JP5395479B2

JP5395479B2 - 空気調和システム

Info

Publication number: JP5395479B2
Application number: JP2009067330A
Authority: JP
Inventors: 敦史馬場; 山口　　広一; 靖二大越
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: JP2010216783A

Description

本発明は空気調和システムに係り、特に暖房運転時に地中熱採熱用熱交換器の利用を冷媒温度に基づき選択的に行う空気調和システムに関する。

従来、空気調和機の暖房運転は、蒸発器における吸熱に外気を利用している。

しかし、この種の空気調和機は、外気温度低下時や寒冷地帯で使用する場合、空気温度が低いため暖房性能が悪化する問題がある。

また冷媒温度が０℃以下になった場合、空気中の水蒸気が冷却され、室外機のフィンチューブ熱交換器に着霜が生じ、除霜に熱量を使うため性能がさらに悪化する。

従来の技術として、空気熱交換器と地中熱利用熱交換器を絞り装置に対し並列に接続し、外気温度５℃以上で、空気熱交換器に冷媒を流通し、５℃以下で地中熱利用熱交換器に冷媒を流通するヒートポンプサイクル装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１２５７６９号公報

しかし、特許文献１に記載の装置では、外気温度Ｔｏ５℃以下の低負荷運転時、冷媒は１〜３℃程度で着霜がないにもかかわらず、地中熱利用熱交換器を利用するため、空気熱交換器に送風するファンに比べて入力が大きい不凍液循環ポンプを運転する必要があり、このように、外気温度のみの検出による切換え制御では、ポンプ入力が増大し、システム性能が悪くなる問題がある。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、外気温度低下時の性能悪化を防止し、高効率な空気調和システムを提供することを目的とする。

本発明に係る空気調和システムは、圧縮機に、内部に冷媒が導通する冷媒管を介して順次接続された、四方弁、室内熱交換器、膨張装置、空気熱交換器と、この空気熱交換器に並列に設けられた地中熱利用熱交換器と、冷媒の流れを前記空気熱交換器及び地中熱利用熱交換器のいずれかに切換える切換手段と、地中に埋設された地中熱採熱熱交換器と前記地中熱利用熱交換器間に流体を循環させる流体回路と、暖房運転時に前記膨張装置の下流側の冷媒温度を検知する冷媒温度検知手段とを備え、暖房運転時に前記冷媒温度検知手段で検知した冷媒温度が所定温度より大きいときに前記空気熱交換器に冷媒を流し、冷媒温度が所定温度以下のときに前記地中熱利用熱交換器に冷媒を流すように前記切換手段を制御する制御手段を具備したことを特徴とする。

本発明に係る空気調和システムによれば、外気温度低下時の性能悪化を防止し、地中熱を利用した高効率な空気調和システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る空気調和システムの構成図。本発明の一実施形態に係る空気調和システムに用いる制御手段の機能ブロック図。本発明の一実施形態に係る空気調和システムの運転起動時の蒸発器選択フローチャート図。本発明の一実施形態に係る空気調和システムの運転経過後の外気温低下時の蒸発器選択フローチャート図。本発明の一実施形態に係る空気調和システムの運転経過後の外気温上昇時の蒸発器選択フローチャート図。

本発明の一実施形態に係る空気調和システムについて図面を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る空気調和システム１は、冷凍サイクル２と、この冷凍サイクル２の一部に並列に設けた地中熱利用回路３と、この地中熱利用回路３と熱交換を行う流体回路４と、図２に示す制御手段５を備える。

冷凍サイクル２は、例えばＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮機２１に、冷媒管２２を介して順次、冷暖房運転の切換えに応じて冷媒の流れを切換える四方弁２３、冷媒を蒸発あるいは凝縮させる室内ファン２４ａを備えたフィンチューブ型の室内熱交換器２４、冷媒を減圧する膨張装置２５、冷媒の流れを切り換える切換弁としての三方弁２６、室外ファン２７ａを備えたフィンチューブ型の空気熱交換器としての室外熱交換器２７を接続して構成される。

この室外熱交換器２７と室外ファン２７ａで空気熱熱交換部ＡＥが形成される。

また、地中熱利用回路３には、三方弁２６で分岐し、室外熱交換器２７に並列に地中熱利用熱交換器（以下、単に、熱利用熱交換器という。）３１が設けられ、冷媒管３２により、室外熱交換器２７の出口と四方弁２３の入口に接続される。

さらに、流体回路４は、熱利用熱交換器３１に、流体配管４１により、例えば垂直型の地中熱採熱用熱交換器（以下、採熱用熱交換器という。）４２、熱媒体である流体として例えば不凍液あるいは水を循環させるポンプ４３が順次接続される。流体として不凍液を循環させることで、外気温度低下時や、寒冷地域で外気温度が０℃以下になったとしても、凍結しない。

採熱用熱交換器４２には、グラウト等の充填材を用いるタイプあるいは不凍液を用いるタイプのものを使用し、例えば、夏季冷房時に地中温度８〜１２℃、地中熱交換器温度が１５〜３０℃、冬季暖房時に地中温度８〜１２℃、地中熱交換器温度が−５〜５℃になる地中６０〜１５０ｍに埋設される。

熱利用熱交換器３１と流体回路４とで、地中熱熱交換部ＵＥが形成される。

従って、空気調和システム１を用いた暖房運転時、冷媒温度Ｔｒが所定温度より高い場合、空気熱熱交換部ＡＥ、室内熱交換器２４を介して被空調空間と熱交換し、被空調空間を暖房する。

一方、暖房運転時、冷媒温度Ｔｒが所定温度より低い場合、地中熱熱交換部ＵＥすなわち熱利用熱交換器３１内を流れる冷媒と流体とで熱交換し、地中から吸熱し、室内熱交換器２４との間で熱交換し、被空調空間を暖房する。

図２に示す制御手段５は、ＭＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備え、入力手段から指令信号を受信する。

制御手段５は、圧縮機２１、四方弁２３、室内ファン２４ａ、膨張装置２５、三方弁２６、室外ファン２７ａ、ポンプ４３などを制御し、暖房運転時、膨張装置２５下流側の冷媒温度Ｔｒを検知する冷媒温度検知手段としての冷媒温度センサーＳ_１、外気温度を検知する外気温度センサーＳ_２、熱利用熱交換器３１出口の冷媒温度Ｔｒを検知する出口冷媒温度センサーＳ_３、採熱用熱交換器４２出口の流体温度を検知する流体温度センサーＳ_４から温度情報信号が入力される。

制御手段５は、温度情報信号に基づき、予め記憶されたプログラムに従って上記被制御部品を制御する。

次に、本空気調和システム１の動作について説明する。

最初に空気調和システムの冷房運転時について説明する。

図１に従って説明するが、図１中点線は冷房運転時の冷媒、流体及び熱の流れを示し、実線は暖房運転時の冷媒、流体及び熱の流れを示す。

図１に示すように、四方弁２３は冷房運転位置に設定され、三方弁２６は切換えられており、点線で示す冷媒は、空外熱交換器２７を流れず、熱利用熱交換器３１を流れるようになっている。

従って、圧縮機２１で圧縮されて高温高圧になった冷媒は、冷媒管２２、四方弁２３を介して、冷媒を凝縮する凝縮器として作用する熱利用熱交換器３１に流れる。

この熱利用熱交換器３１に流入した高温高圧のガス冷媒は、熱利用熱交換器３１により冷却され、液相の冷媒になる。

この熱利用熱交換器３１における冷媒の冷却は、ポンプ４３により、流体回路４内を循環する流体により、冷凍サイクル２を流れる冷媒を冷却することで行われ、冷媒を冷却することで高温になった流体は、採熱用熱交換器４２で地中に放熱されて冷却される。

一方、熱利用熱交換器３１で液相になった冷媒は、膨張装置２５で減圧され、蒸発器として作用する室内熱交換器２４で蒸発して、室内空気を冷却し、室内を冷房する。冷房運転を必要とする夏季は、地中温度が外気温度より低いため、地中熱を利用することで高効率な冷房運転を可能にする。また、冷房運転時、凝縮器として室外に設ける熱利用熱交換器３１を使用した場合、排熱が大気に放出されヒートアイランド現象の原因になるといわれる従来と異なり、排熱を地下に放出するため、ヒートアイランド現象を緩和させることが可能になる。

なお、冷媒を室外熱交換器２７に流し、熱利用熱交換器３１に流れないようにする冷房運転では、ポンプ４３を運転することに換えて、室外ファン２７ａを運転し、冷媒を冷却する。

さらに、空気調和システムの暖房運転時について説明する。

図３に示す本空気調和システムの運転起動時の蒸発器選択フローチャートに沿って説明する。

運転が開始される。

運転が開始されると、四方弁２３は暖房運転位置に設定され、制御手段５に外気温度センサーＳ_２から外気温情報信号が入力される。

外気温度Ｔｏが５℃以上か否かを判断する（Ｓ１）。

外気温度Ｔｏが５℃以上の場合（Ｓ１のＹＥＳ）、室外熱交換器２７を蒸発器として作用させた運転を行う（Ｓ２）。

三方弁２６は冷媒が室外熱交換器２７を流れ、熱利用熱交換器３１に流れないように設定される。

このような状態で、圧縮機２１で圧縮された冷媒は、冷媒管２２、四方弁２３を介して、冷媒を凝縮させる凝縮器として作用する室内熱交換器２４に流入する。

室内熱交換器２４に流入した高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器２４で室内空気と熱交換して加熱し、室内を暖房する。

室内熱交換器２４で冷却され、液相になった冷媒は、膨張装置２５で減圧され、三方弁２６を介して室外熱交換器２７に流入する。

室外熱交換器２７に流入した減圧冷媒は、室外熱交換器２７で外気から吸熱して蒸発し、気相になる。気相になった冷媒は、四方弁２３を介して圧縮機２１に戻る。

Ｓ１において、外気温度Ｔｏが５℃以上でない場合（Ｓ１のＮＯ）、三方弁２６を切換えて熱利用熱交換器３１を蒸発器として作用させた運転を行う（Ｓ３）。

圧縮機２１で圧縮された冷媒は、冷媒管２２、四方弁２３を介して、冷媒を凝縮させる凝縮器として作用する室内熱交換器２４に流入する。

室内熱交換器２４で冷却され、液相になった冷媒は、膨張装置２５で減圧され、三方弁２６を介して熱利用熱交換器３１に流入する。

熱利用熱交換器３１に流入した減圧冷媒は、熱利用熱交換器３１で熱を奪って加熱され、気相になる。気相になった冷媒は、四方弁２３を介して圧縮機２１に戻る。

熱利用熱交換器３１における冷媒の加熱は、ポンプ４３により、流体回路４内を循環する流体により、冷凍サイクル２を流れる冷媒を加熱することで行われ、冷媒を加熱することで低温になった流体は、採熱用熱交換器４２で地中から吸熱して加熱される。

従って、外気温度低下時でも高効率なヒートポンプ運転が可能となる。

さらに、Ｓ２において、外気温度Ｔｏが５℃以上の場合（Ｓ１のＹＥＳ）の暖房運転の具体的制御について説明する。

図４に示す本空気調和システムの運転経過後の外気温低下時の蒸発器選択フローチャートに沿って説明する。

室外熱交換器２７を用いた暖房運転継続中、冷媒温度センサーＳ_１により膨張装置２５の下流側の冷媒温度報信号、外気温度センサーＳ_２により外気温情報信号が入力される。

外気温度Ｔｏが５℃以上か否かを判断する（Ｓ１１）。

外気温度Ｔｏが５℃以上の場合（Ｓ１１のＹＥＳ）、上記Ｓ２と同様に室外熱交換器２７を用いた運転を継続する（Ｓ１２）。

外気温度Ｔｏが５℃以上でない場合（Ｓ１１のＮＯ）、膨張装置２５の下流側の冷媒温度Ｔｒが、０℃より大きいか否かを判断する（Ｓ１３）。

冷媒温度Ｔｒが０℃より大きい場合（Ｓ１３のＹＥＳ）、Ｓ１２と同様すなわちＳ２と同様に室外熱交換器２７を用いた運転を継続する。

外気温度Ｔｏが５℃より小さい場合でも、冷媒温度Ｔｒが０℃より大きいなら、着霜はないので、室外熱交換器２７を選択し、熱利用熱交換器３１の利用時のポンプ４３の稼動時間を減少させ、システム性能を向上させることができる。

冷媒温度Ｔｒが０℃より大きくない場合（Ｓ１３のＮＯ）、Ｓ３と同様に熱利用熱交換器３１を用いた運転を継続する（Ｓ１４）。

図５に示す本空気調和システムの運転経過後の外気温上昇時の蒸発器選択フローチャートに沿って説明する。

熱利用熱交換器３１を用いた暖房運転継続中、冷媒温度Ｔｒが０℃より大きい場合（Ｓ２１のＹＥＳ）、Ｓ１２と同様すなわちＳ２と同様に室外熱交換器２７を用いた暖房運転を継続する（Ｓ２２）。

冷媒温度Ｔｒが０℃より大きくない場合（Ｓ２１のＮＯ）、Ｓ１４と同様すなわちＳ３と同様に熱利用熱交換器３１を用いた暖房運転を継続する（Ｓ２３）。

空気調和システム１を運転することで、外気温度Ｔｏが低下したときでも、高効率な暖房性能をもった運転が可能になる。また、冷房運転時、地中熱を利用することで高効率な冷房運転が可能となり、さらに、ヒートアイランド現象を緩和させることが可能になる。

本実施形態の空気調和システムによれば、地中熱を利用して、暖房機やヒートポンプ給湯機における外気温度低下時の性能悪化を防止し、高効率な空気調和システムが実現する。

１…空気調和システム、２…冷凍サイクル、３…地中熱利用回路、４…流体回路、５…制御手段、２１…圧縮機、２２…冷媒管、２３…四方弁、２４…室内熱交換器、２４ａ…室内ファン、２５…膨張装置、２６…三方弁、２７…室外熱交換器、２７ａ…室外ファン、３１…地中熱利用熱交換器、３２…冷媒管、４１…流体配管、４２…地中熱採熱用熱交換器、４３…ポンプ、Ｓ_１…冷媒温度センサー、Ｓ_２…外気温度センサー、Ｓ_３…出口冷媒温度センサー、Ｓ_４…流体温度センサー、ＡＥ…空気熱熱交換部、ＵＥ…地中熱熱交換部。

Claims

圧縮機に、内部に冷媒が導通する冷媒管を介して順次接続された、四方弁、室内熱交換器、膨張装置、空気熱交換器と、
この空気熱交換器に並列に設けられた地中熱利用熱交換器と、
冷媒の流れを前記空気熱交換器及び地中熱利用熱交換器のいずれかに切換える切換手段と、
地中に埋設された地中熱採熱熱交換器と前記地中熱利用熱交換器間に流体を循環させる流体回路と、
暖房運転時に前記膨張装置の下流側の冷媒温度を検知する冷媒温度検知手段とを備え、
暖房運転時に前記冷媒温度検知手段で検知した冷媒温度が所定温度より大きいときに前記空気熱交換器に冷媒を流し、冷媒温度が所定温度以下のときに前記地中熱利用熱交換器に冷媒を流すように前記切換手段を制御する制御手段を具備したことを特徴とする空気調和システム。
外気温度検知手段をさらに備え、前記制御手段は暖房運転時の起動時に前記外気温度検知手段で検出した外気温度が所定温度以上のときに前記空気熱交換器に冷媒を流し、外気温度が所定温度未満のときに前記地中熱利用熱交換器に冷媒を流すように切換手段を制御することを特徴とする請求項１記載の空気調和システム。