JP2017161115A - 空調給湯システム - Google Patents
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Abstract
Description
このような空調給湯システムにおいては、空調用冷媒が循環する冷凍サイクルと給湯用冷媒が循環する冷凍サイクルとは、カスケード熱交換器において熱的に接続された、いわゆる二元冷凍サイクルを形成している。
従来の空調給湯システムとして、例えば、圧縮機と第1熱交換器と膨張機構と第2熱交換器とが接続されるとともに二酸化炭素冷媒が充填された給湯用冷媒回路を備えた給湯装置において、第1熱交換器を温水生成用の熱交換器とし、第2熱交換器をカスケード熱交換器にして、給湯装置をユニット化するようにした技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
ここで、空調用冷媒が循環する冷凍サイクルの凝縮温度Tvcが30℃のときは、二酸化炭素が循環する冷凍サイクルの蒸発温度Teは、Tvcと10Kの温度差を保つようTe=20℃(二酸化炭素の蒸発圧力5.7MPaに相当)となる。
給湯用圧縮機の吸入過熱度は、圧縮機の信頼性を損なう液バックが生じず、かつ冷凍サイクルの性能が高い5K、すなわち圧縮機の吸入温度が25℃となるようにする。
その結果、給湯用圧縮機の吸込み冷媒は圧力5.7MPa、温度25℃、密度170kg/m3となり、給湯用圧縮機で等エントロピー変化で圧縮されたのち、吐出冷媒は温度Td100℃の状態で圧力は15.0MPa、密度は332kg/m3となる。
すなわち、空調用冷媒が循環する冷凍サイクルの凝縮温度Tvcが30℃のときの給湯用圧縮機の吸入冷媒の密度は、凝縮温度Tvcが55℃のときの給湯用圧縮機の吸入冷媒の密度と比較して低くなる。
また、空調用冷媒が循環する冷凍サイクルの凝縮温度Tvcが30℃のときの給湯用圧縮機の吐出冷媒の密度は、凝縮温度Tvcが55℃のときの給湯用圧縮機の吐出冷媒の密度と比較して高くなる。
例えば、空調用冷媒が循環する冷凍サイクルの凝縮温度Tvcが30℃で、かつ給湯用圧縮機の吐出冷媒の温度が100℃となるように二酸化炭素が封入されている状態のときに、空調用冷媒が循環する冷凍サイクルに接続している室内機の運転台数が減るなどして、凝縮温度Tvcが55℃に急激に上昇する場合について考える。
例えば、空調用冷媒が循環する冷凍サイクルの凝縮温度Tvcが55℃で、かつ給湯用圧縮機の吐出冷媒の温度が100℃となるように二酸化炭素が封入されている状態のときに、空調用冷媒が循環する冷凍サイクルに接続している室内機の運転台数が減るなどして、凝縮温度Tvcが30℃に急激に下降する場合について考える。
本発明は、前記課題を解決するものであり、空調用冷媒が循環する冷凍サイクルの凝縮温度Tcvが変動した場合においても、給湯用圧縮機の耐久性を損なうことがなく、信頼性を向上させることができる空調給湯システムを提供することを目的とする。
これにより、第2冷凍サイクルの凝縮温度Tvcによらず、第1冷凍サイクルの吐出温度Tdの過昇が生じないため圧縮機の耐久性を損なうことがなく、第1冷凍サイクルの信頼性を向上させることができる。
図1は、本発明の実施形態に係る空調給湯システムのサイクル構成図である。
図1に示す空調給湯システムは、室外ユニット10と、室内機30と、熱生成ユニット40とを備えている。本実施形態においては、1台の室外ユニット10に対して、2台の室内機30、1台の熱生成ユニット40がそれぞれ接続された構成となっている。なお、冷凍サイクル構成に関しては、図1に示したものに限定されない。例えば、室外ユニット10は2台以上、室内機30も1台もしくは3台以上、熱生成ユニット40も2台以上、並列に接続可能である。
室外ユニット10と室内機30とは、高温高圧のガス化した空調用冷媒が流れるガス管25と、低圧の空調用冷媒が流れる吸入管26と、高圧の液化した空調用冷媒が流れる液管27とで接続されている。室内機30が、図1に示すように2台存在するときは、室内機30は3本の配管に対して並列に接続される。一方、室外ユニット10と熱生成ユニット40とは、室内機30と同じく配管に対し並列に接続されるが、ガス管25と液管27とで接続されている。
室外ユニット10は、室外熱交換器16に供給する空調用冷媒の流量を調整する室外冷媒流量調整弁18と、ガス管25における空調用冷媒の流量を制御する室外ガス管開閉弁19と、吸入管26における空調用冷媒の流量を制御する室外吸入管開閉弁20とをそれぞれ備えている。
また、室内機30は、ガス管25との空調用冷媒の流通の有無を制御する室内ガス管開閉弁34と、吸入管26との空調用冷媒の流通の有無を制御する室内吸入管開閉弁35とを備えている。
また、熱生成ユニット40は、ガス管25から供給される空調用冷媒と給湯用冷媒とが熱交換するカスケード熱交換器44と、カスケード熱交換器44に供給する空調用冷媒の流量を調整する熱生成ユニット冷媒流量調整弁45(第2冷媒流量制御装置)と、給湯用熱交換器42に熱媒体を供給する熱媒体ポンプ46とを備えている。
また、カスケード熱交換器44と、熱生成ユニット冷媒流量調整弁45とを直列に接続した第1回路201と、室内熱交換器31と、室内熱交換器31に供給する室内冷媒流量調整弁33とを直列に接続した少なくとも1つの第2回路202と、第1回路201と第2回路202とを並列に接続した熱負荷回路を、空調用圧縮機11と、室外熱交換器16とに接続して第2冷凍サイクル200が構成される。
図2は、本実施形態における熱生成ユニット40の内部構造を示す平面図、図3は、熱生成ユニット40の内部構造を示す正面図である。
熱生成ユニット40には、給湯用圧縮機41と給湯用熱交換器42と給湯用冷媒流量調整弁43とカスケード熱交換器44とで形成される冷凍サイクルと、熱生成ユニット冷媒流量調整弁45と熱媒体ポンプ46とがケーシング50に格納されている。
また、給湯用熱交換器42には、例えば、プレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器などを用いてもよい。また、カスケード熱交換器44には、例えば、プレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器が用いられる。
また、給湯用熱交換器42も底板部材51に固定されており、カスケード熱交換器44は、給湯用熱交換器42の上面に固定されている。
また、熱媒体ポンプ46は、図2に示すように、ケーシング50の背面側の側板部材53に固定されており、熱媒体ポンプ46の下端面は、カスケード熱交換器44の下端面より低い位置となるように設置されている。
なお、カスケード熱交換器44は、必ずしも給湯用熱交換器42を囲う構成部材と接する必要はない。この場合、カスケード熱交換器44とその周りの断熱材は、それらの重量を支えるだけの十分な強度を持つ構成部材で囲った上で、熱生成ユニット40の側面部材52に固定される。
このように、熱媒体が流れる経路(熱媒体配管63→熱媒体ポンプ46→熱媒体配管64→給湯用熱交換器42→熱媒体配管65)には、樹脂材料と銅が混在し、異なる材料同士の接続部分が存在する。この熱媒体ポンプ接続部66には、シール材(図示せず)を挟み込んで固定し、熱媒体の漏れが無いようにしている。
そのため、90℃の高温湯を生成するときの給湯用圧縮機41の吐出冷媒の温度100℃に対して、10K高い110℃を給湯用圧縮機41の信頼性が確保できる上限の温度、すなわち使用上限温度として設定するのが一般的であり、圧縮機の信頼性を確保するためには使用上限温度以下で運転する必要がある。
図4は、第2冷凍サイクル200の凝縮温度が30℃と55℃における第1冷凍サイクル100のp−h線図である。図3中横軸は二酸化炭素の比エンタルピーで、縦軸は二酸化炭素の圧力である。
501は冷媒状態遷移500における給湯用圧縮機41の吸込み冷媒の状態、502は給湯用圧縮機41の吐出冷媒の状態、503は給湯用冷媒流量調整弁43の入口冷媒の状態、504は給湯用冷媒流量調整弁43の出口冷媒の状態である。
また、540は二酸化炭素の100℃等温線、550は二酸化炭素の110℃等温線である。また、560は二酸化炭素の飽和線である。
まず、501の冷媒状態から決定する。第1冷凍サイクル100における二酸化炭素の蒸発温度Teは、第2冷凍サイクル200の凝縮温度Tvc=30℃に対して10Kの温度差を保つことを考慮すると20℃となる。よって、501の冷媒圧力は、蒸発温度Te=20℃から圧力換算すると5.7MPaとなる。一方、501の冷媒温度は、第1冷凍サイクル100における二酸化炭素の蒸発温度Te20℃に、給湯用圧縮機41の吸入過熱度5Kを足した25℃である。したがって、501の冷媒密度は、NISTのRefprop Ver.9.0の冷媒物性値を引用し、170kg/m3となる。
次に、504の冷媒状態を決定する。504の冷媒圧力は、501と同じ圧力の5.7MPaである。503から504に至る膨張過程においては、比エンタルピーは変化しないと仮定すると、504の冷媒温度と冷媒密度は、NISTのRefprop Ver.9.0の冷媒物性値を引用し、冷媒温度は15℃、冷媒密度は838kg/m3となる。
このとき、第1冷凍サイクル100の回路内に適正な冷媒量Mrefは、低圧側、高圧側における冷媒流路の断面積がそれぞれ一定であると仮定すると、低圧側回路内容積Veと高圧側回路内容積Vcと高圧側平均冷媒密度と低圧側平均冷媒密度との積として算出できる。冷媒状態遷移500において、第1冷凍サイクル100の回路内に適正な冷媒量Mref500は、618Vc+504Veであり、冷媒状態遷移510において、第1冷凍サイクル100の回路内に適正な冷媒量Mref510は577Vc+513Veである。
すなわち、低圧側回路内容積Veと高圧側回路内容積Vcとの容積比率Ve/Vc=4.6である第1冷凍サイクル100の回路内に二酸化炭素を冷媒量Mref500封入すると、給湯用熱交換器42に供給される熱媒体温度が10℃のとき、第2冷凍サイクル200における空調用冷媒の凝縮温度Tvcが30℃および55℃において、給湯用圧縮機41の吐出冷媒の温度Tdはいずれも100℃となり、90℃の高温の熱媒体を生成するために必要な100℃以上かつ、圧縮機使用上限温度の110℃以内に収まる。
ここで、521は冷媒状態遷移515の給湯用圧縮機41の吸込み冷媒の状態、522は給湯用圧縮機41の吐出冷媒の状態、523は給湯用冷媒流量調整弁43の入口冷媒の状態、524は給湯用冷媒流量調整弁43の出口冷媒の状態である。
まず、521冷媒状態を決定する。521の冷媒状態は、511の冷媒状態と等しく、圧力7.4MPa、温度54℃、密度180kg/m3である。
ここで、Mref500とMref520が等しくなる低圧側回路内容積Veと高圧側回路内容積Vcとの容積比率Ve/Vcを求めると、(618−594)/(516−504)=2.1となる。
ここで、531は冷媒状態遷移530の給湯用圧縮機41の吸込み冷媒の状態、532は給湯用圧縮機41の吐出冷媒の状態、533は給湯用冷媒流量調整弁43の入口冷媒の状態、534は給湯用冷媒流量調整弁43の出口冷媒の状態である。
まず、531冷媒状態を決定する。531の冷媒状態は、501の冷媒状態と等しく、圧力5.7MPa、温度25℃、密度171kg/m3である。
次に、532の冷媒状態を決定する。532は、531の冷媒状態から給湯用圧縮機41で断熱圧縮した後の状態で、その温度は110℃である。断熱圧縮の過程では、比エントロピーは変化しないと仮定すると、532の冷媒圧力と冷媒密度は、NISTのRefprop Ver.9.0の冷媒物性値を引用し、冷媒圧力は17.0MPa、冷媒密度は357kg/m3となる。
ここで、Mref500とMref530が等しくなる低圧側回路内容積Veと高圧側回路内容積Vcとの容積比率Ve/Vcを求めると、(638−577)/(513−506)=8.7となる。
図5は、給湯用熱交換器42に供給される熱媒体の温度10℃における第1冷凍サイクル100の低圧側回路内容積Veと高圧側回路内容積Vcとの容積比率Ve/Vcと給湯用圧縮機41の吐出冷媒の温度との関係図である。
図5において、横軸は、低圧側回路内容積Veと高圧側回路内容積Vcとの容積比率Ve/Vcであり、縦軸は、第2冷凍サイクル200における空調用冷媒の凝縮温度Tvcが30℃のときの給湯用圧縮機41の吐出冷媒の温度Tdである。
614の右側は、第2冷凍サイクル200における空調用冷媒の凝縮温度Tvcが55℃のとき給湯用圧縮機41の吐出冷媒の温度Tdが110℃以下となる。
615の左側は、第2冷凍サイクル200における空調用冷媒の凝縮温度Tvcが55℃のとき、給湯用圧縮機41の吐出冷媒の温度Tdが100℃以上となる。
また、616と617に挟まれた領域は、第2冷凍サイクル200における空調用冷媒の凝縮温度Tvcが30℃のとき、給湯用圧縮機41の吐出冷媒の温度Tdが100℃以上、110℃以下となる領域である。
給湯用熱交換器42に供給される熱媒体温度5℃のときは、図6に示すように、第1冷凍サイクル100の低圧側回路内容積Veと高圧側回路内容積Vcとの容積比率をVe/Vc=0.6〜4.0とすることで、第2冷凍サイクル200の凝縮温度Tvcが30℃から55℃に変化する場合に、いずれの凝縮温度条件下においても、給湯用圧縮機41の吐出冷媒の温度Tdが100〜110℃の範囲となり、給湯用圧縮機41の使用上限吐出温度以下となる。
給湯用熱交換器42に供給される熱媒体温度19℃のときは、図7に示すように、第1冷凍サイクル100の低圧側回路内容積Veと高圧側回路内容積Vcとの容積比率をVe/Vc=0.9〜10.1とすることで、第2冷凍サイクル200の凝縮温度Tvcが30℃から55℃に変化する場合に、いずれの凝縮温度条件下においても、給湯用圧縮機41の吐出冷媒の温度Tdが100〜110℃の範囲となり、給湯用圧縮機41の使用上限吐出温度以下となる。
給湯用熱交換器42に供給される熱媒体温度20℃のときは、図8に示すように、第1冷凍サイクル100の低圧側回路内容積Veと高圧側回路内容積Vcとの容積比率をVe/Vc=0.6〜3.9とすることで、第2冷凍サイクル200の凝縮温度Tvcが30℃から55℃に変化する場合に、いずれの凝縮温度条件下においても、給湯用圧縮機41の吐出冷媒の温度Tdが100〜110℃の範囲となり、給湯用圧縮機41の使用上限吐出温度以下となる。
給湯用熱交換器42に供給される熱媒体温度30℃のときは、図9に示すように、第1冷凍サイクル100の低圧側回路内容積Veと高圧側回路内容積Vcとの容積比率をVe/Vc=0.2〜0.9とすることで、第2冷凍サイクル200の凝縮温度Tvcが30℃から55℃に変化する場合に、いずれの凝縮温度条件下においても、給湯用圧縮機41の吐出冷媒の温度Tdが100〜110℃の範囲となり、給湯用圧縮機41の使用上限吐出温度以下となる。
熱生成ユニット40に到達した空調用冷媒は、カスケード熱交換器44にて二酸化炭素を加熱し、自身は冷却されて液化した後、熱生成ユニット冷媒流量調整弁45を経由して、液管27に流入し、室外ユニット10に戻る。
室外ユニット10に戻った液冷媒は、室外冷媒流量調整弁18で減圧した後、室外熱交換器16にて蒸発する。気化した空調用冷媒は室外吸入管開閉弁20を経由して、アキュムレータ12、空調用圧縮機11に戻る。
熱生成ユニット40に到達した空調用冷媒は、カスケード熱交換器44にて二酸化炭素を加熱し、自身は冷却されて液化した後、熱生成ユニット冷媒流量調整弁45を経由して、液管27に流入する。
室外ユニット10に戻った液冷媒は、室外冷媒流量調整弁18で減圧した後、室外熱交換器16にて蒸発する。気化した空調用冷媒は室外吸入管開閉弁20を経由して、アキュムレータ12、空調用圧縮機11に戻る。
熱生成ユニット40に到達した空調用冷媒は、カスケード熱交換器44にて二酸化炭素を加熱し、自身は冷却されて液化した後、熱生成ユニット冷媒流量調整弁45を経由して、液管27に流入する。
前述したように、熱媒体が流れる経路(熱媒体配管63→熱媒体ポンプ46→熱媒体配管64→給湯用熱交換器42→熱媒体配管65)には、樹脂材料と銅が混在し、異なる材料同士の接続部分が存在する。
その結果、空調用冷媒が循環する冷凍サイクルの凝縮温度Tvcによらず、第1冷凍サイクル100の給湯用圧縮機41の吐出温度Tdは給湯用圧縮機41の使用上限吐出温度以下の範囲内で運転されるため、給湯用圧縮機41の耐久性を損なうことがなく、第1冷凍サイクル100の信頼性を向上させることができる。
11 空調用圧縮機
16 室外熱交換器
30 室内機
31 室内熱交換器
40 熱生成ユニット
41 給湯用圧縮機
42 給湯用熱交換器
43 給湯用冷媒流量調整弁
44 カスケード熱交換器
45 熱生成ユニット冷媒流量調整弁
46 熱媒体ポンプ
100 第1冷凍サイクル
200 第2冷凍サイクル
201 第1回路
202 第2回路
500 第2冷凍サイクルの凝縮温度Tvcが30℃で、給湯用圧縮機の吐出冷媒の温度Tdが100℃のときの第1冷凍サイクルの冷媒状態遷移
510 第2冷凍サイクルの凝縮温度Tvcが55℃で、給湯用圧縮機の吐出冷媒の温度Tdが100℃のときの第1冷凍サイクルの冷媒状態遷移
520 第2冷凍サイクルの凝縮温度Tvcが55℃で、給湯用圧縮機の吐出冷媒の温度が110℃のときの第1冷凍サイクルにおける冷媒状態遷移
530 第2冷凍サイクルの凝縮温度Tvcが30℃で、給湯用圧縮機の吐出冷媒の温度が110℃のときの第1冷凍サイクルにおける冷媒状態遷移
540 二酸化炭素の100℃等温線
550 二酸化炭素の110℃等温線
560 二酸化炭素の飽和線
Claims (1)
- 二酸化炭素を圧縮する給湯用圧縮機と、前記二酸化炭素と給湯用熱媒体とを熱交換させる給湯用熱交換器と、前記二酸化炭素と空調用冷媒とを熱交換させるカスケード熱交換器と、を備えた第1冷凍サイクルと、
前記カスケード熱交換器と、前記カスケード熱交換器に供給する前記空調用冷媒の流量を制御する第2冷媒流量制御装置とを直列に接続した第1回路と、前記空調用冷媒と室内空気とが熱交換する室内熱交換器と、前記室内熱交換器に供給する前記空調用冷媒の流量を制御する第3冷媒流量制御装置とを直列に接続した少なくとも1つの第2回路と、前記第1回路と前記第2回路とを並列に接続した熱負荷回路を、前記空調用冷媒を圧縮する空調用圧縮機と、室外熱交換器とに接続した第2冷凍サイクルと、
を備えた空調給湯システムにおいて、
前記第1冷凍サイクルの低圧側回路内容積Veと高圧側回路内容積Vcとの容積比率をVe/Vc=0.2〜10.1とすることを特徴とする空調給湯システム。
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