JP2023049068A - ハイブリッド空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造で、冷温水ユニット（放射空調）の定格能力を十分に発揮可能なハイブリッド空調システムを提供すること。【解決手段】ヒートポンプ屋外機との間で冷媒を循環させることにより冷風または温風を調製する室内空調機と、冷媒を循環させる冷媒配管に連結され、冷媒との熱交換により冷水または温水を調製する冷媒熱交換器と、冷温水配管を介して冷媒熱交換器により供給される冷水又は温水によって輻射冷暖房を行う冷温水式放射パネルと、１次側が冷温水配管を介して冷媒熱交換器に連結され、２次側が冷温水配管を介して冷温水式放射パネルに連結され、１次側と２次側の流量を可変とする直接熱交換型密閉タンクと、直接熱交換型密閉タンクに連結され、冷水または温水の熱膨張を吸収するための膨張タンクと、冷温水配管を介して直接熱交換型密閉タンクの２次側に連結され、冷温水式放射パネルへの送水温度を調整可能な比例三方弁と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、空冷ヒートポンプ方式の空調機からの対流による冷暖房と、天井面や床面からの輻射冷暖房を併用した所謂ハイブリッド空調システムに関する。

建物を対象とする空調システムとしては、種々の方式が採用されており、例えば、大規模な冷凍機やボイラ、冷温水発生機等の中央熱源機によって調製した冷水や温水を建物全体に分配供給するセントラル方式によるものがある。また、比較的小規模の空調機を建物内の各所に分散配置し、これらを個々に制御させる方式がある。

空冷ヒートポンプパッケージ方式の空調機（エアコン）においては、室外機と室内機との間で冷媒を循環させることにより、室内機から室内に冷風または温風を送風する構成となっている。

一方、特許文献１に示されるように、天井、床、壁に設置したパネルに対して冷水や温水を供給することによって放射冷暖房を行う装置が提案されている。

また、特許文献２に示されるように、空冷ヒートポンプ方式と、輻射方式を併用したハイブリッド空調システムが提案されている。

特開２０１４－４０９５１号公報 特開２０１４－１５２９７１号公報

しかしながら、ハイブリッド式の空調システムにおいては、放射パネルを用いた放射空調は空調立ち上がり時間（空調開始後、室内温度が設定温度に達する時間）が長くなるとともに、室内の垂直温度分布が暖房時に悪くなる傾向がある。一方、空調屋内機を用いた対流空調は、空調立ち上がり時間が短いメリットや温風が床近傍に届くことで垂直温度分布が比較的良好であるが、放射空調に比べて気流感（ドラフト感）や送風時の騒音などのデメリットがある。このため、放射空調と対流空調を適切に制御することが困難であった。

また、特許文献２に開示された発明によると、冷温水ユニット（放射空調）の定格能力を十分に発揮できないという問題がある。

本発明は上記のような状況に鑑みてなされたものであり、簡素な構造でありながら冷温水ユニット（放射空調）の定格能力を十分に発揮可能なハイブリッド空調システムを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、ハイブリッド空調システムによる室温制御を最適化できる制御方法を提供することにある。

（ハイブリッド空調システム）
上記課題を解決する本発明は、冷風又は温風及び、冷水又は温水の両方を利用したハイブリッド空調システムであって、ヒートポンプ屋外機と；前記ヒートポンプ屋外機との間で冷媒を循環させることにより冷風または温風を調製する室内空調機と；前記冷媒を循環させる冷媒配管に連結され、当該冷媒との熱交換により冷水または温水を調製する冷媒熱交換器と；冷温水配管を介して前記冷媒熱交換器により供給される冷水又は温水によって輻射冷暖房を行う冷温水式放射パネルと；１次側が前記冷温水配管を介して前記冷媒熱交換器に連結され、２次側が前記冷温水配管を介して前記冷温水式放射パネルに連結され、前記１次側と２次側の流量を可変とする直接熱交換型密閉タンクと；前記直接熱交換型密閉タンクに連結され、前記冷水または温水の熱膨張を吸収するための膨張タンクと；前記冷温水配管を介して前記直接熱交換型密閉タンクの前記２次側に連結され、前記冷温水式放射パネルへの送水温度を調整可能な比例三方弁と、を備えている。

ここで、「冷温水式放射パネル」は、例えば、部屋の天井面と床面のいずれか一方又は両方に設置することができる。

前記冷媒熱交換器側の流量・温度差を、前記冷媒熱交換器側の仕様範囲で自動的に制御し、前記冷温水式放射パネルへの送水温度を前記比例三方弁で制御可能に構成することができる。

前記直接熱交換型密閉タンクは、前記冷媒熱交換器から第１の温度の冷水又は温水を受けるとともに、前記冷温水式放射パネルから第２の温度の冷水又は温水を受け、これらを混合し、
第３の温度の冷水又は温水を前記冷温水式放射パネルに送り出すとともに、第４の温度の冷水又は温水を前記冷媒熱交換器に送り出すように構成することができる。

本発明のハイブリッド空調システムによれば、直接熱交換型密閉タンクを設置することで、同タンクの１次側と２次側の各々の出入口温度差を自由に変えることができるため、冷温水ユニットの能力を定格能力までフルに活用することができる。
また、放射パネル側の冷温水の流量と冷温水ユニット２次側の流量を任意に可変にすることができる。すなわち、冷温水ユニットの流量の制約を受けずに放射パネルに必要な流量を供給することができる。
更に、直接熱交換型密閉タンクの２次側に比例３方弁を設置することで、冷温水式放射パネルへの送水温度を任意に制御することができる。

更に、本発明に係るハイブリッド空調システムにおいて、ビル用マルチ屋外機と放射パネルを用いることで省エネルギー性を向上可能となる。すなわち、効率の良いビル用マルチ屋外機を活用することにより、省エネルギーと放射パネルによる室内設定温度の緩和による省エネルギーが実現可能となる。例えば、冷房設定温度としては、通常２６℃のところを本発明に係るシステムでは２７℃、暖房設定温度としては、通常２２℃のところを本発明に係るシステムでは２０℃とすることができる。

（ハイブリッド空調システムの制御方法）
本発明の制御方法においては、前記ハイブリッド空調システムにおいて冷房運転をする時には、室内露点温度を計測し、当該室内露点温度が前記冷温水式放射パネルの露点温度より高い場合には、前記室内空調機のみを起動し、
室内露点温度が前記冷温水式放射パネルの露点温度より低くなった時点で、前記冷温水式放射パネルを起動し、前記室内空調機及び前記冷温水式放射パネルを最大出力で運転し、
室内設定温度に到達した後は、前記室内空調機の運転を停止または弱め、前記冷温水式放射パネルを主体に運転する。

本発明の制御方法においては、前記ハイブリッド空調システムにおいて暖房運転を開始した直後は、前記室内空調機及び前記冷温水式放射パネルを最大出力で運転し、
室内設定温度に到達した後は、前記室内空調機の運転を停止または弱め、前記冷温水式放射パネルを主体に運転する。

本発明の制御方法において、ハイブリッド空調システムの起動時は、冷温水式放射パネルの表面温度を低く（暖房時は高く）し、起動直後は放射感を体感しやすくすると同時に室内空調機で素早く室内温度を設定温度とする。そして、室内温度が安定した後は、冷温水式放射パネルによる放射空調主体で運転をおこない、対流型の室内空調機は必要最少出力で運転する。このため、放射空調と対流空調のメリットを組み合わせた最適な空調方式が実現可能となる。

図１は本発明に係るハイブリッド空調システムの構成を示すものであり、（Ａ）がシステム全体の構成図（ブロック図）、（Ｂ）が最大負荷時における直接熱交換型密閉タンク周辺の冷温水の流れを示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面に基づいて説明する。本発明は、冷風又は温風及び、冷水又は温水の両方を利用したハイブリッド空調システムである。

本発明に係るハイブリッド空調システム１０は、ヒートポンプ屋外機１２と、ヒートポンプ屋外機１２との間で冷媒を循環させることにより冷風または温風を調製する複数の室内空調機１４と、冷媒を循環させる冷媒配管１５に連結され、冷媒との熱交換により冷水または温水を調製する冷媒熱交換器１６とを備える。

ハイブリッド空調システム１０は、また、冷温水配管１７を介して冷媒熱交換器１６から供給される冷水又は温水によって輻射冷暖房を行う冷温水式放射パネル１８と、直接熱交換型密閉タンク２０と、直接熱交換型密閉タンク２０に連結され、冷水または温水の熱膨張を吸収するための膨張タンク２２と、冷温水式放射パネル１８への送水温度を調整可能な比例三方弁２４とを備えている。

直接熱交換型密閉タンク２０は、１次側が冷温水配管１７を介して冷媒熱交換器１６に連結され、２次側が冷温水配管１７を介して冷温水式放射パネル１８に連結され、１次側と２次側の流量を可変とする。比例三方弁２４は、冷温水配管１７を介して直接熱交換型密閉タンク２０の２次側に連結されている。

ここで、冷温水式放射パネル１８は、例えば、部屋の天井と床下のいずれか一方又は両方に設置さすることができる。なお、図１（Ａ）において、符号２６はコントローラ、符号２８は室温センサを示すものとする。

冷媒熱交換器１６側の流量・温度差を、冷媒熱交換器１６側の仕様範囲で自動的に制御し、冷温水式放射パネル１８への送水温度を比例三方弁２４で制御可能に構成されている。

直接熱交換型密閉タンク２０は、冷媒熱交換器１６から第１の温度の冷水又は温水を受けるとともに、冷温水式放射パネル１８から第２の温度の冷水又は温水を受け、これらを混合する。そして、第３の温度の冷水又は温水を冷温水式放射パネル１８に送り出すとともに、第４の温度の冷水又は温水を冷媒熱交換器１６に送り出すように構成されている。

図１（Ｂ）に示すように、ハイブリッド空調システム１０の最大負荷時には、直接熱交換型密閉タンク２０に冷媒熱交換器１６から１５℃の冷水が入るとともに、比例三方弁２４を介して冷温水式放射パネル１８から２１℃の冷水が入る。そして、これらの冷水が直接熱交換型密閉タンク２０内で混合される。
直接熱交換型密閉タンク２０からは、１９℃の冷水が冷温水式放射パネル１８に送られ、同時に、２０℃の冷水が冷媒熱交換器１６に送られる。なお、冷温水の流れる流量、温度は負荷によって変動する。

一方、ハイブリッド空調システム１０の最小負荷時には、冷媒熱交換器１６から直接熱交換型密閉タンク２０に１５℃の冷水が入ると同時に、冷温水式放射パネル１８から２１℃の冷水が直接熱交換型密閉タンク２０に入る。そして、これらの冷水が直接熱交換型密閉タンク２０内で混合される。
直接熱交換型密閉タンク２０からは、１９℃の冷水が冷温水式放射パネル１８に送られ、同時に、１７℃の冷水が冷媒熱交換器１６に送られる。

（ハイブリッド空調システムの制御方法）
次に、コントローラ２６を利用した、ハイブリッド空調システム１０の室温制御方法について説明する。冷房運転をする時には、室内露点温度を室温センサ２８によって計測し、当該室内露点温度が冷温水式放射パネル１８の露点温度より高い場合には、室内空調機１４のみを起動する。その後、室内露点温度が冷温水式放射パネル１８の露点温度より低くなった時点で、冷温水式放射パネル１８を起動し、室内空調機１４及び冷温水式放射パネル１８を最大出力で運転する。そして、室内温度が設定温度に到達した後は、室内空調機１４の運転を停止または弱め、冷温水式放射パネル１８を主体に空調運転を継続する。

一方、暖房運転を開始した直後は、室内空調機１４及び冷温水式放射パネル１８を最大出力で運転し、室内設定温度に到達した後は、室内空調機１４の運転を停止または弱め、冷温水式放射パネル１８を主体に運転する。

本発明の制御方法において、ハイブリッド空調システム１０の起動時は、冷温水式放射パネル１８の表面温度を低く（暖房時は高く）し、起動直後は放射感を体感しやすくすると同時に室内空調機１４で素早く室内温度を設定温度とする。そして、室内温度が安定した後は、冷温水式放射パネル１８による放射空調主体で運転をおこない、対流型の室内空調機１４は必要最少出力で運転する。このため、放射空調と対流空調のメリットを組み合わせた最適な空調方式が実現可能となる。

以上、本発明について実施例を参照して説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において適宜変更可能なものである。

Claims (5)

1. 冷風又は温風及び、冷水又は温水の両方を利用したハイブリッド空調システムであって、
   ヒートポンプ屋外機と；
   前記ヒートポンプ屋外機との間で冷媒を循環させることにより冷風または温風を調製する室内空調機と；
   前記冷媒を循環させる冷媒配管に連結され、当該冷媒との熱交換により冷水または温水を調製する冷媒熱交換器と、
   前記冷媒熱交換器により冷温水配管を介して供給される冷水又は温水によって輻射冷暖房を行う冷温水式放射パネルと、
   １次側が前記冷温水配管を介して前記冷媒熱交換器に連結され、２次側が前記冷温水配管を介して前記冷温水式放射パネルに連結され、前記１次側と２次側の流量を可変とする直接熱交換型密閉タンteクと、
   前記直接熱交換型密閉タンクに連結され、前記冷水または温水の熱膨張を吸収するための膨張タンクと、
   前記冷温水配管を介して前記直接熱交換型密閉タンクの前記２次側に連結され、前記冷温水式放射パネルへの送水温度を調整可能な比例三方弁と、を備えたことを特徴とするハイブリッド空調システム。
2. 前記冷媒熱交換器側の流量・温度差を、前記冷媒熱交換器側の仕様範囲で自動的に制御し、前記冷温水式放射パネルへの送水温度を前記比例三方弁で制御可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド空調システム。
3. 前記直接熱交換型密閉タンクは、前記冷媒熱交換器から第１の温度の冷水又は温水を受けるとともに、前記冷温水式放射パネルから第２の温度の冷水又は温水を受け、これらを混合し、
   第３の温度の冷水又は温水を前記冷温水式放射パネルに送り出すとともに、第４の温度の冷水又は温水を前記冷媒熱交換器に送り出すことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド空調システム。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のハイブリッド空調システムの制御方法であって、
   該ハイブリッド空調システムにおいて冷房運転をする時には、室内露点温度を計測し、当該室内露点温度が前記冷温水式放射パネルの露点温度より高い場合には、前記室内空調機のみを起動し、
   室内露点温度が前記冷温水式放射パネルの露点温度より低くなった時点で、前記冷温水式放射パネルを起動し、前記室内空調機及び前記冷温水式放射パネルを最大出力で運転し、
   室内設定温度に到達した後は、前記室内空調機の運転を停止または弱め、前記冷温水式放射パネルを主体に運転することを特徴とする制御方法。
5. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のハイブリッド空調システムの制御方法であって、
   当該ハイブリッド空調システムにおいて暖房運転を開始した直後は、前記室内空調機及び前記冷温水式放射パネルを最大出力で運転し、
   室内設定温度に到達した後は、前記室内空調機の運転を停止または弱め、前記冷温水式放射パネルを主体に運転することを特徴とする制御方法。

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