JP5763361B2

JP5763361B2 - 地中熱ヒートポンプ装置

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Publication number: JP5763361B2
Application number: JP2011031163A
Authority: JP
Inventors: 真典上田; 菅　崇; 菅　　崇
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: JP2012167902A

Description

この発明は、蒸発器として機能する熱源側熱交換器の不凍液流路での不凍液の凍結を防止する地中熱ヒートポンプ装置に関するものである。

従来この種の地中熱ヒートポンプ装置においては、図４に示すように、圧縮機１０１、負荷側熱交換器１０２の冷媒流路１０２ａ、膨張弁１０３、熱源側熱交換器１０４の冷媒流路１０４ａを冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路１０５と、熱源側熱交換器１０４の不凍液流路１０４ｂ、地中に設置された地中熱交換器１０６を不凍液配管で環状に接続した地中熱循環回路１０７と、地中熱循環回路１０７に不凍液を循環させる地中熱循環ポンプ１０８と、床暖房パネル等の負荷端末１０９、負荷側熱交換器１０２の暖房循環液流路１０２ｂを暖房循環液配管で環状に接続した負荷側循環回路１１０と、負荷側循環回路１１０に暖房循環液を循環させる負荷側循環ポンプ１１１とを備え、熱源側熱交換器１０４を蒸発器、負荷側熱交換器１０２を凝縮器として機能させて、負荷端末１０９で被空調空間を加熱する暖房運転等の負荷運転を行うものであった。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００５−３０７０５号公報

ところで、この従来の地中熱ヒートポンプ装置において、負荷端末１０９による暖房運転の際に、暖房出力が急激に増加した場合、それに伴って蒸発器としての熱源側熱交換器１０４側の冷媒の温度が急激に低下し、例えば、熱源側熱交換器１０４側の冷媒の温度が−１０℃を下回ると、熱交換器の種類によっては、熱源側熱交換器１０４の不凍液流路１０４ｂを流通する不凍液中の水分が凍結し始め、不凍液流路１０４ｂ内壁に徐々に氷が張っていく。

そして、不凍液流路１０４ｂ内壁に氷が張るにつれて、不凍液流路１０４ｂが閉塞されていき、地中熱循環回路１０７を循環する不凍液の循環流量が低下すると共に、熱源側熱交換器１０４での熱交換量が不足していくため、熱源側熱交換器１０４側の冷媒の温度低下が収束しない。その結果、不凍液流路１０４ｂ内で氷が成長していき、熱源側熱交換器１０４が破損するおそれがあった。

この発明は上記課題を解決するために、特に請求項１ではその構成を、圧縮機、負荷側熱交換器の冷媒流路、減圧手段、熱源側熱交換器の冷媒流路を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路と、前記熱源側熱交換器の不凍液流路と地中に設置された地中熱交換器とを不凍液配管で環状に接続した地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に不凍液を循環させる地中熱循環ポンプと、前記熱源側熱交換器の冷媒の温度を検出する蒸発温度検出手段とを備え、前記地中熱交換器により地中熱を採熱し、前記熱源側熱交換器を蒸発器として機能させると共に、前記負荷側熱交換器を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する負荷運転を行う地中熱ヒートポンプ装置において、前記負荷運転時に、前記圧縮機の吐出温度が予め設定された目標吐出温度になるように前記減圧手段の開度を制御すると共に、前記蒸発温度検出手段の検出する冷媒温度が予め設定された目標蒸発温度となるように地中熱循環ポンプの回転数を制御する制御手段を設け、前記制御手段は、前記負荷運転時に、前記蒸発温度検出手段の検出する冷媒温度が、前記目標蒸発温度より低く前記不凍液流路で不凍液中の水分の凍結が開始されると予想される予め設定された凍結温度に達し、かつ、前記地中熱循環ポンプの回転数が上限に達していると判断すると、前記目標吐出温度をそれまでよりも所定温度低く設定し、新たに設定された前記目標吐出温度になるように減圧手段の開度を開く方向に制御するものとした。

また、請求項２では、前記制御手段は、前記負荷運転時に、前記蒸発温度検出手段の検出する冷媒温度が、前記不凍液流路で不凍液中の水分の凍結が開始されると予想される予め設定された凍結温度に達し、かつ、前記地中熱循環ポンプの回転数が上限に達しているしたと判断すると、前記目標吐出温度を所定温度低く設定し、新たに設定された前記目標吐出温度になるよう減圧手段の開度を開く方向に制御すると共に、前記圧縮機の周波数を増加させるよう制御するものとした。

この発明の請求項１によれば、制御手段は、負荷運転時に、蒸発温度検出手段の検出する冷媒温度が、不凍液流路で不凍液中の水分の凍結が開始されると予想される予め設定された凍結温度に達し、かつ、前記地中熱循環ポンプの回転数が上限に達していると判断すると、目標吐出温度をそれまでよりも所定温度低く設定し、新たに設定された目標吐出温度になるよう減圧手段の開度を開く方向に制御することで、熱源側熱交換器側の冷媒の温度が上昇し、負荷運転中の熱源側熱交換器の不凍液流路の凍結を防止でき、熱源側熱交換器の破損を未然に防止することができるものである。

また、請求項２によれば、制御手段は、負荷運転時に、蒸発温度検出手段の検出する冷媒温度が、不凍液流路で不凍液中の水分の凍結が開始されると予想される予め設定された凍結温度に達し、かつ、前記地中熱循環ポンプの回転数が上限に達していると判断すると、目標吐出温度をそれまでよりも所定温度低く設定し、新たに設定された目標吐出温度になるよう減圧手段の開度を開く方向に制御すると共に、圧縮機の周波数を増加させるよう制御することで、熱源側熱交換器側の冷媒の温度が上昇するので、熱源側熱交換器の不凍液流路の凍結を防止できると共に、暖房出力を低下させることがなく、安定した暖房出力を得ることができ、使用感を損なうことがないものである。

この発明の一実施形態の概略構成図。同一実施形態の熱源側熱交換器の不凍液流路の凍結防止動作を示すフローチャート。同一実施形態の暖房運転時の各パラメータの動きを表すタイムチャート。従来の地中熱ヒートポンプ装置の概略構成図。

次に、この発明の第１の実施形態の地中熱ヒートポンプ装置を図１に基づき説明する。
図１のように、本実施形態の地中熱ヒートポンプ装置は、大きく分けてヒートポンプユニット１と、地中熱交換部２と、負荷熱交換部３とから構成されるものである。

前記ヒートポンプユニット１は、冷媒を圧縮する能力可変の圧縮機４と、圧縮機４から吐出された高温冷媒を流通させ、この高温冷媒と負荷熱交換部３の負荷側の熱媒との熱交換を行う凝縮器としての負荷側熱交換器５の冷媒流路５ａと、負荷側熱交換器５の冷媒流路５ａから流出する冷媒を減圧する減圧手段としての膨張弁６と、膨張弁６からの減圧した低温冷媒を流通させこの低温冷媒と地中熱交換部２の熱源側の熱媒との熱交換を行う蒸発器としての熱源側熱交換器７の冷媒流路７ａとを備え、これらを冷媒配管で環状に接続しヒートポンプ回路８を形成しているものである。なお、ヒートポンプユニット１の冷媒としては、二酸化炭素冷媒やＨＦＣ冷媒等の任意の冷媒を用いることができるものである。また、９は圧縮機４から吐出された冷媒の温度を検出する吐出温度検出手段としての吐出温度センサ、１０は膨張弁６から圧縮機４に至るまでの熱源側熱交換器７側の冷媒配管、つまり低圧側の冷媒配管に設けられ、低圧側の冷媒の温度を検出する蒸発温度検出手段としての蒸発温度センサである。

前記負荷側熱交換器５および前記熱源側熱交換器７はプレート式熱交換器で構成され、プレート式熱交換器は複数の伝熱プレートが積層され、冷媒を流通させる冷媒流路と流体を流通させる流体流路とが各伝熱プレートを境にして交互に形成されているものである。

また、前記地中熱交換部２は、熱源側熱交換器７の不凍液流路７ｂと、熱源側熱交換器７の冷媒流路７ａを流通する冷媒を加熱する熱源として地中に設置され互いに並列に接続された複数の地中熱交換器１１とを不凍液配管で環状に接続する地中熱循環回路１２と、地中熱循環回路１２に熱媒としてエチレングリコールやプロピレングリコール等を添加した不凍液を循環させる回転数可変の地中熱循環ポンプ１３とを備えているものである。

ここで、前記地中熱交換部２では、後述する負荷運転を行う際に、地中熱交換器１１によって地中から地中熱を採熱し、その熱を帯びた不凍液が地中熱循環ポンプ１３により熱源側熱交換器７の不凍液流路７ｂに供給される。そして、熱源側熱交換器７にて冷媒流路７ａを流通する冷媒と不凍液流路７ｂを流通する不凍液とが対向して流れて熱交換が行われ、地中熱交換器１１にて採熱された地中熱がヒートポンプユニット１の冷媒側に汲み上げられて冷媒が加熱され、熱源側熱交換器７は蒸発器として機能するものとなる。

また、前記負荷熱交換部３は、負荷側熱交換器５の暖房循環液流路５ｂと、被空調空間を加熱する床暖房パネル等の負荷端末１４とを暖房循環液配管で環状に接続した負荷側循環回路１５と、負荷側循環回路１５に暖房循環液を循環させる負荷側循環ポンプ１６と、負荷端末１４毎に分岐した負荷側循環回路１５に各々設けられ、その開閉により負荷端末１４への暖房循環液の供給を制御する熱動弁１７（１７ａ、１７ｂ）とを備えているものである。なお、１８は負荷側循環回路１５に設けられ負荷端末１４から負荷側熱交換器５の暖房循環液流路５ｂに流入する暖房循環液の温度を検出する負荷温度検出手段としての負荷温度センサである。

前記負荷端末１４によって加熱される被空調空間には、リモコン（図示せず）が各々設置されており、このリモコンにより被空調空間の加熱の指示がなされると、圧縮機４および地中熱循環ポンプ１３および負荷側循環ポンプ１６の駆動が開始され、熱源側熱交換器７を蒸発器として機能させると共に、負荷側熱交換器５を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する負荷運転としての暖房運転が行われる。この暖房運転の際、負荷側熱交換器５では、負荷側熱交換器５の冷媒流路５ａを流通する冷媒と負荷側熱交換器５の暖房循環液流路５ｂを流通する暖房循環液とが対向して流れて熱交換が行われて暖房循環液が加熱され、加熱された暖房循環液が熱動弁１７を介して負荷端末１４に送られ、リモコンにより指示された被空調空間を加熱するものである。

１９は吐出温度センサ９、蒸発温度センサ１０、負荷温度センサ１８の入力や前記リモコンからの信号を受けて、圧縮機４、膨張弁６、地中熱循環ポンプ１３、負荷側循環ポンプ１６の各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを有する制御手段である。

前記制御手段１９は、暖房運転中、負荷温度センサ１８の検出する暖房循環液の温度が設定された目標暖房温度になるように圧縮機４の周波数を制御し、例えば、負荷温度センサ１８の検出する暖房循環液の温度が設定された目標暖房温度よりも低下すると、圧縮機４の周波数を増加するよう制御するものである。

また、前記制御手段１９は、暖房運転時、リモコンで設定される負荷端末１４の設定温度に基づき圧縮機４から吐出される冷媒の目標吐出温度を設定し、暖房運転中、吐出温度センサ９の検出する圧縮機４から吐出された冷媒の温度が設定された目標吐出温度になるように膨張弁６の開度を開閉制御し、例えば、吐出温度センサ９の検出する冷媒の吐出温度が設定された目標吐出温度よりも低下すると開度を閉じる方向に制御するものである。

また、前記制御手段１９は、暖房運転中、蒸発温度センサ１０の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標蒸発温度になるように地中熱循環ポンプ１３の回転数を制御し、例えば、蒸発温度センサ１０の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標蒸発温度よりも低下すると、地中熱循環ポンプ１３の回転数を増加させるよう制御するものである。

次に、図１に示す一実施形態の暖房運転中の不凍液流路７ｂの凍結防止動作について図２に示すフローチャートおよび図３に示すタイムチャートに基づき説明する。
前記リモコンにより負荷端末１４による被空調空間の暖房の指示がなされると、前記制御手段１９は圧縮機４、地中熱循環ポンプ１３、負荷側循環ポンプ１６の駆動を開始させ、暖房運転が開始される。暖房運転が開始されると、負荷側熱交換器５では負荷側循環ポンプ１６により循環される暖房循環液と圧縮機４から吐出された高温高圧の冷媒とが熱交換され、加熱された暖房循環液が負荷端末１４に供給され被空調空間を加熱すると共に、熱源側熱交換器７では、地中熱循環ポンプ１３により循環され地中熱交換器１１を介して地中熱を採熱した不凍液と膨張弁６から吐出された低温低圧の冷媒とが熱交換され、地中熱により冷媒を加熱し蒸発させるものである。

この暖房運転時、制御手段１９は、圧縮機４から吐出される冷媒の目標吐出温度および熱源熱交換器７側（低圧側）の冷媒の目標蒸発温度および負荷側の目標暖房温度を設定し、暖房運転中、吐出温度センサ９の検出する圧縮機４から吐出された冷媒の温度が設定された目標吐出温度になるように膨張弁６の開度を開閉制御し、蒸発温度センサ１０の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標蒸発温度になるように地中熱循環ポンプ１３の回転数を制御し、負荷温度センサ１８の検出する暖房循環液の温度が設定された目標暖房温度になるように圧縮機４の周波数を制御するものである。

前記暖房運転中は、暖房運転開始直後の立ち上がり時や負荷端末１４の運転台数の増加等によって暖房出力が急激に増加する場合があり、この場合、図３の時間ｔ１〜ｔ２に示されているように、暖房出力の急激な増加に伴って熱源側熱交換器７側の冷媒の温度が急激に低下する。熱源側熱交換器７としてプレート式熱交換器を使用した場合、不凍液流路７ｂを流通する不凍液は、不凍液流路７ｂの両側から伝熱プレートを隔てて冷媒によって冷却されるので、不凍液と冷媒との熱交換面積が大きく、不凍液は急速に温度低下し、不凍液中の水分の凍結が短時間のうちに発生して、不凍液流路７ｂ内が徐々に閉塞されてしまう。

そこで、前記制御手段１９は、暖房運転中に、蒸発温度センサ１０の検出する冷媒温度が、目標蒸発温度よりも低く、不凍液流路７ｂで不凍液中の水分の凍結が開始されると予想される予め設定した所定の凍結温度、例えば−１０℃に達したか否かを判断し（ステップＳ１）、図３の時間ｔ２までの期間のように、蒸発温度センサ１０の検出する冷媒温度が−１０℃に達していないと判断した場合は、前記ステップＳ１の処理を繰り返してこれまでの暖房運転を継続し、図３の時間ｔ２のように、蒸発温度センサ１０の検出する冷媒温度が−１０℃に達したと判断した場合は、地中熱循環ポンプ１３の回転数が上限回転数か否か判断するものである（ステップＳ２）。

前記ステップ２において、制御手段１９は、地中熱循環ポンプ１３の回転数が上限回転数ではないと判断すると、地中熱循環ポンプ１３の回転数を上限回転数に設定し（ステップＳ３）、所定時間経過後に前記ステップＳ１の処理に戻る。一方、前記ステップＳ２で、地中熱循環ポンプ１３の回転数が上限回転数であると判断すると、図３の時間ｔ２において、圧縮機４から吐出される冷媒の目標吐出温度を現在の目標吐出温度（例えば、８０℃）から所定温度、例えば１５℃低い温度（６０℃）に設定し（ステップＳ４）、吐出温度センサ９で検出される吐出温度が、新たに設定された目標吐出温度（＝現在の目標吐出温度８５℃−所定温度１５℃＝６０℃）になるように、膨張弁６の開度を開く方向に制御すると共に、制御手段１９は、負荷温度センサ１８の検出する暖房循環液の温度が設定された目標暖房温度になるように、圧縮機４の周波数を増加させるよう制御するものである。

そして、制御手段１９は、蒸発温度センサ１０の検出する冷媒温度が、前記所定の凍結温度より高く且つ前記目標蒸発温度より低く、不凍液流路７ｂで不凍液の凍結が解消されると予想される予め設定された所定の凍結解消温度、例えば−５℃に達したか否かを判断し（ステップＳ５）、図３の時間ｔ２〜ｔ３までの期間のように、蒸発温度センサ１０の検出する冷媒温度が−５℃に達していないと判断した場合は、前記ステップＳ５の処理を繰り返し、図３の時間ｔ３のように、蒸発温度センサ１０の検出する冷媒温度が−５℃に達したと判断した場合は、圧縮機４から吐出される冷媒の目標吐出温度を、現在の目標吐出温度、つまり前記ステップＳ４で設定した目標吐出温度６５℃から所定温度、例えば１５℃高い温度に設定し（ステップＳ６）、吐出温度センサ９で検出される吐出温度が、新たに設定された目標吐出温度になるように、膨張弁６の開度を閉じる方向に制御し、暖房出力が増加した状態で暖房運転を継続するものである。

以上説明した暖房運転中の不凍液流路７ｂの凍結防止動作において、制御手段１９は、暖房運転中に、蒸発温度センサ１０の検出する冷媒温度が、不凍液流路７ｂで不凍液中の水分の凍結が開始されると予想される予め設定した所定の凍結温度に達したと判断すると、圧縮機４から吐出される冷媒の目標吐出温度をそれまでよりも所定温度低く設定し、吐出温度センサ９で検出される吐出温度が、新たに設定された目標吐出温度になるよう膨張弁６の開度を開く方向に制御することで、低圧側の冷媒温度が上昇し、暖房運転中、熱源側熱交換器７の不凍液流路７ｂ内で不凍液中の水分の凍結を防止でき、熱源側熱交換器７の破損を未然に防止することができるものである。

また、圧縮機４から吐出される冷媒の目標吐出温度をそれまでよりも所定温度低い温度に設定し、吐出温度センサ９で検出される吐出温度が、新たに設定された目標吐出温度になるよう膨張弁６の開度を開く方向に制御すると共に、負荷温度センサ１８の検出する暖房循環液の温度が設定された目標暖房温度になるように、圧縮機４の周波数を増加させるよう制御することで、低圧側の冷媒温度が上昇するので、熱源側熱交換器７の不凍液流路７ｂ内で不凍液中の水分の凍結を防止できると共に、不凍液流路７ｂの凍結防止動作を行っている時、圧縮機４の周波数を増加させることによって、暖房出力を低下させることがなく、安定した暖房出力を得ることができ、使用感を損なうことがないものである。

また、制御手段１９は、前記ステップＳ５および前記ステップＳ６の処理において、蒸発温度センサ１０で検出する冷媒温度が、前記目標蒸発温度まで上昇するのを待たずに、前記目標吐出温度を所定温度高く設定し膨張弁６の開度を閉じる方向に制御しているが、これは不凍液流路７ｂの凍結が解消されれば、熱源側熱交換器７での熱交換効率が上がり、徐々に低圧側の冷媒温度が上昇するからであり、目標蒸発温度に達するまで上述のような目標吐出温度の変更および膨張弁６の開度制御を行うのを待たずとも目標蒸発温度に達するからである。

なお、本発明は先に説明した一実施形態に限定されるものでなく、本実施形態では、地中熱交換器１１は地中に複数設置され互いに並列に接続されているが、複数の地中熱交換器１１を互いに直列に接続してもよく、また、地中熱交換器１１を複数設置せず、地中から所望の採熱ができるのであれば、地中熱交換器１１を１本だけ設置したものであってもよい。

また、本実施形態では、地中熱交換器１１を地中に設置するものとし、地中熱交換器１１は地中に直接埋設され地中熱を採熱しているが、地中熱交換器１１を井戸の中に設置し、地中熱によって温められた井戸水から採熱するものも地中熱交換器１１を地中に設置するものに含まれるものである。

また、本実施形態では、床暖房パネル等の負荷端末１４により被空調空間である室内を加熱する熱媒循環式の暖房運転を負荷運転としたが、被空調空間である室内に負荷側熱交換器５を有する室内機（図示せず）を設け、この室内機内で圧縮機４から吐出された高温冷媒を室内空気と直接熱交換し、送風により室内を加熱する暖房運転を負荷運転としてもよいものであり、また、負荷端末１４を給湯等に使用する湯水を貯湯する貯湯タンク（図示せず）とし、貯湯タンク内の湯水を沸き上げる沸き上げ運転を負荷運転としてもよいものであり、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な変形が可能であり、これを妨げるものではない。

４圧縮機
５負荷側熱交換器
５ａ負荷側熱交換器の冷媒流路
６膨張弁
７熱源側熱交換器
７ａ熱源側熱交換器の冷媒流路
７ｂ熱源側熱交換器の不凍液流路
８ヒートポンプ回路
１０蒸発温度センサ
１１地中熱交換器
１２地中熱循環回路
１３地中熱循環ポンプ
１９制御手段

Claims

圧縮機、負荷側熱交換器の冷媒流路、減圧手段、熱源側熱交換器の冷媒流路を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路と、前記熱源側熱交換器の不凍液流路と地中に設置された地中熱交換器とを不凍液配管で環状に接続した地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に不凍液を循環させる地中熱循環ポンプと、前記熱源側熱交換器の冷媒の温度を検出する蒸発温度検出手段とを備え、前記地中熱交換器により地中熱を採熱し、前記熱源側熱交換器を蒸発器として機能させると共に、前記負荷側熱交換器を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する負荷運転を行う地中熱ヒートポンプ装置において、前記負荷運転時に、前記圧縮機の吐出温度が予め設定された目標吐出温度になるように前記減圧手段の開度を制御すると共に、前記蒸発温度検出手段の検出する冷媒温度が予め設定された目標蒸発温度となるように地中熱循環ポンプの回転数を制御する制御手段を設け、前記制御手段は、前記負荷運転時に、前記蒸発温度検出手段の検出する冷媒温度が、前記目標蒸発温度より低く前記不凍液流路で不凍液中の水分の凍結が開始されると予想される予め設定された凍結温度に達し、かつ、前記地中熱循環ポンプの回転数が上限に達していると判断すると、前記目標吐出温度をそれまでよりも所定温度低く設定し、新たに設定された前記目標吐出温度になるように減圧手段の開度を開く方向に制御するようにしたことを特徴とする地中熱ヒートポンプ装置。
前記制御手段は、前記負荷運転時に、前記蒸発温度検出手段の検出する冷媒温度が、前記不凍液流路で不凍液中の水分の凍結が開始されると予想される予め設定された凍結温度に達し、かつ、前記地中熱循環ポンプの回転数が上限に達しているしたと判断すると、前記目標吐出温度を所定温度低く設定し、新たに設定された前記目標吐出温度になるよう減圧手段の開度を開く方向に制御すると共に、前記圧縮機の周波数を増加させるよう制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載の地中熱ヒートポンプ装置。