JP3241939B2 - 空調システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空調システムに係り、特
に、空調室外から取り入れた外気および／または空調室
内からの還気を熱源とするヒートポンプにより冷暖房を
行う空気熱源型ヒートポンプ空調機と、この空気熱源型
ヒートポンプ空調機に第１熱媒を介して冷熱を供給可能
な中央熱源設備とから構成される空調設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、オフィスビルなどの空調設備の方
式は、ビル機能のインテリジェント化に伴う冷房負荷の
増大へ対応するため、あるいはオフィス環境の快適化要
求に応じて、セントラル方式から個別分散方式に変遷し
つつある。このような個別分散型ビル空調方式に対応す
るために、ユニット型ヒートポンプやマルチ方式空気調
和器などの個別空調システムが開発されている。

【０００３】たとえば典型的なマルチ方式空調設備は、
１台の室外ユニットに複数の室内ユニットが接続され、
各室内ユニットごとに個別に運転停止や室温設定などの
制御ができるように構成されている。このようなマルチ
方式空調設備は個別運転制御特性に優れているため個別
分散方式に最適であり、しかも熱搬送動力を軽減するこ
とが可能なため、消費エネルギーを大幅に抑えることが
できる点でも注目されている。

【０００４】しかしながら、個別分散型空調方式では、
各個別ユニットが各空調空間における熱負荷に同時に対
応するので、電力需要の先鋭化を招くため、各個別シス
テムにおけるピークカットが重要な課題となっている。
また、たとえばマルチ方式空調設備の設置にあたって
は、室内ユニットと室外ユニットとを連絡する冷媒配管
の長さや高低差が設置場所によって多様であり、さらに
設置現場に応じて冷却能力の予測、配管径の選定、オイ
ル注入量の適正調整などを行う必要があるため、各設備
のユニット化、モジュール化、プレハブ化などにより施
工の標準化が要求されている。

【０００５】また最近では環境問題から、特にエネルギ
ーの有効利用という観点から、空調熱源システムとして
地域冷暖房（ＤＨＣ）システムが注目されている。しか
しながら、地域冷暖房システムでは、各空調空間で要求
される熱負荷の小さな部分負荷時に、地域導管からの熱
損失が、たとえば１０〜３０％にまで及ぶ場合があるた
め問題となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来の個別空調システムの抱える問題点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、中央熱源設
備からの熱源と自己完結型熱源の併用により、自己完結
型熱源により部分負荷に対応可能であり、中央熱源を利
用することによりエネルギーの有効利用および電力のピ
ークカットを達成することが可能であり、また冷暖房同
時負荷に対しても柔軟に対応することが可能であり、小
さな熱搬送動力で稼働することが可能であり、機器施工
の標準化がを達成することが可能であり、特にＤＨＣシ
ステムと好適に組み合わせることが可能であり、さらに
温熱環境および空気質環境の個別性をも同時に達成する
ことが可能な、新規かつ改良された空気熱源型個別空調
システムを提供することである。

【０００７】上記課題を解決するために、請求項１に記
載の発明は、空調室外から取り入れた外気および／また
は空調室内からの還気を熱源とするヒートポンプにより
冷暖房を行う空気熱源型ヒートポンプ空調機と、この空
気熱源型ヒートポンプ空調機に第１熱媒を介して冷熱を
供給可能な中央熱源設備とから構成される空調設備にお
いて、前記空気熱源型ヒートポンプ空調機は、外気およ
び／または還気とヒートポンプを循環する第２熱媒との
熱交換を行う第１熱交換器および第２熱交換器と、前記
中央熱源設備から供給される第１熱媒とヒートポンプ内
を循環する第２熱媒との熱交換を行う第３熱交換器とを
備え、前記第１熱交換器は蒸発器として機能するととも
に、前記第２および第３熱交換器は凝縮器として機能
し、さらに運転モードに応じて、第１熱交換器および／
または前記第２熱交換器を通過する排気経路、または排
気を前記第１熱交換器および／または前記第２熱交換器
を通過しない排気経路を選択的に形成することが可能で
あることを特徴としている。また，請求項２に記載の発
明は，空調室外から取り入れた外気および／または空調
室内からの還気を熱源とするヒートポンプにより冷暖房
を行う空気熱源型ヒートポンプ空調機と、この空気熱源
型ヒートポンプ空調機に第１熱媒を介して冷熱を供給可
能な中央熱源設備とから構成される空調設備において、
前記空気熱源型ヒートポンプ空調機は、外気および／ま
たは還気とヒートポンプを循環する第２熱媒との熱交換
を行う第１熱交換器および第２熱交換器と、前記中央熱
源設備から供給される第１熱媒とヒートポンプ内を循環
する第２熱媒との熱交換を行う第３熱交換器とを備え、
前記第１熱交換器は蒸発器として機能するとともに、前
記第２および第３熱交換器は凝縮器として機能し、運転
モードに応じて、前記第２熱交換器より温風を室内に供
給することを特徴としている。

【０００８】第２および第３熱交換器の配置に関して
は、請求項３に記載のように、２つの熱交換器をヒート
ポンプ回路内に直列に介装することも可能であり、ある
いは請求項４に記載のように、２つの熱交換器をヒート
ポンプ回路内に並列に介装することも可能である。例え
ば、図１に示すように、ヒートポンプ回路の圧縮機と膨
張弁との間に第２および第３熱交換器を直列に配し、第
２熱媒が第２熱交換器を通過してから第３熱交換器に送
られるように構成することも可能であるし、あるいは、
図２に示すように、ヒートポンプ回路の圧縮機と膨張弁
との間に第２および第３熱交換器を並列に配し、第２熱
媒が第２および第３熱交換器に同時にまたは選択的に送
られるように構成することも可能である。

【０００９】

【作用】本発明によれば、空気経路を切り換えることに
より、冷房運転時には、第１の熱交換器を介して室内給
気される空気から抜熱するとともに、中央熱源設備から
供給される第１の熱媒に排熱することにより、第１の熱
交換器を介して冷風を室内に供給することが可能であ
り、暖房運転時には、第１の熱交換器を介して排気する
ことにより、第２の熱交換器を介して温風を室内に供給
することが可能である。また第１の熱交換器より冷風を
供給し、第２の熱交換器より温風を供給することにより
冷暖房同時負荷にも柔軟に対応することができる。

【００１０】

【実施例】以下に添付図面を参照しながら、本発明に基
づいて構成された空調システムの好適な実施例について
詳細に説明する。

【００１１】図１には、本発明に基づいて構成された空
調システムの一実施例が示されており、図示のように、
この空調システムは、所定の容積、たとえば外壁面を含
め約７ｍ×１４ｍ（１００ｍ^２）を有する１また２以上
の空調単位ごとに設置される空気熱源型ヒートポンプユ
ニット空調機１と、たとえば建築物の地下などに設置さ
れる中央熱源設備２とから構成される。中央熱源設備２
としては、たとえば夜間電力を利用して蓄熱槽内に冷熱
を氷または冷水の状態で蓄熱することが可能な蓄熱方式
の熱源装置を採用可能であり、このように蓄熱方式の熱
源装置を利用することにより、電力ピークの平準化を図
ることが可能となる。また中央熱源設備として、より大
規模な地域冷暖房設備（ＤＨＣ）などを採用することに
より、エネルギーの有効利用を図ることが可能である。

【００１２】ヒートポンプ空調機１は、ケーシング３内
に一体的に設置された空気熱源型ヒートポンプ回路から
構成される。このヒートポンプ回路は、蒸発器として外
気取入口（ＯＡ）より導入された外気および／または還
気口（ＲＡ）より取り入れた還気とヒートポンプ回路を
循環する第２の熱媒、たとえば冷媒との熱交換を行う第
１の熱交換器４と、凝縮器として外気および／または還
気とヒートポンプ回路を循環する冷媒との熱交換を行う
第２の熱交換器５と、同じく凝縮器としてヒートポンプ
回路を循環する冷媒と中央熱源設備から供給される第１
の熱媒、たとえば冷却水との熱交換を行う第３の熱交換
器６と、膨張弁７と、圧縮機８とから構成され、２つの
凝縮器である第２の熱交換器５と第３の熱交換器６がヒ
ートポンプ回路内に直列に介装されている。

【００１３】またヒートポンプ空調機１は、第１の給気
用送風機９により第１の熱交換器４を通過した空気を室
内側に給気可能な第１の給気口（ＳＡ１）と、第２の給
気用送風機１０により第２の熱交換器５を通過した空気
を室内側に給気可能な第２の給気口（ＳＡ２）とを備え
ている。ヒートポンプ空調機１は、さらに排気用送風機
１１を備えており、第１のダンパ１２および第２のダン
パ１３を開閉することにより、排気を、第１の熱交換器
４を介して、または第２の熱交換器４を介さずに選択的
に行うことが可能なように構成されている。

【００１４】次に、上記のように構成された空調システ
ムの各種運転モードについて詳細に説明する。

【００１５】（１）冷房運転モード 冷房運転時には、第１のダンパ１２を閉止し第２のダン
パ１３を開放して排気用送風機１１を駆動し排気を第１
の熱交換器４を介さずに行う構成とするとともに、第１
の給気用送風機９を駆動して第２の給気用送風機１０は
停止して、第１の給気経路（ＳＡ１）のみを有効とす
る。そして、ヒートポンプ回路の冷媒が、圧縮機８→第
２の熱交換器（凝縮器）５→第３の熱交換器（凝縮器）
６→膨張弁７→第１の熱交換器（蒸発器）４→圧縮機８
と順次循環するヒートポンプを構成し、第１の熱交換器
４により室内への給気より抜熱した熱を第３の熱交換器
６を介して中央熱源設備２から供給される冷却水中に排
熱することにより、第１の給気経路（ＳＡ１）より冷風
を室内に供給することができる。なお、冷房負荷の変動
に対しては、圧縮機８および／または膨張弁７の調整、
および第３の熱交換器６に流入する冷却水の水温および
／または水量の調整により対応する。

【００１６】（２）暖房運転モード 暖房運転時には、第１のダンパ１２を開放し第２のダン
パ１３を閉止して排気用送風機１１を駆動し排気を第１
の熱交換器４を介して行うことにより排気を熱源として
利用する。また第２の給気用送風機１０を駆動して第１
の給気用送風機９を停止して、第２の給気経路（ＳＡ
２）のみを有効とする。そして、ヒートポンプ回路の冷
媒が、圧縮機８→第２の熱交換器（凝縮器）５→第３の
熱交換器（凝縮器）６→膨張弁７→第１の熱交換器（蒸
発器）４→圧縮機８と順次循環するヒートポンプを構成
し、第１の熱交換器４により排気空気中より回収した熱
を第２の熱交換器を介して室内への給気中に放熱するこ
とにより、第２の給気経路（ＳＡ２）より温風を室内に
給気することができる。なお、暖房運転時には、原則と
して中央熱源設備２からの冷却水の供給は停止する。し
たがって、暖房負荷の変動に対しては、圧縮機８および
／または膨張弁７の調整により対応する。

【００１７】（３）冷暖房同時運転モード 空調空間において冷暖房負荷が同時に要求されている場
合には、第１のダンパ１２を閉止し第２のダンパ１３を
開放して排気用送風機１１を駆動し排気を第１の熱交換
器４を介さずに行う。さらに第１の給気用送風機９およ
び第２の給気用送風機１０を駆動することにより、第１
の給気経路（ＳＡ１）および第２の給気経路（ＳＡ２）
の双方を有効にする。そして、ヒートポンプ回路の冷媒
が、圧縮機８→第２の熱交換器（凝縮器）５→第３の熱
交換器（凝縮器）６→膨張弁７→第１の熱交換器（蒸発
器）４→圧縮機８と順次循環するヒートポンプを構成
し、第１の熱交換器４により室内への給気より抜熱する
とともに、その熱を第２の熱交換器５により室内への給
気中に放熱することにより、第１の給気経路（ＳＡ１）
より冷風を室内に供給すると同時に第２の給気経路（Ｓ
Ａ２）より温風を室内に供給することができる。

【００１８】なお冷暖房同時運転モードにおいて、冷房
負荷が大きい場合には、圧縮機８および／または膨張弁
を操作し冷房負荷に合わせたうえで、第３の熱交換器６
に流入する冷却水の水温および／または水量を制御して
余剰熱を排熱する。また冷暖房同時運転モードにおい
て、暖房負荷が大きい場合には、第３の熱交換器６に流
入する冷却水を停止したうえで、圧縮機８および／また
は膨張弁７を調整して暖房負荷と冷房負荷に合うポイン
トで空調機を運転することが可能である。

【００１９】図２には、本発明に基づいて構成された空
調システムのさらに別の実施例が示されている。この空
調システムを構成する各構成要素の基本的な機能は図１
に示すものとほぼ同様であり、したがって、同一の機能
を有する構成要素については、同一の参照符号を付する
ことにより詳細な説明は省略することにする。この空調
システムが、図１に示す空調システムと異なる点は、第
２の熱交換器５と第３の熱交換器６という２つの凝縮器
が、切換弁１４、１５、１６、１７を介して、ヒートポ
ンプ回路に並列に設置されている点である。したがっ
て、この空調システムは、各切換弁１４、１５、１６、
１７および各ダンパ１２、１３を調整することにより、
次のような各種運転モードで駆動することができる。

【００２０】（１）冷房運転モード 冷房運転時には、第１のダンパ１２を閉止し第２のダン
パ１３を開放し排気用送風機１１を駆動して第１の熱交
換器４を介さずに排気を行うとともに、第１の給気用送
風機９を駆動し第２の給気用送風機１０を停止して、第
１の給気経路（ＳＡ１）のみを有効にする。そして、ヒ
ートポンプの冷媒が、圧縮機８→切換弁１６→第３の熱
交換器（凝縮器）６→切換弁１７→膨張弁７→第１の熱
交換器（蒸発器）４→圧縮機８と順次循環するヒートポ
ンプ回路を構成し、第１の熱交換器４により室内への給
気より抜熱した熱を第３の熱交換器６により中央冷却水
設備２より供給された冷却水中に放熱することにより、
第１の給気経路（ＳＡ１）より冷風を室内に供給するこ
とが可能である。なお冷房負荷の変動に対しては、圧縮
機８および／または膨張弁７の調整、および第３の熱交
換器６に流入する冷却水の水温および／または水量の調
整により対応する。

【００２１】（２）暖房運転モード 暖房運転時には、第１のダンパ１２を開放し第２のダン
パ１３を閉止し排気用送風機１１を駆動して第１の熱交
換器４を介して排気を行うとともに、第１の給気用送風
機９を停止し第２の給気用送風機１０を駆動して、第２
の給気経路（ＳＡ２）のみを有効にする。そして、ヒー
トポンプの冷媒が、圧縮機８→切換弁１４→第２の熱交
換器（凝縮器）５→切換弁１５→第１の熱交換器（蒸発
器）４→圧縮機８と順次循環するヒートポンプ回路を構
成し、第１の熱交換器４により排気中より抜熱した熱を
第２の熱交換器５により室内への給気中に放熱すること
により、第２の給気経路（ＳＡ２）より温風を室内に供
給することができる。なお、暖房運転時には、原則とし
て中央熱源設備２からの冷却水の供給は停止されている
ので、暖房負荷の変動に対しては、圧縮機８および／ま
たは膨張弁７の調整により対応する。

【００２２】（３）冷暖房同時運転モード 空調空間より冷暖房負荷が同時に要求されている場合に
は、空調ゾーンにおいて要求される熱負荷に応じて給気
温度を設定し、以下のモードでシステムを運転すること
が可能である。

【００２３】まず、冷房負荷と暖房負荷が等しい場合に
は排熱が生じないので、切換弁１６および切換弁１７を
閉止して第３の熱交換器６を切り放すとともに、第１の
ダンパ１２を閉止し第２のダンパ１３を開放し排気用送
風機１１を駆動して第１の熱交換器４を介さずに排気を
行うとともに、第１および第２の給気用送風機９、１０
を駆動して第１の給気経路（ＳＡ１）と第２の給気経路
（ＳＡ２）の双方を有効にする。そして、ヒートポンプ
回路の冷媒を、圧縮機８→切換弁１４→第２の熱交換器
（凝縮器）５→切換弁１５→膨張弁７→第１の熱交換器
（蒸発器）４と順次循環させ、第１の熱交換器４により
室内への給気より抜熱した熱を第２の熱交換器５により
室内への給気中に放熱することにより、第１の給気経路
（ＳＡ１）より冷風を室内に供給すると同時、第２の給
気経路（ＳＡ２）より温風を室内に供給する構成を採用
することが可能である。

【００２４】また、冷房負荷の方が暖房負荷よりも大き
い場合には、切換弁１６および切換弁１７を開放して第
３の熱交換器６により排熱量を調整することにより対応
することが可能である。すなわち、ヒートポンプ回路の
冷媒は、先の場合と同様に循環するが、第１の熱交換器
４により抜熱された熱の一部は、切換弁１６を介して、
第３の熱交換器６において排熱された後、切換弁１７を
介して、第２の熱交換器４に戻されることにより排熱量
が調整される。

【００２５】さらに、冷房負荷の方が暖房負荷よりも小
さい場合には、第１のダンパ１２を開放し第２のダンパ
１３を閉止し排気用送風機１１を駆動することにより、
第１の熱交換器４を通過する空気の一部を排気側に回す
ことにより、小さい冷房負荷に対応する構成とすること
が可能である。なお、この場合には、中央熱源装置２か
らの熱回収は不要なので、切換弁１６および切換弁１７
は閉止して、第３の熱交換器６はヒートポンプ回路から
切り放して運転する。

【００２６】なお、図２に示す構成では、各切換弁１
４、１５、１６、１７および各ダンパ１２、１３を調整
することにより、あるいは排気風量や冷暖房温度を操作
することにより各種熱負荷に対応しているが、さらによ
り広範囲の負荷変動が予測される場合には、上記ヒート
ポンプ回路内に四方弁を配置し、冷媒の流れを切り換
え、第３の熱交換器６を排熱装置（蒸発器または凝縮
器）として使用する構成を採用し、中央熱源装置２の熱
媒流量や温度をそうさせることにより対応することが可
能である。

【００２７】以上、本発明に基づいて構成された空調シ
ステムの好適な実施例について図面を参照しながら説明
したが、本発明はかかる構成に限定されず、当業者であ
れば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内
で各種の変更および修正が可能であり、かかる変更およ
び修正についても本発明の特許請求の範囲に属すること
はいうまでもない。特に、空気熱源型ヒートポンプユニ
ット空調機のヒートポンプ回路および／または空気経路
については、各種の変更例が可能である。また空調空間
における熱負荷の変動への対応についても、上記例以外
に、たとえば第１および／または第２のダンパの開度調
整により制御を行うことが可能である。また、ダンパの
切換に関連して、上記実施例では、排気を選択的に第１
の熱交換器を介してまたは介さずに行う構成を示した
が、さらに排気を選択的に第２の熱交換器を介してまた
は介さずに行う構成を採用することも可能である。かか
る構成によれば、第１の熱交換器により抜熱した熱を第
２の熱交換器を介して排気中に排熱することが可能とな
り、ダンパの切換により、さらに多くの運転モードで空
調システムを駆動することが可能である。さらにまた、
図１および図２においては、それぞれ、第２の熱交換器
４と第３の熱交換器６とを単純に直列また並列に配した
構成のみを示したが、さらに切換弁により、直列または
並列の接続を選択的に行うことが可能な構成にすること
により、さらに多様な運転モードで、さらに多様な空調
負荷に対応することが可能となる。さらにまた、上記の
例では、室内からの還気および外気を熱源として使用す
る構成を示したが、室内からの還気のみを熱源とすれ
ば、ヒートポンプユニットに関しては、見かけ上熱源を
必要としない空調システムが構築可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
空気経路を切り換えることにより、冷房運転時には、第
１の熱交換器を介して室内給気される空気から抜熱する
とともに、中央熱源設備から供給される第１の熱媒に排
熱することにより、第１の熱交換器を介して冷風を室内
に供給することが可能であり、暖房運転時には、第１の
熱交換器を介して排気することにより、第２の熱交換器
を介して温風を室内に供給することが可能である。また
第１の熱交換器より冷風を供給し、第２の熱交換器より
温風を供給することにより冷暖房同時負荷にも柔軟に対
応することができる。その結果、本発明によれば、エネ
ルギーの有効利用および電力のピークカットを達成する
ことが可能であり、小さな熱搬送動力で稼働することが
可能であり、機器施工の標準化がを達成することが可能
であり、さらに温熱環境および空気質環境の個別性をも
同時に達成することが可能な、空気熱源型個別空調シス
テムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づいて構成された空調システムの一
実施例の構成を示す概略図であり、第２の熱交換器と第
３の熱交換器とが直列に配された状態を示している。

【図２】本発明に基づいて構成された空調システムの他
の実施例の構成を示す概略図であり、第２の熱交換器と
第３の熱交換器とが並列に配された状態を示している。

【符号の説明】

１ 空気熱源型ヒートポンプユニット ２ 中央熱源設備 ３ ケーシング ４ 第１の熱交換器（蒸発器） ５ 第２の熱交換器（凝縮器） ６ 第３の熱交換器（凝縮器） ７ 膨張弁 ８ 圧縮機 ９ 第１の給気用送風機 １０ 第２の給気用送風機 １１ 排気用送風機 １２ 第１のダンパ １３ 第２のダンパ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−66633（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−268143（ＪＰ，Ａ) 特公 平４−57928（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 1/00 F24F 3/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空調室外から取り入れた外気および／ま
   たは空調室内からの還気を熱源とするヒートポンプによ
   り冷暖房を行う空気熱源型ヒートポンプ空調機と、この
   空気熱源型ヒートポンプ空調機に第１熱媒を介して冷熱
   を供給可能な中央熱源設備とから構成される空調設備に
   おいて、 前記空気熱源型ヒートポンプ空調機は、外気および／ま
   たは還気とヒートポンプを循環する第２熱媒との熱交換
   を行う第１熱交換器および第２熱交換器と、前記中央熱
   源設備から供給される第１熱媒とヒートポンプ内を循環
   する第２熱媒との熱交換を行う第３熱交換器とを備え、
   前記第１熱交換器は蒸発器として機能するとともに、前
   記第２および第３熱交換器は凝縮器として機能し、 さらに運転モードに応じて、第１熱交換器および／また
   は前記第２熱交換器を通過する排気経路、または排気を
   前記第１熱交換器および／または前記第２熱交換器を通
   過しない排気経路を選択的に形成することが可能である
   ことを特徴とする、空調システム。
2. 【請求項２】 空調室外から取り入れた外気および／ま
   たは空調室内からの還気を熱源とするヒートポンプによ
   り冷暖房を行う空気熱源型ヒートポンプ空調機と、この
   空気熱源型ヒートポンプ空調機に第１熱媒を介して冷熱
   を供給可能な中央熱源設備とから構成される空調設備に
   おいて、 前記空気熱源型ヒートポンプ空調機は、外気および／ま
   たは還気とヒートポンプを循環する第２熱媒との熱交換
   を行う第１熱交換器および第２熱交換器と、前記中央熱
   源設備から供給される第１熱媒とヒートポンプ内を循環
   する第２熱媒との熱交換を行う第３熱交換器とを備え、
   前記第１熱交換器は蒸発器として機能するとともに、前
   記第２および第３熱交換器は凝縮器として機能し、 運転モードに応じて、前記第２熱交換器より温風を室内
   に供給することを特徴とする、空調システム。
3. 【請求項３】 前記第２熱交換器および第３熱交換器
   が、前記ヒートポンプの第２熱媒循環路内に直列に介装
   されていることを特徴とする、請求項１または２に記載
   の空調システム。
4. 【請求項４】 前記第２熱交換器および第３熱交換器
   が、前記ヒートポンプの第２熱媒循環路内に並列に介装
   されていることを特徴とする、請求項１または２に記載
   の空調システム。