JP4827191B2 - Ｃｏ２を冷媒としたヒートポンプの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、井戸水、地下水、河川水又は海水等の自然水の熱源を利用したＣＯ_２を冷媒とするヒートポンプの運転方法に係り、詳しくは、大掛かりな付帯設備を必要とすることなく、簡素かつ安価な構造にて暖房給湯運転と暖房給湯及び冷房運転とに切り替え可能な構成とし、このヒートポンプを用いて暖房給湯運転を行なうに際しては、前記自然水の熱源を利用することにより暖房給湯能力を高め、また前記ヒートポンプを用いて暖房給湯及び冷凍運転を行なうに際しては、前記自然水の冷熱源を利用することにより、冷凍能力を向上させた運転方法に関する。

従来井戸水、地下水等の自然水の熱源を利用したＣＯ_２を冷媒とするヒートポンプを冷暖房あるいは給湯システム等に適用したシステムは種々提案されている。
たとえば特開平８−２４７４９６号公報（先行技術１）には、地下水の熱源を利用して、消雪、暖房及び冷房等を行なうヒートポンプ利用システムが開示されている。
このシステムは、汲み上げ地下水を直接消雪に利用し、消雪利用後の地下水をヒートポンプの蒸発器用熱源として利用し、利用後の低温地下水を還元井戸に戻すシステムである。
また特開２００２−５４８５６号公報（先行技術２）及び特開２００２−５４８５７号公報（先行技術３）には、地下水を利用したヒートポンプを住宅用の冷暖房・給湯システムに適用したシステムが開示されている。このシステムは、冷房サイクルと暖房サイクルとの切り替えを四方弁で行なっている。
また特開２００２−１４６８５２号公報（先行技術４）には、地下水の熱源を利用して室内の冷暖房を行なうシステムが開示されている。

しかし前述の各先行技術は、実機適用に際し、解決すべき課題が残り、また大掛かりな設備を必要としたり、あるいは熱効率があまり上がらない等の問題があり、なかなか実機として実現するに至っていないのが現状である。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、井戸水、地下水、河川水又は海水等の自然水の熱源を有効に利用した、ＣＯ_２を冷媒とするヒートポンプを空調システムに適用して、暖房給湯能力や冷凍能力を向上することを目的とする。
また、本発明の第２の目的は、前記自然水の熱源を利用するに際し、大掛かりな設備の導入を必要としないことにある。
また本発明の第３の目的は、冷房から暖房あるいは給湯システムへの運転モードの切り替え、又はその逆モードへの切り替えがスムーズに行なわれるようにすることにある。

そして、本発明は、かかる目的を達成するもので、ＣＯ_２を冷媒として用い、ＣＯ_２冷媒が循環する経路に、前記ＣＯ _２ 冷媒を気相域より臨界点（臨界温度３１．１℃、臨界圧力７５．２８Ｋｇ／ｃｍ ^２ ）以上の超臨界状態まで圧縮する圧縮機と、前記超臨界状態まで圧縮された冷媒を冷却する温水供給用ガスクーラと、冷媒を順次低圧にして膨張させる膨張手段と、冷媒を膨張させて冷水から膨張潜熱を奪う蒸発器とを介在させたヒートポンプであって、
前記温水供給用ガスクーラの下流側に第１の開閉弁を第１の膨張手段と並列させて設け、前記第１開閉弁及び前記第１の膨張手段の下流側にＣＯ_２冷媒の臨界温度以下の自然水と熱交換を行う熱交換器を設け、同熱交換器の下流側と前記蒸発器上流側間の冷媒経路上に第２開閉弁を第２の膨張手段と並列に設けたヒートポンプを用いて、
前記温水供給用ガスクーラの温水を利用して暖房と給湯運転を行う方法において、
少なくとも第１の運転モードが、前記第１の開閉弁を開け且つ前記第２の開閉弁を閉じて、
前記圧縮機により超臨界状態まで圧縮された前記温水供給用ガスクーラで給水と熱交換して暖房用あるいは給湯用の温水を生成するとともに、該ＣＯ _２ 冷媒を、超臨界状態を維持した状態で第１の開閉弁に導く第１の冷媒冷却工程と、
超臨界状態にある前記ＣＯ_２冷媒を前記第１の開閉弁を経由して前記熱交換器において前記自然水と熱交換を行って前記超臨界状態にある前記ＣＯ _２ 冷媒を液相域まで冷却する第２の冷媒冷却工程とを具え、その後前記液相状態にある冷媒を前記第２の膨張手段から流すことにより、ＣＯ_２冷媒を減圧膨張させるとともに、前記蒸発器で冷水から蒸発潜熱を奪って蒸発させ、その後冷媒を圧縮機に送る運転モードであることを特徴とするヒートポンプの給湯冷房運転方法を提案する。
本発明において、前記自然水とは、ＣＯ_２冷媒の臨界温度以下の井戸水、河川水、地下水又は海水である。

また本発明は、第２の運転モードが、前記第１の開閉弁を閉じ且つ前記第２の開閉弁を開けて、
前記圧縮機により超臨界状態まで圧縮された前記温水供給用ガスクーラで給水と熱交換して暖房用あるいは給湯用の温水を生成するとともに、該ＣＯ_２冷媒を、超臨界状態を維持した状態で前記第１の膨張手段に導く冷媒冷却工程を具え、
前記超臨界状態にある前記ＣＯ_２冷媒を前記第１の膨張手段を通すことによって減圧膨張させるとともに、前記熱交換器においてＣＯ_２冷媒の臨界温度以下の自然水から蒸発潜熱を奪って蒸発させ、次に冷媒を前記第２の開閉弁から前記蒸発器を経由して前記圧縮機に送る運転モードであることを特徴とする。

本発明のヒートポンプによれば、圧縮機の下流側に第１の開閉弁を第１の膨張弁と並列させて設け、前記第１開閉弁及び前記第１膨張弁の下流側に自然水と熱交換を行う熱交換器を設け、同熱交換器の下流側に第２開閉弁を第２の膨張弁と並列に設け、前記第２の開閉弁及び前記第２の膨張弁の下流側に冷水から蒸発潜熱を奪って冷媒を蒸発させる蒸発器を設けたことにより、前記第１の開閉弁及び前記第２の開閉弁の開閉操作のみにて暖房給湯運転及び暖房給湯・冷房運転相互の切り替えを極めて簡単に行なうことができるとともに、暖房給湯運転及び暖房給湯・冷房運転相互の切り替えを可能とするための付帯設備は簡単な構成で済む。また自然水の熱源を利用するに際しても、熱交換器等を設置するだけの簡単な設備を付設するだけで済む。
すなわち本発明のヒートポンプを用いて暖房給湯運転を行なうに際しては、前記第１の開閉弁を閉じ、前記第２の開閉弁を開ければよい。第１の開閉弁を閉じることによって、冷媒が第１の膨張弁を通り、減圧されて膨張し、前記蒸発器において蒸発するため、自然水の熱源を蒸発潜熱として効率的に奪うことができ、これによって暖房及び給湯能力を向上させることができる。なおさらに下流側の冷水供給蒸発器は、冷水の供給が止められており、第２の開閉弁が開となっているため、冷媒は第２の開閉弁を通って流れ、前記冷水供給蒸発器は作動することなく、冷媒はそのまま圧縮機側に流れる。
好ましくは、第２の発明において、前記第２の開閉弁の出口側を前記蒸発器の下流側に接続することにより、冷媒は前記蒸発器を経由することなく、圧縮機側にスムーズに流入させることができる。
また本発明のヒートポンプを用いて暖房給湯・冷房運転を行なうに際しては、前記第１の開閉弁を開け、前記第２の開閉弁を閉じればよい。
第１の開閉弁を開けることにより、冷媒は第１の膨張弁を通らないために膨張することなく、逆に自然水より高温であるため、前記熱交換器で自然水に熱を奪われて冷却される。また前記熱交換器の下流側では２開閉弁が閉じられているために、冷媒が第２膨張弁を通り、ここで減圧され膨張して、前記蒸発器で蒸発するため、冷水より蒸発潜熱を奪って、冷水を冷却する。この場合の冷凍能力は、前記熱交換器で自然水に熱を奪われる分だけ増加させることができる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

本発明の第１実施例に係る第１図〜第２図において、ｄはＣＯ_２冷媒の循環ライン、１はＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮機、２は圧縮機１の駆動モータ、３は圧縮されたＣＯ_２冷媒を給水ラインｆで供給される給水で冷却するガスクーラで、給水はたとえば図示のように５５℃で給水され、ＣＯ_２冷媒により９０℃に加熱される。
４及び５は、循環ラインｄに互いに並列に介装された第１の膨張弁及び第１の開閉弁、６はＣＯ_２冷媒と井水ラインｇから供給される井水とを熱交換する熱交換器、７及び８は、熱交換器６の下流側で循環ラインｄに互いに並列に介装された第２の膨張弁及び第２の開閉弁、９はＣＯ_２冷媒が冷水ラインｈから供給される冷水から蒸発潜熱を奪って蒸発する蒸発器である。
かかる構成のヒートポンプにおいて、暖房給湯運転を行なう（第２運転モード）に際しては、まず第１開閉弁５を閉じ、第２開閉弁８を開とする。かかる状態で、まずＣＯ_２冷媒は圧縮機１で圧縮されて昇圧昇温し（第２図中の圧縮工程Ａ），次にガスクーラ３で給水に熱を奪われ、冷却される（第２図中の冷却工程Ｂ）。一方給水は５５℃から９０℃の温水に加熱され、暖房用、あるいは給湯、温水として使用される。
ここで冷却されたＣＯ_２冷媒は、第１開閉弁５が閉じられているので、第１膨張弁４を通って減圧膨張され（第２図中の膨張行程Ｃ）、熱交換器６で井水から蒸発潜熱を奪って蒸発し気化する（第２図中の蒸発工程Ｄ）。一方井水ラインｇの井水はたとえば図示のように１５℃から１０℃に冷却される。
次に蒸発したＣＯ_２冷媒は、第２開閉弁８が開放されているので、第２開閉弁８を通って、蒸発器９を経て圧縮機１に至る。本実施例では、暖房給湯運転であるので、冷水ラインｈの冷水の供給はない。
なお第２図のモリエル線図において、Ｋは臨界点（臨界温度３１．１℃、臨界圧力７５．２８Ｋｇ／ｃｍ^２）、ＳＬは飽和液線、Ｓｙは飽和蒸気線、Ｔｋは等温線、Ｐｋは臨界圧、長さｂは暖房給湯能力を示す。
かかる第１実施例の装置によれば、井水ラインｇから供給される井水の熱源を利用することにより、高い暖房給湯能力ｂを得ることができる。また第１及び第２の開閉弁５及び８を第１及び第２の膨張弁４及び７と並列に設けたことにより、第１及び第２の開閉弁５及び８の開閉操作を行なうだけで、簡単に暖房給湯運転を行なうことができる。また井水の熱源を利用するための設備としては、井水と冷媒との熱交換を行なう熱交換器６を設置するだけの簡単な付帯設備だけで済む。

次に本発明のヒートポンプを用いて暖房給湯・冷房運転を行なった第２実施例（第１運転モード）について図面に基づいて説明する。第３図及び第４図は、第２実施例に係る系統図及びモリエル線図である。第３図及び第４図において、ヒートポンプの構成は前記第１実施例と同一の構成である。本第２実施例において暖房給湯・冷房運転を行なうに際しては、まず第１開閉弁５を開とし、第２開閉弁８を閉じる。
かかる状態で、まずＣＯ_２冷媒は圧縮機１で圧縮されて昇圧昇温し（第２図中の圧縮工程Ａ），次にガスクーラ３で給水に熱を奪われ、冷却される（第２図中の第１冷却工程Ｂ１）。一方給水は５５℃から９０℃の温水に加熱され、暖房用、あるいは給湯、温水として使用される。
ガスクーラ３で冷却されたＣＯ_２冷媒は、第１開閉弁５を通って熱交換器６に入る。熱交換器６に入ったＣＯ_２冷媒は、井水ラインｇから供給される井水より高温であるため、井水に熱を奪われ、冷却される（第４図中の第２冷却工程Ｂ２）。一方井水は、たとえば第３図に示すように、１５℃から２０℃に加熱される。
次に熱交換器６の下流側で、第２開閉弁８が閉じられているため、ＣＯ_２冷媒は第２膨張弁７を通り、ここで減圧され膨張し（第４図中の膨張行程Ｃ）、蒸発器９で冷水ラインｈから供給される冷水から蒸発潜熱を奪って蒸発する（第４図中の蒸発工程Ｄ）。
なお第４図において、長さａは、本第２実施例の運転時における冷凍能力、長さｂは暖房給湯能力、及び長さｃは熱交換器６で井水によるＣＯ_２冷媒の冷却能力を示す。
かかる第２実施例によれば、熱交換器６でＣＯ_２冷媒が井水により冷却される冷却能力の分だけ冷凍能力を増大することができる。また第１及び第２開閉弁５及び８の開閉操作をするだけで、簡単に運転モードを切り替えることができる。しかも運転モードを切り替えるために要する装置構成は、膨張弁と開閉弁を並列に設けるだけでよく、きわめて簡単かつ安価なる設備で済むという利点がある。

本発明によれば、圧縮機の下流側に第１の開閉弁を第１の膨張弁と並列させて設け、前記第１開閉弁及び前記第１膨張弁の下流側に自然水と熱交換を行う熱交換器を設け、同熱交換器の下流側に第２開閉弁を第２の膨張弁と並列に設け、前記第２の開閉弁及び前記第２の膨張弁の下流側に冷水から蒸発潜熱を奪って冷媒を蒸発させる蒸発器を設けたヒートポンプを用いることにより、自然水の熱源を利用するに際し大掛かりな設備の導入を必要とせず、また暖房給湯運転及び冷房運転相互間の運転モードを切り替えるために要する装置構成は、膨張弁と開閉弁とを並列に設ける等のきわめて簡単かつ安価な設備で済む。
また前記構成のヒートポンプを空調システムに適用して、暖房給湯運転を行なうに際しては、（第２運転モードでは）第１の開閉弁を閉じ、冷媒を前記第１の膨張弁を通すことによって減圧膨張させるとともに、前記熱交換器において自然水から蒸発潜熱を奪って蒸発させる。このように自然水の熱源を利用することにより、暖房給湯能力を大きく向上させることができる。
また暖房給湯・冷房運転を行なうに際しては、（第１運転モードで）第１の開閉弁を開け、冷媒を前記第１の開閉弁を通すことによって前記熱交換器において自然水と熱交換を行い、次に前記第２の開閉弁を閉じ冷媒を前記第２の膨張弁から流すことにより、冷媒を減圧膨張させるとともに、前記蒸発器で冷水から蒸発潜熱を奪って蒸発させ、その後冷媒を圧縮機に送る。このように自然水の熱源を利用することにより、暖房給湯能力のみならず、冷凍能力を大きく向上させることができる。

第１図は、本発明のヒートポンプによる暖房給湯運転方法を実施した第１実施例（第２運転モード）を示す系統図である。 第２図は、前記第１実施例（第２運転モード）の運転時におけるモリエル線図である。 第３図は、本発明のヒートポンプによる暖房給湯・冷房運転方法を実施した第２実施例（第１運転モード）に係る系統図である。 第４図は、前記第２実施例（第１運転モード）の運転時におけるモリエル線図である。

１ ＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮機
２ ガスクーラ
４ 第１の膨張弁
５ 第１の開閉弁
６ 熱交換器
７ 第２の膨張弁
８ 第２の開閉弁
９ 蒸発器

Claims (3)

1. ＣＯ_２を冷媒として用い、ＣＯ_２冷媒が循環する経路に、前記ＣＯ_２冷媒を気相域より臨界点（臨界温度３１．１℃、臨界圧力７５．２８Ｋｇ／ｃｍ^２）以上の超臨界状態まで圧縮する圧縮機と、前記超臨界状態まで圧縮された冷媒を冷却する温水供給用ガスクーラと、冷媒を順次低圧にして膨張させる膨張手段と、冷媒を膨張させて冷水から膨張潜熱を奪う蒸発器とを介在させたヒートポンプであって、
   前記温水供給用ガスクーラの下流側に第１の開閉弁を第１の膨張手段と並列させて設け、前記第１開閉弁及び前記第１の膨張手段の下流側にＣＯ_２冷媒の臨界温度以下の自然水と熱交換を行う熱交換器を設け、同熱交換器の下流側と前記蒸発器上流側間の冷媒経路上に第２開閉弁を第２の膨張手段と並列に設けたヒートポンプを用いて、
   前記温水供給用ガスクーラの温水を利用して暖房と給湯運転を行う方法において、
   少なくとも第１の運転モードが、前記第１の開閉弁を開け且つ前記第２の開閉弁を閉じて、
   前記圧縮機により超臨界状態まで圧縮された前記温水供給用ガスクーラで給水と熱交換して暖房用あるいは給湯用の温水を生成するとともに、該ＣＯ_２冷媒を、超臨界状態を維持した状態で第１の開閉弁に導く第１の冷媒冷却工程と、
   超臨界状態にある前記ＣＯ_２冷媒を前記第１の開閉弁を経由して前記熱交換器において前記自然水と熱交換を行って前記超臨界状態にある前記ＣＯ_２冷媒を液相域まで冷却する第２の冷媒冷却工程とを具え、その後前記液相状態にある冷媒を前記第２の膨張手段から流すことにより、ＣＯ_２冷媒を減圧膨張させるとともに、前記蒸発器で冷水から蒸発潜熱を奪って蒸発させ、その後冷媒を圧縮機に送る運転モードであることを特徴とするヒートポンプの給湯冷房運転方法。
2. 第２の運転モードが、前記第１の開閉弁を閉じ且つ前記第２の開閉弁を開けて、
   前記圧縮機により超臨界状態まで圧縮された前記温水供給用ガスクーラで給水と熱交換して暖房用あるいは給湯用の温水を生成するとともに、該ＣＯ_２冷媒を、超臨界状態を維持した状態で前記第１の膨張手段に導く冷媒冷却工程を具え、
   前記超臨界状態にある前記ＣＯ_２冷媒を前記第１の膨張手段を通すことによって減圧膨張させるとともに、前記熱交換器においてＣＯ_２冷媒の臨界温度以下の自然水から蒸発潜熱を奪って蒸発させ、次に冷媒を前記第２の開閉弁から前記蒸発器を経由して前記圧縮機に送る運転モードであることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプの給湯冷房運転方法。
3. 前記自然水とは、ＣＯ_２冷媒の臨界温度以下の井戸水、河川水、地下水又は海水であることを特徴とする請求項１又は２記載のヒートポンプの給湯冷房運転方法。

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