JP2020197340A - ヒートポンプシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】地中熱を利用した温調システムとして用いられるヒートポンプにおいて、ヒートポンプの間欠運転の防止とピーク負荷時の出力不足との両方を解消可能とする。【解決手段】居住空間側循環液が、室内機4、循環液貯留タンク3、ヒートポンプ2の順に循環する間欠運転防止モードと、ヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液を循環液貯留タンク3に供給し、循環液貯留タンク3から排出された居住空間側循環液をヒートポンプ2に供給する蓄熱モードと、循環液貯留タンク3から排出された居住空間側循環液とヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液とを室内機4に供給し、室内機4から排出された居住空間側循環液の一部をヒートポンプ2に供給すると共に室内機4から排出された居住空間側循環液の残部を循環液貯留タンク3に返流するピーク運転モードとに切替可能な流路切替機構5を備えている。【選択図】図2
Description
本発明は、ヒートポンプシステムに関するものである。
近年、地中熱を利用して室内等の空調や給湯を行う温調システムが提案されている。このような温調システムは、例えば特許文献1に開示されたようなヒートポンプシステムを応用することで実現することが考えられる。ヒートポンプシステムを用いて地中熱を利用する場合には、ヒートポンプによって地中熱を回収し、ヒートポンプによって回収された地中熱によって熱媒を温調し、温調された熱媒を地中熱の利用側に設置された熱交換器に供給することによって空調や給湯を行うことができる。
ところで、ヒートポンプシステムを用いた地中熱利用の温調システムでは、第1にヒートポンプの間欠運転によるエネルギ効率の低下が問題となる。このような問題は、地中熱の利用側において地中熱の利用を停止した場合に、地中熱がヒートポンプ内部の冷媒に蓄積され、冷媒温度が閾値を超えてヒートポンプが停止することで生じる。例えば、ヒートポンプシステムによって室内の冷房を行っている場合に、室内の温度が設定温度を下回ると、室内機(熱交換器)での熱交交換が停止する。この場合、ヒートポンプで回収された冷熱が室内に供給されずにヒートポンプ内の冷媒に蓄積され、冷媒の温度がヒートポンプの定格温度を下回ることでヒートポンプが停止する。一方、室内の温度が設定温度を上回ると室内機での熱交換が再開され、冷熱が室内に供給されることでヒートポンプが再運転される。このような動作を繰り返すことでヒートポンプが間欠運転となり、圧縮機の運転状態が短期間で大きく変化すること等でエネルギ効率が低下する。
さらに、ヒートポンプシステムを用いた地中熱利用の温調システムでは、第2にピーク負荷における出力不足が問題となる。温調システムにおいてピーク負荷となる期間は長くない。このため、ピーク負荷時に合わせた出力のヒートポンプを設置した場合には、ヒートポンプの能力が過剰である期間が長くなる。一方で、通常運転時に合わせた出力のヒートポンプを有するヒートポンプシステムを用いると、上述のようにピーク負荷にいて出力不足となる。
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、地中熱を利用した温調システムとして用いられるヒートポンプにおいて、ヒートポンプの間欠運転の防止とピーク負荷時の出力不足との両方を解消可能とすることを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
第1の発明は、ヒートポンプシステムであって、回収した地中熱を循環液に伝達するヒートポンプと、上記循環液を一時的に貯留する循環液貯留タンクと、上記循環液の熱量を外部に供給する熱供給部とを有し、上記循環液が、上記熱供給部、上記循環液貯留タンク、上記ヒートポンプの順に循環する間欠運転防止モードと、上記ヒートポンプから排出された上記循環液の少なくとも一部を上記循環液貯留タンクに供給し、上記循環液貯留タンクから排出された上記循環液の少なくとも一部を上記ヒートポンプに供給する蓄熱モードと、上記循環液貯留タンクから排出された上記循環液と上記ヒートポンプから排出された上記循環液とを上記熱供給部に供給し、上記熱供給部から排出された上記循環液の一部を上記ヒートポンプに供給すると共に上記熱供給部から排出された上記循環液の残部を上記循環液貯留タンクに返流するピーク運転モードとに上記循環液の流路を切替可能とする流路切替機構を備えるという構成を採用する。
第2の発明は、上記第1の発明において、上記流路切替機構が、上記蓄熱モードとして、上記ヒートポンプから排出された上記循環液の全部を上記循環液貯留タンクに供給し、上記循環液貯留タンクから排出された上記循環液の全部を上記ヒートポンプに供給する全量蓄熱モードと、上記ヒートポンプから排出された上記循環液の一部を上記熱供給部に供給すると共に上記ヒートポンプから排出された上記循環液の残部を上記循環液貯留タンクに供給し、上記循環液貯留タンクから排出された上記循環液の全部を上記ヒートポンプに供給する一部蓄熱モードとに上記循環液の流路を切替可能であるという構成を採用する。
第3の発明は、上記第1または第2の発明において、上記流路切替機構が、上記ピーク運転モードでは、上記循環液貯留タンクから上記熱供給部に供給された量と同量の上記循環液を上記供給部から上記循環液貯留タンクに返流するという構成を採用する。
第4の発明は、上記第1〜第3いずれかの発明において、上記ヒートポンプ、上記循環液貯留タンク及び上記熱供給部の各々が上記循環液の入出部となる第1ポート及び第2ポートを有し、上記流路切替機構が、上記ヒートポンプの上記第1ポートに接続されたヒートポンプ第1切替弁と、上記ヒートポンプの上記第2ポートに接続されたヒートポンプ第2切替弁と、上記循環液貯留タンクの上記第1ポートに接続されたタンク第1切替弁と、上記循環液貯留タンクの上記第2ポートに接続されたタンク第2切替弁と、上記熱供給部の上記第1ポートに接続された熱供給部第1切替弁と、上記熱供給部の上記第2ポートに接続された熱供給部第2切替弁と、上記ヒートポンプ第1切替弁と上記タンク第2切替弁とを接続する第1接続配管と、上記ヒートポンプ第1切替弁と上記熱供給部第2切替弁とを接続する第2接続配管と、上記タンク第1切替弁と上記ヒートポンプ第2切替弁とを接続する第3接続配管と、上記タンク第1切替弁と上記熱供給部第2切替弁とを接続する第4接続配管と、上記ヒートポンプ第2切替弁と上記熱供給部第1切替弁とを接続する第5接続配管と、上記タンク第2切替弁と上記熱供給部第1切替弁とを接続する第6接続配管とを有するという構成を採用する。
本発明によれば、流路切替機構によって、循環液の流路が、間欠運転防止モードと、蓄熱モードと、ピーク運転モードとに切替可能とされている。間欠運転防止モードでは、循環液が、熱供給部、循環液貯留タンク、ヒートポンプの順に循環される。循環液貯留タンクにおける熱容量が循環液の配管と比較して大きいことから、熱供給部における地中熱の熱利用状態が変化した場合であっても、循環液の温度変化を小さくすることができ、ヒートポンプが停止する頻度を少なくすることができる。したがって、本発明によれば、ヒートポンプの間欠運転を防止することができる。
さらに、蓄熱モードでは、ヒートポンプから排出された循環液の少なくとも一部を循環液貯留タンクに供給するため、熱容量が大きな循環液貯留タンクに地中熱が蓄熱される。この蓄熱モードで循環液貯留タンクに蓄えられた地中熱をピーク運転モードで熱供給部に供給することで、ヒートポンプシステムの出力を一時的に高めることができる。したがって、本発明によれば、ピーク負荷時の出力不足を解消することができる。
したがって、本発明によれば、流路切替機構を備えることにより、ヒートポンプの間欠運転を防止することができ、かつ、ピーク負荷時の出力不足を解消することができる。
以下、図面を参照して、本発明に係るヒートポンプシステムの一実施形態について説明する。なお、本実施形態においては、一例として、地中熱を利用して居住空間の温度調整を行うヒートポンプシステムについて説明する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。地中熱によって温度調整を行う対象は限定されるものではなく、地中熱を用いた給湯、地中熱を用いた融雪、あるいは、地中熱を用いた物品保管空間の温調等を行うヒートポンプシステムに本発明を適用することも可能である。
図1は、本実施形態のヒートポンプシステム1の概略構成を示す機能ブロック図である。また、図2は、本実施形態のヒートポンプシステム1の概略構成を示すフロー図である。なお、図2においては、図1に示す制御部6を省略して図示している。例えば、図1に示すように、本実施形態のヒートポンプシステム1は、ヒートポンプ2と、循環液貯留タンク3と、室内機4(熱供給部)と、流路切替機構5と、制御部6とを備えている。
ヒートポンプ2は、地中熱(温熱あるいは冷熱)を回収し、回収した地中熱を熱輸送媒体である居住空間側循環液X(循環液)に伝達する装置である。このヒートポンプ2は、図示を省略しているが、冷媒の循環流路を有しており、循環流路の途中部位に、地中熱受取側熱交換器、地中熱排出側熱交換器、膨張弁及び圧縮機が設置されている。
地中熱受取側熱交換器は、地中熱によって温調された地中側循環液と冷媒との熱交換を行うことにより、冷媒に地中熱を受け取る熱交換器である。このような地中熱受取側熱交換器は、地中温度が居住空間温度よりも低い場合(すなわち冷房運転する場合)には、地中熱(冷熱)によって冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。一方、地中熱受取側熱交換器は、地中温度が居住空間温度よりも高い場合(すなわち暖房運転する場合)には、地中熱(温熱)によって冷媒を蒸発させる蒸発器として機能する。
地中熱排出側熱交換器は、地中熱を受け取った冷媒と居住空間側循環液Xとの熱交換を行うことにより、居住空間側循環液Xに地中熱を排出する熱交換器である。このような地中熱排出側熱交換器は、地中温度が居住空間温度よりも低い場合(すなわち冷房運転する場合)には、冷媒を蒸発させることで居住空間側循環液Xを冷却する蒸発器として機能する。一方、地中熱排出側熱交換器は、地中温度が居住空間温度よりも高い場合(すなわち暖房運転する場合)には、冷媒によって居住空間側循環液Xを加熱することで冷媒を凝縮させる凝縮器として機能する。
膨張弁は、凝縮器によって凝縮された冷媒の圧力を低下させることによって冷媒の温度を低下させる弁である。この膨張弁は、地中熱受取側熱交換器と地中熱排出側熱交換器との間に配置されている。例えば、地中温度が居住空間温度よりも低い場合(すなわち冷房運転する場合)には、膨張弁は、凝縮器として機能する地中熱受取側熱交換器から排出された冷媒の圧力を下げ、蒸発器として機能する地中熱排出側熱交換器に供給する。一方、地中温度が居住空間温度よりも高い場合(すなわち暖房運転する場合)には、膨張弁は、凝縮器として機能する地中熱排出側熱交換器から排出された冷媒の圧力を下げ、蒸発器として機能する地中熱受取側熱交換器に供給する。
圧縮機は、蒸発器によって蒸発された冷媒を圧縮することで冷媒の温度を上昇させる装置である。この圧縮機は、膨張弁が配置された領域と異なる領域にて地中熱受取側熱交換器と地中熱排出側熱交換器との間に配置されている。例えば、地中温度が居住空間温度よりも低い場合(すなわち冷房運転する場合)には、圧縮機は、蒸発器として機能する地中熱排出側熱交換器から排出された冷媒を圧縮し、凝縮器として機能する地中熱受取側熱交換器に供給する。一方、地中温度が居住空間温度よりも高い場合(すなわち暖房運転する場合)には、圧縮機は、蒸発器として機能する地中熱受取側熱交換器から排出された冷媒を圧縮し、凝縮器として機能する地中熱排出側熱交換器に供給する。
このようなヒートポンプ2は、地中温度が居住空間温度よりも低い場合(すなわち冷房運転する場合)には、地中熱受取側熱交換器にて受け取った冷熱を地中熱排出側熱交換器にて居住空間側循環液Xに伝達する。つまり、ヒートポンプ2は、地中温度が居住空間温度よりも低い場合(すなわち冷房運転する場合)には、地中熱によって居住空間側循環液Xを冷却する。
一方、ヒートポンプ2は、地中温度が居住空間温度よりも高い場合(すなわち暖房運転する場合)には、地中熱受取側熱交換器にて受け取った温熱を地中熱排出側熱交換器にて居住空間側循環液Xに伝達する。つまり、ヒートポンプ2は、地中温度が居住空間温度よりも高い場合(すなわち暖房運転する場合)には、地中熱によって居住空間側循環液Xを加熱する。
このようなヒートポンプ2は、図3に示すように、地中熱排出側熱交換器に居住空間側循環液Xを供給するための供給ポート2a(第1ポート)と、地中熱排出側熱交換器から居住空間側循環液Xを排出するための排出ポート2b(第2ポート)とを有している。
循環液貯留タンク3は、流路切替機構5を介してヒートポンプ2及び室内機4と接続されており、居住空間側循環液Xを一時的に貯留するための容器である。この循環液貯留タンク3は、流路切替機構5が有する居住空間側循環液Xを案内する流路配管(後述する第1接続配管5n〜第6接続配管5t)よりも流路面積が大きな内部空間を有している。このため、循環液貯留タンク3に供給された居住空間側循環液Xは一時的に貯留され、必要に応じて循環液貯留タンク3から排出される。
このような循環液貯留タンク3は、内部空間に居住空間側循環液Xを供給するための供給ポート3a(第1ポート)と、内部空間から居住空間側循環液Xを排出するための排出ポート3b(第2ポート)とを有している。
室内機4は、流路切替機構5を介してヒートポンプ2及び循環液貯留タンク3と接続されており、流路切替機構5から供給された居住空間側循環液Xと空気とを熱交換することによって空気に地中熱を伝達する不図示の熱交換器を備えている。つまり、室内機4は、居住空間側循環液Xの熱量を外部(室内)に供給するための装置である。
例えば、室内機4は、地中温度が居住空間温度よりも低い場合(すなわち冷房運転する場合)には、居住空間側循環液Xから受け取る冷熱によって空気を冷却することで冷気を生成し、生成した冷気を居住空間に供給する。つまり、室内機4は、温度よりも低い場合(すなわち冷房運転する場合)には、地中熱によって居住空間を冷却する。
一方、室内機4は、地中温度が居住空間温度よりも高い場合(すなわち暖房運転する場合)には、居住空間側循環液Xから受け取る温熱によって空気を加熱することで暖気を生成し、生成した暖気を居住空間に供給する。つまり、室内機4は、温度よりも高い場合(すなわち暖房運転する場合)には、地中熱によって居住空間を加熱する。
このような室内機4は、不図示の熱交換器に居住空間側循環液Xを供給するための供給ポート4a(第1ポート)と、不図示の熱交換器から居住空間側循環液Xを排出するための排出ポート4b(第2ポート)とを有している。
流路切替機構5は、制御部6の制御の下で、ヒートポンプ2、循環液貯留タンク3、及び、室内機4(熱供給部)を流れる居住空間側循環液Xの流路を変更可能とする機構であり、ヒートポンプ2、循環液貯留タンク3、及び、室内機4(熱供給部)と接続されている。
この流路切替機構5は、図3に示すように、ヒートポンプ供給配管5aと、ヒートポンプ排出配管5bと、循環液貯留タンク供給配管5cと、循環液貯留タンク排出配管5dと、室内機供給配管5eと、室内機排出配管5fと、ヒートポンプ第1切替弁5gと、ヒートポンプ第2切替弁5hと、タンク第1切替弁5iと、タンク第2切替弁5jと、室内機第1切替弁5kと、室内機第2切替弁5mと、第1接続配管5nと、第2接続配管5pと、第3接続配管5qと、第4接続配管5rと、第5接続配管5sと、第6接続配管5tとを有している。
ヒートポンプ供給配管5a、ヒートポンプ排出配管5b、循環液貯留タンク供給配管5c、循環液貯留タンク排出配管5d、室内機供給配管5e及び室内機排出配管5fは、居住空間側循環液Xを案内する配管である。ヒートポンプ供給配管5aは、一端がヒートポンプ2の供給ポート2aに接続されている。ヒートポンプ排出配管5bは、一端がヒートポンプ2の排出ポート2bに接続されている。循環液貯留タンク供給配管5cは、一端が循環液貯留タンク3の供給ポート3aに接続されている。循環液貯留タンク排出配管5dは、一端が循環液貯留タンク3の排出ポート3bに接続されている。室内機供給配管5eは、一端が室内機4の供給ポート4aに接続されている。室内機排出配管5fは、一端が室内機4の排出ポート4bに接続されている。
ヒートポンプ第1切替弁5g、ヒートポンプ第2切替弁5h、タンク第1切替弁5i、タンク第2切替弁5j、室内機第1切替弁5k及び室内機第2切替弁5mは、接続された配管の開閉状態を変更可能とされた弁機構であり、接続された配管に対する居住空間側循環液Xの流出入状態を変更可能とされている。例えば、このようなヒートポンプ第1切替弁5g、ヒートポンプ第2切替弁5h、タンク第1切替弁5i、タンク第2切替弁5j、室内機第1切替弁5k及び室内機第2切替弁5mは、開閉弁、流量調節弁及び三方弁等を含み、不図示のモータ等によって動作可能な弁機構である。
ヒートポンプ第1切替弁5gは、ヒートポンプ供給配管5aを介してヒートポンプ2の供給ポート2aと接続されている。このヒートポンプ第1切替弁5gには、第1接続配管5nと、第2接続配管5pとが接続されている。ヒートポンプ第2切替弁5hは、ヒートポンプ排出配管5bを介してヒートポンプ2の排出ポート2bと接続されている。このヒートポンプ第2切替弁5hには、第3接続配管5qと、第5接続配管5sとが接続されている。
タンク第1切替弁5iは、循環液貯留タンク供給配管5cを介して循環液貯留タンク3の供給ポート3aと接続されている。このタンク第1切替弁5iには、第3接続配管5qと、第4接続配管5rとが接続されている。タンク第2切替弁5jは、循環液貯留タンク排出配管5dを介して循環液貯留タンク3の排出ポート3bと接続されている。このタンク第2切替弁5jには、第1接続配管5nと第6接続配管5tが接続されている。
室内機第1切替弁5kは、室内機供給配管5eを介して室内機4の供給ポート4aと接続されている。この室内機第1切替弁5kには、第5接続配管5sと、第6接続配管5tとが接続されている。室内機第2切替弁5mは、室内機排出配管5fを介して室内機4の排出ポート4bと接続されている。この室内機第2切替弁5mには、第2接続配管5pと、第4接続配管5rとが接続されている。
第1接続配管5nは、ヒートポンプ第1切替弁5gと、タンク第2切替弁5jとを接続する配管である。このような第1接続配管5nの一端は、ヒートポンプ第1切替弁5g及びヒートポンプ供給配管5aを介して、ヒートポンプ2の供給ポート2aと接続されている。また、第1接続配管5nの他端は、タンク第2切替弁5j及び循環液貯留タンク排出配管5dを介して、循環液貯留タンク3の排出ポート3bと接続されている。
第2接続配管5pは、ヒートポンプ第1切替弁5gと、室内機第2切替弁5mとを接続する配管である。このような第2接続配管5pの一端は、ヒートポンプ第1切替弁5g及びヒートポンプ供給配管5aを介して、ヒートポンプ2の供給ポート2aと接続されている。また、第2接続配管5pの他端は、室内機第2切替弁5m及び室内機排出配管5fを介して、室内機4の排出ポート4bと接続されている。
第3接続配管5qは、ヒートポンプ第2切替弁5hと、タンク第1切替弁5iとを接続する配管である。このような第3接続配管5qの一端は、ヒートポンプ第2切替弁5h及びヒートポンプ排出配管5bを介して、ヒートポンプ2の排出ポート2bと接続されている。また、第3接続配管5qの他端は、タンク第1切替弁5i及び循環液貯留タンク供給配管5cを介して、循環液貯留タンク3の供給ポート3aと接続されている。
第4接続配管5rは、タンク第1切替弁5iと、室内機第2切替弁5mとを接続する配管である。このような第4接続配管5rの一端は、タンク第1切替弁5i及び循環液貯留タンク供給配管5cを介して、循環液貯留タンク3の供給ポート3aと接続されている。また、第4接続配管5rの他端は、室内機第2切替弁5m及び室内機排出配管5fを介して、室内機4の排出ポート4bと接続されている。
第5接続配管5sは、ヒートポンプ第2切替弁5hと、室内機第1切替弁5kとを接続する配管である。このような第5接続配管5sの一端は、ヒートポンプ第2切替弁5h及びヒートポンプ排出配管5bを介して、ヒートポンプ2の排出ポート2bと接続されている。また、第5接続配管5sの他端は、室内機第1切替弁5k及び室内機供給配管5eを介して、室内機4の供給ポート4aと接続されている。
第6接続配管5tは、タンク第2切替弁5jと、室内機第1切替弁5kとを接続する配管である。このような第6接続配管5tの一端は、タンク第2切替弁5j及び循環液貯留タンク排出配管5dを介して、循環液貯留タンク3の排出ポート3bと接続されている。また、第6接続配管5tの他端は、室内機第1切替弁5k及び室内機供給配管5eを介して、室内機4の供給ポート4aと接続されている。
このような流路切替機構5は、ヒートポンプ第1切替弁5g、ヒートポンプ第2切替弁5h、タンク第1切替弁5i、タンク第2切替弁5j、室内機第1切替弁5k及び室内機第2切替弁5mにおける居住空間側循環液Xの案内状態を変更することにより、間欠運転防止モードと、蓄熱モードと、ピーク運転モードとに居住空間側循環液Xの流路を変更可能とされている。
間欠運転防止モードは、居住空間側循環液Xが、室内機4、循環液貯留タンク3、ヒートポンプ2の順に循環する流路モードである。このような間欠運転防止モードでは、ヒートポンプ第1切替弁5gが、第1接続配管5nからヒートポンプ2の供給ポート2aに居住空間側循環液Xが流入可能とし、第2接続配管5pからヒートポンプ2の供給ポート2aに居住空間側循環液Xが流入不能とする。また、間欠運転防止モードでは、ヒートポンプ第2切替弁5hが、ヒートポンプ2の排出ポート2bから第3接続配管5qに居住空間側循環液Xが流入不能とし、ヒートポンプ2の排出ポート2bから第5接続配管5sに居住空間側循環液Xが流入可能とする。
また、間欠運転防止モードでは、タンク第1切替弁5iが、第3接続配管5qから循環液貯留タンク3の供給ポート3aに居住空間側循環液Xが流入不能とし、第4接続配管5rから循環液貯留タンク3の供給ポート3aに居住空間側循環液Xが流入可能とする。また、間欠運転防止モードでは、タンク第2切替弁5jが、循環液貯留タンク3の排出ポート3bから第1接続配管5nに居住空間側循環液Xが流入可能とし、循環液貯留タンク3の排出ポート3bから第6接続配管5tに居住空間側循環液Xが流入不能とする。
また、間欠運転防止モードでは、室内機第1切替弁5kが、第5接続配管5sから室内機4の供給ポート4aに居住空間側循環液Xが流入可能とし、第6接続配管5tから室内機4の供給ポート4aに居住空間側循環液Xが流入不能とする。また、間欠運転防止モードでは、室内機第2切替弁5mが、室内機4の排出ポート4bから第2接続配管5pに居住空間側循環液Xが流入不能とし、室内機4の排出ポート4bから第4接続配管5rに居住空間側循環液Xが流入可能とする。
蓄熱モードは、ヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液Xの少なくとも一部を循環液貯留タンク3に供給し、循環液貯留タンク3から排出された居住空間側循環液Xの少なくとも一部をヒートポンプに供給する流路モードである。このような蓄熱モードには、ヒートポンプ2で回収された地中熱の全てを循環液貯留タンク3に供給する全量蓄熱モードと、ヒートポンプ2で回収された地中熱の一部を室内機4に供給して残量を循環液貯留タンク3に供給する一部蓄熱モードとの2つのモードがある。
全量蓄熱モードは、ヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液Xの全部を循環液貯留タンク3に供給し、循環液貯留タンク3から排出された居住空間側循環液Xの全部をヒートポンプ2に供給する流路モードである。このような全量蓄熱モードでは、ヒートポンプ第1切替弁5gが、第1接続配管5nからヒートポンプ2の供給ポート2aに居住空間側循環液Xが流入可能とし、第2接続配管5pからヒートポンプ2の供給ポート2aに居住空間側循環液Xが流入不能とする。また、全量蓄熱モードでは、ヒートポンプ2の排出ポート2bから第3接続配管5qに居住空間側循環液Xが流入可能とし、ヒートポンプ第2切替弁5hが、ヒートポンプ2の排出ポート2bから第5接続配管5sに居住空間側循環液Xが流入不能とする。
また、全量蓄熱モードでは、タンク第1切替弁5iが、第3接続配管5qから循環液貯留タンク3の供給ポート3aに居住空間側循環液Xが流入可能とし、第4接続配管5rから循環液貯留タンク3の供給ポート3aに居住空間側循環液Xが流入不能とする。また、全量蓄熱モードでは、タンク第2切替弁5jが、循環液貯留タンク3の排出ポート3bから第1接続配管5nに居住空間側循環液Xが流入可能とし、循環液貯留タンク3の排出ポート3bから第6接続配管5tに居住空間側循環液Xが流入不能とする。
また、全量蓄熱モードでは、室内機第1切替弁5kが、第5接続配管5sから室内機4の供給ポート4aに居住空間側循環液Xが流入不能とし、第6接続配管5tから室内機4の供給ポート4aに居住空間側循環液Xが流入不能とする。また、全量蓄熱モードでは、室内機第2切替弁5mが、室内機4の排出ポート4bから第2接続配管5pに居住空間側循環液Xが流入不能とし、室内機4の排出ポート4bから第4接続配管5rに居住空間側循環液Xが流入不能とする。
一部蓄熱モードは、ヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液Xの一部を室内機4に供給すると共にヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液Xの残部を循環液貯留タンク3に供給し、循環液貯留タンク3から排出された居住空間側循環液Xの全部をヒートポンプ2に供給する流路モードである。このような一部蓄熱モードでは、ヒートポンプ第1切替弁5gが、第1接続配管5nからヒートポンプ2の供給ポート2aに居住空間側循環液Xが流入可能とし、第2接続配管5pからヒートポンプ2の供給ポート2aに居住空間側循環液Xが流入可能とする。また、一部蓄熱モードでは、ヒートポンプ第2切替弁5hが、ヒートポンプ2の排出ポート2bから第3接続配管5qに居住空間側循環液Xが流入可能とし、ヒートポンプ2の排出ポート2bから第5接続配管5sに居住空間側循環液Xが流入可能とする。
また、一部蓄熱モードでは、タンク第1切替弁5iが、第3接続配管5qから循環液貯留タンク3の供給ポート3aに居住空間側循環液Xが流入可能とし、第4接続配管5rから循環液貯留タンク3の供給ポート3aに居住空間側循環液Xが流入不能とする。また、一部蓄熱モードでは、タンク第2切替弁5jが、循環液貯留タンク3の排出ポート3bから第1接続配管5nに居住空間側循環液Xが流入可能とし、循環液貯留タンク3の排出ポート3bから第6接続配管5tに居住空間側循環液Xが流入不能とする。
また、一部蓄熱モードでは、室内機第1切替弁5kが、第5接続配管5sから室内機4の供給ポート4aに居住空間側循環液Xが流入可能とし、第6接続配管5tから室内機4の供給ポート4aに居住空間側循環液Xが流入不能とする。また、一部蓄熱モードでは、室内機第2切替弁5mが、室内機4の排出ポート4bから第2接続配管5pに居住空間側循環液Xが流入可能とし、室内機4の排出ポート4bから第4接続配管5rに居住空間側循環液Xが流入不能とする。
ピーク運転モードは、循環液貯留タンク3から排出された居住空間側循環液Xとヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液Xとを室内機4に供給し、室内機4から排出された居住空間側循環液Xの一部をヒートポンプ2に供給すると共に室内機4から排出された居住空間側循環液Xの残部を循環液貯留タンク3に返流する流路モードである。このようなピーク運転モードでは、ヒートポンプ第1切替弁5gが、第1接続配管5nからヒートポンプ2の供給ポート2aに居住空間側循環液Xが流入不能とし、第2接続配管5pからヒートポンプ2の供給ポート2aに居住空間側循環液Xが流入可能とする。また、ピーク運転モードでは、ヒートポンプ第2切替弁5hが、ヒートポンプ2の排出ポート2bから第3接続配管5qに居住空間側循環液Xが流入不能とし、ヒートポンプ2の排出ポート2bから第5接続配管5sに居住空間側循環液Xが流入可能とする。
また、ピーク運転モードでは、タンク第1切替弁5iが、第3接続配管5qから循環液貯留タンク3の供給ポート3aに居住空間側循環液Xが流入不能とし、第4接続配管5rから循環液貯留タンク3の供給ポート3aに居住空間側循環液Xが流入可能とする。また、ピーク運転モードでは、タンク第2切替弁5jが、循環液貯留タンク3の排出ポート3bから第1接続配管5nに居住空間側循環液Xが流入不能とし、循環液貯留タンク3の排出ポート3bから第6接続配管5tに居住空間側循環液Xが流入可能とする。
また、ピーク運転モードでは、室内機第1切替弁5kが、第5接続配管5sから室内機4の供給ポート4aに居住空間側循環液Xが流入可能とし、第6接続配管5tから室内機4の供給ポート4aに居住空間側循環液Xが流入可能とする。また、ピーク運転モードでは、室内機第2切替弁5mが、室内機4の排出ポート4bから第2接続配管5pに居住空間側循環液Xが流入可能とし、室内機4の排出ポート4bから第4接続配管5rに居住空間側循環液Xが流入可能とする。
制御部6は、外部からの指令や不図示の温度センサからの入力に基づいて、ヒートポンプ第1切替弁5g、ヒートポンプ第2切替弁5h、タンク第1切替弁5i、タンク第2切替弁5j、室内機第1切替弁5k及び室内機第2切替弁5mを制御することで、居住空間側循環液Xが流れる経路を変更する。つまり、制御部6は、流路切替機構5における流路モードを、間欠運転防止モードと、蓄熱モードと、ピーク運転モードとに切替可能とされている。
制御部6がどのような条件で、流路切替機構5の流路モードを切り替えるかについては、特に限定されるものではない。例えば、制御部6は、ヒートポンプ2を起動すると、流路切替機構5を全量蓄熱モードとする。全量蓄熱モードでは、ヒートポンプ2で回収した地中熱が循環液貯留タンク3に徐々に蓄積される。循環液貯留タンク3に設定された熱容量の上限値まで地中熱が循環液貯留タンク3に蓄積される前に、室内機4が起動されると、制御部6は流路切替機構5を一部蓄熱モードに移行させる。循環液貯留タンク3の熱容量が設定された上限値に達すると、制御部6は、流路切替機構5を間欠運転防止モードに移行させる。また、制御部6は、循環液貯留タンク3に地中熱が蓄えられた状態で、室内機4の要求熱量がヒートポンプ2の最大供給熱量を超えた場合に、流路切替機構5をピーク運転モードに移行させる。また、ピーク運転モードが必要なくなった場合には、制御部6は、流路切替機構5を蓄熱モードあるいは間欠運転防止モードに移行させる。
なお、本実施形態のヒートポンプシステム1においては、図1及び図2で示していないが、居住空間側循環液Xを流動させるためのポンプ、居住空間側循環液Xの温度を測定する温度センサ、居住空間側循環液Xの流量を測定する流量計等を備えている。これらのポンプ、温度センサ及び流量計等も制御部6と接続されている。
制御部6によって、流路切替機構5が間欠運転防止モードとされると、図3に示すように、ヒートポンプ2の排出ポート2bから排出された居住空間側循環液Xは、第5接続配管5sを介して、室内機4の供給ポート4aに供給される。また、間欠運転防止モードでは、室内機4の排出ポート4bから排出された居住空間側循環液Xは、第4接続配管5rを介して、循環液貯留タンク3の供給ポート3aに供給される。また、間欠運転防止モードでは、循環液貯留タンク3の排出ポート3bから排出された居住空間側循環液Xは、第1接続配管5nを介して、ヒートポンプ2に供給される。
このような間欠運転防止モードで、室内機4が設置された居住空間の室温が設定温度に到達し、室内機4での空気との熱交換が停止すると、室内機4にて地中熱が放出されないまま居住空間側循環液Xが室内機4から循環液貯留タンク3に供給される。ここで、循環液貯留タンク3の熱容量は、第4接続配管5rや第3接続配管5qと比較して大きい。このため、室内機4にて地中熱が放出されないまま居住空間側循環液Xが室内機4から排出されても、循環液貯留タンク3から排出される居住空間側循環液Xの温度変化は緩やかとなる。このため、室内機4での空気との熱交換が停止しても、ヒートポンプ2に返流される居住空間側循環液Xの温度変化が小さく、ヒートポンプ2の冷媒の温度が急激に変化することを抑制することができる。したがって、ヒートポンプ2の冷媒の温度がヒートポンプ2の停止温度を超え、ヒートポンプ2が停止することを抑制することができる。
また、制御部6によって、流路切替機構5が全量蓄熱モードとされると、図4に示すように、ヒートポンプ2の排出ポート2bから排出された居住空間側循環液Xは、第3接続配管5qを介して、循環液貯留タンク3の供給ポート3aに供給される。また、循環液貯留タンク3の排出ポート3bから排出された居住空間側循環液Xは、第1接続配管5nを介して、ヒートポンプ2の供給ポート2aに返流される。このような全量蓄熱モードでは、ヒートポンプ2で回収された地中熱が循環液貯留タンク3に蓄えられる。
また、制御部6によって、流路切替機構5が一部蓄熱モードとされると、図5に示すように、ヒートポンプ2の排出ポート2bから排出された居住空間側循環液Xの一部は、第5接続配管5sを介して、室内機4の供給ポート4aに供給される。さらに、ヒートポンプ2の排出ポート2bから排出された居住空間側循環液Xの残部は、第3接続配管5qを介して、循環液貯留タンク3の供給ポート3aに供給される。室内機4から排出された居住空間側循環液Xは、第2接続配管5pを介して、ヒートポンプ2の供給ポート2aに返流される。さらに、循環液貯留タンク3の排出ポート3bから排出された居住空間側循環液Xは、第1接続配管5nを介して、ヒートポンプ2の供給ポート2aに返流される。このような一部蓄熱モードでは、ヒートポンプ2で回収された地中熱の一部が循環液貯留タンク3に蓄えられる。
なお、これらの全量蓄熱モード及び一部蓄熱モードにおいても、常に地中熱が循環液貯留タンク3に供給されるため、ヒートポンプ2の間欠運転は防止される。
また、制御部6によって、流路切替機構5がピーク運転モードとされると、図6に示すように、ヒートポンプ2の排出ポート2bから排出された居住空間側循環液Xは、第5接続配管5sを介して、室内機4の供給ポート4aに供給される。さらに、循環液貯留タンク3に貯留された居住空間側循環液Xは、第6接続配管5tを介して室内機4の供給ポート4aに供給される。また、室内機4の排出ポート4bから排出された居住空間側循環液Xは、一部が第2接続配管5pを介してヒートポンプ2の供給ポート2aに返流され、残部が第4接続配管5rを介して循環液貯留タンク3の供給ポート3aに返流される。このようなピーク運転モードでは、循環液貯留タンク3に蓄えた地中熱が、室内機4に供給される。
以上のような本実施形態のヒートポンプシステム1は、居住空間側循環液Xが、室内機4、循環液貯留タンク3、ヒートポンプ2の順に循環する間欠運転防止モードと、ヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液Xの少なくとも一部を循環液貯留タンク3に供給し、循環液貯留タンク3から排出された居住空間側循環液Xの少なくとも一部をヒートポンプ2に供給する蓄熱モードと、循環液貯留タンク3から排出された居住空間側循環液Xとヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液Xとを室内機4に供給し、室内機4から排出された居住空間側循環液Xの一部をヒートポンプ2に供給すると共に室内機4から排出された居住空間側循環液Xの残部を循環液貯留タンク3に返流するピーク運転モードとに居住空間側循環液Xの流路を切替可能とする流路切替機構5を備えている。
このような本実施形態のヒートポンプシステム1によれば、流路切替機構5によって、居住空間側循環液Xの流路が、間欠運転防止モードと、蓄熱モードと、ピーク運転モードとに切替可能とされている。間欠運転防止モードでは、居住空間側循環液Xが、室内機4、循環液貯留タンク3、ヒートポンプ2の順に循環される。循環液貯留タンク3における熱容量が居住空間側循環液Xの接続配管と比較して大きいことから、室内機4における地中熱の熱利用状態が変化した場合であっても、居住空間側循環液Xの温度変化を小さくすることができ、ヒートポンプ2が停止する頻度を少なくすることができる。したがって、本実施形態のヒートポンプシステム1によれば、ヒートポンプ2の間欠運転を防止することができる。
さらに、蓄熱モードでは、ヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液Xの少なくとも一部を循環液貯留タンク3に供給するため、熱容量が大きな循環液貯留タンク3に地中熱が蓄熱される。この蓄熱モードで循環液貯留タンク3に蓄えられた地中熱をピーク運転モードで室内機4に供給することで、ヒートポンプシステム1の出力を一時的に高めることができる。したがって、本実施形態のヒートポンプシステム1によれば、ピーク負荷時の出力不足を解消することができる。
したがって、本実施形態のヒートポンプシステム1によれば、流路切替機構5を備えることにより、ヒートポンプ2の間欠運転を防止することができ、かつ、ピーク負荷時の出力不足を解消することができる。
また、本実施形態のヒートポンプシステム1においては、流路切替機構5が、蓄熱モードとして、ヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液Xの全部を循環液貯留タンク3に供給し、循環液貯留タンク3から排出された居住空間側循環液Xの全部をヒートポンプ2に供給する全量蓄熱モードと、ヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液Xの一部を室内機4に供給すると共にヒートポンプ2から排出された居住空間側循環液Xの残部を循環液貯留タンク3に供給し、循環液貯留タンク3から排出された居住空間側循環液Xの全部をヒートポンプ2に供給する一部蓄熱モードとに居住空間側循環液Xの流路を切替可能とされている。
このような本実施形態のヒートポンプシステム1によれば、室内機4を稼働していない期間においては、地中熱を循環液貯留タンク3に短期間で蓄えることができる。また、本実施形態のヒートポンプシステム1によれば、室内機4を稼働している期間においても、室内機4に地中熱を供給しながら、循環液貯留タンク3に地中熱を蓄えることが可能となる。
また、本実施形態のヒートポンプシステム1において、流路切替機構5は、ピーク運転モードでは、循環液貯留タンク3から室内機4に供給された量と同量の居住空間側循環液Xを室内機4から循環液貯留タンク3に返流することが好ましい。このような本実施形態のヒートポンプシステム1によれば、循環液貯留タンク3における居住空間側循環液Xの貯留量を常に一定とすることができ、循環液貯留タンク3において居住空間側循環液Xが不足あるいは過剰となることを防止できる。
また、本実施形態のヒートポンプシステム1においては、ヒートポンプ2、循環液貯留タンク3及び室内機4の各々が居住空間側循環液Xの入出部となる供給ポート及び排出ポートを有している。また、流路切替機構5は、ヒートポンプ2の供給ポート2aに接続されたヒートポンプ第1切替弁5gと、ヒートポンプ2の排出ポート2bに接続されたヒートポンプ第2切替弁5hと、循環液貯留タンク3の供給ポート3aに接続されたタンク第1切替弁5iと、循環液貯留タンク3の排出ポート3bに接続されたタンク第2切替弁5jと、室内機4の供給ポート4aに接続された室内機第1切替弁5kと、室内機4の排出ポート4bに接続された室内機第2切替弁5mとを有している。さらに、流路切替機構5は、ヒートポンプ第1切替弁5gとタンク第2切替弁5jとを接続する第1接続配管5nと、ヒートポンプ第1切替弁5gと室内機第2切替弁5mとを接続する第2接続配管5pと、タンク第1切替弁5iとヒートポンプ第2切替弁5hとを接続する第3接続配管5qと、タンク第1切替弁5iと室内機第2切替弁5mとを接続する第4接続配管5rと、ヒートポンプ第2切替弁5hと室内機第1切替弁5kとを接続する第5接続配管5sと、タンク第2切替弁5jと室内機第1切替弁5kとを接続する第6接続配管5tとを有している。
このような本実施形態のヒートポンプシステム1によれば、簡易な構造の流路切替機構5によって、間欠運転防止モードと、蓄熱モードと、ピーク負荷モードとを切り替えることが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、流路切替機構5における流路モードが、必ず循環液貯留タンク3を用いる構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ヒートポンプ2の間欠運転の恐れや、ピーク運転時の出力不足が発生する恐れがない場合には、流路切替機構5における流路モードを、循環液貯留タンク3を用いずに、ヒートポンプ2と室内機4のみで居住空間側循環液Xを循環させる流路モードとすることも可能である。
1……ヒートポンプシステム、2……ヒートポンプ、2a……供給ポート(第1ポート)、2b……排出ポート(第2ポート)、3……循環液貯留タンク、3a……供給ポート(第1ポート)、3b……排出ポート(第2ポート)、4……室内機(熱供給部)、4a……供給ポート(第1ポート)、4b……排出ポート(第2ポート)、5……流路切替機構、5a……ヒートポンプ供給配管、5b……ヒートポンプ排出配管、5c……循環液貯留タンク供給配管、5d……循環液貯留タンク排出配管、5e……室内機供給配管、5f……室内機排出配管、5g……ヒートポンプ第1切替弁、5h……ヒートポンプ第2切替弁、5i……タンク第1切替弁、5j……タンク第2切替弁、5k……室内機第1切替弁(熱供給部第1切替弁)、5m……室内機第2切替弁(熱供給部第2切替弁)、5n……第1接続配管、5p……第2接続配管、5q……第3接続配管、5r……第4接続配管、5s……第5接続配管、5t……第6接続配管、6……制御部、X……居住空間側循環液(循環液)
Claims (4)
- 回収した地中熱を循環液に伝達するヒートポンプと、前記循環液を一時的に貯留する循環液貯留タンクと、前記循環液の熱量を外部に供給する熱供給部とを有し、
前記循環液が、前記熱供給部、前記循環液貯留タンク、前記ヒートポンプの順に循環する間欠運転防止モードと、
前記ヒートポンプから排出された前記循環液の少なくとも一部を前記循環液貯留タンクに供給し、前記循環液貯留タンクから排出された前記循環液の少なくとも一部を前記ヒートポンプに供給する蓄熱モードと、
前記循環液貯留タンクから排出された前記循環液と前記ヒートポンプから排出された前記循環液とを前記熱供給部に供給し、前記熱供給部から排出された前記循環液の一部を前記ヒートポンプに供給すると共に前記熱供給部から排出された前記循環液の残部を前記循環液貯留タンクに返流するピーク運転モードと
に前記循環液の流路を切替可能とする流路切替機構を備える
ことを特徴とするヒートポンプシステム。 - 前記流路切替機構は、
前記蓄熱モードとして、
前記ヒートポンプから排出された前記循環液の全部を前記循環液貯留タンクに供給し、前記循環液貯留タンクから排出された前記循環液の全部を前記ヒートポンプに供給する全量蓄熱モードと、
前記ヒートポンプから排出された前記循環液の一部を前記熱供給部に供給すると共に前記ヒートポンプから排出された前記循環液の残部を前記循環液貯留タンクに供給し、前記循環液貯留タンクから排出された前記循環液の全部を前記ヒートポンプに供給する一部蓄熱モードと
に前記循環液の流路を切替可能である
ことを特徴とする請求項1記載のヒートポンプシステム。 - 前記流路切替機構は、前記ピーク運転モードでは、前記循環液貯留タンクから前記熱供給部に供給された量と同量の前記循環液を前記供給部から前記循環液貯留タンクに返流することを特徴とする請求項1または2記載のヒートポンプシステム。
- 前記ヒートポンプ、前記循環液貯留タンク及び前記熱供給部の各々が前記循環液の入出部となる第1ポート及び第2ポートを有し、
前記流路切替機構は、
前記ヒートポンプの前記第1ポートに接続されたヒートポンプ第1切替弁と、
前記ヒートポンプの前記第2ポートに接続されたヒートポンプ第2切替弁と、
前記循環液貯留タンクの前記第1ポートに接続されたタンク第1切替弁と、
前記循環液貯留タンクの前記第2ポートに接続されたタンク第2切替弁と、
前記熱供給部の前記第1ポートに接続された熱供給部第1切替弁と、
前記熱供給部の前記第2ポートに接続された熱供給部第2切替弁と、
前記ヒートポンプ第1切替弁と前記タンク第2切替弁とを接続する第1接続配管と、
前記ヒートポンプ第1切替弁と前記熱供給部第2切替弁とを接続する第2接続配管と、
前記タンク第1切替弁と前記ヒートポンプ第2切替弁とを接続する第3接続配管と、
前記タンク第1切替弁と前記熱供給部第2切替弁とを接続する第4接続配管と、
前記ヒートポンプ第2切替弁と前記熱供給部第1切替弁とを接続する第5接続配管と、
前記タンク第2切替弁と前記熱供給部第1切替弁とを接続する第6接続配管と
を有する
ことを特徴とする請求項1〜3いずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2019103558A JP2020197340A (ja) | 2019-06-03 | 2019-06-03 | ヒートポンプシステム |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP7343946B1 (ja) | 2023-01-28 | 2023-09-13 | 株式会社イノベックス | 熱交換システム |
-
2019
- 2019-06-03 JP JP2019103558A patent/JP2020197340A/ja active Pending
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