JP2016148475A - ハイブリッド空調システム - Google Patents

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【課題】地中熱ヒートポンプユニットによる暖房運転時と冷房運転時との何れにおいても、地中熱のみならず太陽熱も同時に利用して、冷/暖房性能を向上させるハイブリッド空調システムを提供する。【解決手段】太陽熱の集熱回路における暖房用昇温バイパス回路7と冷凍機用温水供給回路8との分岐部に介挿設置した冷/暖房切替え用三方弁10を、地中熱ヒートポンプユニット3の暖房運転へ切り替えた時には、太陽熱を熱源とする熱媒体を上記暖房用昇温バイパス回路からヒートポンプユニットの地中熱採熱回路2へ供給する一方、上記冷/暖房切替え用三方弁を地中熱ヒートポンプユニットの冷房運転へ切り替えた時には、同じく太陽熱を熱源とする熱媒体を上記冷凍機用温水供給回路から吸着式冷凍機4へ、その冷凍機から更に冷水導出回路9を経て地中熱ヒートポンプユニットの放熱回路へ供給する。【選択図】図1

Description

本発明は地中熱と太陽熱とを同時に利用した省エネ型のハイブリッド空調システムに関する。
蒸気圧縮式ヒートポンプでの冷房運転時には、太陽熱集熱器により回収した熱を吸着式冷凍機へ投入して、その冷凍機からの冷水により上記ヒートポンプの高圧側冷媒を冷却する一方、同じくヒートポンプでの暖房運転時にはやはり上記太陽熱により、ヒートポンプの低圧側冷媒を加熱(昇温)する空調装置が、特許文献1に開示されている。
これは太陽熱集熱器により回収した熱を、冷房運転時と暖房運転時との何れにおいても有効に利用し、高いエネルギー利用率を得ている点で、本発明と基本的に最も近似する公知発明であると考えられる。
特開2002−250573号公報 特許第5648002号公報
ところが、上記特許文献1に開示された空調装置の蒸気圧縮式ヒートポンプは室外熱交換器を有する空気熱源ヒートポンプとして、その空気(外気)が地中熱に比し温度変動しやすく不安定であり、特に冬季や寒冷地では著しく低温となるため、高い出力性能を得られない。その結果、その空調装置には給湯回路が設けられていないこととも相俟って、一般家庭用の空調装置であればともかく、大型の飲食店舗や老人などが宿泊する老人福祉施設などには適用し難い。
また、上記公知発明の空調装置では太陽熱集熱器により回収した熱だけが、冷房と暖房に利用されているに過ぎず、その他の再生エネルギーである地中熱も同時に利用した複合型のハイブリッド空調装置ではない。太陽熱だけでは日照時間の短い冬や雨天、夜間の冷/暖房効果に劣る。このことは冷房時に冷凍機を使っても変らない。
この点、本発明の出願人は温度の安定(年平均で約17℃)な地中熱を熱源とするヒートポンプにより、夏の冷房運転と冬の暖房運転を行うシステムとして、特許文献2に記載の公知発明を提案したが、これは冷房運転時と暖房運転時との何れにおいても太陽熱を利用しておらず、やはり地中熱と太陽熱とを同時に利用したハイブリッド空調システムではないため、未だ冷/暖房性能や省エネ効果に劣っている。
本発明はこのような課題の改良を目的としており、その目的を達成するために、請求項1ではハイブリッド空調システムの構成として、太陽熱を吸収する集熱回路と、
地中熱を吸収する採熱回路と、
その採熱回路に接続されて、地中熱を熱源とする熱媒体により冷/暖房すべく、圧縮機と凝縮器、蒸発器、膨張弁並びに四方切替え弁を有する地中熱ヒートポンプユニットと、
吸着式冷凍機並びにその冷凍機へ冷却塔から冷却水を供給する冷却水供給回路とを備え、
上記太陽熱の集熱回路と地中熱の採熱回路とを、暖房用の熱交換器と昇温バイパス回路を介して接続する一方、
同じく太陽熱の集熱回路と上記冷凍機とを、冷凍機用の熱交換器と温水供給回路を介して接続すると共に、
その温水供給回路からの温水と上記冷却水供給回路からの冷却水を受けて、冷凍機により生成された冷水の導出回路を、上記地中熱ヒートポンプユニットの採熱回路に接続して、
上記太陽熱の集熱回路における暖房用昇温バイパス回路と冷凍機用温水供給回路との分岐部に介挿設置した冷/暖房切替え用三方弁を、上記地中熱ヒートポンプユニットの暖房運転へ切り替えた時に、その地中熱の採熱温度が太陽熱の集熱温度よりも低ければ、太陽熱を熱源とする熱媒体を上記暖房用昇温バイパス回路からヒートポンプユニットの採熱回路へ供給し、
上記冷/暖房切替え用三方弁を地中熱ヒートポンプユニットの冷房運転へ切り替えた時には、同じく太陽熱を熱源とする熱媒体を上記冷凍機用温水供給回路から冷凍機へ、その冷凍機から更に冷水導出回路を経て地中熱ヒートポンプユニットの放熱回路へ供給することを特徴とする。
また、請求項2では太陽熱を熱源とする熱媒体によって、ストレージタンク内の貯水を昇温させる給湯用の熱交換器と給湯回路を、太陽熱の集熱回路へ冷凍機用の熱交換器及び温水供給回路との並列状態に接続して、
地中熱ヒートポンプユニットによる冷房運転又は暖房運転と同時に給湯運転も行えるように定めたことを特徴とする。
更に、請求項3では吸着式冷凍機への温水供給回路に、その温水の温度を一定に保つための比例制御弁と温度センサー、温水バッファータンク並びに温水循環ポンプを介挿設置したことを特徴とする。
請求項1の上記構成によれば、地中熱ヒートポンプユニットの暖房運転時と冷房運転時との何れにおいても、その地中熱採熱回路により回収された地中熱のみならず、太陽熱集熱回路により回収された太陽熱も同時進行的に利用するようになっているため、その冷/暖房性能が著しく向上し、優れた省エネ効果も得られるのである。
特に、請求項2の構成を採用するならば、冷房運転又は暖房運転と同時に給湯運転も行えるようになっているため、上記冷/暖房効果に加えて、昼夜を問わず給湯効果も得られることになる。
更に、請求項3の構成を採用するならば、吸着式冷凍機へ供給する温水の温度を常時一定に保つことができ、その冷凍機のCOP(成績係数)が向上する。
本発明の全体構成を示すシステムフロー図である 太陽熱を熱源とする給湯作用の説明図ある。 地中熱ヒートポンプユニットによる暖房作用の説明図である。 地中熱ヒートポンプユニットによる冷房作用の説明図である。 図2のストレージタンクが並列する部分を拡大して示す詳細説明図である。 地中熱ヒートポンプユニットの暖房運転時における作用説明図である。 地中熱ヒートポンプユニットの冷房運転時における作用説明図である。 太陽熱集熱循環ポンプの運転フローチャートである。 給湯循環ポンプの運転フローチャートである。 ストレージタンクの集熱フローチャートである。 昇温循環ポンプの運転フローチャートである。 冷却水循環ポンプの運転フローチャートである。 温水循環ポンプの運転フローチャートである。 本発明の図1に対応する部分変形実施形態を示すシステムフロー図である。 吸着式冷凍機に対する温水供給回路の変形実施形態を示す説明図である。
以下、図面に基いて本発明の好適な実施形態を具体的に詳述する。図1はその本発明に係るハイブリッド空調システムの全体構成を示すシステムフロー図、図2は太陽熱を熱源とする給湯作用の説明図、図3は地中熱ヒートポンプユニットによる暖房作用の説明図、図4は同じくヒートポンプユニットによる冷房作用の説明図であるが、冷房作用又は暖房作用と同時に給湯作用が営なまれることもあるため、図3、4に併せて給湯回路を点線で記入している。
本発明は主に飲食店舗などの商業施設や老人福祉施設、その他の各種大型施設にふさわしい空調システムとして、再生可能な熱エネルギーの太陽熱と地中熱とを同時進行的に利用したハイブリッド型である。つまり、地中熱ヒートポンプユニットの冷房運転時と暖房運転時との何れにおいても、その地中熱のなみらず太陽熱も利用して、冷/暖房性能や省エネ効果を向上させているほか、その太陽熱を好ましくは給湯にも利用するようになっている。
そのための主要な構成としては図1から明白なように、太陽熱を吸収する太陽熱集熱回路(1)と、地中熱を吸収する地中熱採熱回路(2)と、地中にて採/放熱の熱交換を行うことにより、各種施設(A)の冷/暖房を行う地中熱ヒートポンプユニット(3)と、固体の吸着材(ゼオライト)が冷媒(水)を吸/脱着する性質を利用し、低温の温水を駆動源として、冷水を生成する吸着式冷凍機(4)と、その吸着式冷凍機(4)へ第1、2冷却水供給回路(5a)(5b)を介して接続された冷却塔(6)と、上記太陽熱集熱回路(1)と地中熱採熱回路(2)とを接続する暖房用の昇温バイパス回路(7)と、同じく太陽熱集熱回路(1)と上記吸着式冷凍機(4)とを接続する冷凍機用の温水供給回路(8)と、その吸着式冷凍機(4)と上記地中熱採熱回路(2)とを接続する冷水導出回路(9)と、太陽熱集熱回路(1)における暖房用の上記昇温バイパス回路(7)と冷凍機用の上記温水供給回路(8)とを切り替える冷/暖房切替え用三方弁(10)と、上記地中熱ヒートポンプユニット(3)と各種施設(A)の冷/暖房機器(12)とを接続する冷/暖房回路(12)と、更に好ましくは上記太陽熱集熱回路(1)へ冷凍機用の温水供給回路(8)と並列する状態に接続された給湯回路(13)とを備えている。
本発明の上記主要な構成のうち、先ず太陽熱集熱回路(1)について言えば、これは複数(図例では合計16基あるうちの4基だけを示している。)のソーラーコレクター(14a)(14b)(14c)(14d)を含み、太陽熱によってソーラーコレクター(14a)〜(14d)内での加熱された熱媒体(ブライン液)を、その途中に介挿設置された太陽熱集熱循環ポンプ(15)より、図2〜4の矢印方向(F1)へ流動循環させるようになっている。
その場合、太陽熱集熱回路(1)におけるソーラーコレクター(14a)〜(14d)の出口部には、そこでの熱媒体の温度(T1)を検知する温度センサー(コレクター出口温度センサー)(16)が設置されている。また、同じく太陽熱集熱回路(1)における上記ソーラーコレクター(14a)〜(14d)の出口部から上記集熱循環ポンプ(15)の入口部までの途中、特にそのソーラーコレクター(14a)〜(14d)の出口部から折返し部までの往路と、その折返し部から集熱循環ポンプ(15)の入口部までの復路と、上記折返し部との3個所には、その各途中位置での熱媒体の温度(T2)(T3)(T4)を検知する温度センサー(集熱回路の第1〜3途中温度センサー)(17)(18)(19)も設置されている。
上記昇温バイパス回路(7)と冷凍機用温水供給回路(8)とを切り替える冷/暖房切替え用三方弁(10)は、その太陽熱集熱回路(1)の折返し部に介挿設置されており、その冷/暖房切替え用三方弁(10)の入口側に、そこでの熱媒体の温度(T4)を検知する上記第3途中温度センサー(19)が臨んでいる。
先に一言した給湯回路(13)は、太陽熱集熱回路(1)における上記往路の途中へ給湯用の熱交換器(20)を介して接続されている。(21)は同じく太陽熱集熱回路(1)における上記復路の途中に連通接続されたサーバータンクであり、その熱媒体(ブライン液)がサーバーポンプ(22)によって太陽熱集熱回路(1)へ供給されるようになっている。
更に、上記給湯回路(13)には図5に示す如く、並列する複数(図例では合計6基あるうちの3基だけを示している。)の密閉式ストレージタンク(23a)(23b)(23c)が設置されており、その太陽熱によって加熱された熱媒体を、各ストレージタンク(23a)(23b)(23c)内の加熱コイル部(内蔵型熱交換器)(24a)(24b)(24c)へ給湯循環ポンプ(25)により流動循環させて、その給湯用の貯水(W)を昇温させるようになっている。(F2)はその給湯循環ポンプ(25)による熱媒体の流動方向を示している。
しかも、各ストレージタンク(23a)(23b)(23c)における加熱コイル部(24a)(24b)(24c)の周辺にはその給湯用貯水(W)の温度(T5a)(T5b)(T5c)を検知する温度センサー(タンク貯水温度センサー)(26a)(26b)(26c)が、更にストレージタンク(23a)(23b)(23c)の入口部にはそこでの熱媒体の温度(T6a)(T6b)(T6c)を検知する温度センサー(タンク入口温度センサー)(27a)(27b)(27c)が各々設置されている。
(28a)(28b)(28c)はその各ストレージタンク(23a)(23b)(23c)の入口部に設置された流路切替え用三方弁、(29)は上記ストレージタンク(23a)(23b)(23c)の隣り合う同士を接続する連通接続路、(30)は給湯利用施設(A)の洗面所などに設置された給湯栓(蛇口)、(31)は高温度側ストレージタンク(23a)から各給湯栓(30)まで延長された給湯路、(32)はその給湯路(31)と給水路(33)との接続部に介在する湯水混合栓又は湯/水切替え用三方弁を示している。
尚、図示実施形態の場合給湯温度を10℃〜60℃の範囲に確保するようになっているが、その万一のためのバックアップ熱源となるガス給湯器(34)を、上記給湯路(31)の途中へ設置しておくことが好ましい。そうすれば、太陽熱の日射がない昼間や夜間には、そのガス給湯器(34)を使用して、洗面所などへの給湯を行えるからである。
次に、地中熱採熱回路(2)は地面(GL)からの一定深さ(例えば約80m〜約100m)に埋設された地中熱採熱管(採熱井戸設備)(35)を含み、その採熱管(35)が存在する一端部から地中熱ヒートポンプユニット(3)が存在する他端部までの途中に、採熱循環ポンプ(36)が介挿設置されており、上記採熱管(35)からの採熱により加温された熱媒体(ブライン液)を、その採熱循環ポンプ(36)によって図2〜4の矢印方向(F3)へ流動循環させるようになっている。
その場合、地中熱採熱回路(2)の往路における上記地中熱採熱管(35)の出口部から採熱循環ポンプ(36)の入口部までの途中には、その途中位置での熱媒体の温度(T7)を検知する温度センサー(採熱回路途中温度センサー)(37)が設置されてもいる。
上記地中熱ヒートポンプユニット(3)は水冷却式ヒートポンプの2基1組から成り、その作動原理を示す図6、7から明白なように、圧縮機(38)と膨張弁(39)、熱交換器(凝縮器・蒸発器)(40)(41)、冷媒循環路(42)並びに冷媒流路切替え用四方弁(43)を備え、その採熱側が上記採熱回路(2)をなし、負荷側(二次側)が冷/暖房機器(11)の冷/暖房回路(12)をなしている。
そして、上記地中熱採熱管(35)からの採熱により加温された冷媒ガスは、地中熱ヒートポンプユニット(3)の暖房運転時、そのヒートポンプユニット(3)の圧縮機(38)により加圧されて、高温・高圧となり、四方弁(43)を経由して、図6の点線矢印で示す方向へ流動し、負荷側の熱交換器(凝縮器)(40)において冷/暖房回路(12)の熱媒体と熱交換することにより、その熱媒体を昇温させることになる。
その熱交換により排熱した冷媒ガスは、上記熱交換器(凝縮器)(40)において凝縮・液化され、中温・高圧の冷媒液となって、冷媒循環路(42)の膨張弁(39)へ流入し、これにより減圧された低温・低圧の冷媒が、再び採熱側の熱交換器(蒸発器)(41)において採熱回路(2)内の採熱により加温され、ガス状態のもとに上記四方弁(43)を経て、圧縮機(38)へ戻る作動サイクルを繰り返すのである。
他方、同じく地中熱ヒートポンプユニット(3)の冷房運転時には、その熱交換する凝縮器(40)と蒸発器(41)とが上記暖房運転時と反転作用し、図6と対応する図7から明白なように、上記ヒートポンプユニット(3)の圧縮機(38)により加圧された高温・高圧の冷媒ガスは、四方弁(43)を経由して、図7の実線で示す方向へ流動し、採熱側の熱交換器(凝縮器)(40)において採熱回路(2)内の熱媒体と熱交換することにより、その熱媒体を昇温させる。
その際、冷媒ガスは上記熱交換器(凝縮器)(40)において、凝縮・液化され、中温・高圧の冷媒液となって、冷媒循環路(42)の膨張弁(39)へ流入し、これにより減圧された低温・低圧の冷媒が、負荷側の熱交換器(蒸発器)(41)において冷房回路(12)を冷却する。その熱交換器(蒸発器)(41)において加熱された冷媒が、ガス状態のもとに上記四方弁(43)を経由して、圧縮機(38)へ戻る作動サイクルを反復するのである。尚、図6、7に記入した温度の数値は、そのヒートポンプユニット(3)により熱交換される目安となるそれを例示している。
吸着式冷凍機(4)の駆動源となる温水の供給回路(8)は太陽熱集熱回路(1)の途中、特にそのソーラーコレクター(14a)〜(14d)の出口部から折返し部までの往路へ冷凍機用の熱交換器(44)を介して、上記給湯用の熱交換器(20)を有する給湯回路(13)との並列状態に接続されており、その途中に介在する温水循環ポンプ(45)によって、温水を吸着式冷凍機(4)へ供給するようになっている。その冷凍機(4)の吸着材から冷媒蒸気を離脱させる熱源として使用後の温水は、図4の矢印方向(F4)へ帰還することになる。
その場合、上記温水供給回路(8)における吸着式冷凍機(4)への入口部を特に温水ミキシング回路(46)として、ここに別個な温水循環ポンプ(47)と温水バッファータンク(48)、温水の温度センサー(49)並びに比例制御弁(三方弁)(50)も設置して、上記太陽熱集熱回路(1)における熱媒体の温度やバッファータンク(48)内の温水の温度(T8)が予じめの設定温度(例えば70℃)よりも高くなった場合には、冷凍機(4)から帰還する温水と比例制御弁(50)によりミキシングして、その冷凍機(4)へ供給する温水の温度を常時適当な一定に保つことが好ましい。その温水の温度(T8)を検知するための上記温度センサー(49)は、温水供給回路(8)の往路における冷凍機(4)への入口側に設置されている。
先に一言した冷却塔(クーリングタワー)(6)は開放式であり、その冷却塔用の熱交換器(51)と第1、2冷却水供給回路(5a)(5b)を介して、上記吸着式冷凍機(4)と接続されている。(52)(53)は第1、2冷却水供給回路(5a)(5b)の各々途中に介挿設置された第1、2冷却水循環ポンプであり、これらによって冷却塔(6)から上記吸着式冷凍機(4)へ冷却水が供給され、その冷却水に対して冷凍機(4)で発生した吸着熱を吸収させるようになっている。
その吸着熱を吸収して昇温された冷却水は、第2冷却水供給回路(5b)に沿い帰還して、第1冷却水供給回路(5a)からの冷却水と熱交換器(51)を介して再び冷却されることになる。(54)はその第2冷却水供給回路(5b)における復路の途中に設置された温度センサーであり、そこでの冷却水の温度(T9)を検知し、その出力電気信号に基いて上記第1冷却水供給回路(5a)に介在する第1冷却水循環ポンプ(52)の運転を制御するようになっている。
そして、上記地中熱採熱回路(2)における往路の途中、殊更その採熱循環ポンプ(36)の出口部から地中熱ヒートポンプユニット(3)の入口部までの途中は、冷水導出回路(9)を介して上記吸着式冷凍機(4)と接続されている。(55)はその冷水導出回路(9)の途中に介挿設置された冷水循環ポンプである。
つまり、上記吸着式冷凍機(4)によって生成された冷水が図4のように、地中熱ヒートポンプユニット(3)の冷房運転時にそのヒートポンプユニット(3)における作用上放熱回路となる採熱回路(2)へ供給され、地中熱ヒートポンプユニット(3)と吸着式冷凍機(4)の働きに加えて、太陽熱集熱回路(1)から吸着式冷凍機(4)へ供給される温水も利用することにより、優れた冷房性能や省エネ効果などを得られるようになっている。
更に、暖房用昇温バイパス回路(7)の一端部は太陽熱集熱回路(1)の途中、特にその折返し部からソーラーコレクター(14a)〜(14d)の入口部までの復路へ暖房用の熱交換器(56)を介して、上記冷凍機用の熱交換器(44)を有する冷凍機用温水供給回路(8)と分岐した状態(向かい合う状態)に接続されていると共に、同じく昇温バイパス回路(7)の他端部は上記地中熱採熱回路(2)における採熱循環ポンプ(36)の出口部付近に連通接続されている。
その場合、その昇温バイパス回路(7)の途中には昇温循環ポンプ(57)が介挿設置されているほか、上記太陽熱集熱回路(1)における暖房用昇温バイパス回路(7)と冷凍機用温水供給回路(8)との分岐部(太陽熱集熱回路の折返し部)には、その両回路(7)(8)を切り替える冷/暖房切替え用三方弁(10)と、そこ(分岐部/折返し部)での熱媒体の温度(T4)を検知する温度センサー(集熱回路の第3途中温度センサー)(19)とが設置されてもいる。
そして、上記太陽熱集熱回路(1)における折返し部(分岐部)での温度センサー(19)が検知した熱媒体の温度(T4)と、上記地中熱採熱回路(2)の途中温度センサー(37)が検知した熱媒体の温度(T7)とを比較し、その前者の温度(T4)が後者の温度(T7)よりも高い(T4>T7)場合だけに限って、地中熱採熱回路(2)内の冷媒ガスを昇温循環ポンプ(57)により流動循環させ、太陽熱集熱回路(1)内の熱媒体と熱交換して昇温するようになっている。
(58)は上記昇温バイパス回路(7)における昇温循環ポンプ(57)の入口部に設置された温度センサーであり、そこでの熱媒体の温度(T10)を検知して、その出力電気信号により上記昇温循環ポンプ(57)の運転を制御するようになっている。
つまり、上記太陽熱集熱回路(1)の分岐部(折返し部)にある冷/暖房切替え用三方弁(10)を、その冷凍機用温水供給回路(8)から暖房用昇温バイパス回路(7)へ切り替えて、図3のように地中熱ヒートポンプユニット(3)の暖房運転を行う時、太陽熱集熱回路(1)内の熱媒体がその暖房用昇温バイパス回路(7)から地中熱ヒートポンプユニット(3)の採熱回路(2)へ供給され、その太陽熱を熱源とする熱媒体も利用した地中熱ヒートポンプユニット(3)の働きにより、優れた暖房性能や省エネ効果などを得られるようになっているのである。
本発明のハイブリッド空調システムは上記の構成を具備しており、その運転方法について総括的に言えば、太陽熱の日射がある昼間(7時又は8時〜16時)には、その太陽熱を太陽熱集熱回路(1)によって吸収する。
その太陽熱集熱回路(1)におけるソーラーコレクター(14a)〜(14d)内の熱媒体が、太陽熱の日射を受けて昇温するので、図8に示した太陽熱集熱循環ポンプ(15)の運転フローチャートから明白なように、そのコレクター出口温度センサー(16)によって検知したソーラーコレクター(14a)〜(14d)の出口部における熱媒体の温度(コレクター出口温度)(T1)と、低温度側ストレージタンク(23c)のタンク貯水温度センサー(26c)によって検知した貯水温度(T5c)とを、図外のコントローラーに入力して比較の結果、熱媒体の温度(コレクター出口温度)(T1)が上記タンク貯水温度(T5c)よりも一定温度(例えば5℃)以上高い(T5c+5℃<T1)と判定された場合には、そのコントローラーからの出力電気信号に基き、太陽熱集熱回路(1)の集熱循環ポンプ(15)を運転させて、その熱媒体を太陽熱集熱回路(1)に沿って図2〜4の矢印方向(F1)へ流動循環させる。
上記太陽熱集熱循環ポンプ(15)の運転中、上記熱媒体の温度(コレクター出口温度)(T1)が低温度側ストレージタンク(23c)の貯水温度(T5c)よりも一定温度(例えば3℃)以上高いと判定されるまで低下した場合には、そのコントローラーからの出力電気信号に基いて、上記太陽熱集熱回路(1)の集熱循環ポンプ(15)を停止させる。
そして、上記太陽熱集熱循環ポンプ(15)の運転中、その太陽熱集熱回路(1)における往路の第1途中温度センサー(17)によって検知した熱媒体の温度(T2)と、同じく低温度側ストレージタンク(23c)のタンク貯水温度センサー(26c)によって検知した貯水温度(T5c)とを,やはりコントローラーに入力して比較の結果、熱媒体の温度(集熱回路の往路途中における熱媒体の温度)(T2)が上記タンク貯水温度(T5c)よりも一定温度(例えば5℃)以上高い(T5c+5℃<T2)と判定された場合には、そのコントローラーからの出力電気信号に基き、給湯回路(13)の給湯循環ポンプ(25)を運転させて、その熱媒体を給湯回路(13)に沿って図2、5の矢印方向(F2)へ流動循環させる。
上記給湯循環ポンプ(25)の運転中、次いでそのポンプ(25)の運転フローチャートを示す図9から明白なように、上記低温度側ストレージタンク(23c)の貯水温度(T5c)と、その低温度側ストレージタンク(23c)の入口部における温度センサー(27c)によって検知した熱媒体の温度(T6c)とを、やはりコントローラーに入力して比較の結果、その後者が前者よりも高い(T5c<T6c)と判定された場合には、その低温度側ストレージタンク(23c)の入口部に存在する熱媒体流路切替え用三方弁(28c)を差温制御により、その第1ポート(28c−1)と第2ポート(28c−2)とが連通して、熱媒体が低温度側ストレージタンク(23c)の内部を通過する迂回流動方向へ自づと切り替えて、そのストレージタンク(23c)内の貯水(W)を昇温し始める。
このような温度差の出力電気信号に基く熱媒体流路切替え用三方弁(28c)の自動制御は、中温度側ストレージタンク(23b)の入口部と高温度側ストレージタンク(23a)の入口部に各々存在する熱媒体流路切替え用三方弁(28b)(28a)についても、これらと対応するタンク貯水温度センサー(26b)(26a)やタンク入口温度センサー(27b)(27a)の検知出力電気信号に基き、図10のストレージタンク集熱フローチャートに示す如く、各々その第1ポート(28b−1)(28a−1)と第2ポート(28b−2)(28a−2)とが連通して、やはり熱媒体がストレージタンク(23b)(23a)の内部を通過する迂回流動方向へ切り替え、高温度側ストレージタンク(23a)から低温度側ストレージタンク(23c)への順次に、その内部の給湯用貯水(W)をすべて昇温させるのである。
但し、上記ストレージタンク(23a)〜(23c)の貯水温度(T5a)〜(T5c)と、そのストレージタンク(23a)〜(23c)の入口部における熱媒体の温度(T6a)〜(T6c)とを各々比較の結果、逆に後者が前者と同じか又は前者よりも低い(T5a≧T6a)(T5b≧T6b)(T5c≧T6c)と判定された場合には、その各入口部に対応位置する熱媒体流路切替え用三方弁(28a)〜(28c)を、各々その第1ポート(28a−1)(28b−1)(28c−1)と第3ポート(28a−3)(28b−3)(28c−3)とが連通して、その熱媒体が各々ストレージタンク(23a)〜(23c)の内部を迂回的に通過せず、その貯水(W)を昇温させない流動方向へ切り替える。
上記ストレージタンク(23a)〜(23c)内の給湯用貯水(W)を昇温させる最高限度は、所謂なり行きでの90℃であり、低温度側ストレージタンク(23c)の貯水温度(T5c)と太陽熱集熱回路(1)の往路における熱媒体の温度(T2)とを、コントローラーに入力して比較の結果、その後者が前者よりも一定温度(例えば3℃)以上高く(T5c+3℃<T2)なったと判定された場合には、そのコントローラーからの出力電気信号に基き、給湯回路(13)の給湯循環ポンプ(25)を停止させるのである。
次に、地中熱を熱源とする暖房作用について説明すると、冬期に各種施設(A)の暖房を行うに当っては、図3のように地中熱ヒートポンプユニット(3)を運転して、その地中熱採熱回路(2)の熱媒体を地中熱ヒートポンプユニット(3)から負荷側(二次側)の暖房回路(12)へ流動循環させると共に、太陽熱集熱回路(1)の集熱循環ポンプ(15)も運転する。
そうすれば、地中熱ヒートポンプユニット(3)では図6から明白なように、地中熱採熱回路(2)の冷媒ガスが圧縮機(38)→四方弁(43)→負荷側の交換器(凝縮器)(40)→膨張弁(39)→採熱側の熱交換器(蒸発器)(41)→圧縮機(38)の順序に流動循環することとなる。
他方、太陽熱集熱回路(1)における冷/暖房切替え用三方弁(10)の入口部に存在する温度センサー(集熱回路の第3途中温度センサー)(19)が検知した熱媒体の温度(T4)と、地中熱採熱回路(2)における採熱循環ポンプ(36)の入口部に存在する温度センサー(採熱回路の途中温度センサー)(37)が検知した熱媒体の温度(T7)とを、図外のコントローラーに入力して比較した結果、その太陽熱集熱回路(1)側の熱媒体の温度(T4)が地中熱採熱回路(2)側の熱媒体の温度(T7)よりも高い(T4>T7)と判定された場合には、コントローラーからの出力電気信号に基き上記冷/暖房切替え用三方弁(10)を、その熱媒体が暖房用昇温バイパス回路(7)の熱交換器(56)へ流動する方向(暖房運転方向)に切り替える。
つまり、冷/暖房切替え用三方弁(10)は地中熱ヒートポンプユニット(3)の暖房運転時に、太陽熱の集熱温度と地中熱の採熱温度との差に基いて自動制御(差温制御)され、その後者が前者よりも低ければ、暖房用の昇温バイパス回路(7)と熱交換器(56)を開回路として働かせることにより、地中熱を熱源とする暖房作用に太陽熱も混成(ハイブリッド化)させ、逆に後者が前者よりも高ければ、これらを閉回路として使用しないようになっている。
更に、上記冷/暖房切替え用三方弁(10)が地中熱ヒートポンプユニット(3)の暖房運転へ切り替えられた作用中に、その太陽熱集熱回路(1)における三方弁(10)の入口部に存在する温度センサー(集熱回路の第3途中温度センサー)(19)によって検知された熱媒体の温度(T4)が、予じめの設定温度(例えば17℃)よりも高くなったと判定された場合には、図11に示した昇温循環ポンプ(57)の運転フローチャートから明白なように、そのコントローラーからの出力電気信号に基き、上記昇温バイパス回路(7)の昇温循環ポンプ(57)を運転して、地中熱採熱回路(2)の熱媒体を暖房用熱交換器(56)により、太陽熱集熱回路(1)の熱媒体と熱交換させて昇温する。
そして、太陽熱集熱回路(1)における往路の途中に存在する温度センサー(集熱回路の第1途中温度センサー)(17)が検知した熱媒体の温度(T2)と、上記昇温バイパス回路(7)における昇温循環ポンプ(57)の入口部に存在する温度センサー(昇温バイパス回路の途中温度センサー)(58)が検知した熱媒体の温度(T10)とを、コントローラーにより比較した結果、その熱媒体の温度(太陽熱の集熱温度)(T2)が熱媒体の温度(地中熱の採熱温度)(T10)より一定温度(例えば5℃)以上低下したと判定された場合には、その昇温バイパス回路(7)の昇温循環ポンプ(57)を停止させる。地中熱を熱源とする暖房作用を、太陽熱を熱源とする熱媒体によって補完(バックアップ)する必要性が、もはや無くなった状態を意味する。
更に、地中熱を熱源とする冷房作用について説明すると、夏期に各種施設(A)の冷房を行うに当っては、図4のようにやはり地中熱ヒートポンプユニット(3)を運転して、その地中熱採熱回路(2)の熱媒体を地中熱ヒートポンプユニット(3)から負荷側(二次側)の冷房回路(12)へ流動循環させると共に、やはり太陽熱集熱回路(1)の集熱循環ポンプ(15)も運転する。
そうすれば、地中熱ヒートポンプユニット(3)では図7から明白なように、地中熱採熱回路(2)の冷媒ガスが圧縮機(38)→四方弁(43)→採熱側の熱交換器(凝縮器)(40)→膨張弁(39)→負荷側の熱交換器(蒸発器)(41)→圧縮機(38)の順序に流動循環することになる。
他方、太陽熱集熱回路(1)の冷/暖房切替え用三方弁(10)は地中熱ヒートポンプユニット(3)の冷房運転へ切り替えられて、上記暖房用熱交換器(56)と昇温バイパス回路(7)の不使用状態にあり、太陽熱集熱回路(1)の熱媒体が冷凍機用の温水供給回路(8)を流動循環する吸着式冷凍機(4)の冷媒(水)と熱交換して、その冷媒(水)を昇温させるようになっている。
つまり、太陽熱集熱回路(1)における往路の途中に存在する温度センサー(集熱回路の第1途中温度センサー)(17)によって検知された熱媒体の温度(T2)が、一定温度(冷凍機へ供給する最低温度)(例えば60℃)以上の高温であると判定された場合には、その判定したコントローラーからの出力電気信号に基いて、吸着式冷凍機(4)とその冷凍機用温水供給回路(8)の温水循環ポンプ(45)並びに冷却塔(6)を悉く運転する。
そうすれば、運転中の吸着式冷凍機(4)では詳細を図示省略するが、その常法としての作用原理に基いて、固体吸着材(ゼオライト)の塗布された熱交換器に対し、温水供給回路(8)からの温水と冷却水供給回路(5a)(5b)からの冷却水とが、一定時間毎(例えば5分毎)の交互に通されて、冷房サイクルを構築し、連続して冷水が生成されることになる。
その冷水は上記冷凍機(4)から冷水導出回路(9)を経て、地中熱採熱回路(2)の途中に供給され、その地中熱採熱回路(2)の熱媒体を冷却する。地中熱ヒートポンプユニット(3)の冷房運転時にはその地中熱採熱回路(2)が作用上放熱回路となり、その放熱回路(2)の熱媒体が上記冷凍機(4)からの冷水によって冷却されるのである。
上記冷却塔(6)の運転中、その第2冷却水供給回路(5b)における復路の途中に介在する温度センサー(54)によって検知された冷却水の温度(T9)が、図12の運転フローチャートに示す如く、予じめの設定温度(例えば30℃)よりも高くなったと判定された場合には、その判定したコントローラーからの出力電気信号に基き、上記第1冷却水供給回路(5a)の第1冷却水循環ポンプ(52)を運転して、その高温化した冷却水を冷却塔(6)からの冷却水により冷却する。
他方、上記冷凍機用温水供給回路(8)内の温水は図13の運転フローチャートに示すように、その冷凍機(4)へ供給する最低温度(先に例示した約60℃)以上の高温であれば、その温水供給回路(8)を温水循環ポンプ(45)によって流動循環されているが、上記冷凍機(4)の入口部に存在する温度センサー(49)によって、その温水の温度(T8)が上記最低温度(先に例示した60℃)よりも低下したと判定された場合には、温水供給回路(8)の温水循環ポンプ(45)を停止させる。
更に、温水供給回路(8)における吸着式冷凍機(4)の入口部へ上記温水ミキシング回路(46)を設置した場合、その温度センサー(49)により検知された温水の温度(T8)が、適正な最高温度(例えば70℃)を超えたと判定されたときに、別個な温水循環ポンプ(47)や比例制御弁(50)を働かせて、冷凍機(4)から帰還する温水とミキシングすることにより、その冷凍機(4)へ供給する温水の温度(T8)を自づと低下させることができる。
尚、上記冷却塔(6)とその第1冷却水供給回路(5a)の第1冷却水循環ポンプ(52)が運転中に、上記第2冷却水供給回路(5b)の温度センサー(54)によって検知された冷却水の温度(T9)が、一定温度(例えば25℃)以下に低下した場合、その冷却塔(6)並びに上記第1冷却水循環ポンプ(52)の運転は停止されるようになっている。
また、上記吸着式冷凍機(4)とその温水供給回路(8)の温水循環ポンプ(45)(47)が運転中に、上記太陽熱集熱回路(1)における往路の第1途中温度センサー(17)によって検知された熱媒体の温度(T2)が、その上記一定温度(先に例示した60℃)以下に低下した場合、その冷凍機(4)と上記温水循環ポンプ(45)(47)並びに冷却塔(6)の運転はすべて停止されることになる。
以上のように、本発明のハイブリッド空調システムでは地中熱ヒートポンプユニット(3)の暖房運転時に、その地中熱採熱回路(2)により採熱された熱媒体の温度が太陽熱集熱回路(1)により集熱された熱媒体の温度よりも低ければ、その後者の熱媒体を暖房用昇温バイパス回路(7)から地中熱ヒートポンプユニット(3)の採熱回路(2)へ供給して、その熱媒体の温度を昇温させるようになっているため、地中熱のみならず太陽熱も同時に利用して、そのヒートポンプユニット(3)による各種施設(A)の暖房性能を著しく向上させることができ、省エネ効果にも優れる。
また、同じく地中熱ヒートポンプユニット(3)の冷房運転時には、太陽熱集熱回路(1)により集熱された熱媒体を冷凍機用温水供給回路(8)から吸着式冷凍機(4)へ供給する一方、その冷凍機(4)へ冷却塔(6)から冷却水を供給して、冷凍機(4)により製造した冷水を冷水導出回路(9)から、上記地中熱ヒートポンプユニット(3)における作用上放熱回路として働く地中熱採熱回路(2)へ供給して、その熱媒体を冷却するようになっているため、やはり地中熱のみならず太陽熱も同時に有効利用して、そのヒートポンプユニット(3)による各種施設(A)の冷房性能並びに省エネ効果を著しく向上させることができる。
その結果、本発明のハイブリッド空調システムを基本的なエネルギープラントとして施工し、上記各種施設(A)と別に増設した各種施設(図示省略)まで、その空調システムの地中熱採熱回路(2)や給湯回路(13)を延長して、上記地中熱ヒートポンプユニット(3)と吸着式冷凍機(4)並びに冷却塔(6)を増設することなく、これらを兼用して別な各種施設の給湯や冷/暖房を行うことも可能である。
その場合、本発明の図示実施形態では太陽熱集熱回路(1)に冷凍機用温水供給回路(8)と並列する状態の給湯回路(13)も接続して、上記地中熱ヒートポンプユニット(3)による冷房運転又は暖房運転と同時に給湯運転も行うことができ、給湯用の貯水(W)を昇温させるストレージタンク(23a)(23b)(23c)の設置とも相俟って、昼夜を問わない給湯も得られるようになっているが、その給湯回路(13)の設置は省略しても良い。
また、図1に示した実施形態では図3、4の熱媒体流動方向から明白なように、暖房用昇温バイパス回路(7)の他端部と吸着式冷凍機(4)からの冷水導出回路(9)とが、何れも地中熱採熱回路(2)における往路の途中に連通接続されているけれども、図1と対応する図14の部分変形実施形態に示す如く、その暖房用昇温バイパス回路(7)と冷水導出回路(9)とを何れも、同じく地中熱採熱回路(2)における復路の途中へ連通接続しても良い。その両回路(7)(9)を地中熱ヒートポンプユニット(3)の採熱回路(2)に接続したことに変りはなく、本発明の上記作用・効果を同様に達成できるからである。
尚、比例制御弁(50)と温水バッファータンク(48)並びに温度センサー(49)などから成るミキシング回路(46)を、温水供給回路(8)における吸着式冷凍機(4)の入口部へ設置した構成について説示したが、そのミキシング回路(46)が無い図15のような温水供給回路(8)を採用してもさしつかえない。
(1)・太陽熱集熱回路
(2)・地中熱採熱回路
(3)・地中熱ヒートポンプユニット
(4)・吸着式冷凍機
(5a)(5b))・第1、2冷却水供給回路
(6)・冷却塔
(7)・(暖房用)昇温バイパス回路
(8)・(冷凍機用)温水供給回路
(9)・冷水導出回路
(10)・冷/暖房切替え用三方弁
(13)・給湯回路
(14a)(14b)(14c)(14d)・ソーラーコレクター
(15)・太陽熱集熱循環ポンプ
(16)・コレクター出口温度センサー
(17)・集熱回路の第1途中温度センサー
(18)・集熱回路の第2途中温度センサー
(19)・集熱回路の第3途中温度センサー
(20)・給湯用熱交換器
(23a)(23b)(23c)・ストレージタンク
(25)・給湯循環ポンプ
(34)・ガス給湯器
(35)・地中熱採熱管
(36)・地中熱採熱循環ポンプ
(38)・圧縮機
(39)・膨張弁
(40)・熱交換器(凝縮器)
(41)・熱交換器(蒸発器)
(42)・冷媒循環路
(43)・冷媒流路切替え用四方弁
(44)・冷凍機用熱交換器
(45)・温水循環ポンプ
(46)・温水ミキシング回路
(48)・バッファータンク
(49)・温度センサー
(50)・比例制御弁
(51)・冷却塔用熱交換器
(52)・第1冷却水循環ポンプ
(53)・第2冷却水循環ポンプ
(54)・温度センサー
(55)・冷水循環ポンプ
(56)・暖房用熱交換器
(57)・昇温循環ポンプ
(58)・温度センサー
(A)・各種施設
(W)・タンクの貯水
(F1)(F2)(F3)(F4)・流動方向
本発明は地中熱と太陽熱とを同時に利用した省エネ型のハイブリッド空調システムに関する。
蒸気圧縮式ヒートポンプでの冷房運転時には、太陽熱集熱器により回収した熱を吸着式冷凍機へ投入して、その冷凍機からの冷水により上記ヒートポンプの高圧側冷媒を冷却する一方、同じくヒートポンプでの暖房運転時にはやはり上記太陽熱により、ヒートポンプの低圧側冷媒を加熱(昇温)する空調装置が、特許文献1に開示されている。
これは太陽熱集熱器により回収した熱を、冷房運転時と暖房運転時との何れにおいても有効に利用し、高いエネルギー利用率を得ている点で、本発明と基本的に最も近似する公知発明であると考えられる。
特開2002−250573号公報 特許第5648002号公報
ところが、上記特許文献1に開示された空調装置の蒸気圧縮式ヒートポンプは室外熱交換器を有する空気熱源ヒートポンプとして、その空気(外気)が地中熱に比し温度変動しやすく不安定であり、特に冬季や寒冷地では著しく低温となるため、高い出力性能を得られない。その結果、その空調装置には給湯回路が設けられていないこととも相俟って、一般家庭用の空調装置であればともかく、大型の飲食店舗や老人などが宿泊する老人福祉施設などには適用し難い。
また、上記公知発明の空調装置では太陽熱集熱器により回収した熱だけが、冷房と暖房に利用されているに過ぎず、その他の再生エネルギーである地中熱も同時に利用した複合型のハイブリッド空調装置ではない。太陽熱だけでは日照時間の短い冬や雨天、夜間の冷/暖房効果に劣る。このことは冷房時に冷凍機を使っても変らない。
この点、本発明の出願人は温度の安定(年平均で約17℃)な地中熱を熱源とするヒートポンプにより、夏の冷房運転と冬の暖房運転を行うシステムとして、特許文献2に記載の公知発明を提案したが、これは冷房運転時と暖房運転時との何れにおいても太陽熱を利用しておらず、やはり地中熱と太陽熱とを同時に利用したハイブリッド空調システムではないため、未だ冷/暖房性能や省エネ効果に劣っている。
本発明はこのような課題の改良を目的としており、その目的を達成するために、請求項1ではハイブリッド空調システムの構成として、太陽熱を吸収する集熱回路と、
その太陽熱の集熱回路へ冷凍機用の熱交換器と温水供給回路を介して接続された吸着式冷凍機と、
その冷凍機へ冷却塔から冷却水を供給する冷却水供給回路と、
同じく太陽熱の集熱回路へ上記冷凍機用の熱交換器及び温水供給回路との並列状態に接続されて、太陽熱を熱源とする熱媒体により、ストレージタンク内の貯水を昇温させる給湯用の熱交換器及び給湯回路と、
地中熱を吸収する採熱回路と、
その地中熱の採熱回路に接続されて、地中熱を熱源とする熱媒体により冷/暖房すべく、圧縮機と凝縮器、蒸発器、膨張弁並びに四方切替え弁を有する水冷却式の地中熱ヒートポンプユニットとを備え、
上記太陽熱の集熱回路と地中熱の採熱回路とを、暖房用の熱交換器と昇温バイパス回路を介して接続すると共に、
上記冷凍機用温水供給回路からの温水と上記冷却水供給回路からの冷却水とを受けて、上記冷凍機により生成された冷水の導出回路を、上記地中熱ヒートポンプユニットの採熱回路に接続して、
上記太陽熱の集熱回路における暖房用昇温バイパス回路と冷凍機用温水供給回路との分岐部に介挿設置した冷/暖房切替え用三方弁を、上記地中熱ヒートポンプユニットの暖房運転へ切り替えた時に、その地中熱の採熱温度が太陽熱の集熱温度よりも低ければ、太陽熱を熱源とする熱媒体を上記暖房用昇温バイパス回路から地中熱ヒートポンプユニットの採熱回路へ供給して、その採熱回路の熱媒体を昇温させる一方、
上記冷/暖房切替え用三方弁を地中熱ヒートポンプユニットの冷房運転へ切り替えた時には、同じく太陽熱を熱源とする熱媒体をその上記集熱回路から冷凍機用温水供給回路へ、その温水供給回路から更に冷凍機とその生成された冷水の導出回路を経て、地中熱ヒートポンプユニットにおける作用上の放熱回路へ供給して、その放熱回路の熱媒体を冷水により冷却すると共に、
上記地中熱ヒートポンプユニットによる暖房運転と冷房運転との何れに切り替えた時でも、同時に給湯運転も行えるように定めたことを特徴とする。
また、請求項2では冷/暖房切替え用三方弁を、採熱回路の途中温度センサーにより検知された地中熱の採熱温度が、集熱回路の途中温度センサーにより検知された太陽熱の集熱温度よりも低ければ、その温度差の検知出力電気信号に基いて暖房用の昇温バイパス回路が開く方向へ切り替え制御するように定めたことを特徴とする。
更に、請求項3では冷凍機用の温水供給回路における吸着式冷凍機への入口部に、その供給する温水の温度を一定に保つための比例制御弁と温水の温度センサー、温水バッファータンク並びに温水循環ポンプとから成る温水ミキシング回路を設置したことを特徴とする。
請求項1の上記構成によれば、地中熱ヒートポンプユニットの暖房運転時と冷房運転時との何れにおいても、その地中熱採熱回路により回収された地中熱のみならず、太陽熱集熱回路により回収された太陽熱も同時進行的に利用するようになっているため、その冷/暖房性能が著しく向上し、優れた省エネ効果も得られるのである。
しかも、冷房運転又は暖房運転と同時に給湯運転も行えるようになっているため、上記冷/暖房効果に加えて、昼夜を問わず給湯効果も得られることになる。
また、請求項2の構成を採用するならば、太陽熱の集熱回路における暖房用昇温バイパス回路と冷凍機用温水供給回路との分岐部に介在する冷/暖房切替え用三方弁を、太陽熱の集熱温度と地中熱の採熱温度との差に基いて自動制御(差温制御)することができる。
更に、請求項3の構成を採用するならば、吸着式冷凍機へ供給する温水の温度を常時一定に保つことができ、その冷凍機のCOP(成績係数)が向上する。
本発明の全体構成を示すシステムフロー図である 太陽熱を熱源とする給湯作用の説明図ある。 地中熱ヒートポンプユニットによる暖房作用の説明図である。 地中熱ヒートポンプユニットによる冷房作用の説明図である。 図2のストレージタンクが並列する部分を拡大して示す詳細説明図である。 地中熱ヒートポンプユニットの暖房運転時における作用説明図である。 地中熱ヒートポンプユニットの冷房運転時における作用説明図である。 太陽熱集熱循環ポンプの運転フローチャートである。 給湯循環ポンプの運転フローチャートである。 ストレージタンクの集熱フローチャートである。 昇温循環ポンプの運転フローチャートである。 冷却水循環ポンプの運転フローチャートである。 温水循環ポンプの運転フローチャートである。 本発明の図1に対応する部分変形実施形態を示すシステムフロー図である。 吸着式冷凍機に対する温水供給回路の変形実施形態を示す説明図である。
以下、図面に基いて本発明の好適な実施形態を具体的に詳述する。図1はその本発明に係るハイブリッド空調システムの全体構成を示すシステムフロー図、図2は太陽熱を熱源とする給湯作用の説明図、図3は地中熱ヒートポンプユニットによる暖房作用の説明図、図4は同じくヒートポンプユニットによる冷房作用の説明図であるが、冷房作用又は暖房作用と同時に給湯作用も営なまれるため、図3、4に併せて給湯回路を点線で記入している。
本発明は主に飲食店舗などの商業施設や老人福祉施設、その他の各種大型施設にふさわしい空調システムとして、再生可能な熱エネルギーの太陽熱と地中熱とを同時進行的に利用したハイブリッド型である。つまり、地中熱ヒートポンプユニットの冷房運転時と暖房運転時との何れにおいても、その地中熱のなみらず太陽熱も利用して、冷/暖房性能や省エネ効果を向上させているほか、その太陽熱を給湯にも利用するようになっている。
そのための主要な構成としては図1から明白なように、太陽熱を吸収する太陽熱集熱回路(1)と、地中熱を吸収する地中熱採熱回路(2)と、地中にて採/放熱の熱交換を行うことにより、各種施設(A)の冷/暖房を行う地中熱ヒートポンプユニット(3)と、固体の吸着材(ゼオライト)が冷媒(水)を吸/脱着する性質を利用し、低温の温水を駆動源として、冷水を生成する吸着式冷凍機(4)と、その吸着式冷凍機(4)へ第1、2冷却水供給回路(5a)(5b)を介して接続された冷却塔(6)と、上記太陽熱集熱回路(1)と地中熱採熱回路(2)とを接続する暖房用の昇温バイパス回路(7)と、同じく太陽熱集熱回路(1)と上記吸着式冷凍機(4)とを接続する冷凍機用の温水供給回路(8)と、その吸着式冷凍機(4)と上記地中熱採熱回路(2)とを接続する冷水導出回路(9)と、太陽熱集熱回路(1)における暖房用の上記昇温バイパス回路(7)と冷凍機用の上記温水供給回路(8)とを切り替える冷/暖房切替え用三方弁(10)と、上記地中熱ヒートポンプユニット(3)と各種施設(A)の冷/暖房機器(11)とを接続する冷/暖房回路(12)と、更に上記太陽熱集熱回路(1)へ冷凍機用の温水供給回路(8)と並列する状態に接続された給湯回路(13)とを備えている。
本発明の上記主要な構成のうち、先ず太陽熱集熱回路(1)について言えば、これは複数(図例では合計16基あるうちの4基だけを示している。)のソーラーコレクター(14a)(14b)(14c)(14d)を含み、太陽熱によってソーラーコレクター(14a)〜(14d)内での加熱された熱媒体(ブライン液)を、その途中に介挿設置された太陽熱集熱循環ポンプ(15)より、図2〜4の矢印方向(F1)へ流動循環させるようになっている。
その場合、太陽熱集熱回路(1)におけるソーラーコレクター(14a)〜(14d)の出口部には、そこでの熱媒体の温度(T1)を検知する温度センサー(コレクター出口温度センサー)(16)が設置されている。また、同じく太陽熱集熱回路(1)における上記ソーラーコレクター(14a)〜(14d)の出口部から上記集熱循環ポンプ(15)の入口部までの途中、特にそのソーラーコレクター(14a)〜(14d)の出口部から折返し部までの往路と、その折返し部から集熱循環ポンプ(15)の入口部までの復路と、上記折返し部との3個所には、その各途中位置での熱媒体の温度(T2)(T3)(T4)を検知する温度センサー(集熱回路の第1〜3途中温度センサー)(17)(18)(19)も設置されている。
上記昇温バイパス回路(7)と冷凍機用温水供給回路(8)とを切り替える冷/暖房切替え用三方弁(10)は、その太陽熱集熱回路(1)の折返し部に介挿設置されており、その冷/暖房切替え用三方弁(10)の入口側に、そこでの熱媒体の温度(T4)を検知する上記第3途中温度センサー(19)が臨んでいる。
先に一言した給湯回路(13)は、太陽熱集熱回路(1)における上記往路の途中へ給湯用の熱交換器(20)を介して接続されている。(21)は同じく太陽熱集熱回路(1)における上記復路の途中に連通接続されたサーバータンクであり、その熱媒体(ブライン液)がサーバーポンプ(22)によって太陽熱集熱回路(1)へ供給されるようになっている。
更に、上記給湯回路(13)には図5に示す如く、並列する複数(図例では合計6基あるうちの3基だけを示している。)の密閉式ストレージタンク(23a)(23b)(23c)が設置されており、その太陽熱によって加熱された熱媒体を、各ストレージタンク(23a)(23b)(23c)内の加熱コイル部(内蔵型熱交換器)(24a)(24b)(24c)へ給湯循環ポンプ(25)により流動循環させて、その給湯用の貯水(W)を昇温させるようになっている。(F2)はその給湯循環ポンプ(25)による熱媒体の流動方向を示している。
しかも、各ストレージタンク(23a)(23b)(23c)における加熱コイル部(24a)(24b)(24c)の周辺にはその給湯用貯水(W)の温度(T5a)(T5b)(T5c)を検知する温度センサー(タンク貯水温度センサー)(26a)(26b)(26c)が、更にストレージタンク(23a)(23b)(23c)の入口部にはそこでの熱媒体の温度(T6a)(T6b)(T6c)を検知する温度センサー(タンク入口温度センサー)(27a)(27b)(27c)が各々設置されている。
(28a)(28b)(28c)はその各ストレージタンク(23a)(23b)(23c)の入口部に設置された流路切替え用三方弁、(29)は上記ストレージタンク(23a)(23b)(23c)の隣り合う同士を接続する連通接続路、(30)は給湯利用施設(A)の洗面所などに設置された給湯栓(蛇口)、(31)は高温度側ストレージタンク(23a)から各給湯栓(30)まで延長された給湯路、(32)はその給湯路(31)と給水路(33)との接続部に介在する湯水混合栓又は湯/水切替え用三方弁を示している。
尚、図示実施形態の場合給湯温度を10℃〜60℃の範囲に確保するようになっているが、その万一のためのバックアップ熱源となるガス給湯器(34)を、上記給湯路(31)の途中へ設置しておくことが好ましい。そうすれば、太陽熱の日射がない昼間や夜間には、そのガス給湯器(34)を使用して、洗面所などへの給湯を行えるからである。
次に、地中熱採熱回路(2)は地面(GL)からの一定深さ(例えば約80m〜約100m)に埋設された地中熱採熱管(採熱井戸設備)(35)を含み、その採熱管(35)が存在する一端部から地中熱ヒートポンプユニット(3)が存在する他端部までの途中に、採熱循環ポンプ(36)が介挿設置されており、上記採熱管(35)からの採熱により加温された熱媒体(ブライン液)を、その採熱循環ポンプ(36)によって図2〜4の矢印方向(F3)へ流動循環させるようになっている。
その場合、地中熱採熱回路(2)の往路における上記地中熱採熱管(35)の出口部から採熱循環ポンプ(36)の入口部までの途中には、その途中位置での熱媒体の温度(T7)を検知する温度センサー(採熱回路途中温度センサー)(37)が設置されてもいる。
上記地中熱ヒートポンプユニット(3)は水冷却式ヒートポンプの2基1組から成り、その作動原理を示す図6、7から明白なように、圧縮機(38)と膨張弁(39)、熱交換器(凝縮器・蒸発器)(40)(41)、冷媒循環路(42)並びに冷媒流路切替え用四方弁(43)を備え、その採熱側が上記採熱回路(2)をなし、負荷側(二次側)が冷/暖房機器(11)の冷/暖房回路(12)をなしている。
そして、上記地中熱採熱管(35)からの採熱により加温された冷媒ガスは、地中熱ヒートポンプユニット(3)の暖房運転時、そのヒートポンプユニット(3)の圧縮機(38)により加圧されて、高温・高圧となり、四方弁(43)を経由して、図6の点線矢印で示す方向へ流動し、負荷側の熱交換器(凝縮器)(40)において冷/暖房回路(12)の熱媒体と熱交換することにより、その熱媒体を昇温させることになる。
その熱交換により排熱した冷媒ガスは、上記熱交換器(凝縮器)(40)において凝縮・液化され、中温・高圧の冷媒液となって、冷媒循環路(42)の膨張弁(39)へ流入し、これにより減圧された低温・低圧の冷媒が、再び採熱側の熱交換器(蒸発器)(41)において採熱回路(2)内の採熱により加温され、ガス状態のもとに上記四方弁(43)を経て、圧縮機(38)へ戻る作動サイクルを繰り返すのである。
他方、同じく地中熱ヒートポンプユニット(3)の冷房運転時には、その熱交換する凝縮器(40)と蒸発器(41)とが上記暖房運転時と反転作用し、図6と対応する図7から明白なように、上記ヒートポンプユニット(3)の圧縮機(38)により加圧された高温・高圧の冷媒ガスは、四方弁(43)を経由して、図7の実線で示す方向へ流動し、採熱側の熱交換器(凝縮器)(40)において採熱回路(2)内の熱媒体と熱交換することにより、その熱媒体を昇温させる。
その際、冷媒ガスは上記熱交換器(凝縮器)(40)において、凝縮・液化され、中温・高圧の冷媒液となって、冷媒循環路(42)の膨張弁(39)へ流入し、これにより減圧された低温・低圧の冷媒が、負荷側の熱交換器(蒸発器)(41)において冷房回路(12)を冷却する。その熱交換器(蒸発器)(41)において加熱された冷媒が、ガス状態のもとに上記四方弁(43)を経由して、圧縮機(38)へ戻る作動サイクルを反復するのである。尚、図6、7に記入した温度の数値は、そのヒートポンプユニット(3)により熱交換される目安となるそれを例示している。
吸着式冷凍機(4)の駆動源となる温水の供給回路(8)は太陽熱集熱回路(1)の途中、特にそのソーラーコレクター(14a)〜(14d)の出口部から折返し部までの往路へ冷凍機用の熱交換器(44)を介して、上記給湯用の熱交換器(20)を有する給湯回路(13)との並列状態に接続されており、その途中に介在する温水循環ポンプ(45)によって、温水を吸着式冷凍機(4)へ供給するようになっている。その冷凍機(4)の吸着材から冷媒蒸気を離脱させる熱源として使用後の温水は、図4の矢印方向(F4)へ帰還することになる。
その場合、上記温水供給回路(8)における吸着式冷凍機(4)への入口部を特に温水ミキシング回路(46)として、ここに別個な温水循環ポンプ(47)と温水バッファータンク(48)、温水の温度センサー(49)並びに比例制御弁(三方弁)(50)も設置して、上記太陽熱集熱回路(1)における熱媒体の温度やバッファータンク(48)内の温水の温度(T8)が予じめの設定温度(例えば70℃)よりも高くなった場合には、冷凍機(4)から帰還する温水と比例制御弁(50)によりミキシングして、その冷凍機(4)へ供給する温水の温度を常時適当な一定に保つことが好ましい。その温水の温度(T8)を検知するための上記温度センサー(49)は、温水供給回路(8)の往路における冷凍機(4)への入口側に設置されている。
先に一言した冷却塔(クーリングタワー)(6)は開放式であり、その冷却塔用の熱交換器(51)と第1、2冷却水供給回路(5a)(5b)を介して、上記吸着式冷凍機(4)と接続されている。(52)(53)は第1、2冷却水供給回路(5a)(5b)の各々途中に介挿設置された第1、2冷却水循環ポンプであり、これらによって冷却塔(6)から上記吸着式冷凍機(4)へ冷却水が供給され、その冷却水に対して冷凍機(4)で発生した吸着熱を吸収させるようになっている。
その吸着熱を吸収して昇温された冷却水は、第2冷却水供給回路(5b)に沿い帰還して、第1冷却水供給回路(5a)からの冷却水と熱交換器(51)を介して再び冷却されることになる。(54)はその第2冷却水供給回路(5b)における復路の途中に設置された温度センサーであり、そこでの冷却水の温度(T9)を検知し、その出力電気信号に基いて上記第1冷却水供給回路(5a)に介在する第1冷却水循環ポンプ(52)の運転を制御するようになっている。
そして、上記地中熱採熱回路(2)における往路の途中、殊更その採熱循環ポンプ(36)の出口部から地中熱ヒートポンプユニット(3)の入口部までの途中は、冷水導出回路(9)を介して上記吸着式冷凍機(4)と接続されている。(55)はその冷水導出回路(9)の途中に介挿設置された冷水循環ポンプである。
つまり、上記吸着式冷凍機(4)によって生成された冷水が図4のように、地中熱ヒートポンプユニット(3)の冷房運転時にそのヒートポンプユニット(3)における作用上放熱回路となる採熱回路(2)へ供給され、地中熱ヒートポンプユニット(3)と吸着式冷凍機(4)の働き(冷房作用)に加えて、太陽熱集熱回路(1)から吸着式冷凍機(4)へ供給される温水によって生成された冷水も利用することにより、優れた冷房性能や省エネ効果などを得られるようになっている。
更に、暖房用昇温バイパス回路(7)の一端部は太陽熱集熱回路(1)の途中、特にその折返し部からソーラーコレクター(14a)〜(14d)の入口部までの復路へ暖房用の熱交換器(56)を介して、上記冷凍機用の熱交換器(44)を有する冷凍機用温水供給回路(8)と分岐した状態(向かい合う状態)に接続されていると共に、同じく昇温バイパス回路(7)の他端部は上記地中熱採熱回路(2)における採熱循環ポンプ(36)の出口部付近に連通接続されている。
その場合、その昇温バイパス回路(7)の途中には昇温循環ポンプ(57)が介挿設置されているほか、上記太陽熱集熱回路(1)における暖房用昇温バイパス回路(7)と冷凍機用温水供給回路(8)との分岐部(太陽熱集熱回路の折返し部)には、その両回路(7)(8)を切り替える冷/暖房切替え用三方弁(10)と、そこ(分岐部/折返し部)での熱媒体の温度(T4)を検知する温度センサー(集熱回路の第3途中温度センサー)(19)とが設置されてもいる。
そして、上記太陽熱集熱回路(1)における折返し部(分岐部)での温度センサー(19)が検知した熱媒体の温度(T4)と、上記地中熱採熱回路(2)の途中温度センサー(37)が検知した熱媒体の温度(T7)とを比較し、その前者の温度(T4)が後者の温度(T7)よりも高い(T4>T7)場合だけに限って、地中熱採熱回路(2)内の熱媒体を昇温循環ポンプ(57)により流動循環させ、太陽熱集熱回路(1)内の熱媒体と熱交換して昇温するようになっている。
(58)は上記昇温バイパス回路(7)における昇温循環ポンプ(57)の入口部に設置された温度センサーであり、そこでの熱媒体の温度(T10)を検知して、その出力電気信号により上記昇温循環ポンプ(57)の運転を制御するようになっている。
つまり、上記太陽熱集熱回路(1)の分岐部(折返し部)にある冷/暖房切替え用三方弁(10)を、その冷凍機用温水供給回路(8)から暖房用昇温バイパス回路(7)へ切り替えて、図3のように地中熱ヒートポンプユニット(3)の暖房運転を行う時、太陽熱集熱回路(1)内の熱媒体がその暖房用昇温バイパス回路(7)から地中熱ヒートポンプユニット(3)の採熱回路(2)へ供給され、その太陽熱を熱源とする熱媒体も利用した地中熱ヒートポンプユニット(3)の働き(暖房作用)により、優れた暖房性能や省エネ効果などを得られるようになっているのである。
本発明のハイブリッド空調システムは上記の構成を具備しており、その運転方法について総括的に言えば、太陽熱の日射がある昼間(7時又は8時〜16時)には、その太陽熱を太陽熱集熱回路(1)によって吸収する。
その太陽熱集熱回路(1)におけるソーラーコレクター(14a)〜(14d)内の熱媒体が、太陽熱の日射を受けて昇温するので、図8に示した太陽熱集熱循環ポンプ(15)の運転フローチャートから明白なように、そのコレクター出口温度センサー(16)によって検知したソーラーコレクター(14a)〜(14d)の出口部における熱媒体の温度(コレクター出口温度)(T1)と、低温度側ストレージタンク(23c)のタンク貯水温度センサー(26c)によって検知した貯水温度(T5c)とを、図外のコントローラーに入力して比較の結果、熱媒体の温度(コレクター出口温度)(T1)が上記タンク貯水温度(T5c)よりも一定温度(例えば5℃)以上高い(T5c+5℃<T1)と判定された場合には、そのコントローラーからの出力電気信号に基き、太陽熱集熱回路(1)の集熱循環ポンプ(15)を運転させて、その熱媒体を太陽熱集熱回路(1)に沿って図2〜4の矢印方向(F1)へ流動循環させる。
上記太陽熱集熱循環ポンプ(15)の運転中、上記熱媒体の温度(コレクター出口温度)(T1)が低温度側ストレージタンク(23c)の貯水温度(T5c)よりも一定温度(例えば3℃)以上高いと判定されるまで低下した場合には、そのコントローラーからの出力電気信号に基いて、上記太陽熱集熱回路(1)の集熱循環ポンプ(15)を停止させる。
そして、上記太陽熱集熱循環ポンプ(15)の運転中、その太陽熱集熱回路(1)における往路の第1途中温度センサー(17)によって検知した熱媒体の温度(T2)と、同じく低温度側ストレージタンク(23c)のタンク貯水温度センサー(26c)によって検知した貯水温度(T5c)とを,やはりコントローラーに入力して比較の結果、熱媒体の温度(集熱回路の往路途中における熱媒体の温度)(T2)が上記タンク貯水温度(T5c)よりも一定温度(例えば5℃)以上高い(T5c+5℃<T2)と判定された場合には、そのコントローラーからの出力電気信号に基き、給湯回路(13)の給湯循環ポンプ(25)を運転させて、その熱媒体を給湯回路(13)に沿って図2、5の矢印方向(F2)へ流動循環させる。
上記給湯循環ポンプ(25)の運転中、次いでそのポンプ(25)の運転フローチャートを示す図9から明白なように、上記低温度側ストレージタンク(23c)の貯水温度(T5c)と、その低温度側ストレージタンク(23c)の入口部における温度センサー(27c)によって検知した熱媒体の温度(T6c)とを、やはりコントローラーに入力して比較の結果、その後者が前者よりも高い(T5c<T6c)と判定された場合には、その低温度側ストレージタンク(23c)の入口部に存在する熱媒体流路切替え用三方弁(28c)を差温制御により、その第1ポート(28c−1)と第2ポート(28c−2)とが連通して、熱媒体が低温度側ストレージタンク(23c)の内部を通過する迂回流動方向へ自づと切り替えて、そのストレージタンク(23c)内の貯水(W)を昇温し始める。
このような温度差の出力電気信号に基く熱媒体流路切替え用三方弁(28c)の自動制御は、中温度側ストレージタンク(23b)の入口部と高温度側ストレージタンク(23a)の入口部に各々存在する熱媒体流路切替え用三方弁(28b)(28a)についても、これらと対応するタンク貯水温度センサー(26b)(26a)やタンク入口温度センサー(27b)(27a)の検知出力電気信号に基き、図10のストレージタンク集熱フローチャートに示す如く、各々その第1ポート(28b−1)(28a−1)と第2ポート(28b−2)(28a−2)とが連通して、やはり熱媒体がストレージタンク(23b)(23a)の内部を通過する迂回流動方向へ切り替え、高温度側ストレージタンク(23a)から低温度側ストレージタンク(23c)への順次に、その内部の給湯用貯水(W)をすべて昇温させるのである。
但し、上記ストレージタンク(23a)〜(23c)の貯水温度(T5a)〜(T5c)と、そのストレージタンク(23a)〜(23c)の入口部における熱媒体の温度(T6a)〜(T6c)とを各々比較の結果、逆に後者が前者と同じか又は前者よりも低い(T5a≧T6a)(T5b≧T6b)(T5c≧T6c)と判定された場合には、その各入口部に対応位置する熱媒体流路切替え用三方弁(28a)〜(28c)を、各々その第1ポート(28a−1)(28b−1)(28c−1)と第3ポート(28a−3)(28b−3)(28c−3)とが連通して、その熱媒体が各々ストレージタンク(23a)〜(23c)の内部を迂回的に通過せず、その貯水(W)を昇温させない流動方向へ切り替える。
上記ストレージタンク(23a)〜(23c)内の給湯用貯水(W)を昇温させる最高限度は、所謂なり行きでの90℃であり、低温度側ストレージタンク(23c)の貯水温度(T5c)と太陽熱集熱回路(1)の往路における熱媒体の温度(T2)とを、コントローラーに入力して比較の結果、その後者が前者よりも一定温度(例えば3℃)以上高く(T5c+3℃<T2)なったと判定された場合には、そのコントローラーからの出力電気信号に基き、給湯回路(13)の給湯循環ポンプ(25)を停止させるのである。
次に、地中熱を熱源とする暖房作用について説明すると、冬期に各種施設(A)の暖房を行うに当っては、図3のように地中熱ヒートポンプユニット(3)を運転して、その地中熱採熱回路(2)の熱媒体を地中熱ヒートポンプユニット(3)から負荷側(二次側)の暖房回路(12)へ流動循環させると共に、太陽熱集熱回路(1)の集熱循環ポンプ(15)も運転する。
そうすれば、地中熱ヒートポンプユニット(3)では図6から明白なように、地中熱採熱回路(2)の冷媒ガスが圧縮機(38)→四方弁(43)→負荷側の交換器(凝縮器)(40)→膨張弁(39)→採熱側の熱交換器(蒸発器)(41)→圧縮機(38)の順序に流動循環することとなる。
他方、太陽熱集熱回路(1)における冷/暖房切替え用三方弁(10)の入口部に存在する温度センサー(集熱回路の第3途中温度センサー)(19)が検知した熱媒体の温度(T4)と、地中熱採熱回路(2)における採熱循環ポンプ(36)の入口部に存在する温度センサー(採熱回路の途中温度センサー)(37)が検知した熱媒体の温度(T7)とを、図外のコントローラーに入力して比較した結果、その太陽熱集熱回路(1)側の熱媒体の温度(T4)が地中熱採熱回路(2)側の熱媒体の温度(T7)よりも高い(T4>T7)と判定された場合には、コントローラーからの出力電気信号に基き上記冷/暖房切替え用三方弁(10)を、その熱媒体が暖房用昇温バイパス回路(7)の熱交換器(56)へ流動する方向(暖房運転方向)に切り替える。
つまり、冷/暖房切替え用三方弁(10)は地中熱ヒートポンプユニット(3)の暖房運転時に、太陽熱の集熱温度と地中熱の採熱温度との差に基いて自動制御(差温制御)され、その後者が前者よりも低ければ、暖房用の昇温バイパス回路(7)と熱交換器(56)を開回路として働かせることにより、地中熱を熱源とする暖房作用に太陽熱も混成(ハイブリッド化)させ、逆に後者が前者よりも高ければ、これらを閉回路として使用しないようになっている。
更に、上記冷/暖房切替え用三方弁(10)が地中熱ヒートポンプユニット(3)の暖房運転へ切り替えられた作用中に、その太陽熱集熱回路(1)における三方弁(10)の入口部に存在する温度センサー(集熱回路の第3途中温度センサー)(19)によって検知された熱媒体の温度(T4)が、予じめの設定温度(例えば17℃)よりも高くなったと判定された場合には、図11に示した昇温循環ポンプ(57)の運転フローチャートから明白なように、そのコントローラーからの出力電気信号に基き、上記昇温バイパス回路(7)の昇温循環ポンプ(57)を運転して、地中熱採熱回路(2)の熱媒体を暖房用熱交換器(56)により、太陽熱集熱回路(1)の熱媒体と熱交換させて昇温する。
そして、太陽熱集熱回路(1)における往路の途中に存在する温度センサー(集熱回路の第1途中温度センサー)(17)が検知した熱媒体の温度(T2)と、上記昇温バイパス回路(7)における昇温循環ポンプ(57)の入口部に存在する温度センサー(昇温バイパス回路の途中温度センサー)(58)が検知した熱媒体の温度(T10)とを、コントローラーにより比較した結果、その熱媒体の温度(太陽熱の集熱温度)(T2)が熱媒体の温度(地中熱の採熱温度)(T10)より一定温度(例えば5℃)以上低下したと判定された場合には、その昇温バイパス回路(7)の昇温循環ポンプ(57)を停止させる。地中熱を熱源とする暖房作用を、太陽熱を熱源とする熱媒体によって補完(バックアップ)する必要性が、もはや無くなった状態を意味する。
更に、地中熱を熱源とする冷房作用について説明すると、夏期に各種施設(A)の冷房を行うに当っては、図4のようにやはり地中熱ヒートポンプユニット(3)を運転して、その地中熱採熱回路(2)の熱媒体を地中熱ヒートポンプユニット(3)から負荷側(二次側)の冷房回路(12)へ流動循環させると共に、やはり太陽熱集熱回路(1)の集熱循環ポンプ(15)も運転する。
そうすれば、地中熱ヒートポンプユニット(3)では図7から明白なように、地中熱採熱回路(2)の冷媒ガスが圧縮機(38)→四方弁(43)→採熱側の熱交換器(凝縮器)(40)→膨張弁(39)→負荷側の熱交換器(蒸発器)(41)→圧縮機(38)の順序に流動循環することになる。
他方、太陽熱集熱回路(1)の冷/暖房切替え用三方弁(10)は地中熱ヒートポンプユニット(3)の冷房運転へ切り替えられて、上記暖房用熱交換器(56)と昇温バイパス回路(7)の不使用状態にあり、太陽熱集熱回路(1)の熱媒体が冷凍機用の温水供給回路(8)を流動循環する吸着式冷凍機(4)の冷媒(水)と熱交換して、その冷媒(水)を昇温させるようになっている。
つまり、太陽熱集熱回路(1)における往路の途中に存在する温度センサー(集熱回路の第1途中温度センサー)(17)によって検知された熱媒体の温度(T2)が、一定温度(冷凍機へ供給する最低温度)(例えば60℃)以上の高温であると判定された場合には、その判定したコントローラーからの出力電気信号に基いて、吸着式冷凍機(4)とその冷凍機用温水供給回路(8)の温水循環ポンプ(45)並びに冷却塔(6)を悉く運転する。
そうすれば、運転中の吸着式冷凍機(4)では詳細を図示省略するが、その常法としての作用原理に基いて、固体吸着材(ゼオライト)の塗布された熱交換器に対し、温水供給回路(8)からの温水と冷却水供給回路(5a)(5b)からの冷却水とが、一定時間毎(例えば5分毎)の交互に通されて、冷房サイクルを構築し、連続して冷水が生成されることになる。
その冷水は上記冷凍機(4)から冷水導出回路(9)を経て、地中熱採熱回路(2)の途中に供給され、その地中熱採熱回路(2)の熱媒体を冷却する。地中熱ヒートポンプユニット(3)の冷房運転時にはその地中熱採熱回路(2)が作用上放熱回路となり、その放熱回路(2)の熱媒体が上記冷凍機(4)からの冷水によって冷却されるのである。
上記冷却塔(6)の運転中、その第2冷却水供給回路(5b)における復路の途中に介在する温度センサー(54)によって検知された冷却水の温度(T9)が、図12の運転フローチャートに示す如く、予じめの設定温度(例えば30℃)よりも高くなったと判定された場合には、その判定したコントローラーからの出力電気信号に基き、上記第1冷却水供給回路(5a)の第1冷却水循環ポンプ(52)を運転して、その高温化した冷却水を冷却塔(6)からの冷却水により冷却する。
他方、上記冷凍機用温水供給回路(8)内の温水は図13の運転フローチャートに示すように、その冷凍機(4)へ供給する最低温度(先に例示した約60℃)以上の高温であれば、その温水供給回路(8)を温水循環ポンプ(45)によって流動循環されているが、上記冷凍機(4)の入口部に存在する温度センサー(49)によって、その温水の温度(T8)が上記最低温度(先に例示した60℃)よりも低下したと判定された場合には、温水供給回路(8)の温水循環ポンプ(45)を停止させる。
更に、温水供給回路(8)における吸着式冷凍機(4)の入口部へ上記温水ミキシング回路(46)を設置した場合、その温度センサー(49)により検知された温水の温度(T8)が、適正な最高温度(例えば70℃)を超えたと判定されたときに、別個な温水循環ポンプ(47)や比例制御弁(50)を働かせて、冷凍機(4)から帰還する温水とミキシングすることにより、その冷凍機(4)へ供給する温水の温度(T8)を自づと低下させることができる。
尚、上記冷却塔(6)とその第1冷却水供給回路(5a)の第1冷却水循環ポンプ(52)が運転中に、上記第2冷却水供給回路(5b)の温度センサー(54)によって検知された冷却水の温度(T9)が、一定温度(例えば25℃)以下に低下した場合、その冷却塔(6)並びに上記第1冷却水循環ポンプ(52)の運転は停止されるようになっている。
また、上記吸着式冷凍機(4)とその温水供給回路(8)の温水循環ポンプ(45)(47)が運転中に、上記太陽熱集熱回路(1)における往路の第1途中温度センサー(17)によって検知された熱媒体の温度(T2)が、その上記一定温度(先に例示した60℃)以下に低下した場合、その冷凍機(4)と上記温水循環ポンプ(45)(47)並びに冷却塔(6)の運転はすべて停止されることになる。
以上のように、本発明のハイブリッド空調システムでは地中熱ヒートポンプユニット(3)の暖房運転時に、その地中熱採熱回路(2)により採熱された熱媒体の温度が太陽熱集熱回路(1)により集熱された熱媒体の温度よりも低ければ、その後者の熱媒体を暖房用昇温バイパス回路(7)から地中熱ヒートポンプユニット(3)の採熱回路(2)へ供給して、その熱媒体の温度を昇温させるようになっているため、地中熱のみならず太陽熱も同時に利用して、そのヒートポンプユニット(3)による各種施設(A)の暖房性能を著しく向上させることができ、省エネ効果にも優れる。
また、同じく地中熱ヒートポンプユニット(3)の冷房運転時には、太陽熱集熱回路(1)により集熱された熱媒体を冷凍機用温水供給回路(8)から吸着式冷凍機(4)へ供給する一方、その冷凍機(4)へ冷却塔(6)から冷却水を供給して、冷凍機(4)により製造した冷水を冷水導出回路(9)から、上記地中熱ヒートポンプユニット(3)における作用上放熱回路として働く地中熱採熱回路(2)へ供給して、その熱媒体を冷却するようになっているため、やはり地中熱のみならず太陽熱も同時に有効利用して、そのヒートポンプユニット(3)による各種施設(A)の冷房性能並びに省エネ効果を著しく向上させることができる。
その結果、本発明のハイブリッド空調システムを基本的なエネルギープラントとして施工し、上記各種施設(A)と別に増設した各種施設(図示省略)まで、その空調システムの地中熱採熱回路(2)や給湯回路(13)を延長して、上記地中熱ヒートポンプユニット(3)と吸着式冷凍機(4)並びに冷却塔(6)を増設することなく、これらを兼用して別な各種施設の給湯や冷/暖房を行うことも可能である。
しかも、本発明のハイブリッド空調システムでは太陽熱集熱回路(1)に冷凍機用温水供給回路(8)と並列する状態の給湯回路(13)も接続しており、上記地中熱ヒートポンプユニット(3)による冷房運転又は暖房運転と同時に給湯運転も行うことができるようになっているため、給湯用の貯水(W)を昇温させるストレージタンク(23a)(23b)(23c)の設置とも相俟って、昼夜を問わない給湯も得られるのである。
また、図1に示した実施形態では図3、4の熱媒体流動方向から明白なように、暖房用昇温バイパス回路(7)の他端部と吸着式冷凍機(4)からの冷水導出回路(9)とが、何れも地中熱採熱回路(2)における往路の途中に連通接続されているけれども、図1と対応する図14の部分変形実施形態に示す如く、その暖房用昇温バイパス回路(7)と冷水導出回路(9)とを何れも、同じく地中熱採熱回路(2)における復路の途中へ連通接続しても良い。その両回路(7)(9)を地中熱ヒートポンプユニット(3)の採熱回路(2)に接続したことに変りはなく、本発明の上記作用・効果を同様に達成できるからである。
尚、比例制御弁(50)と温水バッファータンク(48)並びに温度センサー(49)などから成るミキシング回路(46)を、温水供給回路(8)における吸着式冷凍機(4)の入口部へ設置した構成について説示したが、そのミキシング回路(46)が無い図15のような温水供給回路(8)を採用してもさしつかえない。
(1)・太陽熱集熱回路
(2)・地中熱採熱回路
(3)・地中熱ヒートポンプユニット
(4)・吸着式冷凍機
(5a)(5b))・第1、2冷却水供給回路
(6)・冷却塔
(7)・(暖房用)昇温バイパス回路
(8)・(冷凍機用)温水供給回路
(9)・冷水導出回路
(10)・冷/暖房切替え用三方弁
(13)・給湯回路
(14a)(14b)(14c)(14d)・ソーラーコレクター
(15)・太陽熱集熱循環ポンプ
(16)・コレクター出口温度センサー
(17)・集熱回路の第1途中温度センサー
(18)・集熱回路の第2途中温度センサー
(19)・集熱回路の第3途中温度センサー
(20)・給湯用熱交換器
(23a)(23b)(23c)・ストレージタンク
(25)・給湯循環ポンプ
(34)・ガス給湯器
(35)・地中熱採熱管
(36)・地中熱採熱循環ポンプ
(38)・圧縮機
(39)・膨張弁
(40)・熱交換器(凝縮器)
(41)・熱交換器(蒸発器)
(42)・冷媒循環路
(43)・冷媒流路切替え用四方弁
(44)・冷凍機用熱交換器
(45)・温水循環ポンプ
(46)・温水ミキシング回路
(48)・バッファータンク
(49)・温度センサー
(50)・比例制御弁
(51)・冷却塔用熱交換器
(52)・第1冷却水循環ポンプ
(53)・第2冷却水循環ポンプ
(54)・温度センサー
(55)・冷水循環ポンプ
(56)・暖房用熱交換器
(57)・昇温循環ポンプ
(58)・温度センサー
(A)・各種施設
(W)・タンクの貯水
(F1)(F2)(F3)(F4)・流動方向

Claims (3)

  1. 太陽熱を吸収する集熱回路と、
    地中熱を吸収する採熱回路と、
    その採熱回路に接続されて、地中熱を熱源とする熱媒体により冷/暖房すべく、圧縮機と凝縮器、蒸発器、膨張弁並びに四方切替え弁を有する地中熱ヒートポンプユニットと、
    吸着式冷凍機並びにその冷凍機へ冷却塔から冷却水を供給する冷却水供給回路とを備え、
    上記太陽熱の集熱回路と地中熱の採熱回路とを、暖房用の熱交換器と昇温バイパス回路を介して接続する一方、
    同じく太陽熱の集熱回路と上記冷凍機とを、冷凍機用の熱交換器と温水供給回路を介して接続すると共に、
    その温水供給回路からの温水と上記冷却水供給回路からの冷却水を受けて、冷凍機により生成された冷水の導出回路を、上記地中熱ヒートポンプユニットの採熱回路に接続して、
    上記太陽熱の集熱回路における暖房用昇温バイパス回路と冷凍機用温水供給回路との分岐部に介挿設置した冷/暖房切替え用三方弁を、上記地中熱ヒートポンプユニットの暖房運転へ切り替えた時に、その地中熱の採熱温度が太陽熱の集熱温度よりも低ければ、太陽熱を熱源とする熱媒体を上記暖房用昇温バイパス回路からヒートポンプユニットの採熱回路へ供給し、
    上記冷/暖房切替え用三方弁を地中熱ヒートポンプユニットの冷房運転へ切り替えた時には、同じく太陽熱を熱源とする熱媒体を上記冷凍機用温水供給回路から冷凍機へ、その冷凍機から更に冷水導出回路を経て地中熱ヒートポンプユニットの放熱回路へ供給することを特徴とするハイブリッド空調システム。
  2. 太陽熱を熱源とする熱媒体によって、ストレージタンク内の貯水を昇温させる給湯用の熱交換器と給湯回路を、太陽熱の集熱回路へ冷凍機用の熱交換器及び温水供給回路との並列状態に接続して、
    地中熱ヒートポンプユニットによる冷房運転又は暖房運転と同時に給湯運転も行えるように定めたことを特徴とする請求項1記載のハイブリッド空調システム。
  3. 吸着式冷凍機への温水供給回路に、その温水の温度を一定に保つための比例制御弁と温度センサー、温水バッファータンク並びに温水循環ポンプを介挿設置したことを特徴とする請求項1記載のハイブリッド空調システム。
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