JP5677198B2 - 空冷ヒートポンプチラー - Google Patents

Description

本発明は、空冷ヒートポンプチラー、例えば、暖房状態にてデマンド制御する空冷ヒートポンプチラーに関する。

従来の空冷ヒートポンプチラーとして、例えば、「デマンドコントロール装置５から信号が発信され、空気調和機１がこの信号を検出すると、空気調和機１は現在の運転能力を記憶した後、運転能力を落とす。デマンドコントロール装置５からの信号の発信が停止すると、空気調和機１は記憶していた運転能力で運転を再開する。また、集中コントローラを用いることによって、複数の空気調和機１に対してデマンドコントロール制御を行う」というものがある（特許文献１参照）。

このようなものにおいては、「デマンドコントロール時でも、冷房あるいは暖房運転の継続が可能となり、快適度の低下が少なくなる」（特許文献１参照）とされている。

また、例えば、「デマンドコントロール信号を空気調和機が検出した場合、空気調和機の運転状態が冷房時は圧縮機の逆転を停止し、室内のファンは運転続行させ、空気調和機の運転状態が暖房時は圧縮機及び室内ファンの運転を停止させ、デマンドコントロール信号が解除された場合は、デマンドコントロール信号検出直前の運転状態に戻す」というものがある（特許文献２参照）。

このようなものにおいては、「冷房運転時のデマンドコントロール信号の入力に対しては送風運転を行い、人体への風の供給を継続して行い快適性を向上させる。また暖房運転時のデマンドコントロール信号の入力に対しては送風機も停止し、人体への風の供給を中止して快適性を向上させる」（特許文献２参照）とされている。

また、例えば、「温度検出装置７ａ，７ｂが検出する室内温度と、温度設定装置９ａ，９ｂで設定された室内の設定温度とを比較する温度差比較装置１２ａ，１２ｂと、前記温度差比較装置より運転信号及び停止信号にて圧縮機５ａ，５ｂの運転・停止を制御する運転制御装置１０ａ，１０ｂと、温度差比較装置１２ａ，１２ｂから送信される温度差により設定温度をシフトする設定温度シフト装置１３ａ，１３ｂから構成される」（特許文献３参照）というものがある。

このようなものにおいては、「設定温度と室温の温度差に応じて設定温度を冷房では高く、暖房では低くし、建物内の最適環境を損なうこと無く電力デマンド制御できる」（特許文献３参照）とされている。

特開平６−３４１６９０号公報（要約、図１） 特開平３−１４４２４４号公報（１、２頁） 特開平１０−２０５８５１号公報（要約、図１）

しかしながら、特許文献１〜３のいずれにおいても暖房状態にてデマンド制御したときには使用電力量の低減度合いを大きくすることができないという問題点があった。

具体的には、従来の空冷ヒートポンプチラーは、冷房状態にてデマンド制御する際、圧縮機の運転容量を低減させていくことにより、使用電力量を低減させていた。従来の空冷ヒートポンプチラーは、暖房状態にてデマンド制御する際についても、圧縮機の運転容量を低減させていくことにより、使用電力量を低減させていた。しかしながら、従来の空冷ヒートポンプチラーは、冷房状態と暖房状態とでは、低減される使用電力量を比較したとき、暖房状態では、圧縮機の運転容量に基づいてデマンド制御したとしても、冷房時ほどの使用電力量の低減効果は得られなかった。

すなわち、暖房状態にてデマンド制御する際、圧縮機の運転容量に基づいて使用電力量を制御する構成では、使用電力量を大幅に低減させることはできなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、暖房状態でデマンド制御したときであっても、使用電力量の低減度合いを大きくすることができる空冷ヒートポンプチラーを提供することである。

本発明に係る空冷ヒートポンプチラーは、圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を冷媒配管で接続し、内部に冷媒が循環する冷媒回路と、前記凝縮器が接続され、前記凝縮器を流れる冷媒と熱交換する熱媒体が循環する熱媒体回路と、前記凝縮器から流出した熱媒体の温度を測定する熱媒体温度測定センサと、運転モードとして通常モードとデマンドモードを有し、暖房運転時にデマンド指令を受信すると前記デマンドモードを実行する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記デマンドモードにおいては、前記熱媒体温度測定センサで測定される熱媒体温度の目標値を通常モードの目標値よりも低い目標値Ａとして、少なくとも前記圧縮機の回転数を制御するものを備えたものである。

本発明の空冷ヒートポンプチラーは、暖房状態でデマンド制御する際、凝縮器の熱媒体温度の目標値を変更することにより、暖房状態でデマンド制御したときであっても、使用電力量の低減度合いを大きくすることができるという効果を有する。

本発明の実施の形態１における空冷ヒートポンプチラーの構成を概略図に示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における空冷ヒートポンプチラーの冷媒回路を示す図である。 本発明の実施の形態１における圧縮機の運転容量に対する使用電力量の特性図である。 本発明の実施の形態１における空冷ヒートポンプチラーの水側熱交換器の出口水温に対する使用電力量の特性図である。 本発明の実施の形態１におけるデマンド制御処理の詳細を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る空冷ヒートポンプチラーの実施形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における空冷ヒートポンプチラーの構成を概略的に示すブロック図である。同図に示されるように、空冷ヒートポンプチラー１の構成としては、送風機用電動機１０と、圧縮機用電動機１１と、水側熱交換器１２と、電子膨張弁１３と、四方切換弁１４と、これらを統括制御する空調制御装置１５とを備えている。また、水側熱交換器１２の出口水温を計測する出口水温センサ１６と、水側熱交換器１２の水入口水温を計測する入口水温センサ１７とを備えている。なお、「出口水温センサ１６」は、本発明における「熱媒体温度測定センサ」に相当する。

空冷ヒートポンプチラー１は、セントラル方式の熱源機であり、熱源機は外気で直接冷却される。すなわち、空冷ヒートポンプチラーは、熱源機が空気に対して吸熱と放熱とを行うことにより熱交換を実施するヒートポンプシステムである。

送風機用電動機１０は、後述する空気側熱交換器１０２の近傍に設置され、空気側熱交換器１０２が外気と熱交換をするときに風の流れを発生させている。

圧縮機用電動機１１は、後述する圧縮機１００の運転容量を制御するためのものであり、例えば、回転周波数等が制御されることにより、運転容量の制御が行われる。

水側熱交換器１２は、冷房時であれば、負荷側から配管を介して空冷ヒートポンプチラー１の水入口より供給された水は冷却された後、空冷ヒートポンプチラー１の水出口から配管を介して負荷側に戻される。一方、暖房時であれば、負荷側から配管を介して空冷ヒートポンプチラー１の水入口より供給された水は加熱された後、空冷ヒートポンプチラー１の水出口から配管を介して負荷側に戻される。

すなわち、水側熱交換器１２は、凝縮器のことである。水側熱交換器１２は、圧縮機用電動機１１により圧縮された高温かつ高圧の冷媒と空冷ヒートポンプチラーの負荷側（図示せず）から流入した熱媒体とを熱交換させる。なお、冷媒と熱媒体は、例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４ＡなどのＨＦＣ冷媒、Ｒ２２、Ｒ１３４ａなどのＨＣＦＣ冷媒、もしくは炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒等である。また、空冷ヒートポンプチラーの負荷側を冷却する場合には、ブライン等でもよい。

電子膨張弁１３は、後述するように冷凍サイクルにて使用されるものである。例えば、冷房時においては、圧縮機１００で高圧になった冷媒を低圧の冷媒にするものであり、暖房時においては、具体的には、例えば、外気温度と出口水温から目標吐出温度を決定し、その吐出温度に近づくように開度を調整するものである。

すなわち、電子膨張弁１３は、冷媒回路の膨張弁として、冷媒配管内を流れる冷媒の流量の調節等を行う。電子膨張弁１３の絞りの開度の調整は、例えば、ステッピングモータ（図示せず）により絞りの開度を調整することが可能である。

四方切換弁１４は、後述するように冷凍サイクルにて使用されるものであり、圧縮機１００の入口と出口の冷媒配管の切換弁のことである。これにより、冷媒の流れの向きを変え、冷房と暖房とを１台で行うようにしているものである。

次に、空調制御装置１５は、記憶部２０と、演算部２１と、通信部２２と、制御部２３とを備えている。

記憶部２０は、例えば、揮発性メモリと不揮発性メモリ等からなる。揮発性メモリには、例えば、演算途中のデータや空冷ヒートポンプチラーのさまざまな状況を示すデータが格納され、不揮発性メモリには、例えば、空冷ヒートポンプチラーを稼働させるためのプログラム等が予め格納されている。

演算部２１は、記憶部２０に格納されているプログラムやデータに基づいて所定の演算を実行し、それにより、送風機用電動機１０、圧縮機用電動機１１等を制御するための制御量を算出する。

通信部２２は、いわゆる通信インターフェースである。例えば、外部制御信号や各種データ信号等を送受信する。これにより、外部からデマンド制御指令が到来したときには、空冷ヒートポンプチラーはデマンド制御を実行することができる。また、通信部２２は、出口水温センサ１６や入口水温センサ１７により計測された出口水温や入口水温を受信し、さらに、空冷ヒートポンプチラー１内に設置された各種センサ（図示せず）により計測された各種センサ信号を受信する。これらの受信データに基づいて先に説明した演算部２１が規定のプログラムに基づいて、さまざまな演算を実行するのである。

制御部２３は、マイクロプロセッサを主体として構成され、記憶部２０に格納されている規定のプログラムに基づいて、空調制御装置１５全体を統括制御し、さらに、送風機用電動機１０や圧縮機用電動機１１等を適宜に制御するものである。

次に、空冷ヒートポンプチラー１の冷媒回路の詳細について図２を用いて説明する。

すなわち、図２は、本発明の実施の形態１における空冷ヒートポンプチラー１の冷媒回路を示す図である。

まず、冷房運転時には、圧縮機１００で圧縮された冷媒は、四方切換弁１４を通ってから、空気側熱交換器１０２、電子膨張弁１３、水側熱交換器１２を順に通り、再び四方切換弁１４を通った後、アキュムレータ１０３を介して圧縮機１００へ戻る。

次に、暖房運転時には、圧縮機１００で圧縮された冷媒は、四方切換弁１４を通ってから、水側熱交換器１２、電子膨張弁１３、空気側熱交換器１０２を通り、再び四方切換弁１４を通った後、アキュムレータ１０３を介して圧縮機１００へ戻る。

ここで、冷房運転時と暖房運転時において、冷媒回路に必要な冷媒量を比較すると、水側熱交換器１２の方が空気側熱交換器１０２よりも冷媒を凝縮する効率が良い。そのため、熱交換器の冷媒側における内容積を小さくすることができる。それにより、冷房運転時よりも暖房運転時の方が冷媒回路に必要な冷媒量は少なくて済む。従って、余剰分の冷媒液は、バイパス配管１０４を介して冷媒量調整タンク１０５に流れ込んで貯留される。このとき、冷媒量調整タンク１０５内は、冷媒液で満たされることとなる。また、暖房運転後、冷房運転に切替えたときには、冷媒回路に必要な冷媒量が不足する。そのため、冷媒量調整タンク１０５内に貯留した冷媒液が冷凍サイクルに流れ込むことにより、不足分を補うことができるのである。なお、このときには、冷媒量調整タンク１０５内は冷媒ガスのみとなる。このような冷媒回路により、空冷ヒートポンプチラーは冷暖房を行うことができるのである。

次に、圧縮機１００の運転容量と使用電力量との相関関係について図３を用いて詳細に説明する。

図３は、本発明の実施の形態１における圧縮機１００の運転容量に対する使用電力量の特性図である。図３に示されるように、横軸を圧縮機１００の運転容量として、縦軸を使用電力量としたときの冷却性能２００と加熱性能２０１とは異なる特性を示す。すなわち、冷房時においては、圧縮機１００の運転容量を低減させるにつれて、使用電力量は大幅に低減する。そのため、使用電力量を抑制するためのデマンド制御を行うとき、冷房運転中であれば、運転容量を低減させるようにすることで、使用電力量を低減させることができる。

これに対して、暖房時においては、圧縮機１００の運転容量を低減させたとしても、使用電力量の低減度合いは小さい。従って、デマンド制御を行うときに、冷房時のように運転容量を低減させたとしても、使用電力量の低減には大きく寄与しない。この結果、冷房時のデマンド制御においては、運転容量を制御パラメータとすることが好ましいものの、暖房時のデマンド制御においては、運転容量を直接の制御パラメータとすることは好ましくない。

次に、暖房時において、水側熱交換器１２の温水出口温度と使用電力量との相関関係について図４を用いて詳細に説明する。

図４は、本発明の実施の形態１における空冷ヒートポンプチラー１の水側熱交換器１２の出口水温に対する使用電力量の特性図である。図４に示されるように、横軸を温水出口温度、すなわち、出口水温として、縦軸を使用電力量としたときの加熱性能３０１は、出口水温を下げていくにつれて、使用電力量は大幅に低減する。そのため、使用電力量を抑制するためのデマンド制御を行うとき、暖房運転中であれば、出口水温を下げるようにすることで、使用電力量を低減させることができる。この結果、暖房運転時のデマンド制御においては、出口水温を制御パラメータとすることが好ましい。

具体的には、水側熱交換器１２の出口水温を通常運転時の熱媒体の温度よりも低いデマンド運転時の熱媒体の温度に下げることにより、空調制御装置１５は水側熱交換器１２の冷媒圧力を下げる。それにより、水側熱交換器１２から空気側熱交換器１０２へ冷媒を送り出すときの圧力比は低減する。その結果、冷媒回路において、低圧側から高圧側へ冷媒を供給するための圧縮機１００の動力負荷を大幅に削減することができる。従って、圧縮機用電動機１１の仕事量を大幅に削減することができる。すなわち、圧縮機用電動機１１の使用電力量を削減することができる。その結果、暖房運転時に空冷ヒートポンプチラーの使用電力量を大幅に削減することができる。なお、「通常運転時」は、本発明における「通常モード」に相当し、「デマンド運転時」は、本発明における「デマンドモード」に相当し、「通常運転時の熱媒体の温度」は、「通常モードの目標値」に相当し、「デマンド運転時の熱媒体の温度」は、「目標値Ａ」に相当する。

次に、以上説明した空冷ヒートポンプチラー１の構成とデマンド制御方法とを前提として、本発明の要部である、暖房運転時のデマンド制御の際、水側熱交換器１２の出口水温を制御することにより、暖房時にデマンド制御したときでありつつも、使用電力量の低減度合いを大きくする処理について説明する。

図５は、本発明の実施の形態１におけるデマンド制御処理の詳細を示すフローチャートである。すなわち、デマンド制御をする際、暖房時には、水側熱交換器１２の出口水温を制御することにより、使用電力量を低減させる。なお、デマンド制御をする際、冷房時には、通常通り、運転容量を制御することにより、使用電力量を低減させる。

まず、制御信号があるか否かを確認する（Ｓ１００）。すなわち、空冷ヒートポンプチラー１に制御信号が到来したか否かを確認する。制御信号がないときには（Ｓ１００ＮＯ）、再び制御信号が到来するまで待機し続ける。これに対して、制御信号があるときには（Ｓ１００ＹＥＳ）、次に制御信号の種別を判定する。

すなわち、制御信号がデマンド信号であるか否かの判定処理がなされる（Ｓ１０１）。制御信号がデマンド信号ではないときには（Ｓ１０１ＮＯ）、通常の運転時における供給水温標準設定値に設定し、処理は終了する（Ｓ１０２）。例えば、出口水温を４５℃に設定する。なお、加熱時、すなわち、暖房時の出口水温の範囲としては、例えば、３５〜５５℃の間で５℃間隔で設定される。ただし、下限値と上限値は機種によって異なるものであり、例えば、３２〜５２℃のものがあり、３５〜７０℃のものもある。設定間隔も同様に５℃以外のものでもよく、１℃間隔であったりしてもよい。また、設定間隔はデマンド制御時に動的に変更させるようにしてもよい。このようにすることで、外部環境の変化に応じた制御が可能となる。

続いて、制御信号がデマンド信号であるときには（Ｓ１０１ＹＥＳ）、デフォルトの供給水温低温設定値であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。デフォルトの供給水温低温設定値であるときには（Ｓ１０３ＹＥＳ）、デマンド運転時の供給水温低温設定値に設定し、処理は終了する（Ｓ１０４）。すなわち、使用電力量を低減させるように現在の出口水温より低い出口水温に設定するのである。このようにすることで、使用電力量を抑制することができる。なお、ここで言うところのデフォルトとはデマンド信号を受信したときに、予め定めた使用電力量に抑えるようにするための出口水温のことである。

これに対して、デフォルトの供給水温低温設定値ではないときには（Ｓ１０３ＮＯ）、自動補正信号であるか否かを判定する（Ｓ１０５）。自動補正信号であるときには（Ｓ１０５ＹＥＳ）、その自動補正信号の詳細について判定する。具体的には、スケジューリングされた信号であるか否かを判定する（Ｓ１０６）。スケジューリングされた信号であるときには（Ｓ１０６ＹＥＳ）、デマンドスケジューリング運転時の動的供給水温低温設定値に設定し、処理は終了する（Ｓ１０７）。

具体的には、ここで言うところの自動補正とは、その都度目標温度となる出口水温を設定するような制御ではなく、ある一定の期間について使用電力量を抑制し続ける制御のことである。例えば、最初の段階で大幅に使用電力量を抑制させるために出口水温を下げた後、所定期間経過した場合には、使用電力量を抑えつつも、最初に使用電力量を抑制させるために設定した出口水温よりも高い温度に設定し、さらに所定時間経過したら、出口水温を元の通常運転時の供給水温標準設定値に戻すというような処理である。このような処理をすることにより、例えば、電力需要が急激に逼迫したときに、いったん使用電力量を大幅に抑えこみ、その後、ゆるやかに使用電力量を抑えるということができるようになる。すなわち、所定の時間ごとに出口水温の値を変更することができる。それにより、急激に電力需要が逼迫し、その後電力需要が落ち着いたときであっても、一度のデマンド指令だけでデマンド運転から通常運転への切替をすることができるので、空冷ヒートポンプチラーの監視を効率よく行うことができる。

また、ここで言うところのスケジューリングされた信号とは、例えば、一定期間だけ断続的に使用電力量を抑える処理を繰り返すような処理である。具体的には、１ヶ月間、毎週月曜日の午前１０時から午後１時までの間だけ使用電力量を抑えるような処理のことである。このようにすれば、例えば、予め電力需要が逼迫することがわかっているような計画停電のときであっても、自動的にスケジューリングされた使用電力量低減処理を実行することができる。もちろん、一日単位で電力需要が逼迫するときだけスケジューリングさせるようにしてもよいことは言うまでもない。要するに、デマンド指令を受信したときには、予め定めた一又は複数の所定期間の間、デマンド運転を実行することができる。それにより、予め電力が逼迫することが、例えば、１ヶ月単位で明らかになっているときには、自動的にデマンド運転となるようにスケジューリングができるため、電力負荷の需要と供給の効率的な監視をすることができる。

一方、スケジューリングされた信号ではないときには（Ｓ１０６ＮＯ）、デマンド運転時に手動で設定された供給水温低温設定値に設定し、処理は終了する（Ｓ１０８）。ここで言うところのデマンド運転時の手動設定とは、例えば、オペレータが電力需要を監視している状態で、何らかの原因により急に電力需要が逼迫し始めつつも、先の電力需要が予測できないときに、制御量として、出口水温をリニアに下げつつも、その下げ幅を最初は大きく、その後下げ幅を小さくするように急遽手動で設定してデマンド信号を送信する場合である。このような設定方法としては、例えば、ゲイン調整パラメータ（図示せず）をチューニングすることにより、出口水温を下げていく量を制御するようにしてもよい。

次いで、自動補正信号ではないときには（Ｓ１０５ＮＯ）、続いて、デマンドレベルを判定する（Ｓ１０９）。すなわち、どのデマンドレベルであるかを判定することにより、使用電力量を抑える量を判定するのである。例えば、デマンドレベルｉとして、出口水温を４５℃としてもよく、デマンドレベルｉｉとして、出口水温を４０℃としてもよく、デマンドレベルｉｉｉとして、出口水温を３５℃としてもよい。

具体的には、デマンドレベルがｉであれば（Ｓ１０９のｉ）、デマンドレベルｉ運転時の供給水温低温設定値に設定し、処理は終了する（Ｓ１１０）。また、デマンドレベルがｉｉであれば（Ｓ１０９のｉｉ）、デマンドレベルｉｉ運転時の供給水温低温設定値に設定し、処理は終了する（Ｓ１１１）。また、デマンドレベルがｉｉｉであれば（Ｓ１０９のｉｉｉ）、デマンドレベルｉｉｉ運転時の供給水温低温設定値に設定し、処理は終了する（Ｓ１１２）。なお、このデマンドレベルは３段階に限定されず、さらに細かい段階であってもよく、これより少ない段階であってもよい。例えば、０．５℃ずつの段階に分かれているデマンドレベルであってもよく、それとは異なり、１０℃ずつの段階に分かれているデマンドレベルであってもよい。要するに、デマンドレベルによる制御においては、毎回目標温度となる出口水温を設定する処理である。このように、複数のデマンド指令を受信可能であり、受信したデマンド指令の種類に応じた出口水温を設定することができる。

以上の構成により、暖房運転時にデマンド制御する際、凝縮器の熱媒体温度の目標値を変更することにより、暖房状態でデマンド制御したときであっても、使用電力量の低減度合いを大きくすることができる。これにより、エネルギー消費量を削減することができる。

具体的には、暖房運転時にデマンド制御するときには、水側熱交換器１２の出口水温を下げることにより、空調制御装置１５は水側熱交換器１２の冷媒圧力を下げる。それにより、水側熱交換器１２から空気側熱交換器１０２へ冷媒を送り出すときの圧力比は低減する。その結果、圧縮機１００の動力負荷を小さくすることができる。従って、圧縮機用電動機１１の使用電力量を削減することができる。

１：空冷ヒートポンプチラー、１０：送風機用電動機、１１：圧縮機用電動機、１２：水側熱交換器、１３：電子膨張弁、１４：四方切換弁、１５：空調制御装置、１６：出口水温センサ、１７：入口水温センサ、２０：記憶部、２１：演算部、２２：通信部、２３：制御部、１００：圧縮機、１０２：空気側熱交換器、１０３：アキュムレータ、１０４：バイパス配管、１０５：冷媒量調整タンク、２００：冷却性能、２０１、３０１：加熱性能。

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を冷媒配管で接続し、内部に冷媒が循環する冷媒回路と、
   前記凝縮器が接続され、前記凝縮器を流れる冷媒と熱交換する熱媒体が循環する熱媒体回路と、
   前記凝縮器から流出した熱媒体の温度を測定する熱媒体温度測定センサと、
   運転モードとして通常モードとデマンドモードを有し、暖房運転時にデマンド指令を受信すると前記デマンドモードを実行する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記デマンドモードにおいては、前記熱媒体温度測定センサで測定される熱媒体温度の目標値を通常モードの目標値よりも低い目標値Ａとして、少なくとも前記圧縮機の回転数を制御することを特徴とする空冷ヒートポンプチラー。
2. 前記制御装置は、
   複数種のデマンド指令を受信するものであり、
   前記受信したデマンド指令の種類に応じた前記目標値Ａを設定することを特徴とする請求項１に記載の空冷ヒートポンプチラー。
3. 前記制御装置は、
   所定の時間ごとに前記目標値Ａの値を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の空冷ヒートポンプチラー。
4. 前記制御装置は、
   デマンド指令を受信した場合、予め定めた一又は複数の所定期間の間デマンドモードを実行することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の空冷ヒートポンプチラー。

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