JP5718013B2 - ヒートポンプの制御方法 - Google Patents
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Description
特許文献1、2、3では、ヒートポンプの熱効率を高水準に保つための圧縮機から吐出される冷媒の温度が目標吐出温度として定められ、圧縮機から吐出される冷媒の温度を、この目標吐出温度に近づくような制御がなされている。
圧縮機に吸入される冷媒の過熱度は、冷媒の密度に密接に関連しており、冷媒の過熱度が高くなると冷媒密度は低くなり、冷媒の過熱度(加熱度)が低くなると冷媒密度は高くなる。そして、冷媒密度が低くなりすぎると、圧縮機が一度に圧縮する冷媒量が少なくなってヒートポンプの熱効率の低下を招き、冷媒密度が高くなりすぎると、圧縮機に作用する抵抗が大きくなってヒートポンプの熱効率が低下するため、冷媒の過熱度がヒートポンプの熱効率に及ぼす影響は小さくない。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、圧縮機に吸入される冷媒の過熱度を考慮して膨張弁の開度を調整するヒートポンプの制御方法を提供することを目的とする。
図1に示すように、本発明の一実施の形態に係るヒートポンプの制御方法が適用されるヒートポンプユニット10は、貯湯タンク11の水を加熱する加熱装置であり、冷媒が循環する冷媒循環回路12を備えている。
また、冷媒循環回路12には、圧縮機16から送られる冷媒の圧力が予め定められた値(例えば13MPa)以上になった際に、冷媒循環回路12を構成する管や機器等に破損が生じないように圧縮機16の運転を停止させるための圧力スイッチ17が取り付けられている。
湯水循環回路18には、水熱交換器13に入水する水の温度を計測する入水サーミスタ20と、水熱交換器13から出湯する湯の温度を計測する出湯サーミスタ21が取り付けられている。
また、湯水循環回路18には、水熱交換器13の湯の出側と貯湯タンク11の底部を連結するバイパス管23と、水熱交換器13からの湯の送り先を、貯湯タンク11の上部にするか、バイパス管23を介して貯湯タンク11の底部にするかを切り替える三方弁24が設けられている。そして、循環ポンプ19及び三方弁24は、プログラムを搭載したチップと記憶デバイス等を備えた制御装置26に信号接続されている。
制御装置26は、HP制御装置27と信号通信が可能であり、HP制御装置27に対して圧縮機16等の運転指令信号を出力すると共に、循環ポンプ19に作動信号を送信して、貯湯タンク11内の水の沸き上げ運転を行う。更に、制御装置26は、HP制御装置27を介して出湯サーミスタ21で計測される水熱交換器13から出湯する湯の温度を計測可能であり、この出湯サーミスタ21を介して計測する湯温が、予め設定された温度(例えば40℃)以下の場合には、水熱交換器13からの湯がバイパス管23を介して貯湯タンク11の底部に送られるように三方弁24の切り替えを行い、貯湯タンク11の上部にある湯の温度を下げないための制御を行う。そして、制御装置26は、出湯サーミスタ21を介して計測する湯温が予め設定された温度よりも高温となったのを検知したとき、三方弁24を切り替えて、水熱交換器13からの湯を貯湯タンク11の上部に供給する。
なお、貯湯タンク11の底部及び上部には、貯湯タンク11に水道水を給水する給水管29及び貯湯タンク11内の湯を台所や浴槽等に供給するための出湯管29aがそれぞれ接続されている。給水管29には、図示しない減圧弁が配置されている。
蒸発器15は、膨張弁14で減圧された冷媒を蒸発させ、冷媒に外気の熱を吸熱させることができる。蒸発器15には、外気を蒸発器15の表面に供給して蒸発器15の仕事効率を高めるファン30が近接配置されている。ファン30はHP制御装置27からの信号によって所定の回転数で回転する。
また、蒸発器15には、冷媒の蒸発温度を計測する蒸発サーミスタ32が取り付けられており、HP制御装置27は、蒸発サーミスタ32を介して、冷媒の蒸発温度を検出することができる。
なお、HP制御装置27は、プログラムが搭載されたチップと記憶デバイス等から構成されている。
圧縮機16は、図示しないインバータを搭載しており、HP制御装置27からの信号を受けてインバータの周波数を変えることにより冷媒の圧縮量を調整する。ヒートポンプユニット10には外気温度を計測する外気サーミスタ34が取り付けられており、HP制御装置27は、外気サーミスタ34を介して検知した外気温度に応じて所定の周波数でインバータを作動することができる。
そして、HP制御装置27は、入水サーミスタ20、出湯サーミスタ21、蒸発サーミスタ32、吸入サーミスタ35及び吐出管サーミスタ36を介して取得した各温度値を基にして、圧縮機16の単位消費電力に対して、水熱交換器13で冷媒から水に与えられる熱エネルギー(以下、「COP」ともいう)が高水準となるように、膨張弁14の開度調整を行う。以下、COPを高水準に保つための膨張弁14の開度調整方法、即ちヒートポンプの制御方法について説明する。
一般的にヒートポンプユニットには、外気温度について動作保証温度が存在する。ヒートポンプユニット10もその例外ではなく、動作保証温度が存在し、本実施の形態では、動作保証温度は−10℃以上43℃以下である。
本実施の形態では、外気の温度を、−10℃以上7℃未満、7℃以上16℃未満、及び16℃以上43℃以下の3つの温度領域に分けて、膨張弁14の開度調整を行っている。
COPは、湯水循環回路18を循環する水が、水熱交換器13で冷媒循環回路12を循環する冷媒から与えられる単位時間当たりの熱エネルギーを、圧縮機16の単位時間当たりの消費電力量で除算して得ることができる。
そして、COPが最大となる状態が検知されると、HP制御装置27は、水熱交換器13に入水する水の温度Xと、水熱交換器13から出湯する湯の温度Yと、圧縮機16に吸入される冷媒の過熱度Zと、圧縮機16から吐出される冷媒の温度Tの各値を記憶する。
ここで、HP制御装置27は、温度X、温度Y及び温度Tをそれぞれ入水サーミスタ20、出湯サーミスタ21及び吐出管サーミスタ36を介して取得でき、過熱度Zについては、吸入サーミスタ35を介して検知した温度から蒸発サーミスタ32を介して検知した温度を差し引くことによって得ることができる。
そして、HP制御装置27は、外気の温度領域ごとに、3組のX、Y、Z、Tを得、この3組のX、Y、Z、TをT=A×X+B×Y+C×Zにそれぞれ代入してなる3つの方程式からA、B、Cの値を算出する。
117.8=A×9+B×90+C×6.3、
119.9=A×5+B×90+C×4.9、
121=A×9+B×85+C×(−1.2)
の3つの方程式が得られるので、この連立方程式からA、B、Cを算出することができる。
なお、通常Zがプラスの値であるのに対し、3)の計測結果でZがマイナスの値になっているのは、蒸発器15から圧縮機16にガス状の冷媒が送られる際に発生する圧力損失等が原因となっている。
本実施の形態では、A、B、Cに設定可能な数値を格納しているメモリ容量が256ビットであり、A、B、Cに設定可能な値は−128/32以上127/32以下の範囲W1内の値に制限されている。更に、A、B、Cそれぞれに対して設定できる値は、Nを整数としてN/32の値に限られている。従って、通常、A、B、Cに設定可能な値で、各方程式の右辺を算出した値をそれぞれ各方程式の左辺と同一の値にはできない。
このため、A、B、Cには、各方程式において右辺の算出値が左辺の値の±α%以内の範囲となる値が設定され(αは、0より大きく1以下の数字で、例えば0.5)、A、B、Cには具体的にそれぞれ、A=−2/32、B=45/32、C=−44/32が設定される。
そして、このA=−2/32、B=45/32、C=−44/32が、外気が−10℃以上7℃未満の温度領域において、後の加熱制御工程で膨張弁14の開度調整を行うための基となる演算式に採用される係数となる。
なお、範囲W1は、−128/32以上127/32以下の範囲に限定されず、他の範囲にすることもできる。
90=A×17+B×65+C×10.4、
94.2=A×9+B×65+C×7.7、
117.8=A×9+B×90+C×6.3
となり、これらの方程式を基に、A、B、Cを求めると、A、B、Cは範囲W1内の値にならない。
具体的には、
90=A×17+B×65+C×10.4+D、
94.2=A×9+B×65+C×7.7+D、
117.8=A×9+B×90+C×6.3+D
の3つの方程式について、右辺の算出値が、左辺の値の±α%以内の範囲になるA、B、C、Dの値が求められ、それぞれA=−40/32、B=34/32、C=68/32、D=20となる。
そして、このA=−40/32、B=34/32、C=68/32、D=20が、外気が7℃以上16℃未満の温度領域において、加熱制御工程で膨張弁14の開度調整をするための基となる演算式に採用される係数となる。
なお、Dについても、HP制御装置27が備えるメモリ容量によって、設定可能な値が0〜255の範囲に制限されている。
一方、HP制御装置27は、算出されたA又はB若しくはCが範囲W1内の値でない温度領域については、A、B及びCが所定の範囲W1内になるようにA、B、CとDの値を算出して、そのA、B、C、Dを、膨張弁14の開度調整のための演算式の係数として記憶する。
準備工程は、HP制御装置27が外気の各温度領域について膨張弁14の開度調整のための演算式の係数A、B、C、Dを記憶して完了し、この準備工程の完了により、HP制御装置27は、貯湯タンク11の水の加熱制御が可能な状態になる。
水熱交換器13に入水する水の温度をX’、水熱交換器13から出湯される湯の温度をY’、圧縮機16に吸入される冷媒の過熱度をZ’、圧縮機16から吐出される冷媒の温度をT’とすると、HP制御装置27は、加熱制御工程において予め設定された時間間隔(本実施の形態では、10秒から240秒で具体的には30秒)でX’、Y’、Z’及びT’の計測と共に、外気の温度計測を行う。
HP制御装置27は、X’、Y’、T’及び外気温度をそれぞれ入水サーミスタ20、出湯サーミスタ21、吐出管サーミスタ36及び外気サーミスタ34を介して計測することができ、Z’については、吸入サーミスタ35を介して検出した温度から蒸発サーミスタ32を介して検出した温度を差し引いて算出する。
具体的には、外気温度の計測値が属する温度領域(例えば−10℃以上7℃未満の温度領域)に対して、A、B、Cの値を記憶している場合、HP制御装置27は、計測されたX’、Y’及びZ’を基にしてA×X’+B×Y’+C×Z’の算出値を目標吐出温度T1として取得する。
一方、外気温度の計測値が属する温度領域(例えば7℃以上16℃未満の温度領域)に対して、A、B、C、Dが膨張弁14の開度調整のための演算式の係数として記憶されている場合、HP制御装置27は、計測されたX’、Y’及びZ’を基にしてA×X’+B×Y’+C×Z’+Dの算出値を目標吐出温度T1として取得する。
膨張弁14の開度調整は、一般的なフィードバック制御であるPID制御によりなされる。
本実施の形態では、急激な膨張弁14の開度変更によって、温度T’が目標吐出温度T1を上回る、いわゆるオーバーシュートになるのを回避するため、最新の温度T’の計測値(最後に計測された値)と所定時間前(例えば120秒前)に計測された温度T’の計測値を足して2で割った値と、最新の目標吐出温度T1とを比較して、膨張弁14の開度が決定される。
目標出湯温度Y1は、HP制御装置27に対して制御装置26から貯湯タンク11の沸き上げ開始の指令信号と共に送信される信号によって決定される。また、入水温度X’の温度は、貯湯タンク11の下部から出水される水の温度のため、貯湯タンク11の上部から蓄えられる湯が下部に達するまでは、通常一定の範囲内で保たれる。
なお、図2は、外気温度が7℃、目標出湯温度Y1が65℃、入水温度9℃の条件で貯湯タンク11の沸き上げを行ったときの実験データをグラフ化したものである。
そして、出湯温度Y’が目標出湯温度Y1と略同一になってからは、目標出湯温度Y1が変わらず、かつ外気等に大きな変化がない限り、膨張弁14の開度は大きく変えられることがなく、吐出温度T’と目標吐出温度T1は略同一の温度の状態が保たれる。
HP制御装置27は、湯の沸き上げが安定状態になった後に、温度X’が予め設定された温度(5℃〜15℃の範囲で、本実施の形態では10℃)より高くなり、かつ、目標吐出温度T1が安定温度領域W2外の温度(例えば11℃)になったときには、温度T’が、安定温度領域W2内の温度に近づくように膨張弁14の開度を調整する。
そして、温度X’が一定温度以上になってもなお、目標吐出温度T1を算出して、温度T’がその算出された最新の目標吐出温度T1に近づくような膨張弁14の開度調整を行うと、必要以上に温度T’が低下してCOPの低下を招く等の現象が生じ得るので、温度T’の温度調整の対象を、算出された最新の目標吐出温度T1にはせず、安定温度領域W2内の温度としている。
ここで、温度T’の対象とされる安定温度領域W2内の温度は、安定温度領域W2の平均温度、下限温度あるいは上限温度のいずれかにすることができる。
これは、沸き上げ開始直後、通常、出湯温度Y’が低温のため目標吐出温度T1が低くなり、温度T’をこの低い目標吐出温度T1に近づける制御を行うと、冷媒が水を十分に加熱(例えば40℃に加熱)できる状態になるまで長い時間を要するためである。
図2に示される実験データでは、沸き上げ開始から2〜3分が経過するまで、目標吐出温度T1が目標出湯温度Y1より低く、温度T’を目標出湯温度Y1に近づけるための制御が行われている。
これは、サーミスタの障害等によって、目標吐出温度T1が想定される温度以上の温度になり得ることを考慮したものであり、目標吐出温度T1が想定温度以上になったときには、吐出温度のT’の目標温度が、目標吐出温度T1から限界温度Hに切り替えられる。
また、ヒートポンプユニット10による貯湯タンク11の沸き上げ運転は、制御装置26からHP制御装置27に運転停止の指示信号が送信されるまで継続され、HP制御装置27は、制御装置26からの運転停止信号により圧縮機16、ファン30等を停止する。
例えば、−10℃以上7℃未満の温度領域でA、B、Cを算出するにあたって、COPが最高となったときのX=9℃、Y=90℃、Z=6.3℃、T=117.8℃の計測結果を採用する代わりに他の計測結果X=4℃、Y=90℃、Z=6.3℃、T=113.2℃(XとTの値が異なっている)を採用してA、B、Cを算出すれば、A、B、Cの値は異なる。
また、実験において、外気温度=20.5℃、入水温度X’=20℃、出湯温度Y’=65℃の環境下で、COPが最大となるように膨張弁14の開度調整を行った際のCOPが4.92(このときのZ’及びT’は、Z’=10.3℃、T’=85.9℃)であったのに対し、同環境下で、本実施の形態のヒートポンプの制御を行い、沸き上げが安定状態になったときのCOPは4.91(T’=85.5℃、Z’=10.4℃)となり、その差は0.01であった。これは、本実施の形態に係るヒートポンプの制御方法が高水準のCOPを確保可能であることを意味している。
例えば、外気の温度領域は3つであることに限定されず、4つ、5つやそれ以外の数の温度領域を設けることができる。
Claims (7)
- 膨張弁によって減圧した冷媒を、蒸発器で蒸発させて外気の熱を吸熱させ圧縮機によって圧縮して水熱交換器で水を加熱するための熱源とするヒートポンプの制御方法において、
前記水熱交換器で前記水に与えられる熱エネルギーが、前記圧縮機の単位消費電力に対して最大となるときの、前記水熱交換器に入水する前記水の温度X、該水熱交換器から出湯される湯の温度Y、前記圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度Z、及び前記圧縮機から吐出される前記冷媒の温度Tを、前記温度Tが異なる値となる条件下で計測して3組のX、Y、Z、Tを得、該3組のX、Y、Z、TをT=A×X+B×Y+C×Zにそれぞれ代入してなる3つの方程式からA、B、Cを算出する準備工程と、
前記水熱交換器に入水する前記水の温度をX’、該水熱交換器から出湯される湯の温度をY’、前記圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度をZ’、該圧縮機から吐出される該冷媒の温度をT’として、予め設定された時間間隔で、X’、Y’、Z’及びT’の計測と、計測されたX’、Y’及びZ’を基にしてA×X’+B×Y’+C×Z’の算出値である目標吐出温度T1の取得とを行い、前記計測された温度T’が前記目標吐出温度T1に近づくように前記膨張弁の開度を調整して、前記水を加熱する加熱制御工程とを有し、
前記圧縮機に吸入される前記冷媒の過熱度は、前記圧縮機に吸入される冷媒の温度を計測する吸入サーミスタにより検知した温度から、前記蒸発器に取り付けられて、前記冷媒の蒸発温度を計測する蒸発サーミスタにより検知した温度を差し引くことによって得られることを特徴とするヒートポンプの制御方法。 - 請求項1記載のヒートポンプの制御方法において、前記準備工程で、前記外気の温度を複数の温度領域に分け、該温度領域ごとに、前記A、B、Cを算出し、
前記加熱制御工程で、前記X’、Y’、Z’及びT’の計測と共に、前記外気の温度を計測し、計測された該外気の温度が属する前記温度領域に対して前記準備工程で算出したA、B、Cを用いてA×X’+B×Y’+C×Z’から前記目標吐出温度T1を算出することを特徴とするヒートポンプの制御方法。 - 請求項1記載のヒートポンプの制御方法において、前記準備工程で、算出されるA、B又はCが、実際に記憶できる所定の範囲W1外の値となる場合には、前記T=A×X+B×Y+C×Zの代わりに、T=A×X+B×Y+C×Z+Dを用いて、
A、B及びCが該所定の範囲W1内になるA、B、CとDを求めて、
前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度T1の算出に、A×X’+B×Y’+C×Z’の代わりに、A×X’+B×Y’+C×Z’+Dを用いることを特徴とするヒートポンプの制御方法。 - 請求項3記載のヒートポンプの制御方法において、前記準備工程で、前記外気の温度を複数の温度領域に分け、該温度領域ごとに、前記A、B、C、Dを算出し、
前記加熱制御工程で、前記X’、Y’、Z’及びT’の計測と共に、前記外気の温度を計測し、計測された該外気の温度が属する前記温度領域に対して前記準備工程で算出したA、B、C、Dを用いてA×X’+B×Y’+C×Z’+Dから前記目標吐出温度T1を算出することを特徴とするヒートポンプの制御方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載のヒートポンプの制御方法において、前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度T1が前記水熱交換機から出湯される湯の目標出湯温度Y1より低くなっているときは、前記計測された温度T’が、前記目標出湯温度Y1に近づくように前記膨張弁の開度を調整することを特徴とするヒートポンプの制御方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のヒートポンプの制御方法において、前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度T1が予め設定された限界温度Hより高温になっているときは、前記温度T’が、該限界温度Hに近づくように前記膨張弁の開度を調整することを特徴とするヒートポンプの制御方法。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のヒートポンプの制御方法において、前記加熱制御工程で、前記目標吐出温度T1が、予め設定された時間以上、予め定められた安定温度領域W2内で保たれた後に、前記温度X’が予め設定された温度より高くなり、かつ、前記目標吐出温度T1が前記安定温度領域W2外の温度になったときには、前記温度T’が前記安定温度領域W2内の温度に近づくように前記膨張弁の開度を調整することを特徴とするヒートポンプの制御方法。
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