JP2023008047A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】空気熱ヒートポンプ装置と地中熱ヒートポンプ装置との同時運転を可能として負荷を分散することができるだけでなく、暖房感を維持して空気熱ヒートポンプ装置のデフロスト運転を行うことができるヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】空気熱ヒートポンプ装置１の空気熱側熱交換器７と地中熱ヒートポンプ装置２の地中熱側熱交換器２４とを、放熱器３に並列に接続する。空気熱ヒートポンプ装置１の空気熱側熱媒体循環路１４に、放熱器３をバイパスするバイパス路１７と、熱媒体の流れを放熱器３側とバイパス路１７側とで切り換える切換弁装置１８とを設ける。制御装置４は、空気熱ヒートポンプ装置１のデフロスト運転を行うとき、切換弁装置１８を作動させ、空気熱側熱交換器７から放熱器３への熱媒体の流動を停止させて、バイパス路１７と空気熱側熱交換器７とで熱媒体を循環させる。【選択図】図１

Description

本発明は、空気熱と地中熱とを利用するヒートポンプシステムに関する。

従来、空気熱を熱源とする空気熱ヒートポンプ装置と、地中熱を熱源とする地中熱ヒートポンプ装置とを備えて暖房を行うヒートポンプシステムが知られている。

この種のヒートポンプシステムとして、下記特許文献１のものは、空気熱ヒートポンプ装置が備える空気熱側熱交換器と、地中熱ヒートポンプ装置が備える地中熱側熱交換器とを放熱器に直列に接続している。

これによれば、暖房出力が小さい場合は、空気熱ヒートポンプ装置と地中熱ヒートポンプ装置とのうち、熱源として採熱効率のよい何れか一方のみを作動させて暖房運転を行い、暖房出力が大きい場合は、両方のヒートポンプ装置を同時に作動させて所望の暖房出力を得ることができる。

また、他のヒートポンプシステムとして、下記特許文献２のものは、空気熱ヒートポンプ回路と地中熱ヒートポンプ回路とで共通の冷媒が循環する冷媒循環路を備え、該冷媒循環路に設けられた単一の熱交換器が放熱器に接続されている。

このものでは、空気からの採熱と地中からの採熱とで効率のよい方を選択することで、外気温度が低い時期から高い時期まで効率的に採熱することができる。

特開２０１４－０３５１０９号公報 特開２００６－１２５７６９号公報

しかし、上記特許文献１のものは、空気熱側熱交換器と地中熱側熱交換器とが直列に接続されているため、空気熱ヒートポンプ装置がデフロスト運転を行うと、暖房中の熱媒体が空気熱側熱交換器で冷却されて放熱器へ向かって流れ、暖房感が損なわれるという不都合がある。

また、上記特許文献２のものは、空気からと地中からとの何れか一方の採熱を選択して暖房運転運転を行うものであって、空気熱ヒートポンプ回路のみで独立したのデフロスト運転が行えず、外気温度の判定によってデフロスト運転しないように熱源回路を切り替える必要がある。

このため、デフロスト運転に先立つ熱源回路の切り換えは、装置の据付状態等に影響される外気温度だけでは判断できなず、着霜への対応も不十分である。

また、圧縮機の特性によって効率が優れる回転数が存在し、空気熱と地中熱の熱源温度の優位性だけで一方の熱源で単独運転しても、一方の圧縮機のみにかかる負荷が大きくなり、効率よく運転できるとは限らない。

上記の点に鑑み、本発明は、空気熱ヒートポンプ装置と地中熱ヒートポンプ装置との同時運転を可能として負荷を分散することができるだけでなく、暖房感を維持して空気熱ヒートポンプ装置のデフロスト運転を行うことができるヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、空気熱を熱源とする空気熱ヒートポンプ装置と、地中熱を熱源とする地中熱ヒートポンプ装置と、前記両ヒートポンプ装置から得られる熱を利用可能とする放熱器と、前記各ヒートポンプ装置の運転を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、所定の条件に応じて前記空気熱ヒートポンプ装置のデフロスト運転を行うヒートポンプシステムにおいて、前記空気熱ヒートポンプ装置に設けられた空気熱側熱交換器と前記放熱器とを接続して熱媒体が循環する空気熱側熱媒体循環路と、前記地中熱ヒートポンプ装置に設けられた地中熱側熱交換器と前記放熱器とを接続して熱媒体が循環する地中熱側熱媒体循環路とが、前記放熱器に並列に接続され、前記空気熱側熱媒体循環路には、前記放熱器をバイパスするバイパス路と、前記空気熱側熱交換器から導出された熱媒体の流れを前記放熱器側とバイパス路側とで切り換える切換弁装置とが設けられ、前記制御装置は、前記空気熱ヒートポンプ装置のデフロスト運転を行うとき、前記切換弁装置を作動させることにより、前記空気熱側熱媒体循環路における熱媒体の前記放熱器への流動を停止させると共に前記バイパス路と前記空気熱側熱交換器との間で熱媒体を循環させることを特徴とする。

本発明のヒートポンプシステムは、空気熱ヒートポンプ装置と地中熱ヒートポンプ装置とを放熱器に並列に接続したことにより、負荷の偏りを低減して効率よく運転することができる。

そして、空気熱ヒートポンプ装置のデフロスト運転を行うとき、空気熱側熱媒体循環路の熱媒体はバイパス路を流れて、放熱器へは向かうことがない。これによれば、デフロスト運転に伴って空気熱側熱交換器で冷却された熱媒体が放熱器へ供給されることがなく、暖房感の低下を抑えることができる。

また、本発明において、前記制御装置は、空気熱ヒートポンプ装置と地中熱ヒートポンプ装置とによる暖房運転中に、前記空気熱ヒートポンプ装置を暖房運転からデフロスト運転に変更するとき、地中熱ヒートポンプ装置により前記放熱器へ向かう熱媒体の温度を増加させて暖房運転を継続させることを特徴とする。

これによれば、空気熱ヒートポンプ装置と地中熱ヒートポンプ装置とで行われていた暖房運転が、地中熱ヒートポンプ装置のみによる暖房運転となっても、放熱器側での暖房感の低下を防止することができる。

また、本発明において、前記制御装置は、地中熱ヒートポンプ装置を停止させた状態での空気熱ヒートポンプ装置による暖房運転中に、前記空気熱ヒートポンプ装置を暖房運転からデフロスト運転に変更するとき、地中熱ヒートポンプ装置による暖房運転を開始することを特徴とする。

これによれば、空気熱ヒートポンプ装置により行われていた暖房運転が停止しても、地中熱ヒートポンプ装置による暖房運転を開始して暖房状態を継続されることができるので、放熱器側での暖房感の低下を防止することができる。

更に本発明において、前記制御装置は、前記空気熱ヒートポンプ装置をデフロスト運転から暖房運転に変更したとき、前記バイパス路と前記空気熱側熱交換器との間で循環する熱媒体が所定温度になるまで、空気熱側熱媒体循環路における熱媒体の前記放熱器への流動を停止させることを特徴とする。

これによれば、空気熱ヒートポンプ装置をデフロスト運転によって温度が低下した熱媒体が空気熱側熱媒体循環路に残留していても、この熱媒体の温度を上昇させることができ、デフロスト運転による影響をなくして、暖房感を維持することができる。

本発明の実施形態であるヒートポンプシステムの構成を模式的に示す図。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態のヒートポンプシステムは、屋外に設置される空気熱ヒートポンプ装置１と、屋外に設置される地中熱ヒートポンプ装置２と、屋内に設置される放熱器３と、両ヒートポンプ装置１，２の運転を制御する制御装置４とを備えている。

空気熱ヒートポンプ装置１は、フロンガス等の冷媒ガスが循環する空気採熱冷媒循環路５を備えている。空気採熱冷媒循環路５には、空気熱交換器６と、第１負荷側熱交換器７とが設けられている。第１負荷側熱交換器７は本発明における空気熱側熱交換器に相当する。

空気採熱冷媒循環路５は、空気熱交換器６と第１負荷側熱交換器７とを接続する切替側通路８と膨張側通路９とによって構成されている。これにより、空気熱交換器６と第１負荷側熱交換器７との間を冷媒が循環する。

切替側通路８には、四方弁１０及び圧縮機１１が設けられている。四方弁１０は、切替側通路８に対して圧縮機１１の吸入側と吐出側との接続を切り替える。暖房運転と冷房運転、或いは、暖房運転とデフロスト運転とを切り替えるとき、四方弁１０の切り替える。

膨張側通路９には、膨張弁１２が設けられている。膨張弁１２は、膨張側通路９に配設され、上流側の冷媒を断熱膨張させて下流側へ送り出す。

空気熱交換器６は、ファン１３によって強制的に外気（空気）を通過させることによって空気から採熱し、空気採熱冷媒循環路５内の冷媒との熱交換を行う。

第１負荷側熱交換器７は、水（湯である場合も含む）を熱媒体とする第１熱媒体循環路１４に接続されており、第１熱媒体循環路１４には放熱器３が接続されている。第１熱媒体循環路１４は、本発明における空気熱側熱媒体循環路に相当する。

第１熱媒体循環路１４は、第１送り通路１５と第１戻り通路１６とによって構成されている。第１送り通路１５と第１戻り通路１６との間には、放熱器３をバイパスするバイパス路１７が設けられている。

第１送り通路１５とバイパス路１７との接続部には三方弁１８が設けられている。三方弁１８は、第１負荷側熱交換器７から出た第１送り通路１５の水（熱媒体）の流れを、放熱器３側とバイパス路１７側とで切り替える。三方弁１８は、本発明における切換弁装置に相当する。

第１戻り通路１６のバイパス路１７との接続部の上流側（放熱器３側）には、第１戻り通路１６を開閉する第１開閉弁１９が設けられている。第１戻り通路１６のバイパス路１７との接続部の下流側（第１負荷側熱交換器７側）には、水タンク２０及び第１負荷側循環ポンプ２１が配設されている。水タンク２０は、第１熱媒体循環路１４の循環水を所定量貯留し、水が膨張した時には、水タンク２０から溢れた水を図示省略した排出路から外部へ排出する。第１負荷側循環ポンプ２１は、水タンク２０から循環水を吸入して、下流側（第１負荷側熱交換器７の方）へ吐出する。

地中熱ヒートポンプ装置２は、フロンガス等の冷媒ガスが循環する地中採熱冷媒循環路２２を備えている。地中採熱冷媒循環路２２には、地中熱交換器２３と、第２負荷側熱交換器２４とが設けられている。第２負荷側熱交換器２４は本発明における地中熱側熱交換器に相当する。

地中採熱冷媒循環路２２は、地中熱交換器２３と第２負荷側熱交換器２４とを接続する切替側通路２５と膨張側通路２６とによって構成されている。これにより、地中熱交換器２３と第２負荷側熱交換器２４との間を冷媒が循環する。

切替側通路２５には、四方弁２７及び圧縮機２８が設けられている。膨張側通路２６には、膨張弁２９が設けられている。なお、四方弁２７、圧縮機２８、及び膨張弁２９は、前述した空気採熱冷媒循環路５における四方弁１０、圧縮機１１、及び膨張弁１２と同様のものであるので、これらの説明を省略する。

地中熱交換器２３は、地中採熱用の熱媒体である水が循環する地中採熱水循環路３０に接続されている。地中採熱水循環路３０は地中に延びる採熱部３１と循環ポンプ３２とを備えており、採熱部３１で地中熱を採熱した水が循環ポンプ３２により地中熱交換器２３へ送られる。

第２負荷側熱交換器２４は、水（湯である場合も含む）を熱媒体とする第２熱媒体循環路３３に接続されており、第２熱媒体循環路３３には放熱器３が接続されている。第２熱媒体循環路３３は、本発明における地中熱側熱媒体循環路に相当する。

第２熱媒体循環路３３は、第２送り通路３４と第２戻り通路３５とによって構成されている。第２送り通路３４は、第１熱媒体循環路１４の第１送り通路１５に接続され、第２戻り通路３５は、第１熱媒体循環路１４の第１戻り通路１６に接続されている。これにより、第２負荷側熱交換器２４と第１負荷側熱交換器７とは放熱器３に対して並列に接続されている。

第２送り通路３４には、第２送り通路３４を開閉する第２開閉弁３６が設けられている。第２戻り通路３５には、水タンク３７及び第２負荷側循環ポンプ３８が配設されている。水タンク３７は、第１熱媒体循環路１４の水タンク２０と同様に、第２熱媒体循環路３３の循環水を所定量貯留し、水が膨張した時には、水タンク３７から溢れた水を図示省略した排出路から外部へ排出する。第２負荷側循環ポンプ３８は、水タンク３７から循環水を吸入し、下流側（第２負荷側熱交換器２４の方）へ吐出する。

制御装置４は、空気熱ヒートポンプ装置１と地中熱ヒートポンプ装置２とを制御することにより、放熱器３を介し冷暖房運転や空気熱ヒートポンプ装置１のデフロスト運転を制御する。

ここで、本発明の要旨であるデフロスト運転に関する制御について説明する。冬季や、標高の高い地域等では、空気熱ヒートポンプ装置１の空気熱交換器６に着霜することがある。そこで、霜を除去するために、制御装置４は、空気熱ヒートポンプ装置１のデフロスト運転を行う。

制御装置４は、空気熱ヒートポンプ装置１において暖房運転からデフロスト運転に切り替えるとき、第１熱媒体循環路１４の第１送り通路１５の三方弁１８をバイパス路１７に切り替え、第１戻り通路１６の第１開閉弁１９を閉弁させる。これにより、デフロスト運転に伴って第１負荷側熱交換器７から送出される冷水が、バイパス路１７によって放熱器３がバイパスされ、放熱器３への供給が防止される。

そして、制御装置４は、デフロスト運転に切り替わる際に、空気熱ヒートポンプ装置１と地中熱ヒートポンプ装置２との両方によって暖房運転を行っていた場合には、デフロスト運転への切り替え時に、放熱器３に供給される水の温度が低下しないように、地中熱ヒートポンプ装置２の圧縮機２８の回転数を所定の値まで増加させる。

或いはまた、制御装置４は、デフロスト運転に切り替わる際に、地中熱ヒートポンプ装置２が停止していて、空気熱ヒートポンプ装置１のみで暖房運転を行っていた場合には、放熱器３に供給される水の温度が低下しないように、地中熱ヒートポンプ装置２による暖房運転を開始させる。

更に、制御装置４は、デフロスト運転が終了したとき、空気熱ヒートポンプ装置１の暖房運転を開始する一方、第1送り通路１５の循環水温が所定の温度（暖房運転時に放熱器３に供給される水の温度）になるまで、バイパス路１７によって放熱器３がバイパスされた状態を維持する。その後、第1送り通路１５の循環水温が所定の温度になった時点で、制御装置４は、第１熱媒体循環路１４の第１送り通路１５の三方弁１８を放熱器３側（バイパス路１７を閉じる側）に切り替え、第１戻り通路１６の第１開閉弁１９を開弁させる。これにより、第1送り通路１５に残留していたデフロスト運転によって生成された冷水が加熱され、放熱器３への冷水の供給を確実に防止することができる。

１…空気熱ヒートポンプ装置、２…地中熱ヒートポンプ装置、３…放熱器、４…制御装置、７…第１負荷側熱交換器（空気熱側熱交換器）、１４…第１熱媒体循環路（空気熱側熱媒体循環路）、１５…第1送り通路（空気熱側熱媒体循環路）、１７…バイパス路、１８…三方弁（切換弁装置）、２４…第２負荷側熱交換器（地中熱側熱交換器）、３３…第２熱媒体循環路（地中熱側熱媒体循環路）。

Claims (4)

1. 空気熱を熱源とする空気熱ヒートポンプ装置と、地中熱を熱源とする地中熱ヒートポンプ装置と、前記両ヒートポンプ装置から得られる熱を利用可能とする放熱器と、前記各ヒートポンプ装置の運転を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、所定の条件に応じて前記空気熱ヒートポンプ装置のデフロスト運転を行うヒートポンプシステムにおいて、
   前記空気熱ヒートポンプ装置に設けられた空気熱側熱交換器と前記放熱器とを接続して熱媒体が循環する空気熱側熱媒体循環路と、前記地中熱ヒートポンプ装置に設けられた地中熱側熱交換器と前記放熱器とを接続して熱媒体が循環する地中熱側熱媒体循環路とが、前記放熱器に並列に接続され、
   前記空気熱側熱媒体循環路には、前記放熱器をバイパスするバイパス路と、前記空気熱側熱交換器から導出された熱媒体の流れを前記放熱器側とバイパス路側とで切り換える切換弁装置とが設けられ、
   前記制御装置は、前記空気熱ヒートポンプ装置のデフロスト運転を行うとき、前記切換弁装置を作動させることにより、前記空気熱側熱媒体循環路における熱媒体の前記放熱器への流動を停止させると共に前記バイパス路と前記空気熱側熱交換器との間で熱媒体を循環させることを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 請求項１記載のヒートポンプシステムにおいて、
   前記制御装置は、空気熱ヒートポンプ装置と地中熱ヒートポンプ装置とによる暖房運転中に、前記空気熱ヒートポンプ装置を暖房運転からデフロスト運転に変更するとき、地中熱ヒートポンプ装置により前記放熱器へ向かう熱媒体の温度を増加させて暖房運転を継続させることを特徴とするヒートポンプシステム。
3. 請求項１又は２記載のヒートポンプシステムにおいて、
   前記制御装置は、地中熱ヒートポンプ装置を停止させた状態での空気熱ヒートポンプ装置による暖房運転中に、前記空気熱ヒートポンプ装置を暖房運転からデフロスト運転に変更するとき、地中熱ヒートポンプ装置による暖房運転を開始することを特徴とするヒートポンプシステム。
4. 請求項２又は３記載のヒートポンプシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記空気熱ヒートポンプ装置をデフロスト運転から暖房運転に変更したとき、前記バイパス路と前記空気熱側熱交換器との間で循環する熱媒体が所定温度になるまで、空気熱側熱媒体循環路における熱媒体の前記放熱器への流動を停止させることを特徴とするヒートポンプシステム。

Images