JP5053351B2

JP5053351B2 - 台数制御装置

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Publication number: JP5053351B2
Application number: JP2009266361A
Authority: JP
Inventors: 耕司松澤; 一隆鈴木; 伸哲上原; 崇大牛島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2029-11-24
Also published as: EP2325570A3; JP2011112235A; EP2325570A2

Description

この発明は、例えば、複数のヒートポンプ装置を用いる流体供給システムにおいて、ヒートポンプ装置の運転台数を制御する技術に関する。

ヒートポンプ装置等の熱源機を複数備える空調システムにおいて、建物側の除去すべき空調負荷と、熱源機の空調能力（特性）とに基づき、熱源機の運転台数を制御することが考えられる。
特許文献１には、空調負荷データを計測して、計測した空調負荷データに基づき熱源機の運転台数を決定することについての記載がある。

特開２００９−１２７９３６号公報

熱源機の運転台数を制御する台数制御装置が、空調負荷を把握するためには、計測機器（複数の配管温度計測用サーミスタ、流量計等）を設置して、空調負荷を検出する必要がある。一般に、日常的なエネルギー管理を実施していない建物（例えば、小規模な住宅やアパートなど）では、計測機器は設置されていない。このような建物に新たに計測機器を設置するにはコストがかかる。
また、台数制御装置が熱源機の空調能力を把握するには、予め空調能力を台数制御装置に入力しておくか、台数制御装置が通信回線を介して熱源機から空調能力に関する情報を取得する必要がある。しかし、熱源機を据付する据付業者が、任意に選択した熱源機を据付する場合がある。この場合には、接続される熱源機の空調能力を予め知ることはできないため、予め空調能力を台数制御装置に入力しておくことはできない。また、熱源機の据付方によっては、台数制御装置が通信回線を介して熱源機から空調能力に関する情報を取得することもできない場合がある。
この発明は、例えば、ヒートポンプ装置の空調能力を把握することなく、効率的にヒートポンプ装置の運転台数を制御することを目的とする。

この発明に係る台数制御装置は、例えば、
圧縮機を有する複数台のヒートポンプ装置を備え、前記ヒートポンプ装置で加熱又は冷却した流体を流体利用装置へ供給する流体供給システムにおいて、前記複数台のヒートポンプ装置の運転台数を制御をする台数制御装置であり、
前記複数台のヒートポンプ装置のうちの所定のヒートポンプ装置が備える前記圧縮機の運転周波数を取得する周波数取得部と、
前記周波数取得部が取得した運転周波数に応じて、前記複数台のヒートポンプ装置のうちの前記所定のヒートポンプ装置を除く他のヒートポンプ装置を運転させるか否かを決定する台数制御部と
を備えることを特徴とする。

この発明に係る台数制御装置は、あるヒートポンプ装置が備える圧縮機の運転周波数に応じて運転台数の制御を行う。そのため、ヒートポンプ装置の空調負荷を把握することなく、効率的にヒートポンプ装置の運転台数を制御することができる。

流体供給システム２００の基本構成図。実施の形態１に係る流体供給システム２００の構成図。運転コントローラ１００の機能を示す機能ブロック図。台数制御における熱源機の運転効率の効果を示す概念図。台数制御部１２２による台数制御処理の流れを示すフローチャート。

実施の形態１．
図１は、流体供給システム２００の基本構成図である。
流体供給システム２００は、ヒートポンプ装置１０、補助熱源２０、室内空間６０に設置された放熱器３０（流体利用装置の一例）、ポンプ４０を備え、順次流体配管５０によって接続されている。特に、流体配管５０は、ヒートポンプ装置１０が備える第１熱交換器２に接続されている。また、流体配管５０の内部には、水（流体の一例）が流れている。
また、放熱器３０が設置された室内空間６０には、設定温度等を入力するためのリモートコントローラ７０が設けられている。

ヒートポンプ装置１０は、圧縮機１と第１熱交換器２と膨張機構３と第２熱交換器４とが冷媒配管５により順次接続されたヒートポンプサイクルを有する。圧縮機１、第１熱交換器２、膨張機構３、第２熱交換器４の順にヒートポンプサイクル内を冷媒が循環することにより、冷媒は、第２熱交換器４で空気等から吸熱して、第１熱交換器２で流体配管５０を流れる水へ放熱する。つまり、ヒートポンプ装置１０により、流体配管５０を流れる水が加熱され、温水になる。
補助熱源２０は、ヒートポンプ装置１０が加熱した温水を、さらに加熱する。例えば、補助熱源２０は、電気ヒータ等である。
放熱器３０は、ヒートポンプ装置１０や補助熱源２０により加熱された温水の熱を、室内空間６０の空気へ放出する。その結果、室内空間６０内部は暖かくなり、温水は冷却され冷水になる。例えば、放熱器３０は、輻射熱による自然対流の熱交換により温水と空気とを熱交換させる床暖房パネルやラジエータ、内部ファンによる強制対流の熱交換により温水と空気とを熱交換させるファンコイルユニット等である。
ポンプ４０は、流体配管５０内を水を循環させる。つまり、ポンプ４０が稼動することにより、ヒートポンプ装置１０、補助熱源２０、放熱器３０の順に水が循環する。そして、上述したように、水は、ヒートポンプ装置１０で加熱され、補助熱源２０でさらに加熱され、放熱器３０で冷却されることを繰り返す。これにより、室内空間６０が暖められる。

図２は、実施の形態１に係る流体供給システム２００の構成図である。
図２に示す流体供給システム２００は、３台のヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備える。各ヒートポンプ装置１０は、流体配管５０によって並列に接続されている。
つまり、ポンプ４０から流出した水は、第１分岐点８０と第２分岐点８１とで分岐して、ヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃそれぞれへ流れる。そして、ヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃそれぞれで加熱された温水は、第１合流点８２と第２合流点８３とで合流し、補助熱源２０でさらに加熱されて放熱器３０へ供給される。そして、放熱器３０で冷却された水がポンプ４０を通り、再びヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃへ流れる。

また、図２に示す流体供給システム２００は、運転コントローラ１００（台数制御装置）を備える。運転コントローラ１００は、ヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、補助熱源２０、ポンプ４０の運転制御を行う。
運転コントローラ１００とヒートポンプ装置１０ａとはネットワーク９０により直接接続されている。また、運転コントローラ１００とヒートポンプ装置１０ｂ，１０ｃとは中継器１０１ａ，１０１ｂを介して、ネットワーク９０により接続されている。ここでは、ヒートポンプ装置１０ａを親ヒートポンプ装置と呼び、ヒートポンプ装置１０ｂ，１０ｃを子ヒートポンプ装置と呼ぶ。

図３は、運転コントローラ１００の機能を示す機能ブロック図である。
運転コントローラ１００は、データ収集部１１０、運転制御部１２０、データ記憶部１３０を備える。

データ収集部１１０は、周波数取得部１１１、実測温度検出部１１２、目標温度取得部１１３、運転情報取得部１１４を備える。
周波数取得部１１１は、親ヒートポンプ装置（ヒートポンプ装置１０ａ）の圧縮機１ａに設置された周波数検出器６ａが検出した運転周波数をネットワーク９０を介して受信することにより、親ヒートポンプ装置の圧縮機１ａの運転周波数を取得する。
実測温度検出部１１２は、流体配管５０における補助熱源２０と放熱器３０との間に設けられた温度センサ１０２によって検出された水の温度を実測温度として取得する。つまり、実測温度検出部１１２は、放熱器３０へ供給される水の温度を実測温度として取得する。なお、温度センサ１０２は、例えば、温度サーミスタである。
目標温度取得部１１３は、リモートコントローラ７０により入力された目標温度を、リモートコントローラ７０からネットワーク９０を介して受信することにより取得する。目標温度とは、放熱器３０へ供給する水の目標温度である。
運転情報取得部１１４は、リモートコントローラ７０により入力された流体供給システム２００のＯＮ／ＯＦＦ情報をリモートコントローラ７０からネットワーク９０を介して受信することにより取得する。

運転制御部１２０は、空調制御部１２１、台数制御部１２２を備える。
空調制御部１２１は、流体供給システム２００のＯＮ／ＯＦＦ情報に応じて、ポンプ４０のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。また、空調制御部１２１は、全てのヒートポンプ装置１０が運転中である場合に、目標温度と実測温度との温度差に応じて、補助熱源２０のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。つまり、空調制御部１２１は、全てのヒートポンプ装置１０が運転中であり、目標温度と実測温度との温度差が大きい場合に、補助熱源２０の運転を開始させ、目標温度と実測温度との温度差が小さくなると、補助熱源２０の運転を中止する。なお、空調制御部１２１は、補助熱源２０のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う場合には、空調制御部１２１は、ヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃの起動してからの時間を加味する。例えば、ヒートポンプ装置１０ｃを起動したばかりである場合には、ヒートポンプ装置１０ｃが十分に機能していない可能性があるため、目標温度と実測温度との温度差がある場合であっても補助熱源２０の運転を開始することを控える。さらに、空調制御部１２１は、目標温度と実測温度とをネットワークを介してヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃへ送信して、ヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃに自身の能力（運転周波数）を決定させる。なお、ヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、目標温度と実測温度との温度差が大きい場合、運転周波数を高くし、温度差が小さい場合、運転周波数を低くする。
台数制御部１２２は、補助熱源２０の運転が停止されている場合に、親ヒートポンプ装置の圧縮機１の運転周波数と、目標温度と実測温度との温度差とに応じて、子ヒートポンプ装置（ヒートポンプ装置１０ｂ，１０ｃ）のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。

データ記憶部１３０は、ヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃそれぞれの運転状況（運転しているか停止しているか）等、運転制御部１２０が運転制御を行うのに必要な情報を記憶装置に記憶する。

図４は、台数制御における熱源機の運転効率の効果を示す概念図である。
ヒートポンプ装置は、一般に、定格周波数付近の周波数で運転する場合の効率がよく、定格周波数から離れた周波数で運転する場合の効率は悪い。例えば、熱源機周波数制御が３０Ｈｚから１００Ｈｚの範囲で実施されている場合、３０Ｈｚ付近（低周波数領域）の周波数で運転する場合の効率が最も悪く、定格周波数に近い５０Ｈｚから７０Ｈｚ付近（定格周波数領域）の周波数で運転する場合の効率が最もよい。
そのため、図４に示すように、３台のヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃを、能力を落として低周波数領域の周波数で運転するよりも、２台のヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂを、能力を高くして定格周波数領域の周波数で運転する方が効率がよい。

ここで、目標温度と実測温度との温度差が小さく、親ヒートポンプ装置の圧縮機１の運転周波数が低周波数領域にある場合、ヒートポンプ装置１０の能力は空調負荷を満足し、かつヒートポンプ装置１０は低効率な運転していると判断できる。そこで、台数制御部１２２は、目標温度と実測温度との温度差が小さく、親ヒートポンプ装置の圧縮機１の運転周波数が低周波数領域にある場合、子ヒートポンプ装置を１台（図４ではヒートポンプ装置１０ｃ）停止させる。
すると、ヒートポンプ装置１０の台数が減ったことにより、一時的に能力不足となり、目標温度と実測温度との温度差が大きくなる。ヒートポンプ装置１０は、上述したように、目標温度と実測温度との温度差に応じて運転周波数を決定している。そのため、運転中のヒートポンプ装置１０（図４では、ヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ）は、目標温度と実測温度との温度差が大きくなると、運転周波数を高くする。その結果、運転周波数が定格周波数に近づき、ヒートポンプ装置１０の効率がよくなる。

図５は、台数制御部１２２による台数制御処理の流れを示すフローチャートである。なお、前提として、補助熱源２０の運転は停止されているものとする。
（Ｓ１）では、台数制御部１２２は、親ヒートポンプ装置であるヒートポンプ装置１０ａの効率が低下しているか否かを判定する。具体的には、台数制御部１２２は、ヒートポンプ装置１０ａの圧縮機１ａの運転周波数が予め定められた第１の周波数以下で、かつ、目標温度と実測温度との温度差が予め定められた第１の温度以下（温度差小）であるか否かを判定する。この条件を満たす場合には、（Ｓ２）へ進み、この条件を満たさない場合には（Ｓ３）へ進む。
（Ｓ２）では、台数制御部１２２は、ヒートポンプ装置１０ａの効率が低下しているため、現在運転中の子ヒートポンプ装置のうちの１台の運転を停止（ＯＦＦ）する。

（Ｓ３）では、台数制御部１２２は、空調能力が不足しているか否かを判定する。具体的には、台数制御部１２２は、ヒートポンプ装置１０ａの圧縮機１ａの運転周波数が第１の周波数よりも高い予め定められた第２の周波数以上で、かつ、目標温度と実測温度との温度差が第１の温度よりも大きい予め定められた第２の温度以上（温度差大）であるか否かを判定する。この条件を満たす場合には、（Ｓ４）へ進み、この条件を満たさない場合には（Ｓ５）へ進む。なお、第２の周波数は、例えば、圧縮機１ａの最大運転周波数であってもよい。
（Ｓ４）では、台数制御部１２２は、空調能力が不足しているため、現在運転を停止している子ヒートポンプ装置のうちの１台の運転を開始（ＯＮ）する。
（Ｓ５）では、台数制御部１２２は、ヒートポンプ装置１０ａの効率が低下していることや、空調能力が不足していることがないため、現状維持とする。つまり、台数制御部１２２は、子ヒートポンプ装置のＯＮ／ＯＦＦ制御を行わない。

（Ｓ６）では、台数制御部１２２は、（Ｓ２）や（Ｓ４）で台数制御を行った場合には、所定の時間待ちに入り、所定の時間台数制御を行わない。これは、ヒートポンプ装置１０の運転開始や停止をしたことが水温の変化に反映される時間遅れを考慮するためである。また、ヒートポンプ装置１０のＯＮ／ＯＦＦの切り替えが短時間のうちに繰り返されるハンチング動作を防止するためである。なお、（Ｓ２）で運転台数を減少させた場合と、（Ｓ４）で運転台数を増加させた場合とでは、台数制御の結果が水温の変化に反映されるまでの時間等が異なる場合がある。この場合には、（Ｓ２）で運転台数を減少させた場合（つまり、（Ｓ２）から（Ｓ６）へ遷移した場合）と、（Ｓ４）で運転台数を増加させた場合（つまり、（Ｓ４）から（Ｓ６）へ遷移した場合）とで待ち時間を異なる時間としてもよい。
台数制御部１２２は、所定の時間経過後、再び（Ｓ１）から処理を行う。

なお、子ヒートポンプ装置が運転中である場合には、空調制御部１２１により補助熱源２０のＯＮ／ＯＦＦ制御が行われる。つまり、目標温度と実測温度との温度差が所定の温度以上である場合には、空調制御部１２１により補助熱源２０の運転が開始される。目標温度と実測温度との温度差が所定の温度より小さい場合には、空調制御部１２１により補助熱源２０の運転が停止される。

また、（Ｓ１）で、ヒートポンプ装置１０ａの運転周波数が第１の周波数よりも低い第３の周波数以下であると判定された場合、（Ｓ２）で、台数制御部１２２は現在運転中の２台の子ヒートポンプ装置の運転を停止してもよい。
同様に、（Ｓ３）で、目標温度と実測温度との温度差が第２の温度よりも大きい第３の温度以上であると判定された場合、（Ｓ４）で、台数制御部１２２は現在運転中の２台の子ヒートポンプ装置の運転を開始してもよい。
つまり、台数制御部１２２は、親ヒートポンプ装置の圧縮機１の運転周波数と、目標温度と実測温度との温度差とに応じて、一度に複数の子ヒートポンプ装置のＯＮ／ＯＦＦ制御を行ってもよい。すなわち、台数制御部１２２は、親ヒートポンプ装置の圧縮機１の運転周波数と、目標温度と実測温度との温度差とに応じて、ヒートポンプ装置１０の運転台数を制御する。

以上のように、実施の形態１に係る運転コントローラ１００は、ヒートポンプ装置１０の能力を把握することなく、ヒートポンプ装置１０の運転台数の制御をすることができ、運転効率が向上する。
ここで、ヒートポンプ装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、据付業者により選定され据え付られる場合には、それぞれの能力が同じ能力（例えば、５ｋＷ，５ｋＷ，５ｋＷ）の場合だけでなく、それぞれの能力が異なる能力（例えば、５ｋＷ，３ｋＷ，７ｋＷ）の場合もある。しかし、実施の形態１に係る運転コントローラ１００であれば、いずれの場合であっても、的確な運転台数の制御を行うことができ、運転効率が向上する。

なお、上記説明では、３台のヒートポンプ装置１０を備える流体供給システム２００を例として説明した。しかし、ヒートポンプ装置１０は、２台であっても、４台以上であってもよい。
また、上記説明では、放熱器３０を流体供給装置の一例として説明した。しかし、放熱器３０に代えて、流体供給装置として給湯機等を用いてもよい。
また、放熱器３０に代えて、流体供給装置として吸熱機や冷水供給機を用いてもよい。この場合、ヒートポンプ装置１０は、冷媒を、圧縮機１、第２熱交換器４、膨張機構３、第１熱交換器２の順にヒートポンプサイクル内を循環させる。これにより、冷媒は、第１熱交換器２で流体配管５０を流れる水から吸熱して、第２熱交換器４で空気等へ放熱する。つまり、ヒートポンプ装置１０により、流体配管５０を流れる水が冷却され、冷水になる。この冷水を吸熱機や冷水供給機へ供給することにより、冷房や冷水の供給を行ってもよい。
また、上記説明では、流体配管５０の内部を水が流れているとしたが、水以外の流体が流れているとしてもよい。
また、上記説明では、流体供給システム２００は、放熱器３０を１台のみ備える構成としたが、複数台の放熱器３０を備える構成としてもよい。

１圧縮機、２第１熱交換器、３膨張機構、４第２熱交換器、５冷媒配管、６ａ周波数検出器、１０ヒートポンプ装置、２０補助熱源、３０放熱器、４０ポンプ、５０流体配管、６０室内空間、７０リモートコントローラ、７１入力部、７２表示部、８０第１分岐点、８１第２分岐点、８２第１合流点、８３第２合流点、９０ネットワーク、１００運転コントローラ、１０１中継器、１０２温度センサ、１１０データ収集部、１１１周波数取得部、１１２実測温度検出部、１１３目標温度取得部、１１４運転情報取得部、１２０運転制御部、１２１空調制御部、１２２台数制御部、１３０データ記憶部、１４０データ記憶部、２００流体供給システム。

Claims

圧縮機を有する複数台のヒートポンプ装置を備え、前記ヒートポンプ装置で加熱又は冷却した流体を流体利用装置へ供給する流体供給システムにおいて、前記複数台のヒートポンプ装置の運転台数を制御をする台数制御装置であり、
前記複数台のヒートポンプ装置のうちの所定の１台のヒートポンプ装置である親ヒートポンプ装置が備える前記圧縮機の運転周波数を取得する周波数取得部と、
前記流体利用装置へ供給される流体の目標温度を取得する目標温度取得部と、
前記流体利用装置へ供給される流体の温度を実測温度として検出する実測温度検出部と、
２台以上のヒートポンプ装置が運転している場合においても、前記複数台のヒートポンプ装置のうちの前記親ヒートポンプ装置を除く他のヒートポンプ装置が備える前記圧縮機の運転周波数によらず、前記周波数取得部が取得した前記親ヒートポンプ装置が備える前記圧縮機の運転周波数と、前記目標温度取得部が取得した目標温度と前記実測温度検出部が検出した実測温度との温度差とに応じて、前記他のヒートポンプ装置を運転させるか否かを決定する台数制御部であって、前記親ヒートポンプ装置が備える前記圧縮機の運転周波数が予め決められた定格周波数領域の下限である第１の周波数以下であり、かつ、前記温度差が予め決められた第１の温度以下の場合、前記他のヒートポンプ装置のうち、運転している少なくとも１台のヒートポンプ装置の運転を停止させ、前記親ヒートポンプ装置が備える前記圧縮機の運転周波数が前記定格周波数領域の上限である第２の周波数以上であり、かつ、前記温度差が予め決められた第２の温度以上の場合、前記他のヒートポンプ装置のうち、運転を停止している少なくとも１台のヒートポンプ装置の運転を開始させる台数制御部と
を備えることを特徴とする台数制御装置。
前記台数制御部は、前記他のヒートポンプ装置の運転の停止又は開始後、所定の時間は、前記他のヒートポンプ装置の運転の停止かつ開始を行わない
ことを特徴とする請求項１に記載の台数制御装置。