JP5492346B2 - 空調給湯システム - Google Patents

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Description

本発明は、空調と給湯を行う空調給湯システムに関する。
空調と給湯を行う空調給湯システムとして、例えば特許文献1に示す技術が開示されている。
特許文献1には、第一圧縮機、第一の四方弁、室外熱交換器、第一電磁膨張弁及び室内熱交換器を接続してメインサイクルとし、第二圧縮機、第二の四方弁、第三の四方弁、給湯用熱交換器、補助熱交換器、第二電磁膨張弁及び第三電磁膨張弁を接続してサブサイクルとし、これらメインサイクルとサブサイクルとをカスケードコンデンサにより熱交換可能に連結して冷媒回路を構成することを特徴とする空気調和装置(空調給湯システム)が開示されている。
特開2005−299935号公報
特許文献1に記載の空気調和装置(空調給湯システム)は、冷房給湯運転時には、カスケードコンデンサの一次側(メインサイクルの側)を凝縮器として、二次側(サブサイクルの側)を蒸発器として機能させることにより、メインサイクルの排熱をサブサイクルに利用することができる(特許文献1の図5および図8参照)。
しかしながら、特許文献1に記載の空気調和装置(空調給湯システム)は、メインサイクル(空調サイクル)の暖房運転時にカスケードコンデンサ(中間熱交換器)の一次側を凝縮器として機能させることができない。
このため、暖房給湯運転時には、特許文献1の図9に示すように、カスケードコンデンサ(中間熱交換器)に冷媒を通流させず、メインサイクル(空調サイクル)とサブサイクル(給湯サイクル)とを独立して機能させていた。
そこで、本発明は、空調給湯システム全体の効率を向上させることができる空調給湯システムを提供することを課題とする。
このような課題を解決するために、請求の範囲第1項に係る発明は、第一冷媒が循環する空調用冷媒回路および第二冷媒が循環する給湯用冷媒回路を備える空調給湯システムであって、前記空調用冷媒回路は、第一冷媒を圧縮する空調用圧縮機と、冷房運転と暖房運転とで第一冷媒の流れ方向を切り替える空調用運転切替手段と、冷房運転時に凝縮器として機能し、暖房運転時に蒸発器として機能する空調熱源側熱交換器と、第一冷媒を減圧する減圧装置と、冷房運転時に蒸発器として機能し、暖房運転時に凝縮器として機能する空調利用側熱交換器と、前記第一冷媒と前記第二冷媒との熱交換する中間熱交換器と、を備え、前記空調用圧縮機と前記空調熱源側熱交換器との間で分岐して、分岐方向に流入する第一冷媒の流量を調整する第一分岐部と、前記空調用圧縮機と前記空調利用側熱交換器との間で分岐して、分岐方向に流入する第一冷媒の流量を調整する第二分岐部と、が形成され、前記中間熱交換器は、一端が第一分岐部および第二分岐部と接続し、他端が前記空調熱源側熱交換器と前記空調利用側熱交換器との間の合流部で接続し、冷房運転時および暖房運転時に凝縮器として機能することを特徴とする。
本発明によれば、空調給湯システム全体の効率を向上させることができる空調給湯システムを提供することができる。
本実施形態に係る空調給湯システムの系統図である。 本実施形態に係る空調給湯システムの運転モードの決定処理の手順を示すフローチャートである。 本実施形態に係る空調給湯システムの運転モードの決定処理の手順を示すフローチャートである。 空調排熱量および給湯吸熱量の推定処理の手順を示すフローチャートである。 単独総消費電力および余剰熱運転消費電力の推定処理の手順を示すフローチャートである。 給湯運転モードにおけるヒートポンプユニットの冷媒および被加熱液体の流れを示す系統図である。 冷房運転モードにおけるヒートポンプユニットの冷媒および熱搬送媒体の流れを示す系統図である。 暖房運転モードにおけるヒートポンプユニットの冷媒および熱搬送媒体の流れを示す系統図である。 冷房給湯運転(排熱回収A)モードにおけるヒートポンプユニットの冷媒、熱搬送媒体および被加熱液体の流れを示す系統図である。 冷房給湯運転(排熱回収B)モードにおけるヒートポンプユニットの冷媒、熱搬送媒体および被加熱液体の流れを示す系統図である。 冷房給湯運転(排熱回収C)モードにおけるヒートポンプユニットの冷媒、熱搬送媒体および被加熱液体の流れを示す系統図である。 暖房給湯運転(独立)モードにおけるヒートポンプユニットの冷媒、熱搬送媒体および被加熱液体の流れを示す系統図である。 暖房給湯運転(空調余剰加熱)モードにおけるヒートポンプユニットの冷媒、熱搬送媒体および被加熱液体の流れを示す系統図である。 東京における最寒日の前後日における暖房負荷の変動を示すグラフである。
以下、本発明を実施するための形態(以下「実施形態」という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
≪空調給湯システム≫
図1は、本実施形態に係る空調給湯システムSの系統図である。
空調給湯システムSは、室外(被空調空間外)に設置されるヒートポンプユニット1と、室内(被空調空間)に設置される室内ユニット2と、給湯タンクユニット3と、制御装置4と、を備えている。
空調給湯システムSは、室内ユニット2が配置された室内を冷房する「冷房運転」と、室内ユニット2が配置された室内を暖房する「暖房運転」と、被加熱液体を加熱して給湯タンクユニット3(後述するタンク62)に高温の被加熱液体を貯留する「給湯運転」と、冷房運転および給湯運転を行う「冷房給湯運転」と、暖房運転および給湯運転を行う「暖房給湯運転」と、を行う機能を有している。
空調給湯システムSは、第一冷媒が循環する空調用冷媒回路10と、第二冷媒が循環する給湯用冷媒回路40と、熱搬送媒体が循環する空調用熱搬送媒体循環回路50と、被加熱液体が通流する給湯回路60と、を備えている。
<空調用冷媒回路>
ヒートポンプユニット1に設けられた空調用冷媒回路10は、第一冷媒を圧縮して高圧の冷媒とする空調用圧縮機11と、冷房運転と暖房運転とで第一冷媒の流れ方向を切り替える空調用四方弁12と、空調用ファン13aにより送られてくる空気(室外空気)との熱交換を行う空調熱源側熱交換器13と、第一冷媒を減圧する第一の減圧装置としての空調用主膨張弁14と、熱搬送媒体との熱交換を行う空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bと、を環状に配管で接続して構成されている。
なお、第一冷媒として、HFC、HFO-1234yf、HFO-1234ze、自然冷媒(例えば、CO冷媒)などを用いることができる。
また、空調用冷媒回路10は、空調熱源側熱交換器13と空調用主膨張弁14とを接続する回路上に、第一冷媒を減圧する第二の減圧装置としての空調用補助膨張弁16が接続されている。
また、空調用冷媒回路10は、第二冷媒との熱交換を行う中間熱交換器21の一次側伝熱管21aが、空調熱源側熱交換器13と並列に接続されている。中間熱交換器21の一次側伝熱管21aの一端は、空調用四方弁12と空調熱源側熱交換器13とを接続する回路上に接続された第一空調制御三方弁22と接続している。中間熱交換器21の一次側伝熱管21aの他端は、第一空調制御弁23を介して、空調用補助膨張弁16と空調用主膨張弁14とを接続する回路上に接続している。なお、以下の説明において、空調用補助膨張弁16から延びた配管と、空調用主膨張弁14から延びた配管と、中間熱交換器21の一次側伝熱管21aの他端から延びた配管と、が接続する部分を、合流部24とも称する。
第一空調制御三方弁22は、通流する第一冷媒の流量比率を調整可能に構成された三方弁である。第一空調制御弁23は、開閉が制御可能に構成された開閉弁である。
また、空調用冷媒回路10は、第一冷媒が通流可能なバイパス回路31が接続されている。バイパス回路31の一端は、空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bと空調用四方弁12とを接続する回路上に接続された第二空調制御三方弁32と接続している。バイパス回路31の他端は、第二空調制御弁33を介して、第一空調制御三方弁22と中間熱交換器21の一次側伝熱管21aとを接続する回路上に接続している。
第二空調制御三方弁32は、通流する第一冷媒の流量比率を調整可能に構成された三方弁である。第二空調制御弁33は、開閉が制御可能に構成された開閉弁である。
<給湯用冷媒回路>
ヒートポンプユニット1に設けられた給湯用冷媒回路40は、第二冷媒を圧縮して高圧の冷媒とする給湯用圧縮機41と、被加熱液体との熱交換を行う給湯利用側熱交換器42の一次側伝熱管42aと、第二冷媒を減圧する減圧装置としての給湯用主膨張弁43と、給湯用ファン44aにより送られてくる空気(室外空気)との熱交換を行う給湯熱源側熱交換器44と、を環状に配管で接続して構成されている。
なお、第二冷媒として、HFC、HFO-1234yf、HFO-1234ze、自然冷媒(例えば、CO冷媒)などを用いることができる。
また、給湯用冷媒回路40は、第一冷媒との熱交換を行う中間熱交換器21の二次側伝熱管21bが、給湯熱源側熱交換器44と並列に接続されている。中間熱交換器21の二次側伝熱管21bの一端は、給湯用主膨張弁43と給湯熱源側熱交換器44とを接続する回路上に接続された第一給湯制御三方弁45と接続している。中間熱交換器21の二次側伝熱管21bの他端は、給湯熱源側熱交換器44と給湯用圧縮機41とを接続する回路上に接続された第二給湯制御三方弁46と接続している。
第一給湯制御三方弁45および第二給湯制御三方弁46は、通流する第二冷媒の流量比率を調整可能に構成された三方弁である。
<空調用熱搬送媒体循環回路>
ヒートポンプユニット1から室内ユニット2に亘って設けられた空調用熱搬送媒体循環回路50は、熱搬送媒体を送液する第一ポンプ51と、冷房運転と暖房運転とで熱搬送媒体の流れ方向を切り替える熱搬送媒体四方弁52と、第一冷媒との熱交換を行う空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aと、室内ファン53aにより送られてくる空気(室内空気)との熱交換を行う室内熱交換器53と、を環状に配管で接続して構成されている。
なお、熱搬送媒体として、水や、エチレングリコールなどのブライン(不凍液)などを用いることができる。
<給湯回路>
ヒートポンプユニット1から給湯タンクユニット3に亘って設けられた給湯回路60は、被加熱液体を送液する第二ポンプ61と、第二冷媒との熱交換を行う給湯利用側熱交換器42の二次側伝熱管42bと、給湯タンクユニット3に配置され被加熱液体を貯留するタンク62と、を環状に配管で接続して構成されている。
なお、以下の説明において、被加熱液体は水を用いるものとして説明する。
なお、給湯タンクユニット3は、タンク62の下部と接続し、外部の給水源(例えば、上水道)に接続される給水金具63と、タンク62の上部と接続し、外部の給水端末(図示せず)に接続される給湯金具64と、を備えている。
使用者が給水端末(図示せず)を開操作することにより、給水源から給水金具63を介してタンク62の下部に被加熱液体(水)が流入する。そして、タンク62の上部に貯留された高温の被加熱液体(湯)が給湯金具64を介して給水端末(図示せず)に供給されるようになっている。
<制御装置>
また、空調給湯システムSは、制御装置4を備えている。
制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを決定し、決定した運転モードに従って各種弁(第一空調制御弁23、第二空調制御弁33、第一空調制御三方弁22、第二空調制御三方弁32、第一給湯制御三方弁45、第二給湯制御三方弁46、空調用四方弁12、熱搬送媒体四方弁52、空調用主膨張弁14、空調用補助膨張弁16、給湯用主膨張弁43)の状態(開度)、ポンプ(第一ポンプ51、第二ポンプ61)の回転速度、圧縮機(空調用圧縮機11、給湯用圧縮機41)の回転速度、各熱交換器のファン(空調用ファン13a、給湯用ファン44a、室内ファン53a)の回転速度、を制御して、空調給湯システムSの各種運転を制御する機能を有している。
(運転モードの決定処理)
制御装置4が実行する空調給湯システムSの運転モードについて説明する。図2および図3は、本実施形態に係る空調給湯システムSの運転モードの決定処理の手順を示すフローチャートである。
まず、図2を参照しつつ説明する。
ステップS101において、制御装置4は、空調サイクル運転要求が有るか否かを判定する。ここで、空調サイクル運転要求とは、室内ユニット2が設置された室内(被空調空間)を空調(冷房/暖房)する運転要求である。空調サイクル運転要求は、例えば、室内に設置されたリモコン(図示せず)を使用者が操作することにより制御装置4に入力されてもよく、室内の温度を検出する室内温度検出器(図示せず)の検出温度(室内温度)と室内設定温度とに基づいて決定されてもよい。
空調サイクル運転要求が有る場合(S101・Yes)、制御装置4の処理はステップS105に進む。空調サイクル運転要求がない場合(S101・No)、制御装置4の処理はステップS102に進む。
ステップS102において、制御装置4は、給湯サイクル運転要求が有るか否かを判定する。ここで、給湯サイクル運転要求とは、空調給湯システムSの給湯運転を実行する要求である。給湯サイクル運転要求は、例えば、室内に設置されたリモコン(図示せず)を使用者が操作することにより制御装置4に入力されてもよく、給湯タンクユニット3のタンク62に貯留された高温の被加熱液体の量が所定量以下となった場合に「給湯サイクル運転要求」としてもよく、所定の時間帯となった場合に「給湯サイクル運転要求」としてもよい。
給湯サイクル運転要求が有る場合(S102・Yes)、制御装置4の処理はステップS104に進む。給湯サイクル運転要求がない場合(S102・No)、制御装置4の処理はステップS103に進む。
ステップS103において、制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを「待機モード」に決定する。なお、待機モードとは、空調給湯システムSの空調運転(冷房運転/暖房運転)および給湯運転を停止して、運転指令の入力を待つモードである。
ステップS104において、制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを「給湯運転モード」に決定する。なお、給湯運転モードとは、空調給湯システムSの給湯運転を実行するモードである。この運転モードにおける空調給湯システムS(ヒートポンプユニット1)の動作は、図6を用いて後述する。
ステップS105において、制御装置4は、給湯サイクル運転要求が有るか否かを判定する。なお、ステップS105における給湯サイクル運転要求は、ステップS102における給湯サイクル運転要求と同様であり説明を省略する。
給湯サイクル運転要求が有る場合(S105・Yes)、制御装置4の処理はステップS109に進む。給湯サイクル運転要求がない場合(S105・No)、制御装置4の処理はステップS106に進む。
ステップS106において、制御装置4は、給湯サイクル運転要求が「冷房運転」であるか否かを判定する。
給湯サイクル運転要求が「冷房運転」である場合(S106・Yes)、制御装置4の処理はステップS107に進む。給湯サイクル運転要求が「冷房運転」でない場合(S106・No)、制御装置4の処理はステップS108に進む。
ステップS107において、制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを「冷房運転モード」に決定する。なお、冷房運転モードとは、空調給湯システムSの冷房運転を実行するモードである。この運転モードにおける空調給湯システムS(ヒートポンプユニット1)の動作は、図7を用いて後述する。
ステップS108において、制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを「暖房運転モード」に決定する。なお、暖房運転モードとは、空調給湯システムSの暖房運転を実行するモードである。この運転モードにおける空調給湯システムS(ヒートポンプユニット1)の動作は、図8を用いて後述する。
ステップS109において、制御装置4は、給湯サイクル運転要求が「冷房運転」であるか否かを判定する。
給湯サイクル運転要求が「冷房運転」である場合(S109・Yes)、制御装置4の処理はステップS110に進む。給湯サイクル運転要求が「冷房運転」でない場合(S109・No)、制御装置4の処理は図3のステップS201に進む。
ステップS110において、制御装置4は、空調排熱量Qac_exおよび給湯吸熱量Qec_exを推定する。ここで、空調排熱量Qac_exとは、空調用冷媒回路10および給湯用冷媒回路40を独立して運転した際の冷房運転に要する熱源への排熱量である。また、給湯吸熱量Qec_exとは、空調用冷媒回路10および給湯用冷媒回路40を独立して運転した際の給湯運転に要する熱源からの給熱量である。
なお、空調排熱量Qac_exおよび給湯吸熱量Qec_exの推定処理は、図4を用いて後述する。
ステップS111において、制御装置4は、空調排熱量Qac_exが給湯吸熱量Qec_exより大きいか否かを判定する。
空調排熱量Qac_exが給湯吸熱量Qec_exより大きい場合(S111・Yes)、制御装置4の処理はステップS112に進む。空調排熱量Qac_exが給湯吸熱量Qec_exより大きくない場合(S111・No)、制御装置4の処理はステップS113に進む。
ステップS112において、制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを「冷房給湯運転(排熱回収A)モード」に決定する。なお、冷房給湯運転(排熱回収A)モードは、空調給湯システムSの冷房運転および給湯運転を実行するモードの一種であり、空調用冷媒回路10の排熱を給湯用冷媒回路40で回収して運転する。この運転モードにおける空調給湯システムS(ヒートポンプユニット1)の動作は、図9を用いて後述する。
ステップS113において、制御装置4は、空調排熱量Qac_exが給湯吸熱量Qec_exと等しいか否かを判定する。
空調排熱量Qac_exが給湯吸熱量Qec_exと等しい場合(S113・Yes)、制御装置4の処理はステップS114に進む。空調排熱量Qac_exが給湯吸熱量Qec_exと等しくない場合(S113・No)、制御装置4の処理はステップS115に進む。
ステップS114において、制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを「冷房給湯運転(排熱回収B)モード」に決定する。なお、冷房給湯運転(排熱回収B)モードは、空調給湯システムSの冷房運転および給湯運転を実行するモードの一種であり、空調用冷媒回路10の排熱を給湯用冷媒回路40で回収して運転する。この運転モードにおける空調給湯システムS(ヒートポンプユニット1)の動作は、図10を用いて後述する。
ステップS115において、制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを「冷房給湯運転(排熱回収C)モード」に決定する。なお、冷房給湯運転(排熱回収C)モードは、空調給湯システムSの冷房運転および給湯運転を実行するモードの一種であり、空調用冷媒回路10の排熱を給湯用冷媒回路40で回収して運転する。この運転モードにおける空調給湯システムS(ヒートポンプユニット1)の動作は、図11を用いて後述する。
次に、ステップS109において、空調サイクル運転要求が「冷房運転」でない場合(S109・No)について、図3を用いて説明する。即ち、給湯サイクル運転要求が有り(S105・Yes参照)、空調サイクル運転要求が「暖房運転」である場合について説明する。
ステップS201において、制御装置4は、単独総消費電力Wsys1および余剰熱運転消費電力Wsys2を推定する。ここで、単独総消費電力Wsys1とは、空調給湯システムSを暖房給湯運転(独立)モード(後述する図12参照)で運転した場合の推定消費電力である。また、余剰熱運転消費電力Wsys2とは、空調給湯システムSを暖房給湯運転(空調余剰加熱)モード(後述する図13参照)で運転した場合の推定消費電力である。
なお、単独総消費電力Wsys1および余剰熱運転消費電力Wsys2の推定処理は、図5を用いて後述する。
ステップS202において、制御装置4は、単独総消費電力Wsys1が余剰熱運転消費電力Wsys2以下か否かを判定する。
単独総消費電力Wsys1が余剰熱運転消費電力Wsys2以下の場合(S202・Yes)、制御装置4の処理はステップS203に進む。単独総消費電力Wsys1が余剰熱運転消費電力Wsys2以下でない場合(S202・No)、制御装置4の処理はステップS204に進む。
ステップS203において、制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを「暖房給湯運転(独立)モード」に決定する。なお、暖房給湯運転(独立)モードとは、空調給湯システムSの暖房運転および給湯運転を実行するモードの一種であり、給湯用冷媒回路40と空調用冷媒回路10を独立して運転し、中間熱交換器21を使用しない。この運転モードにおける空調給湯システムS(ヒートポンプユニット1)の動作は、図12を用いて後述する。
ステップS204において、制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを「暖房給湯運転(空調余剰加熱)モード」に決定する。なお、暖房給湯運転(空調余剰加熱)モードとは、空調給湯システムSの暖房運転を実行し、空調用冷媒回路10の余剰熱を給湯用冷媒回路40で回収して給湯運転するモードである。この運転モードにおける空調給湯システムS(ヒートポンプユニット1)の動作は、図13を用いて後述する。
(空調排熱量Qac_exおよび給湯吸熱量Qec_exの推定処理)
図4は、図2のステップS110における空調排熱量Qac_exおよび給湯吸熱量Qec_exの推定処理の手順を示すフローチャートである。
ステップS301において、制御装置4は、空調負荷Qacを推定する。なお、空調負荷Qacは、室外温度Tao、室内温度Tai、室内設定温度Tac_set、室内風量Vac_setに基づいて推定される。
室外温度Taoは、例えば、ヒートポンプユニット1の空調用ファン13aまたは給湯用ファン44aの外気取入口に設けられた温度センサ(図示せず)で検出される。室内温度Taiは、例えば、室内ユニット2の室内ファン53aの室内空気取入口に設けられた温度センサ(図示せず)で検出される。室内風量Vac_setは、例えば、室内ファン53aの回転速度を検出することにより風量(空気の流量)を算出する。もしくは、室内に設置されたリモコン(図示せず)で使用者が設定した設定風量から算出する。室内設定温度Tac_setは、例えば、室内に設置されたリモコン(図示せず)を使用者が操作することにより制御装置4に入力される。
ステップS302において、制御装置4は、空調消費電力Wacを推定する。なお、空調消費電力Wacは、ステップS301で推定した空調負荷Qac、室外温度Tao、室内設定温度Tac_setに基づいて推定される。
ステップS303において、制御装置4は、空調排熱量Qac_exを推定する。お、空調排熱量Qac_exは、ステップS301で推定した空調負荷Qac、ステップS302で推定した空調消費電力Wacに基づいて推定される。
ステップS304において、制御装置4は、給湯負荷Qecを推定する。なお、給湯負荷Qecは、室外温度Tao、給水温度Twi、給湯温度Two、給水流量Vwに基づいて推定される。
給水温度Twiは、例えば、ヒートポンプユニット1の給湯利用側熱交換器42の二次側伝熱管42bの入口側に設けられた温度センサ(図示せず)で検出される。給湯温度Two、は、ヒートポンプユニット1で沸き上げる湯(被加熱液体)の設定温度であり、例えば、室内に設置されたリモコン(図示せず)を使用者が操作することにより制御装置4に入力される。給水流量Vwは、例えば、ヒートポンプユニット1の第二ポンプ61の回転速度を検出することにより算出する。
ステップS305において、制御装置4は、給湯消費電力Wecを推定する。なお、給湯消費電力Wecは、ステップS304で推定した給湯負荷Qec、室外温度Tao、給湯温度Twoに基づいて推定される。
ステップS306において、制御装置4は、給湯吸熱量Qec_exを推定する。なお、給湯吸熱量Qec_exは、ステップS304で推定した給湯負荷Qec、ステップS305で推定した給湯消費電力Wecに基づいて推定される。
このように、制御装置4は、空調排熱量Qac_exを推定し(S303参照)、給湯吸熱量Qec_exを推定して(S306参照)、制御装置4の処理は図2のステップS110を終了し、ステップS111に進む。
(単独総消費電力Wsys1および余剰熱運転消費電力Wsys2の推定処理)
図5は、図3のステップS201における単独総消費電力Wsys1および余剰熱運転消費電力Wsys2の推定処理の手順を示すフローチャートである。
ステップS401において、制御装置4は、空調負荷Qacを推定する。なお、空調負荷Qacは、室外温度Tao、室内温度Tai、室内設定温度Tac_set、室内風量Vac_setに基づいて推定される。
ステップS402において、制御装置4は、空調用圧縮機目標回転速度Ncp_acを推定する。なお、空調用圧縮機目標回転速度Ncp_acは、ステップS401で推定した空調負荷Qac、室外温度Tao、室内設定温度Tac_set、室内風量Vac_setに基づいて推定される。
ステップS403において、制御装置4は、ステップS402で推定した空調用圧縮機目標回転速度Ncp_acが空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acmin以上であるか否かを判定する。
ここで、空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acminとは、空調用冷媒回路10の空調用圧縮機11が運転制御可能な回転速度の下限である。
空調用圧縮機目標回転速度Ncp_acが空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acmin以上である場合(S403・Yes)、制御装置4の処理はステップS404に進む。空調用圧縮機目標回転速度Ncp_acが空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acmin以上でない場合(S403・No)、制御装置4の処理はステップS409に進む。
ステップS404において、制御装置4は、空調消費電力Wacを推定する。なお、空調消費電力Wacは、ステップS401で推定した空調負荷Qac、室外温度Tao、室内設定温度Tac_setに基づいて推定される。
ステップS405において、制御装置4は、給湯負荷Qecを推定する。なお、給湯負荷Qecは、室外温度Tao、給水温度Twi、給湯温度Two、給水流量Vwに基づいて推定される。
ステップS406において、制御装置4は、給湯消費電力Wecを推定する。なお、給湯消費電力Wecは、ステップS405で推定した給湯負荷Qec、室外温度Tao、給湯温度Twoに基づいて推定される。
ステップS407において、制御装置4は、単独総消費電力Wsys1を推定する。なお、単独総消費電力Wsys1は、ステップS404で推定した空調消費電力WacとステップS406で推定した給湯消費電力Wecとを加算して(即ち、Wsys1=Wac+Wec)推定する。
ステップS408において、制御装置4は、余剰熱運転消費電力Wsys2を推定する。なお、本実施形態では、(Wsys2=Wsys1)として推定する。
このように、制御装置4は、単独総消費電力Wsys1を推定し(S407参照)、余剰熱運転消費電力Wsys2を推定して(S408参照)、制御装置4の処理は図3のステップS201を終了し、ステップS202に進む。
次に、ステップS403において、空調用圧縮機回転速度Ncp_acが空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acmin以上でない場合(S403・No)について、説明する。
空調用圧縮機11は、空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acmin未満の回転速度で運転することができないため、空調負荷Qacから推定された空調用圧縮機目標回転速度Ncp_acが、空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acmin未満となった場合、圧縮機回転数はNcp_acminで回転する事になる。このため、実際に出力される空調能力は、Ncp_acmin/Ncp_ac分だけ空調負荷Qacよりも大きくなるため、制御装置4は空調用圧縮機11の運転と停止を繰り返す断続運転となる。このため、空調給湯システムSの効率が悪化する。
ステップS409において、制御装置4は、断続運転時の空調消費電力悪化率εを推定する。そして、断続運転を考慮した空調消費電力Wac1を推定する。なお、空調消費電力悪化率εは、空調用圧縮機目標回転速度Ncp_ac、空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acminに基づいて推定される。また、断続運転を考慮した空調消費電力Wac1は、ステップS401で推定した空調負荷Qac、室外温度Tao、室内設定温度Tac_set、空調消費電力悪化率εに基づいて推定される。
ステップS410において、制御装置4は、給湯負荷Qecを推定する。なお、給湯負荷Qecは、室外温度Tao、給水温度Twi、給湯温度Two、給水流量Vwに基づいて推定される。
ステップS411において、制御装置4は、給湯消費電力Wecを推定する。なお、給湯消費電力Wecは、ステップS304で推定した給湯負荷Qec、室外温度Tao、給湯温度Twoに基づいて推定される。
ステップS412において、制御装置4は、単独総消費電力Wsys1を推定する。なお、単独総消費電力Wsys1は、ステップS409で推定した断続運転を考慮した空調消費電力Wac1とステップS411で推定した給湯消費電力Wecとを加算して(即ち、Wsys=Wac1+Wec)推定する。
ステップS413において、制御装置4は、空調擬似負荷Qac_ecを推定する。なお、空調擬似負荷Qac_ecは、室外温度Tao、給水温度Twi、給湯温度Two、給水流量Vwに基づいて推定される。
ここで、空調給湯システムSを暖房給湯運転(空調余剰加熱)モード(後述する図13参照)で運転制御する場合において、空調用冷媒回路10の空調利用側熱交換器15を凝縮器として機能させるとともに、空調用冷媒回路10の中間熱交換器21も凝縮器として機能させる。
このため、給湯用冷媒回路40の中間熱交換器21における給湯吸熱量を、空調用冷媒回路10の中間熱交換器21における空調擬似負荷Qac_ecとして、空調擬似負荷Qac_ecを推定する。
ステップS414において、制御装置4は、空調擬似負荷Qac_ecを考慮した空調負荷Qac2を推定する。なお、擬似負荷を考慮した空調負荷Qac2は、ステップS401で推定した空調負荷QacとステップS413で推定した空調擬似負荷Qac_ecとを加算して(即ち、Qac2=Qac+Qac_ec)推定する。
ステップS415において、制御装置4は、擬似負荷を考慮した空調消費電力Wac2を推定する。なお、空調消費電力Wac2は、ステップS414で推定した擬似負荷を考慮した空調負荷Qac2、室外温度Tao、室内設定温度Tac_setに基づいて推定される。
ステップS416において、制御装置4は、擬似負荷を考慮した給湯消費電力Wec2を推定する。なお、給湯消費電力Wec2は、ステップS414で推定した擬似負荷を考慮した空調負荷Qac2、ステップS410で推定した給湯負荷Qec、室外温度Tao、給湯温度Two、室内設定温度Tac_setに基づいて推定される。
ステップS417において、制御装置4は、余剰熱運転消費電力Wsys2を推定する。なお、余剰熱運転消費電力Wsys2は、ステップS415で推定した擬似負荷を考慮した空調システム消費電力Wac2とステップS416で推定した擬似負荷を考慮した給湯システム消費電力Wec2とを加算して(即ち、Wsys2=Wac2+Wec2)推定する。
このように、制御装置4は、単独総消費電力Wsys1を推定し(S407,S412参照)、余剰熱運転消費電力Wsys2を推定して(S408,S417参照)、制御装置4の処理は図3のステップS201を終了し、ステップS202に進む。
(各運転モードの制御処理)
制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを決定し(図2,図3参照)、決定した運転モードに従って空調給湯システムSを制御して各種運転を行う。制御装置4が実行する空調給湯システムSの各運転モードについて、図6から図13を用いて説明する。
なお、以下に説明する図6から図13において、第一冷媒、第二冷媒、熱搬送媒体、被加熱液体が通流している配管を太線で示し、流れ方向を矢印で示すものとする。また、各制御弁(第一空調制御弁23、第二空調制御弁33、第一空調制御三方弁22、第二空調制御三方弁32、第一給湯制御三方弁45、第二給湯制御三方弁46、空調用補助膨張弁16)について、通流を閉止している側を黒塗りで図示するものとする。
(運転モード0.待機モード:ステップS103)
このモードにおいて、空調用冷媒回路10、給湯用冷媒回路40、空調用熱搬送媒体循環回路50および給湯回路60は停止している。制御装置4は、運転指令の入力を待つ。運転指令が入力された場合には、空調給湯システムSの運転モードを決定する(図2,図3参照)。
(運転モード1.給湯運転モード:ステップS104)
図6は、給湯運転モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒および被加熱液体の流れを示す系統図である。
このモードにおいて、空調用冷媒回路10および空調用熱搬送媒体循環回路50は停止している。また、中間熱交換器21への冷媒の通流は、空調用冷媒回路10・給湯用冷媒回路40とも閉止している。
給湯用冷媒回路40について説明する。制御装置4は、給湯用主膨張弁43と給湯熱源側熱交換器44との間を第二冷媒が通流可能なように、中間熱交換器21と接続する側が閉塞するように第一給湯制御三方弁45を制御する。また、制御装置4は、給湯熱源側熱交換器44と給湯用圧縮機41との間を第二冷媒が通流可能なように、中間熱交換器21と接続する側が閉塞するように第二給湯制御三方弁46を制御する。また、制御装置4は、給湯用主膨張弁43の開度(絞り)を制御する。また、制御装置4は、給湯用圧縮機41および給湯用ファン44aの回転速度を制御する。
給湯用圧縮機41から吐出された高温高圧の第二冷媒は、凝縮器として機能する給湯利用側熱交換器42の一次側伝熱管42aに流入する。給湯利用側熱交換器42の一次側伝熱管42aを通流する第二冷媒は、給湯利用側熱交換器42の二次側伝熱管42bを通流する被加熱液体と熱交換することにより放熱して、中温高圧の第二冷媒となる。給湯利用側熱交換器42の一次側伝熱管42aから流出した中温高圧の第二冷媒は、給湯用主膨張弁43で減圧され、低温低圧の第二冷媒となる。
そして、低温低圧の第二冷媒は、蒸発器として機能する給湯熱源側熱交換器44に流入する。給湯熱源側熱交換器44を通流する第二冷媒は、給湯用ファン44aにより送られてくる空気(室外空気)と熱交換することにより空気(室外空気)から熱を汲み上げる(吸熱する)。そして、吸熱した第二冷媒は、給湯熱源側熱交換器44から給湯用圧縮機41へと送られ、給湯用冷媒回路40を循環する。
次に、給湯回路60について説明する。制御装置4は、第二ポンプ61の回転速度を制御する。
第二ポンプ61を駆動させることにより、タンク62の下部から流出した被加熱液体は給湯利用側熱交換器42の二次側伝熱管42bに流入する。給湯利用側熱交換器42の二次側伝熱管42bを通流する被加熱液体は、給湯利用側熱交換器42の一次側伝熱管42aを通流する第二冷媒と熱交換することにより吸熱して高温の被加熱液体となる。そして、高温の被加熱液体は、給湯利用側熱交換器42の二次側伝熱管42bからタンク62の上部に戻され、高温の被加熱液体が貯留される。
(運転モード2.冷房運転モード:ステップS107)
図7は、冷房運転モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒および熱搬送媒体の流れを示す系統図である。
このモードにおいて、給湯用冷媒回路40および給湯回路60は停止している。また、中間熱交換器21への冷媒の通流は、空調用冷媒回路10・給湯用冷媒回路40とも閉止している。
空調用冷媒回路10について説明する。制御装置4は、空調用四方弁12を冷房運転の位置となるように制御する。また、制御装置4は、空調用圧縮機11と空調熱源側熱交換器13との間を第一冷媒が通流可能なように、中間熱交換器21と接続する側が閉塞するように第一空調制御三方弁22を制御する。また、制御装置4は、空調利用側熱交換器15と空調用圧縮機11との間を第一冷媒が通流可能なように、バイパス回路31と接続する側が閉塞するように第二空調制御三方弁32を制御する。また、制御装置4は、第一空調制御弁23および第二空調制御弁33を閉弁するように制御し、空調用補助膨張弁16の開度を全開となるように制御する。また、制御装置4は、空調用主膨張弁14の開度(絞り)を制御する。また、制御装置4は、空調用圧縮機11および空調用ファン13aの回転速度を制御する。
空調用圧縮機11から吐出された高温高圧の第一冷媒は、凝縮器として機能する空調熱源側熱交換器13に流入する。空調熱源側熱交換器13を通流する第一冷媒は、空調用ファン13aにより送られてくる空気(室外空気)と熱交換することにより放熱(排熱)して、中温高圧の第一冷媒となる。空調熱源側熱交換器13から流出した中温高圧の第一冷媒は、空調用主膨張弁14で減圧され、低温低圧の第一冷媒となる。
そして、低温低圧の第一冷媒は、蒸発器として機能する空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bに流入する。空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bを通流する第一冷媒は、空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aを通流する熱搬送媒体と熱交換することにより熱搬送媒体から熱を汲み上げる(吸熱する)。そして、吸熱した第一冷媒は、空調利用側熱交換器15から空調用圧縮機11へと送られ、空調用冷媒回路10を循環する。
次に、空調用熱搬送媒体循環回路50について説明する。制御装置4は、第一ポンプ51および室内ファン53aの回転速度を制御する。また、制御装置4は、空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aを通流する熱搬送媒体と空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bを通流する第一冷媒とが対向流となるように熱搬送媒体四方弁52を制御する。
第一ポンプ51を駆動させることにより、熱搬送媒体は空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aに流入する。空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aを通流する熱搬送媒体は、空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bを通流する第一冷媒と熱交換することにより放熱して、冷温の熱搬送媒体となる。
そして、低温の熱搬送媒体は、室内ユニット2の室内熱交換器53に流入する。室内熱交換器53を通流する熱搬送媒体は、室内ファン53aにより送られてくる空気(室内空気)と熱交換することにより吸熱する。そして、吸熱した熱搬送媒体は、室内熱交換器53から第一ポンプ51へと送られ、空調用熱搬送媒体循環回路50を循環する。
このように、室内ユニット2の室内熱交換器53で熱搬送媒体が吸熱することにより、空気(室内空気)が冷却され、室内(被空調空間)が冷房される。
(運転モード3.暖房運転モード:ステップS108)
図8は、暖房運転モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒および熱搬送媒体の流れを示す系統図である。
このモードにおいて、給湯用冷媒回路40および給湯回路60は停止している。また、中間熱交換器21への冷媒の通流は、空調用冷媒回路10・給湯用冷媒回路40とも閉止している。
空調用冷媒回路10について説明する。制御装置4は、空調用四方弁12を暖房運転の位置となるように制御する。また、制御装置4は、空調用圧縮機11と空調熱源側熱交換器13との間を第一冷媒が通流可能なように、中間熱交換器21と接続する側が閉塞するように第一空調制御三方弁22を制御する。また、制御装置4は、空調利用側熱交換器15と空調用圧縮機11との間を第一冷媒が通流可能なように、バイパス回路31と接続する側が閉塞するように第二空調制御三方弁32を制御する。また、制御装置4は、第一空調制御弁23および第二空調制御弁33を閉弁するように制御し、空調用主膨張弁14の開度を全開となるように制御する。また、制御装置4は、空調用補助膨張弁16の開度(絞り)を制御する。また、制御装置4は、空調用圧縮機11および空調用ファン13aの回転速度を制御する。
空調用圧縮機11から吐出された高温高圧の第一冷媒は、凝縮器として機能する空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bに流入する。空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bを通流する第一冷媒は、空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aを通流する熱搬送媒体と熱交換することにより放熱して、中温高圧の第一冷媒となる。空調利用側熱交換器15から流出した中温高圧の第一冷媒は、空調用補助膨張弁16で減圧され、低温低圧の第一冷媒となる。
そして、低温低圧の第一冷媒は、蒸発器として機能する空調熱源側熱交換器13に流入する。空調熱源側熱交換器13を通流する第一冷媒は、空調用ファン13aにより送られてくる空気(室外空気)と熱交換することにより空気(室外空気)から熱を汲み上げる(吸熱する)。そして、吸熱した第一冷媒は、空調熱源側熱交換器13から空調用圧縮機11へと送られ、空調用冷媒回路10を循環する。
次に、空調用熱搬送媒体循環回路50について説明する。制御装置4は、第一ポンプ51および室内ファン53aの回転速度を制御する。また、制御装置4は、空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aを通流する熱搬送媒体と空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bを通流する第一冷媒とが対向流となるように熱搬送媒体四方弁52を制御する。
第一ポンプ51を駆動させることにより、熱搬送媒体は空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aに流入する。空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aを通流する熱搬送媒体は、空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bを通流する第一冷媒と熱交換することにより吸熱して、高温の熱搬送媒体となる。
そして、高温の熱搬送媒体は、室内ユニット2の室内熱交換器53に流入する。室内熱交換器53を通流する熱搬送媒体は、室内ファン53aにより送られてくる空気(室内空気)と熱交換することにより放熱する。そして、放熱した熱搬送媒体は、室内熱交換器53から第一ポンプ51へと送られ、空調用熱搬送媒体循環回路50を循環する。
このように、室内ユニット2の室内熱交換器53で熱搬送媒体が放熱することにより、空気(室内空気)が加熱され、室内(被空調空間)が暖房される。
(運転モード4−1.冷房給湯運転(排熱回収A)モード:ステップS112)
図9は、冷房給湯運転(排熱回収A)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒、熱搬送媒体および被加熱液体の流れを示す系統図である。
ここで、排熱回収Aは「空調排熱>給湯吸熱」の場合であり、中間熱交換器21を介して空調用冷媒回路10の排熱を給湯用冷媒回路40で回収し、余分な空調排熱を室外空気に排熱している。
給湯回路60の動作は、図6に示す給湯運転モードと同様であり説明を省略する。
空調用熱搬送媒体循環回路50の動作は、図7に示す冷房運転モードと同様であり説明を省略する。
空調用冷媒回路10について説明する。冷房運転モード(図7参照)における空調用冷媒回路10と、冷房給湯運転(排熱回収A)モード(図9参照)における空調用冷媒回路10との差異点は、冷房運転モード(図7参照)では第一冷媒が空調熱源側熱交換器13を通流するのに対し、冷房給湯運転(排熱回収A)モード(図9参照)では第一冷媒が中間熱交換器21の一次側伝熱管21aおよび空調熱源側熱交換器13を通流する点で異なる。
即ち、制御装置4は、空調用圧縮機11と中間熱交換器21との間を第一冷媒が通流可能なように、空調用圧縮機11と空調熱源側熱交換器13との間を第一冷媒が通流可能なように開弁し、空調用圧縮機11から中間熱交換器21または空調熱源側熱交換器13への開度(通流する第一冷媒の流量比率)を制御する。また、制御装置4は、第一空調制御弁23を開弁するように制御する。その他の制御は冷房運転モード(図7参照)における空調用冷媒回路10と同様であり説明を省略する。
空調用圧縮機11から吐出された高温高圧の第一冷媒は、第一空調制御三方弁22で分岐して一部が凝縮器として機能する中間熱交換器21の一次側伝熱管21aに流入する。中間熱交換器21の一次側伝熱管21aを通流する第一冷媒は、中間熱交換器21の二次側伝熱管21bを通流する第二冷媒と熱交換することにより放熱して、中温高圧の第一冷媒となる。また、第一空調制御三方弁22で分岐した残部の高温高圧の第一冷媒は、凝縮器として機能する空調熱源側熱交換器13に流入する。空調熱源側熱交換器13を通流する第一冷媒は、空調用ファン13aにより送られてくる空気(室外空気)と熱交換することにより放熱(排熱)して、中温高圧の第一冷媒となる。中間熱交換器21の一次側伝熱管21aから流出した中温高圧の第一冷媒および空調熱源側熱交換器13から流出した中温高圧の第一冷媒は、空調用主膨張弁14で減圧され、低温低圧の第一冷媒となる。
そして、低温低圧の第一冷媒は、蒸発器として機能する空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bに流入する。空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bを通流する第一冷媒は、空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aを通流する熱搬送媒体と熱交換することにより熱搬送媒体から熱を汲み上げる(吸熱する)。そして、吸熱した第一冷媒は、空調利用側熱交換器15から空調用圧縮機11へと送られ、空調用冷媒回路10を循環する。
次に、給湯用冷媒回路40について説明する。給湯運転モード(図6参照)における給湯用冷媒回路40と、冷房給湯運転(排熱回収A)モード(図9参照)における給湯用冷媒回路40との差異点は、給湯運転モード(図6参照)では第二冷媒が給湯熱源側熱交換器44を通流するのに対し、冷房給湯運転(排熱回収A)モード(図9参照)では第二冷媒が中間熱交換器21の二次側伝熱管21bを通流する点で異なる。
即ち、制御装置4は、給湯用主膨張弁43と中間熱交換器21との間を第二冷媒が通流可能なように、給湯熱源側熱交換器44と接続する側が閉塞するように第一給湯制御三方弁45を制御する。また、制御装置4は、中間熱交換器21と給湯用圧縮機41との間を第二冷媒が通流可能なように、給湯熱源側熱交換器44と接続する側が閉塞するように第二給湯制御三方弁46を制御する。また、制御装置4は、給湯用ファン44aを停止させる。その他の制御は給湯運転モード(図6参照)における給湯用冷媒回路40と同様であり説明を省略する。
給湯用圧縮機41から吐出された高温高圧の第二冷媒は、凝縮器として機能する給湯利用側熱交換器42の一次側伝熱管42aに流入する。給湯利用側熱交換器42の一次側伝熱管42aを通流する第二冷媒は、給湯利用側熱交換器42の二次側伝熱管42bを通流する被加熱液体と熱交換することにより放熱して、中温高圧の第二冷媒となる。給湯利用側熱交換器42の一次側伝熱管42aから流出した中温高圧の第二冷媒は、給湯用主膨張弁43で減圧され、低温低圧の第二冷媒となる。
そして、低温低圧の第二冷媒は、蒸発器として機能する中間熱交換器21の二次側伝熱管21bに流入する。中間熱交換器21の二次側伝熱管21bを通流する第二冷媒は、中間熱交換器21の一次側伝熱管21aを通流する第一冷媒と熱交換することにより第一冷媒から熱を汲み上げる(吸熱する)。そして、吸熱した第二冷媒は、中間熱交換器21の二次側伝熱管21bから給湯用圧縮機41へと送られ、給湯用冷媒回路40を循環する。
(運転モード4−2.冷房給湯運転(排熱回収B)モード:ステップS114)
図10は、冷房給湯運転(排熱回収B)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒、熱搬送媒体および被加熱液体の流れを示す系統図である。
ここで、排熱回収Bは「空調排熱=給湯吸熱」の場合であり、中間熱交換器21を介して空調用冷媒回路10の排熱を給湯用冷媒回路40で回収している。
給湯回路60の動作は、図6に示す給湯運転モードと同様であり説明を省略する。
空調用熱搬送媒体循環回路50の動作は、図7に示す冷房運転モードと同様であり説明を省略する。
給湯用冷媒回路40の動作は、図9に示す冷房給湯運転(排熱回収A)モードと同様であり説明を省略する。
空調用冷媒回路10について説明する。冷房運転モード(図7参照)における空調用冷媒回路10と、冷房給湯運転(排熱回収B)モード(図10参照)における空調用冷媒回路10との差異点は、冷房運転モード(図7参照)では第一冷媒が空調熱源側熱交換器13を通流するのに対し、冷房給湯運転(排熱回収B)モード(図10参照)では第一冷媒が中間熱交換器21の一次側伝熱管21aを通流する点で異なる。
即ち、制御装置4は、空調用圧縮機11と中間熱交換器21との間を第一冷媒が通流可能なように、空調熱源側熱交換器13と接続する側が閉塞するように第一空調制御三方弁22を制御する。また、制御装置4は、第一空調制御弁23を開弁するように制御し、空調用補助膨張弁16の開度を全閉となるように制御する。また、制御装置4は、空調用ファン13aを停止させる。その他の制御は冷房運転モード(図7参照)における空調用冷媒回路10と同様であり説明を省略する。
空調用圧縮機11から吐出された高温高圧の第一冷媒は、凝縮器として機能する中間熱交換器21の一次側伝熱管21aに流入する。中間熱交換器21の一次側伝熱管21aを通流する第一冷媒は、中間熱交換器21の二次側伝熱管21bを通流する第二冷媒と熱交換することにより放熱して、中温高圧の第一冷媒となる。中間熱交換器21の一次側伝熱管21aから流出した中温高圧の第一冷媒は、空調用主膨張弁14で減圧され、低温低圧の第一冷媒となる。
そして、低温低圧の第一冷媒は、蒸発器として機能する空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bに流入する。空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bを通流する第一冷媒は、空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aを通流する熱搬送媒体と熱交換することにより熱搬送媒体から熱を汲み上げる(吸熱する)。そして、吸熱した第一冷媒は、空調利用側熱交換器15から空調用圧縮機11へと送られ、空調用冷媒回路10を循環する。
(運転モード4−3.冷房給湯運転(排熱回収C)モード:ステップS115)
図11は、冷房給湯運転(排熱回収C)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒、熱搬送媒体および被加熱液体の流れを示す系統図である。
ここで、排熱回収Cは「空調排熱<給湯吸熱」の場合であり、中間熱交換器21を介して空調用冷媒回路10の排熱を給湯用冷媒回路40で回収し、給湯吸熱の不足分を室外空気から吸熱している。
給湯回路60の動作は、図6に示す給湯運転モードと同様であり説明を省略する。
空調用熱搬送媒体循環回路50の動作は、図7に示す冷房運転モードと同様であり説明を省略する。
空調用冷媒回路10の動作は、図10に示す冷房給湯運転(排熱回収B)モードと同様であり説明を省略する。
次に、給湯用冷媒回路40について説明する。給湯運転モード(図6参照)における給湯用冷媒回路40と、冷房給湯運転(排熱回収C)モード(図11参照)における給湯用冷媒回路40との差異点は、給湯運転モード(図6参照)では第二冷媒が給湯熱源側熱交換器44を通流するのに対し、冷房給湯運転(排熱回収C)モード(図11参照)では第二冷媒が中間熱交換器21の二次側伝熱管21bおよび給湯熱源側熱交換器44を通流する点で異なる。
即ち、制御装置4は、給湯用主膨張弁43と中間熱交換器21との間を第二冷媒が通流可能なように、給湯用主膨張弁43と給湯熱源側熱交換器44との間を第二冷媒が通流可能なように開弁し、給湯用主膨張弁43から中間熱交換器21または給湯熱源側熱交換器44への開度(通流する第二冷媒の流量比率)を制御する。また、制御装置4は、中間熱交換器21と給湯用圧縮機41との間を第二冷媒が通流可能なように、給湯熱源側熱交換器44と給湯用圧縮機41との間を第二冷媒が通流可能なように開弁し、中間熱交換器21または給湯熱源側熱交換器44から給湯用圧縮機41への開度(通流する第二冷媒の流量)を制御する。その他の制御は給湯運転モード(図6参照)における給湯用冷媒回路40と同様であり説明を省略する。
給湯用圧縮機41から吐出された高温高圧の第二冷媒は、凝縮器として機能する給湯利用側熱交換器42の一次側伝熱管42aに流入する。給湯利用側熱交換器42の一次側伝熱管42aを通流する第二冷媒は、給湯利用側熱交換器42の二次側伝熱管42bを通流する被加熱液体と熱交換することにより放熱して、中温高圧の第二冷媒となる。給湯利用側熱交換器42の一次側伝熱管42aから流出した中温高圧の第二冷媒は、給湯用主膨張弁43で減圧され、低温低圧の第二冷媒となる。
そして、低温低圧の第二冷媒は、第一給湯制御三方弁45で分岐して一部が蒸発器として機能する中間熱交換器21の二次側伝熱管21bに流入する。中間熱交換器21の二次側伝熱管21bを通流する第二冷媒は、中間熱交換器21の一次側伝熱管21aを通流する第一冷媒と熱交換することにより第一冷媒から熱を汲み上げる(吸熱する)。また、第一給湯制御三方弁45で分岐した残部の低温低圧の第二冷媒は、蒸発器として機能する給湯熱源側熱交換器44に流入する。給湯熱源側熱交換器44を通流する第二冷媒は、給湯用ファン44aにより送られてくる空気(室外空気)と熱交換することにより空気(室外空気)から熱を汲み上げる(吸熱する)。中間熱交換器21の二次側伝熱管21bを通流し熱を汲み上げた(吸熱した)第二冷媒および給湯熱源側熱交換器44を通流し熱を汲み上げた(吸熱した)第二冷媒は、第二給湯制御三方弁46で合流し、給湯用圧縮機41へと送られ、給湯用冷媒回路40を循環する。
(運転モード5−1.暖房給湯運転(独立)モード:ステップS203)
図12は、暖房給湯運転(独立)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒、熱搬送媒体および被加熱液体の流れを示す系統図である。
このモードにおいて、中間熱交換器21への冷媒の通流は、空調用冷媒回路10・給湯用冷媒回路40とも閉止している。
給湯用冷媒回路40および給湯回路60の動作は、図6に示す給湯運転モードと同様であり説明を省略する。
空調用冷媒回路10および空調用熱搬送媒体循環回路50の動作は、図8に示す暖房運転モードと同様であり説明を省略する。
(運転モード5−2.暖房給湯運転(空調余剰加熱)モード:ステップS204)
図13は、暖房給湯運転(空調余剰加熱)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒、熱搬送媒体および被加熱液体の流れを示す系統図である。
このモードは、空調負荷(暖房負荷)が小さい場合に実行され、中間熱交換器21を介して空調用冷媒回路10の余剰熱を給湯用冷媒回路40で回収している。
給湯回路60の動作は、図6に示す給湯運転モードと同様であり説明を省略する。
空調用熱搬送媒体循環回路50の動作は、図7に示す冷房運転モードと同様であり説明を省略する。
給湯用冷媒回路40の動作は、図10に示す冷房給湯運転(排熱回収B)モードと同様であり説明を省略する。
空調用冷媒回路10について説明する。暖房運転モード(図8参照)における空調用冷媒回路10と、暖房給湯運転(空調余剰加熱)モード(図13参照)における空調用冷媒回路10との差異点は、暖房運転モード(図8参照)では第一冷媒が空調利用側熱交換器15を通流するのに対し、冷房給湯運転(排熱回収B)モード(図10参照)では第一冷媒が空調利用側熱交換器15および中間熱交換器21の一次側伝熱管21aを通流する点で異なる。
即ち、制御装置4は、空調用圧縮機11と空調利用側熱交換器15との間を第一冷媒が通流可能なように、空調用圧縮機11と中間熱交換器21との間を第一冷媒が通流可能なように開弁し、空調用圧縮機11から空調利用側熱交換器15または中間熱交換器21への開度(通流する第一冷媒の流量比率)を制御する。また、制御装置4は、第一空調制御弁23および第二空調制御弁33を開弁するように制御する。その他の制御は暖房運転モード(図8参照)における空調用冷媒回路10と同様であり説明を省略する。
空調用圧縮機11から吐出された高温高圧の第一冷媒は、第二空調制御三方弁32で分岐して一部が凝縮器として機能する空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bに流入する。空調利用側熱交換器15の二次側伝熱管15bを通流する第一冷媒は、空調利用側熱交換器15の一次側伝熱管15aを通流する熱搬送媒体と熱交換することにより放熱して、中温高圧の第一冷媒となる。また、第二空調制御三方弁32で分岐した残部の高温高圧の第一冷媒は、バイパス回路31を通流して、凝縮器として機能する中間熱交換器21の一次側伝熱管21aに流入する。中間熱交換器21の一次側伝熱管21aを通流する第一冷媒は、中間熱交換器21の二次側伝熱管21bを通流する第二冷媒と熱交換することにより放熱して、中温高圧の第一冷媒となる。空調利用側熱交換器15から流出した中温高圧の第一冷媒および中間熱交換器21の一次側伝熱管21aから流出した中温高圧の第一冷媒は、空調用補助膨張弁16で減圧され、低温低圧の第一冷媒となる。
そして、低温低圧の第一冷媒は、蒸発器として機能する空調熱源側熱交換器13に流入する。空調熱源側熱交換器13を通流する第一冷媒は、空調用ファン13aにより送られてくる空気(室外空気)と熱交換することにより空気(室外空気)から熱を汲み上げる(吸熱する)。そして、吸熱した第一冷媒は、空調熱源側熱交換器13から空調用圧縮機11へと送られ、空調用冷媒回路10を循環する。
≪本実施形態に係る空調給湯システムの作用・効果≫
以上、本実施形態に係る空調給湯システムSによれば、使用者の要求に応じて、「給湯運転」、「冷房運転」、「冷房給湯運転」、「暖房運転」および「暖房給湯運転」を運転可能な空調給湯システムSとすることができる。
また、「冷房給湯運転」時において、空調用冷媒回路10の排熱を給湯加熱に用いることができる冷房給湯運転(排熱回収A)モード(図9参照)、冷房給湯運転(排熱回収B)モード(図10参照)、冷房給湯運転(排熱回収C)モード(図11参照)を実行することができる。
これにより、空調給湯システムSの全体の効率を向上させることができる。
ここで、特許文献1に記載の空気調和装置(空調給湯システム)と、本実施形態に係る空調給湯システムSとを比較しつつ説明する。
特許文献1に記載の空気調和装置(空調給湯システム)は、暖房運転(暖房給湯運転)時において暖房負荷が低負荷の場合、空調サイクル(空調用冷媒回路10)の第一圧縮機(本実施形態に係る空調給湯システムSの空調用圧縮機11に相当)が動作状態と停止状態を繰り返す断続運転となるため、空気調和装置(空調給湯システム)の運転効率が低下する。
これに対し、本実施形態に係る空調給湯システムSは、空調用冷媒回路10にバイパス回路31を備えているため、暖房給湯運転時においても中間熱交換器21の一次側伝熱管21a(空調用冷媒回路10の側)を凝縮器として機能させることができる(図13参照)。
これにより、本実施形態に係る空調給湯システムSは、暖房給湯運転時において暖房負荷が低負荷の場合であっても、空調用圧縮機11が連続運転の状態を保ったまま、空調利用側熱交換器15に所望の熱量(空調用圧縮機11から吐出された高温高圧の第一冷媒の一部)を供給し、余剰の熱量(空調用圧縮機11から吐出された高温高圧の第一冷媒の残部)はバイパス回路31を介して中間熱交換器21の一次側伝熱管21aへと送られ、給湯用冷媒回路40を介して給湯加熱に用いられる。
これにより、空調用圧縮機11の断続運転を防止し、余剰熱も高温の被加熱液体として蓄熱することができるので、空調給湯システムSの全体としての運転効率を向上させることができる。
即ち、本実施形態に係る空調給湯システムSは、冷房運転・暖房運転においても、空調用冷媒回路10から給湯用冷媒回路40に熱(排熱、余剰熱)を受け渡すことができるので、一年を通して運転効率を向上させることが可能な空調給湯システムを構築することができる。
本実施形態に係る空調給湯システムSの効果についてさらに説明する。図14は、東京における最寒日の前後日における暖房負荷の変動を示すグラフである。
図14は、縦軸を暖房負荷[kW](図14のグラフ上では実線で示す)、室外空気温度[℃](図14のグラフ上では破線で示す)、日射量[MJ](図14のグラフ上では一点鎖線で示す)とし、横軸を時刻[日]とし、最寒日(時刻1.0〜2.0[日])の前日(時刻0.0〜1.0[日])から翌日(2.0〜3.0[日])までを示したものである。なお、暖房負荷は断熱性能を示すQ値(熱損失係数)が1.6[W/m・K]の高断熱化住宅について求めた。
昨今の省エネ化の要求に対応して、住宅(被空調空間)を高断熱化し、冬期の暖房負荷を低減することが試みられている。高断熱化住宅では暖房負荷が小さくなるため、室内空調において省エネ効果が得られると考えられる。
しかしながら、暖房負荷が低減することにより空調用冷媒回路10の空調用圧縮機11が断続運転する状態となる場合がある。図14に示すように、最寒日においても日中は暖房負荷が急低下(図14では、約4.0kWから約0.6kW)している。ここで、暖房負荷が所定値(例えば1.0kW)以下となると、空調用冷媒回路10の空調用圧縮機11が断続運転となる。このような断続運転は運転効率の面で望ましくない。
このように、住宅を高断熱化して暖房負荷を低減することにより期待される省エネ効果に対して、実際に空調システム(空調給湯システム)を運転した場合に得られる省エネ効果は、空調用圧縮機11が断続運転となるため、小さなものとなっていた。
これに対し、本実施形態に係る空調給湯システムSは、暖房運転時において暖房負荷が低負荷の場合であっても、空調用冷媒回路10の空調用圧縮機11の断続運転を防止することができる。また、本実施形態に係る空調給湯システムSは、暖房運転時においても中間熱交換器21の一次側伝熱管21aを凝縮器として機能させることができるので、空調用冷媒回路10の余剰熱を給湯に用いることができ、空調給湯システムSの全体としての効率を向上させることができる。
≪変形例≫
なお、本実施形態に係る空調給湯システムSは、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、上記実施形態においては、ヒートポンプユニット1内の空調利用側熱交換器15で熱搬送媒体を加熱(または冷却)して、室内ユニット2に供給し、室内ユニット2の室内熱交換器53で加熱(または冷却)された熱搬送媒体と室内空気とを熱交換することにより、室内を暖房(冷房)するものとして説明したが、これに限られるものではなく、空調用熱搬送媒体循環回路50を省略し、空調利用側熱交換器15を室内ユニット2に設置し、空調利用側熱交換器15内を通流する第一冷媒と室内空気との間で熱交換することにより暖房(冷房)する構成としてもよい。
また、上記実施形態においては、被加熱液体は水であり、高温の被加熱液体(湯)をタンク62に貯留し、タンク62に貯留された高温の被加熱液体(湯)を給湯端末(図示せず)に供給するものとして説明したが、これに限られるものではなく、タンク62に貯留された高温の被加熱液体と給湯端末(図示せず)に供給される給水との間で熱交換可能な熱交換器(図示せず)をさらに備え、タンク62に貯留された高温の被加熱液体で給水を加熱して給湯端末(図示せず)に給湯する構成であってもよい。このように、被加熱液体は水に限られない。
また、第一空調制御三方弁22は、空調用圧縮機11(空調用四方弁12)から流入した第一冷媒を分岐して、空調熱源側熱交換器13に流入する第一冷媒の流量と、中間熱交換器21の一次側伝熱管21aに流入する第一冷媒の流量と、の流量比率を制御可能な三方弁であるものとして説明したが、これに限られるものではなく、2つの流量制御弁を設けて流量比率を制御する構成であってもよい。
同様に、第二空調制御三方弁32、第一給湯制御三方弁45および第二給湯制御三方弁46についても、2つの流量制御弁を設ける構成であってもよい。
また、第一空調制御弁23は、必須の構成ではなく無くてもよい。ただし、中間熱交換器21を使用しない際に第一空調制御弁23を閉弁することにより、中間熱交換器21を第一冷媒の循環回路から切り離すことができるので、第一空調制御弁23を有していることが望ましい。
また、第二空調制御弁33は、必須の構成ではなく無くてもよい。ただし、バイパス回路31を使用しない際に第二空調制御弁33を閉弁することにより、バイパス回路31を第一冷媒の循環回路から切り離すことができるので、第二空調制御弁33を有していることが望ましい。
S 空調給湯システム
1 ヒートポンプユニット
2 室内ユニット
3 給湯タンクユニット
4 制御装置
10 空調用冷媒回路
11 空調用圧縮機
12 空調用四方弁(空調用運転切替手段)
13 空調熱源側熱交換器
13a 空調用ファン
14 空調用主膨張弁(減圧装置、第一減圧装置)
15 空調利用側熱交換器
15a 空調利用側熱交換器の一次側伝熱管
15b 空調利用側熱交換器の二次側伝熱管
16 空調用補助膨張弁(減圧装置、第二減圧装置)
21 中間熱交換器
21a 中間熱交換器の一次側伝熱管
21b 中間熱交換器の二次側伝熱管
22 第一空調制御三方弁(第一分岐部)
23 第一空調制御弁
24 合流部
31 バイパス回路
32 第二空調制御三方弁(第二分岐部)
33 第二空調制御弁
40 給湯用冷媒回路
41 給湯用圧縮機
42 給湯利用側熱交換器
42a 給湯利用側熱交換器の一次側伝熱管
42b 給湯利用側熱交換器の二次側伝熱管
43 給湯用主膨張弁(第三減圧装置)
44 給湯熱源側熱交換器
44a 給湯用ファン
45 第一給湯制御三方弁
46 第二給湯制御三方弁
50 空調用熱搬送媒体循環回路
51 第一ポンプ
52 熱搬送媒体四方弁
53 室内熱交換器
53a 室内ファン
60 給湯回路
61 第二ポンプ
62 タンク
63 給水金具
64 給湯金具

Claims (4)

  1. 第一冷媒が循環する空調用冷媒回路および第二冷媒が循環する給湯用冷媒回路を備える空調給湯システムであって、
    前記空調用冷媒回路は、
    第一冷媒を圧縮する空調用圧縮機と、
    冷房運転と暖房運転とで第一冷媒の流れ方向を切り替える空調用運転切替手段と、
    冷房運転時に凝縮器として機能し、暖房運転時に蒸発器として機能する空調熱源側熱交換器と、
    第一冷媒を減圧する減圧装置と、
    冷房運転時に蒸発器として機能し、暖房運転時に凝縮器として機能する空調利用側熱交換器と、
    第一冷媒と第二冷媒との熱交換する中間熱交換器と、を備え、
    前記空調用圧縮機と前記空調熱源側熱交換器との間で分岐して、分岐方向に流入する第一冷媒の流量を調整する第一分岐部と、
    前記空調用圧縮機と前記空調利用側熱交換器との間で分岐して、分岐方向に流入する第一冷媒の流量を調整する第二分岐部と、が形成され、
    前記中間熱交換器は、
    一端が第一分岐部および第二分岐部と接続し、他端が前記空調熱源側熱交換器と前記空調利用側熱交換器との間の合流部で接続し、第一冷媒の凝縮器として機能する
    ことを特徴とする空調給湯システム。
  2. 前記減圧装置は、
    前記合流部よりも前記空調利用側熱交換器の側に配置された第1減圧装置と、
    前記合流部よりも前記空調熱源側熱交換器の側に配置された第2減圧装置と、を有する
    ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の空調給湯システム。
  3. 前記減圧装置は、
    冷房運転時において、前記第1の減圧装置で第一冷媒を減圧し、
    暖房運転時において、前記第2の減圧装置で第一冷媒を減圧する
    ことを特徴とする請求の範囲第2項に記載の空調給湯システム。
  4. 前記給湯用冷媒回路は、
    第二冷媒を圧縮する給湯用圧縮機と、
    給湯運転時に凝縮器として機能する給湯利用側熱交換器と、
    第二冷媒を減圧する第三の減圧装置と、
    第一冷媒の凝縮器として機能し、第二冷媒の蒸発器として機能する前記中間熱交換器と、を有する
    ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の空調給湯システム。
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