JP4746077B2

JP4746077B2 - ヒートポンプ空調システム

Info

Publication number: JP4746077B2
Application number: JP2008190305A
Authority: JP
Inventors: 恵一木村; 満津雄森田; 正三清水
Original assignee: 木村工機株式会社
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2028-07-23
Also published as: JP2010025503A

Description

本発明はヒートポンプ空調システムに関するものである。

熱源水を使用する冷温水コイル式空調機を備えた空調システムでは、熱源水の保有する熱エネルギーを活用できる水温範囲が狭く、いわゆる大温度差化に限界があり省エネ性に乏しい。しかも、運転開始後、すぐに蓄熱槽の熱源水の温度を、熱源装置を稼動させて調整しなくてはならないため、運転コストが高くつく。

特開平１０−２３２０００号公報

また、水熱源ヒートポンプを介して熱源水で還気を熱交換して被空調空間を空調する複数の水熱源ヒートポンプ式空調機と、冷温水コイル又は水熱源ヒートポンプを介して熱源水で外気を熱交換して被空調空間に給気する外調機と、を備えた空調システムでは、水熱源ヒートポンプ式空調機による冷房運転・暖房運転の混在が多いところは熱源水の相互熱回収により熱源装置が間欠運転または停止状態となるはずが、常時定風量給気が必要な外気処理まで水熱源を使って外調機で行っているため熱源装置を止めることができず無駄が多く省エネメリットを得られない。

本発明は上記課題を解決するため、冷温水コイルと水熱源ヒートポンプを介して熱源水で還気を熱交換して被空調空間を空調する複数の水熱源式空調機と、前記熱源水を蓄熱水として蓄える大温度差蓄熱槽と、この大温度差蓄熱槽と前記水熱源式空調機との間で熱源水を循環させる熱源水回路と、前記大温度差蓄熱槽の前記蓄熱水を温度調整する熱源装置と、空気熱源ヒートポンプで前記被空調空間の空気から熱回収しながら外気を熱交換して前記被空調空間に給気する空気熱源式外調機と、を備え、前記冷温水コイルのみで空調可能な第１の熱源水温範囲と前記冷温水コイル及び前記水熱源ヒートポンプで空調可能な第２の熱源水温範囲と前記水熱源ヒートポンプのみで空調可能な第３の熱源水温範囲とに応じて空調運転に用いるべき前記冷温水コイルと前記水熱源ヒートポンプを選択して切換えると共に前記熱源装置を深夜電力で運転させて前記大温度差蓄熱槽の前記蓄熱水を前記第１熱源水温範囲内に温度調整しかつ冷房時において前記第１熱源水温範囲は７〜１２℃で前記第２熱源水温範囲は１２〜２０℃で前記第３熱源水温範囲は２０〜３２℃で前記水熱源式空調機の前記冷温水コイルと前記水熱源ヒートポンプの熱交換により最大２５℃の温度差となるまで前記熱源装置で追掛運転せずに前記蓄熱水をそのまま使い続けて前記水熱源式空調機で前記被空調空間を空調して昼間の追掛運転の分の電力を深夜電力にシフトさせると共に暖房時において前記第１熱源水温範囲は４５〜４０℃で前記第２熱源水温範囲は４０〜３２℃で前記第３熱源水温範囲は３２〜１０℃で前記水熱源式空調機の前記冷温水コイルと前記水熱源ヒートポンプの熱交換により最大３５℃の温度差となるまで前記熱源装置で追掛運転せずに前記蓄熱水をそのまま使い続けて前記水熱源式空調機で前記被空調空間を空調して昼間の追掛運転の分の電力を深夜電力にシフトさせる制御手段を、設けたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、
（１）熱源水の保有する熱エネルギーを活用できる水温範囲が広く、同じ蓄熱水量でも熱源水の水量当たりの空調用熱エネルギーが増大し、長時間運転のため余分に蓄熱槽を大きくする必要がなく、蓄熱槽のコンパクト化を図れる。
（２）蓄熱槽を大きくせずに追掛運転を解消でき、追掛運転の分を深夜電力でまかなえて運転コストを大幅削減でき、ＣＯ２の削減を図れる。
（３）空気熱源式外調機は水熱源を使わずに空気熱源で外気処理を行うので、大中規模ビルやホテル客室など冷房運転・暖房運転の混在が多いところは熱源水の相互熱回収により熱源装置を間欠運転または停止状態にできて一層省エネとなり、しかも、空気熱源式外調機の熱回収効果で空調負荷を軽減することができるので、さらに大温度差蓄熱槽を小型化でき、設備コストと運転コストを大幅削減できる。
請求項２の発明によれば、楕円管なので圧力損失が少なく、送風動力を増やすことなく伝熱管有効長を長くとることができ、大温度差化に最適である。

図１〜図３は、本発明のヒートポンプ空調システムの一実施例を示しており、このヒートポンプ空調システムは、冷温水コイル５と水熱源ヒートポンプ６を介して熱源水で還気を熱交換して被空調空間を空調する複数の水熱源式空調機７と、熱源水を蓄える大温度差蓄熱槽１１と、大温度差蓄熱槽１１と水熱源式空調機７との間で熱源水を循環させる配管等から成る熱源水回路２と、大温度差蓄熱槽１１の熱源水を温度調整する電気駆動式の熱源装置１と、空気熱源ヒートポンプ８で被空調空間の空気から熱回収しながら外気を熱交換して被空調空間に給気する空気熱源式外調機９と、冷温水コイル５のみで空調可能な第１の熱源水温範囲Ｔ１と第１熱源水温範囲Ｔ１外であって冷温水コイル５及び水熱源ヒートポンプ６で空調可能な第２の熱源水温範囲Ｔ２と第１・第２熱源水温範囲Ｔ１、Ｔ２外であって水熱源ヒートポンプ６のみで空調可能な第３の熱源水温範囲Ｔ３とに応じて空調運転に用いるべき冷温水コイル５と水熱源ヒートポンプ６を選択して切換えると共に熱源装置１を深夜電力で運転させて大温度差蓄熱槽１１の蓄熱水を第１熱源水温範囲内Ｔ１に温度調整する制御手段３と、備えている。

熱源水回路２は送水ポンプ１０を備え、水熱源式空調機７の冷温水コイル５と水熱源ヒートポンプ６の水熱交換器１６が通水自在に接続される。熱源水は、送水ポンプ１０により流量調節自在として送られて、水熱源式空調機７に入り、冷温水コイル５を流れた後、水熱交換器１６を流れて後述の循環冷媒と熱交換され、熱源水回路２に戻り循環する。

水熱源式空調機７は、ケーシング内に、冷温水コイル５と、水熱源ヒートポンプ６と、加湿器２７と、給気用ファンと、を備えている。水熱源ヒートポンプ６は、循環冷媒に対して蒸発・圧縮・凝縮・膨張の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する空気や熱源水などに対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を行う空気熱交換器１５及び水熱交換器１６と、循環冷媒を圧縮する圧縮機１７と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構と、空気熱交換器１５及び水熱交換器１６の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成る。この冷温水コイル５と空気熱交換器１５の一方又は両方にて還気などの空調用空気を冷却又は加熱し、冷房運転と暖房運転を切換自在に行い、被空調空間に給気して空調する。

水熱源式空調機７には、冷温水コイル５への熱源水の一部又は全部をバイパスさせて冷温水コイル５の熱源水流量を制御する第１流量制御機構１８を、設ける。図例では第１流量制御機構１８は、三方弁やバイパス流路などにて構成しているが構成の変更は自由である。また、冷温水コイル５による最大熱交換能力と、水熱源ヒートポンプ６の空気熱交換器１５による最大熱交換能力と、の比率は略１：１に設定するのが望ましく、いずれか一方のみで被空調空間の最大空調負荷に対応可能に設定する。

空気熱源式外調機９は、ケーシング内に、空気熱源ヒートポンプ８と、給気用ファンと、排気用ファンと、を備えている。空気熱源ヒートポンプ８は、循環冷媒に対して蒸発・圧縮・凝縮・膨張の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する空気に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を行う給気側熱交換器１９及び排気側熱交換器２０と、循環冷媒を圧縮する圧縮機２１と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構と、給気側熱交換器１９及び排気側熱交換器２０の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成る。この空気熱源ヒートポンプ８の排気側熱交換器２０にて被空調空間の空気から熱回収しながら給気側熱交換器１９にて外気などの空調用空気を冷却又は加熱して被空調空間に給気し、熱回収された空気を屋外などに排気する。

制御手段３は、大温度差蓄熱槽１１の蓄熱水温度を検出する蓄熱水温度検出器１２と、冷温水コイル５及び水熱交換器１６の熱源水入口側の熱源水温度を検出する熱源水入口温度検出器１３と、熱源水入口温度検出器１３で検出された熱源水温度が第１熱源水温範囲Ｔ１の場合は水熱源ヒートポンプ６の圧縮機１７を駆動させずに冷温水コイル５に熱源水を流通させて冷温水コイル５のみで空調用空気を熱交換すると共に熱源水温度が第２熱源水温範囲Ｔ２に移行した場合は冷温水コイル５に熱源水を流通させて冷温水コイル５で空調用空気を熱交換しつつ水熱源ヒートポンプ６の水熱交換器１６に熱源水を流通させかつ圧縮機１７を駆動させて空気熱交換器１５で空調用空気を熱交換すると共に熱源水温度が第３熱源水温範囲Ｔ３に移行した場合は冷温水コイル５に熱源水を流さずに水熱交換器１６に熱源水を流通させかつ圧縮機１７を駆動させて空気熱交換器１５のみで空調用空気を熱交換すると共に深夜電力で熱源装置１を駆動させて蓄熱水温度検出器１２で検出された蓄熱水温度が第１熱源水温範囲Ｔ１のうちで予め設定された温度になるように熱源装置１と第１流量制御機構１８と水熱源ヒートポンプ６とへ制御信号を出力する制御器４と、を備えている。

例えば、冷房時において、第１熱源水温範囲Ｔ１のうちで予め設定された温度は７℃、第１熱源水温範囲Ｔ１は７〜１２℃、第２熱源水温範囲Ｔ２は１２〜２０℃、第３熱源水温範囲Ｔ３は２０〜３２℃で、水熱源式空調機７の冷温水コイル５と水熱源ヒートポンプ６の熱交換により最大Δｔ２５℃の温度差となるまで、熱源装置などで温度調整（いわゆる追掛運転）せずに蓄熱水をそのまま使い続けて、水熱源式空調機７で被空調空間を連続空調でき、昼間の追掛運転の分の電力を深夜電力にシフトして運転コストの削減を図れる。また、暖房時において、第１熱源水温範囲Ｔ１のうちで予め設定された温度は４５℃、第１熱源水温範囲Ｔ１は４５〜４０℃、第２熱源水温範囲Ｔ２は４０〜３２℃、第３熱源水温範囲Ｔ３は３２〜１０℃で、水熱源式空調機７の冷温水コイル５と水熱源ヒートポンプ６の熱交換により最大Δｔ３５℃の温度差となるまで、熱源装置などで追掛運転せずに蓄熱水をそのまま使い続けて、水熱源式空調機７で被空調空間を連続空調でき、昼間の追掛運転の分の電力を深夜電力にシフトして運転コストの削減を図れる。この第１・第２・第３熱源水温範囲Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の増減、設定変更は自由である。

また、空気熱源式外調機９にて外気処理をすることで、被空調空間の空気の排熱エネルギーを再利用し、空調負荷と熱源装置の負荷を軽減できる。空気熱源式外調機９は熱源水を使わずに空気の熱エネルギーで外気処理をするため、熱源装置１を無駄に運転する必要がなく、水熱源式空調機７の水熱源ヒートポンプ６の冷房・暖房の混在が多いところでは冷排水と温排水の混合による相互熱回収運転となって、熱源装置１を運転せずに熱源水の循環のみで空調ができる。制御器４は、予め設定された給気温度となるように空気熱源ヒートポンプ８に制御信号を出力する。冷温水コイル５と水熱源ヒートポンプ６の空気熱交換器１５と空気熱源ヒートポンプ８の給気側熱交換器１９及び排気側熱交換器２０の伝熱管は楕円管にするのが好ましいが円形管でもよい。

図４は、前記実施例において大温度差蓄熱槽１１を省略し熱源装置１を水熱源式空調機７に直結した他の実施例で、このヒートポンプ空調システムは、冷温水コイル５と水熱源ヒートポンプ６を介して熱源水で還気を熱交換して被空調空間を空調する複数の水熱源式空調機７と、熱源水を温度調整する熱源装置１と、この熱源装置１と水熱源式空調機７との間で熱源水を循環させる熱源水回路２と、空気熱源ヒートポンプ８で被空調空間の空気から熱回収しながら外気を熱交換して被空調空間に給気する空気熱源式外調機９と、空調運転に用いるべき冷温水コイル５と水熱源ヒートポンプ６を選択して切換えると共に熱源水を熱源装置１で所定の熱源水温範囲内に温度調整する制御手段３と、備えている。

制御手段３は、冷温水コイル５及び水熱交換器１６の熱源水入口側の熱源水温度を検出する熱源水入口温度検出器１３と、熱源水入口温度検出器１３で検出された熱源水温度が所定の熱源水温範囲内の場合は熱源装置１を駆動させずに水熱源ヒートポンプ６と冷温水コイル５の一方または両方で空調用空気を熱交換させると共に熱源水温度が所定の熱源水温範囲外に移行した場合は熱源装置１を駆動させて熱源水を予め設定された水温範囲に調整しつつ水熱源ヒートポンプ６と冷温水コイル５の一方または両方で空調用空気を熱交換させるように熱源装置１と第１流量制御機構１８と水熱源ヒートポンプ６とへ制御信号を出力する制御器４と、を備えている。なお、その他の構成は前記実施例と同様なので説明は省略する。この場合も空気熱源式外調機９にて熱源水を使わずに空気の熱エネルギーで外気処理をするため、熱源装置１を無駄に運転する必要がなく、水熱源式空調機７の水熱源ヒートポンプ６の冷房・暖房の混在が多いところでは冷排水と温排水の混合による相互熱回収運転となって、熱源装置１を運転せずに熱源水の循環のみで空調ができる。

なお、前記各実施例において、水熱源式空調機７や空気熱源式外調機９の台数の増減は自由である。また、冷温水コイル５と第１流量制御機構１８を省略して水熱源ヒートポンプのみを介して熱源水で還気を熱交換して被空調空間を空調する水熱源式空調機７とするも自由である。さらに、熱源水回路２はダイレクトレターン方式、リバースレターン方式やこれらの併用方式など各種の方式に変更自由である。

ヒートポンプ空調システムの全体簡略説明図である。水熱源式空調機の簡略説明図である。空気熱源式外調機の簡略説明図である。他の実施例の全体簡略説明図である。

符号の説明

１熱源装置
２熱源水回路
３制御手段
５冷温水コイル
６水熱源ヒートポンプ
７水熱源式空調機
８空気熱源ヒートポンプ
９空気熱源式外調機
１１大温度差蓄熱槽

Claims

冷温水コイル（５）と水熱源ヒートポンプ（６）を介して熱源水で還気を熱交換して被空調空間を空調する複数の水熱源式空調機（７）と、前記熱源水を蓄熱水として蓄える大温度差蓄熱槽（１１）と、この大温度差蓄熱槽（１１）と前記水熱源式空調機（７）との間で熱源水を循環させる熱源水回路（２）と、前記大温度差蓄熱槽（１１）の前記蓄熱水を温度調整する熱源装置（１）と、空気熱源ヒートポンプ（８）で前記被空調空間の空気から熱回収しながら外気を熱交換して前記被空調空間に給気する空気熱源式外調機（９）と、を備え、前記冷温水コイル（５）のみで空調可能な第１の熱源水温範囲（Ｔ１）と前記冷温水コイル（５）及び前記水熱源ヒートポンプ（６）で空調可能な第２の熱源水温範囲（Ｔ２）と前記水熱源ヒートポンプ（６）のみで空調可能な第３の熱源水温範囲（Ｔ３）とに応じて空調運転に用いるべき前記冷温水コイル（５）と前記水熱源ヒートポンプ（６）を選択して切換えると共に前記熱源装置（１）を深夜電力で運転させて前記大温度差蓄熱槽（１１）の前記蓄熱水を前記第１熱源水温範囲内（Ｔ１）に温度調整しかつ冷房時において前記第１熱源水温範囲（Ｔ１）は７〜１２℃で前記第２熱源水温範囲（Ｔ２）は１２〜２０℃で前記第３熱源水温範囲（Ｔ３）は２０〜３２℃で前記水熱源式空調機（７）の前記冷温水コイル（５）と前記水熱源ヒートポンプ（６）の熱交換により最大２５℃の温度差となるまで前記熱源装置（１）で追掛運転せずに前記蓄熱水をそのまま使い続けて前記水熱源式空調機（７）で前記被空調空間を空調して昼間の追掛運転の分の電力を深夜電力にシフトさせると共に暖房時において前記第１熱源水温範囲（Ｔ１）は４５〜４０℃で前記第２熱源水温範囲（Ｔ２）は４０〜３２℃で前記第３熱源水温範囲（Ｔ３）は３２〜１０℃で前記水熱源式空調機（７）の前記冷温水コイル（５）と前記水熱源ヒートポンプ（６）の熱交換により最大３５℃の温度差となるまで前記熱源装置（１）で追掛運転せずに前記蓄熱水をそのまま使い続けて前記水熱源式空調機（７）で前記被空調空間を空調して昼間の追掛運転の分の電力を深夜電力にシフトさせる制御手段（３）を、設けたことを特徴とするヒートポンプ空調システム。
冷温水コイル（５）と水熱源ヒートポンプ（６）の空気熱交換器（１５）と空気熱源ヒートポンプ（８）の給気側熱交換器（１９）及び排気側熱交換器（２０）の伝熱管を楕円管にした請求項１記載のヒートポンプ空調システム。