JP3197464U - Combined heat pump system - Google Patents
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Abstract
【課題】地中熱を利用して所定の温度の熱源を供給する仕事を担う熱力学的サイクルを制御したヒートポンプ装置と、その熱源を利用して別体として制御されるヒートポンプ装置(空調機、給湯器等)とが、熱交換のうえ、熱的に接続された複合ヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】地中部に設置した管路1に熱媒体ガスを循環し、地中の管路1を熱交換器として地中熱と熱交換して蒸発又は凝縮させて、地上部の熱交換端子2において、制御が独立した別体のヒートポンプ装置4、6の熱源として所定の温度を供給できるように電動式のコンプレッサー3をインバータ制御して熱媒体を循環させる。【選択図】図1A heat pump device that controls a thermodynamic cycle responsible for the work of supplying a heat source of a predetermined temperature using geothermal heat, and a heat pump device (an air conditioner, which is controlled separately using the heat source) Provided is a composite heat pump system in which a water heater and the like are thermally connected after heat exchange. Heat medium gas is circulated through a pipe line 1 installed in the underground part, and the underground pipe line 1 is used as a heat exchanger to exchange heat with underground heat to evaporate or condense, thereby exchanging heat in the ground part. In the terminal 2, the electric compressor 3 is inverter-controlled to circulate the heat medium so that a predetermined temperature can be supplied as a heat source of separate heat pump devices 4 and 6 which are independent of control. [Selection] Figure 1
Description
本願考案は、地中部に設置した管路に熱媒体ガスを循環し、地中熱により熱媒体ガスを蒸発又は凝縮をさせる地中熱利用のヒートポンプシステムに関する。 The present invention relates to a heat pump system using ground heat that circulates a heat medium gas through a pipe installed in the underground and evaporates or condenses the heat medium gas by underground heat.
熱媒体ガス(フロン系等)の凝縮又は蒸発を利用して空調、冷凍や給湯を行うヒートポンプ装置は、投入されるエネルギー(コンプレッサー動力等)に対し、取り出すことのできるエネルギー(温冷熱)の比(成績係数)が、近年のさまざまな要素技術の改善により向上しており、その省エネルギー性から各方面での導入が進展している。 Heat pump devices that perform air conditioning, refrigeration, and hot water supply using condensation or evaporation of heat transfer medium gas (such as CFCs) have a ratio of energy (hot / cold heat) that can be taken out to the input energy (compressor power, etc.) (Coefficient of performance) has been improved by improvements in various elemental technologies in recent years, and its introduction in various fields is progressing due to its energy saving.
ヒートポンプ装置では、熱利用された後の熱媒体ガスは、そのエンタルピー変化を補うように、コンプレッサーにより送流されて他の熱源と熱交換(例えば冷房室内機(蒸発器)利用後のガス化した熱媒体は、室外機(凝縮器)で外気温と熱交換)されて循環される。 In the heat pump device, the heat medium gas after heat utilization is sent by a compressor to compensate for the change in enthalpy, and is exchanged with other heat sources (for example, gasified after using a cooling indoor unit (evaporator)). The heat medium is circulated after being exchanged with the outside air temperature in the outdoor unit (condenser).
このためヒートポンプ装置は、外部エネルギー源となる熱交換源(空気熱、水熱、地中熱、太陽熱等の熱源)との整合性がその有効性左右する重要要素となっているが、空調用ヒートポンプ装置では、季節による外気温の変化が熱交換上不利に作用(冷房期には外気温が高く、暖房機には外気温が低い)するためヒートポンプ装置の効率向上の必然的な制約となっている。 For this reason, heat pump devices are an important factor that affects the effectiveness of their compatibility with heat exchange sources (heat sources such as air heat, water heat, underground heat, and solar heat) that are external energy sources. In heat pump devices, seasonal changes in the outside air temperature adversely affect heat exchange (the outside air temperature is high during the cooling period and the outside air temperature is low for the heater), which is an inevitable constraint for improving the efficiency of the heat pump device. ing.
これに対し、年間を通じて温度変化の少ない地中熱や地下水を熱交換源とすることで、外気温の空冷式熱源によるヒートポンプ装置よりも高い効率のヒートポンプシステムが実現可能である。 On the other hand, a heat pump system with higher efficiency than a heat pump device using an air-cooled heat source at an outside temperature can be realized by using underground heat or groundwater with little temperature change throughout the year as a heat exchange source.
地中に熱媒循環管路を設置して、当該熱媒と地中熱とを熱交換させて、その熱交換後の熱媒ガスの熱をヒートポンプ熱源として利用する技術的思想は、特許文献1乃至特許文献3等で知られている。
前記の特許文献1は、ブラインと呼ばれる液体熱媒を地中熱と顕熱による熱交換を行い、その液体熱媒をポンプにより地上部へ循環揚水してそれをヒートポンプの熱源として利用する方式に係るものであるが、この場合概ね10℃乃至15℃前後の地中温により顕熱交換するので地中熱とブラインの温度差が必要であり、また熱交換量を増加させるためには液体熱媒を十分な量循環させるためより大きなポンプ動力を必要とし、結果ヒートポンプシステムの効率が低下するものであった。 Patent Document 1 discloses a method in which a liquid heat medium called brine is subjected to heat exchange by underground heat and sensible heat, the liquid heat medium is circulated and pumped to the ground by a pump, and is used as a heat source for the heat pump. In this case, since sensible heat exchange is performed at a ground temperature of approximately 10 ° C. to 15 ° C. in this case, a temperature difference between the ground heat and the brine is necessary, and in order to increase the heat exchange amount, a liquid heat medium In order to circulate a sufficient amount, a larger pump power is required, resulting in a decrease in efficiency of the heat pump system.
また、特許文献1の段落0011にも記されているように、地下水そのものを揚水して熱源利用したり、地中採熱管の周辺の地下水をくみ上げ配管熱媒との熱交換性を向上したりする方法も知られているが、そのための専用設備や動力を必要とするなど実用上の課題が大きなものとなっている。 In addition, as described in paragraph 0011 of Patent Document 1, groundwater itself is pumped and used as a heat source, or groundwater around the underground heat collection pipe is pumped up to improve heat exchange with the piping heat medium. There are also known methods for doing this, but there are significant practical problems such as requiring dedicated equipment and power for that purpose.
これに対して、前記の特許文献2及び特許文献3は、ヒートポンプシステムを循環する熱媒体ガスを地中配管により直接地中部に循環させて、地中部において直接に熱媒体ガスを膨張又は凝縮させる方式に係るものであり、ブライン又は地下水を揚水循環させるための特段の設備装置や動力を不要とし、潜熱交換により顕熱交換より小さな温度差で蒸発、凝縮させて熱利用効率を上げ、熱媒体ガスの圧縮比を少なくすることとができるため、ブライン等による顕熱交換の方式に比べ高効率化できる優れた地中熱利用ヒートポンプシステムとなっている。 On the other hand, in Patent Document 2 and
しかし、いずれの特許文献においても、直接膨張式に拘泥するがあまり、熱媒体ガスの流路が地上部と地中部とを一系統で結び、1台のコンプレッサーにより地中配管内での熱媒体ガスの膨張又は凝縮を制御しつつ、地上部での空調機等の熱交換器での熱需要に対応させるべく循環させており、長い熱媒体配管による1つの熱媒体ガスの熱力学的サイクルとして設計されるものであり、実用上は地中熱の状況、採熱井戸の設置の状況、地上部での熱需要等の環境条件の個別性の著しい事項を勘案して、専用のヒートポンプシステムを設計・構築しなければならなかった。 However, in any of the patent documents, although the direct expansion method is concerned, the heat medium gas flow path connects the ground part and the underground part in one system, and the heat medium in the underground pipe by one compressor. While controlling the expansion or condensation of gas, it is circulated to meet the heat demand in heat exchangers such as air conditioners on the ground, and as a thermodynamic cycle of one heat medium gas by a long heat medium pipe A dedicated heat pump system has been designed in consideration of the remarkable individuality of environmental conditions such as the status of underground heat, the installation of sampling wells, and the heat demand on the ground. I had to design and build.
更に、技術的にも地中熱の温度帯近傍になった熱媒体ガスを空調機等の熱交換器の熱媒体ガス入口温度にまで引き上げていくには、コンプレッサーの入力が大きくなることで、気体液体の状態変化(摩擦等による温度上昇)により必要以上のエントロピー上昇が生じ、ヒートポンプシステム全体の仕事量が上昇する=効率が低下する問題も必然的に発生した。 Furthermore, technically, in order to raise the heat medium gas in the vicinity of the underground heat temperature zone to the heat medium gas inlet temperature of the heat exchanger such as an air conditioner, the input of the compressor becomes large, A change in the state of the gas liquid (temperature increase due to friction or the like) caused an entropy increase more than necessary, and the work volume of the entire heat pump system increased = efficiency decreased.
本願考案者は、地中部に熱媒体ガスを循環させる直接膨張式(地中部潜熱交換式)の有効性を踏まえつつ、上記のような公知技術の装置設計上の硬直性や、一系統の熱力学的サイクル系統方式による制約を克服する方法を鋭意研究し、地上部で利用するヒートポンプ装置と、地中熱を利用するためのヒートポンプ装置を熱交換器を介して熱的に接続し、熱媒体ガスの制御を各々独立した制御回路とコンプレッサーで制御する方法を見出した。 The inventor of the present application is based on the effectiveness of the direct expansion type (underground latent heat exchange type) in which the heat medium gas is circulated in the underground, and the rigidity of the above-described known technology in the device design and the heat of one system We have eagerly studied how to overcome the limitations of the mechanical cycle system, and connected the heat pump device used on the ground and the heat pump device used for underground heat through a heat exchanger, We have found a method of controlling gas control with independent control circuits and compressors.
すなわち、本願請求項1の考案は、地中部に設置した管路に熱媒体ガスを循環し、地中管路を熱交換器として地中熱と熱交換して蒸発又は凝縮させて、地上部の熱交換端子において、制御が独立した別体のヒートポンプ装置の熱源として所定の温度を供給できるように電動式のコンプレッサーをインバータ制御して熱媒体を循環させることを特徴とした複合ヒートポンプシステムである。 That is, the invention of claim 1 of the present application circulates a heat medium gas through a pipe line installed in the underground part, evaporates or condenses by exchanging heat with underground heat using the underground pipe line as a heat exchanger, In the heat exchange terminal, a combined heat pump system is characterized in that an electric compressor is inverter-controlled to circulate the heat medium so that a predetermined temperature can be supplied as a heat source of a separate heat pump device with independent control. .
また、請求項2の考案は、前記インバータ制御は、熱交換端子の本体の温度又は熱交換端子からの熱媒体ガス出口圧力をセンサーで検出し、温度又は圧力を所定の上限及び下限値の範囲内となるように周波数によりコンプレッサーの稼動を調整するものであることを特徴とした請求項1に記載の複合ヒートポンプシステムである。 Further, in the invention of claim 2, the inverter control detects the temperature of the main body of the heat exchange terminal or the heat medium gas outlet pressure from the heat exchange terminal with a sensor, and the temperature or pressure is within a predetermined upper and lower limit range. The composite heat pump system according to claim 1, wherein the operation of the compressor is adjusted by the frequency so as to be inside.
さらに、請求項3の考案は、前記熱交換端子は被熱交換側が複数の副室に分割され、制御が独立した複数の別体のヒートポンプ装置の熱媒体管路がそれぞれ副室に接続されて、複数の別体のヒートポンプ装置の蒸発器又は凝縮器となることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の複合ヒートポンプシステムである。 Further, in the invention of
上記の構成とすることで、熱媒体ガスを地中熱温度帯(概ね10℃乃至15℃前後)と根と交換し地上部で所定の熱源温度帯(18℃乃至22℃)とする仕事を行う地中熱利用ヒートポンプと、熱交換端子の熱源温度帯(18℃乃至22℃)の熱を利用して利用施設内の空調機等の熱交換器の必要温度帯(暖房時は概ね36℃乃至50℃、冷房時は概ね7℃乃至15℃)への仕事を行う地中熱利用ヒートポンプとは制御が独立したヒートポンプ装置との複合システムとすることができる。 With the above configuration, the heat medium gas is exchanged with a ground heat temperature zone (approximately 10 ° C. to 15 ° C.) and a root to perform a work to obtain a predetermined heat source temperature zone (18 ° C. to 22 ° C.) on the ground. The required heat zone of the heat exchanger such as an air conditioner in the use facility using the heat of the geothermal heat pump to be performed and the heat source temperature zone (18 ° C. to 22 ° C.) of the heat exchange terminal (approximately 36 ° C. at the time of heating) It is possible to make a combined system with a heat pump device that is independent of the control of the heat pump that uses geothermal heat that works to 50 ° C. or approximately 7 ° C. to 15 ° C. during cooling.
本願考案により、地中熱を直接膨張式で利用する場合において、インバータ制御による可変能力の範囲で地上部に熱源を供給することが可能となり、熱交換端子の能力設計において余裕度を確保したうえでは、地上部の別体のヒートポンプ装置の制御の変動や、複数台並列で接続されたヒートポンプ装置の起動停止に対して、より安定的かつ弾力的に対応することができる。 The device of the present application enables the heat source to be supplied to the ground part within the range of variable capacity by inverter control when using the underground heat directly in the expansion type, and ensures a margin in the capacity design of the heat exchange terminal. Then, it is possible to respond more stably and flexibly to fluctuations in the control of a separate heat pump device on the ground and to the start and stop of a plurality of heat pump devices connected in parallel.
また、地中熱を地上部での熱源とするために制御されるインバータ式ヒートポンプ装置と、地上部でのヒートポンプ装置は、相互に切り離した制御となることで、地中熱利用のための装置設計を簡素化又は定格化することが可能となるとともに、地上部でのヒートポンプ装置は熱交換端子への熱媒体ガス系統の接続を確保するだけで、特段の専用装置である必要がなくなり、上市されているエヤコン機器等の一般機を容易に利用し複合システムとすることができる。 In addition, the inverter-type heat pump device that is controlled to use geothermal heat as a heat source on the ground and the heat pump device on the ground are separated from each other, so that the device for using ground heat can be used. The design can be simplified or rated, and the heat pump device on the ground is only required to secure the connection of the heat medium gas system to the heat exchange terminal. It is possible to easily use a general machine such as an air conditioner device to form a composite system.
さらに、合理的な範囲で地中熱利用のためのヒートポンプ装置に余裕能力を持たせておくことで、適宜に地上部のヒートポンプ装置を接続増設することが可能となる。 Furthermore, it is possible to connect and increase the number of heat pump devices on the ground as appropriate by providing sufficient capacity to the heat pump device for use of underground heat within a reasonable range.
本考案を実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described.
本願考案では、採熱井戸に往復して挿置された採熱管に熱媒体ガスをインバータ制御でのコンプレッサーにより循環して地中熱を一旦所定の温度帯にして熱交換端子での供給熱源にするものであって、熱媒体ガスの熱力学的サイクルは地中採熱管と熱交換端子とを循環する熱媒体ガスについて設計され、それに基づき制御される。ここでは、便宜的に「一段目ヒートポンプ」と称する。 In the present invention, the heat transfer medium gas is circulated by a compressor under inverter control in a heat collecting tube inserted in a reciprocating manner in the heat collecting well, and the ground heat is once set in a predetermined temperature zone to be a supply heat source at the heat exchange terminal. Therefore, the thermodynamic cycle of the heat medium gas is designed and controlled based on the heat medium gas circulating between the underground heat collecting tube and the heat exchange terminal. Here, for convenience, it is referred to as a “first stage heat pump”.
一段目ヒートポンプでは、熱交換端子本体の温度又は熱交換端子の熱媒体ガス出口圧力をセンサーで検出して、熱交換端子が所定の温度帯となるように電動式コンプレッサーがインバータ制御されるものである。 In the first stage heat pump, the temperature of the heat exchange terminal body or the heat medium gas outlet pressure of the heat exchange terminal is detected by a sensor, and the electric compressor is inverter-controlled so that the heat exchange terminal is in a predetermined temperature range. is there.
次に、一段目ヒートポンプの熱交換端子に熱媒体系統が接続され、かつ制御が独立した別体のヒートポンプ装置が、熱交換端子を熱源として一段目ヒートポンプとは独立した熱媒体ガスの熱力学的サイクルに基づきインバータ制御されている。ここでは、一段目ヒートポンプと熱的に接続した当該ヒートポンプを、便宜的に「二段目ヒートポンプ」と称する。 Next, a separate heat pump device in which the heat medium system is connected to the heat exchange terminal of the first stage heat pump and the control is independent of the thermodynamics of the heat medium gas independent of the first stage heat pump using the heat exchange terminal as a heat source. The inverter is controlled based on the cycle. Here, the heat pump thermally connected to the first stage heat pump is referred to as a “second stage heat pump” for convenience.
したがって、本願考案の複合ヒートポンプとは、上記の地中熱利用の一段目ヒートポンプと、一般的な空調機等の二段目ヒートポンプとが、熱交換端子(熱交換器)により「熱媒体ガス」対「熱媒体ガス」での熱交換を行わせるべく接続されて、それぞれが別に設定された温度又は圧力条件によって制御されるものをいう(図1)。Therefore, the composite heat pump of the present invention means that the first stage heat pump using the above ground heat and the second stage heat pump such as a general air conditioner are “heat medium gas” by a heat exchange terminal (heat exchanger). It is connected to perform heat exchange with “heat medium gas”, and is controlled by temperature or pressure conditions set separately (FIG. 1).
熱交換端子では、蒸発・凝縮による高圧(1MPa〜数MPa)に耐えうる構造を有するものであれば公知の熱交換器であってよく、プレート式熱交換器や、二重管式熱交換器等が選択されうる。このとき原則的には一段目ヒートポンプと二段目ヒートポンプの熱媒体ガスが熱交換され、一方が蒸発で一方が凝縮となる逆の相変化を熱交換器内で生じさせるものである。 The heat exchange terminal may be a known heat exchanger as long as it has a structure capable of withstanding high pressure (1 MPa to several MPa) due to evaporation / condensation, such as a plate heat exchanger or a double tube heat exchanger. Etc. may be selected. In this case, in principle, the heat medium gas of the first stage heat pump and the second stage heat pump is subjected to heat exchange, and a reverse phase change is generated in the heat exchanger, one of which is evaporation and the other is condensation.
熱交換端子(熱交換器)では、加熱媒体と冷却媒体が向かい合わせに接して流れる対交流式の熱交換が熱交換効率上望ましいが、熱交換端子(熱交換器)内の温度差が熱媒体入口側と出口側で大きくなる。このため、本願では熱交換端子の本体外表面側のいずれかの箇所、望ましくは概ね熱媒体入口出口の箇所の中間部付近に熱センサー検出部を密着設置して、熱交換端子の本体の温度として計測するものである。 In heat exchange terminals (heat exchangers), it is desirable in terms of heat exchange efficiency that the heating medium and the cooling medium flow in contact with each other in terms of heat exchange efficiency, but the temperature difference in the heat exchange terminals (heat exchangers) It becomes larger on the medium inlet side and outlet side. Therefore, in this application, the temperature of the main body of the heat exchange terminal is set by installing the heat sensor detection unit in close contact with any part on the outer surface side of the main body of the heat exchange terminal, preferably in the vicinity of the middle part of the heat medium inlet / outlet part. Is to be measured.
本願請求項1の考案に記載した「所定の温度を供給」とは、上記の熱交換端子の本体の温度を検出し、インバータ制御によるコンプレッサーでの熱媒体循環量の調整により温度変化を補って所定の温度を保持することであり、当然ながら二段目ヒートポンプによる熱交換負荷の急変動のあるときは熱交換端子の温度が変化するので、それに応じたコンプレッサー稼働がなされるようになっている。 The “predetermined temperature supply” described in claim 1 of the present application means that the temperature of the main body of the heat exchange terminal is detected and the temperature change is compensated by adjusting the amount of heat medium circulation in the compressor by inverter control. This is to maintain a predetermined temperature. Naturally, when there is a sudden change in the heat exchange load due to the second stage heat pump, the temperature of the heat exchange terminal changes, and the compressor is operated accordingly. .
本願考案では、一段目ヒートポンプにより熱交換端子で供給される所定の温度は、二段目ヒートポンプの仕事との関係で、概ね地中熱温度帯(概ね10℃乃至15℃前後)と、二段目ヒートポンプが冷暖房装置である場合の需要熱温度帯(暖房時)下限値又は排熱温度帯(冷房時)上限値となる概ね32℃乃至35℃の温度との、概ね中間となる温度帯、すなわち20℃前後、概ね18℃乃至22℃の範囲で所定の温度が定められることが望ましい。 In the present invention, the predetermined temperature supplied at the heat exchange terminal by the first stage heat pump is generally in the subsurface heat temperature zone (about 10 ° C. to about 15 ° C.) in relation to the work of the second stage heat pump. A temperature zone approximately in the middle of a temperature of approximately 32 ° C. to 35 ° C. which is the lower limit value of the demand heat temperature zone (heating) or the upper limit value of the exhaust heat temperature zone (cooling) when the eye heat pump is an air conditioner, That is, it is desirable that the predetermined temperature is determined in the range of about 18 ° C. to 22 ° C., around 20 ° C.
さらに実用的には、本願請求項2の考案に記載したとおりに、予め熱交換端子の前記で定められた熱交換端子の温度の変化の幅を、所定の温度から概ね±2℃〜±5℃に収めるようにコンプレッサーをインバータ制御により稼働させて、当該の温度の変化幅の範囲内に収めるようするものである。 Furthermore, practically, as described in the invention of claim 2 of the present application, the range of change in the temperature of the heat exchange terminal determined in advance of the heat exchange terminal is approximately ± 2 ° C. to ± 5 ° C. from the predetermined temperature. The compressor is operated by inverter control so that the temperature is kept within the range of 0 ° C., and is kept within the range of the temperature change.
例えば、熱交換端子の温度を20℃と設定したときに、その温度の±2℃の変化幅に達したときにそれを所定の温度20℃に戻すように、或いは例えば熱交換端子の温度を18℃と設定したとき、その温度の±5℃の変化幅に達したときにそれを所定の温度18℃に戻すよう一段目ヒートポンプのコンプレッサーを作動させるものである。 For example, when the temperature of the heat exchange terminal is set to 20 ° C., when the variation width of ± 2 ° C. of the temperature is reached, it is returned to a predetermined temperature of 20 ° C. When the temperature is set to 18 ° C., the compressor of the first stage heat pump is operated so as to return the temperature to a predetermined temperature of 18 ° C. when a change width of ± 5 ° C. is reached.
こうすることで、前記段落0027で述べたような制御により、所定の温度に保つべく微妙かつ頻繁なコンプレッサー作動にならず、一段目ヒートポンプのコンプレッサーの稼働を所定の温度変化幅の範囲で停止又は低稼働化させることができる。なお、当然に一段目ヒートポンプの作動が停止又は低稼働化したときには、二段目のインバータ制御ヒートポンプが熱交換端子の温度変化を補うように二段目ヒートポンプのコンプレッサーが作動することになる。 By doing so, the control as described in the above paragraph 0027 does not cause the subtle and frequent compressor operation to maintain the predetermined temperature, and the operation of the compressor of the first stage heat pump is stopped within the range of the predetermined temperature change range. Low operation can be achieved. Of course, when the operation of the first-stage heat pump is stopped or lowered, the compressor of the second-stage heat pump operates so that the second-stage inverter-controlled heat pump compensates for the temperature change of the heat exchange terminal.
なお、熱交換端子(熱交換器)の選定は、十分な熱交換効率及び本体容量を有する場合は問題にならないが、経済性の観点から小型化したものを選ぶ場合があるが、そのときは、熱交換端子からの一段目ヒートポンプの熱媒体ガスの出口温度と、二段目ヒートポンプの熱媒体ガスの出口温度との間の温度差ができるだけないように選定しなければならない。 The selection of the heat exchange terminal (heat exchanger) is not a problem when it has sufficient heat exchange efficiency and main body capacity, but there are cases where a smaller one is selected from the viewpoint of economy. The temperature difference between the outlet temperature of the heat medium gas of the first stage heat pump from the heat exchange terminal and the outlet temperature of the heat medium gas of the second stage heat pump must be selected as much as possible.
本願考案の複合ヒートポンプシステムが、一段目ヒートポンプと二段目ヒートポンプの熱的な接続により構成されるものであることから、熱交換端子には如何なる運転状況においても上記温度差が6℃以下、望ましくは2℃以下となるように十分な熱交換能力を発揮させなければならない。このため実用上は、二段目ヒートポンプの熱交換需要の上限を予め想定したうえで、それに対応した熱交換能力を発揮しうるようコンプレッサーの定格能力と熱交換器の定格能力が検討されて、一段目ヒートポンプが設計されている。 Since the composite heat pump system of the present invention is configured by the thermal connection of the first-stage heat pump and the second-stage heat pump, the above temperature difference is preferably 6 ° C. or less in any operating condition. Must exhibit sufficient heat exchange capacity to be 2 ° C. or lower. Therefore, in practice, the upper limit of the heat exchange demand of the second stage heat pump is assumed in advance, and the rated capacity of the compressor and the rated capacity of the heat exchanger are studied so that the corresponding heat exchange capacity can be demonstrated. A first stage heat pump has been designed.
本願請求項3の考案にかかる二段目ヒートポンプが熱交換端子への複数接続は、一段目ヒートポンプ側が、地中熱源と熱交換端子とを循環する熱媒体ガスの熱力学的サイクルシステムとなっているのに対して、二段目ヒートポンプが熱交換端子と個別任意の熱利用端末(空調機、温水器、等)との間での熱力学的サイクルシステムがそれぞれ構成されており、二段目のそれぞれのヒートポンプは独立してコンプレッサーと制御機構を有して、他の二段目ヒートポンプや、一段目ヒートポンプとは熱力学的サイクル上も分離されて、熱交換端子で熱的にのみ接続されるものである(図2)。 The second stage heat pump according to
したがって、複数の二段目ヒートポンプの熱交換端子での熱交換需要の変動は、合計されて一段目ヒートポンプの熱供給にかかる制御対象となる。この場合においても、熱交換端子に配された温度センサーにより検出される熱交換端子の温度変化を補い前述の温度変化幅の範囲となるよう一段目ヒートポンプのコンプレッサーがインバータ制御されて熱媒体ガス循環量が調整されるものである。 Therefore, the fluctuations in the heat exchange demand at the heat exchange terminals of the plurality of second stage heat pumps are summed up and become a control target related to the heat supply of the first stage heat pump. Even in this case, the compressor of the first stage heat pump is inverter-controlled so as to compensate for the temperature change of the heat exchange terminal detected by the temperature sensor arranged on the heat exchange terminal so that the temperature change range is within the above range. The amount is to be adjusted.
なお、熱交換端子の二段目ヒートポンプが接続される被熱交換側(本願考案では一段目ヒートポンプ側から見たときを指す。)が複数の副室に分割されているので、当然に各副室への熱媒体ガスの入口出口は独立して設けられている。 Since the heat exchange side to which the second stage heat pump of the heat exchange terminal is connected (referred to as viewed from the first stage heat pump side in the present invention) is divided into a plurality of sub chambers. The inlet / outlet of the heat medium gas to the chamber is provided independently.
この場合、例えば一段目ヒートポンプの熱媒体ガスを並列分岐して、複数の二段目ヒートポンプごとに対応した熱交換端子を設け、そこで一段目ヒートポンプと二段目ヒートポンプとの熱媒体ガスの熱交換を行う方法も当然にあるが、熱交換端子(熱交換器)を複数台設置しなければなないこと、それに伴い制御のためのセンサー等も複数設置することとなるなど、から本願考案ではこれを一体的な熱交換器として構成するものである。 In this case, for example, the heat medium gas of the first stage heat pump is branched in parallel, and a heat exchange terminal corresponding to each of the plurality of second stage heat pumps is provided, where heat exchange of the heat medium gas between the first stage heat pump and the second stage heat pump is performed. Of course, there is a method of performing this, however, in the present invention, it is necessary to install a plurality of heat exchange terminals (heat exchangers) and, accordingly, install a plurality of sensors for control. Is configured as an integral heat exchanger.
本願考案の複合ヒートポンプシステムでは、地中熱源を利用した一段目ヒートポンプに、熱交換端子を熱源利用する二段目ヒートポンプを熱的に接続したものであり、それぞれのヒートポンプの制御は分離されている。このため、一段目ヒートポンプには二段目ヒートポンプの稼働を熱交換端子の温度の変化により判別し、一段目ヒートポンプを起動させるものとなっている。 In the composite heat pump system of the present invention, a second-stage heat pump using a heat exchange terminal as a heat source is thermally connected to a first-stage heat pump using an underground heat source, and the control of each heat pump is separated. . For this reason, the first-stage heat pump determines the operation of the second-stage heat pump based on a change in the temperature of the heat exchange terminal, and activates the first-stage heat pump.
熱交換端子は断熱材により外気温との断熱措置が十分に図られているため、熱交換端子の温度変化は二段目ヒートポンプの熱交換需要によるものとなっている。このため二段目ヒートポンプが停止している場合は、熱交換端子の温度変化が生じないため、このときは自動に一段目ヒートポンプも停止するようになっている。 Since the heat exchange terminal is sufficiently insulated from the outside air temperature by the heat insulating material, the temperature change of the heat exchange terminal is due to the heat exchange demand of the second stage heat pump. For this reason, when the second stage heat pump is stopped, the temperature change of the heat exchange terminal does not occur, and at this time, the first stage heat pump is also automatically stopped.
一方、二段目ヒートポンプの起動(例えば空調機のスタート)のときは、熱交換端子に急激な熱負荷がかかるために、熱交換端子に配した温度センサーにより温度変化を検知するようにして一段目ヒートポンプを起動するようにしてある。なお、単位時間当たり(例えば1分当たり等)の温度変化(Δt)を計測するようにして、通常の外気温の変化による影響を排除して、二段目ヒートポンプの起動を検出するようになっている。 On the other hand, when the second stage heat pump is activated (for example, when the air conditioner is started), since a sudden heat load is applied to the heat exchange terminal, the temperature change is detected by the temperature sensor arranged on the heat exchange terminal. The eye heat pump is activated. In addition, the temperature change (Δt) per unit time (for example, per minute) is measured, the influence of the change in the normal outside air temperature is eliminated, and the start of the second stage heat pump is detected. ing.
熱媒体ガスの熱力学的サイクルでは、温度と圧力はほぼ同義の指数であると考えることができるので、上記まで述べた説明において、熱交換端子の温度変化の検出に替え、一段目ヒートポンプ、二段目ヒートポンプの熱交換端子への熱媒ガスの入口出口に配した圧力センサーにより、圧力を計測し制御してもよい。 In the thermodynamic cycle of the heat transfer medium gas, it can be considered that the temperature and the pressure are almost synonymous indexes. Therefore, in the above description, instead of detecting the temperature change of the heat exchange terminal, the first stage heat pump, The pressure may be measured and controlled by a pressure sensor arranged at the inlet / outlet of the heat transfer medium gas to the heat exchange terminal of the stage heat pump.
なお、ヒートポンプ装置では、最終的な熱利用装置での冷熱利用と温熱利用について固定的であるとき(温水器、冷凍機など)と、切替え・可変的であるとき(空調機など)があるが、通常、切替え・可変的であるときは熱媒体ガスの流れ方向が逆転して、常にコンプレッサーに気体状態の熱媒体が流れるようになっている。システム構成的には、一段目・二段目ヒートポンプのそれぞれが熱媒体流路に四方切替え弁を配し、冷熱利用時と温熱利用時に切り替えられるものである。本明細書では特に説明・図示していないが、本願考案も当然に少なくとも一段目ヒートポンプシステムは流れ方向の切替機構を備えている。 In the heat pump device, there are a case where the use of cold and heat in the final heat utilization device is fixed (water heater, refrigerator, etc.) and a case where it is switched and variable (air conditioner etc.). Usually, when switching / variable, the flow direction of the heat medium gas is reversed, and the gas state heat medium always flows through the compressor. In terms of system configuration, each of the first-stage and second-stage heat pumps is provided with a four-way switching valve in the heat medium flow path, and can be switched when using cold or hot. Although not specifically described and illustrated in the present specification, the present invention also naturally includes at least the first stage heat pump system including a flow direction switching mechanism.
また、本願考案の熱交換端末(熱交換器)の熱交換容量が十分に確保されている場合は、二段目ヒートポンプの熱交換需要の微変動分については一段目ヒートポンプの熱媒体ガスの温度変化に大きな変化を与えず、加えて本願請求項2の考案により一段目ヒートポンプの稼働を制御する温度指標に変化幅が与えられることで、一段目ヒートポンプのインバータ式制御のコンプレッサーの負荷変動を緩やかなものとすることができる。 In addition, when the heat exchange capacity of the heat exchange terminal (heat exchanger) of the present invention is sufficiently secured, the temperature of the heat medium gas of the first stage heat pump can be used for slight fluctuations in the heat exchange demand of the second stage heat pump. In addition, the change of the temperature index for controlling the operation of the first stage heat pump is given by the device of claim 2 of the present invention without giving a large change to the change, thereby gradually reducing the load fluctuation of the compressor of the inverter type control of the first stage heat pump. Can be.
このため、自然熱交換方式になる地中配管での熱媒体ガスの制御にかかるコンプレッサーのベース負荷運転をより安定化させやすく、かつ複合ヒートポンプシステムの全体設計に負荷的な弾力性を持たせることが可能となる。 For this reason, it is easier to stabilize the base load operation of the compressor for controlling the heat transfer medium gas in the underground piping that adopts the natural heat exchange system, and to give the overall design of the composite heat pump system a resilient load. Is possible.
さらには、一段目ヒートポンプと、二段目ヒートポンプの熱媒体ガスは異なる特性のものを選択しうるものとなり、例えば一段目ヒートポンプの熱媒体ガスを低圧・低温特性に優れるものを選択して、より地中熱利用の効率を向上させる熱力学的サイクルシステムを設計することが可能である。 Furthermore, the heat medium gas of the first stage heat pump and the second stage heat pump can be selected with different characteristics, for example, select the heat medium gas of the first stage heat pump with excellent low pressure / low temperature characteristics, and more It is possible to design a thermodynamic cycle system that improves the efficiency of underground heat utilization.
また、図3の本願考案の複合ヒートポンプシステムの熱力学的サイクルの概念図に示すように、従来の一系統方式の地中熱利用ヒートポンプサイクル(図中破線)に比べ、一段目ヒートポンプのサイクル(図中下段)と二段目ヒートポンプのサイクル(図中上段)を熱的に結合したものでは冷凍能力が増大し(図中β>α)、かつ仕事量を減少させる(図中(A+B)<C)ことができ、熱力学的サイクル上従来の一系統サイクル方式の地中熱ヒートポンプシステムよりも本願考案の複合ヒートポンプシステムは優れた能力を発揮する。 In addition, as shown in the conceptual diagram of the thermodynamic cycle of the composite heat pump system of the present invention in FIG. 3, compared with the conventional one-system geothermal heat pump cycle (broken line in the figure), the cycle of the first stage heat pump ( In the case where the cycle of the second stage heat pump (the upper part in the figure) is thermally coupled, the refrigeration capacity increases (β> α in the figure) and the work is reduced ((A + B) <in the figure) C), and the combined heat pump system of the present invention exhibits superior performance than the conventional one-cycle ground-type heat pump system on the thermodynamic cycle.
但し、従来型の一系統サイクル方式に対して、本願考案では一段目、二段目それぞれにインバータ制御式コンプレッサーを稼働させる必要があり、熱的負荷状況によっては電力消費量が増加する側面もあるものの、地中熱温度帯と、二段目ヒートポンプの需要熱温度下限値又は排熱温度上限値との、概ね中間となる温度帯(空調機では概ね20℃前後となる。)での熱媒体ガス間での熱交換が安定化できる設定では、それぞれのコンプレッサーの稼働状況を低下させることができ、システム全体での消費電力は従来型よりやや上昇する程度に最適化することができる。 However, in contrast to the conventional one-system cycle system, the present invention requires that the inverter-controlled compressor be operated in each of the first and second stages, and there is an aspect that power consumption increases depending on the thermal load situation. However, the heat medium in a temperature zone that is approximately between the underground heat temperature zone and the demand heat temperature lower limit value or exhaust heat temperature upper limit value of the second-stage heat pump (approximately 20 ° C. in an air conditioner). In a setting that can stabilize the heat exchange between the gases, the operating status of each compressor can be reduced, and the power consumption of the entire system can be optimized to a level that is slightly higher than the conventional type.
また、直接膨張方式に限らず、ブライン方式や地下水冷方式など従来の方式によるヒートポンプシステムである場合も、その熱源温度帯と、最終的な熱利用端末での熱需要温度帯又は排熱温度帯との温度差が大きな場合(概ね30℃前後以上)においては、積極的に本願考案の複合ヒートポンプシステムにより熱力学的サイクルを多段方式にすることで、効率化を図ることが可能となる。 Moreover, not only the direct expansion method but also a heat pump system by a conventional method such as a brine method or a groundwater cooling method, the heat source temperature zone and the heat demand temperature zone or exhaust heat temperature zone at the final heat utilization terminal When the temperature difference between the two is large (approximately around 30 ° C. or more), it is possible to increase efficiency by actively using a multi-stage thermodynamic cycle with the composite heat pump system of the present invention.
いずれにせよ、地中熱利用ヒートポンプ装置において、地中熱を利用して所定の温度の熱源を供給する仕事を担う熱力学的サイクルを制御したヒートポンプ装置と、その熱源を利用して別体として制御されるヒートポンプ装置(空調機、給湯器等)とが、熱交換端子(熱交換器)で熱媒体ガス対熱媒体ガスでの熱交換のうえ、熱的に接続された複合ヒートポンプシステムを構成するとの技術思想にかかる事項は、公知の技術の部分的利用を含むものであってもなお本願考案の範囲に含まれることはいうまでもない。 In any case, in the heat pump using geothermal heat, the heat pump device that controls the thermodynamic cycle responsible for the work of supplying the heat source at a predetermined temperature using the geothermal heat, and the heat source as a separate body A heat pump device (air conditioner, water heater, etc.) to be controlled constitutes a combined heat pump system that is thermally connected after heat exchange between heat medium gas and heat medium gas at a heat exchange terminal (heat exchanger) Needless to say, the matters relating to the technical idea are included in the scope of the present invention even if they include partial use of a known technique.
1 地中熱配管路
2 熱交換端子
3 コンプレッサー(一段目ヒートポンプ装置)
4 コンプレッサー(二段目ヒートポンプ装置)
5 熱センサー及びインバータ制御装置
6 熱利用端末(二段目ヒートポンプ装置)1 Ground heat piping line 2
4 Compressor (second stage heat pump device)
5 Heat sensor and inverter control device 6 Heat utilization terminal (second stage heat pump device)
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