)、ステップS101に戻り循環液Lの温度が目標温度を超えているかどうかを判定する。
このようにして、ステップS101において、循環液Lの温度が目標温度を超えているかどうかを判定しながら、目標温度を超えている場合には(S101のYes)、優先動力源の圧縮機HP1の回転速度を維持したままで、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度が下限の回転速度N2rpsになるまで段階的に下げていく。(S102のNo〜S103)。
一方、ステップS101において、循環液Lの温度が目標温度を超えていない場合には(S101のNo)、後記する図7のA(目標温度を超えていない場合の制御)に飛ぶ。
ステップS102において、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度が下限回転速度N2rpsになった場合には(S102のYes)、優先動力源の圧縮機HP1の回転速度が下限回転速度N1rps(図4(a)参照)になったかどうかを判定し(S104)、下限回転速度N1rpsになったときには(S104のYes)、補助動力源の圧縮機HP2を停止して(S106)、1台駆動通常制御8A(図8参照)に飛ぶ。
具体的には、所定の下限回転速度N1rpsは、優先動力源の圧縮機HP1をΔR3rps(図4(a)参照)ずつ段階的に減速した場合において下回ることがない下限の回転速度であり、下限回転速度N1rpsよりも低下させた場合、熱効率が過度に低下するのでそれ以上は減速せずに停止する判断の基準となる回転速度である。
循環液Lの温度が目標温度を超えている場合には(S101のYes)、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度が下限回転速度N2rpsであれば(S102のYes)、優先動力源の圧縮機HP1の回転速度が下限回転速度N1rpsになるまで、優先動力源の圧縮機HP1の回転速度をΔR3rpsずつ段階的に減速する。
このようにして、目標温度を超えているかどうかを判定しながら、目標温度を超えている場合には優先動力源の圧縮機HP1の回転速度が下限回転速度N1rpsになるまで段階的に下げる。
ステップS101(図6参照)において、循環液Lの温度が目標温度を超えていない場合には(S101のNo)、図7に示すように、優先動力源の圧縮機HP1が70rps以上で駆動しているかどうかを判定して(S117)、優先動力源の圧縮機HP1が70rps以上で駆動していないときは(S117のNo)、優先動力源の圧縮機HP1の回転速度をΔR3rpsだけ上げて(ステップS118)、ステップS101(図6参照)に戻って循環液Lの温度が目標温度を超えているかどうかを判定する。
つまり、ステップS117において、優先動力源の圧縮機HP1が70rps以上で駆動していないときは(S117のNo)、優先動力源の圧縮機HP1が70rps以上になるように循環液Lの温度が目標温度を超えているかどうかを判定しながらΔR3rpsずつ段階的に回転速度を上げる。
ステップS120において、補助動力源の圧縮機HP2が50rpsで駆動しているときは(S120のYes)、循環液Lの温度が目標温度を超えているかどうかを判定して(S121)、目標温度を超えていないときは(S121のNo)、優先動力源の圧縮機HP1の回転速度を例えばΔR3rpsだけ一段階上げて(S122)、優先動力源の圧縮機HP1の回転速度が90rpsで駆動しているかどうかを判定する(S123)。優先動力源の圧縮機HP1の回転速度が90rpsで駆動していない場合には、ステップ121に戻る。
一方、ステップ121において、循環液Lの温度が目標温度を超えている場合には(S121のYes)、ステップS102(図6参照)に戻る。
ステップS124において、循環液Lの温度が目標温度を超えていないときは(S124のNo)、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度を例えばΔR4rpsだけ一段階上げて(S125)、目標温度に到達するまでこのステップを繰り返し(S124〜S125)、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度が最大回転速度(例えば、90rps)に達しても、目標温度に到達しない場合は、そのまま補助動力源の圧縮機HP2を最大回転速度で駆動する。
さらに、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度の減速値としてのΔR4rpsにおいても任意の値が設定されるものであり、図4(a)に示されているような、最大回転速度から3段階減速すると下限回転速度N2rpsになるような値だけに限定されるものではない。また、図6〜図8のフローチャートに示した増速値としてのΔR4rpsについても同様に任意の値が設定されるものである。また、補助動力源の圧縮機HP2の回転速度の減速値としてのΔR4rpsと増速値としてのΔR4rpsとを同じ回転速度幅にしなくともよい。
図6に示す2台駆動通常運転制御のステップS104において、優先動力源の圧縮機HP1の回転速度が下限の回転速度N1rpsになって(S104のYes)、補助動力源の圧縮機HP2を停止したときには(S106)、1台駆動通常制御8A(図8参照)に移行する。
図8に示すように、1台駆動通常運転制御8Aでは、循環液Lの温度が目標温度を超えているかどうかを判定し(S107)、循環液Lの温度が目標温度を超えている場合には(S107のYes)、優先動力源の圧縮機HP1を停止する(S108)。
そして、目標温度を超えている場合には(S111のYes)、優先動力源の圧縮機HP1をさらに段階的にΔR3rps(図4参照)ずつ下げて(S112)、優先動力源の圧縮機HP1の回転速度がN1rpsになるまで下げる(S113のNo)。
2 放熱端末
3 加熱熱交換部
4 地中熱ヒートポンプ装置
5 空気熱ヒートポンプ装置
6 制御装置
31 加熱循環回路
32 加熱循環ポンプ
34 端末温度センサ
41 第1加熱熱交換器
42a,42b 温度センサ
43 第1圧縮機
44 第1膨張弁
45 地中熱源熱交換器
46 熱媒循環路
47 地中熱循環ポンプ
48 地中熱交換器
51 第2加熱熱交換器
52a,52b 温度センサ
53 第2圧縮機
54 第2膨張弁
55 空気熱源熱交換器
57 外気温センサ
61 地中熱ヒートポンプ制御装置
62 空気熱ヒ−トポンプ制御装置
C1,C2 冷媒
H1 熱媒
HP1 優先動力源の圧縮機
HP2 補助動力源の圧縮機
L 循環液
Claims (2)
- 放熱端末に循環液を循環させる加熱循環回路と、
この加熱循環回路に配設された凝縮器としての第1加熱熱交換器と、
前記加熱循環回路に配設された凝縮器としての第2加熱熱交換器と、
地中熱を熱源として回路内を循環する冷媒を圧縮する第1圧縮機を備え前記第1加熱熱交換器を介して前記循環液を加熱する第1ヒートポンプ回路と、
空気熱を熱源として回路内を循環する冷媒を圧縮する第2圧縮機を備え前記第2加熱熱交換器を介して前記循環液を加熱する第2ヒートポンプ回路と、
前記循環液温度を計測する端末温度センサと、
外気温度を計測する外気温センサと、
動作を制御する制御装置と、を有する複合熱源ヒートポンプ装置であって、
前記第1加熱熱交換器は、前記加熱循環回路における第2加熱熱交換器の上流側に直列に配設され、
前記制御装置は、前記外気温センサが計測した外気温度を基準として前記第1圧縮機および前記第2圧縮機のうち一方を優先動力源、他方を補助動力源と判定する優先回路判定ステップと、
前記優先動力源と前記補助動力源の両方を駆動する2台駆動通常運転において、前記循環液温度が所定の目標温度を超えている場合、
前記補助動力源の回転速度を所定の下限回転速度を限度として減速する下限運転動作を実行する補助動力源の下限運転動作ステップと、
前記優先動力源の回転速度を所定の下限回転速度を限度として減速する下限運転動作を実行する優先動力源の下限運転動作ステップと、を実行し、
前記補助動力源が前記所定の下限回転速度で駆動し、かつ、前記優先動力源が前記所定の下限回転速度で駆動しているときに、前記循環液温度が所定の目標温度を超えている場合には、前記補助動力源を停止すること、
を特徴とする複合熱源ヒートポンプ装置。 - 前記制御装置は、前記補助動力源の下限運転動作と前記優先動力源の下限運転動作を実行した場合、
まず、前記優先動力源の回転速度を維持したままで、前記補助動力源の回転速度を前記所定の下限回転速度まで減速し、
その後に、前記優先動力源の回転速度を前記所定の下限回転速度まで減速すること、
を特徴とする請求項1に記載の複合熱源ヒートポンプ装置。
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