JP5166385B2 - 空調給湯システム - Google Patents
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Description
本発明は、空調給湯システムに係り、特に、冷房と暖房とを切替えて行う空調用冷媒回路と、貯湯を行う給湯用冷媒回路とが中間熱交換器を介して接続した二元冷凍サイクルを備える空調給湯システムに好適なものである。
二温度差を利用してエゼクタを駆動する技術としては、特開2001−147050号公報(特許文献1)に示されるような技術がある。
特開2001−147050号公報に記載されている技術は、圧縮機、凝縮器、冷媒を第1圧力に減圧させる冷凍室用膨張手段、冷媒を第2圧力に減圧させる冷蔵室用膨張手段、前記冷凍室用膨張手段により膨張した冷媒を気化させて冷凍室に供給される空気を第1温度に冷却する冷凍室用蒸発器と、前記冷蔵室用膨張手段により膨張した冷媒を気化させて冷蔵室に供給される空気を第2温度に冷却させる冷蔵室用蒸発器とを備え、前記冷凍室用蒸発器及び冷蔵室用蒸発器をそれぞれ経由した冷媒をエゼクタによって混合して圧力を上昇させた後、圧縮機に吐出させる技術である。
この技術は、冷蔵庫の冷凍室と冷蔵室といった二温度の蒸発器間でエゼクタを動作させる技術であり、冷媒を第1圧力に減圧させる冷凍用膨張手段と、冷媒を第2圧力に減圧させる冷蔵室用膨張手段と、空気を第1温度に冷却する冷凍室用蒸発器と、空気を第2温度に冷蔵室用蒸発器を備えている。このため、各熱交換器の温度レベルは、凝縮器 > 冷蔵用蒸発器 > 冷凍用蒸発器となり、エゼクタを駆動させる冷蔵室用蒸発器の温度が凝縮器温度よりも低い場合においてもエゼクタを駆動させる事ができる。
ところで、空調装置は冷房運転と暖房運転を行う必要があるため、冷媒の循環方向が逆転した場合においても同等の効果を発揮しなければならない。しかしながら、上記従来の技術では、冷媒の流動方向が逆転した場合においては、エゼクタの効果を発揮させる事が困難になるといった課題を有している。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷房運転、暖房運転いずれにおいてもエゼクタの効果を発揮する事ができ、空調用冷媒回路の消費電力を低減する事ができる空調給湯システムを提供することにある。
上記した課題を解決するために、本発明は、冷房運転と暖房運転とを切替えて運転を行う空調用冷媒回路(10)と、給湯を行う給湯用冷媒回路(20)と、室内の空調を行う空調用液循環回路(30)を備え、前記空調用冷媒回路(10)と前記給湯用冷媒回路(20)との間で熱交換を行う中間熱交換器(90)と、前記空調用冷媒回路(10)と前記空調用液循環回路(30)との間で熱交換を行うための空調用利用側第1熱交換器(17a)および空調用利用側第2熱交換器(17b)とを有する空調給湯システムであって、前記空調用冷媒回路(10)は、エゼクタ(18)の吐出部(18c)、空調用圧縮機(11)、冷媒循環方向を変更するための第2四方弁(12b)、前記中間熱交換器(90)、前記空調用利用側第2熱交換器(17b)、エゼクタ(18)のノズル部(18a)を順次、冷媒配管で接続して構築された空調用高温側冷媒回路と、前記エゼクタ(18)の吐出部(18c)、前記空調用圧縮機(11)、冷媒循環方向を変更するための第1四方弁(12a)、外気と熱交換を行う空調用熱源側熱交換器(13a)、空調用熱源側膨張弁(14)、空調用利用側膨張弁(16)、空調用利用側第1熱交換器(17a)、前記エゼクタ(18)の吸引部(18b)を順次、冷媒配管を用いて接続して構築された空調用低温側冷媒回路との2つからなり、前記中間熱交換器(90)と前記空調用利用側第2熱交換器(17b)とを接続する前記空調用高温側冷媒回路の冷媒配管に、前記空調用熱源側膨張弁(14)と前記空調用利用側膨張弁(16)とを接続する前記空調用低温側冷媒回路の冷媒配管を合流させて、前記空調用高温側冷媒回路と前記空調用低温側冷媒回路の両方から冷媒が流れる共通冷媒回路を形成すると共に、前記共通冷媒回路に冷媒を減圧するための空調用膨張弁(15)を組み込んだことを特徴とするものである。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、温冷熱源を用いて前記空調用冷媒回路(10)及び前記給湯用冷媒回路(20)に放熱または吸熱を行う熱源用液循環回路(50)をさらに備え、前記中間熱交換器(90)は、前記空調用冷媒回路(10)と前記給湯用冷媒回路(20)と前記熱源用液循環回路(50)との間で熱交換を行うものである事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、前記中間熱交換器(90)は、前記給湯用冷媒回路(20)を流れる冷媒の熱を吸放熱するための伝熱管と、前記空調用冷媒回路(10)を流れる冷媒の熱を吸放熱するための伝熱管とが物理的に接触して熱交換を行う構成をなす事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、前記空調用熱源側熱交換器(13a)を流れる冷媒と前記中間熱交換器(90)を流れる冷媒とで熱交換が可能となるように前記空調用熱源側熱交換器(13a)と前記中間熱交換器(90)とは近接して設けられている事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、前記第1四方弁と前記第2四方弁の開閉動作を同期させて冷房及び暖房運転を行う事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、暖房運転時には、前記空調用膨張弁(15)の開度を前記熱源用液循環回路(50)の液温に基づいて制御し、前記空調用熱源側膨張弁(14)の開度を室外空気温度に基づいて制御する事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、冷房運転時には、前記空調用膨張弁(15)の開度を室内外温度差に基づいて制御し、前記空調用利用側膨張弁(16)の開度を除湿量に基づいて制御する事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、前記空調用圧縮機(11)の吐出口から前記空調用高温側冷媒回路と前記空調用低温側冷媒回路とに分岐する分岐部には冷媒の流路を選択的に切替えるための空調用制御弁(19)が組み込まれている事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、前記エゼクタ(18)は、そのノズル部(18a)の断面積を変更する(ノズル部の開度を変更する)事によって流動抵抗を変更する事が可能である事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、温冷熱源を用いて前記給湯用冷媒回路(20)に放熱または吸熱を行う給湯用液循環回路(40)をさらに備え、前記給湯用冷媒回路(20)は、給湯用圧縮機(21)の吐出口と、前記給湯用液循環回路40)と熱交換を行う給湯用利用側熱交換器(22)と、冷媒を減圧するための給湯用膨張弁(23)と、前記中間熱交換器(90)と、前記給湯用圧縮機(21)の吸込口とを冷媒配管を用いて順次接続して構築される第1給湯用冷媒回路と、この第1給湯用冷媒回路から前記中間熱交換器(90)をバイパスするように並列に接続される第2給湯用冷媒回路とを有し、前記第2給湯用冷媒回路には、上流側に、冷媒を減圧するための給湯用熱源側膨張弁(24)が組み込まれると共に、下流側に、外気と熱交換を行う給湯用熱源側熱交換器(25a)が組み込まれ、前記第1給湯用冷媒回路と前記第2給湯用冷媒回路とが分岐する分岐部のうち下流側の分岐部には、冷媒の流路を選択的に切替える給湯用制御弁(26)が設けられている事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、前記給湯用熱源側熱交換器(25a)を流れる冷媒と前記中間熱交換器(90)を流れる冷媒とで熱交換が可能となるように前記給湯用熱源側熱交換器(25a)と前記中間熱交換器(90)とは近接して設けられている事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、前記給湯用熱源側熱交換器(25a)を構築する伝熱管の最下部が前記中間熱交換器(90)を構築する給湯用熱源側の伝熱管の最上部よりも上部に設置した事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、前記空調用熱源側熱交換器(13a)を構築する伝熱管の最上部が前記中間熱交換器(90)を構築する空調熱源側の伝熱管の最下部よりも下部に設置した事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、前記中間熱交換器(90)を境界として前記給湯用冷媒回路(20)を前記空調用冷媒回路(10)の上部に設けた事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、前記給湯用冷媒回路(20)に封入する冷媒の臨界圧力が空調用冷媒回路(10)に封入する冷媒の臨界圧力以上の冷媒を使用する事を特徴としている。
また、本発明の空調給湯システムは、上記構成において、前記給湯用冷媒回路(20)に封入する冷媒の臨界温度が空調用冷媒回路(10)に封入する冷媒の臨界温度以上の冷媒を使用する事を特徴としている。
以上のような構成で空調用冷媒回路を構築することによって、例えば暖房運転を行う場合、空調用圧縮機から吐出された冷媒は、分岐して第1四方弁、第2四方弁へ流入した後、それぞれ空調用利用側第1熱交換器、空調用利用側第2熱交換器で熱交換し、空調用膨張弁において、熱源用液循環回路の液温に応じた圧力まで減圧される。空調用膨張弁を通過した冷媒は、中間熱交換器で熱源用循環回路によって搬送されてくる熱を吸熱し、第2四方弁を通過した後、エゼクタのノズル部へ流入しエゼクタを駆動する。一方、空調用熱源側膨張弁へ流入した冷媒は、膨張弁によって室外送風機から搬送される室外空気温度に応じた蒸発圧力まで減圧され、空調用熱源側熱交換器において室外空気から吸熱し、第1四方弁を通過した後、エゼクタの吸引部へ流入する。エゼクタへ流入した冷媒は、エゼクタ内で混合され一定の圧力に変換されて空調用圧縮機へ吐出される。
この際、空調用圧縮機の吸込圧力はエゼクタの作用により、上限が中間熱交換器の冷媒の蒸発圧力で、下限が空調用熱源側熱交換器の蒸発圧力の間の圧力になる。
空調用熱源側熱交換器の蒸発圧力≦空調用圧縮機吸込圧力
中間熱交換器の蒸発圧力≧空調用圧縮機吸込圧力
空調用熱源側熱交換器の蒸発圧力≦空調用圧縮機吸込圧力
中間熱交換器の蒸発圧力≧空調用圧縮機吸込圧力
このため、空調用圧縮機の吸込圧力を空調用熱源側熱交換器の蒸発圧力よりも高くする事が可能となり。効率良く空調用冷媒回路の運転を行う事ができる。また、熱源用液循環回路の熱源が熱量不足になり中間熱交換器より必要な熱量を吸熱する事が出来なくなった場合においても、中間熱交換器に接続している制御弁を閉止し、エゼクタのノズル部の流動抵抗を制御することによって、空調用熱源側熱交換器を単独で利用する暖房運転が可能となる。したがって、他熱源を利用できない場合や他熱源の熱量の増減にも追従させる事ができ、空調用冷媒回路の運転を最適に制御する事ができる。
冷房運転では、空調用冷媒回路から発生する排熱と給湯用冷媒回路と熱源用液循環回路へ中間熱交換器を通じて熱交換する場合(空調排熱利用)と、熱交換させない場合の2形態を有している。中間熱交換器を利用する場合、空調用圧縮機を吐出した冷媒は、分岐して第1四方弁、第2四方弁を通過した後、中間熱交換器及び空調用熱源側熱交換器へ流入する。空調用熱源側熱交換器及び中間熱交換器へ流入した冷媒は、それぞれの熱交換器において冷却され、空調用膨張弁において、室内の制御温度に応じた蒸発圧力まで減圧された後、空調用利用側第2熱交換器と空調用利用側膨張弁へ流入する。空調用利用側第2熱交換器で冷媒は室内の顕熱負荷に相当する熱量を吸熱し、エゼクタのノズル部に流入しエゼクタを駆動する。一方、空調用利用側膨張弁へ流入した冷媒は、空調用利用側第1熱交換器において室内の潜熱を除去できる蒸発温度まで減圧され、空調用利用側第1熱交換器において室内の潜熱負荷に相当する熱量を吸熱し、エゼクタ吸引部へ流入する。エゼクタへ流入したそれぞれの冷媒は、エゼクタ内で混合され、一定の圧力に圧力変換され圧縮機へ吐出される。
この際、圧縮機の吸込圧力と各熱交換器の蒸発圧力は、
空調用利用側第1熱交換器の蒸発圧力≦空調用圧縮機吸込圧力
空調用利用側第2熱交換器の蒸発圧力≧空調用圧縮機吸込圧力
の関係になる。
空調用利用側第1熱交換器の蒸発圧力≦空調用圧縮機吸込圧力
空調用利用側第2熱交換器の蒸発圧力≧空調用圧縮機吸込圧力
の関係になる。
したがって、空調用利用側第1熱交換器の蒸発圧力よりも高い圧力を空調用圧縮機の吸込部で保持する事ができるため、効率良く空調用冷媒回路を運転できる。また、潜熱負荷が小さい場合においては、空調用利用側膨張弁及びエゼクタノズルの流動抵抗を変更できるので通常の冷房運転と同様の効果を得る事ができる。
一方、給湯用冷媒回路と熱源用液循環回路が停止しており、他の熱源へ空調用冷媒回路で発生した熱が利用できない場合においても、中間熱交換器と給湯用熱源側熱交換器との間で自然循環型の冷媒回路を構築する事によって効率良く空調用冷媒回路の運転を行う事ができる。ここで、中間熱交換器と給湯用熱源側熱交換器とは冷媒回路によって冷媒の流れ方向に対して並列に接続されており、その上下流部に制御弁を備えている。また、給湯用熱源側熱交換器の最下部は、中間熱交換器の最上部よりも高い位置に設けられている。このように冷媒回路と熱交換器を設置させる事によって、空調用冷媒回路が冷房運転をしている際に空調排熱を利用した自然循環回路を構築できる。
但し、自然循環回路を構築している際には、他熱源へ熱が漏えいする事を防止するために、熱源用液循環回路に設けられた制御弁を閉止し、給湯用冷媒回路の中間熱交換器と給湯用利用側熱交換器の上下流部に接続されている制御弁を閉止する。この結果、中間熱交換器内の伝熱管間で熱交換するので、空調用冷媒回路の冷媒は冷却・凝縮し、給湯用冷媒回路の冷媒が加熱・蒸発する。給湯用冷媒回路の冷媒は、中間熱交換器を吐出した後、飽和液−ガスの密度差によって給湯用熱源側熱交換器へ流入する。給湯用熱源側熱交換器へ流入した冷媒は室外空気に冷却されて凝縮し、重力によって中間熱交換器へ還流する流れを形成する。この際、空調用冷媒回路の中間熱交換器へ流入した冷媒は、給湯用冷媒回路内の冷媒と給湯用熱源側熱交換器を通じて室外空気と熱交換する事ができる。この結果、空調用熱源側熱交換器と給湯用熱源側熱交換器を空調用冷媒回路の放熱用として利用する事ができ、熱交換器の見かけの伝熱面積が拡大でき、空調用冷媒回路を効率良く運転する事ができる。
本発明は、上記した構成と動作により、空調給湯システムの空調用冷媒回路を効率良く運転できる。特に、冷房運転、暖房運転いずれにおいてもエゼクタの効果を発揮する事ができ、空調用冷媒回路の消費電力の低減を行う事が可能となる。
図1は空調給湯システム1の系統図である。空調給湯システム1は、冷房運転と暖房運転を切替えて運転を行う空調用冷媒回路10と給湯用冷媒回路20と、温冷熱源を用いて空調用冷媒回路10及び、給湯用冷媒回路20に放熱または吸熱を行う熱源用液循環回路50と、空調用冷媒回路10、給湯用冷媒回路20、及び熱源用液循環回路50との間で熱交換を行う中間熱交換器90によって構築されるシステムである。空調給湯システム1は、空調用液循環回路30、給湯用利用側液循環回路40、太陽熱集熱器用液循環回路60、給湯用回路70を空調給湯システム1へ接続する事によって、住宅3内に設置されている空調ユニット80、貯塔槽41、蓄熱槽51、太陽集熱器61、給湯用制御弁74等の利用側機器へ温冷熱を搬送させて宅内へ温冷熱を供給する。
空調用冷媒回路10は、空調用冷媒を圧縮する空調用圧縮機11と、冷房運転と暖房運転とで空調用冷媒の流れ方向を切替える第1四方弁12a及び第2四方弁12bと、空調用熱源側熱交換器13aと、給湯用冷媒回路20の給湯用冷媒及び熱源用液循環回路50の熱搬送媒体と熱交換を行うための中間熱交換器90、空調用熱源側膨張弁14、空調用膨張弁15、空調用利用側膨張弁16、空調用利用側第1熱交換器17a、空調用利用側第2熱交換器17b、エゼクタ18、室外空気を空調用熱源側熱交換器13aへ搬送する室外送風機91を備えている。
中間熱交換器90は、熱源用液循環回路50における熱を吸放熱するための伝熱管55と、給湯用冷媒回路(20)を流れる冷媒の熱を吸放熱するための伝熱管25bと、空調用冷媒回路(10)を流れる冷媒の熱を吸放熱するための伝熱管13bとが熱的に接触しており、3つの熱媒体間での熱交換が可能な構成となっている。さらに、伝熱管25bと伝熱管13bとは物理的にも接触した構成となっている。なお、空調用熱源側熱交換器13aと中間熱交換器90とは、冷媒回路によって流れ方向に対して並列に接続される。
空調用圧縮機11は、第1四方弁12a及び第2四方弁12bに冷媒の流れ方向に対して並列に接続する冷媒回路を有しており、第1四方弁12aは、空調用熱源側熱交換器13aと、第2四方弁12bは、中間熱交換器の伝熱管13bと、それぞれ、冷媒回路によって接続されている。尚、図示されていないが、四方弁12a,12bは、各々が同期して開閉動作するように制御する制御機構を設けている。空調用熱源側膨張弁14は、空調用熱源側熱交換器13aと冷媒の流れ方向に対して直列に接続され、中間熱交換器の伝熱管13bからの冷媒回路と再度合流し、空調用膨張弁15とを接続する冷媒回路によって接続される。空調用膨張弁15に接続されている冷媒回路は分岐して、空調用利用側膨張弁16と空調用利用側第2熱交換器17bに接続される。空調用利用側膨張弁16と空調用利用側第1熱交換器17aは冷媒流れ方向に対して直列に接続されている。第1四方弁12aと第2四方弁12bはそれぞれ、エゼクタの吸引部18bとノズル部18aに接続されており、エゼクタの吐出部18cは空調用圧縮機11と接続されている。
このように、本実施形態に係る空調用冷媒回路10は、エゼクタ吐出部18c、空調用圧縮機11、第2四方弁12b、中間熱交換器90、空調用利用側第2熱交換器17b、エゼクタノズル部18aを順次、冷媒配管で接続して構築された空調用高温側冷媒回路と、エゼクタ吐出部18c、空調用圧縮機11、第1四方弁12a、空調用熱源側熱交換器13a、空調用熱源側膨張弁14、空調用利用側膨張弁16、空調用利用側第1熱交換器17a、エゼクタ吸引部18bを順次、冷媒配管を用いて接続して構築された空調用低温側冷媒回路との2つの冷媒回路から構成されている。そして、これら2つの冷媒回路の両方から冷媒が流れる共通冷媒回路に空調用膨張弁15が組み込まれているのである。
給湯用冷媒回路20は、給湯用冷媒を圧縮する給湯用圧縮機21と、給湯用利用側熱交換器22と、給湯用膨張弁23、給湯用熱源側膨張弁24、空調用熱源側熱交換器25a、中間熱交換器90、三方弁(給湯用制御弁)26、室外空気を給湯用熱源側熱交換器25aへ搬送する、室外送風機92を備えている。なお、三方弁26の代わりに、逆止弁を用いることもできる。
この給湯用冷媒回路20は、第1給湯用冷媒回路と第2給湯用冷媒回路の2つの冷媒回路で構成されている。第1給湯用冷媒回路は、給湯用圧縮機21、給湯用利用側熱交換器22、給湯用膨張弁23、中間熱交換器90を、順次、冷媒配管を用いて接続して構築されている。一方、第2給湯用冷媒回路は、この第1給湯用冷媒回路から中間熱交換器90をバイパスするように並列に接続されて形成されており、中間熱交換器90の上流側の分岐部から給湯用熱源側膨張弁24、給湯用熱源側熱交換器25aを順次、冷媒配管で接続し、中間熱交換器90の下流側の分岐部にて第1給湯用冷媒回路と合流するようになっている。そして、中間熱交換器90の下流側の分岐部に、三方弁26が設けられている。
ここで、本実施形態において、空調用冷媒回路10と給湯用冷媒回路20とは、中間熱交換器90を境界として上下に隔てて配置されるとともに、給湯用冷媒回路20は空調用冷媒回路10より上に配置されている。そして、給湯用熱源側熱交換器25aの伝熱管の最下部は、中間熱交換器90の伝熱管25bの最上部よりも上部に位置し、空調用熱源側熱交換器13aの伝熱管の最上部は、中間熱交換器90の伝熱管13bの最下部よりも下部に位置している。
熱源用液循環回路50は、蓄熱槽51、蓄熱槽へ熱搬送媒体が戻る循環量を制御するための制御弁52、熱搬送媒体の全循環量を制御する制御弁53、中間熱交換器90の熱源用液循環回路が使用する伝熱管55、液循環用ポンプ56を備えている。
中間熱交換器90と給湯用熱源側熱交換器25aは、ヘッド差を有しており、給湯用冷媒回路20に封入された冷媒の飽和液と飽和ガスの密度差を利用して中間熱交換器90と給湯用熱源側熱交換器25a間で冷媒が自然循環するようになっている。なお、中間熱交換器90と給湯用熱源側熱交換器25aとは近接して設けられており、効率良く熱交換を行えるようになっている。
同様に中間熱交換器90と空調用熱源側熱交換器13aにも、ヘッド差を有しており、空調用冷媒回路10に封入された冷媒の飽和液と飽和ガスの密度差を利用して中間熱交換器90と空調用熱源側熱交換器13a間で冷媒が自然循環するようになっている。中間熱交換器90と空調用熱源側熱交換器13aとは近接して設けられており、効率良く熱交換を行えるようになっている。
尚、本発明では温度検知手段100、101、、、132、流量検知手段201、202、湿度検知手段301等を備えているが、検知手段の設置位置等は本実施の形態に限るものではない。
以上のような機器で構築されていている空調給湯システムの運転モードに対する動作を、以下、図2〜図8を参照しながら説明する。
図3は、本発明で記載している空調給湯システムのうち、空調用冷媒回路10が冷房運転している際の冷媒の循環経路を示している。図2は、図3の空調用冷媒回路の動作点を圧力-エンタルピ―曲線で示している。図中の実線が本発明のサイクルの動作を示し、破線が通常の冷凍サイクルの動作を示している。図3は、空調用冷媒回路10を圧縮式で運転し、給湯用冷媒回路20を自然循環式で運転するモードを示している。この際、給湯用冷媒回路10の給湯用膨張弁23の開度は全閉であり、給湯用熱源側膨張弁24は全開である。また、本実施形態においては、熱源用液循環回路50を停止している。熱源用液循環制御弁52、53は全閉である。このため、太陽集熱器用液循環回路60と空調用冷媒回路10及び給湯用冷媒回路20は、熱的に独立した運転を行う事ができる。したがって、空調用冷媒回路10や給湯用冷媒回路20の動作に関係なく、太陽熱集熱器用液循環回路60は蓄熱槽51が所定の温度に達するまで運転を行なう事ができる。
空調用圧縮機11を吐出した冷媒(P2)は、四方弁12a、12bを通過し、空調用熱源側熱交換器13a、中間熱交換器90を構築する伝熱管13bへ流入する。空調用熱源側熱交換器13aに流入した冷媒は、室外空気と熱交換する事によって冷却・凝縮する。同様に、中間熱交換器90の伝熱管13bへ流入した冷媒は、中間熱交換器90を構築する伝熱管25b内にある冷媒と熱交換する事によって、冷却・凝縮する。
伝熱管25b内の冷媒は伝熱管13bから熱を吸熱・蒸発するので、給湯用冷媒回路20の三方弁26を給湯用熱源側熱交換器25aの方向へ解放する事によって、冷媒は給湯用熱源側熱交換器25aへ流入し、室外送風機92によって搬送される室外空気と給湯用熱源側熱交換器25aで熱交換し、給湯用熱源側熱交換器25a内の冷媒は冷却・凝縮する。液化した冷媒は、飽和ガス−液の密度差によって自然に中間熱交換機90へ還流する自然循環回路を形成する。尚、外気温度が低く空調負荷が小さい場合は、三方弁26を閉止し、自然循環回路を閉止すれば、熱交換器の伝熱面積の制御を行う事ができる。このため、空調用圧縮機11から吐出される冷媒の状態に応じて熱交換器の伝熱面積と室外送風機91、92の運転・停止による風量制御が可能となり、空調用冷媒回路10の運転を最適に制御する事が可能となる。
空調用熱源側熱交換器13aおよび中間熱交換器90の伝熱管13bを通過した冷媒(P3)は、空調用膨張弁15によって住宅3内の室内設定温度に応じた蒸発圧力まで減圧・膨張される。この際、空調用熱源側膨張弁14は全開である。空調用膨張弁15を通過した冷媒(P4b)は、空調用利用側膨張弁16と空調用利用側第2熱交換器17bへ流入する。空調用利用側膨張弁16へ流入した冷媒は、住宅3内の除湿負荷に応じた蒸発圧力まで空調用利用側膨張弁16でさらに膨張・減圧されて空調用利用側第1熱交換器17aへ流入する(P4a)。
この際、
空調用利用側第1熱交換器17aの蒸発圧力≦空調用利用側第2熱交換器17bの蒸発圧力
の関係になる。
空調用利用側第1熱交換器17aの蒸発圧力≦空調用利用側第2熱交換器17bの蒸発圧力
の関係になる。
空調用利用側第1、第2熱交換器17a、17bへ流入した冷媒は、空調用液循環回路30を循環する熱搬送媒体と熱交換し、吸熱・蒸発する。この結果、空調用液循環回路30を循環する熱搬送媒体が冷却され、冷却された熱搬送媒体を液搬送用ポンプ32によって住宅3内に設置されている室内熱交換器34へ搬送できるため、室内空気を冷却・除湿する事ができる。
空調用利用側第2熱交換器17bを通過した冷媒(P5b)はエゼクタノズル部18aに流入し、エゼクタ18を駆動する。一方、空調用利用側第1熱交換器17aを通過した冷媒(P5a)は、エゼクタ吸引部18bからエゼクタ18に吸入され、エゼクタノズル部18aより流入した冷媒と混合した後、エゼクタ吐出部18cで昇圧され、空調用圧縮機11(P1)へ還流する。
この際、エゼクタ18によって冷媒が昇圧されるため、空調用圧縮機11の吸込部の圧力は、
空調用利用側第1熱交換器17aの蒸発圧力(P4a,P5a)≦圧縮機11吸込圧力(P1)
空調用利用側第2熱交換器17bの蒸発圧力(P4b,P5b)≧圧縮機11吸込圧力(P1)
となり、空調用圧縮機11の吸込圧力(P1)を高くする事ができる。
空調用利用側第1熱交換器17aの蒸発圧力(P4a,P5a)≦圧縮機11吸込圧力(P1)
空調用利用側第2熱交換器17bの蒸発圧力(P4b,P5b)≧圧縮機11吸込圧力(P1)
となり、空調用圧縮機11の吸込圧力(P1)を高くする事ができる。
通常の冷凍サイクルは、P1’→P2’→P3→P4a→P5aの循環経路で動作する。このため、エゼクタを用いた冷凍サイクルでは、圧縮過程で消費されるエンタルピ―差(ΔH)を通常の冷凍サイクルの圧縮過程で消費されるエンタルピ―差(ΔH’)よりも小さくする事ができる。したがって、空調用冷媒回路10を効率良く運転できる。
除湿量が比較的少ないような場合では、空調用利用側膨張弁16を全開にし、エゼクタノズル部18aを全開にする事によって、空調用利用側第1、第2熱交換器17aと17bを同一条件で動作させる事ができる。これによって、熱交換器の見かけの伝熱面積を拡大できるので、冷媒の蒸発圧力を高くでき、除湿負荷が小さいような場合においても、効率良く空調用冷媒回路10を運転する事ができる。
一方、蓄熱槽51の水温が室外空気温度よりも低い場合においては空調用冷媒回路10で廃棄される熱を蓄熱槽51へ搬送する事によって、効率良く給湯用冷媒回路20を運転させる事ができる。図4は、上記した状態における冷媒の流れを説明したものである。尚、空調用冷媒回路10の流れは、図3の実施の形態において説明しているので詳細は割愛する。図4は、空調用冷媒回路10を圧縮式で運転し、給湯用冷媒回路20を停止して運転しているモードを示している。このとき、給湯用膨張弁23、給湯用熱源側膨張弁24の開度は全閉である。
図4において、空調用冷媒回路10の冷媒は、空調用圧縮機11より吐出され、空調用熱源側熱交換器13a及び中間交換機90の伝熱管13bへ流入する。中間熱交換器90の伝熱管13bへ流入した冷媒は、中間熱交換器90において伝熱管55内を流れる熱搬送媒体と熱交換する。この結果、熱源用液循環回路50内を循環する熱搬送媒体は、空調用冷媒回路10の冷媒によって加熱される。加熱された熱搬送媒体は、熱源用液循環ポンプ56によって蓄熱槽51へ還流する。一方、蓄熱槽51内へは、太陽熱集熱器用液循環回路60が接続されており、太陽集熱器で集熱した熱も同時に蓄熱する事ができる。
本発明によると、空調熱源より発生する排熱と太陽熱等の他熱源より発生する熱を同時に回収する事ができる。
また、給湯用冷媒回路20と空調用冷媒回路10間で直熱交換させる事もできる。図5は、給湯用冷媒回路20が空調用冷媒回路10からの熱を直接利用している場合の冷媒の流れを示している。尚、空調用冷媒回路10及び太陽熱集熱器用液循環回路60の流れは、図3、図4の実施の形態において説明をしているので詳細は割愛する。図5は、空調用冷媒回路10及び給湯用冷媒回路20を圧縮式で運転し、熱源用液循環回路50を運転して空調給湯システムを運転しているモードを示している。
図5において、空調用冷媒回路10の冷媒は、空調用圧縮機11より吐出され、空調用熱源側熱交換器13a及び中間交換機90の伝熱管13bへ流入する。中間熱交換器90の伝熱管13bへ流入した冷媒は、中間熱交換器90において伝熱管25b内を流れる冷媒と熱交換する。
給湯用冷媒回路20の冷媒は、給湯用圧縮機21より吐出され、給湯用利用側熱交換器22において、給湯用液循環回路40内を流れる熱搬送媒体を加熱する。加熱された熱搬送媒体は、給湯用液循環ポンプ43によって、貯湯槽41へ還流する。給湯用利用側熱交換器22を通過した冷媒は、給湯用膨張弁23に流入する。給湯用膨張弁23へ流入した給湯用冷媒は、中間熱交換器の伝熱管13bを流れる冷媒の温度と伝熱管55内を流動する熱搬送媒体の温度のうち低温側の温度に応じた蒸発圧力になるように給湯用膨張弁23の開度を制御する。給湯用膨張弁23で減圧・膨張した給湯用冷媒は、給湯用熱源側膨張弁24及び中間熱交換器90の伝熱管25bへ流入する。中間熱交換器90の伝熱管25bへ流入した冷媒は、伝熱管13b及び伝熱管55内を流れる冷媒及び熱搬送媒体との熱交換によって加熱・蒸発する。一方、給湯用熱源側膨張弁24へ流入した冷媒は、室外温度に応じた蒸発圧力になるように給湯用熱源側膨張弁24で減圧・膨張され、給湯用熱源側熱交換器25aで室外空気と熱交換し加熱・蒸発する。
このとき、各伝熱管内を流動する冷媒及び熱搬送媒体の温度の関係は、
伝熱管55内の熱搬送媒体温度≒空調排熱温度
伝熱管55内の熱搬送媒体温度≧室外空気温度
となる。
伝熱管55内の熱搬送媒体温度≒空調排熱温度
伝熱管55内の熱搬送媒体温度≧室外空気温度
となる。
このため、給湯用冷媒回路20が空調用冷媒回路10からの排熱を利用する場合は、給湯用熱源側膨張弁24を全閉にして給湯用熱源側熱交換器25aへの給湯用冷媒の流れを閉止する。この結果、熱源の違いによる蒸発温度の不均衡が生じない。同様に空調排熱を利用しない場合は、三方弁(給湯用制御弁)26の中間熱交換器90側の流れを閉止する。したがって、給湯用冷媒回路20を循環する全冷媒は給湯用熱源側熱交換器25aに流入し、室外空気と熱交換する。このように、空調排熱の利用の有無に応じて中間熱交換器90及び給湯用熱源側熱交換器25aを選択的に使用する事ができるため、冷媒の蒸発圧力を最適な圧力に保つ事ができる。このため、給湯用冷媒回路の運転効率の低下を生じさせる事がない。
図6は、本発明の空調用冷媒回路10が暖房運転を行っている際の冷媒の流れを示したものである。図6は、空調用冷媒回路10及び給湯用冷媒回路20を圧縮式で運転し、熱源用液循環回路50を運転して空調給湯システムを運転しているモードを示している。
空調用圧縮機11を吐出した冷媒は、第1、第2四方弁12a、12bを通過して、空調用利用側第1、第2熱交換機17a、17bで熱交換し、冷却・凝縮する。空調用利用側第1、第2熱交換器17a、17bを通過した冷媒は空調用膨張弁15によって熱源用液循環回路40内を循環する熱搬送媒体温度に応じた蒸発圧力まで膨張・減圧される。この際、空調用利用側膨張弁16は全開である。空調用膨張弁15を通過した冷媒は、空調用熱源側膨張弁14と中間熱交換器90の伝熱管13bへ流入する。空調用熱源側膨張弁14へ流入した冷媒は、室外空気温度に応じた蒸発圧力まで膨張・減圧された後、空調用熱源側熱交換器13aへ流入する。
空調用熱源側熱交換器13aへ流入した冷媒は、室外送風機91によって搬送される室外空気と熱交換し、吸熱・蒸発する。中間熱交換器90の伝熱管13bへ流入した冷媒は、伝熱管25bと伝熱管55で熱交換し、吸熱・蒸発する。中間熱交換器90の伝熱管55へ流入する熱搬送媒体は太陽集熱器61の熱を吸熱しているため、室外空気温度よりも10℃以上高い温度になる。
このため、中間熱交換器90の伝熱管13b内と空調用熱源側熱交換器13a内を流動する冷媒の蒸発圧力の関係は、
中間熱交換器90の伝熱管13bの蒸発圧力≧空調用熱源側熱交換器13aの蒸発圧力
になる。
中間熱交換器90の伝熱管13bの蒸発圧力≧空調用熱源側熱交換器13aの蒸発圧力
になる。
中間熱交換器90を通過した冷媒はエゼクタノズル部18aに流入し、エゼクタ18を駆動する。一方、空調用熱源側熱交換器13aを通過した冷媒は、エゼクタ吸引部18bからエゼクタ18に吸入され、エゼクタノズル部18aより流入した冷媒と混合した後、エゼクタ吐出部18cで昇圧され、空調用圧縮機11へ還流する。この際、エゼクタ18によって冷媒が昇圧される。
したがって、空調用圧縮機11の吸込圧力と各熱交換器の蒸発圧力との関係は、
空調用熱源側熱交換器13aの蒸発圧力≦空調用圧縮機11吸込圧力
中間熱交換器90の伝熱管13bの蒸発圧力≧空調用圧縮機11吸込圧力
となり、空調用圧縮機11の吸込圧力を高く保つ事ができる。この結果、空調用冷媒回路10を効率良く運転できる。
空調用熱源側熱交換器13aの蒸発圧力≦空調用圧縮機11吸込圧力
中間熱交換器90の伝熱管13bの蒸発圧力≧空調用圧縮機11吸込圧力
となり、空調用圧縮機11の吸込圧力を高く保つ事ができる。この結果、空調用冷媒回路10を効率良く運転できる。
熱源用液循環回路50に流入する熱搬送媒体の温度が低い場合は、エゼクタノズル部18aの開度を全閉にして、中間熱交換器90へ冷媒が流入する事を防止する。これによって、他熱源を用いない場合においても空調用冷媒回路10を効率良く運転ができる。
また、図7は空調用冷媒回路10の運転を行わない場合に、給湯用冷媒回路20を単独で運転した場合の冷媒の流れを示したものである。図7は、空調用冷媒回路10を自然循環式、給湯用冷媒回路20を圧縮式で運転し、熱源用液循環回路50を停止しているモードを示している。
給湯用圧縮機21を吐出した冷媒は、給湯用利用側熱交換器22で冷却・凝縮し、給湯用膨張弁23へ流入する。給湯用膨張弁23へ流入した冷媒は、室外温度に応じた蒸発圧力になるように給湯用膨張弁23で膨張・減圧し、給湯用熱源側膨張弁24及び中間熱交換器90へ流入する。この際、給湯用熱源側膨張弁24は全開状態である。中間熱交換器90の伝熱管25b及び給湯用熱源側熱交換器25aへ流入した冷媒は、空調用冷媒回路の伝熱管13bと室外空気、それぞれと熱交換し蒸発する。
ここで、室外温度と給湯用熱源側熱交換器の蒸発温度との関係は、
給湯用熱源側熱交換器の冷媒温度≦室外温度
となる。
給湯用熱源側熱交換器の冷媒温度≦室外温度
となる。
したがって、中間熱交換器90の伝熱管13bと空調用熱源側熱交換器13aとの間に所定のヘッド差を設ければ、中間熱交換器90の伝熱管13b−空調用熱源側熱交換器13a間で形成される回路内で温度差による自然循環回路を形成する事ができる。このとき、空調用制御弁19は第1四方弁12a及び第2四方弁12bを連通する方向に解放されており、空調用膨張弁15は全閉状態である。中間熱交換器90の伝熱管25b−空調用熱源側熱交換器13a間で熱交換させた熱を空調用冷媒回路10に構築した自然循環回路を用いて空調用熱源側熱交換器13aへ搬送し、空調用熱源側熱交換器13aで室外空気と熱交換させることによって、給湯用熱源側熱交換器25aの伝熱面積と送風量を増加させる事が可能となる。これによって、給湯用冷媒回路20を単独で運転する場合においても、効率の良い運転ができる。
また図8は、給湯用冷媒回路20に本発明のエゼクタ回路を適用した際の実施の形態を示したものである。給湯用冷媒回路においても空調用冷媒回路10と同様の効果をエゼクタ27によって得る事ができる。
また本発明では、空調用冷媒回路10と給湯用冷媒回路20内の冷媒の臨界点(臨界温度及び圧力)は、給湯用冷媒回路20の冷媒の臨界点が空調用冷媒回路10以上の臨界点を有する冷媒を利用する事ができる。この結果、空調用冷媒回路10で要求される凝縮温度よりも高い凝縮温度が要求される給湯用冷媒回路20においても、熱交換効率の高い二相域を利用できる。したがって、空調用冷媒回路10の温度制御域と給湯用冷媒回路20の温度制御域を最適に保つ事が可能な冷媒を選択する事ができる。
以上の実施の形態で説明したように、本発明によると、空調と給湯を統合した空調給湯システムにおいて運転を行う際の消費電力の低減を行う事ができる。
尚、本発明では空気以外の他熱源として太陽熱を中心に記述しているが、それ以外の熱源、例えば、地中熱、バイオマス、等の熱源(再生可能エネルギ)を用いた場合においても、本発明は、同等の効果を有する事は記述するまでもない。
同様に、本発明では圧縮機、ポンプ、送風機の形態については記載していないが、インバータ等を用いた容量可変の圧縮機やポンプを用いても同様の効果を得る事が可能な事は記述するまでもない。
1…空調給湯システム、3…住宅、10…空調用冷媒回路、11…空調用圧縮機、12a…第1四方弁、12b…第2四方弁、13a…空調用熱源側熱交換器、13b…中間熱交換器の空調用熱源側伝熱管、14…空調用熱源側膨張弁、15…空調用膨張弁、16…空調用利用側膨張弁、17a…空調用利用側第1熱交換器、17b…空調用利用側第2熱交換器、18…エゼクタ、18a…エゼクタノズル部、18b…エゼクタ吸引部、18c…エゼクタ吐出部、19…空調用制御弁、20…給湯用冷媒回路、21…給湯用圧縮機、22…給湯用利用側熱交換器、23…給湯用膨張弁、24…給湯用熱源側膨張弁、25a…給湯用熱源側熱交換器、25b…中間熱交換器の給湯用熱源側伝熱管、26…三方弁(給湯用制御弁)、27…エゼクタ、30…空調用液循環回路、31…制御弁、32…液循環ポンプ、34…室内熱交換器、35…室内送風機、40…給湯用液循環回路、41…貯塔槽、43…液循環ポンプ、50…熱源用液循環回路、51…蓄熱槽、52、53…熱源用液循環流量制御弁、55…中間熱交換器熱源液循環回路の伝熱管、56…液循環ポンプ、60…太陽熱集熱器用液循環回路、61…太陽集熱器、62…液循環ポンプ、63…制御弁、70…給湯用回路、72、73、74…給湯用制御弁、80…空調ユニット、90…中間熱交換器、91、92…室外送風機、101、102、…132…温度検知手段、201、202…流量検知手段、301…湿度検知手段
Claims (16)
- 冷房運転と暖房運転とを切替えて運転を行う空調用冷媒回路と、給湯を行う給湯用冷媒回路と、室内の空調を行う空調用液循環回路を備え、前記空調用冷媒回路と前記給湯用冷媒回路との間で熱交換を行う中間熱交換器と、前記空調用冷媒回路と前記空調用液循環回路との間で熱交換を行うための空調用利用側第1熱交換器および空調用利用側第2熱交換器とを有する空調給湯システムであって、
前記空調用冷媒回路は、
エゼクタの吐出部、空調用圧縮機、冷媒循環方向を変更するための第2四方弁、前記中間熱交換器、前記空調用利用側第2熱交換器、エゼクタのノズル部を順次、冷媒配管で接続して構築された空調用高温側冷媒回路と、
前記エゼクタの吐出部、前記空調用圧縮機、冷媒循環方向を変更するための第1四方弁、外気と熱交換を行う空調用熱源側熱交換器、空調用熱源側膨張弁、空調用利用側膨張弁、空調用利用側第1熱交換器、前記エゼクタの吸引部を順次、冷媒配管を用いて接続して構築された空調用低温側冷媒回路との2つからなり、
前記中間熱交換器と前記空調用利用側第2熱交換器とを接続する前記空調用高温側冷媒回路の冷媒配管に、前記空調用熱源側膨張弁と前記空調用利用側膨張弁とを接続する前記空調用低温側冷媒回路の冷媒配管を合流させて、前記空調用高温側冷媒回路と前記空調用低温側冷媒回路の両方から冷媒が流れる共通冷媒回路を形成すると共に、
前記共通冷媒回路に冷媒を減圧するための空調用膨張弁を組み込んだ
ことを特徴とする空調給湯システム。 - 請求項1の記載において、温冷熱源を用いて前記空調用冷媒回路及び前記給湯用冷媒回路に放熱または吸熱を行う熱源用液循環回路をさらに備え、前記中間熱交換器は、前記空調用冷媒回路と前記給湯用冷媒回路と前記熱源用液循環回路との間で熱交換を行うものである事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項2の記載において、前記中間熱交換器は、前記給湯用冷媒回路を流れる冷媒の熱を吸放熱するための伝熱管と、前記空調用冷媒回路を流れる冷媒の熱を吸放熱するための伝熱管とが物理的に接触して熱交換を行う構成をなす事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜3のいずれか1項の記載において、前記空調用熱源側熱交換器を流れる冷媒と前記中間熱交換器を流れる冷媒とで熱交換が可能となるように前記空調用熱源側熱交換器と前記中間熱交換器とは近接して設けられている事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜3のいずれか1項の記載において、前記第1四方弁と前記第2四方弁の開閉動作を同期させて冷房及び暖房運転を行う事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜3のいずれか1項の記載において、暖房運転時には、前記空調用膨張弁の開度を前記熱源用液循環回路の液温に基づいて制御し、前記空調用熱源側膨張弁の開度を室外空気温度に基づいて制御する事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜3のいずれか1項の記載において、冷房運転時には、前記空調用膨張弁の開度を室内外温度差に基づいて制御し、前記空調用利用側膨張弁の開度を除湿量に基づいて制御する事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜3のいずれ1項の記載において、前記空調用圧縮機の吐出口から前記空調用高温側冷媒回路と前記空調用低温側冷媒回路とに分岐する分岐部には冷媒の流路を選択的に切替えるための空調用制御弁が組み込まれている事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜3のいずれか1項の記載において、前記エゼクタは、そのノズル部の断面積を変更する事によって流動抵抗を変更する事が可能である事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜3のいずれか1項の記載において、温冷熱源を用いて前記給湯用冷媒回路に放熱または吸熱を行う給湯用液循環回路をさらに備え、
前記給湯用冷媒回路は、
給湯用圧縮機の吐出口と、前記給湯用液循環回路と熱交換を行う給湯用利用側熱交換器と、冷媒を減圧するための給湯用膨張弁と、前記中間熱交換器と、前記給湯用圧縮機の吸込口とを冷媒配管を用いて順次接続して構築される第1給湯用冷媒回路と、この第1給湯用冷媒回路から前記中間熱交換器をバイパスするように並列に接続される第2給湯用冷媒回路とを有し、
前記第2給湯用冷媒回路には、上流側に、冷媒を減圧するための給湯用熱源側膨張弁が組み込まれると共に、下流側に、外気と熱交換を行う給湯用熱源側熱交換器が組み込まれ、
前記第1給湯用冷媒回路と前記第2給湯用冷媒回路とが分岐する分岐部のうち下流側の分岐部には、冷媒の流路を選択的に切替える給湯用制御弁が設けられている事を特徴とする空調給湯システム。 - 請求項10の記載において、前記給湯用熱源側熱交換器を流れる冷媒と前記中間熱交換器を流れる冷媒とで熱交換が可能となるように前記給湯用熱源側熱交換器と前記中間熱交換器とは近接して設けられている事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜11のいずれか1項の記載において、前記給湯用熱源側熱交換器を構築する伝熱管の最下部が前記中間熱交換器を構築する給湯用熱源側の伝熱管の最上部よりも上部に設置した事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜11のいずれか1項の記載において、前記空調用熱源側熱交換器を構築する伝熱管の最上部が前記中間熱交換器を構築する空調熱源側の伝熱管の最下部よりも下部に設置した事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜11のいずれか1項の記載において、前記中間熱交換器を境界として前記給湯用冷媒回路を前記空調用冷媒回路の上部に設けた事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜11のいずれか1項の記載において、前記給湯用冷媒回路に封入する冷媒の臨界圧力が空調用冷媒回路に封入する冷媒の臨界圧力以上の冷媒を使用する事を特徴とする空調給湯システム。
- 請求項1〜11のいずれか1項の記載において、前記給湯用冷媒回路に封入する冷媒の臨界温度が空調用冷媒回路に封入する冷媒の臨界温度以上の冷媒を使用する事を特徴とする空調給湯システム。
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